【論 文】 日本建 築 学 会 構 造 系 論 文 報告 集 第 450 号
・
1993 年 8 月Journal of Struct
.
Constr.
Engng,
AIJ、
No,
450,
Aug.
,
lgg3岩 盤
・
地 盤 条 件
を
考慮
し
た
設
計
用
エネ
ル
ギ
ス ペ
ク
ト
ル
の
提
案
APROPOSAL
OF
DESING
ENERGY
SPECTRA
ALLOWING
FOR
ROCK
AND
SOIL
CONDITIONS
・
秋 山
宏
*7
楊
志 勇
* *
,
北
村 春 幸
* * *
ffiroshi
!IKIYAMA
,Zhi
}「ongYANG
andHaruyz
‘ki
KITA
ルfUR
・4
The
loading
effec ヒof earthquakes to structures is eva 旦uatedin
terms of energy spectra.
The
energy spectra of seismic motionsin
thedeep
rockis
assumed to be of the simplestform.
The seismic motionsin
thedeep
rock are amplifieddue
to the process of wave propagation throughbase
rocks and sedimentary soils upon the rock.
The well−
established wave prepagation theory is applied to the seismic motions in thedeep
rock and the energy spectrafor
the surface seismic mo−
tions are estimated for the praciical design purposes
.
Keyωortts :energ ), inPut
,
energ )s spectrum,
ground conditiOn,
ωaveProPagation
,
amPltfication charac−
teristics,
spmthetic seismic ωaveエ ネル ギ 入 力
,
エ ネル ギス ペ ク トル,
地 盤 条 件,
波 動 伝 達,
増幅特性,
人工 地 震波1.
序 地 震 動の構 造 物へ の荷 重 効 果はエネルギ入 力に よっ て 最も端 的に と らえることがで きる。
その理 由は下 記の と お りである])。
1) 地 震 動の フー
リエ 加 速 度 振 幅ス ペク トルは,
無 減 衰 弾 性 1質 点 系へ の総エ ネルギ 入力 E の 次 式による速 度 換 算 値VE
と固 有 周 期T
との 関 係に一・
致 する。v
・一
〜
辱
…………・
・
………・
…・
・
…・
…・
・
…
(・) 2)一
つ の 地 震 動に よ る一
つ の構 造 物へ の総エ ネルギ 入 力E
の (1 )式に よ る速 度 換 算 値VE
と構 造 物の1
次固 有 周 期 丁 との関係を地 震 動の一
つ の構造物にお け るエ ネルギスペ ク トルと定 義す る。 減衰系ない し,
弾 塑 性 系 の よ うな非 線 形 系におけるエ ネル ギスペ ク トル は , 地 震 動の フ乙 リエ 加 速 度 振 幅ス ペク トルを周期に鬨して平 滑 化し たもの に対応 す る。
平滑 化の 程度は, 構 造 物の非 線 形 性の程 度に比 例 する。 3) 弾 塑 性系にお け るエ ネル ギス ペ ク トル は,h=
0.
1 な る弾 性1
質点系に お け るエ ネル ギスペ ク トル で代表さ れ る。
ん は 減衰定数であ る。
こ の意 味に お い て,・
一
つ の 地 震 動に より構 造 物に投入さ れ るエ ネル ギの総量 は,
専 ら,
構造 物の総 質 量, 1次 固 有 周 期に依 存し,
構造 物の 強 度,
強 度 分 布, 剛 性 分 布,
質 量 分 布,
復 元 力特性に影 響さ れ な い安 定し た量であ る と言え る。
地 震 動の発生の メ カニ ズム は現 在 次の よ うに考え ら れ ている。
ユ) 震 源 域におい て,
岩 盤に ひずみ エ ネル ギが蓄 積し,
岩 盤 内の断 層が破 断 限 界に達する と断 層が破 壊し,
ひず みエ ネルギが 岩 盤 内に解 放さ れ, 振 動 とし て岩 盤 内 を伝 播す る。.
2) 建 物 直下の岩 盤に到 達し た実 体 波と し て の地震動は 地 表 付 近で増 幅さ れ て地 表 面に到 達する。
また,
地 表 面 の地 震 動は,
地 表 面 付 近を水 平に伝 播 する表 面 波 を 含 ん で い る。 岩盤 を伝 播す る 地 震動の フー
リエ 加速 度 振 幅ス ペ ク ト ルは,
限界周期 τ。 よ り小さい周 期 範囲 で は ほ ぼ一t
定の 振 幅 を示すこと, およ び,
・
地 震のマ グニ チュー
ドが増 大 する と Tcも大き く な る こ と が 明ら か と な っ て い る2 )・
S )。
岩 盤の地 震 動の地 表 面へ の増 幅 特 性は波 動の 1次 元 重 複 反 射 理 論に よっ てその大 要が把 握で きること が 明ら か に され てい る4 )−
G )。
ま た, 地 表 面で得られ た地 震 動か ら地 盤の増 幅特 性を 消 去して得られ る基 盤に おける地 震 動の速 度 応 答ス ペ ク トル も 周期に鈍 感な平坦な形 状を有する こと も明ら かに さ れ てい る7)。
本 論 文で は,
まず,
地 震 基 盤にお ける地 震 動 を設 定し, こ れ に基づい て岩 盤・
地 盤に お け る実 体 波の増 幅 特 性を 明 らかにする。 次い で,
過 去に 記 録さ れ た強 震 記 録 を参 零 東 京 大 学 S* 東京.
大 学 iu 日建 設 計Unive[sity of Tokyo
Unlversity of Tokyo
Nikken Sekkei
Tab「e l Referred Seismic Records Nam巳ofEa 曲q聰k
。
(Da鵠) S正匸20fReco 旧 M呷 1耻de 即 i。
巳
nralDi5 齒mじδ 面 〕Max umV
種
且ueofVE(c 雌 eの Ho臧 阻1Vc 血calS ロbsロu 乢障 P翻 lVa【ley (Mayl8
,
19ぐqE 】Ccn 6、
325162,
528,
8Soi 且 Kem ( 呼伽 1y21
,
19521 τaf【 7.
443lOL543.
7SoiIτbkad瓸弔h
(May
16
,
1968〕 Hac血ohe7.
9180222,
678.
0SDi 且 L調
UniOn 35105.
047.
0Rodk Micho硼
{Sepロ9.
1985) Me瓦
icoCiけ 8
.
135074,
052,
0Rodk 照して,
設 計 用 地 震 動のエ ネル ギスペ ク トル を求め る。
参 照し た強 地 震 動 記 録は Table 1に示す もの で ある。
なお,
本 論 文で は特に ことわ ら ない限り,h =0.1
の エ ネルギス ペ ク トル をエ ネルギス ペク トルと呼ぶ。 2.
岩 盤・
地 盤に お け る 地 震動の 増幅 2.
1 地 震 基 盤におけ る地 震 動 観 測さ れた地 震 動は多 少とも岩 盤・
地 盤に おける増 幅 の影 響 を受けて い るが, そ の内で も増 幅の影 響が少ない と さ れ る Michoacan 地 震の La Union にお け る岩 盤 上 の記 録 波のエ ネルギス ペ ク トル をFig.
1(a}に示す。
VE
は減 衰 10%, 周 期 T な る弾 性 系へ のエ ネル ギ入力 の速 度 換 算 値である。
水 平 動に対するVE
は次 式によ る ものである。
2Esw 十ENS
……・
…・
………・
………
(2) VE=
M
こ こ で,EE
”:EW
方 向 水 平 動に よる総エ ネルギ入 力ENS
:1VS
方向水平動に よ る総エ ネル ギ 入カー
般に,
上 下 動は水 平 動に比べ て岩 盤・
地 盤の増 幅を 受けに くい。
図 中に示され るよ うに,
上 下 動のエ ネル ギ スペ ク トル は T に関 する変 化がな く平 坦である。
Fig.
1(b
)に示 す もの は,
同一
地 震にお ける震 源か ら350km
離れ たMexico
city の岩 盤 上の 記 録 波の エ ネル ギス ペ ク トルで あ る。
上下動のエ ネル ギスペ ク ト ル は短 VE( /s) 150 100 50 o VE(em/s) 100 5 5 (a) La UniQn 10T (s) 0 5 10 T (s) (b) Mexico CityFig
.
1Energy
Spectra
fo[Records in Michoacan Earthquake周 期 領 域で は か な り の増 幅を受けている が
,
長 周 期領域 で は平 坦で ある。
Fig,
2
には,
土質 地 盤上の記 録 波のエ ネル ギス ペ ク ト ル を示す。
土質地 盤上におい て も上下 動のエ ネルギスペ ク トルは長周期領域で平填な形 状を持っ て いる。 震 源モデル に基づ く フー
リエ 加 速 度 振 幅スペ ク トル も その形 態は τ >Tc
の領域で平坦と さ れて お り,
地 震 基 盤に お け るエ ネルギスペ.
ク トル の形態 と して,
Fig.
3
に % ( /s) 200 100 0 5 (a ) El Centro10 VE(en/s) 1GO 0 5 10 (b) TaftFig
.
2 Energy Spedra on Soil SurfaceVE(cm/s> 200 100 0 5 (c > Hachinohe10
一 60 一
VE
oVEO
0
0
.
2 5 10 T〔s }Fig
.
3 Energy Spectrum,
for Ground Motions in Base RockoV 巳o
VE
o
D
.
2 5 10 T〔s }Fig
.
4 Energy Spectrum of A Synthetlc GrounCl Motion
下
α↓
H V,
T,
Ve(km/s) 【司 Bedrock Fig.
5、
V,
T Vs (mf・) ・1
−[
\
{b[Surface Soi1Distribution of Vs in Subsしructure
示す もの を仮定す る
。
こ こ で,
地震 基 盤と してVs
が3km
/s程 度の硬 岩 層を考えて い るSl。
ま た,
Tcの下限値 と してTc;
O.
2s を設 定し た。 2.
2 人工地 震 波に よる地 震 動の増 幅 解 析 地 震 基 盤に お ける地 震 動を模 擬し た人工地 震 波を作 成 し,
こ れ を岩盤・
地 盤 か ら成る 地層 構 造 底 部に入力し,
岩 盤 表 面お よ び地 表 面における地 震 動を1次 元 波 動 伝 播 理論に より求め る。
得ら れ た地 震 動のエ ネルギス ペ ク ト ル を比 較す ることにより岩 盤・
地 盤の振 動 増 幅 特 性を求 める。 2.
2.
1 人工地 震 波 Fig.
3に示さ れるエ ネルギス ペ ク トルを有す る 人 工 地 震 波2
(t)を作 成す る。 人工地 震 波は次 式で表現さ れ る。2・(t)
一
・(・か
C・S(
2π 丁詳
+iPit
)
一
…
(・) こ こ で,B
(t):振 幅の包 絡 関 数8) A, :振 動 成分の振 幅T
, :振 動 成 分 の 周 期 φゼ 振 動 成 分の位 相 角 t:時 間 人 工 地 震波の継 続 時間は 50秒で あ り,
位相
角はO− 2
π 問の一
様 乱 数と し た。T
,と して は0.
05
s ≦Tksse
sの 範 囲の 62個を採り,
A,は試 行 錯誤法に より求め た。 得 られ た人工地 震 波のエ ネル ギス ペ ク トル をFig.
4に示 す。 人工地 震 波は一
波を用い た が,
岩 盤,
地 盤 表 面で の エ ネル ギス ペ ク トルは,
地 震 波が 目標エ ネルギスペ ク ト h2 D0.
1O.
05 O.
OtO.
005 O,
001 50 10D 500 1000 5000 Vs(m /s)Fig
.
6 Damping Constanhn Ground(from Fig,
4.
35 in Ref.
(9)),
ル に適 合 するもの で ある限り,
地 震 波の違い に よ る影 響 をほ とん ど受けな い こ と は確か めてあ る。
2.
2,
2 岩 盤・
地 盤の構 成 岩 盤・
地 盤 として はFig.
5に示す成層構 造を設 定 す る。
すな わ ち,
岩 盤は深さ が H (km
)で表面のS
波速 度が VST〔km/s)基 部の S波 速 度がVSE
(km
/s)であ る。、
表 層 地 盤は深 さが AH (m )で,
・
表 面のS
波 速度が sVST (m /s),
基 部の S波 速 度 s VSH (m /s)である。
岩 盤・
地 盤の物 性 値は次の ように設 定し た9)。
密 度 γ=1.
5
十 〇.
0004Vs
(t/m3 )せ ん断弾 性 係 数
G − 1
ヱ≦
(t/
thz
) 9P
波 速 度Vp
= 100D十1.
4
Vs (m /s) 減 衰 定 数 十 〇.
ll,た だし, h,≧O.
Ol ん1=一
の基 準値30000
こ こでVs
の単 位は m/s,g
:重 力 加 速 度=
9.
8
m /s2 減衰定 数の 基 準 値h
,は岩 盤・
地 盤の減 衰 定 数の一
ヒ限 値 に近い 値で あ る。h1
を基 準と して,
他の 3通 りの減 衰 定 数を次の よ う に設定し た。
ん1h,
hl
h
・ :’
2L
・h
・=
3
・h
・=
5
ん,〜h
,は既往の調 査結果 91 と地
較し てFig.
6
に示さ れて い る。 2.
2.
3
増 幅率 人工地 震 波 を岩 盤 基 部に入力し,
次の 2種 類の応 答 波 を求めた。
1) 表 層 地 盤がな い場 合の岩盤表層の加 速 度 応 答 波 2) 岩 盤・
地 盤 系の表 層 地 盤 表 面上の加 速 度 応 答 波 無 減 衰の均 質 岩 盤の基部に地 震動を 入力し た場 合,
岩 盤 の表 面の地 震 動は 2倍に増 幅さ れ る。し た がっ て,
岩盤・
地 盤の応 答 増 幅は,
基 盤 入 力 加 速 度 記 録の振 幅 を2倍し た地 震 波に対し て評 価 する。 す な わ ち,
次式により応 答 増 幅を評価
する。
sy ε nV εfR
「 斎・
fs
「 福’
’
’
’
’
’
’
’
’
”『
’
… ”… …
(4)辱
一
61
一
こ こ で
,
fR
:岩 盤に よ る増 幅 率fs
:地 盤に よ る増幅 率 RVE :岩盤 表面の波 形のエ ネル ギスペ ク トル sVE :地 盤 表 面の波 形のエ ネル ギス ペ ク トルVE
。:基盤 入力波の エ ネルギス ペ ク トルの平坦 部の値。V
』。の2
倍 水平地 震 動の増 幅 特 性 を求める際に は一
次 元せ ん断 波 重 複反射理論を 用い, 上下 地 震 動の増 幅 特 性を求め る際に は一
次元P
波重複反射理論を用い た。 fa Hコ
3km,
VSB=
3k 皿/s 4 3 2 1 0 且 4 〜 3 2 1 0 5 10 TCsl 同 H軍
1km , V3日三
3km /s 5 〔b[ 10 T 〔s)Fig
.
7 Energy Spectra of Horizontal Ground Motjon on RockR6 〜 5 4 3 2 1 Q Surface H
=
3km,
VSB=
3km /s一
62
−一
5 10 T〔s }Fig
.
8 Effect of Damping2
.
3 岩盤・
地 盤の増 幅特 性 Fig.
7に は種々 の 岩 盤 上の水 平 地 震 動の増幅率とT
との関 係,
すな わちVm
で無 次 元 化さ れ たエ ネル ギスペ ク トル を示す。
岩 盤 構 成は,
H,
VST,
Vseに よっ て示さ れて い る。
H,
VST、
VSfiの単 位は 2.
2.
2に示さ れてい る。 岩 盤の増 幅 率 を 支 配 するもの は岩 盤表面と岩 盤基 部の Vsの比率 VST/VSBで あ る。 岩盤の卓越周期はVST
/VSE
お よ び岩 盤 深さH
に支 配され る。Fig.
8
に は減 衰 定 数の変 化に よ る増 幅 特 性の変 化 を示 す。
減 衰 定 数の岩 盤の増 幅 特 性に及ぽす 影 響はそれ ほ ど 顕 著で は な い。
Fig,
9は岩 盤 上の鉛 直 地 震 動の エ ネルギス ペ ク トルを 示 す。P
波 速 度がS
波 速 度に比べ て大きい こと か ら,
岩 盤の卓 越 周 期は水 平 地 震 動の場 合に比べ て短 く なっ てい る。Fig.
10に は地 盤 表 面 上の水 平 地 震 動の無 次 元 化さ れ たエ ネル ギスペ ク トル (エ ネル ギスペ ク トル の増 幅 率 ) を 示す。
地 盤構成は,AH
, sVST
, sVSB
に よっ て示され て い る。
岩 盤 構 成は R−
H−
Vs ,一
Vs”に よっ て示さ れて い る。
R は岩 盤 構 成で ある こ と を示す。
AH,
s VST,
s Vse の 単 位は2.
2.
2に示さ れてい る。 増 幅 率は地 盤表面と岩 盤表 面のVs
の比 sysTIys7
に支配さ れ る。
Fig.
11 に は地 盤 表 面 上の鉛 直 地 震 動の無 次 元 化 され ∫E2.
5 2.
0 1.
5 1.
0 0、
5 o H=
1km,
V日
B=
3km 〆s fa2.
5 2、
0 1.
5 1.
D O.
5 o 5 〔a} H=
3km,
VSE[
;
3km/s le T (s[ 5 [b) ユD・
T(s) Fig.
gEnergy
Spectra
of VerticalGround
MoIion on Rock SurfacesV8丁司 00m /s
,
sVss=
100m/s fs R−
1.
0−
3.
0−
3,
0 5 4 3 2 1 0 5 10 T [s) {a)H=
1,
h=
hl sVST=
100mXs卩
eVsコ
∈
100m /s ∫s R−
3.
0−
0.
5−
3.
D 10 8 6「
4 2 o 5 10 T (s[’
【b田=
3,
h昌
h2Fig
.
10 Energy Spectra of Horizontal Ground Motion on Soilゐ 肝 2 1 Surface sVsT
=
20em /s,
sVsB=
200m /s R−
3.
O−
0.
5−
3.
0’
0 5 10T 〔s[Fig
.
11 Energy SpectTa of Vertical Ground Motlon on Soil Surface たエ ネルギス ペ ク トル を示す。P
波 速 度は表 層 地 盤にお い ても あ ま り変化 し ない こ とか ら,
岩 盤に お い てあ る程 度の増 幅を受ける場合に は, 表 層 地 盤における増幅 は相 対 的に小さ く な る。
な お, 岩 盤 表 面のエ ネルギス ペ ク ト ル はAH
=50
m の場 合とほ とんど等し い。
2,
4 増幅率の簡易評 価式 岩盤地 盤 の地震動の増 幅特性を把 握する ために,一
連 VER/VEO藷
・・籍
五Rl.
o 0 ! !7
/
/ト
tanφm=Sm
tanφ。=S
。 / ! φm energy spectrumof input gromd mqtion
φ。
TmR
2TmR
T
Fig
.
12 Energy Spectrum on Rock Surfaee の応 答 解 析 結 果に基づ き,
岩盤表面お よび地盤表面の地 震 動の無 次元化さ れ たエ ネルギスペ 久 トルの簡 易 評 価 式 を求め た。
結 果は次の ように要 約 される。
2.
4.
1 岩 盤表面 上の無次元化エ ネル ギス ペ グ トル 岩盤表面の エ ネル ギス ペク トル (VEn−
T 関 係 )はFig.
12に示す形 態 を持つ。
すな わ ち,
岩盤 の卓越周期TmR
でエ ネル ギス ペ ク トル は極 値 VEmを採る。T
>2
TmR
で は,
エ ネルギスペ ク トル の応 答 倍 率は一
定 値A
, を採る。
短周期 領域は原点 を通る線 分で与え ら れ,
その 勾 配S
。は極 大点(TmR
.「
VEri
)の割 線 勾 配Sm
と対 応づ け ら れ る。 短周期領域の 限 界 点の エ ネ ル ギスペ ク トル 値VSRo
の値は0.8VEm
で近 似で き る。
エ ネルギス ペ ク トル を規 定する諸 量を支 配パ ラ メー
タの単 純な結合 則 と して 求め た結 果,
次の諸 式が得ら れ た。 1) 水 平 地 震 動の場 合髴
一
(
VSBVsr
)
°’
s(
紺
2 ・.
.
T・R
−
(
VST
O・
5+0・
3y 、tS)
T・T
・一
鴛
(
VSBVST
)
…’
…
一
{
1・
・一
…(
撫
)
}
(
h
、 万)
°’
15急
一
・(
VεoYEnz)
(
毎
)
2) 鉛 直 地 震 動の場 合鴇
(
VpsVPT)
°’
s(
劣
)
°’
27
・・一(
VPT
O.
5
十 〇.
3
VPB)
T
・’
T・
一(
4Hv ,E
)
(
毎
)
…]
iR
==(
・5,
一
・.
5(
VPT
)
1
(
舎
)
°’
15 臨(
4 怖豊
& で 己 VPE)
(
h
, 万)
・
・
・
・
・
・
・
・
・
…
(5)Vpe
:岩盤基部にお け るP
波 速 度……・
(6)一
63
一
VPT
:岩盤表面におけるP
波 速 度 2,
4,
2 地 盤 表面上の無 次元化エネル ギス ペ ク トル 岩 盤 上のエ ネルギス ペ ク トル に基づ き,
地 盤 表 面 上の 水 平 地 震 動の エ ネル ギス ペ ク トル (VES−T
関 係 )はFig.
13に示す よ う に作図す るこ と がで きる。
エ ネルギ ス ペ ク トル は地 盤の卓 越 周 期TmS
で極 値 amsVEm
を採 る。T
>3TmS
で は増 幅率は一
定 値as!である。 Tms<T
〈3TmS
にお け る増 幅率は TmS におけ る増 幅 率 αmS と αSt を線 形補間し た値と な る 。 エ ネル ギスペ ク トルを規 定す る諸 量は次の よ うに与え ら れる。
1) ams VEm> VEROの場 合 i)
T
≦TmSの場 合・)
舎
く α繋
・駘 0−
A’
点を結ぶ線分 を採る。・)
舎
≧ α票
・・ 合イ)
鷺
くktl
:
;
EiSmVsEm
・駘 0−
A−
A’
点を結ぶ線 分 を採る。・)
嘉
≧ α聖
の場 合 0−
A−
B−
A’
点 を結ぶ線分を採る。
ii
)Tms
く T〈3 Tmsの場 合 yゑs=
α3匸y
εRiii
)3Tms 〈T
の場合 VES=
as2 vεR2 > amS
VERi
≦VERO
の場 合表層 地盤に よ る増幅は無 視で き る。 こ こで
,TmS
:表層地 盤の卓越 周期VER
、 :T =TmS
に お け る岩盤表面 上のエ ネル ギス ペ ク トル値 TRO:VEReに対 応す る周 期崖 謂
(
謝
側[
… + ・・
5(
1
捻
捌
a・・S
−
・{
1−
(
sVsrVST)
°’
‘1
(
釜
)
°5但・
,
砦
… 5の駘砦
… 5と す ・・a・・
=
=
{
1+ ・a8
(
銘
)
L5}
(
舎
)
°’
ls・・−
3
砺チ
α $2 +(
αs:−
amS 2)
(
ゐ
)
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
…
9・
・
・
・
・
…
tt・
・
tt・
(7)Fig.
7〜
11に は (5 )一
(7 )式によ る予 測値が示さ れ て い る。
鉛 直 地 震 動の エ ネルギス ペ ク トル も同様で あっ て,
(7)式 中の せん 断 波 速 度 をP
波 速 度に置 き換え る ことによ り増 幅 率,
卓 越 周 期が評 価で き る。
一 64 一
VES
/VEO amsVERIVERIVERO
’ l I Ai(amsVERi,
Tms) ,へ万
論
蘊
O TRoTms
3Tms TFig
.
13 Energy Spectrum on Soi且Surface3.
設 計 用エネルギスペ ク トル3.
1 基 盤にお け る 地震 動の強さ 表層地 盤の 増 幅を受け る前の 基 盤に お け る地 震 動の 強 さ に関し て は, 基 礎の 深 さ が3km
程度に達す ること か ら実 測 例 がほ とん どな く,
その推 定 が難しい。
ま た,
設 計で対象と すべ きマ グニ チュー
ド8級の地震 記 録も極め て少ない。
過 去にお け る観測記録を統計処理 し て地震動 の強さを一
般 的に表 現し よ う と す る場 合,
記 録 数 を増せ ば, 中小地震 記録を含めざる を得ず,
地震動を規 定する 諸量の相 対 的関係を得ら れ る と して も,
大地震の実 像を 的 確に とらえ ることは困難と な る。
本 論 文で は,Table
1に示す強 地 震 記 録の み を 用い て,
岩 盤・
地 盤の増 幅 を 消去 して得ら れ る基 盤にお け る地 震 動強 さ を求め,
そ れに基づ い て設 計 用エ ネル ギス ペ ク ト ル を 提案す る。
基 盤に おけ る開放基盤上の地震 動のエ ネル ギス ペ ク ト ル の 形 態 としてFig.
ユ4に示す もの を 仮 定す る。
し た がっ て,
求めるべ き もの はエ ネルギス ペ ク トル の レ ベ ル VE。で ある。
VE。は開 放 基 盤 上に おける地 震 動の最 大 速 度 γ と対 応づけること ができる1°)。
文 献10
)に よ れば,
地 震 動の スペ ク トル強 度と 地 震 勤の最 大速度 との 関係 は 次の よ うに求め ら れてい る。S
煽=5.
921V
.・
・
・
・
・
・
・
・
…一
…
『
・
・
…
一
・
一
・
・
・
・
・
・
…
(8
)Slv
= 5.
821
Vv
こ こ で, S跏, Slv :水平動お よ び上下動の ス ペ ク トル 強 度s
・一君
s
恥一
・
dT
S 。
,
h。
O :無 減 衰 系の速 度 応 答ス ペ ク トル VH,
Vv:水 平 動および上 下 動の最 大 速 度 SV,
h.
0 は無 減 衰 系のエ ネル ギスペ ク トル VE.
h.
0 と ほ ぼ一
致する1 )。 VE.
h.
。を 平 滑 化 し たスペ ク トル がVza.
。.
1 に対 応 する。ス ペ ク トル を平 滑 化し て も積 分 値は変わ ら ない 。 し たが っ て,
h=
o,
1の エ ネル ギス ペ ク トル をFig.
14 の よ う に仮 定し た場合,SI
とVE
と は次 式で対応づ け ら れ る。
SI
=
2.
375VEO・
・
一・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
…
一・
…
tt・
・
・
・
・
…
{9) (8
),
(9
)式 よ り, エ ネル ギス ペ ク トル の レベ ル を地 動の最 大 速 度は次 式の よ うに対 応づ け られる。
H』
VEe=
2.
5 VH………・
・
………・
…・
……・
・
…
(10 ) vVEO=
2.
5Vv
こ こ で,
HVE 。:水 平 地 震 動のエ ネルギスペ ク トル の レ ベ ル vVE 。:鉛 直地 震 動のエ ネルギス ペク トル の レ ベ ル・
VE VEO 00,
2 5』
10T (s[Fig
.
14Energy
Spectrum on Base Rock
Table
1に示すEl
Centro
記 録,Taft
記録, 八 戸 記 録に関して は表 層 地 盤の 特 性が 調 査され て い る]1)
N13
).
調 査 結 果の Vs分 布 とFig.
5に従っ て単 純 化し たVs
分 布 をFig.
15に示す。
い ずれ の地 点に お い て も,
岩 盤 表 面 付 近の Vs値を除けば岩盤の特 性は明ら か で な い。
Vs が 3km /s程 度に達す る深さを基 盤 深さ と考え,
エ ネル ギス ペ ク トル の卓 越 周 期を参 考に して岩 盤 深さ H を設 定 し て得られた岩盤の Vs分布が Fig.
15中に示されて いる。 Fig.
15に示 さ れ る単純化され た Vs分布を用い,
.
重 複 反 射 理 論に より求めた 地表 面上のエ ネルギス ペ ク トル がFig.
ユ6に示さ れて い る。 Fig.
2中に は,
Fig.
16に示すエ ネル ギス ペ ク トル を最大 値を
Fig.
2 中の対応 する エ ネル ギスペ ク トルの最大値に一
致 さ せて予測値と して 示 して あ る。 な お,
解析に用いた減 衰定数はhe
であ る。 = ou り り ε 」 p の 茜8
」 署 q⇒El
Centro
sVST = 150m/sn
gl
[
こ
N
s VSB=
580m/s 星 Qo,
HVST=O.
75km/s VSB=
3.
0 /sTaft
5 Vsr=
300m/s副[:
lx
s Vsn =:
760m/s VST≡
lkm/S{[
\
VSB
=3km
/s Hachinohe.
s・VST=
100m/s s VSB=
900m/s Vsr≡
2.
8km/s V‘
2.
8km/sFig
.
15 Assumed Vs−
Profi]e in Sites ofStrong
Recoldfs,
fR5
4 3 2 1 o 5 (a) El Centro10 T(s > ∫5論 5 4 3 2 1 0 5 10 T(s ) (b)TafしFig
,
16 Calculated Energy Spectraか 痼 6 54321 0 5 (c ) Hachinohe 10 T(s) 二
65
一
Fig
.
2に示さ れ るよ うに,
スペ クトル の形 状は 1次 元 波 動 伝 播理論に よ り予 測 可 能で あ る と言え る。 Fig.
2
に 示 すエ ネル ギス ペク トル の最大値をFig.
16 に示す増幅率の最大値で除せ ば,Table
2に示す ように,
基 盤に お け るエネルギスペ ク トル の レベ ルVE
。を求め る ことが で き る。
さ らに (10)式 を用いれば, 基 盤に お け る最 大 速 度 を求める こと ができる。
既に 地 動の 最 大 速 度に 関 し て は多くの 研究があ り14)”
]6),
水 平 地 動の最 大 速 度に対す る 鉛直 地 動の 最大 速度の比に関して, おお むね 次の関係が成 立す る と言わ れ てい る。
VvO
・
3≦ マi
≦1・
0’
… … ’
t’
… … ’
… ’
… ’
… ”
(11
)Table
2
に示すVv
と 怖 の比 率 を参 照して,
次の 値を設 定す る。
銑
一
・.
7……・
………・
…一 …………・
…一
(・2)Fig.17
はマ グニ チュー
ド8
級の 大 地 震の基 盤におけ る上 下動の最大値を震 源 距離X
との関 係で描い たもの であ る。
い ずれの値も基盤に お け るエ ネルギス ペ ク トル の レ ベ ルVm
よ り (10 )式を用い て得たもの であ る。 Vy (cm /s) 112 100 50 0 100 200 3GO 400 X(km )Fig
.
17 Maximum Vertical Velocity重n Base RockN IV 皿 Vs
=
84 NO・
31 (Toriumi ) 1 皿丶
、欄厚
… 4 (OhsakD 500 Vs(m /s) Fig.
18 ハr−
Va且琶e and VsLa
Union
の 記 録にっ い て は,Fig.1
(a)に見ら れ る よ うに地 盤増 幅の影 響は ない と考え ら れ,
エ ネル ギス ペ ク トル からVE
。は容 易に読み とれ る。
Mexico
cityの記 録 はFig.
1
(b
)に示すエ ネルギスペ ク トル におい て,
岩 盤・
地 盤の増 幅の影 響 がない と 考えられ る 6sec <T
〈 10 sec の範囲の V,の値を Vε。と し て い る。
Fig.
17のVv−
T
ma
係は次式で近 似で き る。Vv
= 56。
10’
o・
3s]ogx…
阜
・
−t・
・
・
・
…
t・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
…
(13)Vv
の 代表値と してX =
IOO km に おける Vvを (ユ3)式 よ り求め る と,Vv
= 11.
2cm /s を 得 る。
こ の 値は,Tab1e
2に示す強 震 記 録の Vvの上 限に位 置 する。
そ こ で,
こ の値を設 計用エ ネル ギスペ ク トルを求め る際の基 準値とす る。
(10
), (11
) 式よ り, 設 計 用エ ネルギス ペ ク トル の レベ ルVm
は Table 3に示 す ように設 定さ れ る。
Table 2 Level ef Seismic Motions in Base Rocks
El〔 H面zoa血1Vcr巨 1 T皿 Ho顔zon 圃 Ve醐 Hach o 虹e 日br蛇σ随囲 Ve而C81 Max umVaLu じofV日
V
蹠
(肉 ) 162
.
528.
8101.
543.
7222.
678 ρ S岬 lAmpU伍c臼ゴ V剛V8D 4302.
063.
061.
815,
552.
77 1創巳
1 V田
(α輝s) 37.
814.
O33.
124,
140.
128.
2 幽x 血皿 Vd iΨ 血BascRockV 厄(2V 晒oな5) 15
,
15,
6 艮3.
39,
716.
011.
3Table 3 Ground Motion in Base Rock
Ho6zon則 Vo市ca艮
Max um Vcloci穿
V
ロ
( 》s) 16.
0112 gy Sp島C 副 恥v。LVBO(呱》s} 40
.
028.
0 Table4Standardization
ofSubstructure
Subso1且CDnd瓸 巴 5V訂 回s) sV肌 (m/s) ムH 〔m) V6 呶 5 〕 V跚 伽15) H 伽 } N
−
Value 【 400 姻 60≦N ∬ 30030030 め 1000.
5to1.
5 30≦N≦60 皿 200200 3.
03.
010 ≦N≦30 1V looloo N≦10 o o 5 km /sOkm /s5km /s 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10TCs )Fig
.
19 EneTgy Spectra on the IlndGround
一
66
一
3
.
2 設 計 用エ ネルギス ペ ク トル 地 震 動の増幅は 地 盤・
岩盤の 構 成,
す な わ ち せ ん断 波 速度の分布に よっ て異な る。 増 幅特性に おいて支 配 的な 量はVSTI
VSfi,
s V,,/ V, ,,
AH,
H
で あ る。
H
は岩 盤の 卓 越 周 期 を支 配する。
H につ い ては,
岩 盤 の増 幅が広 い周 期帯に及ぶ よ う にH =3km
を設定値と す る。
AH
は地 盤の卓 越 周 期 を支 配する。
AH につ いても,
』
地 盤 増 幅の影 響 範 囲を広く考 慮する た め に AH=
30 m〜
100 m の 範 囲で設 定 する。 VST,
s VSTに関 して も,
広い範 囲の 値の変化を考 慮して次の範 囲の値を設 定 する。
、0.
5km ≦ VST≦L5km100m
≦sVST
≦400 m 以 上の設 定値に基づ き,
、
Table
4
に示す4
種の地盤種別 を設 定す る。 表 中のVs
の値は 地盤 種 別ご との最 低 値で あ る。 せん断 波 速 度と標準貫入試 験に よ る N 値との関係は 多くの研究 者に よ り提 案さ れてい るIT )・
1s 〕 。Fig,18
に は,
N 値とVs
との関 係を示 す。 これ等の研 究 成 果を参 照し て,Table
4中に はVs
の範囲 と対 応さ せ て お お よ その 理値の範囲 を示 してい る。
な お,
表 中,.
、V
、 。/sV
』B は表 層 地 盤の増幅に ほとんど影 響 を与え な い の で s VST=
s VSB と して いる。 AH は地 盤の増 幅 率に ほと ん ど影 響 を与え ず,
地盤の卓越周期を支 配する量であ り,Table
4中の 両 端の値AH 耳30
m,
100 m につ い てエ ネルギス ペ ク ト ル を求め た。VST
につ い て は代 表 値と し て,
Vsr=O.
5
km
/s,
1.
okm /s,
1.
5km /s につ いて解析し たe 口種地 盤 につ い ての 解 析 結 果がFig.
19 に示さ れて い る。 実 線はVsr=0.
5km
/sの場 合のエ ネルギス ペ ク ト ル であ り,
破 線はV
,,;
1.
okm /s の 場 合の エ ネルギス ペ ク トルで ある。
細い実 線は VST=
1.
5km /s の場 合で あ る。
T
>2.
Os で はV
,.;
O,
skm
/s の場 合の エ ネル ギ ス ペ ク トル が卓 越する。一
方,
Vsr=
’
1.
0km
/s,
.
.
1.
5 km/s で は煙
周 期 領 域 (T
く2.
Os)で ス ペ ク トル の極 値 が現れ,
スペ ク トル形 状はVST
が大き く な る ほ ど急 峻に なる。
す な わ ち,
岩 盤によ る増 幅は減少し,
地 盤の増 幅 が強調 さ れ る よ うに なる。
図中の エ ネルギス ペ ク トルは い ずれ もh=
=
O.
ユ に対す るもので あ る。
こ の よ う な急 峻 なス ペ ク トル の 極 大 値は減 衰 量h に敏 感で ある。
し た がっ て, こ の よ うな急 峻なエ ネルギスペ ク トルを 設 計用 エ ネ ル ギスペ ク トル に考 慮す る際に は, 現実の構 造物のh
の値 をよ り的 確に評 価 する必 要がある。
現 在,
τ≦ 2.
0.
sの構 造 物に対 して は 終 局 強 度 設 計 法 が 適用さ れて お り, 構 造特性 係数Ds
値の範囲は次の ようなもの であ る19)』
0
.
Z5
≦1)s≦O.
5・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
…
∵
・
(14)Ds
値は,構
造 物の実 強 度の構 造 物が弾 性に と どま る場 合の所 要 強 度に対 する比 率と解 釈で き る。 構 造 物の塑 性 化に よ るエネルギ 吸収が所要強 度の 低 減に寄与す る。一
方,
弾塑性系を等価線形系に置換す ること がで き,
系の 非 線 形 性は等 価 線 形 系にお け る減 衰 定 数に反 映さ れ る。 弾 性 系の応 答スペ ク トル の低 減 率と して次 式を取り 上 げ る】}。
4J5432 o 5432一
VST=
0.
5 km /s 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10T [s] 倒 Horizontal Ground Motions on the Ist Ground
−
VST冨
0.
5km 〆ss・
0 工 23456789
Cb}Horizontal G
[
ound Motions on the 皿nd Groundf 丿 654321 10T (s[
一
VST=
0.
5km/s− 一
一
.
1.
Okm /s 0 亅 23456789[c]Horizonta【Ground Motiong oロ the 田rd Ground
f876543210
3 2 10T 〔s).
i.
2,
3 4 5 6 7 8.
.
9 10T 〔s〕 [d}Horizontal Gro皿 d Motions on・
the IVゆGmund一
Vsτ≡
0、
5km /s1 2 3 4
’
15
6 7 8 9[e)Horizontal Ground Motions on Specified Gr魄 nd
Fig
.
20 Energy Spectra on Specified Grounds10T [s〕
V
,(cm /s)300
200005211
0 (0
.
6)(1.
O)(1.
5) T〔s〕 【a}Horizontal Ground MotionsVE
(cm /s)70
0 (0
.
55) T〔s[Cb
}Vertical GroundMotions
Fig
.
21 Design Energy Spectra§
1
留
一
1
+ ,f
, 、.
,、s、E
− …・
・
…・
…・
……−t
(15) こ こ で,S
(O):h =
0の 系の応 答スペ ク トルS
(h
):減 衰定数がh
な る系の応 答ス ペ ク ト ルS
(h}/S
(0)は Ds 値と同 等の意 味を持つ 。h =
O.
2の場 合 のS
(h
)/S
(0
)は0.
47 と な る。この値をDs
値と見な せ ぱ,
こ の値は (14)式の ほ ぼ 上 限に位置す る。
す な わ ち,
現 実の 構造物の非 線形性は減 衰 定 数に換 算す れ ばh
≧0.
2 に対 応す ると言え る。 以 上の考 察 を踏 まえて,
長周期 領 域の エ ネルギス ペ ク トル を支 配する VST=
0.
5km /s の 場 合はh =
0.
1に対するエ ネルギス ペ ク トル を, 短周期 領 域の エ ネルギスペ ク トル を支 配す るVsr=
=
1.
Okm /s,
1.
5km /s の場 合はh=
O,
2に対す るエ ネルギスペ ク トル を求め,
これ等を総 合して設 計 用エ ネルギス ペ ク トル を 導く。 Fig.
20 には得ら れ た 地 盤表 面上のエ ネル ギスペ ク トル を示す。
表記 法はFig.
19の場 合と同 様で ある。
h=
O.
2 を導 入 する ことにより,
短 周 期 領 域の スペ ク ト ル形 状は な だ らか に な る。Fig,
20(e)に示す鉛直地 動 の エ ネル ギスペ ク トル は,
表 層 地 盤の影 響を あ ま り 受 け な い。
図 中に は s Vs7=
100 m/s の場 合を示 し てあ る。
Fig,
20
の各エ ネル ギス ペ ク トル を お お む ね包 絡 する も の と し て,
図中に示すbi−linear
型のV
.−T
関 係が得ら れ, これ を 設計用エ ネル ギス ペ ク トル と す る。
Table 3 に示すVE
。 を乗 ずれば, 設 計 用エ ネルギスペ ク トル と し一
68
一
て Fig.
21
に示すもの が得ら れ る。 鉛直地震 動に対す る エ ネル ギス ペ ク トル は地 盤種 別に よ らず単一
の もの と な る。
エ ネル ギス ペ ク トル は2
線 分で表現で き,
2線分の 交点の周期は図中の ( )内に示さ れ ている。
総エ ネル ギ入力E
か ら減 衰に よ り消 費され るエ ネル ギ入力 臥 を除いて得ら れ る損 傷に寄 与す るエ ネル ギ 入 力Ep
の速 度 換 算 値Vb
(需
》跚 ) と T との閧 係は 速 度 応 答ス ペ クトルと ほ ぼ一
致す ること が明ら か に さ れ て い る1)・
2°)。 現 行の建築 基準法 施行令 21) に示 さ れ る2 次設 計 用 加 速 度 応 答ス ペ ク トル を円 振 動 数で除して得ら れ る速度 応 答ス ペ ク トル は,
お お む ね,Fig.
21
(a)に 示さ れ る1
,
[,
田種地 盤の エ ネル ギス ペ ク トル と対応 してい る。 すな わ ち,
こ の 速 度 応 答スペ ク トル を2線 分 で近 似 し た場 合の2
線 分の 交点 (TiS
,,
Vmax
(cm /s))は1
種地 盤で (0,
64,
100)且種 地 盤で (O.
96,
150),
皿 種 地 盤で (1、
28,200
)で あ る。 し か し,
こ こ に提 案し たエ ネルギス ペク トル は水 平2
方 向入 力の荷 重 効 果の和 を表 現して いるこ と,
お よび 減 衰によ るエ ネルギ吸収 量 を も含ん だ総エ ネルギ 入力を表現してい る点で , 上記速 度 応 答スペ ク トル に比べ て, よ り明 確な意 味 を持っ て い る。
4.
結 語 地 震 基 盤に お け る地震動の エ ネルギス ペ ク トルの形態 と して最も単 純なbi−linear
型 を 仮定 し,
こ れに適合し た人工地震波お よび一
次元波動理論を用い て,
地表 面の エ ネル ギス ペ ク トルを求め た。 本手 法に よ り,
地表 面で 得ら れ た 強 震記録の エ ネル ギスペ ク トル の 形 態 を 予 測 し 得た。M8
級の地震 動の地震 基盤に お け るエ ネル ギス ペク ト ル の レベ ル を 観 測 記 録 よ り推 定 し, 代表 的地 盤の深 さ 方 向の弾 性 波 速 度 分 布 を仮 定し て, 代 表 的 地 盤の地 表 面の エ ネルギスペク トルを求め設 計 用エ ネルギスペ クトル と して提 案し た。 ただし,
提 案さ れ たエ ネルギスペ ク ト ル は, 数 少な い 強 震観測資料に基づ く もの であ り,
定量化の精 度に関し ては,
よ り多くの観 測 資 料を加えた今 後の検 討に俟つ 所 が 大 きい。
謝 辞 地 震記 録 等の資 料 収 集に 関 し て,
清 水 建 設 (株 )壇一
男 氏,
ハ ザマ (株 )井上 超 氏に ご協 力い ただい た。
参 考 文 献 1) 秋 山 宏 :建 築 物の 耐 震 極 限 設 計,
東 京 大 学 出 版 会,
19802 ) 壇一
男,
渡 辺 孝 英, 田 中 貞二 :遠 方 場S波の近似式に 基づ く 地 震 波 形の半 経 験 的 合 成 法,
日本 建 築 学 会 論 文 報 告 集,
第396号,
pp.
2〜
36,
1989.
2 3} 太田 裕,
鏡 味洋 史;耐 震工学上考 慮すべ き地 震 波の周期の上限 と振 幅の下 限, 日本 建 築 学 会 論 文 報 告 集
,
第 249号,
pp.
53−−
60,
1976,
11 4} 田 治 見 宏 :建 築 振動学.
コ ロ ナ 社,
1965 5)大 築 志 夫,
金井 清:耐 震 設 計,
コ ロ ナ社,
1961 6)阿部 康 彦,
小 林 喜 久二,
大 島 豊,
真 下 貢,
小 林 啓 美 :地 震 動の上 下 動・
水 平 動ス ペ ク トル振 幅 比の特 性と そ の応 用に関す る研究 (その 3),
日本建築学会大会 学術講 演梗概 集,
pp.
4 3〜
404,
.
1991 7) 小 林 啓 美,
長 橋 純 男 :地 表で観 測さ れた地 震 動の周 期 特 性か ら求め た 地 盤 の 増 幅 特 性 と 地 震 基 盤 に お け る 地 震動 N の性 質,
日本 建築 学 会 論 文 報 告 集,
第240号,
pp.
79−
90,
1976.
28)
Jennings
,
P、
C.
,
Housner,
G,
W.
and Tsai,
N.
C,
:Sim lated Earthquake Motions for Design ParpDse9
,
Proc
.
4th W.
C.
E.
E.
,
Santiago,
1(.
A 1),
pp.
145−
]60,
1969.
1 9) 日本 建 築 学 会 :地 震 荷 重一
その現 状と将 来の展 望,
丸善,
1987 10) 渡辺 丹,
藤 堂 正 喜 :設 計 用 模 擬 地 震 動に関 する研 究,
日本 建 築 学 会 論 文 報 告 集,
第303号,
pp.
41〜
51,
1981.
511)
・
AndeTson,
J.
G.
,
Bodin,
P,
,
Brune,
J.
N.
,
Prince,
J.
,
Singh
,
S.
K.
, Ωuaas,
R.
and Onate,
M.
:StrongGround Metion from the Michoacan Mexico Earth
−
quake,
Science,
Vol.
233,
pp.
1043〜
1049,
1986.
912) 翠川三郎
,
小林 啓 美 :地 震 動の地 震 基 盤か ら の入射 波ス 13) 】4) 15) 16> 17) 18) 19> 20) 21> ペク トル の性 質,
日本 建築学会 論 文報告 集, 第273号, pp.
43−
5Z,
]978.
ll 土 田 肇,
上部 達 生 :El Centroお よ びTaftの強 震 計の 設置資料,
地震工学振興会ニ ュー
ス,
No.
69,
pp.
9−
19,
1983.
3Kanai, Ko二Astudy of Strong Earthquake Metions
,
BuH
.
Earthq.
Res,
Iust.
,
Vol.
36,
pp.
295〜
310,
1958 田中 貞二 :最近の被 害 地 震にお け る最 大 加 速 度の大き さ に2 い て,
第7 回地 盤 振 動シ ンポ ジ ウム,
pp.
3−
8,
1979
.
3Guteubelg,
B and Richter,
C.
F.
:Earthquake Magni.
tude
,
.
lntensity,
Energy and AeceLeration,
BUIL Seism.
Soc
.
Amer.
,
Vol.
46,
pp.
163−
191,
1956大 場 新 太 郎
,
鳥 海 勲 ;大 阪 地 盤の振 動 特 性に閧す る研.
究,
日本 建築 学会 大会学術 講 演梗概 集,
pp.
487−
488,
19700hsaki,
Y,
and Iwasaki,
R.
l OnDynamic Shear Moduli and Poi$son’
sRayio
of Soil Deposits,
Research Report73
−
02,
University of Tokyo,
.
1973日本 建 築 学 会:建 築 耐 震 設 計における保 有 耐 力と変 形 性 能 (1990)
,
丸善,
1990Heusner
,
G.
W.
:Limit DesigR of Struetllres to Resist〜
Earthquakes
,
Proc.
lst.
WCEE,
pp.
5−
1−
13,
1956建築 基 準 法 施
i
于令,
1981.
6(1992年12月10 日原 稿 受理