(57)【要約】【課題】既知の地震に関する地震データに基づいて、地震による建物の被災度の推定をシミュレーションする建物被災推定シミュレーションシステムを提供することを目的とする。【解決手段】  建物被災推定シミュレーションシステム１は、推定シミュレーションン対象の建物２の地震による動きを数式化した設計建物モデルを生成する設計建物モデル生成部３１と、既知の地震に関する地震データを取得する既知地震データ取得部３２と、建物２から既知の地震が発生した位置までの距離と方位とを設定する距離方位設定部３３と、地震データに基づいて、距離と方位とに応じた地動加速度を算出する地動加速度算出部３４と、地動加速度算出部３４によって算出された地動加速度を設計建物モデルに入力して、地震応答解析を行う地震応答解析部３５と、地震応答解析結果および地動加速度を用いて建物２の被災情報を算出する、被災情報算出部３６とを備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
推定シミュレーション対象の建物の設計図書から抽出された構造設計パラメータの値に基づいて、前記建物の地震による動きを数式化した設計建物モデルを生成する設計建物モデル生成回路と、
既知の地震に関する地震データを取得する既知地震データ取得回路と、
前記建物から前記既知の地震が発生した位置までの距離と方位とを設定する位置設定回路と、
前記地震データに基づいて、前記距離と前記方位とに応じた地動加速度を算出する地動加速度算出回路と、
前記地動加速度算出回路によって算出された前記地動加速度を前記設計建物モデルに入力して、前記設計建物モデルの地震応答解析を行う地震応答解析回路と、
前記地震応答解析結果および前記地動加速度を用いて前記建物の被災情報を算出する、被災情報算出回路と、
を備えることを特徴とする建物被災推定シミュレーションシステム。
【請求項２】
前記地動加速度算出回路は、前記地震データから、前記方位に対応する地動加速度データを抽出し、前記距離に応じて前記地動加速度データの値を減衰させて前記地動加速度を算出することを特徴とする請求項１に記載の建物被災推定シミュレーションシステム。
【請求項３】
前記地震応答解析回路による前記地震応答解析結果は、前記建物の各階の変位、加速度、および速度を含み、
前記被災情報算出回路が算出する前記被災情報は、前記建物の各階の震度、長周期地震動、最大変位、および最大加速度と、各階間の最大変位角とを含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の建物被災推定シミュレーションシステム。
【請求項４】
前記被災情報算出回路が算出した前記被災情報から、前記建物の被災度を推定する被災度推定回路をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のうちのいずれか１項に記載の建物被災推定シミュレーションシステム。
【請求項５】
前記被災度推定回路が推定した被災度を提示する被災度提示回路をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の建物被災推定シミュレーションシステム。
【請求項６】
推定シミュレーション対象の建物の設計図書から抽出された構造設計パラメータの値に基づいて、前記建物の地震による動きを数式化した設計建物モデルを生成する設計建物モデル生成ステップと、
既知の地震に関する地震データを取得する既知地震データ取得ステップと、
前記建物から前記既知の地震が発生した位置までの距離と方位とを設定する位置設定ステップと、
前記地震データに基づいて、前記距離と前記方位とに応じた地動加速度を算出する地動加速度算出ステップと、
前記地動加速度算出ステップで算出した前記地動加速度を前記設計建物モデルに入力して、前記設計建物モデルの地震応答解析を行う地震応答解析ステップと、
前記地震応答解析結果および前記地動加速度を用いて前記建物の被災情報を算出する、被災情報算出ステップと、
を備えることを特徴とする建物被災推定シミュレーション方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、建物被災推定シミュレーションシステムおよび方法に関し、特に地震による建物の被災度の推定をシミュレーションする建物被災推定シミュレーションシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、日本国内において大規模な地震の発生が相次ぎ、地震によるビルなどの建物の損傷の度合い（以下、「被災度」という。）を推定する技術が注目されている。例えば、特許文献１には、地震が発生すると、推定対象の建物の設計構造に関するパラメータから導出された設計建物のモデルに、地震センサで測定された地動加速度を入力して、地震終了後、即座に建物の被災度の推定結果を提示する技術が開示されている。
【０００３】
特許文献１に開示された技術では、推定対象の建物に設置された地震センサが、東西方向、南北方向、および鉛直方向の地動加速度を計測する。そして、これら３方向成分の地動加速度を用いた地震の応答解析が行われて、建物の各階の最大加速度、および最大変位、ならびに各階間の最大層間変位角を、南北方向、東西方向、および鉛直方向の各方向成分について算出している。
【０００４】
しかし、特許文献１に開示された技術は、実際に発生した地震のデータに基づいて、建物の被災度を推定するものであり、過去に発生した地震に相当する規模の地震が任意の位置で発生した場合の、建物の被災度の推定シミュレーションを行うことはできなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１６−１９７０１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、既知の地震に関する地震データに基づいて、地震による建物の被災度の推定をシミュレーションする建物被災推定シミュレーションシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決するために、本発明に係る建物被災推定シミュレーションシステムは、推定シミュレーション対象の建物の設計図書から抽出された構造設計パラメータの値に基づいて、前記建物の地震による動きを数式化した設計建物モデルを生成する設計建物モデル生成回路と、既知の地震に関する地震データを取得する既知地震データ取得回路と、前記建物から前記既知の地震が発生した位置までの距離と方位とを設定する位置設定回路と、前記地震データに基づいて、前記距離と前記方位とに応じた地動加速度を算出する地動加速度算出回路と、前記地動加速度算出回路によって算出された前記地動加速度を前記設計建物モデルに入力して、前記設計建物モデルの地震応答解析を行う地震応答解析回路と、前記地震応答解析結果および前記地動加速度を用いて前記建物の被災情報を算出する、被災情報算出回路とを備えることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る建物被災推定シミュレーションシステムにおいて、前記地動加速度算出回路は、前記地震データから、前記方位に対応する地動加速度データを抽出し、前記距離に応じて前記地動加速度データの値を減衰させて前記地動加速度を算出してもよい。
【０００９】
また、本発明に係る建物被災推定シミュレーションシステムにおいて、前記地震応答解析回路による前記地震応答解析結果は、前記建物の各階の変位、加速度、および速度を含み、前記被災情報算出回路が算出する前記被災情報は、前記建物の各階の震度、長周期地震動、最大変位、および最大加速度と、各階間の最大変位角とを含んでいてもよい。
【００１０】
また、本発明に係る建物被災推定シミュレーションシステムにおいて、前記被災情報算出回路が算出した前記被災情報から、前記建物の被災度を推定する被災度推定回路をさらに備えていてもよい。
【００１１】
また、本発明に係る建物被災推定シミュレーションシステムにおいて、前記被災度推定回路が推定した被災度を提示する被災度提示回路をさらに備えていてもよい。
【００１２】
また、本発明に係る建物被災推定シミュレーション方法は、推定シミュレーション対象の建物の設計図書から抽出された構造設計パラメータの値に基づいて、前記建物の地震による動きを数式化した設計建物モデルを生成する設計建物モデル生成ステップと、既知の地震に関する地震データを取得する既知地震データ取得ステップと、前記建物から前記既知の地震が発生した位置までの距離と方位とを設定する位置設定ステップと、前記地震データに基づいて、前記距離と前記方位とに応じた地動加速度を算出する地動加速度算出ステップと、前記地動加速度算出ステップで算出した前記地動加速度を前記設計建物モデルに入力して、前記設計建物モデルの地震応答解析を行う地震応答解析ステップと、前記地震応答解析結果および前記地動加速度を用いて前記建物の被災情報を算出する、被災情報算出ステップと、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、既知の地震に関する地震データに基づいて、推定シミュレーション対象の建物から既知の地震に相当する規模の地震が発生した位置までの距離と方位とに応じた地動加速度を算出し、設計建物モデルに入力して地震応答解析を行うため、任意の位置に発生した既知の地震に相当する規模の地震に対する建物の被災度を推定シミュレーションすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る建物被災推定シミュレーションシステムの構成例を示すブロック図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態に係る建物被災推定シミュレーションシステムにおける動作を説明するフローチャートである。
【図３】図３は、本発明の実施の形態における被災度のうち、建物の各階間の最大変位角と、各階の最大変位と、各階の最大加速度の表示例を示す図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態における被災度のうち、建物の各階の長周期地震動階級の表示例を示す図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態における被災度の別の表示例を示す図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態に係る被災度推定シミュレーション装置を実現するコンピュータの構成例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図１から図６を参照して詳細に説明する。また、以下の説明において、「既知の地震」は「過去に発生した地震」である場合について説明する。各図について共通する構成要素には、同一の符号が付されている。
【００１６】
＜実施の形態＞
図１は、本発明の実施の形態に係る建物被災推定シミュレーションシステム１の構成例を示すブロック図である。本実施の形態に係る建物被災推定シミュレーションシステム１は、建物２と、被災度推定シミュレーション装置３と、ユーザ端末４とを有し、被災度推定シミュレーション装置３とユーザ端末４は、インターネットなどのネットワークＮＷを介して接続されている。
【００１７】
建物２は、地震による被災状況の推定シミュレーションを行う対象の建築物である。本実施の形態では、建物２は、６階建ての鉄筋コンクリート構造である場合について説明する。
【００１８】
被災度推定シミュレーション装置３は、建物２の地震による被災度の推定シミュレーションに必要な処理を行う装置であり、推定シミュレーションの対象である建物２の設計建物モデルを生成する設計建物モデル生成部３１と、過去の地震に関する地震データを取得する過去地震データ取得部３２と、建物２から過去の地震に相当する規模の地震が発生した位置までの距離と方位とを設定する距離方位設定部３３と、地震データに基づいて、設定された距離と方位とに応じた地動加速度ｚを算出する地動加速度算出部３４と、地震応答解析の結果と地動加速度ｚとを用いて、建物２の被災情報を算出する被災情報算出部３６と、被災情報に基づいて建物２の被災度を推定する被災度推定部３６と、被災度のシミュレーション結果を表示する表示部３８とを備える。被災度推定シミュレーション装置３に含まれる上記構成それぞれの説明については後述する。
【００１９】
ユーザ端末４は、入力部４１と、表示部４２とを有する。ユーザ端末４は、ユーザから、入力部４１を介して、例えば、後述の過去の地震に相当する規模の地震の発生位置などの設定を受け付けると、建物２からの距離と方位の情報をネットワークＮＷを介して被災度推定シミュレーション装置３（距離方位設定部３３）に送信する。また、表示部４２には、被災度推定シミュレーション装置３からネットワークＮＷを介して送信される、建物２の被災度の推定シミュレーション結果などが表示される。
【００２０】
次に、本実施の形態における建物被災推定シミュレーションシステム１の動作を、図２のフローチャートを用いて説明する。まず、設計建物モデル生成部３１は、建物２の地震による動きを数式化した設計建物モデルを生成する（ステップＳ１１）。より詳細には、設計建物モデル生成部３１は、建物２の設計図書から地震による建物２の応答解析に必要な構造設計パラメータを抽出し、設計建物モデルを導出する。
【００２１】
構造設計パラメータは、建物２の減衰定数、各階の質量、各階の剛性がある。これらの減衰定数、各階の質量、各階の剛性から、設計建物モデルの状態方程式が得られる。
ｄＸ／ｄｔ＝Ａ×Ｘ＋Ｂ×Ｕ＋Ｄ×ｚ    ・・・（１）
【００２２】
ここで、Ｘは状態変数である。状態変数Ｘには、建物２の各階の変位、各階の速度、制振装置（図示しない）の変位などが含まれる。Ｕは、制振装置を制御する制御器（図示しない）への制御入力（制御装置および制御器がない場合にはＵ＝０）、ｚは地動加速度を示す。なお、Ａ、Ｂ、およびＤは、定数行列である。
【００２３】
次に、過去地震データ取得部３２は、過去に発生した地震の地動加速度データなどを含む地震データを記憶部（図示しない）から読み出す（ステップＳ１２）。より詳細には、例えば、ユーザによって、ユーザ端末４の表示部４２に表示された過去の地震リストなどで構成される選択画面から、推定シミュレーションに採用する過去の地震の入力を受け付ける構成を採用してもよい。入力された過去の地震を示す情報は、ユーザ端末４からネットワークＮＷを介して過去地震データ取得部３２に送信される。なお、過去の地震に関する地震データは、ネットワークＮＷを介して外部からダウンロードする構成を採用してもよい。
【００２４】
過去地震データ取得部３２によって取得される、過去に発生した地震の地震データに含まれる地動加速度データには、東西方向ＥＷの地動加速度データ、南北方向ＮＳの地動加速度データ、および鉛直方向ＵＤの地動加速度データなどが含まれる。
【００２５】
次に、距離方位設定部３３は、推定シミュレーション対象の建物２から過去の地震に相当する規模の地震が発生した位置までの距離と方位とを取得する（ステップＳ１３）。距離方位設定部３３は、取得した距離と方位の情報を記憶部に記憶する。
【００２６】
例えば、東京都千代田区にある建物２から南方向に２０ｋｍ離れた位置で、２０１１年３月１１日の東日本大震災における宮城県大崎市で観測された地震に相当する規模の地震が発生した場合の建物２の被災度の推定シミュレーションを行う場合、距離は「２０ｋｍ」、方位は「南」と設定される。これらの情報は、ユーザによって任意に決定されることができ、ユーザ端末４からネットワークＮＷを介して距離方位設定部３３に送信される。
【００２７】
次に、地動加速度算出部３４は、距離方位設定部３３によって取得された、建物２から過去の地震に相当する規模の地震の発生位置までの距離と方位とに基づいて、過去の地震データを用いて地動加速度ｚを算出する（ステップＳ１４）。
【００２８】
より詳細には、地動加速度算出部３４は、ユーザにより設定された、建物２から過去の地震に相当する規模の地震が発生する方位に基づいて、その方位に対応する地動加速度データを、過去の地震データから抽出する。地動加速度算出部３４は、抽出した地動加速度データを距離に応じて減衰させることで地動加速度ｚを算出する。地動加速度算出部３４は、算出した地動加速度ｚを記憶部に記憶する。
【００２９】
次に、地震応答解析部３５は、地動加速度算出部３４が算出した過去の地震データに基づく建物２における地動加速度ｚと、制振装置の制御システムで演算された制御入力Ｕとを設計建物モデルに入力し、設計建物モデルにおける、過去の地震に相当する規模の地震に対する応答解析を行う（ステップＳ１５）。この地震応答解析により、地震応答解析部３５は、建物２の各階の変位と速度とを求める。
【００３０】
また、地震応答解析部３５は、各階の速度を微分することにより、各階の加速度を求める。また、地震応答解析部３５は、東西方向ＥＷ、南北方向ＮＳ、および鉛直方向ＵＤそれぞれについての建物２の各階の変位、速度、および加速度を求める。
【００３１】
具体的には、地震応答解析部３５は、以下の式（２）に示す４次のルンゲクッタ法を用いて地震に対する応答解析を行う。
Ｘ１＝Ｘ
ｂ１＝ｄｔ×（Ａ×Ｘ１＋Ｂ×Ｕ＋Ｄ×ｚ）
Ｘ２＝Ｘ＋ｂ１／２
ｂ２＝ｄｔ×（Ａ×Ｘ２＋Ｂ×Ｕ＋Ｄ×ｚ）
Ｘ３＝Ｘ＋ｂ２／２
ｂ３＝ｄｔ×（Ａ×Ｘ３＋Ｂ×Ｕ＋Ｄ×ｚ）
Ｘ４＝Ｘ＋ｂ３
ｂ４＝ｄｔ×（Ａ×Ｘ４＋Ｂ×Ｕ＋Ｄ×ｚ）
Ｙ＝Ｘ＋（ｂ１＋２×ｂ２＋２×ｂ３＋ｂ４）／６   ・・・（２）
【００３２】
ここで、ｄｔはサンプリング時間を表す。次に、被災情報算出部３６は、過去の地震に相当する規模の地震の発生中は、現在時刻から一定時間ΔＴ１だけ遡った地震応答解析部３５の地震応答解析結果（各階の変位、各階の速度、各階の加速度）と地動加速度ｚ（東西方向ＥＷ、南北方向ＮＳ、鉛直方向ＵＤそれぞれの地動加速度ｚ）とを用いて、被災情報を算出する（ステップＳ１６）。算出された被災情報は、記憶部に記憶される。
【００３３】
被災情報としては、建物２の基礎地盤面に相当する位置での震度、各階の計測震度、各階の長周期地震動、各階の最大加速度、各階の最大速度、各階の最大変位、各階間の最大層間変位角がある。
【００３４】
建物２の基礎地盤面に相当する位置での震度は、地動加速度算出部３４によって算出された地動加速度ｚから算出することができる。各階の計測震度は、各階の加速度から算出することができる。各階の長周期地震動は、地動加速度ｚを積分して得た地動速度と各階の速度から求めた絶対速度応答に基づいて算出することができる。各階間の最大層間変位角は、各階間の最大層間変位を階高で割ることで算出することができる。
【００３５】
次に、被災度推定部３７は、設計建物モデルに入力された地動加速度ｚが、所定の地震終了判定閾値未満である場合は、過去の地震に相当する地震は止んだと判断し（ステップＳ１７；ＹＥＳ）、被災情報算出部３６が算出した全データを用いて、建物２の被災度を推定する（ステップＳ１８）。
【００３６】
より具体的には、被災度推定部３７は、被災情報算出部３６が算出した、被災情報に含まれる、各階の最大加速度、各階の最大変位、各階間の最大層間変位角の各種データをそれぞれ集計する。例えば、被災度推定部３７は、集計した各階の最大加速度、各階の最大変位、各階間の最大層間変位角を、東西方向ＥＷ、南北方向ＮＳ、および鉛直方向ＵＤのそれぞれについて求める。
【００３７】
また、被災度推定部３７は、各階間の最大層間変位角の値が、例えば、０．００５［ｒａｄ］以上０．０１［ｒａｄ］未満の場合には、建物２におけるその階の損傷は、「小破」と推定する。また、各階間の最大層間変位角の値が０．０１［ｒａｄ］以上０．０１５［ｒａｄ］未満の場合には、その階間の損傷は「中破」と推定し、０．０１５［ｒａｄ］以上である場合には、その階間の損傷は「大破」と推定する。このように、「小破」、「中破」、および「大破」の３つの異なるレベルで建物２の各階間の損傷を推定する。
【００３８】
また、被災度推定部３７は、被災情報算出部３６が算出した建物２の各階における長周期地震動に基づいて、各階の長周期地震動階級（階級１から階級４）を推定する。例えば、絶対速度応答の値が１００ｃｍ／ｓ以上の場合には長周期地震動階級４となる。このように各階ごとに長周期地震動の階級を表示することで、各階ごとに周期が長い揺れによる地震時の、人の行動の困難さの程度の推定結果が示される。
【００３９】
次に、被災度推定部３７は、ステップＳ１８で推定した建物２の被災度を、ネットワークＮＷを介して、ユーザ端末４に送信する。送信された建物２の被災度は、ユーザ端末４の表示部４２に表示される（ステップＳ１９）。このとき、被災情報算出部３６が算出した、建物２の基礎地盤面に相当する位置での震度と、地動加速度算出部３４が算出して設計建物モデルに入力された地動加速度ｚについてもユーザ端末４に送信する。さらに、被災度推定シミュレーション装置３の表示部３８に、被災度推定部３７による建物２の被災度などを表示することもできる。
【００４０】
図３は、ユーザ端末４の表示部４２に表示される、各階間の最大変位角と、各階の最大変位と、各階の最大加速度の表示例を示す図である。図３に示すように、建物２の各階間の最大変位角と、各階の最大変位と、各階の最大加速度において、それぞれ東西方向ＥＷ、南北方向ＮＳ、および鉛直方向ＵＤの３つの方向成分のデータが表示されている。
【００４１】
図３に示すように、表示部４２に表示されている東西方向ＥＷの各階間の最大変位角は、いずれの階間においても「小破」未満である。また、南北方向ＮＳの各階間の最大変位角は、いずれの階間においても「中破」となっている。また、鉛直方向ＵＤの各階間の最大変位角は、１階〜２階、２階〜３階、および５階〜６階については「中破」であり、３階〜４階と４階〜５階が「大破」となっている。
【００４２】
図４は、ユーザ端末４の表示部４２に表示される、建物２の長周期地震動階級の表示例を示す図である。図４では、１階から６階までのすべての階において長周期地震動階級は階級４である被災度を表示している。
【００４３】
図５は、ユーザ端末４の表示部４２に表示される被災度の、別の表示例を示す図である。図５に示すように、表示部４２には、被災情報算出部３６によって算出された基礎地盤面に相当する位置での震度に基づいて「震度６強相当」と表示され、長周期地震動階級については６階で「階級４」と表示され、また、３階〜４階間の最大変位角の値に基づいて、３階〜４階は「大破の恐れあり」と表示されている。
【００４４】
以上説明したように、本実施の形態に係る建物被災推定シミュレーションシステム１では、過去の地震に関する地震データに基づいて、推定シミュレーション対象の建物２から過去に発生した地震に相当する規模の地震が発生した位置までの距離と方位とに応じた地動加速度ｚを算出する。さらに、算出された地動加速度ｚを入力した設計建物モデルに基づいて地震応答解析が行われる。したがって、任意の位置に発生した過去の地震に相当する規模の地震に対する建物２の被災度を推定シミュレーションすることができる。
【００４５】
また、過去の地震に相当する規模の地震の発生場所を、建物２からの距離と方位とに基づいて設定することができるため、例えば、南海トラフ地震など、所定の位置での発生が予測されている地震について、実際に地震が発生する前に、建物２の被災度を推定シミュレーションすることが可能となる。
【００４６】
本実施の形態で説明した被災度推定シミュレーション装置３は、図６に示すように、バス３０１を介して接続されるＣＰＵ３０２、記憶装置３０３、Ｉ／Ｆ３０４、および表示装置３０５を備えるコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。ＣＰＵ３０２は、記憶装置３０３に格納されたプログラムに従って本実施の形態で説明した処理を実行する。
【００４７】
以上、本発明の建物被災推定シミュレーションシステムにおける実施の形態について説明したが、本発明は説明した実施の形態に限定されるものではなく、請求項に記載した発明の範囲において当業者が想定し得る各種の変形を行うことが可能である。
【００４８】
例えば、本実施の形態では、被災度の推定シミュレーションの対象である建物２は、鉄筋コンクリート構造の６階建てのビルである場合について説明した。しかし、被災度を推定する対象は、人工的に制作されて設置された工作物、例えば、ダム、鉄塔、ガスタンク、橋梁、堤防などの建造物、マンション、家屋などの建築物であってもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１…建物被災推定シミュレーションシステム、２…建物、３…被災度推定シミュレーション装置、３１…設計建物モデル生成部、３２…過去地震データ取得部、３３…距離方位設定部、３４…地動加速度算出部、３５…地震応答解析部、３６…被災情報算出部、３７…被災度推定部、３８…表示部、４…ユーザ端末、４１…入力部、４２…表示部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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