日本機械学会 Dynamics and Design Conference 2016, OS2-1-1, 202

塑性率を損傷評価の指標とする機械設備の地震PRAにおける地震動強さの指標の検討
2016年 8月 23日
落合 兼寛1)１） （一般社団法人） 原子力安全推進協会
世界最高水準の安全性の追求～たゆまぬＥｘｃｅｌｌｅｎｃｅをめざして～
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長澤 和幸2)2) 東京電力ホールディングス 株式会社
一般社団法人 原子力安全推進協会
Japan Nuclear Safety Institute地震動の強さ と 損傷の程度を結びつける指標
地震PRA（フラジリティ評価）における損傷評価の指標：対象とする損傷モードにおける損傷の程度を表すことができる応答量。対象となる機器などの地震応答を表す物理量である応力、加速度、変位などから適切に選定する。
地震動強さの指標：
地震ハザード評価及び事故シーケンス評価と共通な指標で、損傷評価の指標との相関があることが望ましい。最大加速度、最大速度、最大変位、スペクトル強度及び平均速度スペクト
ルなどが挙げられる。
日本原子力学会標準、原子力発電所に対する地震を起因とした確率論的リスク評価に関する実施基準：2015

耐震設計では最大加速度値が重視されすぎてはいないか？
耐震設計と耐震性評価を近づけるための指標は？
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延性破壊モードの損傷評価の指標：変位（応答塑性率）
静的設備の延性破壊は塑性域で発生

金属材料の粘り極めて「ねばり」のある金属材料の塑性変形と機能維持限界

耐震設計手法（現行）：ほぼ弾性状態 （等価線形範囲）

動的 荷重－変形特性 （1自由度系バイリニアモデル）
荷重継続時間

移動

弾性振動

塑性率

μ =

δmax
δy4 π2 W
初期剛性 k1 = 2T g
二次剛性 k2
減衰定数 h （弾性域）

T： 固有周期
W： 重量降伏耐力 Qy = α W
移動α: 降伏層せん断力係数
α: 静的震度
機械設備の静的耐震設計法：静的震度による荷重で、ほぼ弾性挙動に設計
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「地震動強さの指標」と「震度階」
地震被害のレベルの指標「震度階」 ← 地震動の特性から計算
日本： 気象庁（JMA）震度階（9段階） 計測震度
IJMA = 2 log (AJMA) + 0.94
AJMAは観測された加速度波形から計算される値（単位はGal）

米国： MMI震度階（12段階） 速報値
Imm = 3.47 log (PGV) + 2.35

（V ≤ Imm ≤ IX）

PGVは観測された最大速度値（単位はcm/s）

地震動強さの指標：検討対象として下記4種を選定① AJMA （気象庁計測震度IJMAの代替）② PGV （改正メルカリ震度Imm速報値の代替）③ PGA （最大加速度）④ 標準CAV （累積疲労破壊の参考）
CAV(Cumulative Absolute Velocity)：原子力発電所の運転継続判定用（米国）
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Japan Nuclear Safety Institute3指標の「相関関係」を評価する地震動の選定

視点： － 静的機械設備の地震時機能維持 （塑性域の挙動）－ 地震波形の多様性（加速度応答スペクトルでは表されない位相特性）
塑性域の応答 ランダム位相の人工地震波は過小評価？
→ 実地震の観測波形－ 初通過破壊（慣性力による機械設備の累積疲労破壊は極めて発生の可能性が低い←東日本大震災の原子力発電所での経験）

破壊力が大きいとされる震源距離が小さい地震動観測波形
K-NET，KiK-netで検索した地上での観測記録
検索条件○ 記録開始時刻：1996年以降2016年4月まで（平成28年熊本地震が含まれるが，1995年兵庫県南部地震（阪神淡路大震災）は含まれない）○ 最大加速度（3方向合成最大加速度）：500 Galから5000 Gal○ 震央距離：0 kmから30 km
3方向合成加速度が大きな上位60波形を選択
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検討対象地震動観測記録（K-NET、KiK-net 近地地震60波形）（平成28年熊本地震 益城観測記録の震度は気象庁公表値は震度７となっている）

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Japan Nuclear Safety Institute5相関性の検討フロー① 水平2方向最大値発生方向加速度波形（60波形）の作成
加速度応答スペクトル（減衰定数：0.05）

速度応答スペクトル（減衰定数：0.05）② 地震動の強さを表す指標（4種）の解析
例 W01 2008年岩手・宮城内陸地震 一関西 観測波形 （上下方向最大加速度：3866 Gal）

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Japan Nuclear Safety Institute6相関性の検討フロー（続）③ 1自由度系バイリニアモデルによる応答塑性率解析【入力】

W
初期剛性 k1 =g
f： 固有振動数： 2, 5, 10, 20 Hz
W: 重量（100 kg-重）減衰定数 h （弾性域） = 0.05
2π 𝑓 2二次剛性 k2 = 0.05 k1
応答最大変位

降伏耐力 Qy = α W
α: 静的震度： 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0

損傷評価の指標（応答塑性率） ＝ 応答最大変位 ÷ 降伏変位

④ 応答塑性率と地震動強さの指標（4種）との相関評価
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一般社団法人 原子力安全推進協会
Japan Nuclear Safety Institute7応答塑性率と4種の指標との相関性解析例（１）AJMA （相関係数：0.89）

SC0.2
PGV （相関係数：0.95）
5Hz

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PGA （相関係数：0.34）

S-CAV （相関係数：0.41）

一般社団法人 原子力安全推進協会Japan Nuclear Safety Institute8応答塑性率と4種の指標との相関性解析例（2）AJMA （相関係数：0.87）

SC0.4
10Hz PGV （相関係数：0.86）

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PGA （相関係数：0.67）

S-CAV （相関係数：0.50）

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Japan Nuclear Safety Institute9応答塑性率と4種の指標との相関性解析例（3）

SC0.6
20Hz

AJMA （相関係数：0.72）

PGA （相関係数：0.90）

PGV （相関係数：0.65）

S-CAV （相関係数：0.46）

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損傷評価の指標と地震動の強さの指標の相関性（応答塑性率）（AJMA、PGA）
AJMA

PGA

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損傷評価の指標と地震動の強さの指標の相関性（応答塑性率）（PGV、S-CAV）
PGV

S-CAV

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Japan Nuclear Safety Institute12計測震度（地震動評価の指標）と上下動の最大加速度、速度
PGA vs. AJMAPGV vs. AJMA

水平2方向
合成

3方向
合成

上下動に関係なく、計測震度と最大速度値は良い相関を示す
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計測震度（AJMA）／最大加速度と静的震度
一定塑性率（必要せん断力係数）スペクトル
2000年鳥取県西部地震 日野 （震度7）

平成28年熊本地震前震 矢部 （震度5強）

PGA=1.13
PGA=0.68
AJMA=0.66

AJMA=0.13

対象設備の損傷評価の指標（塑性率）の許容値と地震動特性の分析

今後の課題： 「震度○○に耐えるように設計する」手法とは？
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14

結言

1 バイリニアの復元力特性を有する機械設備の塑性率を損傷評価の指標としたときの地震動強さの指標として、最大加速度、最大速度、気象庁計測震度、標準CAVの4指標との相関を解析した結果、下記の傾向が観察された。
・最大加速度は、降伏（層）せん断力係数が大きく、比較的剛な（塑性変形し難い）設備で良い相関を示す。

・最大速度は、降伏（層）せん断力係数が小さく、比較的柔な（塑性変形し易い）設備で良い相関を示す。
・気象庁計測震度をもとに定義されるAJMA値は、最大速度に近く、適用範囲が広い特性を示し、地震動強さの指標として適している。
・標準CAVは、継続時間が短い地震動の初通過破壊よりは累積疲労破壊の指標と位置づけられる。
2 気象庁計測震度は、建築構造のみならず、粘りのある材料の延性破壊を想定する機械設備についても有効な「地震動強さの指標」であり、その元となるAJMA値は、加速度の単位を有する有効最大加速度値として、地震被害事例の分析、耐震性能評価などへの応用が期待される。
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謝 辞
本報告では、防災科学技術研究所が公開しているK-NETおよびKiK-netの地震観測記録を用いて解析を実施しました。ここに感謝申し上げます。

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