地盤・建物振動特性の現地簡易評
価のための常時微動計測分析シス
テムの開発

DEVELOPMENT OF MICROTREMOR
MEASUREMENTAND
ANALYSISSYSTEM FOR ON-SITE EVALUATIONOF
DYNAMICPROPERTIESOF
BUILDINGS AND GROUND

飛田

Jun TOBITA --*1,

Nobuo FUKUWA --*2,Kenji OHTA --*4

Eiji KOIDE --*5

潤 -----*1

福和伸夫 -----*2

太田賢治 -----*4

小出栄治 -----*5

佐武直紀 -----*3

キーワード
常時微動，地盤卓越周期，固有周期，減衰，共振，H/V スペクトル，RD 法

Keywords
Microtremor, Predominant period of ground, Natural period, Damping,Resonance, H/V spectrum, Random Decrement Method

Naoki SATAKE --*3,

A portable microtremor observation and analysis system has developed foron-site evaluation of dynamic properties of buildings and ground. Thesystem can evaluate the soil period from the H/V spectrum and the building
period and damping using the Random Decrement (RD) method. The
software is designed with real-time data processing and easy operation usinga graphical user interface (GUI). All of the system components such assensors, a touch-panel PC, butteries and cables are packed in a carry case.
The system is useful especially for easy evaluation of existing buildings withpossible resonance which are important for structural design of seismic
retrofit.

一方，これらを適切に評価するためには計測機材や計測方法，分1. はじめに
近年の強震記録の充実や地盤調査結果と強震動予測手法の進展な

析方法などに関しては種々の配慮が必要である 7)。一般に常時微動どにより，堆積平野の深部地盤構造による大規模地震時の長周期地計等の計測機材は扱いが難しく，技術や経験の豊富な計測担当者が震動の特性が明らかになり，高層建物など長周期構造物との共振の必要で，分析もデータを持ち帰って時間をかけて行うことになる。

可能性が改めて重要視されている。比較的初期の高層建物では，設

しかし，今後，多数の建物に対して共振の有無を確認していくこと計時にサイト地震動特性を十分考慮していないこと，一方で建物応を考えると，人数の限られた計測技術者や研究者が余裕を持って実答を左右する固有周期や減衰については，設計時の計算値・設定値施できるケースは少なく，設計者や振動計測が専門でない技術者がと建設後の特性が必ずしも一致せず，特に S 造高層建物の減衰は実扱える計測機器で，短時間のうちに計測を実施して，その場である際にはかなり小さい場合があることなどが知られている 1),2)。従って程度正確な結果が得られることが要求される。例えば，設計時のサ長周期地震動に対する継続時間の長い応答の特性を正確に評価できイトの周期特性の簡易把握，建物竣工時の振動特性の確認，既存建ていない可能性があり，実在建物の応答予測や耐震性能評価，さら物の応答特性と耐震改修の必要性の検討資料，さらには強震によるには耐震・制震改修の検討を行う場合には，地盤と建物の振動特性被災建物の状況把握などがあり得る。もちろん，計測に慣れた技術を計測により確認することが極めて重要となる。もちろん，高層建者や研究者にとっても，地震被害調査のように多数の対象を短期間物のみならず，表層地盤に起因する地盤卓越周期は中低層建物の応で調査する場合や悪条件下での利用，さらには計測・分析をしなが答評価に重要であるし，設計時の資料としてサイトの地盤の周期特ら設計者や建物所有者に結果の説明を行う場合など，扱いに気を使性を迅速に評価できる技術の有効性は高い。

わない機材で簡易な測定が可能になるメリットは大きい。

地盤の卓越周期や建物の固有周期・減衰定数を実測により評価す

本論では以上の背景から，建物・地盤の振動特性を現地で簡易にるために，常時微動計測，振動実験，強震観測などが行われている。

評価するために新たに開発した常時微動計測・分析システムについ

常時微動による方法は，振動実験に比べて機材が少なく，地震観測て述べる。具体的にはセンサー１台で建物または地盤で計測を行い，より短期間で結果が得られるなどの利点があり，多用されている。

地盤では H/V スペクトルから卓越周期を，建物ではスペクトルと記録の分析法も進展しており，地盤の計測記録の水平・上下スペク

RD 法から固有周期と減衰定数を推定できるシステムである。

3),4)（H/V スペクトル）により地盤卓越周期を、建物上部の計常時微動を計測して現場で簡易に建物特性等を評価するシステム

測記録を重ね合わせて自由振動波形を生成する Random Decrement

は，既往の報告例や製品も存在する。本論で述べるシステムの特徴（RD）法 5),6)により建物の減衰定数や固有周期を、それぞれ高い精は，比較的安価かつ丈夫な機材を用いてオールインワンで持ち運び度で推定できることが知られている。

できる形にまとめ，機材運搬・扱いの負担を減じたこと，そして，

トル比

*1
*2
*3
*4*5

名古屋大学大学院環境学研究科 准教授・工博（〒464-8601 名古屋市千種区不老町）
名古屋大学大学院環境学研究科 教授・工博
応用地震計測株式会社 地震防災部・工博
応用地震計測株式会社 開発部
応用地震計測株式会社 地震防災部・工修*1 Associate Professor, Grad. School of Environmental Studies, Nagoya Univ., Dr. Eng.
*2 Professor, Grad. School of Environmental Studies, Nagoya Univ., Dr. Eng.
*3 OYO Seismic Instrumentation Corp., Dr. Eng.
*4 OYO Seismic Instrumentation Corp.
*5 OYO Seismic Instrumentation Corp., M. Eng.

データ収集と分析を同時並列で行い，簡易な操作により振動特性評

210.0

価結果をリアルタイムで確認しつつ，現場で最短の時間であるレベ

1.0

ルの結果を提示できるソフトウェアを開発した点にある。

0.1

1NSEW UD

0-10.01

2. システムの概要-20.001

EW, UD-3

2.1 システムの構成

NS-4

本システムの外観を写真 1 に示す。保護能力のある金属製キャリ

0.1

1.0

ーケースの中にタッチパネル PC，3 成分センサー１台，アンプ，バッテリー，ケーブル等の必要機材をすべて収納しており，寸法は 51×33×22cm，質量は約 10.5kg である。一人でも公共交通機関などで

図10.1

1.010.0(Hz)(b)位相振動台によるセンサーの周波数特性の検定（３成分）10.0

運搬でき、バッテリーの性能向上により軽量化できる可能性も高い。

補正後

計測現場では，ケースを開いてセンサーの設置とケーブルの接続を行い，電源投入して計測可能になるまでに 4～5 分あれば十分であ10.0(Hz)(a)振幅1.0る。あるいは地盤計測において自動車で移動する場合には，助手席にケースを開き，センサーケーブルも接続したまま，電源をシガー

0.1

微動計ソケットから供給して PC を起動したままとすると，車を止めてから１分程度で計測可能になり，一人で多数点の計測ができる。

補正前0.010.1

図20.015
0.015
0.01
0.01
0.005
0.005
00
-0.005-0.005-0.01-0.01-0.015-0.015

図3
センサー

写真 1

システムの外観

1.010.0(Hz)センサー特性の補正（動コイル型微動計との周波数特性比較）
補正後
補正後
微動計
微動計

0010102020303040405050(sec) 6060

センサー特性の補正結果（動コイル型微動計との波形の比較）

3. 計測と分析ソフトウェアの概要3.1 分析手法
H/V スペクトルは、地盤上での 1 点 3 成分の計測から、水平（２2.2 センサーの周波数特性補正成分合成）と上下成分のフーリエスペクトル比を求めるものであり、センサーはコンパクトで丈夫であることを重視してジオフォン

地震基盤や工学的基盤の境界が明確な場合には、それより浅い地盤

HS-1 LT を用い，3 成分をまとめてケースに収めている。このセンサの卓越周期に対応した明確なピークが現れることが知られている 4)。

ーは固有振動数が 2Hz で，おおむね 1Hz 以下で振幅が低下し、特性

一方、RD 法は、建物で計測された波形に対して、固有周期周辺のの個体差も多少ある。そこでセンサーごとに振動台で周波数特性をバンドパスフィルタをかけ、波形の極大値から始まる多数の区間を計測し，その結果からセンサーの基本パラメータ（固有振動数，減重ね合わせることにより自由振動波形を生成する方法である。これ

衰定数，振幅変換値）を推定して理論周波数特性を求め，その逆数より地盤－建物連成系の減衰定数と固有周期が得られ、特に低減衰を乗じることで補正を行っている。図 1 に実測した 3 成分の周波数建物の減衰定数の推定精度が高い点が重要である 5)。

特性を示す。これより，3 成分のセンサーに差はあるが，センサー3.2 計測と分析の流れパラメータを最適化することでフラットな周波数特性をほぼ近似でH/V スペクトルや RD 波形の推定に当たり、一定時間（例えば 30き，約 0.2～10Hz で安定した特性を示すことが確認できる。センサ分）の記録を収録した後にデータ処理を行い，結果を得るのが一般ーパラメータは固有振動数が 2.1～2.8（2.0）Hz，減衰定数が 0.68～的な手順である（オフライン処理）。この場合には，計測後に分析を0.9（0.7），振幅変換値は 0.5～0.57（0.632）のばらつきがあった（か行うまでは，計測時に表示される波形やスペクトル程度の情報しかっこ内はカタログ公称値）。

得られず，観測経験の豊富な技術者ならともかく，一般的な利用者

図 2 に周波数特性補正前後の計測記録のパワースペクトル及び動では観測に問題があっても分析するまでわからない可能性が高い。

コイル型常時微動計（固有周期 5 秒の速度計）との比較，図 3 に周このような場合には計測のやり直し，あるいは問題がある計測結果波数特性補正後の波形と常時微動計による波形の比較を示す。これを気づかずに利用することもあり得る。それに対して本システムでより周波数特性はほぼ補正されているが、長周期側の補正係数はは，計測と並行して得られたデータから順次分析して結果を表示し，100 倍程度になることから，センサー間のばらつき補正の影響が大時間経過とともに更新するリアルタイム処理を導入している。

きい点に注意が必要である。このように，１台ごとに検定が必要ではあるが，本センサーは十分な性能を有することがわかる。

これは，スペクトル推定においては区間データのアンサンブル平均を順次行うことに相当し，スペクトルアナライザなどで実現されている機能である。しかし，H/V スペクトルにおいては一般的に利を図 4 に示す。タブにより「操作画面」「波形測定画面」「H/V 解析用されている例は多くないと考えられ，さらにデータ収録と同時に結果」を選択でき，計測中でも随時切り替えて利用できる。
「操作画実行できる点に大きな特徴がある。具体的に本プログラムでは，水面」は，計測・データ処理条件やシステムの設定，校正記録・計測

平 2 成分の合成スペクトルと上下スペクトルに対してそれぞれアンの開始などを操作する。設定条件は計測中でも参照でき，一部は変サンブル平均を行い，その比を逐次更新しながら表示する。

更することもできる。
「波形測定画面」では，センサー補正済みの波RD 法については，波形の重ね合わせになるため，工夫が必要で形がリアルタイムで監視でき，波形の状況や経過時間を確認できる。

ある。まず，ある時間区間（例えば 1 分）ごとに計測記録に FFT に

まずセンサー感度の設定など校正計測を行い，波形振幅やスペクトよるバンドパスフィルタを掛け，時間領域に戻してから波形極大値ルを確認した後，本計測を開始する。途中で収録の一時停止，あるから始まる区間を抽出して，それらを重ね合わせ，得られた RD 波

いは終了することもできる。
「H/V 解析画面」では，水平 2 成分合成形（自由振動波形）を振動モデルでフィッティングしてその時点のと上下動のスペクトル，およびその比の H/V スペクトルが表示され振動パラメータの暫定推定値を表示する。従って，例えば１分ごとており，計測の進行に従ってアンサンブル平均の区間数を増やしなに逐次更新して表示することで，時間経過に従って重ね合わせ区間がら，随時更新された結果を表示する。同時に，重ね合わせ回数，が増大して推定精度が向上していく様子を観察できる。

H/V スペクトルがピークとなる周期と周波数，その際の H/V スペク

以上のリアルタイム処理では，計測開始後から暫定的な結果が表トルの値なども常時表示され，さらにグラフ上の任意の点をクリッ示されるため，計測の状況を比較的容易に知ることができ，計測をクすればその周期の値と H/V スペクトルの値も表示される。交通振やり直す必要があれば早い時点で決断できるし，十分な結果が得ら動などノイズの多い環境で計測する場合には，突発的な振幅の大きれたと判断できれば終了することもできる。さらに，計測中も結果い区間を除いて平均化できるように，利用する波形区間の RMS 値を見ながら説明や考察ができるため，計測終了時に直ちに撤収できの最大値の設定も可能である。

るなど，時間の節約につながる。終了時にはすべての観測記録がタ3.4 RD 法による推定の詳細

ッチパネル PC に保存されているため，次の地点への移動中などに建物計測における RD 法による固有周期と減衰定数の推定プログ改めてオフラインで従来と同様の詳細な分析を行うことも可能であラムの画面表示例を図 5 に示す。タブにより選択できる「操作画面」

る。この場合に，内蔵のタッチパネル PC でも実行できるが，バッ「波形測定画面」「RD（X）解析結果」「RD（Y）解析結果」の各画テリーの節約とインターフェイスや処理速度の面で不利であるため，面がある。「操作画面」「波形測定画面」については，RD 法に関すデータを一般のノート PC にコピーして利用すれば、データバックる設定を除き，H/V スペクトルの場合とほぼ同様である。
「RD 解析アップも含めてすべて現場で完了する。

画面」は，X 方向と Y 方向で別々に最適化するようになっている。

3.3 H/V スペクトル推定の詳細

図 5(b)，(c)の比較から，計測が進むに従って徐々に RD 波形が整っ地盤計測における H/V スペクトル推定のプログラムの画面表示例

観測中の波形表示

操作タブ

た形状になり，フィッティングも良好になっていく様子がわかる。

スペクトル

上下スペクトル

NS
図の表示等の設定

水平スペクトル

EW

重合せ回数やスペクトルピーク周期の表示

操作ボタン
H/V スペクトル
操作タブで右図の波形測定画面・H/V解析結果画面を切り替える。操作ボタンはテスト計測、計測開始・終了や各種設定などに対応する。

(a) 操作画面
図4

図の表示等の設定

UD(b) 波形測定画面(c) H/V 解析結果画面
地盤計測における H/V スペクトル推定のためのリアルタイムプログラムの画面例

2 方向の RD 法
解析画面タブ

スペクトル（アンサンブル平均）
バンドパスフィルタ範囲（自動・手動設定が可能）

操作タブで、2 方向の RD 解析画面を切り替えることができる。その他の操作
ボタンは H/V と同じ。

推定パラメータの表示
計算条件や表示の設定
RD 波形フィッティング範囲の指定（自動・手動設定が可能）

RD 波形とフィッティング波形(a) 操作画面(b) RD 法解析結果画面（計測開始直後の例）(c) RD 法解析結果画面（収束時の画面）
図 5 建物計測における RD 法による固有周期・減衰定数推定のためのリアルタイムプログラムの画面例

kine･s
1.0

バンドパスフィルタ範囲はスペクトル形状（ピーク位置と幅など）0.1を判断して自動設定されるが，画面上の縦線をドラッグすることでNS

本システム

0.01任意の範囲を設定することもできる。この例では 1 自由度 RD 法に0.001より 1 次モードのみ推定しているが，次章で述べるように 2 自由度微動計

0.0

RD 法 6)により 2 モードを同時に推定することも可能である。

1.0

2.0

3.0

4.0

NS

5.0(Hz)kine･s1.0

4. 建物実測による検証例

EW

0.10.01

名古屋市に建つ地上 21 階，軒高 90m の建物において，最上階で0.001

本システムと動コイル型常時微動計（周期 5 秒の速度計）を並べて0.0

約 30 分間計測した。図 6 に本システムと常時微動計のフーリエスペ
クトルの比較を示す。振動数によって多少の差はあるが，センサーkine･s1.0の周波数補正が有効であることが確認できる。次に，RD 法による0.10.01で推定した結果，(b)は各方向の記録にそれぞれ 2 自由度 RD 法を適0.001用して，2 方向の 1 次固有振動を同時に推定した結果である。推定0.0

図62.0

3.0

4.05.0(Hz)UD

推定結果を表 1 に示す。(a)は各方向の 1 次モードを 1 自由度 RD 法

パラメータは各自由度について，固有振動数と減衰定数に加え，自1.01.0

2.0

3.0

4.05.0(Hz)21 階建物における実測結果のスペクトル（微動計との比較）

由振動波形の初期変位と初期位相である。高層建物などでは水平 2方向の固有周期が接近している場合が多く，近接固有値の影響を考表1慮して 2 自由度 RD 法を適用することが適切と考えられるが、本建(a)物については固有周期・減衰ともに、1 自由度でもほとんど同じ推RD 法による振動特性の推定結果

1 自由度 RD 法

本システム
EWNS
固有振動数(Hz)0.584

定値になっている。また，本システムと常時微動計の比較では，十0.551

分な精度の推定が行えることがわかる。

減衰定数(%)

0.669

初期変位0.0021

初期位相-0.0381

0.617
0.0047

5. まとめ
本論では，建物・地盤の振動特性を現地で評価するために，扱い残差(%)

やすい常時微動計測・分析システムの開発を行い，結果として十分4.86

0.05104.63な精度を確保しながら，手早く確実かつ簡易に計測を行いうること

微動計
EWNS
固有振動数(Hz)0.584を示した。特に，データ収録を行いながら，同時に逐次更新される

減衰定数(%)

0.667

初期変位0.0036

初期位相-0.0330

0.551
0.594

推定値を検討できるリアルタイム性を重視したことにより，現場計

0.0051測における有用性が高まっているといえる。
本システムを十分に使いこなすためにはある程度の経験と知識が残差(%)

必要ではあるが，計測の原理や留意点をオンラインドキュメントにし、フィルタやフィッティング初期値などの重要なパラメータは状況に応じたデフォルトセットを複数用意することなどにより、振動計測を専門としない技術者や研究者による利用も十分可能と考えら

日本建築学会編：建築物の減衰，265p.，2000.
飛田潤，福和伸夫，松井政樹，小島宏章：建設時の継続的な振動観測に基づく高層建物の振動特性，日本建築学会構造系論文集，第 625 号，pp.391-398，2008.33)

特性推定の試み，第７回日本地震工学シンポジウム講演集，pp.265-270，

4)集, pp.413-421, 2000.3
5)

6)

吉田昭仁，田村幸雄，舛田健次，伊藤隆文：超高鋼製煙突の動特性評価（その 2なども含めて，現場計測を繰り返して改良を進めていく予定である。

2 自由度 RD 法と FDD による動特性評価），日本建築学会大会

学術講演梗概集，Vol.B-2，pp.887-888，2002.
7)を得た。記して謝意を表する。

田村幸雄，佐々木淳，塚越治夫：RD 法による構造物のランダム振動時の減衰評価，日本建築学会構造系論文報告集, pp.29-38, 1993.12

善は観測の容易さに直結する。現状では連続で 4～5 時間使用できるシステムの開発にあたり，株式会社コラムの岡田雄二氏のご協力

中村仁，福和伸夫，高橋広人，飛田潤，堀啓輔：常時微動計測に基づく名古屋市域の地盤震動特性と地盤構造推定に関する研究，構造工学論文

が，関東平野の地盤周期や 250m クラスの超高層建物の評価には十謝辞

中村豊，上野眞：地表面振動の上下成分と水平成分を利用した表層地盤

1986.

今後の改良点は，より長周期の計測を可能にするセンサーの検討

が，一日計測し続けるにはやや不足である。ソフトウェアの操作性

微動計
EW
NS
固有振動数(Hz)
0.584
0.571
0.545
0.552
減衰定数(%)
0.642
1.066
7.079
0.658
初期変位
0.00350.00010.00020.0053初期位相-0.0286 -1.9414
1.64680.0804残差(%)
5.134.641)

セスをブラックボックス化することなく学ぶことができる。

分とは言えない。また，バッテリーに関して，持続時間や重量の改0.0441
3.18

本システム
EWNS
固有振動数(Hz)
0.584
0.571
0.544
0.551
減衰定数(%)
0.649
0.956
4.908
0.685
初期変位
0.00210.00010.00010.0050
初期位相-0.0414 -1.8444-1.4675
0.0790残差(%)
4.79
4.472)

逐次表示できることを活かして、さまざまな分析パラメータを変えがあげられる。現状では周期 5 秒程度までは利用可能と考えられる

3.652 自由度 RD 法

参考文献

れる。さらに、振動計測の教育にも有効であり，計測のプロセスをながら計測を繰り返すことにより，地盤や建物の振動特性評価プロ(b)

飛田潤，福和伸夫，小島宏章，浜田栄太：地盤・建物系の高密度強震観測の展開と建物動的挙動の検討，日本地震工学会論文集，第 7 巻，第 2号，pp.37-56，2007.3