[論文レビュー] Earthquakes in cities revisited

Armand Wirgin|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2016

Seismology and Earthquake Studies参考文献 31被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、地震時の地盤動揺を軽減するという広く引用されている「有益効果」に疑問を呈する。地盤動揺は追加質量のおかげで低下するが、建物に伝わるエネルギーは依然として顕著であり、共鳴周波数では入力地震エネルギーの最大50％が建物に伝達される可能性がある。エネルギー保存則とインピーダンス結合ブロック近似（ICBA）を用いた分析により、建物の振動と損傷リスクは低下しないことが示され、理論的モデルと仙台やカトマンズのような都市における実際の地震損傷を統合する。

ABSTRACT

During the last twenty years, a number of publications of theoretical-numerical nature have appeared which come to the apparently-reassuring conclusion that seismic motion on the ground in cities is smaller than what this motion would be in the absence of the buildings (but for the same underground and seismic load). Other than the fact that this finding tells nothing about the motion within the buildings, it must be confronted with the overwhelming empirical evidence (e.g, earthquakes in Sendai (2011), Kathmandu (2015), Tainan City (2016), etc.) that shaking within buildings of a city is often large enough to damage or even destroy these structures. I show, on several examples, that theory can be reconciled with empirical evidence, and suggest that the crucial subject of seismic response in cities is in need of more thorough research.

研究の動機と目的

• 都市における理論的予測としての地盤動揺の低減と、地震時の建物損傷の実証的観察との間にある矛盾を解消すること。
• 都市地域における地震リスクの主要指標を地盤動揺から建物／街区の動揺に転換すること。
• 土壌、建物、街区間でのエネルギー分配を考慮した、物理的に整合性のある都市地震応答モデルの構築。
• 都市質量が及えるとされる「有益効果」が、構造的損傷リスクを低下させないことを実証すること。
• 長期間にわたる都市地震動および複雑な都市配置に関する今後の研究の基盤を提供すること。

提案手法

• 半無限空間、土層、都市層、および個々のブロックや建物間での地震エネルギー分配を追跡するエネルギー保存に基づく分析を提案する。
• 周期的な都市街区配置を簡略化して高精度にモデル化できる「インピーダンス結合ブロック近似（ICBA）」を導入する。
• 低アスペクト比のブロックおよび層に対して、厳密な定式化（SFMおよび境界要素法）を用いてICBAの正確性を検証する。
• 特に土壌と建物の固有振動数が共鳴する周波数帯域におけるエネルギー伝達をICBAを用いて分析する。
• ICBAを等価表面インピーダンス法および境界要素法と比較し、定性的および定量的な妥当性を評価する。
• 3次元配置における平面波および源波入力の両方を用い、放射減衰および長期間にわたる地震動を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 都市街区の存在があるにもかかわらず、地盤動揺が低下している中で、建物に伝わる地震エネルギーは増加するか、減少するか？
• RQ2 仙台やカトマンズのような都市の建物が、理論的には地盤動揺が低下しているにもかかわらず、深刻な損傷を被るのはなぜか？
• RQ3 都市質量に起因する「有益効果」と呼ばれる現象は、実際の地震における構造的損傷と整合することができるか？
• RQ4 異なる周波数帯域において、土壌、都市層、および個々のブロック間での地震エネルギーはどのように分配されるか？
• RQ5 高アスペクト比の建物に対して、ICBAモデルは都市地震応答におけるエネルギー伝達をどの程度正確に再現できるか？

主な発見

• 土壌と建物の固有振動数が一致する周波数帯で、入力地震エネルギーの最大50％が建物に伝達される可能性がある。これは、地盤動揺が低下しているにもかかわらず成り立つ。
• 追加質量による地盤動揺の低減という「有益効果」は、建物の振動や損傷リスクの低減を意味しない。
• エネルギー保存解析により、都市が存在しない場合よりも地盤動揺が低い状況でも、建物が大きな励振を受け取り得ることが明らかになった。
• ICBAは、均一な層および低アスペクト比のブロックに対して、地面および建物の振動を定量的に正確に予測でき、高アスペクト比の構成に対しても定性的に意味のある結果を提供する。
• このモデルは、メキシコシティーや仙台のような都市で数分間にわたる強い長期間地震動が発生する理由を、ローブ波との結合および共鳴モードと関連付けて説明できる。
• 都市地震モデルにおける均質化技術は、多様な地震源条件下での複雑で不規則な都市構造を正確に表現するため、さらなる精錬が求められる。