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大規模3次元FEMを用いた長周期地震動の効率的計算技術を開発

計算時間の大幅短縮により、建物の耐震安全性を迅速に評価

2021年5月10日
大成建設株式会社

 大成建設株式会社(社長:相川善郎)は、大規模3次元FEM※1を用いて、巨大地震による長周期地震動の計算時間を大幅に短縮することができる新技術を開発しました。本技術を建物の設計やリニューアルにおける耐震検討に適用することで、早期に長周期地震動の影響を提示することが可能となり、建物の耐震安全性評価に関する円滑な合意形成を実現します。

 近年想定されている南海トラフや相模トラフなどの巨大地震では、建物の設計に用いる告示波※2を超える長周期を含んだ地震動が予測される場合があります。特に、長周期地震動の影響が大きいと想定される地点では、震源から建物までの地盤を伝播する地震波を計算し、建物の耐震安全性を検討するため、より精度の高い定量的な評価が求められていました。
 これまでの長周期地震動の計算では、地盤構成を仮定し、地盤を数メートル~数十メートル間隔の格子状要素に細かく区切り、隣接する要素に地震動が伝わる様子を3次元FEMを用いて計算してきました(図1従来技術参照)。しかし、南海トラフ地震や相模トラフ地震などの巨大地震を想定した場合、計算対象となる地盤が複雑な形状を有し、広範囲に渡ることから、膨大な数の地盤分割要素が必要となり、地震動の解析結果を得るまでの時間が課題となっていました。また、地下の地盤構成は不確定な部分が多いため、様々な固さや地層分布から成る地盤を想定し、地震動を計算する必要がありました。
 そこで当社は、地盤の固さで地震動の影響が異なることに着目し、震源付近の地下深くの固い地盤を含む「大規模領域地盤」と建物周辺の比較的軟らかい「建物周辺地盤」のそれぞれに最適な地盤分割要素を設定し、2段階プロセスで解析を実施しました。これらの方法を用いることで、従来の計算結果と同等の精度を保ちながら、地震動を効率的に計算する技術を開発しました。(図1開発技術参照)

 本技術の特徴は以下のとおりです。

    1. 1

      最適計算モデル設定と2段階解析により、効率的に計算(図1、2参照)
      2段階解析を行うことにより、震源から建物までの大規模領域地盤に対して過大な要素分割を行う必要がなくなり、複雑な地盤状況を考慮した上で、高い精度を確保したまま、地震動の計算を効率的に実施できます。

    2. 2

      計算時間を大幅に短縮
      従来の3次元FEMによる地震動計算では、震源から建物周辺までを膨大な数の要素を設定してモデル化するため、計算時間は1ケースにつき4~5日間を要していましたが、本技術では地盤条件に応じた最適な分割要素の設定を行うことで、最大5~6時間まで短縮することができます。

 今後、当社は建物の長周期地震動の評価に本技術を積極的に適用し、建物の耐震安全性評価の迅速化と、より地震災害に強い建物づくりに貢献してまいります。

図1 除染土壌の分別処理フローと分別促進材の投入箇所
図1 地震動計算モデルおよび計算手順の比較
図2 吸水性ポリマーの粒径範囲別の吸水速度※5・吸水倍率※6・ふるい通過率※7
図2 本技術による計算事例(計算時間および計算精度)
    1. ※1

      FEM:
      有限要素法(Finite element method)。複雑な形状を持つ対象を、有限個の単純な形状の要素に分割し、数値解析を行う手法。

    2. ※2

      告示波:
      建築物等の設計時に建物の時刻歴応答解析に用いる地震波(平成12年建設省告示第1461号第4号イに定める地震動)を示す。