2014 Fiscal Year Annual Research Report
次世代都市モデルの多数地震シナリオ統合地震シミュレーションに基づく被害推定
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25220908
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
堀 宗朗 東京大学, 地震研究所, 教授 (00219205)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
市村 強 東京大学, 地震研究所, 准教授 (20333833)
MADDEGEDAR a.L. 東京大学, 地震研究所, 准教授 (20426290)
長尾 大道 東京大学, 地震研究所, 准教授 (80435833)
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| Project Period (FY) |
2013-05-31 – 2018-03-31
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| Keywords | 地震災害 / 地震被害 / 都市モデル / 地震動 / 地震応答 / 大規模数値解析 / メタモデリング理論 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は東京23区を対象とした地震災害・被害シミュレーション用の次世代都市モデルの構築を行った．
次世代都市モデルとは，表層地盤と建築建物の他，社会基盤施設を対象とする．建築建物と社会基盤施設は，構造物に関する情報が完全ではないため，モデルを構築した場合でも，その品質には常に疑問が残る．この問題を解決する方法として，一つの構造物に対し，複雑さは異なるものの互いに「整合した」解析モデルを構築することを考案している．整合した解析モデルとは，同じ物理問題を対象とするものの，数理的近似を変えることで見かけ上，異なったモデルを意味する．このような解析モデルを構築するための，新しい力学理論であるメタモデリング理論を確立し，各種構造物に適用した．
特に，最も単純な解析モデルである，バネ-マスモデルを，ディジタルデータを使って自動構築するモデュールを開発した点は重要である．バネ-マスモデルは，固有周期という構造物の最も基本的な動的特性を簡単に計算することができる．整合した解析モデル群で，固有周期が共通することは絶対的に必要である．
バネ-マスモデルは建築建物や橋脚等の社会基盤施設の基本的な解析モデルであるものの，地下埋設管には適用されない．速度・加速度といった変位の時間微分が外力となる地上構造物と異なり，地下構造物は地盤の歪という変位の空間微分が外力となり，地震応答の基本的なメカニズムが異なるからである．この点を考慮し，一つの埋設管に対しても，精緻なソリッド要素有限要素法モデルから，簡単なシェル要素・梁要素有限要素法モデルを構築することを進めている．地上構造物と同様，精緻な解析モデルと簡単な解析モデルが整合することが重要である．埋設構造物と周囲の地盤を一体化し，それにメタモデリング理論を適用することで，合理的に地盤バネを算定する方法を考案している．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究の研究計画は，1）次世代都市モデルの構築手法の開発(H25～H16)，2）多数地震シナリオ統合地震シミュレーションの分析手法の開発(H27～H29)，3）多数地震シナリオ統合地震シミュレーション(H27～H29)，の3課題から構成される．本年度は，第一の課題である，次世代都市モデルの構築手法の開発の終了年度である．
当初，予定通り，地盤・建築建物・社会基盤施設という都市を構成する構造物に対し，利用できるディジタルデータを使って，従来のモデルを凌駕する高度な解析モデルを自動構築することが，本課題の目標である．地盤・建築建物・社会基盤施設は，地盤工学・建築構造学・土木構造学の分野が対象としたもので，地震応答の基本的なメカニズムに各々特徴がある．この特徴を十分考慮し，非線形応答や局所的損傷も解析しうる高度な解析モデルを作ることが重要である．
本研究は，地盤工学・建築構造学・土木構造学の特徴に配慮しつつもも，連続体力学を基本とする統一的なモデル化理論の考案を行い，高度な解析モデルの自動構築に取り組んだ．モデル化理論は，メタモデリング理論として一応の完成をみており，一つの構造物に対し，複雑さが異なる整合した解析モデルを構築することが可能となった．（なお，現在，このような解析モデルは相互の位置付けには定見が無いようである．メタモデリング理論では，連続体力学を基とみることで，構造力学を同一の物理問題を数理的に近似して解く問題とみなしている．）
次世代都市モデルは，メタモデリング理論が可能とした「整合した解析モデル」によって構築される．利用できるデータの質と量に応じた，整合した解析モデルが選択できるようになり，かつ，質と量が向上にするにつれ，より精緻な整合した解析モデルに拡張できるようになっている．次世代都市モデルの構築手法はこの形で完成し，これは，当初，計画された構想通りである．
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究の研究計画は，1）次世代都市モデルの構築手法の開発(H25～H16)，2）多数地震シナリオ統合地震シミュレーションの分析手法の開発(H27～H29)，3）多数地震シナリオ統合地震シミュレーション(H27～H29)，の3課題から構成される．平成27年度以降は，大型並列計算機を購入し，次世代都市モデルを使って，多数地震シナリオの統合地震シミュレーションを実施する．その計算結果を吟味し，多数地震シナリオの統合地震シミュレーションの分析手法を考案・開発することになる．
平成27年度の近々の課題は，多数地震シナリオの統合地震シミュレーションの実施である．東京23区を対象に，首都直下地震のさまざまな想定に対応した多数の地震シナリオを使い，地震動と地震応答の統合計算を行う．地震シナリオに関しては，例えば1秒を境に，長周期成分と短周期成分に区分し，長周期成分は断層からの成分，短周期成分は統計的外挿法を使う予定である．地球科学では確定論的に予測できる長周期成分を基に，短周期成分の不確定性をモンテカルロシミュレーションを使って統計的に処理する，という方針を考案している．
次世代都市モデルは高度な解析モデルであるが，利用できるデータの質と量に限界があるため，モデル自体にも不確定性が残る．剛性・強度といった構造物のパラメータに関わるものである．地震シナリオと同様，この不確定性もモンテカルロシミュレーションを使って統計的に処理する，という方針を考案している．
地震シナリオと次世代都市モデルの各々に不確定性がある．大規模数値計算を利用することで，どちらもモンテカルロシミュレーションを使った統計処理でこの不確定性の解決を図るが，これは，まさに膨大な数値計算結果を生むことになり，効率的な分析方法の開発が必要である．平成27年度に手法を考案し，平成28年度から手法の試用を進め，平成29年度に完成させる，という方針である．
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