断層変位に対するリスク評価と工学的な対応策 (3)建物・構築物及び土木構造物に対する影響評価
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カテゴリ: 第14回
1.はじめに
日本原子力学会「断層の活動性と工学的なリスク 評価」調査専門委員会の成果のうち、地盤に生じる 断層変位が直接的に作用する建物・構築物及び土木 構造物に対する一連の影響評価手法について概要を 紹介する。 2.対象構造物及び評価方針 評価対象は、建物・構築物では発電用原子炉施設 のうち安全上重要な機能を有する設備(例えばコン クリート製原子炉格納容器や使用済燃料プール)及 び安全上重要な機能を有する機器・配管系等に対す る支持構造物(例えば原子炉建屋)であり、土木構 造物では、支持構造物に加え、非常時における海水 の通水機能を求められる施設(例えば海水管ダクト) である。ここではそれらを総称して構造物という。 以下、建物・構築物を対象にした評価手法を中心 に紹介するが、基本的な考え方は土木構造物に対し ても適用できる。 安全性の評価は、常時又は運転時に作用する荷重 と検討用の断層変位、さらに必要に応じて地震時荷 重を考慮し、これら荷重に対して、安全上重要な施 設として要求される機能を保持すること、機器・配 管系に対する支持構造物として要求される機能を保 持すること、及び構造物全体としての限界状態(変 形能力、終局耐力)に対して余裕を有していること を確認することをもって行う。 具体的には、対象とする構造物と周辺地盤を適切 にモデル化した解析モデルに、断層変位やその他の 荷重を与え、構造物に生じる変位、応力・ひずみ等 を算出して、構造物が受ける損傷と有すべき性能・ 機能を考慮することにより断層変位に対する安全性 を評価する。 委員会で策定した全体評価手順に従い、リスク評価方法を決定論的な評価1及び2並びに確率論的な 評価3の 3 種類に分類した。 - 113 - 耐力評価 応答評価 耐変位裕度評価 解析手法(4章) 耐変位裕度評価(7章) 建屋耐変位安全性評価 機器耐変位安全性評価 要素の応力・ひずみ等 既往の断層変位記録 断層変位ハザード サイトにおける破砕帯等 (解析結果も含む)の分析 ※1 ※2 許容限界(5章) 全体モデル(実剛性) に基づく応力解析 OK 応答<耐力 NG ※4層レベルの変形・ひずみ等 全体損傷モード評価 全体損傷 全体損傷 ・基礎・壁・床の崩壊 しない する に対する実強度 検討用の変位量 ・建屋の安定性喪失 (転倒,滑り) ・壁・床の変形・傾き 対応策 ・建屋間の相対変形 入力条件(3章) 部分モデル(実剛性) ※4 OK 応答<耐力 NG に基づく応力解析 建屋耐変位安全性評価 ・断層の位置 局部損傷モード評価 局部損傷 局部損傷 ・断層形式 ・基礎・壁・床の局部 機器耐変位安全性評価しない する 損傷に対する実強度 ・断層変位量 ・機器の支持機能喪失 対応策 決定論的に考慮 決定論的に考慮 ※3 決定論的に考慮 ※3 安全上重要な機能を 有する施設の抽出 事故シナリオ,リスク評価 注)※1 建物・構築物の基礎下レベルでの地盤の食い違い量(建物・構築物を無視した地盤の食い違い量)が与えられる。 ※2 既往の断層変位記録もしくは断層変位ハザード評価結果等を参照し,想定を超える断層変位としての断層変位量の範囲を設定する。 ※3 確率的に適切な信頼度を考慮して,実剛性による応答値及び実耐力値を設定する。 ※4 決定論的な応答値が決定論的な耐力値を下回っている場合には当該対象は損傷していないとみなす。決定論的な応答値が決定論的な耐力値を上回っている場合には当該対象は損傷しているとみなす。 図 1 構造物(建物・構築物)に対する影響評価フロー(2終局限界に対する裕度評価) - 114 - 評価結果の反映 不確実さの取扱い(6章) 深層防護:~レベル4 1設計上の許容限界に対する裕度評価:検討用の 現実的耐力を上回る確率をフラジリティ曲線として 断層変位に対して、確立された構造強度の評価体系 評価し、これを入力として事故シナリオ及び事故シ の中で、評価対象である構造物の応答評価及び耐力 ーケンス評価を行う。 評価を行う。したがって、応答が耐力を上回る場合 このうち、建物・構築物における2終局限界に対 には、当該構造物は要求性能を満足していないため、 する裕度評価の評価フローを図 1 に示す。 必要に応じて対応策を講じ、その有効性を確認する。 2終局限界に対する裕度評価:検討用の断層変位 3.入力条件 もしくは想定を超える断層変位に対して、最新知見 構造物に対する断層変位の入力は、構造物直下に を反映した決定論的な評価体系の中で、評価対象で 断層変位が生じる場合は、断層の変位量を対象構造 ある構造物の実剛性に基づく応答評価及び実耐力に 物に作用させる。さらに、断層変位が構造物近傍で 基づく耐力評価を行う。したがって、応答が耐力を 発生した場合でも、地盤全体の傾斜や撓みにより構 上回る場合には、当該構造物は要求性能を満足して 造物に影響を与える可能性があるので、構造物近傍 いないため、その評価結果を用いた事故シナリオ及 で発生する断層変位も対象となる。いずれの場合も、 び事故シーケンス評価を行い、必要に応じて対応策 断層変位ハザードの評価において設定された変位量 を講じ、その有効性を確認する。 が、構造物がない状態での構造物直下レベルで再現 3確率論的リスク評価(PRA):断層変位ハザード できるようにしたものを用いる。 に対して、最新知見を反映した確率論的な評価体系 一般的には、モデル化した地盤の境界に、対象と の中で、評価対象である構造物の現実的応答評価及 する断層のずれの向き(変位量の向き)に一様な強 び現実的耐力評価を行う。ここでは、現実的応答が 制変位を与えることで、想定された構造物直下での 断層変位が再現されるようにする。このとき、評価 に必要な断層変位のパラメータは、1断層の位置(長 さ、走向)、2断層形式(断層の傾斜角とずれの方向)、 3変位量となる(図 2 参照)。 4.解析手法 4.1 解析モデルと解析手法 断層変位に対する構造物及び周辺地盤の解析モデ ルは解析対象物と目的によって異なり、多岐にわた る。 一例として「構造物-地盤全体モデル」を図 3 に 示す。炉心損傷頻度の評価を念頭においた構造物全 体の損傷状況及び機器・配管系への検討条件を算定 するために用いられ、建屋各部位をシェル要素又は ソリッド要素により、地盤をソリッド要素等により モデル化し、3次元非線形有限要素法による構造物 ―地盤連成解析を行う。構造物-地盤間は、ジョイ ント要素等の剥離及び滑りが考慮できる要素でモデ ル化する。断層面はジョイント要素等によりモデル 化する。ここで、ジョイント要素のパラメータ(付 着力、摩擦係数等)は、試験結果や既往知見に基づ き適切に設定する。地盤の領域は構造物の影響がな い範囲で設定する。 4.2 解析手順 常時応力(地盤応力及び建屋自重)を考慮し、自 重解析と地震時解析を実施する。地震時解析におい ては、必要に応じ地震時の断層変位に加えて、地震 時の揺れによる影響を考慮する。なお、地震時(本 震及び余震)の揺れによる影響は、断層変位発生時 N タービン建屋 制A’変位量 傾斜角 御建屋 A 原子炉建屋 ずれの方向 走向 長さ 断層の位置 断層形式と変位量 図 2 入力として断層変位を考慮する場合に必要なパラメータ 構造物モデル 図 3 構造物-地盤全体モデルの例 - 115 - 刻を考慮して、静的もしくは動的に組み合わせるも のとする。 4.3 解析結果の出力 基礎・壁・床の崩壊及び局部損傷に係る耐変位安 全性を評価するために、各節点の変位及び各要素の 発生応力もしくは発生ひずみを出力する。 あわせて、動的機器の機能損傷及び渡り配管等の 構造損傷に係る機器・配管系の耐変位安全性評価に 資するために、当該箇所での変位及び回転角を出力 し、建屋の傾斜及び建屋間の相対変位を評価する。 さらに、基礎・壁・床の局部損傷に起因する機器・ 配管系の耐変位安全性評価に資するために、前述の 当該箇所での変位及び回転角に加えて、当該箇所で の発生応力もしくは発生ひずみを出力し、評価エリ アにおける損傷状況を評価する。 解析結果の出力のうち、断層変位を受ける構造物 の変位量のイメージを図 4 に示す。 地盤モデル 断層面 4.4 解析コードの検証 4.1~4.3 に示された解析手法に適用する解析コ ードに関しては、断層変位時に支配的な損傷モード に対して、実際の被害事例や実験結果と比較を行っ て解析手法の妥当性の検証が必要である。 しかし、実際に観測された断層変位による構造物 の被害事例を対象としたシミュレーション解析を実 施した事例は極めて少ない。妥当性が検証された数 少ない事例の一つとして、1999 年トルコ・コジャエ リ地震(モーメントマグニチュード 7.4)、1999 年台 湾・集集地震(同 7.6)等の地表地震断層を対象とし た調査及び解析を行った Faccioli et al. (2008)[1]が挙 げられる。 また、地表地震断層による建屋全体の実被害事例 ではないものの、熊谷ほか(2011) [2]による断層変位に 対する支配的な損傷モードの一つである基礎版の面 外せん断破壊実験を対象としたシミュレーション解 析による解析コードの妥当性の検証例がある。 以上に示す解析手法を用いて、構造物の損傷が比 較的軽微であれば、断層変位に対する構造物の応答 評価が可能であると考えられる。 5.許容限界 5.1 損傷モード 表 1 に断層の種類と損傷モードの関係を示す。 断層変位に伴って考慮すべき構造物の損傷モード は、基礎版及び耐震壁の曲げ破壊あるいはせん断 破壊であると考えられる。地震応答に伴う建屋の 損傷モードと比較して、構造物下部における損傷 が支配的なことが特徴である。 5.2 許容限界の目安値 図 4 断層変位を受ける構造物の変位量のイメージ 表 1 断層の種類による損傷モードの関係 断層形式 建屋への作用 損傷モード 耐震壁の 床・基礎版の 損傷モード 正断層 縦ずれ変位 面内せん断破壊 面外せん断破壊 面外曲げ破壊 逆断層 縦ずれ変位 面内せん断破壊 面外せん断破壊 面外曲げ破壊 断層走向直交 方向の圧縮 面外曲げ破壊 面外せん断破壊 (地下部) -※ 横ずれ 断層 横ずれ変位 面外曲げ破壊 面外せん断破壊 (地下部) -※ ※:応力は発生するものの、損傷を与えるレベルには至らないと判断 - 116 - (1) 基礎底面の傾斜に係る許容限界 断層変位に伴う基礎底面の傾斜による影響につい ては、基本的には日本建築学会「建築基礎構造設計 指針」に記された傾斜の基準値が参考になる。しか し、同指針の解説に記載されている「建物に生じる 沈下量を目安の数値を用いて評価することはあくま でも便宜的な手法であり、原則は沈下によって建物 の構造部材に生じる応力を照査することによって評 価すべきことを忘れてはならない」に従って、IV.1. に示した解析モデルに基づいて詳細な部材応力解析 を行った上で、5.2(2)の鉄筋コンクリート部材の 許容限界の目安値を適用することで評価することが 望ましいと考えられる。 (2) 鉄筋コンクリート部材の構造的あるいは 機能維持上の許容限界 裕度評価に用いる許容限界として、柱・梁の曲げ 終局強度については日本建築学会の「鉄筋コンクリ ート構造計算規準・同解説」に、耐震壁のせん断限 界・曲げ限界については日本電気協会「原子力発電 所耐震設計技術規程(JEAC4601)」あるいは日本機 械学会「発電用原子力設備規格コンクリート製原子 炉格納容器規格(JSME S NE1-2014)」に、梁のせん 断性能については日本建築学会「原子力施設鉄筋コ ンクリート構造計算規準・同解説(RC-N)」にまと められている。 また、確率論的リスク評価(PRA)に用いる許容 限界等としては、日本原子力学会標準として「原子 力発電所の地震を起因とした確率論的安全評価実施 基準:2015」(以下「地震 PRA 標準」という)にま とめられている。 5.3 損傷範囲 断層変位による損傷は、局部的な損傷にとどまる 場合と全体損傷に及ぶ場合があり、対象範囲と損傷 の拡がりについて十分に留意する必要がある。 局部的な損傷として、機器アンカー及び配管サポ ート等の支持機能喪失があるが、これは当該局所部 位における許容限界の超過によって評価できる。ま た、特定の部屋の機能損傷は、その床を横断するよ うな許容限界の超過により評価できる。 構造物全体の損傷は、基礎版あるいは耐震壁を横 断するような連続した許容限界の超過により評価で きる。全体損傷のイメージを図 5 に示す。 6.不確実さの取扱い 確率論に基づくリスク評価においては、評価対象 とする事象や評価プロセスに含まれる様々な不確実 さを考慮する必要がある。この不確実さをもたらす 要因は、一般に物理現象のランダム性に係る偶然的 不確実さ(aleatory uncertainty)と知識及び認識の不 足に係る認識論的不確実さ(epistemic uncertainty)に 区別されるが、地震 PRA 標準においては、地震ハザ ード評価及びフラジリティ評価に含まれるこれらの 不確実さ要因を整理し、リスク評価に考慮する方法 が提示されている。 一方、断層変位に対するリスク評価は、地震 PRA と同様に地震が起因事象となるものの、ハザード評 価の対象は地震動ではなく断層変位であり、現状は フラジリティ評価においても動的問題ではなく静的 問題として取り扱うこと等が地震 PRA とは異なっ ている。したがって、断層変位に対するフラジリテ ィ評価で考慮すべき不確実さ要因は、地震動に対す るものとは異なる観点で設定する必要がある。 特に、断層変位に対するリスク評価において、最 も大きな不確実さの一つとして断層変位の位置が挙 げられる。断層変位が施設に与える影響は、断層変 位の位置で大きく異なるため、解析規模を考慮する と図 6 に示す評価フローのように、断層変位の位置 や断層形式を選定し、選定した位置で変位が発生し た場合の条件付き損傷確率として評価することが現 実的である。 図 5 基礎版を横断する連続した損傷のイメージ 断層変位に係る 不確実さ要因変位量 δcm FEM解析 (不確実さ伝播解析) 必要回数繰返し 構造物フラジリティ評価 断層C 断層B 断層A 地盤条件 構造物条件 (変位方向×傾斜角) 任意断層諸元 ・発生位置:断層A ・変位方向:縦ずれ 機器 フラジリティ評価 シーケンス評価 炉心損傷頻度 応答評価に係る 不確実さ要因 ・傾 斜 角:90° 耐力評価に係る 不確実さ要因 δ 図 6 断層変位に対する構造物フラジリティ評価フローの例 - 117 - FEM解析モデル δ=10,20,30,40... 2点推定法・LHS (変位・回転角等) 現実的応答 (確率分布) 現実的耐力 (確率分布) 損傷確率 フラジリティ曲線 (関数近似) Pf × 変位量 Pf 関数近似 ×× ××× 変位量 許容値超 (材料特性・耐力評価式) (Vs・Fc・評価手法) 7.耐変位裕度評価 7.1 構造物の耐変位安全性評価 2.で述べたリスク評価手法「1設計上の許容限 界に対する裕度評価」及び「2終局限界に対する裕 度評価」では、崩壊(全体損傷)及び局部損傷の観 点から、4.で得られる構造物の応答と5.から得 られる構造物の許容限界を比較することで、検討用 の断層変位に対する決定論ベースの構造物の安全性 評価を行う。なお、地震時の揺れによる構造物の耐 震安全性評価は、基本的には JEAC4601 等の規格・ 基準に従うものとする。 7.2 構造物のフラジリティ評価 3確率論的リスク評価(PRA)」は、基本的には地 震 PRA 標準と同様な流れであり、詳細は地震 PRA 標準を参照されたい。断層変位に対する構造物フラ ジリティ評価フローの例を図 6 に示す。 なお、断層変位単独のフラジリティ評価を当面の 目標とし、地震時の揺れとの重畳フラジリティは、 今後の課題とする。 8.まとめ 断層変位に対する構造物の影響評価のより一層の高 度化に向けては、以下の課題を挙げることができる。 ・断層変位と地震動の重畳による構造物への影響を 合理的に精度よく評価するための手法を構築する必 要がある。 ・断層変位による被害事例のシミュレーション解析 は、構造物が剛体回転するような比較的被害が軽微 であったものを対象としており、地表地震断層によ って全体及び部分的に崩壊したような構造物を対象 としていないことから、解析コードの妥当性検証に ついては更なる取組みが望まれる。 ・断層変位が作用した場合の地盤-構造物間の非線 形な相互作用及び地盤の進行性破壊を精度よく評価 するための応答解析手法の構築及び検証事例の蓄積 が必要である。 ・断層変位や地殻変動に起因した地盤変状が作用し た場合の基礎底面の傾斜に係る損傷限界の不確実さ、 鉄筋コンクリート部材(基礎版及び地下外壁)の 面外曲げもしくはせん断耐力の不確実さに関しては、 実験による検証も含めて、部材全体及び部材局所の 損傷評価のためのデータの更なる蓄積が望まれる。 ・断層変位が作用した場合の機器アンカーや配管サ ポート等のコンクリート部の支持機能喪失に係る応 答及び耐力を合理的に精度よく評価するための手法 を構築して、検証事例を構造物及び機器・配管系で 連携して蓄積していく必要がある。 ・断層変位に対する構造物フラジリティ評価に関し ては、偶然的・認識論的不確実さに係る標準データ の整理・分析・定量化、更なる試算例の蓄積等が必 要である。 ・断層変位によって土木構造物が局所的に材料の限 界値に達していても、目標性能及び要求性能への寄 与度が低く、要求性能に対して土木構造物が機能維 持していることもあるため、保守的と考えられる現 状の限界値よりも目標性能及び要求性能への寄与度 が高い破壊モード及びそれに対する限界値を整備す ることが必要である。 なお、日本原子力学会「断層の活動性と工学的 なリスク評価」調査専門委員会の最終報告書「断 層変位に対するリスク評価と工学的な対応策」は、 日本原子力学会のホームページで公開されている。 http://www.aesj.net/sp_committee/com_dansou 参考文献 [1] E. Faccioli, I. Anastasopoulos, G. Gazetas, A. Callerio, R. Paolucc, _Fault rupture?foundation interaction selected case histories”, Bulletin of Earthquake Engineering, Vol. 6, Issue 4, 2008 年. [2] 熊谷仁志、貫井泰、今村晃、寺山武志、萩原 哲也、小島功、_RC 基礎スラブの面外せん断 終局強度に関する研究”、 日本建築学会構造 系論文集、 第 76 巻、 第 659 号、 2011 年. - 118 - 断層変位に対するリスク評価と工学的な対応策 (3)建物・構築物及び土木構造物に対する影響評価 辻 弘一,Hirokazu TSUJI,美原 義徳,Yoshinori MIHARA,松村 和雄,Kazuo MATSUMURA,谷 和夫,Kazuo TANI,蛯沢 勝三,Katsumi EBISAWA,高田 毅士,Tsuyoshi TAKADA
日本原子力学会「断層の活動性と工学的なリスク 評価」調査専門委員会の成果のうち、地盤に生じる 断層変位が直接的に作用する建物・構築物及び土木 構造物に対する一連の影響評価手法について概要を 紹介する。 2.対象構造物及び評価方針 評価対象は、建物・構築物では発電用原子炉施設 のうち安全上重要な機能を有する設備(例えばコン クリート製原子炉格納容器や使用済燃料プール)及 び安全上重要な機能を有する機器・配管系等に対す る支持構造物(例えば原子炉建屋)であり、土木構 造物では、支持構造物に加え、非常時における海水 の通水機能を求められる施設(例えば海水管ダクト) である。ここではそれらを総称して構造物という。 以下、建物・構築物を対象にした評価手法を中心 に紹介するが、基本的な考え方は土木構造物に対し ても適用できる。 安全性の評価は、常時又は運転時に作用する荷重 と検討用の断層変位、さらに必要に応じて地震時荷 重を考慮し、これら荷重に対して、安全上重要な施 設として要求される機能を保持すること、機器・配 管系に対する支持構造物として要求される機能を保 持すること、及び構造物全体としての限界状態(変 形能力、終局耐力)に対して余裕を有していること を確認することをもって行う。 具体的には、対象とする構造物と周辺地盤を適切 にモデル化した解析モデルに、断層変位やその他の 荷重を与え、構造物に生じる変位、応力・ひずみ等 を算出して、構造物が受ける損傷と有すべき性能・ 機能を考慮することにより断層変位に対する安全性 を評価する。 委員会で策定した全体評価手順に従い、リスク評価方法を決定論的な評価1及び2並びに確率論的な 評価3の 3 種類に分類した。 - 113 - 耐力評価 応答評価 耐変位裕度評価 解析手法(4章) 耐変位裕度評価(7章) 建屋耐変位安全性評価 機器耐変位安全性評価 要素の応力・ひずみ等 既往の断層変位記録 断層変位ハザード サイトにおける破砕帯等 (解析結果も含む)の分析 ※1 ※2 許容限界(5章) 全体モデル(実剛性) に基づく応力解析 OK 応答<耐力 NG ※4層レベルの変形・ひずみ等 全体損傷モード評価 全体損傷 全体損傷 ・基礎・壁・床の崩壊 しない する に対する実強度 検討用の変位量 ・建屋の安定性喪失 (転倒,滑り) ・壁・床の変形・傾き 対応策 ・建屋間の相対変形 入力条件(3章) 部分モデル(実剛性) ※4 OK 応答<耐力 NG に基づく応力解析 建屋耐変位安全性評価 ・断層の位置 局部損傷モード評価 局部損傷 局部損傷 ・断層形式 ・基礎・壁・床の局部 機器耐変位安全性評価しない する 損傷に対する実強度 ・断層変位量 ・機器の支持機能喪失 対応策 決定論的に考慮 決定論的に考慮 ※3 決定論的に考慮 ※3 安全上重要な機能を 有する施設の抽出 事故シナリオ,リスク評価 注)※1 建物・構築物の基礎下レベルでの地盤の食い違い量(建物・構築物を無視した地盤の食い違い量)が与えられる。 ※2 既往の断層変位記録もしくは断層変位ハザード評価結果等を参照し,想定を超える断層変位としての断層変位量の範囲を設定する。 ※3 確率的に適切な信頼度を考慮して,実剛性による応答値及び実耐力値を設定する。 ※4 決定論的な応答値が決定論的な耐力値を下回っている場合には当該対象は損傷していないとみなす。決定論的な応答値が決定論的な耐力値を上回っている場合には当該対象は損傷しているとみなす。 図 1 構造物(建物・構築物)に対する影響評価フロー(2終局限界に対する裕度評価) - 114 - 評価結果の反映 不確実さの取扱い(6章) 深層防護:~レベル4 1設計上の許容限界に対する裕度評価:検討用の 現実的耐力を上回る確率をフラジリティ曲線として 断層変位に対して、確立された構造強度の評価体系 評価し、これを入力として事故シナリオ及び事故シ の中で、評価対象である構造物の応答評価及び耐力 ーケンス評価を行う。 評価を行う。したがって、応答が耐力を上回る場合 このうち、建物・構築物における2終局限界に対 には、当該構造物は要求性能を満足していないため、 する裕度評価の評価フローを図 1 に示す。 必要に応じて対応策を講じ、その有効性を確認する。 2終局限界に対する裕度評価:検討用の断層変位 3.入力条件 もしくは想定を超える断層変位に対して、最新知見 構造物に対する断層変位の入力は、構造物直下に を反映した決定論的な評価体系の中で、評価対象で 断層変位が生じる場合は、断層の変位量を対象構造 ある構造物の実剛性に基づく応答評価及び実耐力に 物に作用させる。さらに、断層変位が構造物近傍で 基づく耐力評価を行う。したがって、応答が耐力を 発生した場合でも、地盤全体の傾斜や撓みにより構 上回る場合には、当該構造物は要求性能を満足して 造物に影響を与える可能性があるので、構造物近傍 いないため、その評価結果を用いた事故シナリオ及 で発生する断層変位も対象となる。いずれの場合も、 び事故シーケンス評価を行い、必要に応じて対応策 断層変位ハザードの評価において設定された変位量 を講じ、その有効性を確認する。 が、構造物がない状態での構造物直下レベルで再現 3確率論的リスク評価(PRA):断層変位ハザード できるようにしたものを用いる。 に対して、最新知見を反映した確率論的な評価体系 一般的には、モデル化した地盤の境界に、対象と の中で、評価対象である構造物の現実的応答評価及 する断層のずれの向き(変位量の向き)に一様な強 び現実的耐力評価を行う。ここでは、現実的応答が 制変位を与えることで、想定された構造物直下での 断層変位が再現されるようにする。このとき、評価 に必要な断層変位のパラメータは、1断層の位置(長 さ、走向)、2断層形式(断層の傾斜角とずれの方向)、 3変位量となる(図 2 参照)。 4.解析手法 4.1 解析モデルと解析手法 断層変位に対する構造物及び周辺地盤の解析モデ ルは解析対象物と目的によって異なり、多岐にわた る。 一例として「構造物-地盤全体モデル」を図 3 に 示す。炉心損傷頻度の評価を念頭においた構造物全 体の損傷状況及び機器・配管系への検討条件を算定 するために用いられ、建屋各部位をシェル要素又は ソリッド要素により、地盤をソリッド要素等により モデル化し、3次元非線形有限要素法による構造物 ―地盤連成解析を行う。構造物-地盤間は、ジョイ ント要素等の剥離及び滑りが考慮できる要素でモデ ル化する。断層面はジョイント要素等によりモデル 化する。ここで、ジョイント要素のパラメータ(付 着力、摩擦係数等)は、試験結果や既往知見に基づ き適切に設定する。地盤の領域は構造物の影響がな い範囲で設定する。 4.2 解析手順 常時応力(地盤応力及び建屋自重)を考慮し、自 重解析と地震時解析を実施する。地震時解析におい ては、必要に応じ地震時の断層変位に加えて、地震 時の揺れによる影響を考慮する。なお、地震時(本 震及び余震)の揺れによる影響は、断層変位発生時 N タービン建屋 制A’変位量 傾斜角 御建屋 A 原子炉建屋 ずれの方向 走向 長さ 断層の位置 断層形式と変位量 図 2 入力として断層変位を考慮する場合に必要なパラメータ 構造物モデル 図 3 構造物-地盤全体モデルの例 - 115 - 刻を考慮して、静的もしくは動的に組み合わせるも のとする。 4.3 解析結果の出力 基礎・壁・床の崩壊及び局部損傷に係る耐変位安 全性を評価するために、各節点の変位及び各要素の 発生応力もしくは発生ひずみを出力する。 あわせて、動的機器の機能損傷及び渡り配管等の 構造損傷に係る機器・配管系の耐変位安全性評価に 資するために、当該箇所での変位及び回転角を出力 し、建屋の傾斜及び建屋間の相対変位を評価する。 さらに、基礎・壁・床の局部損傷に起因する機器・ 配管系の耐変位安全性評価に資するために、前述の 当該箇所での変位及び回転角に加えて、当該箇所で の発生応力もしくは発生ひずみを出力し、評価エリ アにおける損傷状況を評価する。 解析結果の出力のうち、断層変位を受ける構造物 の変位量のイメージを図 4 に示す。 地盤モデル 断層面 4.4 解析コードの検証 4.1~4.3 に示された解析手法に適用する解析コ ードに関しては、断層変位時に支配的な損傷モード に対して、実際の被害事例や実験結果と比較を行っ て解析手法の妥当性の検証が必要である。 しかし、実際に観測された断層変位による構造物 の被害事例を対象としたシミュレーション解析を実 施した事例は極めて少ない。妥当性が検証された数 少ない事例の一つとして、1999 年トルコ・コジャエ リ地震(モーメントマグニチュード 7.4)、1999 年台 湾・集集地震(同 7.6)等の地表地震断層を対象とし た調査及び解析を行った Faccioli et al. (2008)[1]が挙 げられる。 また、地表地震断層による建屋全体の実被害事例 ではないものの、熊谷ほか(2011) [2]による断層変位に 対する支配的な損傷モードの一つである基礎版の面 外せん断破壊実験を対象としたシミュレーション解 析による解析コードの妥当性の検証例がある。 以上に示す解析手法を用いて、構造物の損傷が比 較的軽微であれば、断層変位に対する構造物の応答 評価が可能であると考えられる。 5.許容限界 5.1 損傷モード 表 1 に断層の種類と損傷モードの関係を示す。 断層変位に伴って考慮すべき構造物の損傷モード は、基礎版及び耐震壁の曲げ破壊あるいはせん断 破壊であると考えられる。地震応答に伴う建屋の 損傷モードと比較して、構造物下部における損傷 が支配的なことが特徴である。 5.2 許容限界の目安値 図 4 断層変位を受ける構造物の変位量のイメージ 表 1 断層の種類による損傷モードの関係 断層形式 建屋への作用 損傷モード 耐震壁の 床・基礎版の 損傷モード 正断層 縦ずれ変位 面内せん断破壊 面外せん断破壊 面外曲げ破壊 逆断層 縦ずれ変位 面内せん断破壊 面外せん断破壊 面外曲げ破壊 断層走向直交 方向の圧縮 面外曲げ破壊 面外せん断破壊 (地下部) -※ 横ずれ 断層 横ずれ変位 面外曲げ破壊 面外せん断破壊 (地下部) -※ ※:応力は発生するものの、損傷を与えるレベルには至らないと判断 - 116 - (1) 基礎底面の傾斜に係る許容限界 断層変位に伴う基礎底面の傾斜による影響につい ては、基本的には日本建築学会「建築基礎構造設計 指針」に記された傾斜の基準値が参考になる。しか し、同指針の解説に記載されている「建物に生じる 沈下量を目安の数値を用いて評価することはあくま でも便宜的な手法であり、原則は沈下によって建物 の構造部材に生じる応力を照査することによって評 価すべきことを忘れてはならない」に従って、IV.1. に示した解析モデルに基づいて詳細な部材応力解析 を行った上で、5.2(2)の鉄筋コンクリート部材の 許容限界の目安値を適用することで評価することが 望ましいと考えられる。 (2) 鉄筋コンクリート部材の構造的あるいは 機能維持上の許容限界 裕度評価に用いる許容限界として、柱・梁の曲げ 終局強度については日本建築学会の「鉄筋コンクリ ート構造計算規準・同解説」に、耐震壁のせん断限 界・曲げ限界については日本電気協会「原子力発電 所耐震設計技術規程(JEAC4601)」あるいは日本機 械学会「発電用原子力設備規格コンクリート製原子 炉格納容器規格(JSME S NE1-2014)」に、梁のせん 断性能については日本建築学会「原子力施設鉄筋コ ンクリート構造計算規準・同解説(RC-N)」にまと められている。 また、確率論的リスク評価(PRA)に用いる許容 限界等としては、日本原子力学会標準として「原子 力発電所の地震を起因とした確率論的安全評価実施 基準:2015」(以下「地震 PRA 標準」という)にま とめられている。 5.3 損傷範囲 断層変位による損傷は、局部的な損傷にとどまる 場合と全体損傷に及ぶ場合があり、対象範囲と損傷 の拡がりについて十分に留意する必要がある。 局部的な損傷として、機器アンカー及び配管サポ ート等の支持機能喪失があるが、これは当該局所部 位における許容限界の超過によって評価できる。ま た、特定の部屋の機能損傷は、その床を横断するよ うな許容限界の超過により評価できる。 構造物全体の損傷は、基礎版あるいは耐震壁を横 断するような連続した許容限界の超過により評価で きる。全体損傷のイメージを図 5 に示す。 6.不確実さの取扱い 確率論に基づくリスク評価においては、評価対象 とする事象や評価プロセスに含まれる様々な不確実 さを考慮する必要がある。この不確実さをもたらす 要因は、一般に物理現象のランダム性に係る偶然的 不確実さ(aleatory uncertainty)と知識及び認識の不 足に係る認識論的不確実さ(epistemic uncertainty)に 区別されるが、地震 PRA 標準においては、地震ハザ ード評価及びフラジリティ評価に含まれるこれらの 不確実さ要因を整理し、リスク評価に考慮する方法 が提示されている。 一方、断層変位に対するリスク評価は、地震 PRA と同様に地震が起因事象となるものの、ハザード評 価の対象は地震動ではなく断層変位であり、現状は フラジリティ評価においても動的問題ではなく静的 問題として取り扱うこと等が地震 PRA とは異なっ ている。したがって、断層変位に対するフラジリテ ィ評価で考慮すべき不確実さ要因は、地震動に対す るものとは異なる観点で設定する必要がある。 特に、断層変位に対するリスク評価において、最 も大きな不確実さの一つとして断層変位の位置が挙 げられる。断層変位が施設に与える影響は、断層変 位の位置で大きく異なるため、解析規模を考慮する と図 6 に示す評価フローのように、断層変位の位置 や断層形式を選定し、選定した位置で変位が発生し た場合の条件付き損傷確率として評価することが現 実的である。 図 5 基礎版を横断する連続した損傷のイメージ 断層変位に係る 不確実さ要因変位量 δcm FEM解析 (不確実さ伝播解析) 必要回数繰返し 構造物フラジリティ評価 断層C 断層B 断層A 地盤条件 構造物条件 (変位方向×傾斜角) 任意断層諸元 ・発生位置:断層A ・変位方向:縦ずれ 機器 フラジリティ評価 シーケンス評価 炉心損傷頻度 応答評価に係る 不確実さ要因 ・傾 斜 角:90° 耐力評価に係る 不確実さ要因 δ 図 6 断層変位に対する構造物フラジリティ評価フローの例 - 117 - FEM解析モデル δ=10,20,30,40... 2点推定法・LHS (変位・回転角等) 現実的応答 (確率分布) 現実的耐力 (確率分布) 損傷確率 フラジリティ曲線 (関数近似) Pf × 変位量 Pf 関数近似 ×× ××× 変位量 許容値超 (材料特性・耐力評価式) (Vs・Fc・評価手法) 7.耐変位裕度評価 7.1 構造物の耐変位安全性評価 2.で述べたリスク評価手法「1設計上の許容限 界に対する裕度評価」及び「2終局限界に対する裕 度評価」では、崩壊(全体損傷)及び局部損傷の観 点から、4.で得られる構造物の応答と5.から得 られる構造物の許容限界を比較することで、検討用 の断層変位に対する決定論ベースの構造物の安全性 評価を行う。なお、地震時の揺れによる構造物の耐 震安全性評価は、基本的には JEAC4601 等の規格・ 基準に従うものとする。 7.2 構造物のフラジリティ評価 3確率論的リスク評価(PRA)」は、基本的には地 震 PRA 標準と同様な流れであり、詳細は地震 PRA 標準を参照されたい。断層変位に対する構造物フラ ジリティ評価フローの例を図 6 に示す。 なお、断層変位単独のフラジリティ評価を当面の 目標とし、地震時の揺れとの重畳フラジリティは、 今後の課題とする。 8.まとめ 断層変位に対する構造物の影響評価のより一層の高 度化に向けては、以下の課題を挙げることができる。 ・断層変位と地震動の重畳による構造物への影響を 合理的に精度よく評価するための手法を構築する必 要がある。 ・断層変位による被害事例のシミュレーション解析 は、構造物が剛体回転するような比較的被害が軽微 であったものを対象としており、地表地震断層によ って全体及び部分的に崩壊したような構造物を対象 としていないことから、解析コードの妥当性検証に ついては更なる取組みが望まれる。 ・断層変位が作用した場合の地盤-構造物間の非線 形な相互作用及び地盤の進行性破壊を精度よく評価 するための応答解析手法の構築及び検証事例の蓄積 が必要である。 ・断層変位や地殻変動に起因した地盤変状が作用し た場合の基礎底面の傾斜に係る損傷限界の不確実さ、 鉄筋コンクリート部材(基礎版及び地下外壁)の 面外曲げもしくはせん断耐力の不確実さに関しては、 実験による検証も含めて、部材全体及び部材局所の 損傷評価のためのデータの更なる蓄積が望まれる。 ・断層変位が作用した場合の機器アンカーや配管サ ポート等のコンクリート部の支持機能喪失に係る応 答及び耐力を合理的に精度よく評価するための手法 を構築して、検証事例を構造物及び機器・配管系で 連携して蓄積していく必要がある。 ・断層変位に対する構造物フラジリティ評価に関し ては、偶然的・認識論的不確実さに係る標準データ の整理・分析・定量化、更なる試算例の蓄積等が必 要である。 ・断層変位によって土木構造物が局所的に材料の限 界値に達していても、目標性能及び要求性能への寄 与度が低く、要求性能に対して土木構造物が機能維 持していることもあるため、保守的と考えられる現 状の限界値よりも目標性能及び要求性能への寄与度 が高い破壊モード及びそれに対する限界値を整備す ることが必要である。 なお、日本原子力学会「断層の活動性と工学的 なリスク評価」調査専門委員会の最終報告書「断 層変位に対するリスク評価と工学的な対応策」は、 日本原子力学会のホームページで公開されている。 http://www.aesj.net/sp_committee/com_dansou 参考文献 [1] E. Faccioli, I. Anastasopoulos, G. Gazetas, A. Callerio, R. Paolucc, _Fault rupture?foundation interaction selected case histories”, Bulletin of Earthquake Engineering, Vol. 6, Issue 4, 2008 年. [2] 熊谷仁志、貫井泰、今村晃、寺山武志、萩原 哲也、小島功、_RC 基礎スラブの面外せん断 終局強度に関する研究”、 日本建築学会構造 系論文集、 第 76 巻、 第 659 号、 2011 年. - 118 - 断層変位に対するリスク評価と工学的な対応策 (3)建物・構築物及び土木構造物に対する影響評価 辻 弘一,Hirokazu TSUJI,美原 義徳,Yoshinori MIHARA,松村 和雄,Kazuo MATSUMURA,谷 和夫,Kazuo TANI,蛯沢 勝三,Katsumi EBISAWA,高田 毅士,Tsuyoshi TAKADA