실시간 가속도 기록에 근거하여 장주기 지진 운동 계급을 계산하다

이 기사를 열어주셔서 감사합니다.지진 인근 어드벤트 캘린더의 2022일 보도입니다.저는 일본어로 번역하기 위해 최선을 다했습니다. 이해해 주시기 바랍니다.
개시하다
동일본 대지진 이후 고층건물의 피해 상황을 표징하기 위해 새로운 규모가 필요하다는 것이 명확해졌다.확실히 진앙에서 수백㎞ 떨어진 오사카 시내(최대 진도 3)의 초고층 건물이 크게 흔들리면서 엘리베이터 정지, 닫기, 내장재 등이 파손됐다.
초고층 건물은 저주파(=긴 주기>1.6초)와 공감할 수 있는 장신 구조물이기 때문에 이런 손상은 긴 주기 지진(영어: Long-period ground motion, LPGM)에 의한 것이다.진도 등급은 1초 이하의 주기를 고려하기 때문에 장주기 지진의 특징에 적합하지 않다.이런 이유로 기상청은 장주기 지진 연구회를 열었다.
이후'기상청장 주기지진운동계급'의 4단계를 설정하기로 했다.

2019년 11월'장주기 지진 관측정보'가 본격화했다.
지진학에 관심이 있는 사람으로서 가속도 기록에서 진도 측정치를 얻는 방법은 알고 있지만 장주기 지진에 대한 정보를 어떻게 얻는지에 관심이 많다.
계산 방법이 어디에도 나타나지 않아 조사 후 파이톤으로 실시해 공유하기로 한 것으로 알고 있다.
관련 코드는 예시를 포함한 Giithub 창고에서 얻을 수 있기 때문에 스스로 확인할 수 있다.
https://github.com/fleneindre/lpgm-calculator
계산 방법
가속도 파형에서 장주기 지진 운동계급을 계산하는 것은 쉽지 않지만 원리는 이해하기 쉽다.
이 방법의 요점은 아래의 가설에 있다.키가 큰 수직 구조는 부드러운 두꺼운 연결대에 설치된 덩어리처럼 기계적으로 움직인다.

덤핑은 구조 내의 마찰을 모델로 만들 것이다.
이 동영상을 보면 더욱 명확해진다.
모든 건축물은 자신만의 독특한 자연 진동 주기를 가지고 있다.그것은 그 높이와 그 구조의 강성에 직결된다.각종 유형의 고층건물에 미치는 잠재적인 영향을 평가하기 위해 장주기 지진운동계급의 계산 방법은 1.6~7.8초의 주기로 32개의 가상진동기의 진동을 평가한다.
구체적으로 기록된 가속도 수준 성분을 가상 발진기 32개에 입력한다.이어 각 진동기가 도달하는 최대 절대 수평 속도(진동기 속도+지동 속도)를 유지한다.이를 상대 응답 속도 스펙트럼(Sva)이라고 합니다.

모든 값의 최대값(Sva Max)은 긴 주기 지진 동작 레벨을 결정하는 임계값과 비교됩니다.

이루어지다
제안의 실시는 실시간 조작을 위해 설계된 것이다.각 단계마다 새로운 가속도 견본을 입력하기 위해 귀속식을 사용해야 한다는 것이다.
제시된 코드는 주어진 가속도계의 샘플링 확률에서 자신의 Python 클래스를 초기화하는 것입니다.

lpgmCalculator = LPGMCalculator(sampleRate)

그리고 샘플 속도로 3축 가속도(np.aray(,3)의 모든 샘플을 제공해야 한다.두 개의 첫 번째 벡터 분량은 반드시 수평 분량이어야 한다.

while True:
    ...
    LPGM = lpgmCalculator.update(rawAcc)

이 업데이트 절차는 아래 절차도에 따라 진행될 것이다

필터링(HPF)
이 방법은 지반 속도를 계산해야 하기 때문에 고통 여파의 절차가 필요하다.이 절차가 없으면 포인트 절차에 편차가 생기기 때문에 속도치가 발산된다.
[2]에서 설명한 대로 20초(0.05Hz)의 HPF를 절단한 다음 가속도 레코드에 적용합니다.이러한 필터의 수치는 귀속된다.

 # Filter the acceleration components
        accHFi = self.bf[0]*self.accH + self.bf[1]*self.accH_1 + self.bf[2]*self.accH_2 \
        - self.af[1]*self.accHF - self.af[2]*self.accHF_1

상대 속도 응답 스펙트럼
선생님과 상의한 후에 나는 스바의 계산 방법을 찾아보았다.
나는 1969년의 논문을 찾았는데, 상대적 위치 스펙트럼의 귀속 계산을 묘사하였다
매트릭스 계산을 사용하여 이전 상태와 새 가속도 견본에서 발진기의 위치 이동과 속도를 계산합니다.

 # Compute current oscillator horizontal relative velocity and displacement
            self.xi[:,:,j] = np.matmul(self.A[:,:,j],self.xi[:,:,j]) + \
                np.matmul(self.B[:,:,j],np.array([self.accHF_1[0:2],self.accHF[0:2]]))

A와 B 행렬은 반드시 모든 진동기를 사전에 계산해야 한다.
절대 속도 응답 스펙트럼
Sva를 결정하려면 속도가 필요하며, 사다리꼴 포인트를 사용하여 계산한다.

 self.vel = self.vel + (self.accHF_1+self.accHF)*self.sampleTime/2;

그런 다음 적절한 수평 어셈블리에 추가합니다.현재 평가 중인 발진기의 스바 값은 수평 분량의 조합으로 만들어진 범수[4]이다.

  # Store the current oscillator absolute velocity norm
            self.Sva[j] = np.sqrt((self.xi[1,0,j]+self.vel[0])**2+(self.xi[1,1,j]+self.vel[1])**2)

모든 발진기 Sva의 최대값은 maxSva에 저장됩니다

self.maxSva.appendleft(np.max(self.Sva))

장주기 지진 운동 계급
읽기 편리하도록 장주기 지진 운동 계급은maxSva의 마지막 30초의 최대치에 의해 결정된다

   if self.maxSva30 < 5:
       self.LPGM = 0
   elif self.maxSva30 < 15:
       self.LPGM = 1
   elif self.maxSva30 < 50:
       self.LPGM = 2
   elif self.maxSva30 < 100:
       self.LPGM = 3
   else:
       self.LPGM = 4
   return self.LPGM

확인
제안 실행의 유효성을 검증하기 위해 기록된 기상청 데이터와 비교했다.
2021/02의 후쿠시마 해상지진 데이터와 비교하기로 했다.장주기 지진 운동 등급 4를 측정해 후쿠시마(福島)시 마쓰키마치(松木町) 관측지점을 선택했다.
우선 이 링크에서 사이트 가속도 파형을 다운로드했습니다.
다음에 이 링크에서 절대 속도 응답 스펙트럼 데이터를 얻었습니다.
http://www.data.jma.go.jp/svd/eqev/data/kyoshin/jishin/2102132307_fukushima-oki/index.html
페이지의 아래쪽에 데이터가 있습니다.csv 파일로 얻을 수 있습니다.
보시다시피 이것은 제시한 실시 방안과 기상청의 참고 데이터 사이에 완전히 부합된다.대성공!
http://www.data.jma.go.jp/svd/eew/data/ltpgm_explain/data/past/20210213230800/station/47595.html
결론
기사 읽어주셔서 감사합니다!기술적이지만 두려워하지 않으려고 공식을 피했다.
즐거운 주말 프로젝트입니다.이 공헌이 효과가 있었으면 좋겠어요.
사용할 때는 반드시 건물 1층에 센서를 설치해야 한다.
보너스
이것은 송목정 지진 기록 조작을 나타내는 비디오이다
간행물
[1]
[2]
[3] Nigam, Navin C. and Jennings, Paul C. (1969) Calculation of response spectra from strong-motion earthquake records. https://www.data.jma.go.jp/svd/eqev/data/study-panel/tyoshuki_kentokai/kentokai1/siryou1.pdf?_x_tr_sl=ja&_x_tr_tl=en&_x_tr_hl=fr
[4] https://www.data.jma.go.jp/svd/eqev/data/study-panel/tyoshuki_joho_kentokai/kentokai7/siryou2.pdf