JP3592086B2 - Structure stabilization system - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の背景】
本発明は、構造体、たとえば建物、橋、および印刷機のような機械を、地震外乱の影響から保護するためのシステムに関し、より特定的には、地震外乱の力の減衰を改善する、振子の、摩擦に基づくシステムに関する。
【０００２】
図１を参照して、本願の発明者による米国特許第４，８６０，５０７号（以降「′５０７特許」と呼ぶ）は、地震外乱の影響からたとえば建物といった構造体１２を保護するための安定化システム１０を開示する。安定化システム１０は、対応するベース１６から可撓性構成要素により吊り下げられる、縦の支持柱１５を用いるベース分離システム１４を含む。このシステム１４は、構造体１２のその基礎１８に関する「浮動」支持を与えることにより、地震の間に地面から構造体１２に伝達される水平方向の運動を最小にする。解放可能なインターロックシステム２０および減衰サブシステム２２を、単独で、および／またはこのベース分離システム１４と組合せて用いることができる。具体的には、解放可能なインターロックシステム２０は通常、予め定められたしきい値レベルよりも低い線形の変位に対抗して構造体１２をその基礎１８に固定する。しかしながら、このシステム２０は、地震外乱により生じるようなしきい値を上回る力に応答する自動解放メカニズムを有する。こうした力は自動的に構造体１２を解除し、ベース分離システム１４により支持されて構造体が「浮動」できるようにする。
【０００３】
他方減衰サブシステム２２は、１つ以上の対として配置される、流体圧で相互接続された流体圧ダンパ２４および２６を用いる。各対のお蔭で、構造体１２とその基礎１８との間の線形の相対変位を適切に減衰させることができる。こうしたダンパは、その配置によって、構造体がその基礎に関し垂直軸を中心として旋回する傾向を生み出すことを助けるが、また一旦こうした傾向が生まれるとその旋回を妨げる役割を果たし得ることがわかっている。
【０００４】
本願発明者による米国特許第５，１５２，１１０号（以降「′１１０特許」と呼ぶ）はさらに、流体圧の平行から垂直への力または変位の変換をもたらす、「Ｌ字形」構成の流体圧ダンパを用いた、改良された減衰サブシステムを開示する。Ｌ字形のダンパは各々、第１および第２の一体化され角度的に関連づけられたダンパ構成要素を有する。ダンパ構成要素の離れたサブチャンバはバルブで調節される導管を介して流体圧で接続され、隣接するサブチャンバは流体圧で直接接続される。バルブを調節して所望の減衰レベルを生み出すことができる。
【０００５】
′５０７および′１１０特許の開示は、各々が全体として本明細書中に直接採り入れられているかのように有効に、特に本明細書に引用により援用する。
【０００６】
本願発明者による同時係属中の出願特開平１０−７２９５０では、１対の平行の（長手方向の）列として配置されかつ地面に（たとえば杭打ちにより）固定される複数の縦の支持柱からなる支持フレーム組立体を含むベース分離システムについて述べられる。平行する列のそれぞれの縦の支持柱は対をなして間隔をあけられた関係で配置され、長手方向の支持梁は各列のそれぞれの柱を相互接続し、横断方向（または横方向）の支持梁は平行する列の対をなす柱の間に延在しかつこれらの柱を相互接続する。
【０００７】
平行で長手方向の端縁を有する支持スラブは、縦の支持柱の平行する列と、関連の長手方向に延在する支持梁との間に、これらと長手方向に平行して延在するように、間隔をおいて平行する関係で配置される。たとえば塊状鉄心スチールロッドといった長い振子アームの上端は、縦の支持柱の上部と係合し、その下端はスラブと係合して、スラブのこの縦の支持柱からの振子型懸架が与えられる。この配置は、′５０７特許により教示されるような、建物の振子型「浮動」懸架と同様である。さらに、オリフィスプラグを用いる流体圧減衰システムが、スラブを、縦支持柱が接続される、支持している基礎に相互接続する。
【０００８】
ロッドは、対応する凹状のソケット内で摩擦係合でドライベアリング表面として機能する半球状の凸状ナックルエレメントを含むナックル継手を有する。ロッドは、支持部を通して挿入されその上でナットを受入れるねじ切りされた端部を有する。ナットの調整によりロッドの長さが調節される。
【０００９】
ナックルエレメントは対応するソケット内で動くことができるため、スラブは、地震外乱中の運動の影響を受ける支持柱および関連の支持構造に対して浮動しそのためにこれらから分離される。この摩擦係合は、同時係属中の出願においては流体圧減衰システムの減衰効果を補うものとして説明されているが、これは縦支持柱に関するスラブの小さな変位の後したがってベアリングを規定する対応するソケット内でのロッドの端部またはナックルの相対的な旋回の後のことにすぎない、すなわち、このような相対的な変位または運動がベアリングにおける初期の動的摩擦を超えた後にすぎない。
【００１０】
依然として必要とされているのは、このようなシステムの実現化を単純化する一方で、システムの有効性を高めかつ応用範囲を広める、システムの改良である。たとえば、印刷機のような機械が、地震に対する保護がないまたは保護が不十分な既存の建築物内に設置され動作するような場合に、このような印刷機などの機械を保護するための構造体安定化システムを提供することが非常に望ましい。さらに、便宜上の問題としてかつ確実に単一または一体化された支持構造体を与えるために、建築物または何らかの既存のベース分離システムを大幅に修正する必要なくして、このような機械を保護することが望ましい。
【００１１】
さらに望ましいのは、地震外乱の生じた際に、ベース分離システムの特徴のために、建築物と基礎との間で本質的な相対的な旋回が生じないことである。具体的には上記のように、実際流体圧ダンパは、建築物をその基礎に関して旋回させる傾向のある力を生み出す原因となり得るため、このような流体圧ダンパに依存しない減衰システムもまた所望される。
【００１２】
流体圧ダンパに基づくシステムを排除すると、構造体を地震外乱から保護するための、あまり複雑でなく、高価でなく、整備が少なくて済みかつ信頼性のより高いシステムを得ることになるであろう。
【００１３】
さらに、橋床のような構造体を、橋脚が受ける地震外乱から切り離すための比較的簡単な装置が望ましい。効率および性能を最適にするには、このような装置は新築または既存の橋の改築の際に使用可能であり、調節により地盤沈下を補正することができ、整備が不要で、かつ橋床を旋回させる傾向があるようなねじれの力を生じさせる原因とならないことが必要とされる。
【００１４】
【発明の概要】
したがって本発明の目的は、構造体を地震外乱の影響から保護するための改良された安定化システムを提供することである。
【００１５】
本発明の他の目的は、分離されたまたは分離されていない構造体に関し構造部材の浮動支持を与える安定化システムを提供することである。
【００１６】
本発明のさらに他の目的は、先行技術によるシステムよりも複雑でなく、信頼性が高く、コストが低くかつ整備が少なくて済む構造体安定化システムを提供することである。
【００１７】
本発明のさらに他の目的は、本質的に減衰を採り入れた改良された振子型浮動支持システムを提供することである。
【００１８】
本発明のさらに他の目的は、各々がナックル継手を含んでおり流体圧ダンパを用いる必要のない、振子アイソレータのみを用いる効果的な構造減衰を提供することである。
【００１９】
本発明のさらに他の目的は、摩擦のみに依存して建築物に対する地震外乱の影響を減じる安定化システムを提供することである。
【００２０】
本発明のさらに他の目的は、単独の減衰装置として整備不要の球形の滑りスラスト軸受に依存するベース分離システムを提供することである。
【００２１】
本発明のさらに他の目的は、感度の高い機械類に対し、振子型で摩擦に基づく浮動支持を与えることにより、こうした機械類を地震外乱による損傷から保護することである。
【００２２】
本発明のさらに他の目的は、構造体を支持する複数の振子ロッドを提供することであり、このロッドはシステムの単独の減衰要素の役割をするナックルアセンブリにおいて終端をなしている。
【００２３】
本発明のさらに他の目的は、２つの対すなわち凸型の半球形のナックルエレメントおよび整合する凹型のソケットにより一体化される軸ナックル継手を各々が備える、ナックル減衰振子アイソレータに依存する構造体安定化システムを提供することである。
【００２４】
本発明のさらに他の目的は、ロッドの端部でナックル継手を用いる装置を介して地震による影響を減じることであり、このナックル継手は振子分離応用例各々に対し最適な減衰力を得るために、摩擦半径および摩擦係数に従い選択されるものである。
【００２５】
最後に本発明のさらに他の目的は、保護することが求められる構造部材の相対的な高さの位置をモニタするためのシステムを提供することにより、たとえば基礎の沈下により生じた何らかの位置ずれ状態を検出し、さらにこのようにして検出された位置ずれ状態またはその他の不安定条件の補正を可能にすることである。
【００２６】
同時係属中の特開平１０−７２９５０で述べられた装置支持スラブのベース分離システムに対する減衰力を決定する際に、ナックル継手の摩擦力の存在は、その力が克服されねばならないものであるという文脈において、たとえばプラグオリフィスサイズを増大させなければならないという点において認識されかつ考慮されたものであった。しかしながらさらにテストを行なった結果、減衰制御のためにこのようなナックル継手の摩擦力のみに依存することが実際可能であるということが初めて考察された。このようにして、本発明はナックル継手の摩擦力の強度を随意に変更し制御することによって効果的な減衰をもたらすという事実に気づいたことからなされたものである。
【００２７】
本発明の上記およびその他の目的を達成するために、地面に接続された構造体と保護が求められる構造体との間に位置決めされた振子アイソレータに基づいたナックル減衰双線形分離振子システムを含む、構造体安定化システムが提供される。このシステムは、ナックル継手ですなわち球形のナックルエレメントと対応するソケットとの界面で生じた摩擦に依存し、地震外乱による影響を減じるものである。
【００２８】
ある実施例では、本発明は、平行の（長手方向の）列の対として配置されかつ地面に（たとえば杭打ちなどにより）固定される複数の縦の支持柱からなる支持フレーム組立体を含む。平行の列の垂直支持柱それぞれは対にされ間隔を置かれた関係で配置され、長手方向の支持梁は各列のそれぞれの柱を相互接続し、横断方向（または横方向）の支持梁は平行の列の対にされた柱の間に延在しかつこれらを相互接続する。
【００２９】
支持スラブは縦の支持柱の平行の列とこれに関連づけられた長手方向に延在する支持梁との間に配置され、したがってこれらと長手方向において平行に延在する。スラブの平行の長手方向の端縁は、地震外乱が生じた際のスラブの横方向の移動または相対変位以上であるが、これを大幅に上回るものではない距離だけ柱から間隔が置かれる。
【００３０】
スラブは、好ましい実施例では塊状鉄心スチールロッドであるナックル減衰振子アイソレータを介して支持され、アイソレータの上端は縦支持柱に接続される支持梁と係合し下端はスラブと係合して、縦支持柱からのスラブの振子型懸架をもたらす。縦支持柱は、必要とされる振子の自由懸架長さ以上の距離までスラブの上方に延在する。アイソレータのロッドは、支持梁に取付けられた支持プレートを通して挿入され、関連のナックルエレメント、対応のソケットおよびその上のナットを受入れるねじ切りされた上端を有する。ナックルエレメントは半球形の構成を有し、すなわち半径がロッドの半径よりも大きく、ドライベアリング表面として機能し、対応するソケット内で摩擦係合で受入れられる。各ナックルエレメントは対応するソケット内で制限された運動を行なうことができる。関連のナットの調整により、従属するロッドの自由長さを調節し、応じてロッドにより規定されるスラブの高さを調節する。
【００３１】
各ロッドの下端は上端と同様、スラブの長手方向の端縁に沿い位置づけられた対応のソケットに受入れられる。ロッドのこの下端は同様にねじ切りされ受入れられたナットを介して調節される。
【００３２】
このシステムのために、スラブは、地震外乱による運動の影響を受ける支持柱および関連の支持構造に関し浮動することが可能であり、したがってこうした柱および構造から分離可能である。
【００３３】
対応するナックルエレメントおよびソケット各々の間の摩擦係合、およびこれらの間の相対的回転に対する対応の抵抗に意図的に依存して、支持柱および関連の支持構造に関するスラブの、応じてこれらに関するロッドの端部の、変位または運動の減衰を与える。こうしたアイソレータは好ましくは構造体安定化システムの単独の減衰源であるが、所望であれば引用した特許のベース分離システムにおいて用いられたような流体圧減衰サブシステムにより与えられる減衰制御を補助的に用いることができる。
【００３４】
他の実施例では、ナックル減衰振子アイソレータ各々は、ロッドにより反転の関係で接続される１対の支持体であり、橋脚、橋床、および梁システムの間に延在し、ロッドの端部各々は再び、ナックルエレメント／ソケットの組合せを含む。この対の第１の支持体は第１の上部プレートおよび第２の対向する下部プレートを有し、第１の上部プレートは中央開口部を含む。第１および第２のプレートは第１および第２の間隔が置かれたアームにより接続される。第２のプレートは橋脚に固く接続される。この対の第２の支持体もまた第１の上部プレートおよび第２の対向する下部プレートを有する。第２の下部プレートは中央開口部を含む。第２の支持体の第１および第２のプレートもまた第１および第２の間隔が置かれたアームにより接続される。第２の支持体の第１の上部プレートは橋床および梁システムに固く接続される。ロッドは第１および第２の支持体に形成された中央開口部を通して受入れられナットにより固定される。
【００３５】
さらなる実施例では、ナックル減衰振子アイソレータ各々は４つのロッドにより接続される２組の支持体である。複数の振子アイソレータが橋床、梁システムおよび橋脚間に延在する。第１および第３の支持体各々は、第１の上部プレートおよび第２の対向する下部プレートを含む。第１および第３の支持体の第１の上部プレート各々はその端部に形成された２つの開口部を有する。第１および第２のプレートはＴ字形のボディにより接続される。第２のプレートは橋脚に固く接続される。第２および第４の支持体もまた、第１の上部プレートおよび第２の対向する下部プレートを含み、第２の下部プレートは各々２つの間隔が置かれた開口部を含む。第２および第４の支持体のこれら第１および第２のプレートもまた、Ｔ字形のボディにより接続される。第２および第４の支持体の第１の上部プレートは橋床および梁システムに固く接続される。４つのロッドは第１および第３の支持体の第１のプレートにおいて、および第２および第４の支持体の第２の下部プレートにおいて形成された開口部を通して受入れられる。各ロッドの対向する端部各々でもまた、ソケットにより受入れられるナックルエレメントが形成され、その端部は上記のようにねじ切りされてナットを受入れる。
【００３６】
上記実施例の各々において、上記のようなレベルモニタシステムを使用できる。ナットを受入れる各ロッドのねじ切りされた端部をこのモニタの結果に基づき必要に応じて調節できる。
【００３７】
本発明のその他の目的および利点は、添付の図面と関連づけられた以下の説明より明らかになるであろう。図面では同じ参照番号は図面すべてにわたり同じまたは同様の部分を示すものとする。
【００３８】
明細書に採り入れられ明細書の一部をなす添付の図面は、発明の実施例を示すものであり、説明とともに本発明の原理の解釈に役立つものである。
【００３９】
【好ましい実施例の説明】
以降、本発明の好ましい実施例を示す図２−２２をより詳しく参照する。
【００４０】
例として高速印刷機のような高価な装置が載置されるスラブまたは橋床といった構造体の一部を地震から守るのに特に適したものとして、本発明は開示されるが、システムはより広範にわたって応用可能であり、たとえば本願発明者による上記の特許および係属中の出願で開示されるような構造体または建築物全体に対する保護のために用い得ることが認識されるであろう。さらに、この振子型システムを、′５０７および′１１０特許において述べられたベース分離、減衰および／またはインターロックシステムとともに、またはこれらのまたは類似するシステムなしで用いることが可能である。
【００４１】
図２および３はそれぞれ、本発明の好ましい実施例の振子構造体安定化システム２８に従い支持されるスラブ３２を採り入れた、建築物／支持構造体３０の端面立面図および平面図である。スラブ３２は、地震外乱から保護されるべき市販の高速印刷機などの装置３３のためのプラットフォームまたは支持体の役割を果たすことができる。一般的にこのような印刷機は細長い構造を有するため、支持スラブ３２は、これに対応して長くかつ幅が狭く、関連する地域において通常予測可能な最大の地震の条件下における運動から切り離されるように支持されるのみならず、スラブが旋回しないように支持されねばならない。
【００４２】
図２に示すとおり、分離されていない建築物３０または少なくともその支持フレーム部分は、従来の態様で横方向に間隔が設けられる平行する列として配置され、支持を受けるべき構造体の第１の方向（たとえば長手方向）に延在する従来の杭材３４および３６の上に組立てられる。基礎支持梁３８および４０は、杭材３４および３６の平行の列それぞれに沿い長手方向に延在しかつこれら杭材により支持される。横方向の支持梁４２は、間隔を置かれ並列する長手方向支持梁３８および４０の間を横断するように延在し、かつ対向する端部がこの長手方向支持梁に固く接続される。コンクリート床４４は従来の態様で長手方向および横方向支持梁３８、４０および４２の上に形成されかつこれらにより支持される。スチール強化コンクリートから形成することができる対をなす縦の支持柱４６および４８の平行に間隔が置かれた列はそれぞれ、下端部で長手方向の支持梁３８および４０で支持され、上端部で一般的にはスチールＩビームである横方向の（すなわち横断方向の）天井梁５０により相互接続される。
【００４３】
図３では、縦支持柱４６は、構造体３０の第１の長手方向の壁５２に沿い間隔が設けられた柱４６ａ、４６ｂ、４６ｃ…４６ｎという複数の柱として表わされている。縦支持柱４８も同様に、柱４６ａ、４６ｂ、４６ｃ…４６ｎそれぞれと対をなす関係で、構造体３０の第２の長手方向の壁５４に沿い間隔をあけた関係で位置決めされる複数の柱４８ａ、４８ｂ、４８ｃ…４８ｎに相当する。
【００４４】
支持スラブ３２は、ナックル減衰双線形分離システム２９を含む構造体安定化システム２８により、構造体３０内で引き上げられた位置で保持される。本実施例では、システム２９は、複数の第１の振子支持体すなわち振子アイソレータ６０および複数の第２の振子支持体すなわち振子アイソレータ６２を含み、これらの上端部はそれぞれ、以下で述べるように複数の縦支持梁４６および４８によりその間に延在する梁８４を介して支持され、これらの下端部は、支持スラブ３２の対向する長手方向の端縁それぞれに沿い間隔をあけた位置に支持される。
【００４５】
スラブ３２は、柱４６および４８ならびに壁５２および５４に対し間隔が設けられ必要に応じてスラブ３２が柱および壁から妨げられずに運動できるようにする。本明細書における例としては、最大の地震外乱の結果生じる相対的な水平の変位の２つの最大直交（すなわちＸおよびＹ成分）は１０インチに近いものであると予測されるため、スラブ３２とこれを取囲む要素（すなわち構造体３０の柱４６、４８、壁５２、５４など）との間には、スラブ３２の周囲全体にわたり１４インチ幅の隙間が設けられ、スラブ３２のこのような最大水平変位を考慮している。
【００４６】
図３の平面図で最もよくわかるように、スラブ３２は連続する引き込められた部分すなわち窪み６４ａ、６４ｂ、６４ｃ…６４ｎおよび６６ａ、６６ｂ、６６ｃ…６６ｎを含む並列する長手方向の端縁６４および６６を有する。これらの窪みは縦支持柱４６ａ、４６ｂ、４６ｃ…および４８ａ、４８ｂ、４８ｃ…に関し、壁５２および５４の内側表面とスラブ３２の長手方向の端縁６４および６６との間の間隔（１４インチ）と実質的に同じ間隔だけあけて、配置される。
【００４７】
スラブ３２は、強化コンクリートまたは同様の材料から形成され、モノリシックに一体化された強化梁を含む。一体化された支持梁は、長手方向の外側の支持梁６８および７０、長手方向の内側の支持梁７２および７４、ならびに外側および内側の長手方向の支持梁６８、７０、７２および７４の間に延在しかつこれらを一体的に相互接続する複数の横断方向の支持梁７６ａ、７６ｂ、７６ｃ…７６ｎを含む。
【００４８】
スラブ３２は、その上に位置決めされた装置３３の垂直方向の荷重に耐えるように設計されていることに加え、差分的な垂直方向の変位を最小にするためのスチフネスをかなり有するようにも設計されている。スラブ３２はまた、その上に載置された装置３３よりもはるかに大きな質量を有し、装置３３を含めたスラブ３２が動的分析のために単一の剛性のボディとして考えられるように設計されている。このように質量が大きいことはまた、装置３３の標準の動作、始動または突然の停止により生じる振動を最小にして僅かなレベルにするのに役立つ。
【００４９】
スラブ３２はさらに、以下で説明するように、関連の振子支持体すなわち振子アイソレータ６０および６２の一部であるロッドの遠方の（すなわち下側の）端部を受入れるための、たとえば６４ａ、６６ａといった窪みそれぞれに隣接する、第１の長手方向の端縁６４に沿うコーナー部分７８ａ、７８ｂ、７８ｃ…７８ｎで、かつ第２の長手方向の端縁６６に沿うコーナー部分８０ａ、８０ｂ、８０ｃ…８０ｎで強化される。
【００５０】
図２で概略的に示されかつ図４および５に示されるように、横断方向のスチールの梁８４は対応する縦支持柱４６および４８の対の間で延在し、かつ対向する端部それぞれはこの対応の縦支持柱の対に接続される。振子支持体６０および６２は、各横断方向の梁８４の対向する端部それぞれと関連の縦支持柱４６および４８との接合部または接続部に固定され（図４および図５ではこのような梁および縦支持柱４６ｂ、４８ｂのみが示される）、より具体的には、梁８４から長手方向の支持梁９０へと角度をなしてかつ対称的に延在する斜め方向の支持梁８６および８８それぞれに固定される（図４）。たとえば、例として図４に示される隣接する振子ロッド６０ｂ−１および６０ｂ−２は、関連の縦支持柱４６ｂに関し対称に間隔が置かれ並列する関係で、斜め方向の支持梁８６および８８それぞれから下向きに延在する。
【００５１】
図３に示すように、第１の振子支持体６０および第２の振子支持体６２のお蔭で、間隔が設けられたロッドの連続する対、具体的にはスラブ３２の第１の横断方向の端部５６での第１の対６０ａ、６２ａ、連続する対６０ｂ−１、６２ｂ−１、および６０ｂ−２、６２ｂ−２など、ならびにスラブ３２の対向する横断方向の端部５８での最後の対６０ｎ、６２ｎを設けることができる。振子ロッド６０ａ、６０ｂ−１、６０ｂ−２…６２ａ、６２ｂ−１、６２ｂ−２…などは同一であり、各々は４インチの直径のスチールロッドとすることができる。各ロッド６０ａ、６２ａ、６０ｂ−１などの下端は、スラブ３２における対応の強化されたコーナー７８ａ、８０ａなどによって受入れられる。
【００５２】
図５および６に示すように、ロッド６２ｂ−２は、斜めの支持梁８６で支えられる上部開口台座プレート９２と関連づけられ、ロッド６２ｂ−２のねじ切りされた上端部９４はここを通して挿入されナット９６により適所で保持される。同様に、隣接するロッド６２ｂ−１は、斜めの支持梁８８で支えられる上部開口台座プレート９３と関連づけられ、ロッド６２ｂ−１のねじ切りされた上端部９５はここを通して挿入されナット９９により適所で保持される。
【００５３】
図５のロッド６２ｂ−２の上端部９４をより詳細に示した図６に示されているように、この端部は、腕曲した座面１０４を有し半径がロッド６２ｂ−２の半径よりも大きな拡大され半球状に成形されたナックルエレメント１００を含むナックル継手８２を含む。ナックルエレメント１００はロッドでソケット１０２の中で支えられ、ソケットもまたロッドで支えられ対応する合わせ面１０６を有し、ロッド６２ｂ−２はビーム８６に旋回の態様で接続される。好ましくは合わせ面１０４および１０６は以下で説明するように、地震外乱が生じた際に支持振子ロッド６０ａ、６０ｂ−１、６２ａ、６２ｂ−１、６２ｂ−２…などに関し（応じて支持フレームおよび地面に関し）スラブ３２が線形的に運動するのを全体的に減衰するための、摩擦ダンパとして機能するように設計される。
【００５４】
ナックル継手８２は調整可能である。すなわち、（流体圧または機械）ナットを締めたときに、ねじ切りされたロッドは、滑動可能な緩い嵌めあいでナックルエレメントおよびソケットの対応の孔を通るため、ロッドはナックルエレメントおよびソケットを通して移動する。より具体的には、図５−７に示した機械ナット９６、９９および１１８を適切な距離だけ回転駆動して、スラブ３２の領域をたとえば引き上げたり引き下げたりすることができる。上記の係属中の出願のように、この調整により初期段階の組立が容易になり、また後に振子の長さを調整するのも容易になる。
図７は、図５のロッド６２ｂ−２の下端部９７のナックル継手１０８の斜視図である。下端部のナックルエレメント１１０は、上記の図６で示した上端部９４のナックルエレメント１００と構造上同一であり、単に逆になっているだけである。すなわち、ナックルエレメント１１０は、腕曲した座面１１２を有し半径がロッド６２ｂ−２の半径よりも大きな拡大した半球形状のものである。各下側のナックルエレメント１１０は対応する合わせ面１１６を有するソケット１１４に受け入れられることで、ロッド６２ｂ−２はスラブ３２に旋回の態様で接続される。合わせ面１１２および１１６により、地震外乱の際、支持振子ロッド（応じて支持フレームおよび地面）に関するスラブ３２の線形的な運動を全体的に減衰させるための摩擦ダンパとしてのナックル継手の機能全体がもたらされる。図６に示した配置と同様、ロッドの各下端部はねじ切りされ、ナックルエレメント１１０およびソケット１１４の中央の開口部を支え、かつねじ切りされたナット１１８を支える。
【００５５】
このナックル減衰振子分離システムを用いるときには、ナックル継手は振子として作用するロッドの各端部に設けられる。この事実は、一方側で振子を地面に連結し、他方側では地震外乱の力から保護すべき構造体に振子を連結する構造部材の形状または構造とは無関係である。
【００５６】
ナックルエレメント１００（１１０）／ソケット１０２（１１４）は、一般的に、たとえばペンシルバニア州のＳＫＦカンパニー オブ キング オブ プロシア（ＳＫＦ Ｃｏｍｐａｎｙ ｏｆ Ｋｉｎｇ ｏｆ Ｐｒｕｓｓｉａ）から入手可能な、半球形の滑りスラスト軸受として知られている。このような軸受は、一般的には軸受中心軸に対しある角度で傾斜がつけられ、一般的には整備不要と考えられている、滑り接触の鉄と鉄との面を有する。これは主として１方向の軸方向の荷重を支えることが意図されているが、組合わされた荷重にも対処することが可能である。
【００５７】
こうした軸受は既知であるが、本発明に従う地震の力の摩擦減衰を得るために用いられるとは考えられていない。たとえば、このような従来の軸受はテフロンコーティングされた合わせ面を有するかまたは潤滑剤をさすことが可能であるが、どれも本明細書で求めている所望の減衰効果とは逆の効果である摩擦の大幅な低減をもたらすものである。本願は逆に、合わせ面で生じ得る実質的な摩擦に依存するものである。
【００５８】
振子支持体６０および６２は、関連する地域の特徴を考慮して、適切な振子アームの長さを有するように設計されている。上記の先行技術の特許により教示されているように、振子の長さは予期される地面の優勢周期の２．５倍の固有周期以上に釣り合うものでなければならない。このことによりかつ上記の適切な減衰の追加により、多くの場合では、地震外乱により生じる水平加速はおよそ９０％減少させることができる。
【００５９】
図８（Ａ）−１０は、ナックル減衰振子分離双線形システムに関連する力を示すのに役立つものである。
【００６０】
図８（Ａ）および（Ｂ）は、ロッドの各端部での摩擦ナックル継手減衰力を示す、上記システムの概略図である。この力は以下の式により定義可能である。
【００６１】
ＤＦ（Ｌ／２）＝ｒ（μｗ） （１）
ＤＦ＝２μｒＫ （２）
Ｌ ＝ 振子の有効長さ
Ｗ ＝ 垂直荷重
ｒ ＝ ナックルエレメント半径
μ ＝ 摩擦係数
ＤＦ ＝ ナックル継手減衰力
Ｋ ＝ ばね係数（Ｗ／Ｌ）
上記の式および本明細書で用いられるその他の式は一般に、何らかの単位系に基づく係数を含まないため、いかなる単位系に対しても有効である。結果として得られる数字の単位は、用いた系に従うものである。
【００６２】
図１０では、ロッドの両端に設けられた２つのナックルエレメント間の水平の相対変位を横軸に示し、対応する水平の復元力を縦軸に示している。この図にはまた、これら２つの変数間の関係を決定する等式が示される。同図では、旋回の開始時に現われる変位および復元力の大きさ、ならびにナックルエレメント間の最大の残余の変位の大きさが示される。
【００６３】
図１０および以下の式で用いられる用語は下記のとおりである。
ｌ ＝ Ｌ−２ｒ、ナックル素子において旋回が生じる前また生じるときのロッドから屈曲部までのおよび振子の有効長さ
Ｋｂ ＝ １２Ｅｌ／ｌ ロッドのばね係数
Ｋｐ１ ＝ Ｗ／ｌ ナックルエレメントにおける旋回前またはナックルエレメントにおいて旋回が生じていないときのロッドのばね係数
Ｋｐ２ ＝ Ｗ／Ｌ ナックルエレメントにおける旋回中のロッドのばね係数
Ｈ ＝ 復元水平力
Ｕ ＝ ナックルエレメントの相対水平変位
Ｕｓ ＝ 旋回の開始時のナックルエレメントの相対変位
Ｈｓ ＝ ナックルエレメントにおける旋回開始時の復元力
Ｕｏ ＝ ナックルエレメントの最大残余変位
Ｕｓ、ＨｓおよびＵｏの値は以下のとおりである。
【００６４】
Ｕｓ ＝ ＤＦ／（Ｋｂ＋Ｋｐｌ−Ｋｐ２） （３）
Ｈｓ ＝ Ｕｓ（Ｋｐｌ−Ｋｂ） （４）
Ｕｏ ＝ ２μｒ （５）
図９は、２つのナックルエレメントを接合するロッドを示し、ナックルエレメントにおいて相対的な旋回が生じていないときの復元力に等しい水平方向の剪断力のために変形している。これは図１０の０−１の部分の力の図で表わされている。
【００６５】
地震の間は分離システムの構成要素すべては運動している。したがって、分離された構造体に接続される構成要素間の相対変位が重要となる。ナックルエレメントの旋回もこの減衰システムの発明に従えば重要であり、単なる運動ではない。
【００６６】
各振子引張り部材の両端部のナックル継手によってのみ減衰作用がもたらされる簡素化された振子アイソレータを用いたこの振子分離システムの効果を得ようとして研究が行なわれている。このような装置は、特に１秒未満の地震の優勢周期が予期されるような地域における、建築物、橋および高架道の地震分離のために有効に用いることができる。以下で説明するように、こうした振子アイソレータについては多くの配置が可能である。
【００６７】
このような研究に対し、カリフォルニア州の大部分について当てはまるような優勢周期が１秒未満の地域については典型的であると考えられる特定的な場合についてテストを行なった。周知の１９４０年のエルチェントロ（Ｅｌ Ｃｅｎｔｒｏ ）地震の影響は、一方は本明細書で説明するナックル−摩擦減衰、他方は従来の粘性（流体圧）減衰という２つのシステムの比較分析という形で、地震に関し分離された集合体について研究を行なった。両システムについては振子の長さは１５０ｃｍで同じである。構造に用いられる材料に従いナックル継手の摩擦係数を０．０５と０．１５との間で変化させることが可能であるため、μｒの値は０．５と５．０ｃｍとの間として研究を行なった。粘性減衰の場合は、臨界的減衰の値は０．０５と０．２０との間として仮定した。
【００６８】
こうした研究を通して、振子システムは粘性（流体圧）減衰とともに使用しても、ナックル−摩擦減衰のみに依存しても非常に効果的であることが判明した。この結果は図１１（Ａ）−（Ｃ）および１２（Ａ）−（Ｃ）に示され、ここでは、２つの減衰システム各々についての３つの主要な地震応答について比較を行なっている。同様に、何らかのタイプの地震ベースアイソレータに適した構造体について、この構造体が加速度記録図がわかっている地震に遇ったときにはいつでも、ピーク地面加速度（ＰＧＡ）、ピーク相対速度（ＰＲＶ）、およびピーク相対変位（ＰＲＤ）を決定することができる。
【００６９】
このような結果を得るためには、加速度記録図に加え、上記の式（１）−（５）で決定される分離システムの特徴を考慮することが必要であった。このような特徴は、図１１（Ａ）−（Ｃ）（１２（Ａ）−（Ｃ））に示される結果をもたらす、システムのエネルギ散逸の基本となるものである。
【００７０】
より具体的には、図１１および１２のグラフは、１５０ｃｍ有効長さ（Ｔ＝２．４６５）振子部材の、エルチェントロ地震（ピーク地面加速度３３０ｃｍ／ｓｅｃ２ ）のシミュレーションに対する応答を示す。図１１（Ａ）−（Ｃ）は、本明細書で述べられる球形ナックル摩擦減衰システムにおける振子部材の応答を示す。これと比較して、図１２（Ａ）−（Ｃ）は、線形的粘性（流体圧）減衰システムにおける振子部材を示す。これらの図面において、μは摩擦係数であり、ｒは半球ナックルエレメントの半径であり、ξは臨界減衰の分数である。ナックル摩擦減衰を用いると、最も重要な地震応答である、分離された集合体の絶対加速度の大幅な低減が得られる。この低減は、２．５ｃｍのμｒの値（これはたとえば０．１２５の摩擦係数および２０ｃｍのナックルエレメント半径に対応する可能性がある）に対し、およそ７６％である。（地面では３３０ｃｍ／ｓｅｃ２ から８０ｃｍ／ｓｅｃ２ である。）
このシステムの減衰の程度は、整備不要のナックル継手の構造において使用可能な種々の既知の材料の組合せによって変化する摩擦係数、およびその異なる半径を利用することによって選択可能である。この点については、既知の球形の軸方向のスラスト軸受が本発明にとっては好ましい装置である。なぜなら、角度のある力が生じないからである。サイズは、支持されるべき軸方向の荷重に対し製造者が推奨するものに従って決定される。予期される荷重は構造上の分析によって決定される。軸方向ナックル軸受製造者が定めるように整備は不要または予測されない。上記のように、減衰力は式ＤＦ＝２μｒＷ／Ｌより表わされるであろう。
【００７１】
特別のパラメータを含む応用例、特に印刷機とともに使用される上記のスラブシステムと同様の応用例における地震応答の推定が可能である。このような計算による推定は、ある瞬間「ｔ」に対する以下の力学的等式に基づくものである。
【００７２】
【数１】

Figure 0003592086
【００７３】
上記の式中、以下の要素が用いられる。
「ａ」および「ｂ」−実験上のテストの結果得られた、粘性の減衰が線形的でないときの相対速度の係数および指数。（すなわち、流体圧ダンパが用いられるときには、印刷機スラブを含む特開平１０−７２９５０で述べられるように減衰力−速度テストを行なう必要がある。このようなテストより、相対速度の係数「ａ」およびその指数「ｂ」が決定される。）
Ｆ−集合体に直接加わる摩擦減衰力（粘性のダンパに対する摩擦によりおよび／または何らかの摩擦減衰要素により発生する可能性がある。）
Ｋ−ばね係数。振子分離の特殊なケースでは、「Ｋ」は以下の値を有する。
【００７４】
１）−ケーブルを使用するとき
Ｋ＝Ｋｏ ＝Ｗ／Ｌ （７）
２）−２つの固定された端部を備える可撓性ロッドが用いられるとき
Ｋ＝Ｋｂ ＋Ｋｏ （８）
３）−ロッドの対向する端部各々にナックル継手を設けたロッドを使用するとき、Ｋについて２つの値がある。
【００７５】
＊ナックルエレメントの旋回前（またはナックルエレメントの旋回が生じないとき）
Ｋ＝Ｋｂ ＋Ｋｐ１ （９）
＊ナックルエレメントの旋回中
Ｋ＝Ｋｐ２ （１０）
ばね係数Ｋｂ は、旋回が生じる前の、ロッドの両端部間の力と変位の比率に対応する。その値１２Ｅ１／ｌについては上記で示したとおりである。振子についてその長さに関する変位が小さい場合のばね係数の値は、これが支持する重量（Ｗ）を振子の長さ（Ｌ）で除算したものに等しい。
【００７６】
旋回前（ｌ）と旋回後（Ｌ）とで振子の長さは２つの異なる値をとるため、上記においてはばね係数としてそれぞれ「Ｋｐ１」および「Ｋｐ２」が指定されている。Ｋｏは、集合体をワイヤロープが支持している場合のように、振子の長さが変化しないときの振子のばね係数である。
【００７７】
簡単なケースについては、以下に示した簡約化した等式を用いて解くことができる。たとえば、ナックル継手における摩擦により生じる力が減衰力のみであるようなときは以下のとおりである。
【００７８】
【数２】
Figure 0003592086
【００７９】
この等式は図８（Ａ）から９で示した成分と同様の成分を有する双線形分離システムの場合に当てはまり、このシステムは、エルチェントロ地震の南北の成分の作用を受けるものであった。このテストは、０．５ｃｍから５ｃｍへと０．５ｃｍの増分で変化するμｒの値についての、分離された集合体の絶対加速度、相対速度および相対変位を得ることをめざしたものである。この例では、ｍ、Ｋｂ 、Ｋｐ１、Ｋｐ２およびＨｓは、以下のデータから計算された。
【００８０】
Ｗ＝６０，０００ｋｇ
Ｌ＝１５０ｃｍ
ｌ＝１１０ｃｍ
Ｄ＝７．５ｃｍ（ロッド直径）
ナックル減衰システムのみを用いた場合の結果は図１１（Ａ）−（Ｃ）に示される。
【００８１】
線形粘性減衰のみを考慮にいれた通常の場合について対応する等式は以下のとおりである。
【００８２】
【数３】
Figure 0003592086
【００８３】
この式は、双方の減衰システムの性能を比較するために、同じ上記の振子アイソレータシステムに適用された。結果は図１１（Ａ）から１２（Ｃ）に示される。
【００８４】
摩擦減衰力が発生するとき、またはこれが直接集合体に与えられるときのような特殊なケースについては以下のとおりである。
【００８５】
【数４】
Figure 0003592086
【００８６】
ナックル摩擦減衰力を利用するときには、流体圧ダンパは排除できる。上記のように、流体圧ダンパは旋回力を減衰するのに役立つが、流体圧ダンパの使用が旋回力の発生に寄与することを示唆する証拠がある。すなわち、このような傾向が生じるときには常に、その原因は減衰システムにより生じる不平衡な力である。したがって、流体圧ダンパを排除すれば、旋回力およびこれに対抗する必要性も排除できる。このコンセプトについては以下のように研究された。要約すると、ナックル摩擦減衰のみを利用することにより、減衰力は常に垂直の荷重に比例するものとなり、構造体の重心は作用力と同じになる。したがって、旋回（ねじれモーメント）は決して発生せず、これを補償する必要もない。
【００８７】
より具体的には、図１３は、重心Ｏに集中すると仮定される総重量Ｗを有し、反力ｒνが生じるいくつかの支持体を備える不規則形状の建築物を表わす集合体を示す。吊り下げられた支持体のばね定数は、垂直の荷重および振子部材の長さに依存することが証明されている。小さな変位については以下のとおりである。
【００８８】
ｋ＝ｒν／Ｌ （１４）
ｒν ＝ 所与の支持体の垂直反力
Ｌ ＝ 振子部材の長さ
ＤＦ ＝ システム全体の減衰力
ｄｆ ＝ 所与の支持体の減衰力
μ ＝ ナックル継手すべての摩擦係数
ｒ ＝ ナックルエレメントの半径
Ｋ ＝ Ｗ／Ｌ＝集合体全体のばね定数
ｋ ＝ ｒν／Ｌ＝集合体全体のばね定数
ＤＦ ＝ ２μｒｋ＝μｒＷ／Ｌ
ｄｆ ＝ ２μｒｋ＝２μｒ（ｒν／Ｌ）
ある方向の並進運動が生じるときは常に、すべての振子部材が同じ長さを有すると仮定すれば、すべての支持体における変位は同一であり、各支持体において同じ支持体における垂直反力ｒνに正比例する大きさの復元力が現われるであろう。同時に、垂直荷重ｒνに比例する減衰力も発生するであろう。したがって、水平方向の力はすべて垂直反力に比例するため、その結果は必然的に、垂直の力の結果として生じる同じ垂直面にあることにある。したがって旋回（動的ねじりモーメント）は存在しないと推測できる。
【００８９】
上記同時係属中の出願のように、本発明もまた、支持柱が載置される基礎の差動的沈降により生じる可能性がある差動的な垂直変位を検出するために、ロッドの下の末端部が接続される懸架されたスラブ３２の端縁部に沿う位置各々でのスラブ３２のレベルをモニタできる。記載された態様で、検出された高さの差はナットを回転させて関連する振子のロッドの相対的な高さを調整することにより補正される。
【００９０】
この点に関し、図１４は、スラブ３２での振子支持体接続位置各々での差動的な高さの変動をモニタするレベルモニタシステム１４８の概略図を示す。具体的には、センサ１５０−１、１５０−２…１５０−ｎが、システム２８の縦支持柱４６および４８にスラブ３２が接続する、隣接する対応の位置にある適切な検知場所にそれぞれ載置される。導管１５２は、支持スラブ３２の周囲に延在し、連続するセンサステーション１５０−１、１５０−２…１５０−ｎすべてを効果的に接続する。
【００９１】
ナックル減衰振子分離システム２９の第２および第３の実施例について次に説明する。これらの実施例は、各々が１つ以上のロッドを利用する複数の振子アイソレータを含む。アイソレータは、橋床を橋脚から分離させることによって橋脚が受ける地震外乱を減衰させ、橋床をこれに関する損傷から保護することに応用される。
【００９２】
図１５は、本発明に従う第２の実施例の側面図であり、単一のロッドナックル減衰地震振子アイソレータ１６０を含む。このアイソレータ１６０は、全体的には同一であるが互いに逆方向に向けられた第１および第２の支持体１６２および１６４を含む。図１６はその平面図であり、図１７はその斜視図である。
【００９３】
第１の支持体１６２は、第１の上部プレート１６６および第２の対向する下部プレート１６８を含む。各プレート１６６および１６８は矩形であり、第１のプレート１６６は第２のプレート１６８よりも小さい。第１の上部プレート１６６はまた、以下で述べるようにロッド１９４を受入れるための中央開口部１７０を含む。第１および第２のプレート１６６および１６８は、第１のプレート１６６から第２のプレート１６８へと外向きに分岐し、パイプの形状をとることが可能な第１および第２の間隔が置かれたアーム１７２および１７４により接続される。
【００９４】
第２の下部プレート１６８は、この好ましい実施例では橋脚１７８である基礎に取付けられる部材に複数のアンカー１７６を介して固く接続される。
【００９５】
第２の支持体１６４もまた、第１の上部矩形プレート１８０および第２の対向するそれよりも小さな下部矩形プレート１８２を含む。第２の下部プレート１８２は以下で述べるように同じロッド１９４を受入れるための中央開口部１８４を含む。この第２の支持体１６４の第１および第２のプレート１８０および１８２は同様に第２のプレート１８２から第１のプレート１８０に向かい外側に分岐する第１および第２の間隔が置かれたアームまたはパイプ１８６および１８８により接続される。第２の支持体１６４の第１の上部プレート１８０は、ここではひとつの梁１９３として図示される梁システムを含む橋梁または橋床１９２に、複数のアンカー１９０を介して固く接続される。
【００９６】
第１および第２の支持体１６２および１６４の間には、第１の支持体１６２の第１のプレート１６６、および第２の支持体１６４の第２のプレート１８２に形成された中央開口部１７０および１８４を通して受入れられる振子引張り部材またはロッド１９４が延在する。ロッド１９４の対向する端部１９６および１９８各々の近傍には、ソケット２０４および２０６それぞれに受入れられるナックルエレメント２００および２０２を各々が含む、整備不要の半球形スラスト軸受すなわちナックル継手１９７および１９９が形成される。さらに、各端部１９６および１９８はねじ切りされてナット２０８および２１０を支える。上記の部材各々は好ましくは鉄からなるものである。ナックル継手１９７および１９９の重心は２１２で示される。
【００９７】
本発明の実施例に対しいくつかの寸法が以下に記載されているが、これらの寸法は、橋の大きさおよび重量、橋が位置する地域で予測される地震活動などにより異なる可能性があるため、単なる例示である。
【００９８】
第１の支持体１６２の第２のプレート１６８および第２の支持体１６４の第１のプレート１８０の長さは約１．３７ｍである。これらのプレート１６８および１８０の幅は約０．６６ｍであり、厚みは約０．０３ｍである。第２の支持体１６４の第１のプレート１８２および第１の支持体１６２の第２のプレート１６６の長さは約０．８ｍであり、その幅は約０．３５ｍである。これらのプレートの厚みは約０．０３ｍである。各アーム１７２、１７４、１８６、および１８８の高さは約１．３ｍである。振子の有効長さ「Ｌ」は約１．５ｍである。第１および第２の支持体１６２および１６４がその高さに沿って重なり合うようにすることにより、かつこれらが振子引張り部材すなわちロッド１９４を共有するようにすることにより、装置の全体の高さをかなり小さくし建設を容易にできることがわかる。
【００９９】
図１８は、上記の本願の第２の実施例に従う複数の間隔が置かれた単一ロッド振子アイソレータ１６０を採り入れた橋２１４の斜視図である。振子アイソレータ１６０は橋梁２１６と橋脚１７８との間に位置決めされていることがわかる。
【０１００】
浮動スラブに関する上記の第１の実施例と同様、この第２の実施例もまた所望であれば上記のような図１４に示したものと同様のレベルモニタシステムを採用することができる。しかしながら、橋および高架道の場合、例としてカリフォルニア州北部の大部分におけるように、地震が起こった際に地面の優勢周期が１秒未満と予測されるようなときは常に、ナックル減衰振子分離システム２９が適切であろう。こうした短い優勢周期は通常、重大な沈下が予測されないような固い地盤で現われる。したがって、永久レベルモニタシステムは通常必要でない。設置および使用中に、レベルモニタシステムをナットを備えねじ切りされたロッドとともに用いて橋床のレベルを調整できる。２つのナックルで固定されるロッドの長さの調整が必要であれば、ロッドの一方の端部のみで行なうことができるであろう。
【０１０１】
図１９は、本発明に従うナックル減衰振子分離システム２９の第３の実施例の側面図であり、図２０は、その平面図であり、簡潔化のために橋床は削除されている。図２１は、図１９および２０に示された振子アイソレータの斜視図である。これらの図面が示しているように、第３の実施例は４ロッドナックル減衰振子アイソレータ２２０を含む。このアイソレータ２２０は、全体的には同一であるが対にされたものが互いに逆方向に向けられた第１から第４の支持体２２１、２２２、２２３および２２４を含む。具体的には、第１および第３の支持体２２１および２２３はアイソレータ２２０の上部分で位置決めされ、逆向きの第２および第４の支持体２２２および２２４に接続される。
【０１０２】
第１および第３の支持体２２１および２２３各々は、第１の上部プレート２２６および２２８ならびに第２の対向する下部プレート２３０および２３２を含む。プレート２３０および２３２各々は矩形であり、第１のプレート２２６および２２８は第２のプレート２３０および２３２よりも大きい。以下で述べるように、第１の上部プレート２２６および２２８でもまた、ロッド２８０、２８２、２８４および２８６を受入れるための２つの開口部２３４および２３６ならびに２３８および２４０がそれぞれその端部に形成される。第１および第３の支持体２２１および２２３の第１および第２のプレート２２６および２２８ならびに２３０および２３２は丈夫なＴ字形のボディ２４２および２４４により接続される。第２のプレート２３０および２３２各々は複数のアンカー２４６および２４８を介してこの実施例では橋脚２５０である基礎に取付けられた部材に接続される。第１および第３の支持体２２１および２２３の第１のプレート２２６および２２８は以下で述べるように、基礎すなわち橋床の梁に取付けられた部材に固定されないが、第２および第４の支持体２２２および２２４に取付けられる。
【０１０３】
第２および第４の支持体２２２および２２４もまた、第１の上部矩形プレート２５２および２５４ならびに第２のより大きな対向する下部矩形プレート２５６および２５８を含む。第２の下部プレート２５６および２５８は各々、以下で述べるように同じロッド２８０、２８２、２８４および２８６を受入れるための、各端部それぞれに１つずつ設けられた、２つの間隔があけられた開口部２６０および２６２ならびに２６４および２６６を含む。これら第１および第２のプレート２５２、２５４、２５６および２５８は同様に、Ｔ字形のボディ２６８および２７０により接続されるが、図１９に示された第１および第３の支持体２２１および２２３の「Ｔ」に対しては逆である。第２および第４の支持体２２２および２２４の第１の上部プレート２５２および２５４は、梁システムを含む橋床２７６に、複数のアンカー２７２および２７４を介して固く接続されるが、ここでは梁システムとして１つのビーム２７８が示されている。
【０１０４】
第１および第３の支持体２２１および２２３ならびに第２および第４の支持体２２２および２２４の端縁部の間には、第１および第３の支持体２２１および２２３の第１のプレート２２６および２２８、ならびに第２および第４の支持体２２２および２２４の第２の下部プレート２５６および２５８に形成された開口部２６０−２６６を通して受入れられる、４つのスチールロッド振子引張り部材２８０、２８２、２８４および２８６が延在する。各ロッド２８０−２８６の対向する端部各々に、上記で述べたように、各々が、ナックルエレメント２８８ａ、２８９ａ、２９０ａ、２９１ａ、２９２ａ、２９３ａ、２９４ａ、２９５ａおよび対応するソケット２８８ｂ、２８９ｂ、２９０ｂ、２９１ｂ、２９２ｂ、２９３ｂ、２９４ｂ、２９５ｂを含む、整備不要の半球スラスト軸受すなわちナックル継手２８１ａ、２８１ｂ、２８３ａ、２８３ｂ、２８５ａ、２８５ｂ、２８７ａおよび２８７ｂが形成される。さらに、各々のロッドの端部もまたねじ切りされナット２９６ａ、２９６ｂ、２９８ａ、２９８ｂ、３００ａ、３００ｂ、３０２ａおよび３０２ｂを支える。好ましくは上記部材各々は鉄から形成される。
【０１０５】
橋床梁２７８の幅は約０．６ｍである。橋脚２５０の幅（図１９に示す）は約０．０８ｍである。第１および第３の支持体２２１および２２３の第１の上部プレート２２６および２２８の長さ、ならびに第２および第４の支持体２２２および２２４の第２のプレート２５６および２５８の長さは約１．８ｍである。第１から第４の支持体の高さは各々約１．１ｍである。「振子有効長さ」すなわち「Ｌ」もまた約１．５ｍである。第１および第３の支持体２２１および２２３をその高さに沿って第２および第４の支持体２２２および２２４と重ね合わせることにより、かつこれらがロッド２８０、２８２、２８４および２８６という共通の振子引張り部材を有するようにすることによって、振子有効長さＬをかなり小さくし建設を容易にすることができることがわかる。
【０１０６】
図２２は、本発明の第３の実施例に従う、複数の間隔を設けられた４ロッドアイソレータ２２０を採り入れた橋３０４の斜視図である。振子アイソレータを床３０５と各橋脚２５０との間に位置決めできることがわかる。各々のアイソレータ２２０は同一である。
【０１０７】
上記の第１および第２の実施例と同様、この第３の実施例でも所望であればレベルモニタシステムを利用することが可能であるが、通常はこれは不要であろう。橋床２７６は必要に応じてナットを調整することによって水平にできる。
【０１０８】
上記第２および第３の実施例のようにこの振子アイソレータシステムを橋または高架道において利用することにより、以下の利点が得られる。
【０１０９】
１．すべてのアイソレータについて振子の長さ「Ｌ」が同一であるため、システムの減衰力および復元力は垂直の荷重Ｗに比例し、したがって、橋床の旋回は生じない。
【０１１０】
２．橋床の加速は地面の加速の７０％から９０％低減可能である。
３．水平の残余の変位が非常に小さい。これは最大値が式Ｕｏ＝±２μｒにより得られるランダムな数であろう。
【０１１１】
４．振子アイソレータに対し適切な配置を選択することにより、このシステムを新築の際に、および既存の橋または高架道の改築の際にうまく用いることができる。高速道の通行を妨げることなく改築が可能である。上記のスラブの実施例で述べたように、振子アイソレータに対し流体圧ジャッキを用い次に機械ナットを調節することにより徐々に荷重を行なうことができる。
【０１１２】
５．長い橋では伸縮継手の間隔が非常に大きくなる可能性があるが、橋の新築の多くの場合において伸縮継手を完全に排除することができる。
【０１１３】
６．振子アイソレータは工場で容易に製造可能であり、その後橋の建築現場で設置できる。
【０１１４】
最後に、関連の特許について先に述べたインターロックシステムを、特に風によって生じる水平方向の力がナックルの摩擦力よりも大きいと予測されるようなときには、ここで説明した本発明を高層の建築物に応用する際に、用いることができる。特殊な状況ではまた、これらの特許において述べられたような流体圧減衰システムを用いることも望ましいであろう。
【０１１５】
これらのシステムの変形を効果的に同様の応用例および多種の建築物、橋および他の構造体に対して実現することができるであろう。したがって、当業者にとっては、本発明のシステムから多数の変形例および適用例が生まれることは明らかであり、したがって、前掲の特許請求の範囲では、本発明の真の精神および範囲内のこのような変形例および適用例すべてを包含することが意図される。
【図面の簡単な説明】
【図１】上記特許に従う構造体安定化システムを採り入れた構造体および関連の支持基礎の概略的な端面立面の断面図である。
【図２】荷重を支えるスラブ、およびスラブのための振子型減衰システムを採り入れた、本発明の第１の実施例に従う、建築物（支持フレーム）構造体の概略的な端面立面の断面図である。
【図３】図２の線３−３に沿う、支持フレーム構造体およびスラブの概略的な平面図であり一部は断面を示す。
【図４】第１の実施例に従う、縦支持柱の上部分、ならびに振子ロッドの上端部を支持する関連の横方向および斜め方向の梁の部分図である。
【図５】図４に示すものと同様の、構造体の上部分の拡大部分図である。
【図６】本発明に従う、振子ロッドの上端部におけるナックルエレメント／ソケットの組合せの側面断面図である。
【図７】スラブの対応する端縁部分における、振子ロッドの下端部のナックルエレメント／ソケットの組合せの斜視図である。
【図８】（Ａ）はナックル減衰力の説明に役立つ、対応するソケットそれぞれに係合する対向する端部のナックルエレメントを備えるロッドの概略図であり、（Ｂ）はこれもナックル減衰力を説明するのに役立つ概略図である。
【図９】ロッドの対向する端部のナックルエレメントの相対変位の概略図である。
【図１０】ナックルエレメントの相対変位後に加えられることが可能な復元力を示す図である。
【図１１】（Ａ）−（Ｃ）はナックル減衰を用いる際の、分離システムについてのピーク絶対加速度、相対速度および相対変位それぞれを示すグラフの図である。
【図１２】（Ａ）−（Ｃ）は、粘性（流体圧）減衰を使用する際の、図１１（Ａ）−（Ｃ）に示されるのと同じピーク応答を示すグラフの図である。
【図１３】本発明に従うナックル減衰システムを備えた不規則な形状の建築物に対しねじりモーメントがない場合を示す図である。
【図１４】本発明とともに使用されるレベルモニタシステムの概略図である。
【図１５】単一ロッドナックル減衰橋地震アイソレータを含む、本発明に従う第２の実施例の側面図である。
【図１６】図１５に示した単一ロッドナックル減衰橋地震アイソレータの平面図である。
【図１７】図１５および１６に示したアイソレータの斜視図である。
【図１８】本発明の第２の実施例に従う間隔が設けられた単一ロッドアイソレータを複数採り入れた橋の斜視図である。
【図１９】４ロッドナックル減衰橋地震アイソレータを含む、本発明に従う第３の実施例の側面図である。
【図２０】図１９に示した４ロッドナックル減衰橋地震アイソレータの平面図である。
【図２１】図１９および２０に示したアイソレータの斜視図である。
【図２２】本発明の第３の実施例に従う複数の間隔が設けられた４ロッドアイソレータを採り入れた橋の斜視図である。
【符号の説明】
２８ 振子構造体安定化システム
２９ ナックル減衰双線形分離システム
３２ スラブ
４６ 支持柱
５２ 壁
６０ 振子支持アイソレータ
８４ 梁[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a system for protecting structures, for example machines such as buildings, bridges, and printing presses, from the effects of seismic disturbances, and more particularly to a pendulum that improves the damping of seismic disturbance forces. A friction-based system.
[0002]
Referring to FIG. 1, U.S. Pat. No. 4,860,507 (hereinafter "the '507 patent") by the inventor of the present application discloses a stabilizing device for protecting a structure 12, such as a building, from the effects of seismic disturbances. DETAILED DESCRIPTION An optimization system 10 is disclosed. The stabilization system 10 includes a base separation system 14 that employs vertical support posts 15 suspended by a flexible component from a corresponding base 16. This system 14 minimizes the horizontal movement transmitted from the ground to the structure 12 during an earthquake by providing "floating" support of the structure 12 with respect to its foundation 18. The releasable interlock system 20 and damping subsystem 22 can be used alone and / or in combination with the base separation system 14. In particular, the releasable interlock system 20 typically secures the structure 12 to its foundation 18 against linear displacement below a predetermined threshold level. However, the system 20 has an automatic release mechanism that responds to forces above a threshold, such as those caused by seismic disturbances. These forces automatically release structure 12 and are supported by base separation system 14 to allow the structure to “float”.
[0003]
On the other hand, damping subsystem 22 employs hydraulically interconnected hydraulic dampers 24 and 26 arranged in one or more pairs. Thanks to each pair, the linear relative displacement between the structure 12 and its foundation 18 can be damped appropriately. It has been found that such a damper, depending on its placement, helps the structure to create a tendency to pivot about a vertical axis with respect to its foundation, but can also play a role in preventing such a rotation once such a tendency arises.
[0004]
U.S. Pat. No. 5,152,110 (hereinafter referred to as the "'110 patent") by the inventor further provides a fluid pressure in an "L-shaped" configuration that provides a parallel to vertical force or displacement conversion of fluid pressure. An improved damping subsystem using a damper is disclosed. The L-shaped dampers each have first and second integrated, angularly related damper components. The remote sub-chambers of the damper component are hydraulically connected via valved conduits and the adjacent sub-chambers are directly hydraulically connected. The valve can be adjusted to produce the desired level of attenuation.
[0005]
The disclosures of the '507 and' 110 patents are each hereby incorporated by reference herein in their entirety, as if each were incorporated directly herein as a whole.
[0006]
In co-pending application JP 10-72950 by the inventor of the present application, the invention comprises a plurality of vertical support columns arranged as a pair of parallel (longitudinal) rows and secured to the ground (e.g., by stakeout). A base separation system including a support frame assembly is described. Each vertical support column in a parallel row is arranged in a paired spaced relationship, with longitudinal support beams interconnecting the respective columns in each row, and in a transverse (or lateral) direction. The support beams extend between and interconnect the parallel columns of the columns.
[0007]
A support slab having parallel, longitudinal edges is to extend between and parallel to the longitudinal rows of longitudinal support columns and the associated longitudinally extending support beams. Are arranged in a parallel relationship at intervals. The upper end of a long pendulum arm, for example a massive iron core steel rod, engages the upper part of a vertical support column, the lower end of which engages the slab, providing a pendulum-type suspension of the slab from this vertical support column. This arrangement is similar to the pendulum type "floating" suspension of a building as taught by the '507 patent. In addition, a fluid pressure damping system using orifice plugs interconnects the slab to the supporting foundation to which the vertical support columns are connected.
[0008]
The rod has a knuckle joint that includes a hemispherical convex knuckle element that functions as a dry bearing surface in frictional engagement within a corresponding concave socket. The rod has a threaded end inserted through the support to receive the nut thereon. The length of the rod is adjusted by adjusting the nut.
[0009]
Since the knuckle elements can move in the corresponding sockets, the slab floats against and is separated from the support columns and associated support structures affected by the motion during the seismic disturbance. This frictional engagement has been described in a co-pending application as compensating for the damping effect of the hydraulic damping system, but this is only after a small displacement of the slab with respect to the longitudinal support column and thus the corresponding socket defining the bearing. Only after the relative pivoting of the rod end or knuckle within, i.e., only after such relative displacement or movement exceeds the initial dynamic friction in the bearing.
[0010]
What is still needed is an improvement in the system that simplifies the realization of such a system while increasing the effectiveness of the system and widening its application. Structures to protect machines such as printing presses, for example, when such machines are installed and operated in existing buildings that have no or poor protection against earthquakes It would be highly desirable to provide a body stabilization system. Further, protecting such machines without the need to significantly modify the building or any existing base separation system to provide a single or integrated support structure as a matter of convenience and assurance. Is desirable.
[0011]
Even more desirable is that, in the event of an earthquake disturbance, there is no inherent relative turning between the building and the foundation due to the features of the base separation system. In particular, as noted above, damping systems that do not rely on such hydraulic dampers are also desirable, as in fact hydraulic dampers can cause forces that tend to cause the building to pivot about its foundation. .
[0012]
Eliminating systems based on hydraulic dampers would result in a less complex, less expensive, less serviceable and more reliable system for protecting structures from seismic disturbances .
[0013]
In addition, a relatively simple device for isolating structures such as bridge decks from seismic disturbances experienced by piers is desirable. For optimum efficiency and performance, such devices can be used when rebuilding new or existing bridges, adjusting to compensate for land subsidence, eliminating the need for maintenance and reducing bridge decking. It is required that they do not cause torsional forces that tend to pivot.
[0014]
Summary of the Invention
It is therefore an object of the present invention to provide an improved stabilization system for protecting a structure from the effects of seismic disturbances.
[0015]
It is another object of the present invention to provide a stabilization system that provides floating support for structural members with respect to separated or non-separated structures.
[0016]
It is yet another object of the present invention to provide a structure stabilization system that is less complex, more reliable, less costly, and requires less maintenance than prior art systems.
[0017]
It is yet another object of the present invention to provide an improved pendulum floating support system that inherently incorporates damping.
[0018]
It is yet another object of the present invention to provide effective structural damping using only pendulum isolators, each including a knuckle joint and not requiring the use of a hydraulic damper.
[0019]
It is yet another object of the present invention to provide a stabilizing system that reduces the effects of seismic disturbances on buildings relying solely on friction.
[0020]
It is yet another object of the present invention to provide a base separation system that relies on a maintenance free spherical sliding thrust bearing as a stand-alone damping device.
[0021]
Yet another object of the present invention is to protect sensitive machinery from damage by seismic disturbances by providing a pendulum-type, friction-based floating support for sensitive machinery.
[0022]
It is yet another object of the present invention to provide a plurality of pendulum rods for supporting a structure, the rods terminating in a knuckle assembly serving as a sole damping element of the system.
[0023]
Still another object of the present invention is to provide a structure stabilization that relies on a knuckle damped pendulum isolator, each comprising an axial knuckle joint integrated by two pairs, a convex hemispherical knuckle element and a matching concave socket. It is to provide an optimization system.
[0024]
Yet another object of the present invention is to reduce the effects of earthquakes through a device that uses a knuckle joint at the end of the rod, which knuckle joint is used to obtain optimal damping force for each pendulum separation application. , The friction radius and the coefficient of friction.
[0025]
Finally, it is a further object of the present invention to provide a system for monitoring the relative height position of structural components that need to be protected, such as any misalignment conditions caused by foundation subsidence. And to enable correction of the thus detected misalignment state or other unstable conditions.
[0026]
In determining the damping force of the device support slab against the base separation system described in co-pending Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-72950, the context that the presence of the frictional force of the knuckle joint is such a force must be overcome Has been recognized and considered, for example, in that the plug orifice size must be increased. However, further testing has shown for the first time that it is indeed possible to rely solely on the frictional force of such a knuckle joint for damping control. Thus, the present invention has been made in light of the fact that the present invention provides effective damping by arbitrarily changing and controlling the intensity of the frictional force of a knuckle joint.
[0027]
To achieve the above and other objects of the present invention, there is provided a knuckle damping bilinear separated pendulum system based on a pendulum isolator positioned between a structure connected to the ground and a structure requiring protection. A structure stabilization system is provided. This system relies on friction generated at the knuckle joint, ie, at the interface between the spherical knuckle element and the corresponding socket, to reduce the effects of seismic disturbances.
[0028]
In one embodiment, the invention includes a support frame assembly comprising a plurality of vertical support posts arranged as pairs of parallel (longitudinal) rows and secured to the ground (e.g., by stakeout or the like). Each vertical support column in a parallel row is arranged in a paired and spaced relationship, with longitudinal support beams interconnecting the respective columns of each row, and transverse (or lateral) support beams It extends between and interconnects the paired columns of parallel rows.
[0029]
The support slabs are arranged between parallel rows of vertical support columns and the longitudinally extending support beams associated therewith, and thus extend longitudinally parallel thereto. The parallel longitudinal edges of the slab are spaced from the column by a distance that is greater than, but not significantly greater than, the lateral movement or relative displacement of the slab during an earthquake disturbance.
[0030]
The slab is supported via a knuckle damped pendulum isolator, which in the preferred embodiment is a massive iron core steel rod, the upper end of which engages a support beam connected to the vertical support post and the lower end engages the slab, thereby providing a vertical This results in a pendulum-type suspension of the slab from the support post. The vertical support post extends above the slab to a distance greater than or equal to the required free suspension length of the pendulum. The isolator rod is inserted through a support plate attached to the support beam and has a threaded upper end that receives an associated knuckle element, a corresponding socket, and a nut thereon. The knuckle element has a hemispherical configuration, i.e., the radius is greater than the radius of the rod, acts as a dry bearing surface and is received in a corresponding socket in frictional engagement. Each knuckle element is capable of performing a limited movement in the corresponding socket. Adjustment of the associated nut adjusts the free length of the subordinate rod and accordingly the height of the slab defined by the rod.
[0031]
The lower end of each rod, like the upper end, is received in a corresponding socket located along the longitudinal edge of the slab. This lower end of the rod is likewise adjusted via a threaded and received nut.
[0032]
Because of this system, the slab can float with respect to support columns and associated support structures that are affected by motion due to seismic disturbances, and can therefore be separated from such columns and structures.
[0033]
Dependently on the frictional engagement between each of the corresponding knuckle elements and sockets, and the corresponding resistance to relative rotation therebetween, of the slab with respect to the support column and the associated support structure, and accordingly the rods therewith Gives a damping of the displacement or movement of the end of the Such isolators are preferably the sole damping source of the structure stabilization system, but if desired, to supplement the damping control provided by the hydraulic damping subsystem as used in the base separation system of the cited patent. Can be used.
[0034]
In another embodiment, each of the knuckle-damped pendulum isolators is a pair of supports connected in an inverted relationship by a rod, extending between the pier, the deck, and the beam system, and each end of the rod being Again includes a knuckle element / socket combination. The first support of the pair has a first upper plate and a second opposing lower plate, the first upper plate including a central opening. The first and second plates are connected by first and second spaced arms. The second plate is rigidly connected to the pier. This pair of second supports also has a first upper plate and a second opposing lower plate. The second lower plate includes a central opening. The first and second plates of the second support are also connected by first and second spaced arms. The first top plate of the second support is rigidly connected to the bridge deck and beam system. The rod is received through central openings formed in the first and second supports and secured by nuts.
[0035]
In a further embodiment, each knuckle damped pendulum isolator is two sets of supports connected by four rods. A plurality of pendulum isolators extend between the deck, the beam system and the pier. Each of the first and third supports includes a first upper plate and a second opposing lower plate. Each of the first upper plates of the first and third supports has two openings formed at its ends. The first and second plates are connected by a T-shaped body. The second plate is rigidly connected to the pier. The second and fourth supports also include a first upper plate and a second opposing lower plate, the second lower plate each including two spaced openings. These first and second plates of the second and fourth supports are also connected by a T-shaped body. The first top plates of the second and fourth supports are rigidly connected to the bridge deck and beam system. The four rods are received through openings formed in the first plate of the first and third supports and in the second lower plate of the second and fourth supports. Each opposing end of each rod also forms a knuckle element that is received by the socket, and that end is threaded to receive a nut as described above.
[0036]
In each of the above embodiments, a level monitor system as described above can be used. The threaded end of each rod receiving the nut can be adjusted as needed based on the results of this monitor.
[0037]
Other objects and advantages of the present invention will become apparent from the following description taken in conjunction with the accompanying drawings. In the drawings, like reference numbers indicate the same or similar parts throughout the drawings.
[0038]
The accompanying drawings, which are incorporated in and constitute a part of the specification, illustrate embodiments of the invention and, together with the description, serve to explain the principles of the invention.
[0039]
Description of the preferred embodiment
Reference will now be made in more detail to FIGS. 2-22, which illustrate a preferred embodiment of the present invention.
[0040]
Although the present invention is disclosed as being particularly suitable for protecting parts of a structure, such as a slab or bridge deck, on which expensive equipment such as a high-speed printing machine is mounted, from earthquakes, the system is more extensive. It will be appreciated that the present invention is applicable to the protection of entire structures or buildings, for example, as disclosed in the above-mentioned patents and pending applications by the present inventors. Further, this pendulum type system can be used with or without these or similar systems, such as the base separation, damping and / or interlock systems described in the '507 and' 110 patents.
[0041]
2 and 3 are end elevation and plan views, respectively, of a building / support structure 30 incorporating a slab 32 supported according to a pendulum structure stabilization system 28 of the preferred embodiment of the present invention. The slab 32 can serve as a platform or support for a device 33, such as a commercial high-speed printing press, to be protected from seismic disturbances. In general, since such printing presses have an elongated structure, the support slab 32 is correspondingly long and narrow, and is decoupled from motion under conditions of maximum earthquake that are normally predictable in the area concerned. As well as the slab must be supported so that it does not pivot.
[0042]
As shown in FIG. 2, the unseparated building 30 or at least its supporting frame parts are arranged in a conventional manner in laterally spaced parallel rows, the first direction of the structure to be supported. Assembled on conventional stakes 34 and 36 extending (eg, longitudinally). Foundation support beams 38 and 40 extend longitudinally along and are supported by parallel rows of piles 34 and 36, respectively. A lateral support beam 42 extends transversely between the spaced side-by-side longitudinal support beams 38 and 40, and opposing ends are rigidly connected to the longitudinal support beam. Concrete floor 44 is formed on and supported by longitudinal and lateral support beams 38, 40 and 42 in a conventional manner. Parallel spaced rows of mating longitudinal support columns 46 and 48, which can be formed from steel reinforced concrete, are supported at their lower ends by longitudinal support beams 38 and 40, respectively, and at their upper ends are generally Interconnected by lateral (ie, transverse) ceiling beams 50, typically steel I-beams.
[0043]
In FIG. 3, the vertical support columns 46 are represented as a plurality of columns 46 a, 46 b, 46 c... 46 n spaced along a first longitudinal wall 52 of the structure 30. The vertical support columns 48 are similarly positioned in spaced relation along the second longitudinal wall 54 of the structure 30 in a paired relationship with each of the columns 46a, 46b, 46c... 46n. 48a, 48b, 48c... 48n.
[0044]
The support slab 32 is held in a raised position within the structure 30 by a structure stabilization system 28 that includes a knuckle damping bilinear separation system 29. In this embodiment, the system 29 includes a plurality of first pendulum supports or pendulum isolators 60 and a plurality of second pendulum supports or pendulum isolators 62, each of which has a plurality of upper ends as described below. Of the support slab 32 are supported at spaced apart locations along each of the opposing longitudinal edges of the support slab 32. .
[0045]
Slab 32 is spaced from posts 46 and 48 and walls 52 and 54 to allow slab 32 to move unimpeded from posts and walls as needed. As an example herein, the two largest orthogonals (ie, the X and Y components) of the relative horizontal displacement resulting from the largest seismic disturbance are expected to be close to 10 inches, so slabs 32 and A 14 inch wide gap is provided between the surrounding elements (i.e., columns 46, 48, walls 52, 54, etc. of structure 30) throughout the perimeter of slab 32, and such a maximum Consider horizontal displacement.
[0046]
As best seen in the plan view of FIG. 3, the slab 32 includes a series of retracted portions or side-by-side longitudinal edges 64 including recesses 64a, 64b, 64c... 64n and 66a, 66b, 66c. 66. These recesses are for the vertical support columns 46a, 46b, 46c... And 48a, 48b, 48c... Between the inner surfaces of the walls 52 and 54 and the longitudinal edges 64 and 66 of the slab 32 (14 inches). And are arranged at substantially the same intervals.
[0047]
Slab 32 is formed from reinforced concrete or a similar material and includes monolithically integrated reinforced beams. The integrated support beams are between the longitudinal outer support beams 68 and 70, the longitudinal inner support beams 72 and 74, and the outer and inner longitudinal support beams 68, 70, 72 and 74. Extending and interconnecting them integrally include a plurality of transverse support beams 76a, 76b, 76c ... 76n.
[0048]
Slab 32, in addition to being designed to withstand the vertical loads of device 33 positioned thereon, is also designed to have significant stiffness to minimize differential vertical displacement. Have been. The slab 32 also has a much greater mass than the device 33 mounted thereon, and is designed such that the slab 32 including the device 33 can be considered as a single rigid body for dynamic analysis. Have been. This large mass also helps to minimize vibrations caused by standard operation, start-up or sudden shutdown of device 33 to a small level.
[0049]
The slab 32 is further configured to receive the distal (ie, lower) end of a rod that is part of an associated pendulum support or pendulum isolators 60 and 62, as described below, eg, 64a, 66a. At each corner portion 78a, 78b, 78c... 78n along the first longitudinal edge 64 and at each corner portion 80a, 80b, 80c. Be strengthened.
[0050]
As shown schematically in FIG. 2 and shown in FIGS. 4 and 5, transverse steel beams 84 extend between a corresponding pair of longitudinal supports 46 and 48 and oppose each other. Are connected to this pair of corresponding vertical support columns. The pendulum supports 60 and 62 are secured to the junction or connection between each of the opposing ends of each transverse beam 84 and the associated longitudinal support columns 46 and 48 (such beams in FIGS. 4 and 5). And only vertical support columns 46b, 48b are shown), more specifically, diagonal support beams 86 and 88, respectively, extending at an angle and symmetrically from beam 84 to longitudinal support beam 90, respectively. (FIG. 4). For example, the adjacent pendulum rods 60b-1 and 60b-2, shown in FIG. 4 by way of example, are spaced from the diagonal support beams 86 and 88, respectively, in a symmetrically spaced and juxtaposed relationship with respect to the associated longitudinal support post 46b. Extends downward.
[0051]
As shown in FIG. 3, thanks to the first pendulum support 60 and the second pendulum support 62, a continuous pair of spaced rods, in particular in the first transverse direction of the slab 32, The first pair 60a, 62a at the end 56, the continuous pair 60b-1, 62b-1, and 60b-2, 62b-2, etc., and the last at the opposing transverse end 58 of the slab 32. A pair 60n, 62n can be provided. The pendulum rods 60a, 60b-1, 60b-2 ... 62a, 62b-1, 62b-2 ... etc. are identical, and each can be a steel rod with a diameter of 4 inches. The lower end of each rod 60a, 62a, 60b-1 etc. is received by a corresponding reinforced corner 78a, 80a etc. in slab 32.
[0052]
As shown in FIGS. 5 and 6, the rod 62b-2 is associated with an upper opening pedestal plate 92 supported by an oblique support beam 86, and the threaded upper end 94 of the rod 62b-2 is inserted therethrough and the nut 96 Is held in place by Similarly, the adjacent rod 62b-1 is associated with an upper opening pedestal plate 93 supported by an oblique support beam 88, and the threaded upper end 95 of the rod 62b-1 is inserted therethrough and held in place by a nut 99. Is done.
[0053]
As shown in FIG. 6, which shows the upper end 94 of the rod 62b-2 in FIG. 5 in more detail, this end has a bent seat surface 104 and a radius greater than the radius of the rod 62b-2. Also includes a knuckle joint 82 that includes a large enlarged, hemispherically shaped knuckle element 100. The knuckle element 100 is supported by a rod in a socket 102, which is also supported by a rod and has a corresponding mating surface 106, and the rod 62b-2 is pivotally connected to the beam 86. Preferably, mating surfaces 104 and 106 are associated with support pendulum rods 60a, 60b-1, 62a, 62b-1, 62b-2, etc. in the event of an earthquake disturbance, as described below (depending on the support frame and ground). (Related) The slab 32 is designed to function as a friction damper to attenuate the linear movement as a whole.
[0054]
Knuckle joint 82 is adjustable. That is, when the (hydraulic or mechanical) nut is tightened, the threaded rod passes through the corresponding holes in the knuckle element and the socket in a slidable loose fit so that the rod moves through the knuckle element and the socket. More specifically, the machine nuts 96, 99 and 118 shown in FIGS. 5-7 can be rotationally driven an appropriate distance to raise or lower the area of the slab 32, for example. As in the above-mentioned pending application, this adjustment facilitates initial assembly and also facilitates later adjustment of the pendulum length.
FIG. 7 is a perspective view of the knuckle joint 108 at the lower end 97 of the rod 62b-2 in FIG. The knuckle element 110 at the lower end is structurally identical to the knuckle element 100 at the upper end 94 shown in FIG. 6 described above, and is merely inverted. That is, the knuckle element 110 has an enlarged hemispherical shape having a curved arm surface 112 and a radius larger than the radius of the rod 62b-2. Each lower knuckle element 110 is received in a socket 114 having a corresponding mating surface 116 so that the rod 62b-2 is pivotally connected to the slab 32. The mating surfaces 112 and 116 provide the entire function of the knuckle joint as a friction damper to totally dampen the linear motion of the slab 32 with respect to the supporting pendulum rod (and the supporting frame and ground) during an earthquake disturbance. It is. Similar to the arrangement shown in FIG. 6, each lower end of the rod is threaded to support the central opening of the knuckle element 110 and socket 114 and to support a threaded nut 118.
[0055]
When using this knuckle damped pendulum separation system, a knuckle joint is provided at each end of the rod acting as a pendulum. This fact is independent of the shape or structure of the structural member connecting the pendulum to the ground on one side and the structure to be protected from the forces of seismic disturbances on the other side.
[0056]
Knuckle element 100 (110) / socket 102 (114) is generally known as a hemispherical sliding thrust bearing, available, for example, from the SKF Company of King of Prussia, Pennsylvania. ing. Such bearings typically have a sliding contact iron-to-iron surface that is inclined at an angle to the bearing center axis and is generally considered maintenance-free. It is intended primarily to support unidirectional axial loads, but can also handle combined loads.
[0057]
Such bearings are known but are not considered to be used to obtain the seismic force friction damping according to the present invention. For example, such conventional bearings may have a Teflon-coated mating surface or may be lubricated, all of which are the opposite of the desired damping effect sought herein. This results in a significant reduction in friction. The present application, in turn, relies on substantial friction that can occur at the mating surfaces.
[0058]
The pendulum supports 60 and 62 are designed to have an appropriate pendulum arm length, taking into account the characteristics of the area concerned. As taught by the above prior art patents, the length of the pendulum must be greater than the natural period of 2.5 times the expected ground dominant period. By this and with the addition of the appropriate damping described above, in many cases the horizontal acceleration caused by the seismic disturbance can be reduced by approximately 90%.
[0059]
FIGS. 8 (A) -10 help illustrate the forces associated with a knuckle damped pendulum separated bilinear system.
[0060]
FIGS. 8A and 8B are schematic diagrams of the system showing the friction knuckle joint damping force at each end of the rod. This force can be defined by the following equation:
[0061]
DF (L / 2) = r (μw) (1)
DF = 2 μrK (2)
L = Effective length of pendulum
W = vertical load
r = knuckle element radius
μ = coefficient of friction
DF = Knuckle joint damping force
K = spring coefficient (W / L)
The above equations and other equations used herein generally do not include coefficients based on any unit system, and are valid for any unit system. The units of the resulting numbers are according to the system used.
[0062]
10, the horizontal relative displacement between two knuckle elements provided at both ends of the rod is shown on the horizontal axis, and the corresponding horizontal restoring force is shown on the vertical axis. This figure also shows the equations that determine the relationship between these two variables. In the figure, the magnitude of the displacement and the restoring force appearing at the start of the turn and the magnitude of the maximum residual displacement between the knuckle elements are shown.
[0063]
The terms used in FIG. 10 and the following equations are as follows.
l = L-2r, the effective length of the pendulum from the rod to the bend before and when pivoting occurs in the knuckle element
Kb = 12 El / l Spring coefficient of rod
Kp1 = W / l Spring coefficient of rod before turning in knuckle element or when turning does not occur in knuckle element
Kp2 = W / L Spring coefficient of turning rod in knuckle element
H = Restoring horizontal force
U = relative horizontal displacement of the knuckle element
Us = relative displacement of the knuckle element at the start of the turn
Hs = Restoring force at the start of turning in the knuckle element
Uo = maximum residual displacement of the knuckle element
The values of Us, Hs and Uo are as follows.
[0064]
Us = DF / (Kb + Kpl-Kp2) (3)
Hs = Us (Kpl-Kb) (4)
Uo = 2 μr (5)
FIG. 9 shows a rod joining two knuckle elements, which is deformed due to a horizontal shear force equal to the restoring force when no relative pivoting occurs in the knuckle elements. This is represented by the force diagram of the portion 0-1 in FIG.
[0065]
During the earthquake, all components of the separation system are in motion. Therefore, the relative displacement between the components connected to the separated structure is important. The pivoting of the knuckle element is also important according to the invention of the damping system and is not merely a movement.
[0066]
Research is being conducted to obtain the effect of this pendulum separation system using a simplified pendulum isolator in which damping is provided only by knuckle joints at both ends of each pendulum tension member. Such devices can be effectively used for seismic isolation of buildings, bridges and overpasses, especially in areas where dominant periods of earthquakes of less than one second are expected. As described below, many arrangements for such pendulum isolators are possible.
[0067]
Such studies were tested in specific cases where areas with dominant periods of less than one second, which are true for most parts of California, are considered typical. The impact of the well-known 1940 El Centro earthquake is in the form of a comparative analysis of two systems, one being the knuckle-friction damping described herein and the other being the conventional viscous (fluid pressure) damping. A study was conducted on segregated aggregates for earthquakes. The pendulum length is the same for both systems at 150 cm. Since the friction coefficient of the knuckle joint can be varied between 0.05 and 0.15 according to the material used for the structure, studies were conducted with μr values between 0.5 and 5.0 cm. Was. For viscous damping, the value of critical damping was assumed to be between 0.05 and 0.20.
[0068]
Through these studies, it has been found that the pendulum system is very effective whether used with viscous (fluid pressure) damping or relying solely on knuckle-friction damping. The results are shown in FIGS. 11 (A)-(C) and 12 (A)-(C), where a comparison is made of the three major seismic responses for each of the two damping systems. Similarly, for structures suitable for some type of seismic base isolator, whenever the structure experiences an earthquake with known accelerograms, peak ground acceleration (PGA), peak relative velocity (PRV), and The peak relative displacement (PRD) can be determined.
[0069]
In order to obtain such a result, it is necessary to consider the characteristics of the separation system determined by the above equations (1) to (5) in addition to the acceleration recording diagram. Such features are fundamental to the energy dissipation of the system, which results in the results shown in FIGS. 11 (A)-(C) (12 (A)-(C)).
[0070]
More specifically, the graphs of FIGS. 11 and 12 show the El Centro earthquake (peak ground acceleration 330 cm / sec) of a 150 cm effective length (T = 2.465) pendulum member. 2 2) shows the response to the simulation. FIGS. 11A-C show the response of the pendulum member in the spherical knuckle friction damping system described herein. In comparison, FIGS. 12 (A)-(C) show a pendulum member in a linear viscous (fluid pressure) damping system. In these figures, μ is the coefficient of friction, r is the radius of the hemispheric knuckle element, and ξ is the fraction of critical damping. The use of knuckle friction damping provides a significant reduction in the absolute acceleration of the isolated mass, the most important seismic response. This reduction is approximately 76% for a value of μr of 2.5 cm, which may for example correspond to a coefficient of friction of 0.125 and a knuckle element radius of 20 cm. (330cm / sec on the ground 2 From 80cm / sec 2 It is. )
The degree of damping of the system can be selected by taking advantage of the different coefficients of friction, and their different radii, depending on the various known material combinations available in the maintenance-free knuckle joint construction. In this regard, the known spherical axial thrust bearing is the preferred device for the present invention. This is because no angular force occurs. The size is determined according to the manufacturer's recommendations for the axial load to be supported. Expected loads are determined by structural analysis. No maintenance is required or expected as determined by the axial knuckle bearing manufacturer. As mentioned above, the damping force will be represented by the formula DF = 2 μrW / L.
[0071]
Estimation of seismic response is possible in applications involving special parameters, especially in applications similar to the slab system described above used with printing presses. Such a computational estimate is based on the following dynamic equation for a moment "t":
[0072]
(Equation 1)
Figure 0003592086
[0073]
In the above formula, the following elements are used.
"A" and "b"-Coefficients and indices of relative velocity when viscosity damping is not linear, as a result of experimental testing. (That is, when a hydraulic damper is used, it is necessary to perform a damping force-speed test as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-72950 including a printing press slab. From such a test, the relative speed coefficient "a" is obtained. And its index "b" is determined.)
F—Friction damping force directly applied to the assembly (possibly generated by friction against a viscous damper and / or by some friction damping element).
K-spring coefficient. In the special case of pendulum separation, "K" has the following values:
[0074]
1)-When using a cable
K = K o = W / L (7)
2) When a flexible rod with two fixed ends is used
K = K b + K o (8)
3)-When using a rod with a knuckle joint at each of the opposing ends of the rod, there are two values for K.
[0075]
* Before turning the knuckle element (or when the knuckle element does not turn)
K = K b + K p1 (9)
* During knuckle element turning
K = K p2 (10)
Spring coefficient K b Corresponds to the ratio of force and displacement between the ends of the rod before turning occurs. The value 12E1 / l is as described above. The value of the spring coefficient for a small displacement of the pendulum with respect to its length is equal to the weight (W) it supports divided by the length (L) of the pendulum.
[0076]
Since the length of the pendulum takes two different values before (1) and after (L), each of the spring coefficients is "K" in the above description. p1 "And" K p2 Is specified. Ko is the spring coefficient of the pendulum when the length of the pendulum does not change, such as when the assembly is supported by a wire rope.
[0077]
The simple case can be solved using the simplified equations shown below. For example, when the force generated by the friction in the knuckle joint is only the damping force, the following is performed.
[0078]
(Equation 2)
Figure 0003592086
[0079]
This equation applies to the case of a bilinear separation system having components similar to those shown in FIGS. 8 (A) to 9 which were affected by the north-south component of the El Centro earthquake. This test aims at obtaining the absolute acceleration, relative velocity and relative displacement of the separated mass for values of μr that change from 0.5 cm to 5 cm in 0.5 cm increments. In this example, m, K b , K p1 , K p2 And Hs were calculated from the following data.
[0080]
W = 60,000kg
L = 150cm
l = 110cm
D = 7.5cm (rod diameter)
The results when only the knuckle damping system is used are shown in FIGS. 11 (A)-(C).
[0081]
The corresponding equations for the normal case, taking only linear viscous damping into account, are:
[0082]
(Equation 3)
Figure 0003592086
[0083]
This equation was applied to the same pendulum isolator system described above to compare the performance of both damping systems. The results are shown in FIGS. 11 (A) to 12 (C).
[0084]
Special cases, such as when a friction damping force occurs or is applied directly to the aggregate, are as follows.
[0085]
(Equation 4)
Figure 0003592086
[0086]
When utilizing the knuckle friction damping force, the hydraulic damper can be eliminated. As discussed above, hydraulic dampers help dampen swivel forces, but there is evidence to suggest that the use of hydraulic dampers contributes to the generation of swivel forces. That is, whenever such a trend occurs, it is due to unbalanced forces created by the damping system. Therefore, eliminating the fluid pressure damper also eliminates the pivoting force and the need to counteract it. This concept was studied as follows. In summary, by using only knuckle friction damping, the damping force is always proportional to the vertical load, and the center of gravity of the structure is the same as the acting force. Therefore, no turning (torsional moment) is generated and there is no need to compensate for this.
[0087]
More specifically, FIG. 13 shows an aggregate representing an irregularly shaped building with several supports having a total weight W assumed to be centered on the center of gravity O and producing a reaction force rv. It has been shown that the spring constant of a suspended support depends on the vertical load and the length of the pendulum member. The small displacement is as follows.
[0088]
k = rν / L (14)
rν = normal reaction force of a given support
L = length of pendulum member
DF = damping force of the whole system
df = damping force of a given support
μ = Coefficient of friction for all knuckle joints
r = radius of knuckle element
K = W / L = spring constant of the whole assembly
k = rν / L = spring constant of the whole assembly
DF = 2 μrk = μrW / L
df = 2 μrk = 2 μr (rν / L)
Whenever a translation in one direction occurs, the displacement in all supports is the same, assuming that all pendulum members have the same length, and in each support the normal reaction force rν in the same support is the same. A directly proportional amount of restoring force will appear. At the same time, a damping force proportional to the vertical load rν will also occur. The result therefore necessarily lies in the same vertical plane resulting from the vertical force, since all horizontal forces are proportional to the vertical reaction force. Therefore, it can be assumed that there is no turning (dynamic torsional moment).
[0089]
As in the above co-pending application, the present invention also provides a method for detecting differential vertical displacements that may be caused by differential subsidence of the foundation on which the support post rests. The level of the slab 32 at each location along the edge of the suspended slab 32 to which the distal end is connected can be monitored. In the described manner, the detected height difference is corrected by rotating the nut to adjust the relative height of the associated pendulum rod.
[0090]
In this regard, FIG. 14 shows a schematic diagram of a level monitor system 148 that monitors differential height variations at each of the pendulum support connection locations on the slab 32. Specifically, the sensors 150-1, 150-2,... 150-n are respectively mounted at suitable sensing locations at adjacent corresponding locations where the slab 32 connects to the vertical support columns 46 and 48 of the system 28. Is done. The conduit 152 extends around the support slab 32 and effectively connects all successive sensor stations 150-1, 150-2 ... 150-n.
[0091]
Second and third embodiments of the knuckle damping pendulum separation system 29 will now be described. These embodiments include multiple pendulum isolators, each utilizing one or more rods. Isolators are applied to attenuate seismic disturbances experienced by piers by separating the pier from the pier and to protect the pier from damage related thereto.
[0092]
FIG. 15 is a side view of a second embodiment according to the present invention, including a single rod knuckle damped seismic pendulum isolator 160. The isolator 160 includes first and second supports 162 and 164 that are generally identical but oriented in opposite directions. FIG. 16 is a plan view, and FIG. 17 is a perspective view.
[0093]
First support 162 includes a first upper plate 166 and a second opposing lower plate 168. Each plate 166 and 168 is rectangular, with the first plate 166 being smaller than the second plate 168. First top plate 166 also includes a central opening 170 for receiving rod 194 as described below. The first and second plates 166 and 168 diverge outwardly from the first plate 166 to the second plate 168 and are first and second spaced apart to allow for the shape of a pipe. Arm 172 and 174.
[0094]
The second lower plate 168 is rigidly connected via a plurality of anchors 176 to a member attached to the foundation, in this preferred embodiment a pier 178.
[0095]
The second support 164 also includes a first upper rectangular plate 180 and a second opposing smaller lower rectangular plate 182. The second lower plate 182 includes a central opening 184 for receiving the same rod 194 as described below. The first and second plates 180 and 182 of this second support 164 also include first and second spaced arms that branch outwardly from the second plate 182 toward the first plate 180. Alternatively, they are connected by pipes 186 and 188. The first top plate 180 of the second support 164 is rigidly connected via a plurality of anchors 190 to a bridge or deck 192 that includes a beam system, shown here as one beam 193.
[0096]
A central opening 170 formed in the first plate 166 of the first support 162 and the second plate 182 of the second support 164 is provided between the first and second supports 162 and 164. Extending is a pendulum tension member or rod 194 that is received through and 184. Near the opposing ends 196 and 198 of the rod 194, service-free hemispherical thrust bearings or knuckle joints 197 and 199 are formed, each including a knuckle element 200 and 202 received in a socket 204 and 206, respectively. You. Further, each end 196 and 198 is threaded to support nuts 208 and 210. Each of the above members is preferably made of iron. The center of gravity of knuckle joints 197 and 199 is shown at 212.
[0097]
Some dimensions are described below for embodiments of the present invention, but these dimensions may vary depending on the size and weight of the bridge, anticipated seismic activity in the area where the bridge is located, etc. Therefore, it is only an example.
[0098]
The length of the second plate 168 of the first support 162 and the first plate 180 of the second support 164 is about 1.37 m. The width of these plates 168 and 180 is about 0.66 m and the thickness is about 0.03 m. The length of the first plate 182 of the second support 164 and the second plate 166 of the first support 162 is about 0.8 m and its width is about 0.35 m. The thickness of these plates is about 0.03 m. Each arm 172, 174, 186, and 188 has a height of about 1.3 m. The effective length "L" of the pendulum is about 1.5 m. By having the first and second supports 162 and 164 overlap along their height, and by having them share a pendulum tension member or rod 194, the overall height of the device is reduced. It can be seen that the construction is fairly small and construction is easy.
[0099]
FIG. 18 is a perspective view of a bridge 214 incorporating a plurality of spaced single rod pendulum isolators 160 according to the second embodiment of the present application described above. It can be seen that pendulum isolator 160 is positioned between bridge 216 and pier 178.
[0100]
Like the first embodiment described above with respect to the floating slab, this second embodiment may also employ a level monitor system similar to that shown in FIG. 14 as described above, if desired. However, in the case of bridges and overpasses, such as in much of northern California, whenever a dominant period of the ground is expected to be less than one second when an earthquake occurs, a knuckle damped pendulum separation system is used. 29 would be appropriate. These short dominant periods usually appear on solid ground where no significant subsidence is expected. Therefore, a permanent level monitor system is not usually required. During installation and use, the level monitor system can be used with nuts and threaded rods to adjust the bridge floor level. If adjustment of the length of the rod secured by two knuckles is required, it could be done at only one end of the rod.
[0101]
FIG. 19 is a side view of a third embodiment of a knuckle damping pendulum separation system 29 according to the present invention, and FIG. 20 is a plan view thereof, with the bridge deck removed for simplicity. FIG. 21 is a perspective view of the pendulum isolator shown in FIGS. 19 and 20. As these figures show, the third embodiment includes a four rod knuckle damped pendulum isolator 220. The isolator 220 includes first to fourth supports 221, 222, 223 and 224 that are generally identical, but oppositely oriented in pairs. Specifically, the first and third supports 221 and 223 are positioned on the upper portion of the isolator 220 and are connected to the oppositely oriented second and fourth supports 222 and 224.
[0102]
The first and third supports 221 and 223 each include a first upper plate 226 and 228 and a second opposing lower plate 230 and 232. Plates 230 and 232 are each rectangular, and first plates 226 and 228 are larger than second plates 230 and 232. As will be described below, the first top plates 226 and 228 also have two openings 234 and 236 and 238 and 240 at their ends for receiving rods 280, 282, 284 and 286, respectively. The first and second plates 226 and 228 and 230 and 232 of the first and third supports 221 and 223 are connected by a robust T-shaped body 242 and 244. The second plates 230 and 232, respectively, are connected via a plurality of anchors 246 and 248 to a member attached to the foundation, in this embodiment a pier 250. The first plates 226 and 228 of the first and third supports 221 and 223 are not fixed to a foundation or a member attached to a bridge deck beam, as described below, but the second and fourth supports Attached to 222 and 224.
[0103]
The second and fourth supports 222 and 224 also include first upper rectangular plates 252 and 254 and second larger opposing lower rectangular plates 256 and 258. The second lower plates 256 and 258 each have two spaced apertures, one at each end, for receiving the same rods 280, 282, 284 and 286 as described below. Parts 260 and 262 and 264 and 266. These first and second plates 252, 254, 256 and 258 are likewise connected by T-shaped bodies 268 and 270, but of the first and third supports 221 and 223 shown in FIG. The opposite is true for "T". The first upper plates 252 and 254 of the second and fourth supports 222 and 224 are rigidly connected to the bridge floor 276 including the beam system via a plurality of anchors 272 and 274, where the beam system is used. Is shown as one beam 278.
[0104]
Between the edges of the first and third supports 221 and 223 and the second and fourth supports 222 and 224, the first plate 226 of the first and third supports 221 and 223 and 228 and four steel rod pendulum tension members 280, 282, 284 and 286 that are received through openings 260-266 formed in the second lower plates 256 and 258 of the second and fourth supports 222 and 224. Extends. At each opposing end of each rod 280-286, as described above, each has a knuckle element 288a, 289a, 290a, 291a, 292a, 293a, 294a, 295a and a corresponding socket 288b, 289b, 290b, Maintenance-free hemispherical thrust bearings or knuckle joints 281a, 281b, 283a, 283b, 285a, 285b, 287a and 287b are formed, including 291b, 292b, 293b, 294b, 295b. In addition, the ends of each rod are also threaded to support nuts 296a, 296b, 298a, 298b, 300a, 300b, 302a and 302b. Preferably, each of said members is formed from iron.
[0105]
The width of the bridge deck 278 is about 0.6 m. The width of the pier 250 (shown in FIG. 19) is about 0.08 m. The length of the first upper plates 226 and 228 of the first and third supports 221 and 223 and the length of the second plates 256 and 258 of the second and fourth supports 222 and 224 are about 1 .8 m. The height of each of the first to fourth supports is about 1.1 m. The "pendulum effective length" or "L" is also about 1.5 m. By overlapping the first and third supports 221 and 223 along the height thereof with the second and fourth supports 222 and 224, and these are the common pendulums of rods 280, 282, 284 and 286. It can be seen that the provision of the tension member makes it possible to considerably reduce the effective length L of the pendulum and facilitate the construction.
[0106]
FIG. 22 is a perspective view of a bridge 304 incorporating a plurality of spaced 4-rod isolators 220 according to a third embodiment of the present invention. It can be seen that a pendulum isolator can be positioned between the floor 305 and each pier 250. Each isolator 220 is identical.
[0107]
As in the first and second embodiments, a level monitor system can be used in the third embodiment if desired, but this is usually unnecessary. Bridge floor 276 can be leveled by adjusting nuts as needed.
[0108]
The use of this pendulum isolator system in a bridge or an elevated road as in the second and third embodiments has the following advantages.
[0109]
1. Since the pendulum length "L" is the same for all isolators, the damping and restoring forces of the system are proportional to the vertical load W, and therefore no bridge deck turns.
[0110]
2. Bridge deck acceleration can be reduced by 70% to 90% of ground acceleration.
3. The residual horizontal displacement is very small. This would be a random number whose maximum is obtained by the formula Uo = ± 2 μr.
[0111]
4. By choosing an appropriate arrangement for the pendulum isolators, the system can be used successfully in new construction and in retrofitting existing bridges or elevated roads. Remodeling is possible without obstructing highway traffic. As mentioned in the slab embodiment above, the pendulum isolator can be gradually loaded by using a hydraulic jack and then adjusting the mechanical nut.
[0112]
5. Although expansion joints can be very large on long bridges, expansion joints can be eliminated entirely in many new bridge constructions.
[0113]
6. Pendulum isolators can be easily manufactured at the factory and then installed at the bridge construction site.
[0114]
Finally, the interlock system described earlier in the related patents can be used to enhance the invention described herein, especially when the horizontal forces generated by the wind are expected to be greater than the knuckle frictional forces. It can be used when applied to objects. In special circumstances, it may also be desirable to use a hydraulic damping system as described in these patents.
[0115]
Variations of these systems could be effectively implemented for similar applications and for a wide variety of buildings, bridges and other structures. Accordingly, it will be apparent to those skilled in the art that numerous modifications and adaptations may arise from the systems of the present invention, and, therefore, the following claims are intended to cover all such modifications within the true spirit and scope of the present invention. It is intended to cover all variations and applications.
[Brief description of the drawings]
1 is a schematic end elevational sectional view of a structure incorporating a structure stabilization system according to the above patent and an associated support foundation.
FIG. 2 is a schematic end elevation cross-sectional view of a building (support frame) structure according to a first embodiment of the present invention, incorporating a slab carrying loads and a pendulum-type damping system for the slab. It is.
FIG. 3 is a schematic plan view, partially in section, of the support frame structure and the slab, taken along line 3-3 in FIG. 2;
FIG. 4 is a partial view of an upper portion of a vertical support post and associated lateral and diagonal beams supporting an upper end of a pendulum rod, according to a first embodiment.
FIG. 5 is an enlarged partial view of the upper portion of the structure, similar to that shown in FIG.
FIG. 6 is a side cross-sectional view of a knuckle element / socket combination at the upper end of a pendulum rod according to the present invention.
FIG. 7 is a perspective view of a knuckle element / socket combination at the lower end of a pendulum rod at a corresponding edge portion of the slab.
FIG. 8A is a schematic view of a rod with knuckle elements at opposing ends that engage respective corresponding sockets to help explain the knuckle damping force, and FIG. 8B also illustrates a knuckle damping force. FIG. 4 is a schematic diagram useful for explaining.
FIG. 9 is a schematic view of the relative displacement of a knuckle element at opposing ends of a rod.
FIG. 10 shows a restoring force that can be applied after the relative displacement of the knuckle element.
FIGS. 11A-11C are graphs showing peak absolute acceleration, relative velocity, and relative displacement, respectively, for a separation system when using knuckle damping.
12 (A)-(C) are graphs showing the same peak response as shown in FIGS. 11 (A)-(C) when using viscous (fluid pressure) damping.
FIG. 13 shows an irregularly shaped building with a knuckle damping system according to the present invention when there is no torsional moment.
FIG. 14 is a schematic diagram of a level monitor system used with the present invention.
FIG. 15 is a side view of a second embodiment according to the present invention, including a single rod knuckle damped bridge seismic isolator.
16 is a plan view of the single rod knuckle damped bridge seismic isolator shown in FIG.
FIG. 17 is a perspective view of the isolator shown in FIGS. 15 and 16;
FIG. 18 is a perspective view of a bridge incorporating a plurality of spaced single rod isolators according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a side view of a third embodiment according to the present invention, including a four rod knuckle damped bridge seismic isolator.
FIG. 20 is a plan view of the 4-rod knuckle damped bridge earthquake isolator shown in FIG. 19;
FIG. 21 is a perspective view of the isolator shown in FIGS. 19 and 20;
FIG. 22 is a perspective view of a bridge incorporating a plurality of spaced 4-rod isolators according to a third embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
28 Pendulum structure stabilization system
29 Knuckle damped bilinear separation system
32 Slab
46 support columns
52 walls
60 Pendulum support isolator
84 beams

Claims (6)

地震外乱に反応する構造体安定化システムであって、
地面に接続される第１の構造部材と、
地面に対し可動であり安定化されるべき第２の構造部材と、
複数の振子アイソレータとを含み、アイソレータは各々、第１の構造部材に接続される第１の部分と第２の構造部材に接続される第２の部分とを有し、第１および第２の部分は各々、地震外乱に対抗して第２の構造部材を安定化させるために半径および表面摩擦係数が予め選択されて所望の減衰力を与える球形軸受を含み、
第１の構造部材は橋脚であり、第２の構造部材は橋床であり、複数の振子アイソレータは各々、２つの端部を有し橋脚と橋床との間に延在する少なくとも１つのロッドにより接続される複数の支持体を含み、各ロッドの２つの端部各々は球形軸受を備え、
複数の支持体の各々は、
各々が第１の上部プレートおよび第２の下部プレートを有する第１から第４の支持体を含み、第１および第３の支持体の第１の上部プレートには２つの開口部が形成され、第１および第２のプレートはボディにより接続され、第１および第３の支持体の第２の下部プレートは橋脚に固く接続され、第２および第４の支持体の第２の下部プレートには２つの開口部が形成され、第２および第４の支持体の第１の上部プレートは橋床に固く接続され、少なくとも１つのロッドは第１および第３の支持体の第１の上部プレートならびに第２および第４の支持体の第２の下部プレートに形成された開口部を通して受入れられる４つのロッドであり、球形軸受はソケットに受入れられるナックルエレメントである、構造体安定化システム。A structure stabilization system that responds to earthquake disturbance,
A first structural member connected to the ground;
A second structural member movable with respect to the ground and to be stabilized;
A plurality of pendulum isolators, each having a first portion connected to the first structural member and a second portion connected to the second structural member; The portions each include a spherical bearing whose radius and surface friction coefficient are preselected to provide a desired damping force to stabilize the second structural member against seismic disturbances;
The first structural member is a bridge pier, the second structural member is a bridge deck, and the plurality of pendulum isolators each have at least two ends and at least one rod extending between the bridge pier and the bridge deck. And each of the two ends of each rod comprises a spherical bearing;
Each of the plurality of supports is
First to fourth supports each having a first upper plate and a second lower plate, the first upper plate of the first and third supports having two openings formed therein; The first and second plates are connected by a body, the second lower plates of the first and third supports are rigidly connected to the pier, and the second lower plates of the second and fourth supports have Two openings are formed, the first upper plates of the second and fourth supports are rigidly connected to the bridge deck, and at least one rod is connected to the first upper plates of the first and third supports and A structure stabilization system wherein four rods are received through openings formed in a second lower plate of the second and fourth supports, and the spherical bearing is a knuckle element received in a socket. 各ロッドの端部はねじ切りされ、球形軸受を通過し、ナットを受入れる、請求項１に記載の構造体安定化システム。The structure stabilization system of claim 1, wherein the end of each rod is threaded, passes through a spherical bearing, and receives a nut. 地震外乱に反応する構造体安定化システムであって、
地面に接続される第１の構造部材と、
地面に対して可動であり安定化されるべき第２の構造部材と、
複数の振子アイソレータを含むナックル減衰振子分離システムとを含み、複数の振子アイソレータは各々、第１の構造部材に接続される第１の部分および第２の構造部材に接続される第２の部分を有し、第１および第２の部分は各々、半球ナックルエレメントおよび対応するソケットを備えるナックル継手を含み、継手の半径および表面摩擦係数を予め選択して所望の減衰力を与えることにより地震外乱に対抗して第２の構造部材を安定化させ、
第１の構造部材は橋脚であり、第２の構造部材は橋床であり、複数の振子アイソレータは各々、２つの端部を有し橋脚と橋床との間に延在する少なくとも１つのロッドにより接続される複数の支持体を含み、各ロッドの２つの端部各々は球形軸受を備え、
複数の支持体の各々は、
各々が第１の上部プレートおよび第２の下部プレートを有する第１から第４の支持体を含み、第１および第３の支持体の第１の上部プレートには２つの開口部が形成され、第１および第２のプレートはボディにより接続され、第１および第３の支持体の第２の下部プレートは橋脚に固く接続され、第２および第４の支持体の第２の下部プレートには２つの開口部が形成され、第２および第４の支持体の第１の上部プレートは橋床に固く接続され、少なくとも１つのロッドは、第１および第３の支持体の第１の上部プレートならびに第２および第４の支持体の第２の下部プレートに形成された開口部を通して受入れられる４つのロッドである、構造体安定化システム。A structure stabilization system that responds to earthquake disturbance,
A first structural member connected to the ground;
A second structural member movable with respect to the ground and to be stabilized;
A knuckle damped pendulum separation system including a plurality of pendulum isolators, each of the plurality of pendulum isolators having a first portion connected to the first structural member and a second portion connected to the second structural member. Wherein the first and second portions each include a knuckle joint with a hemispherical knuckle element and a corresponding socket, wherein the radius and surface friction coefficient of the joint are pre-selected to provide a desired damping force to provide for a seismic disturbance. Stabilize the second structural member in opposition,
The first structural member is a bridge pier, the second structural member is a bridge deck, and the plurality of pendulum isolators each have at least two ends and at least one rod extending between the bridge pier and the bridge deck. And each of the two ends of each rod comprises a spherical bearing;
Each of the plurality of supports is
First to fourth supports each having a first upper plate and a second lower plate, the first upper plate of the first and third supports having two openings formed therein; The first and second plates are connected by a body, the second lower plates of the first and third supports are rigidly connected to the pier, and the second lower plates of the second and fourth supports have Two openings are formed, the first upper plates of the second and fourth supports are rigidly connected to the bridge deck, and at least one rod is connected to the first upper plates of the first and third supports. And a structure stabilizing system, wherein the four rods are received through openings formed in the second lower plate of the second and fourth supports. 各ロッドの端部はねじ切りされ、ナックル継手を通過し、ナットを受入れる、請求項３に記載の構造体安定化システム。4. The structure stabilization system of claim 3 , wherein the end of each rod is threaded, passes through a knuckle joint, and receives a nut. 地震外乱に反応する構造体安定化システムであって、
地面に接続される第１の構造部材と、
地面に対し可動であり安定化されるべき第２の構造部材と、
各々が長く延ばされ、第１の構造部材に接続される第１の部分と第２の構造部材に接続される第２の部分とを備える複数のナックル減衰振子アイソレータとを含み、第１および第２の部分は各々、凸型半球ナックルエレメントおよび対応する凹型ソケットを備える軸方向ナックル継手を含み、各アイソレータの長さならびに継手の半径および表面摩擦係数を予め選択して所望の減衰力を与えることにより地震外乱に対抗して第２の構造部材を安定化させ、
第１の構造部材は橋脚であり、第２の構造部材は橋床であり、複数の振子アイソレータは各々、２つの端部を備え橋脚と橋床との間に延在する少なくとも１つのロッドにより接続される複数の支持体を含み、
複数の支持体は各々、
各々が第１の上部プレートおよび第２の下部プレートを有する第１から第４の支持体を含み、第１および第３の支持体の第１の上部プレートには２つの開口部が形成され、第１および第２のプレートはボディにより接続され、第１および第３の支持体の第２の下部プレートは橋脚に固く接続され、第２および第４の支持体の第２の下部プレートには２つの開口部が形成され、第２および第４の支持体の第１の上部プレートは橋床に固く接続され、少なくとも１つのロッドは、第１および第３の支持体の第１の上部プレートならびに第２および第４の支持体の第２の下部プレートに形成された開口部を通して受入れられる４つのロッドである、構造体安定化システム。A structure stabilization system that responds to earthquake disturbance,
A first structural member connected to the ground;
A second structural member movable with respect to the ground and to be stabilized;
A plurality of knuckle-damped pendulum isolators each of which is elongated and includes a first portion connected to the first structural member and a second portion connected to the second structural member; The second portions each include an axial knuckle joint with a convex hemispherical knuckle element and a corresponding concave socket, preselecting the length of each isolator and the radius and coefficient of surface friction of the joint to provide a desired damping force. This stabilizes the second structural member against earthquake disturbance,
The first structural member is a pier, the second structural member is a pier, and the plurality of pendulum isolators are each provided with at least one rod having two ends and extending between the pier and the pier. Including a plurality of supports to be connected,
Each of the plurality of supports is
First to fourth supports each having a first upper plate and a second lower plate, the first upper plate of the first and third supports having two openings formed therein; The first and second plates are connected by a body, the second lower plates of the first and third supports are rigidly connected to the pier, and the second lower plates of the second and fourth supports have Two openings are formed, the first upper plates of the second and fourth supports are rigidly connected to the bridge deck, and at least one rod is connected to the first upper plates of the first and third supports. And a structure stabilizing system, wherein the four rods are received through openings formed in the second lower plate of the second and fourth supports. 各ロッドの端部はねじ切りされ、ナックル継手を通過し、ナットを受入れる、請求項５に記載の構造体安定化システム。The structure stabilization system of claim 5 , wherein the end of each rod is threaded, passes through a knuckle joint, and receives a nut.
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