JP2001295505A

JP2001295505A - ガス・バネによる上下免震構造及びその施工方法

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Publication number: JP2001295505A
Application number: JP2000114749A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Tono; 雅彦東野; Satoru Aizawa; 相沢　　覚; Hiroki Hamaguchi; 弘樹濱口; Genji Yoneda; 玄次米田; Shigeki Nagura; 繁樹名倉; Kotaro Toyama; 幸太郎遠山
Original assignee: Takenaka Komuten Co Ltd
Current assignee: Takenaka Komuten Co Ltd
Priority date: 2000-04-17
Filing date: 2000-04-17
Publication date: 2001-10-26
Anticipated expiration: 2020-04-17
Also published as: JP4700781B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】固有周期が１秒以上である建造物の上下方向
震動に対して免震する上下免震構造及びその施工方法を
提供する。【解決手段】ピストン３ｂの下室に作動油を収容した
シリンダー、及び該シリンダー内を上下方向へ移動する
ピストン３ａとそのロッド３ｃを備え、上部構造１と下
部構造２の間の免震層に垂直姿勢に設置されたシリンダ
ー・ロッド機構３と、作動油及び加圧ガスを収容したア
キュムレータ４と、前記シリンダー・ロッド機構のピス
トン下室と前記アキュムレータ内の作動油部位とを接続
する油圧配管５とからなる。前記シリンダ・ロッド機構
のシリンダとロッドのいずれか一方が上部構造と、他方
が下部構造と結合されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、固有周期が１秒
以上である建造物の上下方向震動に対して免震する上下
免震構造及びその施工方法の技術分野に属し、更に云え
ば、ガス・バネによる上下免震構造及びその施工方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の殆どの免震構造は、水平方向震動
を免震対象としている。上下方向震動を対象とした免震
は、技術的に困難と考えられてきた。

【０００３】水平方向震動を免震できるだけでも、建築
構造設計上、大変有利に作用する。しかし、建築の種別
や用途によっては、上下方向震動の免震が必要とされる
場合も少なくない。

【０００４】ところで、従来の免震構造は、積層ゴムや
コイルバネ、皿バネ等の「機械式バネ」を用いている。
しかし、「機械式バネ」による免震構造は、全て水平震
動に対する免震構造であり、上下方向震動に対する免震
構造として使用することは不適切と考えられている。

【０００５】従来の上下免震構造が、例えば特開平１１
−６５４１号公報に記載されている。該公報に記載され
た上下免震構造は、シリンダーを基礎面（下部構造）上
に立設し、建物に連繋されたロッドをシリンダーに対し
て出入り可能としてオイル・ダンパを形成している。こ
のオイル・ダンパは、シリンダー内にロッドを挿入する
ことにより形成され、ロッド反力を設定する油圧室を有
している。この油圧室は、ロッド内の容室に連通されて
いる。この容室内には、油面を境にして区画されたガス
室が設けられている。このガス室は、高さ調整弁を介し
て、ガス供給源に連結されている。そして、ロッドのシ
リンダーに対する出入り量に応じて、高さ調整弁がガス
室のガス圧を調整する。

【０００６】

【本発明が解決しようとする課題】従来の「機械式バ
ネ」による免震構造が上下方向震動の免震に不適切と考
えられてきた最大の理由は、鉛直バネの自重による変形
量の大きさにある。建造物の上下方向（鉛直）の固有周
期と、自重による鉛直変形量との関係は、次のようにな
る。即ち、鉛直固有周期が１秒の場合、変形量が２４．
８ｃｍであり、鉛直固有周期が２秒の場合、変形量が９
９．３ｃｍである。また、鉛直固有周期が３秒の場合、
変形量が２２３．４ｃｍであり、鉛直固有周期が４秒の
場合、変形量が３９７．２ｃｍである。

【０００７】従来の上下免震構造の課題の１つは、上下
免震構造用の鉛直バネが上述の変形を許容し、且つ地震
時には最大３０〜５０ｃｍの上下方向変位も許容するよ
うに設計する必要があったことである。しかし、ゴム、
コイルバネ、皿バネ等の機械式バネ（以下、総称して機
械式バネという）により、この鉛直バネを設計すること
は、非常に困難であった。特に、建物全体を免震しよう
としたときは、柱当たり５００トンから１０００トンの
荷重を支える必要がある。よって、鉛直バネの設計に
は、この荷重に対して大きな変形を可能にする必要があ
るが、かかる必要性を満足する設計ができなかった。

【０００８】また、従来の上下免震構造の第２の課題
は、建築を施工する際に上述の鉛直変形が徐々に現れる
ため、建築の施工に障害を与えることである。特に上下
固有周期が４秒に至るような設計をした場合、その自重
による変形が３９７．２cmとなり、事実上施工が不可能
であった。これを回避するためには、予め鉛直バネに想
定される柱軸力に相当する初期荷重を与えて初期変形を
生じさせ、これを固定治具により固定する必要があっ
た。しかし、５００トンから１０００トンもの初期荷重
を固定する治具は、極めて大きな物であり、設計ができ
たとしても大変不経済な仮設物となる。

【０００９】機械式バネの方式により上下方向震動を免
震する場合の第３の課題は、設計時の鉛直荷重の計算値
を用いて、バネ剛性を設計する点にある。一般的な建築
構造物における柱の存在応力は不明であり、設計時の鉛
直力とは当然異なる。そのため各柱における鉛直方向の
固有周期を一致させることは、事実上不可能である。水
平方向免震の場合は、剛床仮定が成立しているために、
柱軸力のばらつきや存在応力の不明確さは無視できる。
しかし、上下方向免震の場合、「剛構面」なるものが一
般的に存在しない。そのため、機械式バネの免震方式を
採用した場合は、各柱における振動性状の違いにより、
柱毎にバラバラな動きとなってしまう。よって、梁に大
きなせん断力がかかり、損傷を与える。したがって、上
部構造は、上下動に対して剛であるとみなせる建物でな
い限り、機械式バネの上下方向免震を採用した場合にお
ける上部構造の設計は非常に困難となる。

【００１０】上述の理由により、従来、上下免震構造を
建造物全体に対して行う場合には、固有周期を０．５秒
程度以下としている。ところで、建造物全体を対象とし
た上下方向免震の場合に、積層ゴムの各層のゴム厚を大
きめに取ることにより、上下方向バネを通常の積層ゴム
より柔らかくすることが提案されている。この場合、上
下方向のバネ剛性を柔らかくするには限界があるため、
水平方向で行われているような高い性能を有する本格的
な免震構造は望めない。

【００１１】一方、固有周期が１秒以上の本格的な免震
が必要な場合には、荷重の小さな免震床などに限定的に
実施されている。免震床など軽量構造物の場合は、空気
バネがよく用いられている。かかる空気バネ機構は、車
両の防振機構として多用されているものと同様である。
空気バネ機構を用いた場合、上下方向バネは比較的柔ら
かくでき、上下方向の固有周期をある程度長くできる。
しかし、空気バネは、密閉性を高める必要から、可動部
分にゴムのべローズ等を採用しており、内圧の設定に限
界があり、支持荷重にも限界がある。

【００１２】建築構造物の免震化を狙ったガス・バネ機
構も提案されている。しかし、ガス・バネ機構でも、ゴ
ムの密閉容器を使用しているため、内圧の設定に限界が
ある。ガス・バネ機構が、例えば約１６０トンの荷重を
支えるためには、非常に大きな装置となってしまう。一
方、実際の建造物を支持するためには、５００トンから
１０００トンを一つの装置で支持する必要がある。

【００１３】上述した特開平１１−６５４１公報に記載
された従来技術では、高圧配管をガス配管としている。
また、減衰性能を得るための絞り（オリフィス構造）が
シリンダー・ロッドに内蔵されている。ガスの体積は、
免震構造としての周期を決定する重要な要素なので、油
圧や空気圧システムを構成するにあたって、配管系が自
由に配置できないと、システム設計が困難となる。その
点、特開平１１−６５４１公報記載の従来技術では、ガ
ス配管を用いているので、ガスの体積を、配管系を含め
て設計する必要があるため、配管の長さ等を自由に設定
できず、設計の自由度が大きく制約される。

【００１４】実際的問題として、ガス圧部品は、総て高
圧ガス部品であり、認定を受けた特定業者の製品のみが
使用できる。よって、特開平１１−６５４１号公報に記
載の従来技術では、ガス配管システムは、高圧ガス配管
となるために、実際にこのシステムを実施しようとした
場合は、国の認定を受けなければならないなどの面倒が
ある。また、特開平１１−６５４１号公報に記載の従来
技術では、絞りがシリンダー・ロッドに内蔵されている
ために、免震システム完成後の調整が不可能であるとい
う問題も含んでいる。

【００１５】したがって、本発明の目的は、上述の従来
技術の上記欠点を解決し、建築物全体を対象にできるガ
ス・バネによる上下免震構造を提供することである。

【００１６】本発明の他の目的は、ガス・バネによる上
下免震構造の合理的な施工方法を提供することである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決する手
段として、請求項１記載の発明に係るガス・バネによる
上下免震構造は、ピストンの下室に作動油を収容したシ
リンダー、及び該シリンダー内を上下方向へ移動するピ
ストンとそのロッドを備え、上部構造と下部構造の間の
免震層に垂直姿勢に設置されたシリンダー・ロッド機構
と、作動油及び加圧ガスを収容したアキュムレータと、
前記シリンダー・ロッド機構のピストン下室と前記アキ
ュムレータ内の作動油部位とを接続する油圧配管とから
なり、前記シリンダ・ロッド機構のシリンダとロッドの
いずれか一方が上部構造と、他方が下部構造と結合され
ていることを特徴とする。

【００１８】請求項２記載の発明は、請求項１に記載し
たガス・バネによる上下免震構造において、油圧配管の
途中に絞り弁を有することを特徴とする。

【００１９】請求項３記載の発明は、請求項１又は２に
記載したガス・バネによる上下免震構造において、下部
構造と上部構造の間の免震層に、下部構造と上部構造を
連係するロッキング防止リンク機構が設けられているこ
とを特徴とする。

【００２０】請求項４記載の発明は、請求項１〜３のい
ずれか一に記載したガス・バネによる上下免震構造にお
いて、上部構造の上下振動をガイドするスライド機構を
設けていることを特徴とする。

【００２１】請求項５記載の発明に係るガス・バネによ
る上下免震構造の施工方法は、ピストンの下室に作動油
を収容するシリンダー、及び該シリンダー内を上下方向
に移動するピストン及びそのロッドを備えたシリンダ・
ロッド機構を、上部構造と下部構造の間の免震層におい
てシリンダーとロッドのいずれか一方を下部構造と結合
して垂直姿勢に設置する段階と、下部構造上に上部構造
を支持する仮受け治具を設け、仮受け治具の上に上部構
造の構築を進める段階と、上記シリンダー・ロッド機構
のピストン下室とアキュムレータを油圧配管で接続し、
上部構造の竣工後に、前記シリンダー・ロッド機構のピ
ストン下室へ作動油を供給し上部構造を支持し得る圧力
をアキュムレータとピストン下室へ与えて上部構造の支
持を盛り替え、その後、上記仮受け治具を撤去する段階
とよりなることを特徴とする。

【００２２】

【本発明の実施形態及び実施例】本発明の好適な実施形
態を、添付図を参照して説明する。

【００２３】図１は請求項１記載の発明の実施形態であ
る。このガス・バネによる上下免震構造は、建物の下部
構造１と上部構造２の間の免震層に設置した垂直姿勢の
シリンダ・ロッド機構３と、アキュムレータ４、及び両
者を接続する油圧配管５とで構成されている。

【００２４】前記シリンダー・ロッド機構３は、シリン
ダ３ａの底部を下部構造１と結合されている。シリンダ
ー３ａ内には、上下方向へ移動自在なピストン３ｂ及び
そのロッド（ピストンロッド）３ｃを備え、ピストン下
室に作動油６が収容されている。ロッド３ｃの上端が上
部構造２と結合されている。

【００２５】アキュムレータ４は、その約下半分に作動
油６が収容され、その上部には油面を加圧する高圧ガス
７が収容されている。油圧配管５が、シリンダ３ａのピ
ストン下室の作動油６と、アキュムレータ４内の作動油
６とを連通させる。

【００２６】こうしてアキュムレータ４内の高圧ガス７
により構成されるガス・バネ機構を上下方向バネに用い
た上下免震構造の構成方程式は、次のようになる。

【００２７】（１）アキュムレータ４内の釣り合いは、
Ｐ_０Ｖ_０ ^ｎ＝Ｐ（Ｖ_０−ΔＶ）^ｎとなる。但し、Ｐ_０は
自重と釣り合うアキュムレータ４の内圧（高圧ガス７の
圧力）、Ｖ_０はガス７の体積、ΔＶはシリンダー・ロッ
ド機構３におけるピストンによる体積変動、Ｐはシリン
ダー・ロッド機構３に収容した作動油の圧力、ｎはポリ
トロープ指数である。

【００２８】（２）前記シリンダー・ロッド機構３にお
けるピストン３ｂによる体積変動ΔＶは、ΔＶ＝ｘＡと
なる。但し、ｘはシリンダー・ロッド機構３におけるピ
ストン３ｂの上下変位量であり、Ａはピストン３ｂの受
圧面積である。

【００２９】（３）シリンダー・ロッド機構３における
釣り合いは、Ｆ＝ＰＡとなる。ここで、Ｆはガス・バネ
機構の復元力である。

【００３０】（４）長期鉛直荷重の釣り合いは、Ｗ＝Ｐ
_０Ａとなる。但し、Ｗはロッド３ｃに加わる鉛直力であ
る。

【００３１】（５）上記（１）の式より、Ｐ＝Ｖ_０ ^ｎＰ
_０／（Ｖ_０−ΔＶ）^ｎとなる。

【００３２】（６）よってガス・バネ機構の復元力Ｆ
は、［数１］で表される。

【数１】

【００３３】（７）また、長期荷重支持状態の運動方程
式は、［数２］、［数３］で表される。

【数２】

【数３】

【００３４】上記［数３］中には鉛直荷重Ｗが含まれな
いため、Ｖｏ／Ａを各柱下の免震装置で一定にすれば、
総ての柱に対して上下の固有周期を同じにできる。した
がって、従来技術の第３課題であった柱の存在応力の不
明による上下振動のばらつきの問題を解決できる。

【００３５】図２は、請求項２記載の発明の実施形態を
示す。この実施形態は、図１に示す第１実施形態の構成
に、シリンダー・ロッド機構３とアキュムレータ４を連
結する油圧配管５の途中位置に流量調整弁（絞り弁）８
を設置した構成である。その他の構成は、図１の構成と
同じである。

【００３６】流量調整弁８を設けたので、この弁８の開
度を適宜設定することにより、設計値通りの減衰を上下
免震用バネ・ダンパー機構に設定できる。これによりバ
ネと減衰機構とを一体化できる。

【００３７】図３は、請求項３記載の発明に係る上下免
震構造の実施形態を示す。

【００３８】この第３実施形態は、図１又は図２に示し
た実施形態の構成に対し、上部構造２のロッキング振動
を防止するため、平行運動するロッキング防止リンク機
構９を設置した構成を特徴とする。その他の構成は、図
１及び図２の構成と同じである。

【００３９】一般に、上下免震構造の鉛直固有周期を長
くした場合、免震層で発生するロッキング振動の問題が
懸念される。しかし、図３に示す実施形態によれば、リ
ンク機構９によって平行運動に規制されるので、ロッキ
ング振動に関しては剛性が高くなり、純粋な上下方向震
動にのみ固有周期を長くできる。

【００４０】図４は、請求項４記載の発明に係る上下免
震構造の実施形態を示す。

【００４１】この第４実施形態は、図１〜図３に示した
各実施形態の構成を前提とし、上部構造２の上下方向震
動をガイドするスライド機構（ベアリング機構）１０
を、下部構造１に附属する外周壁１ａを利用して設けた
構成を特徴とする。その他の構成は、図１〜図３の構成
と同じである。

【００４２】この実施形態では、上下免震構造の上部構
造２と下部構造１の間に、上下に可動で、水平方向の変
位は拘束するスライド機構１０を設置したため、下部構
造１と上部構造２とが水平方向へ一体に震動するところ
となり、シリンダー・ロッド機構３に加わる水平せん断
力を低減できる。

【００４３】次に、図５以下には、請求項５記載の発明
に係る、上述した上下免震構造の施工方法の枢要な工程
を順に示している。

【００４４】まず、図５Ａは、第１の工程として、シリ
ンダー・ロッド機構３を下部構造１の上に垂直姿勢に設
置した段階を示す。図５Ｂは更に、アキュムレータ４を
設置し、前記シリンダー・ロッド機構３と油圧配管５で
接続した段階を示している。この段階では、アキュムレ
ータ４内のガス圧力は大気圧と同じ状態にしておく。な
お、この第１工程は、図５Ｂに示すように、シリンダー
・ロッド機構３のみを下部構造１上に施工して、以下の
施工を進めてもよい。この場合には免震用バネは、まだ
形成されていない。

【００４５】図６は、第２工程として、前記シリンダー
・ロッド機構３の施工と略同時に、又はその後に、上部
構造２（鉛直重荷）を支持する仮受け治具１１をシリン
ダー・ロッド機構３の外周に集中させた配置で、下部構
造１の上に設置した段階を示す。前記仮受け治具１１
は、上部構造２の建築中はその鉛直荷重を支持し、シリ
ンダー・ロッド機構３に負担をかけない構造と配置とす
る。

【００４６】図７は、前記仮受け治具１１に支持された
上部構造２の建築を開始した段階を示す。図８は、上部
構造２が竣工し、その後、アキュムレータ４内へ高圧ガ
ス・ボンベ１２から上述の高圧ガスを注入することによ
り、バネ機構を形成する段階を示す。即ち、シリンダー
・ロッド機構３のピストン下室へ作動油６を供給し、上
部構造２を支持し得るアキュムレータ４とピストン下室
へ与えて上部構造２の支持を盛り替える。

【００４７】図９は、最終工程として、前記高圧ガスの
注入によってシリンダー・ロッド機構３に鉛直荷重の支
持力が生じた段階（上下バネが形成された段階）で、支
持力を盛り替えて、全ての仮受け治具１１を撤去した段
階を示す。

【００４８】全てのアキュムレータ４へ高圧ガスを注入
し、仮受け治具１１を撤去して、上下免震構造が完成す
る。よって、従来技術に関して述べた第１及び２の課題
を解決できる。

【００４９】以上は、本発明の好適な実施形態について
説明したが、本発明の要旨を逸脱することなく種々の変
形、変更が可能である。例えば、第３実施形態（図３）
では、第１の実施形態（図１）に、流量調整弁８及びロ
ッキング防止リンク機構９の両方を追加したが、第１実
施形態にロッキング防止リンク機構９のみを追加しても
よい。また、第４実施形態（図４）では、第１実施形態
に、流量調整弁８、ロッキング防止リンク機構９及びス
ライド機構１０の総てを追加したが、第１実施形態にス
ライド機構１０のみを追加してもよい。あるいは第１実
施形態に、ロッキング防止リンク機構９及びスライド機
構１０のみを追加してもよい。

【００５０】

【本発明の奏する効果】請求項１〜４記載の発明に係る
上下免震構造によれば、ガス・バネを用いた上下免震構
造を採用することにより、大きな変形量や荷重に耐える
ことができ、その設計も容易である。また、構造が簡単
且つ小形であるため、その施工も容易である。よって、
建築物の耐震性を大幅に改善することができる。

【００５１】また、配管系統に油圧配管を使用し、高圧
ガスについては通常市販されている高圧アキュムレータ
を使用できるため、設計や認定上の問題が生じない。

【００５２】さらに、本発明は、弁機構を外付けしてい
るために、免震システム完成後に、減衰の調整が自在で
あるというなどの顕著な効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１記載の発明の実施形態を示す立面図で
ある。

【図２】請求項２記載の発明の実施形態を示す立面図で
ある。

【図３】請求項３記載の発明の実施形態を示す立面図で
ある。

【図４】請求項４記載の発明の実施形態を示す立面図で
ある。

【図５】Ａ、Ｂは請求項５記載の発明の第１工程を示す
立面図である。

【図６】第２工程を示す立面図である。

【図７】第３工程を示す立面図である。

【図８】第４工程を示す立面図である。

【図９】最終工程を示す立面図である。

【符号の説明】

１下部構造２上部構造３シリンダ・ロッド４アキュムレータ５油圧配管３ａシリンダ６油３ｃロッド３ｂピストン７ガス８流量調整弁９ロッキング防止リンク機構１０ベアリング機構（スライド機構）１１仮受け治具

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者濱口弘樹千葉県印西市大塚一丁目５番地１株式会社竹中工務店技術研究所内 (72)発明者米田玄次東京都中央区銀座八丁目21番１号株式会社竹中工務店東京本店内 (72)発明者名倉繁樹東京都中央区銀座八丁目21番１号株式会社竹中工務店東京本店内 (72)発明者遠山幸太郎東京都中央区銀座八丁目21番１号株式会社竹中工務店東京本店内Ｆターム(参考） 3J048 AA06 AC04 BE02 BE03 DA03 EA38

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ピストンの下室に作動油を収容したシリン
ダー、及び該シリンダー内を上下方向へ移動するピスト
ンとそのロッドを備え、上部構造と下部構造の間の免震
層に垂直姿勢に設置されたシリンダー・ロッド機構と、作動油及び加圧ガスを収容したアキュムレータと、前記シリンダー・ロッド機構のピストン下室と前記アキ
ュムレータ内の作動油部位とを接続する油圧配管とから
なり、前記シリンダ・ロッド機構のシリンダとロッドのいずれ
か一方が上部構造と、他方が下部構造と結合されている
ことを特徴とする、ガス・バネによる上下免震構造。
【請求項２】油圧配管の途中に絞り弁を有することを特
徴とする、請求項１に記載したガス・バネによる上下免
震構造。
【請求項３】下部構造と上部構造の間の免震層に、下部
構造と上部構造を連係するロッキング防止リンク機構が
設けられていることを特徴とする、請求項１又は２に記
載したガス・バネによる上下免震構造。
【請求項４】上部構造の上下振動をガイドするスライド
機構を設けていることを特徴とする、請求項１〜３のい
ずれか一に記載したガス・バネによる上下免震構造。
【請求項５】ピストンの下室に作動油を収容するシリン
ダー、及び該シリンダー内を上下方向に移動するピスト
ン及びそのロッドを備えたシリンダ・ロッド機構を、上
部構造と下部構造の間の免震層においてシリンダーとロ
ッドのいずれか一方を下部構造と結合して垂直姿勢に設
置する段階と、下部構造上に上部構造を支持する仮受け治具を設け、仮
受け治具の上に上部構造の構築を進める段階と、上記シリンダー・ロッド機構のピストン下室とアキュム
レータを油圧配管で接続し、上部構造の竣工後に、前記
シリンダー・ロッド機構のピストン下室へ作動油を供給
し上部構造を支持し得る圧力をアキュムレータとピスト
ン下室へ与えて上部構造の支持を盛り替え、その後、上
記仮受け治具を撤去する段階とよりなることを特徴とす
る、ガス・バネによる上下免震構造の施工方法。