JP2003269007A - 免震装置 - Google Patents

免震装置

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JP2003269007A
JP2003269007A JP2002118562A JP2002118562A JP2003269007A JP 2003269007 A JP2003269007 A JP 2003269007A JP 2002118562 A JP2002118562 A JP 2002118562A JP 2002118562 A JP2002118562 A JP 2002118562A JP 2003269007 A JP2003269007 A JP 2003269007A
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support disk
building
isolation device
seismic isolation
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JP2002118562A
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Takeshi Ichiyanagi
健 一柳
Yuji Kotake
祐治 小竹
Hidenari Matsuo
英成 松尾
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Senqcia Corp
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Hitachi Metals Techno Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 構成が簡単であり、変形能、復元力の低下を
防止できる免震装置を提供する。 【解決手段】 免震装置は、鋼球2と、鋼球2の上下に
凹球面3a、4aにより接する上部支持円板3及び下部
支持円板4と、上部及び下部支持円板3,4の各側面を
包むチューブ部5b,5b間で外周方向に膨らむベロー
ズ部5aを有するゴム体と、各チューブ部5b,5bを
上部及び下部支持円板3,4に締め付ける各バンド6,
6とから構成し、上部支持円板3が建築物に、下部支持
円板4を基礎に固定したもので、ベローズ部5aにより
大きく変形し、また凹球面3a,4a間の鋼球2の転動
による重力ばねとベローズ部5aのゴムばねにより復元
力を発生する。

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は、建築物とそれを支
持する基礎との間に設置する免震装置に係り、特に地震
力により生ずる建築物と基礎の相対的ずれの許容度が大
きく、かつずれを元に戻す復元力に優れた免震装置に関
する。 【0002】 【従来の技術】地震力に対する建築物の構造設計におい
ては、地震に耐える強度を建築物に持たせる従来の耐震
構造に加えて、建築物に伝達される地震力を低減させる
免震構造が導入されるようになってきた。耐震構造の場
合、建築物とそれを支持する基礎は直接的に結合してい
るため、建築物は地震力に大きな影響を受けて、大地震
のときは激しく揺れる。一方、免震構造の場合、建築物
と基礎との間に地震力を減免する免震装置、いわゆる
“アイソレータ”を介在させるため、建築物への地震力
の影響は減少し、揺れの激しさを緩和するが、建築物と
基礎との間にずれが生じて、揺れが大きくなり、また揺
れが止まりにくくなる。 【0003】従来の免震装置としては、特開平10−1
59381号公報に記載されたアイソレータがある。図
7に示すように、このアイソレータ30は、アイソレー
タ要素31として、鋼球33をゴム32Aによりくるみ
上下に鋼球33に接する平板34,35を配したものを
用いており、そして平面的に配置した一群のアイソレー
タ要素31を上下で保持板41〜45により挟むよう
に、保持板41〜45と一群のアイソレータ要素31と
を交互に積層して多層(例えば4層)構造にしたもので
ある。鋼球33は建築物の荷重を支える機能を有し、ゴ
ム32Aは建築物の変位に対応して変形しかつ復元する
機能を有する。地震が発生したとき、各アイソレータ要
素31のゴム32Aが変形すると共に鋼球33が転動す
ることによって、建築物が基礎に対して水平方向に相対
的変位し、そしてゴム32Aの復元機能によって両者間
の位置を元に戻す。しかしながら、個々のゴムの変形能
が小さいことから、アイソレータは上記の多層構造のよ
うに複雑になるという問題があり、また建築物と基礎間
の相対変位が大きいとゴムに無理な力がかかり、ゴムの
復元力が劣化し易いという問題があった。 【0004】他のアイソレータ要素として、図8(a)
に示すように、鋼球33を直円筒状ゴム32B内に入れ
上下に鋼球33に接する平板34,35を配したものが
あり、また図8(b)に示すように、中央部が凹んだ鼓
形筒状ゴム32Cもある。しかし、これらアイソレータ
要素も、図7に示すアイソレータ要素31と同様、ゴム
の変形能、復元力の点で満足できるものではなかった。 【0005】また、ボールベアリング方式の免震装置と
して1924年に特許出願されたものがある(特許N
o.61135号)。この発明「建築物耐震装置」は、
基礎と脚柱に凹面の皿型盤を設け、それらを相対させ
て、ボールベアリングをはめ込み建物を支持する装置で
ある。しかし、この装置は概念の域を脱しきれず、実用
化への配慮が欠けていた。 【0006】 【発明が解決しようとする課題】従来の免震装置は、上
記のアイソレータに見られるように、多層構造で複雑な
構成となり、そして鋼球を内蔵するゴムの変形能や復元
力が劣化するという問題があった。また、上記のボール
ベアリング方式の免震装置は概念の域を脱しきれず、実
用化への配慮が欠けていた。 【0007】本発明は、これらの問題を解決して、構成
が簡単で、変形能及び復元力の低下を防止できる免震装
置を提供することを目的とする。 【0008】 【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の免震装置は、建築物とその建築物を支える
基礎との間に設置される装置において、球と、その球の
上側に接する凹球面を有する上部支持円板と、球の下側
に接する凹球面を有し上部支持円板に対向する下部支持
円板と、上部支持円板及び下部支持円板それぞれの側面
を包む各チューブ部及びこれらチューブ部間で外周方向
に膨らんだベローズ部を一体にしたゴム体と、各チュー
ブ部をそれぞれ上部支持円板及び下部支持円板に締め付
ける各バンドとから構成し、かつ各凹球面の半径を、両
凹球面に挟まれた球の振り子運動の固有振動数が地震の
振動数範囲より小さくなるように設定し、上部支持円板
が建築物に固定され、下部支持円板が基礎に固定されて
いることを特徴とする。 【0009】上記の免震装置において、地震がおきた
時、上部支持円板と下部支持円板は両者間に挟んだ球を
転動させながら相対的に左右に移動し、これにより建築
物に伝達する地震力が低減される。ゴム体のベローズ部
が上部支持円板と下部支持円板の相対変位に応じて伸縮
するとき、ベローズ部の弾性、すなわちゴムばねにより
上部、下部支持円板間の相対変位を減少させる方向に復
元力が発生し、それと共に球が建物の重量を支えながら
凹球面の最下点に戻ろうとする、いわゆる重力ばねによ
る復元力が発生する。ベローズは外周方向に膨らんでい
るので大きな変形能をもつことができ、また重力ばねの
復元力の故にベローズの負担が小さくなり、ゴムの疲労
が小さくなるので、ベローズ部の劣化を防ぐことができ
る。 【0010】 【発明の実施の形態】以下、図面を用いて、本発明の実
施の形態である免震装置について説明する。図1は実施
の形態の免震装置の構成を示す縦断面図、図2は免震装
置を建物と基礎間に設置した状態を説明する図、図3は
免震装置の変形を示す図である。免震装置は建築物とそ
れを支える基礎との間に設置され、地震時に基礎から建
築物に伝達する地震力を緩和し、建築物を保護する装置
である。 【0011】図1に示すように、免震装置1は、球とし
ての鋼球2と、鋼球2の上側に接する凹球面3aを有す
る上部支持円板3と、鋼球2の下側に接する凹球面4a
を有する下部支持円板4と、各支持円板3,4を連結す
るゴム体5と、ゴム体5を各支持円板3,4に締結する
バンド6とから構成されている。凹球面3a及び凹球面
4aは半径Rでもって形成されており、そして各凹球面
の周縁には、ゴム体5を傷つけないように丸みを設けて
いる。ゴム体5は、各支持板3,4間に形成される空間
を含んで外周方向に膨らんだベローズ部5aとベローズ
部5aの上側で上部支持円板3の側面を包み込むチュー
ブ部5bとベローズ部5aの下側で下部支持円板3の側
面を包み込むチューブ部5cとが一体となって構成され
ている。チューブ部5b、5cにはその上下端を縁とる
よう環状突起5dが設けれられ、これら上下環状突起5
d、5d間にバンド6が取り付けられる。 【0012】免震装置1は、図2に示すように、上部支
持円板3の上面を建築物8に、下部支持円板4の下面を
基礎9に、それぞれボルトにより固定して平面的に適宜
数設置される。本発明の免震装置1は、ゴム体のベロー
ズ部により大きな変形能を有するため、建築物8と基礎
9との間に単層で設置する。 【0013】図3に示すように、地震が起きた時、免震
装置1は、上部支持円板3と下部支持円板4は鋼球2を
挟んで相対的に左右に距離xだけ移動する。鋼球2は凹
球面3aと凹球面4aに接して転動して距離x/2移動
し、そしてゴム体5は距離xに応じて伸びる。このと
き、免震装置1においては、凹球面3a、凹球面4a、
鋼球2の組み合わせ構造により重力ばねによる復元効果
が生じると共にベローズ部5aのゴムばねによる復元効
果が生じる。 【0014】次に免震装置1の重力ばねについて検討す
る。半径Rの凹球面上を鋼球が重力ばねにより往復動す
る運動は、単振り子(図5(a)参照)としてモデル化
できることは周知である。図4に示すように、振り子の
重りを質点と仮定して質量m、振り子の長さR、振り角
θとすると、運動方程式は図5の式(1)で表される。
式(1)は、質量mとそれをを釣り下げたばね定数kの
ばねからなる振動系(図5(b)参照)の無減衰自由振
動を表す運動方程式(2)と同形である。式(1)のm
g/Rは式(2)のkに対応することから、変位量θに
ついての重力ばね定数k=mg/Rと表される。また
式(1)から単振り子の固有円振動数ω=√(g/
R)、固有振動数f=1/2π・√(g/R)が求め
られる。ω及びfは質量に無関係に決まる値であ
る。目安として、上下部支持円板3,4の凹球面の半径
Rを重力ばねの固有振動数を元に算定すると、地震の振
動数1〜10Hzより低い例えば0.5Hzに設定すれ
ば、式(5)より半径Rはほぼ1mとなる。免震装置の
実用上では、さらにゴムばねを考慮して、半径Rを修正
することになる。ところで、地震による揺れの大きさ
(x)は、大きな建築物、例えば、高層ビル、いわゆる
高層マンションなどでは±0.3mを想定する。 【0015】免震装置1における復元力Fは、重力ばね
による復元力Fとゴムばねによる復元力Fの合計で
ある。図6に示すように、免震装置1の1つにかかる建
築物の荷重をWとし、それを鋼球2の重量とする仮定す
ると、上部支持円板3と下部支持円板4間の相対変位x
のとき、x方向の復元力Fは次のように求められる。 F=Fcosθ+F (6) F=kθcosθ+kx=mg/R・θcosθ+kx (7) 鋼球2の水平方向の移動距離x/2=Rsinθ、θが
小さいときRθ≒x/2、cosθ≒1で、またmg=
Wであるから、上部支持円板3と下部支持円板4間の変
位xにおける復元力は次の式(8)により求めることが
できる。 F=W/R・x/2R+kx=W/R・x/2+kx (8) 【0016】以上説明したように、本発明の免震装置
は、ベローズ部をもつゴム体により建築物と基礎間での
大きな変位を許容することができるので、従来のように
アイソレータ要素を多層に構成した複雑な装置とは異な
り、単層の簡単な装置にすることができる。また本発明
の免震装置は、球と凹球面から生じる重力ばねとゴム体
のゴムばねの両ばねを利用して復元力を生じるように構
成したので、ゴム体の疲労を抑制して劣化を防ぐことが
できる。 【0017】なお、本発明の免震装置のベローズ部内に
鋼球の防錆のために防錆油またはグリースをいれること
が好ましい。また鋼球、上下部支持円板の凹球面は耐摩
耗性を持たせるために表面硬化することが望ましい。鋼
球の代わりに硬い金属球またはセラミック球を用いてる
こともできる。 【0018】 【発明の効果】本発明によれば、免震装置は、球に凹球
面で接する上下部支持円板をベローズ部をもつゴム体で
結合して構成するので、簡単な構造で建築物と基礎間の
大きな相対変位にも対応でき、また球と凹球面の構成に
より生じる重力ばねとゴム体のばねにより生じる復元力
を利用するので、ゴム体の負担を軽減し、ゴムの疲労、
劣化を抑制することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】 【図1】本発明の実施の形態となる免震装置の構成図で
ある。 【図2】免震装置を建物と基礎間に設置した状態を説明
する図である。 【図3】実施の形態の免震装置の変形を示す図である。 【図4】免震装置のばね定数を説明する図である。 【図5】免震装置の振動を説明するための運動方程式で
ある。 【図6】免震装置の復元力を説明する図である。 【図7】従来の免震装置であるアイソレータの構成図で
ある。 【図8】従来のアイソレータ要素の構成図である。 【符号の説明】 1 免震装置 2 鋼球 3 上部支持円板 3a 凹球面 4 下部支持円板 4a 凹球面 5 ゴム体 5a ベローズ部 5b,5c チューブ部 6 バンド 7 建築物 8 基礎

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 【請求項1】 建築物と該建築物を支える基礎との間に
    設置される免震装置において、球と、該球の上側に接す
    る凹球面を有する上部支持円板と、前記球の下側に接す
    る凹球面を有し前記上部支持円板に対向する下部支持円
    板と、前記上部支持円板及び前記下部支持円板それぞれ
    の側面を包む各チューブ部及び該両チューブ部間で外周
    方向に膨らんだベローズ部を一体にしたゴム体と、前記
    各チューブ部をそれぞれ前記上部支持円板及び前記下部
    支持円板に締め付ける各バンドとから構成し、かつ前記
    各凹球面の半径を、両凹球面に挟まれた前記球の振り子
    運動の固有振動数が地震の振動数範囲より小さくなるよ
    うに設定し、前記上部支持円板が前記建築物に、前記下
    部支持円板が前記基礎に固定されていることを特徴とす
    る免震装置。
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