JP2003328588A - 複数個球体二重転がり支承体及び過変位抑制機構から成る免震装置、及び他の油圧装置又は積層ゴム装置との組み合わせによる免震構造体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】鉛直荷重に比例した複数個の球体を用い応力集
中による受け皿の損傷を避けるとともに、球体相互の衝
突を避ける。 【解決手段】建屋の異なる荷重の隅柱、側柱、中央柱下
に、二重皿の上板４と二重皿の下板５との間に建屋加重
を支える複数個の球体１を、１球体当たりの支持荷重が
一様になるようその荷重に比例した数だけ円周上に球体
個数Ｎで、放射状に等間隔に穴をあけ、その穴に球体１
を装填し、また、摺動する複数個の球体１同士が互いに
接近せぬように穴を配置した中間板３とから構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、建築構造物の中で
も軽量な戸建住宅及びコンピュータ室、美術館などコン
ピュータ機器および美術品などの水平動及び転倒を嫌う
用途の建築物の免震のために供される二重転がり支承体
及び油圧装置又は積層ゴム装置との組み合わせによる免
震構造物。

【０００２】

【従来の技術】構造物の免震構造は基本的には構造物の
重力（鉛直力）を支える機構と地震力（水平力）に対し
構造物と基礎との間に水平剛性を低く押さえ長周期化す
る機構の両者から構成され、この構成された機構を免震
装置（免震システム）と呼称している。この免震装置に
は鉛直力に耐える機構と水平力をうけ流す機構が、一体
になった装置（免震システム）と両者の機構が独立に、
かつ並列に構成された装置（免震システム）とがある。
それらが構造物と基礎との間に設けられ地震から免れる
免震構造システムを構成している。

【０００３】前者には積層ゴム免震装置があり、又後者
には球体（ボールベアリング）を用いた湿式又は乾式の
一重又は二重転がり支承体などが提案されている。軽量
な戸建住宅及びコンピュータ室、美術館などコンピュー
タ機器および美術品などの水平動及び転倒を嫌う用途の
建築物には、後者の球体を用いた湿式又は乾式の一重又
は二重転がり支承体が用いられ、球体を用いた二重転が
り支承体には、過変位抑制機構として油圧装置又は積層
ゴム装置が並列に組み合わされている。

【０００４】球体（ボールベアリング）を用いた場合の
支承体は、球体が転がる皿が基礎側に１枚敷かれた場合
と球体が転がる皿が上部構造体側と基礎側に１枚づつ、
都合２枚敷かれた場合とがある。前者では上部構造体に
ケーシングが固定されており、機構は二重ボールベアリ
ングか、または湿式転がり又は乾式転がりのいずれかの
方式である。 いずれにしてもループベアリング機構な
どを除き、球体の数は１つである。

【０００５】戸建住宅の隅柱、側柱、中央柱下に従来型
の１球体（ボールベアリング）支承体を用いた場合、隅
柱、側柱、中央柱の支配面積に応じて、支承体が受ける
荷重は異なってくる。 建屋下部構造体にもよるが、支
承体の球体１つが受け持つ荷重は概ね、隅柱で１トンか
ら２トン、側柱で２トンから４トン、中央柱で６トンか
ら８トンに及び、特に、側柱、中央柱の応力集中が大き
く、球体及び受け皿の磨耗、圧痕は避けられない。 ま
た、隅柱、側柱、中央柱下の接触支圧力、摩擦力が異な
ってくる結果、ビル物に比べ、軽量な戸建住宅の場合、
その免震設計における建屋全体重量と支承体の数、配置
の関係が漠然としたものとなっている。

【０００６】二重ボールベアリング機構又は二重皿免震
支承体は、入力地震時の入力加速度に対する建物の応答
加速度の比（入力地震加速度の低減率）は概ね、１／６
−１／８、１重皿湿式転がり又は乾式転がり免震支承体
では１／３−１／４となっている。 その結果、応答変
位は、おおよそ前者は後者の倍となり、前者は変位を押
さえるための減衰装置として油圧又は積層ゴム装置を必
要とする。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】球体と平面についての
ヘルツの弾性接触理論によると、球体（ボールベアリン
グ）と皿（平板）の接触面積はそれら鋼材の弾性係数Ｅ
１、Ｅ２及びポアソン比ν１、ν２にも係るが、球体が
受ける荷重Ｗと球体の半径Ｒの積の１／３乗に比例す
る。 また接触支圧力は球体が受ける荷重Ｗの１／３乗
に比例し、球体の半径Ｒの２／３乗に逆比例する。

【０００８】ヘルツの弾性接触理論により、従来型の１
球体（ボールベアリング）支承体の場合、球体を単体で
用いているため、球体と受け皿が点接触となり、応力集
中は大きく、それを回避するために、球体の径を大きく
する事、また受け皿の鋼材についても強い強度の材料が
必要とされる。 それゆえ、球体の数を増し、球体と受
け皿間の応力集中の緩和が課題となる。

【０００９】球体（ボールベアリング）を単体で用いた
場合の二重ボールベアリング支承体は、免震性能の面で
は良いが、機構が複雑となる。 本発明は、鉛直荷重に
比例した複数個の球体を用いることにより、応力集中に
よる受け皿の損傷を避け、また材料も通常の強度のもの
を用いることが出来るが、複数個の球体を用いると、球
体間の衝突が問題となり、機構として同一径の球体を合
い接近せぬような工夫が課題となる。

【００１０】また、本装置は図１に示すように、二重受
け皿の転がり装置であるため、免震性能（地震入力加速
度低減性能）は良い分、地震時における構造物と基礎と
の相対変位が大きくなる。 それゆえ、変位抑制のため
の減衰装置として他の油圧又は積層ゴム装置との併用が
必要となる。 その簡易な代用として、過変位抑制摩擦
減衰機構２をクローズドした免震システムとして、過大
な変位を回避し、また転がり変位を調整する摺動摩擦減
衰機構を備えさせることが課題となる。

【００１１】

【課題を解決するための手段】地震時に図１上下２枚
４、５の皿間に摺動する複数個の球体（ボールベアリン
グ）１を任意に配置すると、地震時に当初の位置を変
え、また球体同士の衝突の恐れが有る。このため、図
１、図２に示すように球体を納める中間板（スペーサ
ー）３を設け、地震時に摺動する複数個の球体がお互い
にぶつかることなく、また合い接近せぬように転がる手
段を講じる。

【００１２】この中間板（スペーサー）３に建屋の隅
柱、側柱、中央柱の支配面積（軸力の大きさ）に比例し
て必要な球体（ボールベアリング）の数だけ、図２に示
すように円周上に等間隔に穴を開け、その穴に球体を納
める。 この中間板３により、複数個の球体１は、地震
時に最初に設定したお互いの距離を保ち、かつ球体同士
が衝突することなく摺動する。また球体同士が当初の距
離を保持するため、建屋から流れてくる軸力を支承体内
の各球体が同じ支圧力を受けることを可能ならしめる。

【００１３】この中間板（スペーサー）３は、鋼板で出
来ており、ある重さを有している。その結果、以下の２
つの点が危惧される。

【００１４】１つは、地震時に、この中間板（スペーサ
ー）３は慣性力をもち、建屋が左右に動き、動きが反転
する際、この慣性力の球体面の接線方向の成分力によ
り、この中間板３は持ち上がり、上部構造体にセットさ
れた上皿４と球体１間に挟まれ、球体１がこの中間板３
から外れ、免震装置としての機能を果たさなくなる恐れ
がある。

【００１５】他の１つは、地震時に球体１と中間板３は
相互に、擦れ合い、球体１と中間板３は相互に磨耗しあ
う恐れがある。

【００１６】前者の恐れに対しては、図２、図３に示す
ように球体を納めるケーシング６を設ける。これによ
り、中間板（スペーサー）３が上部構造体にセットされ
た上皿４と球体１の間に挟まれる前に、ケーシング６頂
部が上部構造体上皿４に当り、上皿４と球体１の間に挟
まれることはない。

【００１７】後者の恐れに対しては、図３に示すように
球体１を納めるケーシング６の裏側に球体１（ボールベ
アリング）とケーシング６間の摩擦、また軋み音を減ず
るためのトライポロジー技術の四フッ化樹脂（ＰＴＦ
Ｅ）７を焼きつけたコーテイングリムを装着することに
より、直接球体１とケーシング６が触れることなくこの
欠点を解決できる。

【００１８】また、本装置図１は二重受け皿の転がり支
承体であるため、免震性能（地震入力加速度低減性能）
が良い分、地震時における構造物と基礎との相対変位は
大きくなる。 それゆえ、過大な変位を抑制し、また転
がり変位を調整するため、図４に示すように四フッ化樹
脂（ＰＴＦＥ）を焼きつけた摺動摩擦弾性負荷バネ機構
２を中間板（スペーサー）３の球体群中心部に備える。

【００１９】この摺動摩擦変位抑制機構２は、図４に示
すように四フッ化樹脂ＰＴＦＥ材を圧着した刷子８と扁
平な弾性バネ９から構成されている。 この弾性バネ９
は、ゴム単体、積層ゴム、機械的スプリングなどが考え
られる。

【００２０】転がり過変位を抑制する摩擦力Ｆは摺動摩
擦材に用いた四フッ化樹脂（ＰＴＦＥ）の摩擦係数と、
その面圧調整可能な図４に示した摺動摩擦変位抑制機構
２の中間に挟んだ単（積）層ゴムまたは機械的スプリン
グの弾性バネ９力の積で決まる。

【発明の実施の形態】

【００２１】支配軸力に対して、図２に示すように、そ
の大きさに比例した球体１の数を転がり皿間に装填すれ
ば、１球体当りの応力は均等なしめることが出来る。
それにより、球体１と上下の皿（平板）４、５の接触圧
は１球体支承体に比し、複数球体支承体１の接触圧は比
例的に小さくすることが可能で、球体１の磨耗、上下皿
４、５の圧痕を軽減できる。

【実施例】

【００２２】複数球体の配置は、図２に示すように外輪
（半径：球体と中心の過変位制御装置の大きさにより決
まる）円周上を球体個数Ｎで、放射状に均等に分割した
ようにように配置する。 この様に、球体を配置するこ
とにより、、建屋からの隅柱、側柱、中央柱下の球体に
懸る異なる接触支圧力（軸力）を均等ならしめることが
出来る。

【００２３】球体１と過変位制御装置２の中間板（スペ
ーサー）３における平面配置の例、 例１．球体数が３個の場合、図２の上に示すように、中
間板（スペーサー）３の中心に過変位制御装置２を配置
し、その外周に角度１２０度間隔に均等に球体１を３個
配置する。 例２．球体数が５個の場合、図２下に示すように、中間
板（スペーサー）３の中心に過変位制御装置２を配置
し、その外周に角度７２度間隔に均等に球体１を５個配
置する。同様に、球体数がＮ個の場合、中間板（スペー
サー）３の中心に過変位制御装置２を配置し、その外周
に角度（３６０／Ｎ）度間隔に均等に球体１をＮ個配置
する。 また幾何学的に、球体１の数が多くなり、配置
上無理が有る場合は、二重外輪状に配置する。

【００２４】中間板（スペーサー）３の球体１が納まる
開口の穴径Ｄ２と球体（ボールベアリング）１の外径Ｄ
１の関係は図３に示すように、

【００２５】

【数１】Ｄ２＞Ｄ１ ・・・（１）

【００２６】となる。

【００２７】球体１群の中心にある過変位制御装置２を
用いない場合、（他の油圧装置又は積層ゴム装置との組
み合わせにより免震効果を機能するシステムとする場
合）、中間板（スペーサー）３が離脱落下しないよう
に、図３に示すように、中間板（スペーサー）３の開口
部に外輪状にリング状ケーシング６を設ける。茲に、球
体１とリング状ケーシング６内側は密着するような、ほ
ぼ同じ曲率とする。

【００２８】また、このリング状ケーシング６は、地震
時に、建屋が左右に反転し、球体１、中間板（スペーサ
ー）３が転がり摺動する際、慣性力が働き、建屋下部に
取り付く支承体上皿４と球体１の間に巻き込まれる事を
回避する役目を果たす。 中間板（スペーサー）３から
外輪状のリング状ケーシング６上端までの高さＨ２と中
間板（スペーサー）３から上皿４までの高さＨ３との関
係は、リング状ケーシング６上端が建屋下部に取り付く
支承体上皿４に接触することを避けるために、

【００２９】

【数２】Ｈ２＜Ｈ３ ・・・（２）

【００３０】となる。

【００３１】中間板（スペーサー）３の上下にセットし
た１組の変位制御装置２の無負荷状態での高さＨ１と球
体の外径Ｄ１の関係は図４に示すように、

【００３２】

【数３】Ｈ１＞Ｄ１ ・・・（３）

【００３３】となる。

【００３４】Ｈ１とＤ１の差δは、

【００３５】

【数４】δ＝Ｈ１−Ｄ１ ・・・（４）

【００３６】となる。

【００３７】式（４）は１支承体の球体群と過変位制御
装置の軸力負担の配分比を決定する。 過変位制御装置
の軸力負担の配分、すなわち支圧力Ｎと１組の過変位制
御装置の摺動刷子の四フッ化樹脂（ＰＴＦＥ）を焼きつ
けた刷子の摩擦係数ηとの積、

【００３８】

【数５】Ｆ＝２ｘＮｘη ・・・（５）

【００３９】が摩擦力となる。

【００４０】この摩擦力は免震装置としての初動開始力
と変位抑制性能を決定する。過変位制御装置の平面形状
は摺動時の方向性を持たせないため円形状とする。

【００４１】建屋の総重量Ｗは建屋下部に配置された全
ての球体総数ΣＮ１が負担する重量Ｗ１と全ての変位制
御装置総数ΣＮ２が負担する重量Ｗ２に分配される。

【００４２】

【数６】Ｗ＝Ｗ１＋Ｗ２ ・・・（６）

【００４３】

【００４４】重量Ｗ１と重量Ｗ２の分配は式（４）のδ
で決定される。 １） Ｈ１＜Ｄ１の場合は、Ｗ＝Ｗ１で、免震システム
は完全な二重皿転がり支承体となり、支承体の摩擦係数
はη＝０．０００７前後となる。また、 ２） Ｈ１＞＞Ｄ１の場合は、球体１と変位抑制性能２
の剛性比に比例するが、免震システムは摩擦支承に近か
づき、摩擦力は四フッ化樹脂（ＰＴＦＥ）の摩擦係数で
決まりη＝０．０７前後となる。いずれにしても Ｈ１
とＤ１の調整で、摩擦係数はη＝０．０７−０．０００
７の範囲で任意に設定できる。

【発明の効果】

【００４５】従来の１球体の転がり支承と異なり、球体
（ボールベアリング）１を複数個セットすることによ
り、１球体当りの支圧力を一定にすることが可能とな
り、安定した免震システムを実現できる。

【００４６】球体（ボールベアリング）１を複数個セッ
トすることにより、従来の１球体支承体に比較し支圧力
を大幅に低減出来る事になり、支圧力を受ける球体１の
摩耗、上下皿４、５の圧痕の軽減が出来る。 結果とし
て、廉価な材質の仕様を可能にし、また、鋼材の焼き入
れ、焼戻しなどの調質の手間を省くことができる。

【００４７】二重皿に球体１と過変位抑制機構２を一体
にして組み込むことにより、変位の少ない免震システム
を実現できる。 また過変位抑制機構２の代わりに、他
の油圧装置又は積層ゴム装置との組み合わせによる免震
システムも可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】複数個球体二重転がり支承体および過変位抑制
機構から成る免震装置

【図２】中間板（スペーサー）に配置された複数個球体
と過変位抑制機構

【図３】四フッ化樹脂（ＰＴＦＥ）を焼きつけたコーテ
イングリムを装着したリング状ケーシング

【図４】摩擦摺動変位抑制機構を構成する四フッ化樹脂
ＰＴＦＥ材９を圧着した刷子と扁平な弾性バネのタイ
プ、ゴム単体、積層ゴム、機械的スプリング

【符号の説明】

１ ・・・球体また球体群 ２ ・・・摺動摩擦過変位抑制機構 ３ ・・・中間板（スペーサー） ４ ・・・球体を受ける二重皿の上板 ５ ・・・球体を受ける二重皿の下板 ６ ・・・リング状ケーシング ７ ・・・リング状ケーシング裏側のに焼きつけた四フ
ッ化樹脂ＰＴＦＥ材 ８ ・・・摺動摩擦過変位抑制機構刷子に焼きつけた四
フッ化樹脂ＰＴＦＥ材 ９ ・・・弾性バネのタイプ、ゴム単体、積層ゴム、機
械的スプリング １０・・・摩擦摺動変位抑制機構刷子 Ｈ１・・・過変位制御装置の無負荷状態での高さＨ_１ Ｈ２・・・中間板（スペーサー）からリング状ケーシン
グ上端までの高さ Ｈ３・・・中間板（スペーサー）から上皿までの高さ、 Ｄ１・・・球体の外径 Ｄ２・・・中間板（スペーサー）の穴径

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】建屋荷重を支える複数個の球体（ボールベ
   アリング）を、建屋の異なる荷重の隅柱、側柱、中央柱
   下に、１球体当りの支持荷重を一様になるようその荷重
   に比例した数の球体を装填した支承体と、地震時の動き
   の中で、その支承体の球体（ボールベアリング）同士が
   お互いに接近せぬように設けた穴開き中間板（スペーサ
   ー）とから形成されていることを特徴とする複数個球体
   二重転がり支承体。
2. 【請求項２】地震時に、請求項１の中間板（スペーサ
   ー）が慣性力により二重転がり支承体の上皿（平板）と
   球体との接触面に挟まれることのないよう、中間板（ス
   ペーサー）開口部に装填された球体を上部から押さえる
   リング状ケーシングを取り付けたことを特徴とする複数
   個球体二重転がり支承体。
3. 【請求項３】球体（ボールベアリング）とケーシング間
   の摩擦、また軋み音を減ずるためのリング状ケーシング
   裏側にトライポロジー技術の四フッ化樹脂（ＰＴＦＥ）
   等を圧着したコーテイングリムを備えたことを特徴とす
   る複数個球体二重転がり支承体。
4. 【請求項４】二重転がり支承体の構造体本体の上皿（平
   板）また基礎の下皿（平板）と中間板（スペーサー）の
   隙間の上下２層に、かつ球体（ボールベアリング）群の
   中心に、地震時における転がり過変位を抑制する摺動摩
   擦負荷材に四フッ化樹脂（ＰＴＦＥ）を圧着し、その面
   圧調整可能な積（単）層ゴムまたは機械的バネ機構を取
   り付けることを特徴とする過変位抑制機構。
5. 【請求項５】請求項１、２、３を組み合わせた二重転が
   り支承体と請求項４の過変位抑制機構の組み合わせによ
   り免震効果を機能することを特徴とする免震構造物。ま
   た請求項１、２、３の組み合わせと、請求項４に代わる
   他の油圧装置又は積層ゴム装置との組み合わせにより免
   震効果を機能することを特徴とする免震構造物。