JP2004332339A

JP2004332339A - 粗粒子を固めた免震支承装置

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Publication number: JP2004332339A
Application number: JP2003128424A
Authority: JP
Inventors: Yoshio One; 義男大根
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-05-06
Filing date: 2003-05-06
Publication date: 2004-11-25

Abstract

【課題】通常の状態では上部構造物に対し免震支承機能を有しない普通の支持柱として作用し、一定の設計値以上の地震力が働いたときにのみ免震支承機能を作動する免震支承装置を提供する。
【解決手段】免震支承装置１０は、ゴム層５と鋼板６とを交互に積層した筒状積層体４と、筒状積層体４の中空部分７に保持されている粗粒子２を固めた固化粗粒子体１とからなる。地震力が設計値以下では、固化粗粒子体１が上部構造物３１に対して支持柱として働くが、設計値以上では、固化粗粒子体１の骨格が破壊して支持柱としての機能を失うとともに固化から開放された粗粒子２が免震支承効果を発揮する。
また、免震支承装置１０の周囲に所定の地震力で破壊するように脆い材料で構成された揺れ防止棒２０を設けたものでもよい。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は土木構造物あるいは建築構造物と基礎との間に設けられた免震支承装置であって、所定の地震力以上の力が加わった場合に限って免震支承の機能が作動し、上部構造物に地震力が伝達するのを防止または軽減させる免震支承装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、上部構造物と基礎との間に設けられた免震支承装置においては地震力以外の力（例えば風など）が上部構造物に作用したとき、上部構造物が揺れ動くという不具合があり、それを解決するために以下のような方法が提案されている。
（１）特許文献１には、ゴム層と鋼板を交互に積層した積層ゴム層からなる免震支承装置の場合、積層ゴム層の中心部分に上下方向に延びる鉛製の棒状の部材を入れて鉛のエネルギー吸収特性により構造物の水平方向の低速の振動を吸収させる装置が開示されている。
（２）上部構造物と基礎との間に設けられた免震支承装置として、転がり支承あるいは滑り支承を用いているもので、上部構造物の重力によって生じる転がり支承部材あるいは滑り支承部材の静止摩擦力によって、風圧が上部構造物に作用しても、上部構造物が振動しないようになっている。
（３）上部構造物と基礎との間に設置された免震支承装置とは別にトリガー機構（制震装置）を設けるもので、所定の震度以上の地震力が働いたときに免震支承装置が作動するような構成として風圧などによる構造物の揺れを防止したものであり、トリガー機構としては磁石を使用したもの（特許文献２）、振動子により上部構造物の支持部材を破壊することにより免震支承装置が作動するようにしたもの（特許文献３）が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特公昭６１−１７９８４号公報
【特許文献２】
特開平１１−３５０７８６号公報
【特許文献３】
特開２０００−７４１３２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の（１）の場合は上部構造物が一戸建て住宅のような軽量構造物である場合は充分な荷重が得られず、従って充分な免震効果が得られないという問題がある。
また、（２）の場合は摩擦力を利用しているので上部構造物が軽量構造物である場合は充分な摩擦力効果を期待できないという問題があり、（１）と（２）の方法は地震力以外の外力に対してはある程度の効果は期待できるものの効果が小さい。
一方、（３）は、免震支承装置とは別にトリガー機構を設けているので一定の地震力以下の外力に対しては免震支承装置が働くことはない。しかし、免震支承装置とは別に、磁石や振動子からなるトリガー機構を設ける必要があった。
そこで、本発明では、別途トリガーを設けることなく通常の状態では上部構造物に対し免震支承機能を有しない普通の支持柱として作用し、一定の設計値以上の地震力に対してのみ作動する免震支承装置を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために本発明の免震支承装置は、土木構造物あるいは建築構造物と基礎との間に設けられる免震支承装置であって、中心部分が中空でゴム層と鋼板とを交互に積層した筒状積層体と、前記筒状積層体の中空部分に保持されている粗粒子を固めた固化粗粒子体とから構成されていることを特徴としている。
そして、上記の固化粗粒子体は、地震力が設計値を上廻った場合、固化粗粒子体の骨格が破壊する構成としている。
従って、地震力が設計値以下の状態では、固化粗粒子体が上部構造物に対して支持柱として働き、風圧などによって上部構造物が揺れ動くことが防止されている。
一方、地震力が設計値以上の状態では、固化粗粒子体を形成している固化粗粒子体の骨格が破壊することにより、本発明の免震支承装置は柱が上部構造物に対して支持柱としての働きをなさなくなるとともに筒状積層体と中空部分の固化粗粒子体の骨格が破壊することにより固化から開放された粗粒子が免震支承効果を発揮することとなる。
【０００６】
なお、前記固化粗粒子体の粗粒子は、材質が鋼鉄またはセラミックの粗粒子で、形状は球形状の粗粒子であり、接着剤でオコシ状に固化して柱状体に形成する。従って、一定以上の地震力が加わったときには接着部分が剥離して固化粗粒子体の骨格が破壊することとなる。
また、粗粒子を固化する接着剤としてはセメントを使用するのが望ましい。
【０００７】
また、本発明の免震支承装置は、筒状積層体の周囲に複数の揺れ防止棒を設けたものでもよい。
地震力が設計値以下の状態では、固化粗粒子体が上部構造物に対して免震支承機構を有しない通常の支持柱として働き、風圧などによって上部構造物が揺れ動くことが防止されているが揺れ防止棒を設けることにより、施工中及び平常時の風などによる微動の防止にさらに確実な効果が期待できる。
【０００８】
さらに、上記の揺れ防止棒は、地震力が設計値を上廻った場合、破壊する構成としている。これにより、設計値以上の地震の場合には揺れ防止棒も破壊するので上部構造物は請求項１記載の免震支承装置のみで支持されることとなる。このとき、免震支承装置の固化粗粒子体の骨格も破壊されているので本発明の免震支承装置は地震力に対して極めて高い減衰効果を発揮することとなる。
【０００９】
【発明の実施の形態】以下に図面に基づいて本発明の免震支承装置の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の免震支承装置の実施形態を示す断面図である。上部構造物３１と基礎３２との間に上部フランジ１１と下部フランジ１２とを介して免震支承装置１０が設けられている。免震支承装置１０の周囲には揺れ防止棒２０が上部支持具２１及び下部支持具２２により上部構造物３１と基礎３２の間に設けられている。
図１では、揺れ防止棒２０は１本だけ図示されているが、通常、免震支承装置１個に対して複数の揺れ防止棒を設けることが望ましい。
【００１０】
上記免震支承装置１０は、図２（ａ）、（ｂ）に示す構成となっている。
中心部分が中空であるゴム層５と鋼板６とを交互に積層した筒状積層体４の中空部分７に固化粗粒子体１が挿入されている。
固化粗粒子体１には、図２（ｂ）に示すように多数の粗粒子２を接着剤でオコシ状に固めて粗粒子２の間を埋める接着部３の骨格が形成されている。接着剤としてはセメント等を用いるとよい。
粗粒子２は、鋼球又はセラミック球を用いている。粗粒子２の大きさは免震支承装置が使用される構造物の大きさや、基礎部の構造、免震支承装置自体の大きさ等の諸条件で決まってくるもので特に限定されるものではない。
また、揺れ防止棒２０は、所定の地震力で破壊するように脆い材料（例えばベークライト）で構成されているがベークライトに限定されるものではない。
なお、図２の免震支承装置１０は、筒状積層体４は円筒形であり、固化粗粒子体１は円柱であるが、筒状積層体４及び固化粗粒子体１の形状は円形に限定されるものではなく、例えば図９及び図１０の斜視図に示す免震支承装置１０’、１０”のような形状のものでもよい。また、固化粗粒子体は楕円柱でもよい。
【００１１】
上記の構成によれば、地震力の働かない通常の状態では免震支承装置１０は、中心部分の固化粗粒子体１のオコシ状の骨格が破壊されていないので、上部の構造物３１に対して免震機能を有しない一般の支持柱と同様な挙動を示す。
また、揺れ防止棒２０も上部の構造物３１に対して正常な支持柱として機能する。従って、所定値以上の地震力の働かない通常の状態では構造物３１に働く風などによる微弱な横揺れなども防止されて、構造物３１は安定に保たれる。
【００１２】
一方、所定値以上の地震力が働いた場合、揺れ防止棒２０は破壊する。従って、構造物３１は免震支承装置１０によってのみ支持されることとなる。このとき、免震支承装置１０は、外側が中空のゴム層５と鋼板６からなる筒状積層体４で、固化粗粒子体１が挿入されていた中心の中空部分７は、固化粗粒子体１のオコシ状の骨格が破壊して多数の粗粒子２が摺動可能な状態で充満した状態となる。
このことは、免震支承装置１０は、上部の構造物３１に対して免震支承として作用することを意味する。
【００１３】
図３は、免震支承装置１０で固化粗粒子体１のオコシ状の骨格が破壊する前と、骨格が破壊した後の免震支承装置１０の挙動を模型的に示したものである。
図３のグラフは免震支承装置１０に鉛直荷重を加え、そのときのせん断歪みγを横軸に取り、せん断応力τを縦軸に取っている。固化粗粒子体１の骨格が破壊する前のせん断歪みγとせん断応力τの関係は履歴曲線Ｐ１〜Ｐ２上にある。
一方、せん断応力τが大きな値となり固化粗粒子体１の骨格が破壊したときには免震支承装置１０の挙動は履歴曲線Ｑ１〜Ｑ２上を弾性挙動することとなる。
【００１４】
ここで、免震支承装置に横方向の繰り返し荷重（τ）を与えたときの履歴曲線が図４に示すものであるとき、免震支承装置の減衰率（ｈ）は（１）式で表される。
ｈ＝（１／４π）×（△Ｗ／Ｗ）…………………（１）
ここに、
△Ｗ：履歴曲線で囲まれた内部の面積（ひずみが１周するときに費やされるエネルギー）
Ｗ：△ＯＡＢの面積（物体の内部に蓄えうるひずみエネルギー）
ｈ：減衰率（％）
【００１５】
図３の履歴曲線Ｐ１〜Ｐ２及び履歴曲線Ｑ１〜Ｑ２に基づいて免震支承装置１０の固化粗粒子体１の骨格が破壊する前と破壊した後の減衰率（ｈ）を比較してみる。
固化粗粒子体１の骨格が破壊する前の△Ｗ（履歴曲線Ｐ１〜Ｐ２で囲まれた内部の面積）は小さく（１）式より減衰率（ｈ）は小さな値となることがわかる。
一方、固化粗粒子体１の骨格が破壊した後の△Ｗ（履歴曲線Ｑ１〜Ｑ２で囲まれた内部の面積）は大きくなる。従って（１）式より減衰率（ｈ）は大きな値となり、免震支承装置１０は地震力に対して高い免震効果を発揮することとなる。
なお、免震支承装置１０を使用した試験結果では、粗粒子２の直径を４０〜５０ｍｍとしたときの固化粗粒子体１の骨格が破壊した後の減衰率（ｈ）は、およそ３０％と高い値であった。
【００１６】
【実施例】
次に、本発明の免震支承装置の実施例について説明する。
（実施例１）
図５は、本発明の免震支承装置の１実施例を示すもので、中空のゴム層５と鋼板６を積層して円筒状の筒状積層体４が形成されており、高さは６２ｍｍ、円筒部分の外径をφ６１．５ｍｍ、内径をφ４０ｍｍとしている。
筒状積層体４の中空部分７には、セメントで固められた固化粗粒子体１が納められている。なお、固化粗粒子体１の上下は厚さ５ｍｍのゴム製の蓋によって密閉されている。
さらに、この免震支承装置１０の上下に鉄製の上部フランジ１１及び下部フランジ１２が固着されていて、これらのフランジを介して上部構造物３１及び基礎３２に取り付けられる。
ゴム層５は、ＪＩＳ−Ｋ６３８６防振ゴムＣ１０を使用し、粗粒子２は直径φ３ｍｍの鋼球又は直径φ３ｍｍのセラミック球を使用している。
【００１７】
図６に、実施例１の免震支承装置を使用して固化粗粒子体１の骨格が破壊した後の減衰効果を確かめるために繰り返しせん断試験を行った結果を示す。
試験は、図５の免震支承装置を使用して、一定の鉛直荷重のもとでせん断歪みγとせん断応力τあるいは減衰率ｈとの関係を調べた。
試験条件は、振動数＝０．２Ｈｚ、鉛直応力＝１．９７ＭＮ／ｍ^２（１Ｋｇｆ／ｃｍ^２＝９８．１ＫＮ）、せん断歪みγ≒７×１０^−１とした。
図６は、上記の試験結果を横軸にせん断歪みγを、縦軸にせん断応力τを正規化して表したものである。正規化は、試験で得られた履歴曲線のせん断歪みγ及びせん断応力τをそれぞれの最大値で除することで行っている。
図６のグラフのデータをもとに粗粒子２として鋼球（直径φ３ｍｍ）及びセラミック球（直径φ３ｍｍ）を使用したときの免震支承装置の減衰率ｈを算出すると鋼球を使用した場合はｈ＝３４．９％、セラミック球を使用した場合はｈ＝３６．６％であった。
以上の試験結果から本発明の免震支承装置１０は、固化粗粒子体１の骨格が破壊した後は地震力に対して大きな減衰効果を発揮することが明らかである。
【００１８】
（実施例２）
図７は本発明に係わる揺れ防止棒２０について、その効果を実験的に確認したもので、実験装置である振動台４０上に複数の免震支承５０をもって構造物３１を支持している。さらに、揺れ防止棒２０が構造物３１の中央下部と振動台４０の間に強固に取り付けられている。
揺れ防止棒２０はベークライト製で加速度（α）＝８０ｇａｌで破壊するように設計されている。
上記の設定で振動台４０に水平方向の加速度（α）を与え、その時の構造物１で観測される加速度を記録した。
図８に示されているように入力加速度（振動台４０に与える加速度）は時間経過とともに大きくなるように設定している。
実験結果は、入力加速度が大きくなるにともない応答加速度（構造物１で観測される加速度）も大きくなっている。しかし、入力加速度が８０ｇａｌ程度に達したとき（Ａ点）、揺れ防止棒２０が破壊するのでそれ以降は、入力加速度が増加しても応答加速度は殆ど増大していないことを示している。
すなわち、揺れ防止棒２０は、破壊するまでは免震支承装置の機能を抑える作用を持っていることがよく現れている。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の免震支承装置は、通常の状態では上部構造物に対して免震支承機能を有しない普通の支持柱として作用しているので上部構造物が風などによって揺れ動くことがない。
しかし、いったん地震などで設定された設計値以上の地震力が働くと、揺れ防止棒が破壊され、かつ、免震支承装置内部の固化粗粒子体の骨格が破壊し、粗粒子が自由に摺動可能となる。従って、本発明の免震支承装置は、免震支承機能を有する装置となり地震力が基礎から上部構造物に伝達することを防止又は軽減する効果を有することとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の免震支承装置の実施形態を示す説明図である。
【図２】本発明の免震支承装置の斜視図である。
【図３】本発明の免震支承装置の固化粗粒子の柱の骨格破壊前と骨格破壊後の履歴曲線の説明図である。
【図４】履歴曲線と履歴減衰率の関係を示す説明図である。
【図５】実施例１の説明図である。
【図６】実施例１の履歴曲線図である。
【図７】実施例２の説明図である。
【図８】実施例２の実験結果を示す図である。
【図９】本発明の他の免震支承装置１０’の斜視図である。
【図１０】本発明の他の免震支承装置１０”の斜視図である。
【符号の説明】
１：固化粗粒子体１０、１０’、１０”：免震支承装置
２：粗粒子１１：上部フランジ
３：接着部１２：下部フランジ
４：筒状積層体２０：揺れ防止棒
５、５’、５”：ゴム層２１：上部支持具
６、６’、６”：鋼板２２：下部支持具
７：中空部分３１：構造物
８：上部フタ３２：基礎
９：下部フタ４０：振動台
５０：免震支承

Claims

土木構造物または建築構造物と基礎との間に設けられる免震支承装置であって、中心部分が中空でゴム層と鋼板とを交互に積層した筒状積層体と、前記筒状積層体の中空部分に保持されている粗粒子を固めた固化粗粒子体とから構成されていることを特徴とする免震支承装置。
前記固化粗粒子体は、地震力が設計値を上廻った場合、固化粗粒子の骨格が破壊する構成としたことを特徴とする請求項１に記載の免震支承装置。
前記固化粗粒子体を形成する粗粒子は、材質が鋼鉄またはセラミックの粗粒子からなることを特徴とする請求項２に記載の免震支承装置。
前記粗粒子は、球形状の粒子からなることを特徴とする請求項２に記載の免震支承装置。
前記固化粗粒子体は、前記粗粒子を接着剤によりオコシ状に固化して形成されていることを特徴とする請求項２に記載の免震支承装置。
前記接着剤はセメントであることを特徴とする請求項５に記載の免震支承装置。
前記筒状積層体の周囲に複数の揺れ防止棒を設けたことを特徴とする請求項１に記載の免震支承装置。
前記揺れ防止棒は、地震力が設計値を上廻った場合、破壊する構成としたことを特徴とする請求項７に記載の免震支承装置。