JP2005016633A

JP2005016633A - ３次元免震装置

Info

Publication number: JP2005016633A
Application number: JP2003182717A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Tamura; 正田村; Junji Suhara; 淳二須原; Tetsuya Hagiwara; 哲也萩原; Yasuo Okada; 康男岡田; Kazuya Ota; 和也太田
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Japan Atomic Power Co Ltd; Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Japan Atomic Power Co Ltd; Shimizu Corp
Priority date: 2003-06-26
Filing date: 2003-06-26
Publication date: 2005-01-20

Abstract

【課題】装置の小型化が図れ、しかも、水平並びに垂直両方向の免震に止まらず振動減衰機能も果たす。
【解決手段】積層ゴム３ａからなる水平免震手段３と空気ばね２ａからなる垂直免震手段２とを直列に連結してある。空気ばねは空気室１１を画成するダイヤフラム７を備え、このダイヤフラムは、外周を外筒４の内周面に密着状態で覆われる。積層ゴムとして、鉛プラグ入り積層ゴムまたは高減衰積層ゴムが用いられ、ダイヤフラム内に画成された空気室１１と作動体５の内部に形成された補助タンク１４とがオリフィス１５を介して連通される。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は構造物の免震用として使用される３次元免震装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現状の免震構造物は、水平２方向の地震時の揺れを大幅に低減する水平免震方式が主流である。そのための代表的な免震装置が積層ゴムである。また、床免震等では、上載荷重が比較的軽量であることや免震支持する床面積が小さいことなどの事由で、水平２方向に加えて上下方向の地震時の揺れも低減する３次元免震装置が開発されている。その代表的なものが空気ばねである。
しかしながら、従来の３次元免震装置は、せいぜい床部分の支持など小規模支持用に用いられているにすぎず、建物全体を支持する等大規模支持用には用いられていない。ところが、近年、大規模支持用の３次元免震装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−３７１７２５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の３次元免震装置では、水平方向の免震を行う積層ゴムからなる水平免震手段と、また垂直方向の免震を空気ばねからなる垂直免震手段をそれぞれ別々に備えており、設置スペースが増大することや、柱の真下に該柱の芯に合致させて配置できないという課題があった。
また、積層ゴム並びに空気ばねで一応の免震は行えるものの、揺れを積極的に減衰させる機能を有しておらず、水平並びに垂直両方向の振動減衰機能も果たせる３次元免震装置の出現が待たれていた。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、装置を一体化して小型化が図れ、しかも、水平並びに垂直両方向の固有周期の長期化に止まらず振動減衰機能も果たせる３次元免震装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため請求項１に係る３次元免震装置は、積層ゴムからなる水平免震手段と空気ばねからなる垂直免震手段とを直列に連結した３次元免震装置本体を備え、
該３次元免震装置本体は、起立状態の外筒内に作動体の一端が昇降可能に嵌挿され、前記作動体の他端に前記積層ゴムが設けられるとともに、前記外筒の底部プレートと前記作動体の一端との間に前記空気ばねの空気室を画成するゴム製のダイヤフラムが設けられ、該ダイヤフラムが、その外周を前記外筒の内周面に密着状態で覆われた構成とされ、
前記積層ゴムは、水平方向の振動を減衰させる、鉛プラグ入り積層ゴムまたは高減衰積層ゴムによって構成され、
前記ダイヤフラム内に画成された空気室と前記作動体の内部に形成された補助タンクとは、両者間を流れる空気に流通抵抗を与えて垂直方向の振動を減衰させるオリフィスを介して連通されている。
【０００７】
この場合、地震が起きれば、積層ゴムが主に水平方向の揺れを低減し、空気ばねが主に垂直方向の揺れを低減する。また、積層ゴムが鉛プラグ入り積層ゴムまたは高減衰積層ゴムによって構成されるので、そのような積層ゴムによって水平方向の揺れが積極的に減衰される。また、垂直方向の揺れが生じた場合、ダイヤフラム内の空気室と作動体内の補助タンクとの間を空気が行き来するが、このときオリフィスによってこの空気の流れに流通抵抗が与えられ、これによって、垂直方向の揺れが積極的に減衰される。
【０００８】
請求項２に係る３次元免震装置は、請求項１記載のものにおいて、前記３次元免震装置本体とは別個に垂直方向の振動を減衰させる垂直方向振動減衰機構を備えている。
【０００９】
この場合、ダイヤフラム内の空気室と作動体内の補助タンクとの間に設けたオリフィスによって、また、３次元免震装置本体とは別個に設けた垂直方向振動減衰機構によって、垂直方向の揺れを積極的に減衰させることができる。つまり、垂直方向振動減衰機構を２重に備えているので、より一層、垂直方向の揺れを減衰させることができる。
【００１０】
請求項３に係る３次元免震装置は、積層ゴムからなる水平免震手段と空気ばねからなる垂直免震手段とを直列に連結した３次元免震装置本体を備え、
該３次元免震装置本体は、起立状態の外筒内に作動体の一端が昇降可能に嵌挿され、前記作動体の他端に前記積層ゴムが設けられるとともに、前記外筒の底部プレートと前記作動体の一端との間に前記空気ばねの空気室を画成するゴム製のダイヤフラムが設けられ、該ダイヤフラムが、その外周を前記外筒の内周面に密着状態で覆われた構成とされ、
前記積層ゴムは、水平方向の振動を減衰させる鉛プラグ入り積層ゴムまたは高減衰積層ゴムによって構成され、
前記３次元免震装置本体とは別個に垂直方向の振動を減衰させる垂直方向振動減衰機構を備えている。
【００１１】
この場合、地震が起きれば、積層ゴムが主に水平方向の揺れを低減し、空気ばねが主に垂直方向の揺れを低減し、また、鉛プラグ入り積層ゴムまたは高減衰積層ゴムによって水平方向の揺れが積極的に減衰されるのは前述の請求項１に係る３次元免震装置と同様である。ここでは、前記３次元免震装置本体とは別個に垂直方向振動減衰機構を備えており、この垂直方向振動減衰機構によって垂直方向の揺れが積極的に減衰される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の実施の形態を説明する。
＜第１の実施の形態＞
図１は本発明のかかる３次元免震装置の断面を示している。
この図からわかるように、本発明のかかる３次元免震装置１は、空気ばね２ａからなる垂直免震手段２と、積層ゴム３ａからなる水平免震手段３とを直列に連結した３次元免震装置本体１Ａを備える。つまり、３次元免震装置本体１Ａは、下側に垂直免震手段２を配置し、上側に水平免震手段３を配置しており、それら垂直免震手段２、水平免震手段３をそれぞれ独立に調整することにより、例えば比較的短い固有周期をもつ原子炉建屋等の建物へも適用可能となっている。
【００１３】
前記空気ばね２ａの具体的構造について説明すると、起立状態に配置される鋼製の外筒４には、有底筒状の作動体５の開口側である一端側（下端側）が昇降可能に嵌挿され、この作動体５の閉塞側である他端（上端）には蓋５ａが取り付けられている。また、鋼製の外筒４の下端には下面プレート（底部プレート）６が固定されている。下面プレート６の上面外周部には略リング状に形成されたゴム製のダイヤフラム７の下端が連結部材８を介して気密状態で取り付けられ、ダイヤフラム７の上端は前記作動体５の下部に、作動体５の下部に取り付けられた連結部材９とその下方に配置される押さえ部材１０との間に挟持された状態で気密に取り付けられている。
そして、前記ダイヤフラム７、下面プレート６および押さえ部材１０によって、空気室１１が画成されている。
【００１４】
また、ダイヤフラム７はその外周を前記鋼製の外筒４の内周面４ａに密着状態で覆われている。
すなわち、ダイヤフラム７はゴム製であるため、内部の空気室１１の圧力が高まるときには径方向外方へ膨らむように変形しようとするが、外周が前記鋼製の外筒４に密着されているためその変形を規制される。したがって、ダイヤフラム７の変形は、鋼製の外筒４と連結部材９との間の隙間の膨出部分Ｂに限られる。
【００１５】
鋼製の外筒４と作動体５との摺動部、つまり、鋼製の外筒４の開放端に設けた内フランジ１２の内周面１２ａと作動体５の外周面５ｂとのいずれか一方（例えば、内フランジの内周面１２ａ）は硬質クロムメッキ処理が施され、他方（作動体の外周面５ｂ）は鉛青銅鋳物溶着処理が施されている。
このような表面処理法は、中高速・高荷重用のピストンや軸受等で用いられるものである。
【００１６】
前記積層ゴム３ａは、水平方向の免震特性のみならず水平方向の振動減衰特性も得られるようにその構造が決定されている。すなわち、ここでは、例えば鉛プラグ入り積層ゴムまたは高減衰積層ゴムが用いられている。
鉛プラグ入り積層ゴムは、薄い金属板とゴムとが交互に何重にも重ね貼り合わされ、かつ、その中央に円柱状の鉛プラグを挿入されてなるものであり、積層ゴムの変形に伴い鉛プラグが塑性変形を繰り返し、これによって、地震時の振動エネルギーを吸収するものである。
高減衰積層ゴムは、通常の積層ゴムと同様、薄い金属板とゴムとが交互に幾重にも重ね貼り合わされた構成とされ、しかも、ゴムとして、天然ゴムにカーボンブラック等の充填材を混入して減衰性を増大させた特殊なものが用いられており、これにより、積層ゴム自体に地震時の振動エネルギーを吸収する機能を有するものである。
このような積層ゴム３ａは、前記作動体５の他端側に設けられた蓋５ａと上面プレート１３の下面との間に介装されている。
【００１７】
また、３次元免震装置本体１Ａは、さらに、垂直方向の振動を減衰させ得るよう特殊な工夫がなされている。
すなわち、前記作動体５の内部の中空部分は補助タンク１４とされている。この補助タンク１４は空気室１１に、作動体５の底面部５ｃ等に形成されたオリフィス１５を介して連通されている。オリフィス１５は、前記作動体５の底面部５ｃ、連結部材９及び押さえ部材１０に、それぞれ同径に形成された貫通孔によって形成されている。そして、垂直方向の揺れが生じた場合、空気室１１と補助タンク１４との間を空気が行き来するが、このときオリフィス１５によって空気の流れに流通抵抗を与え、これにより、地震時の垂直方向の振動エネルギーを吸収する機能を果たすようになっている。
【００１８】
次に、上記構成の３次元免震装置１の作用について説明する。
地震等が発生した場合には、地震波の垂直成分は、空気ばね２ａからなる垂直免震手段２によって、また、地震波の水平成分は、積層ゴム３ａからなる水平免震手段３によって、それぞれある程度吸収された形で建物の免震部分に伝達される。つまり、地震によって下面プレート６が振動した場合、その垂直方向成分は、空気ばね２ａの空気室１１の圧力変動に伴い、作動体５が下面プレート６に対して相対的に上下動することによって吸収され、これにより該垂直方向成分の衝撃は緩和される。また、下面プレート６が振動した場合の水平方向成分は、上面プレート１３と作動体５との間に介装された積層ゴム３ａが適宜変形することによって吸収され、これにより該水平方向成分の衝撃は緩和される。
【００１９】
ここで、前記ダイヤフラム７は、外周を鋼製の外筒４の内周面４ａに密着状態で覆われることによって径方向外方への変形が規制され、その変形が鋼製の外筒４と連結部材１０との間の隙間の膨出部分Ｂのみに限られている。つまり、ダイヤフラム７は外側の鋼製の外筒４により補強されており、このため、空気室１１の圧力が高くても充分耐えられる構造になっている。したがって、結果的に、高軸力の空気ばね２ａを実現されており、建物の免震部分全体の支持にも充分適用可能である。
【００２０】
また、鋼製の外筒４の開放端に内フランジ１２を設けているため、この内フランジ１２の厚み分だけダイヤフラム７の曲率が小さくなる。この結果、ダイヤフラム７に過大な屈曲荷重がかかるのを防止できる。また、同内フランジ１２を設けている分、外筒４と作動体５との接触面積が小さくなり、このため、摩擦低減のためそれら摺動部を前述の如く硬質クロムメッキ処理等の表面処理を施す際に処理面積が小さくなる分、低コスト化が図れる。
【００２１】
また、垂直免震手段２と水平免震手段３とをそれぞれ別々に設けているため、言い換えれば、作動体５と積層ゴム３ａとが分解可能なユニットとなっているため、メンテナンスが必要になったときでもそれらの作業を個々に行えるため、メンテナンス作業が容易になる。また、初期の当該３次元免震装置１の組立作業も容易になる。
【００２２】
また、鋼製の外筒４と作動体５との摺動部は、いずれか一方が硬質クロムメッキ処理を施され、他方が鉛青銅鋳物溶着処理を施されているため、地震時等にたとえ水平力が摺動部に作用しても、それら摺動部には摩擦がほとんど生じない。
このため、水平力作用下であっても、作動体５は鋼製の外筒４に対し上下方向に滑らかに動き、もって垂直方向の揺れを低減する。
【００２３】
また、積層ゴム３ａを、鉛プラグ入り積層ゴムまたは高減衰積層ゴムによって構成しているので、そのような積層ゴムを用いることにより、建物の免震部分の水平方向の揺れを積極的に減衰させることができる。
【００２４】
また、垂直方向の揺れが生じた場合、外筒４に対する作動体５の相対的な上下動に伴い空気室１１の容量が変化し、同時に、空気室１１と補助タンク１４との間を空気が行き来するが、このときオリフィス１５によってこの空気の流れに流通抵抗を与え、これにより、地震時の垂直方向の振動エネルギーを吸収することができる。つまり、建物の免震部分の垂直方向の揺れを積極的に減衰させることができる。
さらに、前記補助タンク１４を作動体５の内部に形成しているので、補助タンク１４を３次元免震装置本体１Ａとは別個に設ける場合に比べ、装置の小型化が図れる。
【００２５】
＜第２の実施の形態＞
図２は本発明に係る第２の実施の形態を示す。第２の実施の形態が前述の第１の実施の形態と異なるところは、前記第１の実施の形態では、垂直方向の振動を減衰させるために、作動体５の内部に補助タンク１４を形成し、この補助タンク１４と空気室１１とをオリフィス１５を介して連通させていたが、ここでは、それに加え、３次元免震装置本体１Ａとは別個に垂直方向振動減衰機構２０を備えた点である。
なお、この第２の実施の形態において、前記第１の実施の形態で説明した構成要素と同一構成要素には同一符号を付して、その説明を省略する。
【００２６】
垂直方向振動減衰機構２０としては、例えば、公知のオイルダンパ２１が用いられる。ここで用いられるオイルダンパ２１は、上下両端部２１ａ、２１ｂが、球面支持部を介して上部基礎版２３と下部基礎版２４にそれぞれ連結されている。
【００２７】
この３次元免震装置では、地震等が発生した場合に、地震波の垂直成分が、空気ばね２ａからなる垂直免震手段２によって、また、地震波の水平成分が、積層ゴム３ａからなる水平免震手段３によって、それぞれある程度吸収された形で建物の免震部分に伝達される。また、積層ゴム３ａとして、鉛プラグ入り積層ゴムまたは高減衰積層ゴムを用いているので、建物の免震部分の水平方向の揺れを積極的に減衰させることができる。さらに、垂直方向の揺れが生じた場合、空気室１１と補助タンク１４との間に設けたオリフィス１５によって、それら空気室１１と補助タンク１４との間を流れる空気に流通抵抗を与え、これにより、地震時の建物の免震部分の垂直方向の揺れを積極的に減衰させることができる。
【００２８】
加えて、３次元免震装置本体１Ａとは別個にオイルダンパ２１からなる垂直方向振動減衰機構２０を備えており、この垂直方向振動減衰機構２０によっても、建物の免震部分の垂直方向の揺れを積極的に減衰させることができる。
【００２９】
さらに、この第２の実施の形態では、垂直方向振動減衰機構２０として用いたオイルダンパ２１の上下両端部２１ａ、２１ｂの上部基礎版２３及び下部基礎版２４との連結部分を球面支持構造としているため、上部基礎版２３と下部基礎版２４との間に水平方向のずれが生じた場合、オイルダンパ２１の上下両端部の連結部分に荷重が加わることがない。それに加えて、オイルダンパ２１は、垂直方向の振動のみならず水平方向の振動を減衰させる機能も発揮する。
【００３０】
なお、前述した発明の実施の形態はあくまで本願発明の例示であり、必要に応じ発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更可能である。
例えば、前述した第１，第２の発明の実施の形態では、３次元免震装置１の上側に水平免震手段３、下側に垂直免震手段２をそれぞれ配置する構成としたが、これに限られることなく、これとは逆に、下側に水平免震手段３を配置し、上側に垂直免震手段２を配置する構成にしてもよい。
また、第１，第２の実施の形態では、鋼製の外筒４と作動体５との摺動部のうち、いずれか一方を硬質クロムメッキ処理し、他方を鉛青銅鋳物溶着処理しているが、これらの摺動部の材料はなんらこれらに限定されるものではないのは言うまでもない。
【００３１】
また、第２の実施の形態では、作動体５内部の補助タンク１４や、補助タンク１４と空気室１１を連通するためのオリフィス１５を有する３次元免震装置本体１Ａと、垂直方向振動減衰機構２０とによって３次元免震装置１を構成しているが、３次元免震装置１Ａに代わり、作動体５内の補助タンク１４や補助タンク１４と空気室１１を連通するためのオリフィス１５を有しない３次元免震装置本体と垂直方向振動減衰機構２０とによって３次元免震装置を構成してもよい。
また、前述の第２の実施の形態では、垂直方向振動減衰機構２０としてオイルダンパ２１を用いた例を示したが、これに限られることなく、粘弾性系ダンパを用いてもよい。
また、前述の第１，第２の実施の形態では、補助タンク１４と空気室１１を連通するためのオリフィス１５を１つしか設けていないが、これに限られることなく複数設けても良い。また、オリフィス１５を複数設ける場合、オリフィス径は必ずしも同じにする必要はなく、互いに異ならしてもよい。
【００３２】
次に、前記第１の実施の形態で説明した３次元免震装置について、オリフィスによる減衰効果の試算例について説明する。
オリフィスによる減衰効果は、オリフィスの絞り径、上下方向の加振振幅、加振振動数及び補助タンク１４の容量などに依存するため、オリフィスの絞り径、上下方向の加振振幅、加振振動数をパラメータとして、上下方向の減衰定数，ばね定数を数値計算してみた。
【００３３】
試算の条件を表１に示す。
【表１】

【００３４】
図３〜図６にオリフィス絞り径を種々変えた場合の上下加振振動数と減衰定数およびばね定数の関係を、上下加振振幅が±２ｃｍと±４ｃｍにした２ケースについて示す。
減衰定数は、それぞれ装置の固有振動数が１．２Ｈｚ付近でピークとなる曲線を描き、そのピーク値は１０％〜２０％程度となる。ばね定数は、加振振動数の増加に伴い緩やかに増加する傾向を示す。この増加傾向は、オリフィス絞り径が小さいほど顕著である。これはオリフィス絞り径が小さく、加振振動数が大きくなるほど（加振速度が増す程）、空気室から補助タンクへ空気が流れにくくなるためである。
この試算例では、加振振動数の増加に対してばね定数が大きく変化せず、装置の固有振動数付近で減衰性能をある程度発揮するオリフィス絞り径は、０．９ｃｍであることがわかった。オリフィス絞り径が０．９ｃｍの固有振動付近の減衰定数は、１５％程度であった。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、垂直免震手段と水平免震手段とを直列に連結し一体化したから、垂直免震手段と水平免震手段の双方の要素を合わせ持つこととなり、上部構造物に振動が作用する際に垂直・水平両方向の衝撃を緩和でき、しかも小型化が図れる。
また、積層ゴムとして、鉛プラグ入り積層ゴムまたは高減衰積層ゴムを用いているので、水平方向の振動を減衰させることができ、また、空気室と補助タンクの間に介装したオリフィスを介在させたり、３次元免震装置本体とは別個に垂直方向振動減衰機構を備えているので、垂直方向の振動を減衰させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る３次元免震装置の第１の実施の形態を示す断面図である。
【図２】本発明に係る３次元免震装置の第２の実施の形態を示す断面図である。
【図３】オリフィスによる減衰効果の試算例を示す図である。
【図４】オリフィスによる減衰効果の試算例を示す図である。
【図５】オリフィスによる減衰効果の試算例を示す図である。
【図６】オリフィスによる減衰効果の試算例を示す図である。
【符号の説明】
１３次元免震装置
１Ａ３次元免震装置本体
２垂直免震手段
２ａ空気ばね
３水平免震手段
３ａ積層ゴム
４鋼製の外筒
５作動体
５ｂ作動体の外周面（摺動部）
６下面プレート（底部プレート）
７ゴム製のダイヤフラム
１１空気室
１２内フランジ
１２ａ内フランジの内周面（摺動部）
１４補助タンク
１５オリフィス
２０垂直方向振動減衰機構
２１オイルダンパ

Claims

積層ゴムからなる水平免震手段と空気ばねからなる垂直免震手段とを直列に連結した３次元免震装置本体を備え、
該３次元免震装置本体は、起立状態の外筒内に作動体の一端が昇降可能に嵌挿され、前記作動体の他端に前記積層ゴムが設けられるとともに、前記外筒の底部プレートと前記作動体の一端との間に前記空気ばねの空気室を画成するゴム製のダイヤフラムが設けられ、該ダイヤフラムが、その外周を前記外筒の内周面に密着状態で覆われた構成とされ、
前記積層ゴムは、水平方向の振動を減衰させる、鉛プラグ入り積層ゴムまたは高減衰積層ゴムによって構成され、
前記ダイヤフラム内に画成された空気室と前記作動体の内部に形成された補助タンクとは、両者間を流れる空気に流通抵抗を与えて垂直方向の振動を減衰させるオリフィスを介して連通されていることを特徴とする３次元免震装置。
前記３次元免震装置本体とは別個に垂直方向の振動を減衰させる垂直方向振動減衰機構を備えたことを特徴とする請求項１記載の３次元免震装置。
積層ゴムからなる水平免震手段と空気ばねからなる垂直免震手段とを直列に連結した３次元免震装置本体を備え、
該３次元免震装置本体は、起立状態の外筒内に作動体の一端が昇降可能に嵌挿され、前記作動体の他端に前記積層ゴムが設けられるとともに、前記外筒の底部プレートと前記作動体の一端との間に前記空気ばねの空気室を画成するゴム製のダイヤフラムが設けられ、該ダイヤフラムが、その外周を前記外筒の内周面に密着状態で覆われた構成とされ、
前記積層ゴムは、水平方向の振動を減衰させる、鉛プラグ入り積層ゴムまたは高減衰積層ゴムによって構成され、
前記３次元免震装置本体とは別個に垂直方向の振動を減衰させる垂直方向振動減衰機構を備えたことを特徴とする３次元免震装置。