JP2008019941A - Base isolation device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、建築物等の構造物を支持する上側架台を、下側架台上に複数の免震機構を介して設置し、上側架台と下側架台との間に減衰装置を介在させた免震装置に関する。 In the invention, an upper frame supporting a structure such as a building is installed on the lower frame via a plurality of seismic isolation mechanisms, and an attenuation device is interposed between the upper frame and the lower frame. It relates to seismic devices.
減衰装置を備えた免震装置としては、装置の移動量(変位量)による摩擦力増加機能を有した減衰装置を備える免震装置が例示される(例えば、特許文献1)。特許文献1に開示された免震装置は、上プレートに上皿を、下プレートに下皿を複数対向配置し、一組の上下皿間に配置されたボールで上プレートを支える構造としたものである。また、この免震装置に設置される減衰装置は、一個または複数個のガイドと、互いに直交して一体結合された案内棒からなり、ガイドと案内棒を摺接させることによって機能を奏するものである。この減衰装置では、ガイドと案内棒との摺接部に取付けられたパッドにより、摩擦力を調整し減衰特性を任意に設定できるようになされている。
特許文献1に開示された減衰装置においては、案内棒に用いられる棒材は細く、そのため減衰の際に大きな力を受けると弾性変形を起こし易い点が指摘される。また、案内棒は棒材を直交させて組み合わせたものであるため、摺接パッドが大きな摩擦力を受けた場合に、棒材同士の結合部から案内棒全体のゆがみを生じる恐れがある。さらに、案内棒の変形で、各摺接パッドの接触、つまり、発生する摩擦力が不均一になり、地震の横揺れを受けた時に、免震装置が不安定で危険な動きをすることも予想される。さらにまた、案内棒の弾性変形でガイドと案内棒との噛み込みを起こし、免震装置がロックされる恐れもある。このような不都合を回避するためには、摩擦力を受ける部分に長い棒やその結合部を含まない構造の減衰機構が待望されるところである。
In the damping device disclosed in
この発明の目的は、変形が起こり易い棒材やその結合部を含まない比較的簡単な構造の減衰装置を備えた免震装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a seismic isolation device provided with a damping device having a relatively simple structure that does not include a bar material that easily deforms or a joint portion thereof.
この発明の免震装置は、構造物を支持する上側架台を、下側架台上に複数の免震機構を介して設置し、前記個々の免震機構は、それぞれ外周部から中央部に至るに従って深くなる凹形状の上下の転動面間に転動体を介在させたものである免震装置において、前記上側架台と下側架台との間に減衰装置を介在させ、この減衰装置は、上側架台に下向きに設けられたブレーキ皿に、ブレーキパッドを下側架台上から弾性体により押し付けたものであることを特徴とする。 In the seismic isolation device according to the present invention, the upper frame supporting the structure is installed on the lower frame via a plurality of seismic isolation mechanisms, and each of the seismic isolation mechanisms extends from the outer periphery to the center. In the seismic isolation device in which rolling elements are interposed between the upper and lower rolling surfaces of a concave shape that becomes deep, an attenuation device is interposed between the upper frame and the lower frame, The brake pad is pressed against the brake plate provided downward by an elastic body from the lower frame.
この構成の免震装置においては、地盤側となる下側架台上に、構造物を支持する上側架台が複数の免震機構を介して設置される。個々の免震機構には、それぞれ外周部から中央部に至るに従って深くなる凹形状の上下の転動面間に転動体が介在されているから、固定側の震動は、上下の転動面間での転動によって吸収され、上側架台およびその上に支持された建築物への震動伝達が緩和される。震動に伴う転動体の転動により上側架台が下側架台に対して水平方向へ相対移動する際、上下の転動面の上記凹形状によって、上側架台は垂直方向へも移動する。
また、減衰装置は、上側架台に下向きに設けられたブレーキ皿に、ブレーキパッドを下側架台上から弾性体により押し付けた構成であるため、上記上側架台の水平方向への相対移動に伴い弾性体のブレーキ皿に対する弾性押し付け力が変化し、これによって震動の減衰がなされる。
In the seismic isolation device having this configuration, the upper frame supporting the structure is installed on the lower frame on the ground side via a plurality of seismic isolation mechanisms. In each seismic isolation mechanism, rolling elements are interposed between the upper and lower concave rolling surfaces that increase in depth from the outer periphery to the center, so the seismic motion on the fixed side is between the upper and lower rolling surfaces. The vibrations are absorbed by the rolling motion and the vibration transmission to the upper frame and the building supported on it is alleviated. When the upper frame moves relative to the lower frame in the horizontal direction due to rolling of the rolling elements accompanying the vibration, the upper frame also moves in the vertical direction due to the concave shape of the upper and lower rolling surfaces.
Further, since the damping device has a configuration in which the brake pad is pressed against the brake plate provided downward on the upper frame by the elastic body from above the lower frame, the elastic body moves along with the relative movement of the upper frame in the horizontal direction. The elastic pressing force against the brake plate changes, and the vibration is attenuated.
この発明において、前記減衰装置は、前記ブレーキ皿の前記ブレーキパッドを摺接させる摺動面が、中央部に至るに従って深くなる凹形状であり、前記ブレーキパッドが先細り形状であって、このブレーキパッドの平面寸法が前記ブレーキ皿の摺動面の一部の大きさであるものとしても良い。この構成によると、ブレーキ皿の前記ブレーキパッドを摺接させる摺動面が、中央部に至るに従って深くなる凹形状とされているから、上側架台が水平方向へ相対移動しブレーキパッドの摺動面に対する摺接位置が変化するに伴い、ブレーキパッドの摺動面に作用する弾性復元力が変化し、この弾性復元力によるブレーキ摩擦力によって震動の減衰が効果的になされる。特に、水平方向の移動量が大きい場合は、ブレーキ皿の中央部から遠い凹形状の浅い部分にまでブレーキパッドの摺接範囲が及ぶから、弾性復元力が大きくなって減衰作用がより強くなる。ブレーキパッドは、先細り形状であって平面寸法が前記ブレーキ皿の摺動面の一部の大きさとされているから、ブレーキパッドのブレーキ皿に対する摺動が円滑になされると共に、その摺動範囲も広く確保され、減衰機能が確実に得られる。 In the present invention, the damping device has a concave shape in which a sliding surface for slidingly contacting the brake pad of the brake plate becomes deeper toward the center portion, and the brake pad has a tapered shape. The plane dimension may be the size of a part of the sliding surface of the brake plate. According to this configuration, the sliding surface that makes sliding contact with the brake pad of the brake plate has a concave shape that becomes deeper as it reaches the center portion, so that the upper frame relatively moves in the horizontal direction and the sliding surface of the brake pad. As the slidable contact position changes, the elastic restoring force acting on the sliding surface of the brake pad changes, and the vibration is effectively attenuated by the brake frictional force due to this elastic restoring force. In particular, when the amount of movement in the horizontal direction is large, the sliding contact range of the brake pad extends to the shallow concave portion far from the center of the brake plate, so that the elastic restoring force is increased and the damping action is further increased. Since the brake pad has a tapered shape and the plane dimension is a part of the sliding surface of the brake plate, the brake pad can be smoothly slid with respect to the brake plate, and the sliding range is also Widely secured and reliable attenuation function can be obtained.
この発明において、前記ブレーキ皿の摺動面が、互いにテーパ角度の異なる複数の同心のテーパ面部分からなり、外周側のテーパ面部分のテーパ角度が内周側のテーパ面部分よりも急勾配であるものとしても良い。この構成によると、外周側のテーパ面部分のテーパ角度が内周側のテーパ面部分よりも急勾配とされているから、水平方向の移動量が大きく、ブレーキ皿の中央部から遠い凹形状の浅い部分にまでブレーキパッドの摺接範囲が及ぶ場合に、この急勾配部分で上記弾性復元力が急激に大きくなり、そのブレーキ摩擦力により減衰作用がより顕著となる。したがって、地震の揺れが大きくなる程、ブレーキ摩擦力が大きくなり、装置の過大な変位を抑制することができる。 In this invention, the sliding surface of the brake plate is composed of a plurality of concentric taper surface portions having different taper angles, and the taper angle of the outer taper surface portion is steeper than that of the inner taper surface portion. It may be. According to this configuration, since the taper angle of the tapered surface portion on the outer peripheral side is steeper than that of the tapered surface portion on the inner peripheral side, the amount of movement in the horizontal direction is large, and the concave shape is far from the center portion of the brake plate. When the sliding contact range of the brake pad extends to a shallow portion, the elastic restoring force suddenly increases at the steep slope portion, and the damping action becomes more remarkable due to the brake friction force. Therefore, the greater the earthquake shake, the greater the brake friction force, and the excessive displacement of the device can be suppressed.
この発明の免震装置は、構造物を支持する上側架台を、下側架台上に複数の免震機構を介して設置し、前記個々の免震機構は、それぞれ外周部から中央部に至るに従って深くなる凹形状の上下の転動面間に転動体を介在させたものである免震装置において、前記上側架台と下側架台との間に減衰装置を介在させ、この減衰装置は、上下架台に下向きに設けられたブレーキ皿に、ブレーキパッドを下側架台上から弾性体により押し付けたものとしたため、変形が起こり易い棒材やその結合部を含まない比較的簡単な構造の減衰装置を備えた免震装置とすることができる。 In the seismic isolation device according to the present invention, the upper frame supporting the structure is installed on the lower frame via a plurality of seismic isolation mechanisms, and each of the seismic isolation mechanisms extends from the outer periphery to the center. In the seismic isolation device in which rolling elements are interposed between the upper and lower rolling surfaces of a concave shape that becomes deep, an attenuation device is interposed between the upper frame and the lower frame, Since the brake pad is pressed against the brake plate provided downward by the elastic body from the lower frame, it is equipped with a damping device with a relatively simple structure that does not include rods that easily deform and their coupling parts. Can be seismic isolation device.
この発明の免震装置の一実施形態を図1ないし図5と共に説明する。図1,図2に示すように、この免震装置1は、建築物等の構造物(図示せず)を支持する上側架台2が、下側架台3上に複数の免震機構4(図示では4個)を介して設置されている。
個々の免震機構4は、上側架台2の下面および下側架台3の上面に対向関係で固定される上下の支承皿5,6と、両支承皿5,6の対向する皿面である転動面5a,6a間に介在された鋼球からなる転動体7とより構成されている。各転動面5a,6aは、いずれも外周部から中央部に至るに従って深くなる円錐凹形状とされている。4個の免震機構4は、方形の上下架台2,3のほぼ対角位置に配置されており、その対角線の交差する位置に減衰装置8が介在されている。
An embodiment of the seismic isolation device of the present invention will be described with reference to FIGS. As shown in FIGS. 1 and 2, the
Each
減衰装置8は、上側架台2に下向きに設けられたブレーキ皿9に、ブレーキパッド10を下側架台3上から弾性体11(図4参照)により押し付けるよう構成されている。ブレーキ皿9の皿面は、ブレーキパッド10を摺接させる摺動面9Aとされる。この摺動面9Aは、中央部に至るに従って深くなる凹形状であり、互いにテーパ角度の異なる複数の同心のテーパ面部分9Aa,9Abからなる。外周側のテーパ面部分9Aaのテーパ角度は内周側のテーパ面部分9Abよりも急勾配とされている。
The
ブレーキパッド10は、ゴム等の弾性摩擦部材からなり、先細り形状であって、平面寸法Dがブレーキ皿9の摺動面9Aの一部の大きさとされている。弾性体11は圧縮コイルスプリングからなり、ベースプレート8a上に固定されたガイド円筒8b内に縦向きに収納されている。上記ブレーキパッド10は、この弾性体11の上端に取付けられ、上向き付勢状態とされている。このブレーキパッド10の下半部はガイド円筒8bに嵌挿され、その外周部分がガイド円筒8bの内周面に対し軸方向に沿って摺動可能とされている。
The
上記構成の免震装置1を用いた建築物の免震構造においては、固定側となる地盤側に下側架台3が設置され、上側架台2上には建築物等の構造物(図示せず)が支持される。固定側が地震等によって震動した時、上下の支承皿5,6の転動面5a,6a間で転動体7が転動することによって震動が吸収され、上側架台2およびその上に支持された建築物に震動が伝達されることが緩和される。この転動は2次元的になされるから、固定側のあらゆる方向の震動に対応してその吸収がなされ、この免震装置1に支持される建築物に対して優れた免震性が付与される。転動体7の、支承皿5,6間での転動は、その対向する凹形状の転動面5a,6a間でなされるから、転動体7と凹形状の転動面5a,6aとの相互作用によって、上側支承皿5は下側支承皿6に対して水平方向に相対移動すると共に上下方向にも移動する。
In the seismic isolation structure of a building using the
減衰装置8は、震動のない状態である常時は、図4に示すようにブレーキパッド10の中心がブレーキ皿9の中心とほぼ合致する位置(原点位置)とされる。震動に伴う上側架台2の相対移動に伴い、図5(A)(B)に示すようにブレーキ皿9がブレーキパッド10に対して水平方向に相対移動し、上下方向にも移動する。図5(A)は、水平方向の移動量が小さい状態であり、ブレーキパッド10の上端先細り部が、ブレーキ皿9のテーパ面部分とされた摺動面9Aの内周側テーパ面部分9Abに弾性摺接している。この状態では、ブレーキパッド10の弾性体11による弾性復元力が弱く、かつテーパ面部分9Abのテーパ角度が小さいので弾性体収縮量(弾性体11の圧縮量)が小さく、ブレーキパッド10の摺動面9Aに対する弾性摺接によるブレーキ摩擦力が小さく作用する。
The
図5(B)は、水平方向の移動量が大きい状態であり、ブレーキパッド10の上端先細り部が、ブレーキ皿9のテーパ面部分とされた摺動面9Aの外周側テーパ面部分9Aaに弾性摺接している状態である。この状態では、ブレーキパッド10の弾性体11による弾発力が強く、かつテーパ面部分9Aaのテーパ角度が大きいので弾性体収縮量が大きく、ブレーキパッド10の摺動面9Aに対する弾性摺接によるブレーキ摩擦力が大きく作用する。したがって、揺れが大きく上側架台2の水平方向の相対移動量が大きい程、減衰装置8の減衰作用がより強く生じ、上側架台2の過大変位が抑制される。
FIG. 5B shows a state in which the amount of movement in the horizontal direction is large, and the upper end tapered portion of the
この実施形態の減衰装置8は、様々な免震装置の免震機構に対応するため、また上側架台2の下側架台3に対する相対移動量の増加につれてブレーキ摩擦力を大きくし、過大変位を抑制するため、ブレーキ皿9の摺動面9Aをテーパ面部分9Aa,9Abで構成している。この実施形態の免震装置1においては、地震時に上側架台2が下側架台3に対して水平方向に相対移動した時、同時に垂直方向へも移動する。この2方向移動量の関係は、主に免震機構4の構造で決まる。ブレーキ皿9における摺動面9Aのテーパ面構造は、この垂直方向移動によってブレーキ皿9がベースプレート8aから遠ざかる距離を相殺し、弾性体収縮量(つまりブレーキ摩擦力)の減少を防ぐ役割を果たす。また、上記2方向移動量の関係をもとに、テーパ角度変化を連続的に設定して摺動面9Aを球面状にしたり、テーパ角度を付けなかったりすることで、様々な構造の免震機構4に対応し、上側架台2が水平方向に相対移動しても摩擦ブレーキ力を低下させないようにすることができる。
The damping
また、テーパ角度を大きくすることで、上側架台2の水平方向の相対移動量に比例するように弾性体収縮量を増加させることができる。これにより、上側架台2の大きな水平方向移動に対して強いブレーキ力を作用させ、過大変位を抑制することができる。テーパ角度を連続的に変化させて摺動面9Aを球面状にすることも可能であり、摺動面9Aの形状により摩擦ブレーキ力変化を任意に設定することができる。以上より、このブレーキ皿9は、免震機構4の形式(転動面5a,6aが球面状やすり鉢形で転動体7の転動によって上側架台2が相対的な水平移動に伴い垂直方向に移動するタイプの他、垂直移動を伴わないタイプ)に対応し、個々の免震装置の減衰特性を任意に設定することが可能である。
Further, by increasing the taper angle, the amount of contraction of the elastic body can be increased so as to be proportional to the amount of relative movement of the
表1は図3、図4の各部の寸法・特性を示す。このような寸法・特性の免震機構4および減衰装置8を組み込み、図1および図2のような構成の免震装置1を組立てた。なお、表1において、ブレーキ機構部寸法h1は、ガイド円筒8b、ブレーキパッド10、および弾性体11を組立てた状態における、ベースプレート8aの上面からブレーキパッド10の先端までの寸法である。
Table 1 shows the dimensions and characteristics of each part of FIGS. The
上記免震装置1における、減衰装置8の相対変位と摩擦力の関係を図6に示す。図6に示すように、上側架台2の下側架台3に対する水平方向の相対変位量が0.09mまではブレーキ摩擦力が一定で、相対変位量が0.09mを超えると変位量の増加に合わせてブレーキ摩擦力が増大していることが理解される。これは、テーパ面部分9Abのテーパ角度βを支承皿5,6の転動面5a,6aのテーパ角度θと等しくし、テーパ面部分9Aaのテーパ角度αをこれらより大きくしたからである。すなわち、上側架台2の下側架台3に対する水平方向の相対変位量が0.09mの範囲では、θ=βであるから、上側架台2の水平移動に伴う垂直方向への移動がブレーキパッド10の弾性収縮を相殺し、これによりブレーキパッド10によるブレーキ摩擦力が一定となる。また、この変位量が0.09mを超えると、テーパ面部分9Aaのテーパ角度αがテーパ面部分9Abのテーパ角度βより大きいから、弾性体11の収縮量が増加し、これによりブレーキパッド10によるブレーキ摩擦力が変位に伴い大きくなる。このように、ブレーキ皿9の寸法、テーパ面部分9Aa,9Abの径および角度等の適宜設定により、免震機構4の構造に対応した減衰特性を任意に設定することができる。
FIG. 6 shows the relationship between the relative displacement of the damping
減衰装置8の個数は、免震対象の体積や重量によって適宜定められる。また、ブレーキの摩擦係数は、ブレーキパッド10と摺動面9Aの材質により任意に設定することができる。ブレーキパッド10を押上げ付勢する弾性体11としては図示のような弾性体に限定されるものではない。この実施例での摩擦係数は、0.59である。弾性体11は、そのばね定数を変えることによって適正な摩擦力の設定がなされる。
The number of the damping
上記構成の免震装置1による免震効果確認試験の結果を図7(A)(B)に示す。図7(A)(B)は、地震波再現装置で免震装置1に地震波を加えたときの応答加速度の標準偏差を示している。ここに、入力加速度は地震波再現装置の加速度、応答加速度は免震装置1上に乗せられた免震対象を模した棚に発生した加速度、免震無し応答加速度は免震装置を用いないで地震を再現した際にこの棚に発生した加速度を示す。上側架台2と棚との合計重量を80kgとした。図7(A)は再現した地震波の南北成分を示し、図7(B)は再現した地震波の東西成分を示している。また、図における各地名は、以下の地震の再現に対応する。
兵庫県南部地震(神戸)×1/2、
新潟県中越地震(小千谷)×1/2、
宮城県沖地震(築館)、
福岡県西方沖地震(唐津)、
The result of the seismic isolation effect confirmation test by the
Hyogoken Nanbu Earthquake (Kobe) × 1/2,
Niigata Chuetsu Earthquake (Ojiya) × 1/2,
Miyagi Prefecture Offshore Earthquake (Tsukidate),
Fukuoka West Offshore Earthquake (Karatsu),
図7(A)(B)に示されるように、上記免震装置1を用いると応答加速度が小さくなり、また免震装置を用いない場合は応答加速度が大幅に増幅されており、免震装置1による免震効果が顕著であることが理解される。
As shown in FIGS. 7A and 7B, when the
図8(A)(B)は、免震装置1の上側架台2の自由震動時の動きを示しており、(A)は減衰装置8が無しの場合を、(B)は減衰装置8が有の場合を示している。この図で示されるように、減衰装置8を有している場合は、地震後速やかに原点復帰することが理解される。
8A and 8B show the movement of the
地震の揺れは、水平方向面内で免震装置1設置面積内を中心とした回転運動とはなり得ない。そのため、免震装置1の上側部分である上側架台2が、下側部分である下側架台3に対して水平面内で相対的に起こすねじれ運動の規模は小さいと言える。さらに、減衰装置8と複数の免震機構4を用いた免震装置1においては、上記のような揺れ方を合わせて考えると、上側架台2の下側架台3に対する水平面内でのねじれ運動は大きくならないと考えられる。したがって、前記従来技術のような案内棒等がなくても、減衰装置8の減衰効果によりねじれ運動は概ね抑制でき、水平面内での姿勢を維持することができる。
The shaking of the earthquake cannot be a rotational movement centered on the
なお、ブレーキ皿9の摺動面9Aの形状、ブレーキパッド10の材質(ブレーキ皿9およびブレーキパッド10間の摩擦係数)、弾性体(ばね定数)等は実施例に限定されず、これらの適宜選定により、免震機構4の構造等に応じて任意に設定することができる。
The shape of the sliding
1…免震装置
2…上側架台
3…下側架台
4…免震機構
5…上側支承皿
5a…転動面
6…下側支承皿
6a…転動面
7…転動体
8…減衰装置
9…ブレーキ皿
9A…摺動面(テーパ面部分)
9Aa…外周側のテーパ面部分
9Ab…内周側のテーパ面部分
10…ブレーキパッド
11…弾性体
DESCRIPTION OF
9Aa ... Tapered surface portion 9Ab on the outer peripheral side ...
Claims (3)
前記上側架台と下側架台との間に減衰装置を介在させ、この減衰装置は、上下架台に下向きに設けられたブレーキ皿に、ブレーキパッドを下側架台上から弾性体により押し付けたものであることを特徴とする免震装置。 The upper frame supporting the structure is installed on the lower frame via a plurality of seismic isolation mechanisms, and each of the seismic isolation mechanisms is a concave-shaped upper and lower roll that deepens from the outer periphery to the center. In the seismic isolation device, which has rolling elements interposed between the moving surfaces,
An attenuation device is interposed between the upper frame and the lower frame, and this attenuation device is formed by pressing a brake pad from above the lower frame with an elastic body to a brake plate provided downward on the upper and lower frame. A seismic isolation device characterized by that.
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