JP2008144562A - 球面接触型回転滑り支承体と支承体杭頭内地下埋設杭工法 - Google Patents

Abstract

【課題】大きな建物重量を支えられる地震波の周期特性に左右されない杭頭免震構造物を提供する。
【解決手段】支承部をベアリング支承に近い球体構造とし、球体７と球面受け皿の組み合わせにする事によりクーロン摩擦係数をη＝０．０１−０．００１のボール・ベアリングに匹敵する滑り支承とし、かつ、大きな軸力に耐える支承部を可能とした。また摩擦力を軽減するために支柱８の両端回転滑り支承表面に亜鉛メッキ鋼板またステンレス鋼板等を電気抵抗溶接またホットメタルにより熱圧着したコーテイングリムを備え、球体とケーシングとの間に、軸力を支えかつ滑り面の応力集中また軋み音を減ずるためのトライポロジー技術である四フッ化樹脂（ＰＴＦＥ）を装着した。
【選択図】図４

Description

発明の詳細な説明

本発明は、杭頭免震建築構造物に属する技術分野である。 従来、免震構造物の各種免震装置（鉛入り積層ゴム免震装置、高減衰積層ゴム免震装置、油圧装置等）と転がり又は滑り支承の組み合わせを支える基礎形式は様々である。建物重量の軸力を支持し、かつ長周期化を目的とする場合、これ等各種免震装置と転がり又は滑り支承との併用が行われている。 これ等のシステムでは、高い減衰性を期待するとバネ剛性も比例して大きくなり短周期化は否めない。 ここでの技術分野は免震装置の高い減衰性と長周期化を目標とした免震構造物の実現化である。

構造物の免震構造は基本的には構造物の鉛直力（重力）を支える機構と地震力（水平力）に対し構造物と基礎間に水平剛性を低く押さえ入力地震の減衰また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受け流す機構が、一体になった装置（独立免震システム）と両者の機構が独立に、かつ並列に構成された装置（並列免震システム）とがある。 免震システムを支えかつ繋ぐ基礎および繋ぎ梁にも各種工夫がされている。 それ等装置を構造物と基礎間に設け、地震入力から構造物と地盤を遮断し、人的被害また建屋構造物の損傷また破壊を免れる免震構造システムを構成している。

前者には滑り支承を直接に付属した各種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またはステンレス鋼板を用いた滑り支承等との併用が提案されている。 また原点復帰機構と過変位抑制機構として油圧装置又は弾性スプリング装置が並列に組み合わされている場合もある。

軽量な住宅を除いた重量建築物では鉛入りまた高減衰積層ゴム免震装置が普及しているが、最近では４−５秒という長周期化を目的とした、また入力地震波特性に依存しない免震システムとして積層ゴム免震装置と滑り支承の並列仕様が提案されている。

従来の滑り支承では基礎側に滑り変位分に相当する大きさの四角また円形状の亜鉛鋼板またステンレス鋼板が、摺動摩擦負荷緩和材としてはトライポロジー技術の四フッ化樹脂（ＰＴＦＥ）、二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）、その他の化学素材がコーテイングされた摺動スタンプが用いられている。

またこうした免震装置を現場施工する場合、装置の水平度の正確さを維持する事の困難さ、また塵などによる経年的な劣化の問題等が指摘されている。

発明が解決しようとする課題

免震装置と滑り支承の組み合わせは、併用型と合体型があり、前者は免震と滑り支承それぞれを独立に併用した型で、後者は免震の下部に滑り支承を直列に合体した型である。 この意図するところは免震装置に滑り支承を組み合わせることにより、
１）滑り支承は入力地震動の周期特性に依存しないの事
２）免震装置と滑り支承の組み合わせ比率により長周期化が可能な事
の改善とその実用化を目途としている。
また、従来、これ等免震システムを支える基礎及び繋ぎ梁の工費も、工事費の大きな割合を占める。 これを解消する意味でも、
３）免震装置を杭頭内に直接埋設し、基礎及び繋ぎ梁を消去し、それ等に懸かる施工費用を削減する事などを課題とした。

これら通常の免震ゴム支承の欠点を克服する事は可能であるが、滑り支承のクーロン摩擦係数の低減化と均一化が問題とされている。 クーロン摩擦係数は金属同士ではη＝０．４程度で、中地震ではこれら滑り支承は機能しない。 このクーロン摩擦係数を下げるために、多くの実例では４フッ化エチレン樹脂（ＰＦＴＥ）、二硫化モリブデン（ＭＯＳ２）を滑り支承摺動子（スタンプ）にコーテイングしている。 また最近では、さらにクーロン摩擦係数の低減化のために各種の工夫がされており、ポリアセタール樹脂をスタンプ側にコーテイングし、クーロン摩擦係数をη＝０．１程度までに下げた例も報告されている。

これ等滑り支承よりさらに低いクーロン摩擦係数を転がり支承、すなわち一重また二重ボール・ベアリング支承の採用により、クーロン摩擦係数をη＝０．０１−０．００１程度までに下げる事は可能であるが、ヘルツの弾性接触理論によると、球体（ボール・ベアリング）と受圧板との接触面積はそれ等鋼材の弾性係数Ｅ_１、Ｅ_２及びポアソン比ν_１、ν_２にも係わり、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。 このヘルツの弾性接触理論から明らかなように、ボール・ベアリング支承と受圧板が点接触となり、応力集中は大きく、それを回避するために、ボール・ベアリングの数を多くする事、また受圧板の鋼材についても強い強度の材料が必要とされ、大きな軸力に耐えるには、機構が複雑な高強度な素材を用いた大きな装置が必要で高価なものとなる。

滑り支承は大きな軸力に耐える事が出来るが、クーロン摩擦係数の低減化はη＝０．１程度までが限界であり、また摩擦係数の均一安定化も問題とされている。 また滑り支承を受ける受圧板として動作水平変位分の１．０ｍから１．２ｍ平方の受圧板が必要となり、その受圧板の水平度維持施工は難しく、また塵に対する防護も難しく、また二次的な経年劣化も無視し得ない。 これ等を解消するために支承体を杭頭内に埋設した杭工法とした。

課題を解決するための手段

１）大きな建物重量を支えられる事
２）クーロン摩擦係数をη＝０．０１−０．００１程度までに下げる事
３）塵などによる磨耗、損傷、破損、長期の経年劣化を避ける事
４）施工時の精度、容易さを確保する事
が問題とされた諸点で、これ等課題の内１）と２）を解決するための手段として、本発明では支承部をピン・ピン構造とした。 ピン・ピン構造は力学的にローラ構造で、ローラ構造がベアリング支承に近い事に注目し、また支承部を球体と球面受け皿の組み合わせにより、クーロン摩擦係数を一桁下の値、η＝０．０１−０．００１のボール・ベアリング相当に近い滑り支承とし、かつ廉価で大きな軸力に耐える支承部を可能とした。

図５に示すように、摩擦力を軽減するために支柱両端の回転滑り支承表面に亜鉛メッキ鋼板またステンレス鋼板等を電気抵抗溶接またホットメタルにより熱圧着したコーテイングリムを備え、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（ＰＴＦＥ）を装着することにより、球体７とケーシング１３が直接触れることなくこれら欠点を解決できる。

従来の杭頭免震装置は「図１」、「図２」、「図３」に示すような地盤上部設置型であり、本発明では発想を変え、この球体と球面受け皿の組み合わせによる支承部を杭頭内に埋設する事により、塵の混入を防ぎ球体と受け皿の磨耗、損傷、破損、長期に亘る経年的な劣化も緩和することを可能とし、施工時の水平度の維持に過度な気を配ることの必要性が緩和され、廉価で安定した支承部を提案する事を可能とした。

「図５」に示すように、支配軸力に対して、ヘルツの弾性接触理論によるところの大きな集中力を緩和するために、一つには球体と球面受け皿の組み合わせにする事により面接触とし、一つには球体と球面受け皿間に亜鉛鋼板またステンレス鋼板を装填した。またこの球面接触型回転滑り支承体を杭頭内に埋設装着した事により塵からの汚れ、損傷を回避した。

また球体と球面接触により、従来の球体とプレート接触に伴う損傷、磨耗を軽減すると伴に、施工時の支承体の施工精度の困難さを軽減出来る。 １Ｇを越える上下動に対して球体が球面受け皿から離脱しないよう「図５」に示すように１５の外れ止めを設けた。

「図４」に示すように、この球体と球面受け皿の組み合わせによる支承部のピン・ピン構造は力学的にローラ構造で、機構的にはベアリング支承に近く、クーロン摩擦係数を一桁下の値、η＝０．０１−０．００１の滑り支承を可能とした。 またこの球面接触型回転滑り支承体を杭頭内に埋設する事により塵の混入を防ぎ球体と受け皿の磨耗、損傷、破損、長期に亘る経年的な劣化も緩和することを可能とし、施工時の水平度の維持に過度な気を配ることの必要性が緩和され、廉価で安定した支承部を提案する事を可能とした。

ゴム免震支承を有する構造物の振動の基本方程式は、成書より

となる。
本転がり滑り支承を並列したゴム免震支承を有する構造物の振動の基本方程式は地震時の地球重力による水平力成分Ｆｘ１とピン球面と受け皿球面のクーロン摩擦の回転抵抗力Ｆｘ２が加わり、

となる。
水平力Ｆｘ１は、「図６」に示すように地球重力の水平成分で

である。
水平力Ｆｘ２は、「図６」と「図７」に示すようにピン球面と受け皿球面のクーロン摩擦の回転抵抗力で、クーロン摩擦係数μ、ピン球体半径ｒとすると、

である。
このＦｘ２は、小さいので無視すると、本転がり滑り支承を並列したゴム免震支承を有する構造物の振動の基本方程式は

となり、
ＦＸ１＝Ｍ・ｇ・ｘ／（ｈ−ｙ）を左辺に移項し、整理すると

となる。
この左辺の｛Ｋ_１−Ｍ・ｇ／（ｈ−ｙ）｝の項は、ゴム免震装置の剛性Ｋが仮想上低下する事を意味している。 減衰率Ｃは変らずに、剛性Ｋが低下し、より滑り易くなる。この項｛Ｋ_１−Ｍ・ｇ／（ｈ−ｙ）｝の内、Ｋ_１、Ｍ、ｇは規定されており、未定変数はｈのみで支柱の長さｈは

を満たす範囲となる。
さらに、式（５）の左辺に建物重量Ｗの上下動変位ｙの動的釣り合い式

が加わり、
入力地震動のエネルギーを吸収し、建物の水平動を減衰する役目を果たす。ここに、垂直変位ｙは水平変位ｘの函数で、

となり、
ｙはｘにより規定される。

発明の効果

本装置の効果は、振動的見地からは二つあり、一つは地球重力の水平成分が免震装置のバネ剛性の低減に、一つは建物重量の上下動に伴う履歴減衰効果で、滑り易さと長周期化かつ減衰の点に集約できる。

本装置の転がり滑り面が球体と球面の直接接触する密閉型構造に加えて、それが杭頭内に埋設されている事により塵の混入を防ぎ球体と受け皿の磨耗、損傷、破損、長期の経年的な劣化も緩和することを可能としている。

また、本装置が転がり滑り面が球体と受圧板の接触でなく、球体と球面の接触という事で、この球面接触の特徴として、球面接触がの容易な水平接地を可能とし、施工時の水平度の維持に過度な気を配ることの必要性が緩和されている。 これはまた球体と受圧板の接触摩擦という不安定な工学的現象を球体と球面の接触という安定した摩擦に置き換えている面も大きい効果で安定した滑り摩擦免震システムを実現化を可能としている。

本装置は、動作時に水平移動ｘのみでなく、式（９）の垂直変位ｙを伴うため、この履歴がシステムの減衰にも役立っている。 さらに式（５）に示すように｛Ｋ_１−Ｍ・ｇ／（ｈ−ｙ）｝のバネ剛性の低下が鉛入りまた高減衰免震装置の減衰履歴ループのバネ剛性を見掛け上、下げる事になるので、将来さらなるバネ剛性を高めた高減衰免震装置の開発に道を開くものである。

地上レベルでの杭頭免震の姿図 中間層レベルでの杭頭免震の姿図 基礎レベルでの杭頭免震の姿図 免震装置杭頭杭と回転滑り球面接触型支承体杭頭内地下埋設杭の並列姿図 回転滑り球面接触型支承体の姿図 建屋構造躯体及び杭頭間に設けた支柱両端球体との力の遣り取り 下端球体と受け皿間に働く支柱軸力Ｎとクーロン摩擦力Ｆ

符号の説明

１ ・・・免震装置
２ ・・・基礎杭
３ ・・・地上レベル線
４ ・・・１Ｆ床
５ ・・・基礎繋ぎ梁
６ ・・・基礎床
７ ・・・球体
８ ・・・支柱
９ ・・・杭頭内軸力支持プレート
１０・・・鋼管
１１・・・鋼芯柱
１２・・・建屋側構造躯体
１３・・・球体受け皿
１４・・・球体受け皿間ステンレス摩擦摺動緩和材
１５・・・球体外れ止
１６・・・ベース・プレート
１７・・・アンカー・ボルト
ｘ ・・・動作時の支柱上端球体の水平変位
ｙ ・・・動作時の支柱上端球体の垂直変位
ｈ ・・・杭頭内埋設支承体の支柱高さ
Ｍ ・・・建屋質量
Ｎ ・・・動作時の球体・受け皿間の支圧軸力
Ｆ ・・・クーロン摩擦力
μ ・・・クーロン摩擦係数
ｒ ・・・球体半径
ＦＸ１・・動作時に建屋から加わる地球重力の水平成分
ＦＸ２・・球体・受け皿間の回転に伴うクーロン摩擦力の水平成分

Claims (5)

1. 全方位水平変位と回転を可能とした球面接触型回転滑り支承体とその支承体を杭頭内に埋設装着した事を特徴とする建屋荷重を支える杭工法。
2. 球面接触型回転滑り支承体は建屋荷重を支える任意長さの支柱と、その両端に設けた球体と球体を受けるケーシングとして建屋構造体側に下向きに設けた球面滑り受け皿と杭頭側に上向きに設けた球面滑り受け皿から構成される事を特徴とする。地震時に全方位水平変位と回転を可能とした機構としている。 球体と球面を回転可能にしたことにより、現場施工の際の装置の水平度を維持を容易とし、また球体と球面を密閉型にした事により塵など混入を防ぎ、経年的な劣化の緩和軽減を特徴とした球面接触型回転滑り支承体。
3. 球体とケーシング上下球面受け皿間の摩擦、また軋み音を減ずるために、回転滑り支承表面に亜鉛メッキ鋼板またステンレス鋼板等を電気抵抗溶接またホットメタル等により熱圧着したコーテイング・リムを備え、またヘルツ弾性接触支圧力を緩和するためにトライポロジー技術の四フッ化樹脂（ＰＴＦＥ）、二硫化モリブデン（Ｍ_０Ｓ_２）、炭素等を摺動摩擦負荷軽減材とし装填し、支承体の磨耗緩和を特徴とした球面接触型回転滑り支承体。
4. 球面接触型回転滑り支承体の支柱の長さを任意に設定することにより、他の免震装置と併用した場合、免震装置の減衰効果を損ねる事なく、地球重力を利用した任意の負のバネ効果を与える回転滑り支承として機能することを特徴とした球面接触型回転滑り支承体。
5. 請求項１、２、３及び４の組み合わせと杭頭内の杭中心に単体また複数体を直接埋設する事により基礎及び繋ぎ梁の省略を可能とした廉価な球面接触型回転滑り支承体杭工法。 また請求項１、２、３及び４の組み合わせと、変位抑制油圧サーボまた各種の積層ゴム免震装置との組み合わせにより地震波周期特性に依存しない、かつ長周期化を可能とした自在な免震効果を機能することを特徴とした免震構造物。

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