JP2008163711A - ゴム板層を有する転がり免震支持装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 鋼球の転動子を使用する転がり免震装置において、簡単な構成をもって復帰力を付与すること。
【解決手段】
荷重支持機能を有する転がり支持機能を有する転動子３を有し、かつ、上部構造Ｇと下部構造Ｂとの相対移動に応じて転動する球体４は２つの相対する半球体からなり、半球体相互を所定の広がりと所定の厚さを保持するゴム板層５に固定して円球体を構成し、かつ、該ゴム板層５は該球体周りに一定間隔の環状部２３を保持して拘束板により拘束してなる。
【選択図】 図２

Description

この発明は、上部構造と下部構造との間に介装され、上部構造の荷重を支持するとともに地震動等の強制振動に対して上部構造の揺れを低減し免震する基礎用装置いわゆる免震支持装置に関し、更に詳しくは、建造物、機械又は床構造等の上部構造に適用され、該上部構造を支持するとともに地震時における振動を吸収する機能を果たす免震支持装置に関する。

鋼球等の転動子を用いて転がり機能により免震をなすを免震支持装置では、地震動に対する敏感な応答性が得られるが、その移動に伴う敏感性から構造物に不安定性をもたらし、上部構造の転倒モーメントを受け易いという問題点がある。また、地震動後の元位置への復帰機能を付加する問題点もある。
本発明者は、この観点から先に特開２００５−２７３３５３、特開２００５−２８２２４７、特開２００６−１５３１２５等（以下これらを「先行技術」という）により、復帰機構を備え、かつ転倒を阻止する拘束梁を有する免震基礎構造を提案した。
しかしながら、これらの先行技術では復帰機構が複雑なものとなっており、また、検知装置等の特殊な装置も必要となっている。
特開２００５−２７３３５３公報 特開２００５−２８２２４７公報 特開２００６−１５３１２５公報

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、先行技術を更に発展させ、比較的簡単な構成によりこの種の転動子を使用する転がり免震支持装置における復帰力の改善を図ることを目的とする。
本発明はこのため、転動子とは別に、上部・下部構造間の相対移動に応じて転動する球体を設け、該球体を二つの半球体より構成し、該半球体にゴム板を介装させる技術的手段を採ることによりこの問題点を解決し得るとの知見に基づいてなされたものである。

本発明の免震支持装置は上記目的を達成するため、以下の構成を採る。
本発明の免震支持装置は、請求項１に記載のとおり、基礎又は地盤等の下部構造に連動して設置される下部枠体：建造物、機械又は床構造等の上部構造の下面に連動して設置される上部枠体：前記下部枠体と前記上部枠体との間に介装され、その転動とともに荷重の支持機能を有する剛性の球体からなる複数の転動子：所定の広がりと所定の厚みを有するゴム板層：前記ゴム板層を上下に挟着する拘束板：前記下部枠体と前記上部枠体とに回転可能に保持される球体：からなり、
前記各転動子は、前記ゴム板層と前記拘束板との組み合わせ体よりなる中間部材によって回転可能に保持され、
前記球体は、２つの相対する半球体を前記ゴム板層に固定設置されて円球体に構成し、かつ、前記球体周りに一定間隔のゴム板層の環状部を形成してなる、
ことを特徴とする。
本発明において、
1)球体は円球のみに限定されず、その移動において円運動変位をなす同一の曲率を保持する形状を含む。
上記構成において、
1)転動子と球体とは実質的に長手方向に一列に配される態様を採ること（以下の第１実施例に示される）、
2)転動子と球体とは放射状に配される態様を採ること、
3)球体は転動子の配される部位の両側に配される態様を採ること（以下の第１実施例に示される）、
4)球体は転動子の配される部位の中央に配される態様を採ること（以下の第２実施例に示される）、
5)上記1)から4)の適宜の組み合わせ態様を採ること、
は適宜なされる設計変更である。

（作用）
本免震支持装置は建造物すなわち上部構造Ｇとコンクリート基礎すなわち下部構造Ｂとの間に介装され、その転動子を介して上部構造Ｇの荷重を支持し、下部構造Ｂひいては地盤に該荷重を伝達するとともに、地震動に対する免震作用を発揮する。
(A) 常時
常時において、上部構造Ｇの荷重は、本免震支持装置において、上部枠体、転動子及び下部枠体を介して下部構造Ｂに伝達され支持される。本免震支持装置における支持面は全ての転動子が均等に当接し、かつ転動子は剛性体よりなるものであり、大きな載荷能力を有する。
そして、球体周りのゴム板層、すなわちゴム板層の環状部は無負荷状態となっており、本球体部位は構造物に格別の作用を及ぼさない。
(B) 地震時
地震時（及び構造物に揺れを生じさせる力が作用する全ての場合を含む。）において、地盤が強制振動力を受けると、下部構造としての基礎Ｂは一体に振動するが、上部構造Ｇは転動子の転がり作用を介して揺動が生じ、上部構造Ｇと下部構造Ｂとの間に相対変位が生じる。
上部枠体に接する転動子は、均等に当接し、かつ上部枠体の移動とともに該転動子も転動し、極めて小さな動摩擦性を発揮し、上部枠体の移動は円滑になされる。
上部枠体の移動により球体も回転し、回転進行方向側のゴム板層の環状部は拘束板より下方へ引き出され、回転進行方向と逆側のゴム板層の環状部は拘束板より上方へ引き出され、ともに張力をもってこの回転に抗する引き戻し力を生ずる。上部構造が逆方向に移動すると、上記の動作の逆となる。
地震動に伴い、上部枠体は揺動運動をなし、この揺動に応じて球体及びゴム板層の環状部も上述の動作を繰り返す。
これにより、転動子の転がり作用をもって構造物は良好な免震作用を受け、また、ゴム板層の環状部はその広がりを阻止する力、すなわち復帰力を及ぼし、上部構造Ｇの振動の低減に寄与する。
(C) 復帰作用
地震動が止むと、球体の回転も停止し、上部構造Ｇと下部構造Ｂとに相対的なずれがあると、ゴム板層の環状部の変形作用により復帰力が残存し、これにより上部構造Ｇは定位置状態、すなわち初期の定位置に復帰する。

本発明の免震支持装置によれば、転動子による良好な免震作用を保持しつつ、上部構造と下部構造間の相対的移動に伴う球体の回転移動に対応してゴム板層の環状部は引張り力を受け、復帰力を発揮するので、簡単な構成をもって免震支持装置の復帰機構を実現することができる。
そして、本免震支持装置において所定の移動空間を保持することにより水平面の全方向に対処できる。

本発明の免震支持装置の実施の形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１〜図５は本免震支持装置の一実施形態（第１実施形態）を示し、中低層建築物の軽量建物への適用例を示す。すなわち、図１及び図２は本免震支持装置の全体構成を示し、図３〜図５はその特徴部の詳細構成を示す。
本免震支持装置Ｓは、上部構造Ｇと下部構造Ｂとに介装設置され、上部構造Ｇの荷重を支持し、下部構造Ｂに伝達するとともに地震等の強制振動力より生起される上部構造Ｇの揺れに対して免震作用をなす。
本装置につき、Ｘは長手方向、Ｙは幅方向、Ｚは高さ方向を示す。

図１及び図２に示すように、本実施形態の免震支持装置Ｓは、下部枠体１、該下部枠体１の上位に配される上部枠体２、前記下部枠体１と上部枠体２との間に介装される鋼製の球体からなる転動子３、ゴム板層を挟んで２つの半球体４ａ，４ｂにより構成されるとともに前記下部枠体１と上部枠体２とに把持される球体４、及び、前記下部枠体１と上部枠体２との中間に配されるゴム板層５と拘束板６との組み合わせ体よりなるとともに前記転動子３及び球体４を保持する中間部材７から構成される。
本実施形態では、下部構造Ｂはコンクリート製の基礎構造を採り、上部構造Ｇは軽量の建物構造を採る。

以下、各部の細部構造に付いて説明する。
下部枠体１（図２〜図４参照）
下部枠体１は、上方に開口する長方形状の剛性の箱体をなし、底板１０と四周の壁体１１と中央部の載置台１２とからなる。
底板１０の両端部には球体４の保持孔１３が開設され、また、底板１０は適宜の固定手段を介して下部構造Ｂに固設される。
載置台１２は、底板１０の中央において上方へ嵩上げられ、その上面１２ａは平滑な水準面をなす。載置台１２は中空とされ、軽量化が図られるが、中実を除外するものではない。また、該載置台１２は図例では、底板１０から立設されたものとなっているが、壁体１１に架け渡されてもよい。

上部枠体２（図２〜図４参照）
上部枠体２は、下方に開口する長方形状の剛性の箱体をなし、天板１５と四周の壁体１６と中央部の載荷台１７とからなる。すなわち、該上部枠体２は実質的に下部枠体１と同形をなす。
天板１５の両端部には球体４の保持孔１８が開設され、また、天板１５は適宜の固定手段を介して上部構造Ｇに固設される。
載荷台１７は、天板１５の中央において下方へ底下げられ、その下面１７ａは平滑な水準面をなす。載荷台１７は中空とされ、軽量化が図られるが、中実を除外するものではない。また、該載荷台１７は図例では、天板１５から垂設されたものとなっているが、壁体１６に架け渡されてもよい。

下部枠体１の載置台１２と上部枠体２の載荷台１７との関係につき、載置台１２の上面１２ａと載荷台１７の下面１７ａとは極めて精確に平行面を保持される。
更に、下部枠体１の載置台１２と上部枠体２の載荷台１７とによって、下部枠体１と上部枠体２との両端部には球体４を収容する大きな空間Ｋが形成される。

転動子３（図１〜図３参照）
転動子３は、小径の鋼球体よりなり、多数個をもって下部枠体１の載置台１２と上部枠体２の載荷台１７との間に介装設置され、下部及び上部枠体１，２間に作用する荷重を支持するとともに、下部及び上部枠体１，２の相対移動を許容する。しかして、該転動子３はこの種の転がり免震装置の転がりによる主たる免震機能をなす。
なお、転動子３の保持は後記するように中間部材７によってなされ、本実施形態に特有の構成を採る。また、転動子３は多数個であるので、本免震支持装置Ｓの自立作用を果たす。

球体４・中間部材７（図１〜図３参照）
球体４及び中間部材７は本実施形態に特有の構成を採るものであって、本発明の特徴をなす。すなわち、中間部材７は転動子３及び球体４の保持機能をなす。

球体４（図１〜図３参照）
球体４は、構築をもって２つの半球体４ａ，４ｂからなり、ゴム板層５を介して真円状をなす。半球体４ａ，４ｂとゴム板層５とは接着剤層２０をもって一体に固定される。固定の態様としては、ボルト固定も除外するものではない。
球体４は本実施形態では合成樹脂材よりなり、所定の硬度を有するものである。該球体４はその上下端部を枠体１，２の保持孔１３，１８に回動自在に緩く保持され、下部枠体１と上部枠体２との相対移動に応じて回転動作をなす。
更に、本実施形態では該球体４は２個配されたものであるが、単一であってもよく、また適宜３個以上であってもよい。

中間部材７（図１〜図５参照）
中間部材７はゴム板層５と拘束板６とから密着性を保って組み合わされる。
（ゴム板層５）（図１〜図４参照）
ゴム板層５は、天然ゴムあるいは合成樹脂ゴムのゴム素材よりなり、所定の厚さと所定の広がりを有し、一定の特性値（弾性値、及び弾力）を発揮する。
ゴム板層５の広がりすなわち平面形状は、下部枠体１及び上部枠体２の平面にほぼ一致するものであり、該ゴム層４の厚さは、その特性を決定する。ゴム板層５の強度は、該ゴム板層５が伸びたとしても十分に保障されるものであることは言うまでもない。かつ、長期にかけての十分な耐久性を有する。

（拘束板６）（図１〜図５参照）
拘束板６は、硬質の板状素材（通常には薄鋼板）よりなり、ゴム板層５と同一形状の平面形状をなし、上下板６Ａ，６Ｂをもって該ゴム板層５を上下より挟着拘束する。該拘束板６は球体４周りについて大径の円孔２２が開設され、該球体４より一定の環状間隔を保持する。
しかして、中間部材７において、各球体４周りにゴム板層４の環状部２３が形成される。

図５は中間部材７による転動子３の保持構造を示す。
図示されるように、ゴム板層５に円孔２５が開設され、これに対応して該ゴム板層５を挟着する拘束板６には円孔２６が開設され、該円孔２６には適宜にテーパーが付される。ゴム板層５の円孔２５は転動子３の径と同径、もしくは該転動子３の径よりも大きくされ、また、拘束板６の円孔２６は転動子３の径よりも小さく、転動子３の抜出しを阻止する。該円孔２６のテーパーは転動子３の回転を円滑になす。
しかして、転動子３は拘束板６の円孔２６により、ひいては中間部材７により可動自在に保持される。

（本免震支持装置Ｓの取付け・配置）
本免震支持装置Ｓは、低層・中層の木造、鉄骨造、コンクリート造等の比較的軽量な建物Ｇを対象とし、上部構造としての該建物Ｇに対して次のように配され、取り付けられる。
図６・図７にその取付け・配置の一態様を示す。
図において、Ｂは基礎固めされた地盤Ｅに構築された布基礎であって、該布基礎Ｂの上面は同一水準に施工される。この布基礎Ｂ上に複数の本免震支持装置Ｓが対称を保って配置され、これらの免震支持装置Ｓ間に適宜の転倒防止装置Ｔが設置される。転倒防止装置Ｔは本発明者が既に提案したもの（特願２０００−１０９５１４外）の適用をもってなされる。図７(b) ではその簡単な構成のものとして、基礎Ｂに連結される下部係合体３０と建物Ｇへ連結され下部係合体３０を直交もしくは斜交する上部係合体３１とからなり、それら３０，３１の係合作用をもって上揚力に抵抗する機構を示す。
しかして、この免震支持装置Ｓ上に木造建物においてはその土台が取り付けられ、建物本体が構築される。

（本免震支持装置Ｓの作用）
本免震支持装置Ｓは建造物すなわち上部構造Ｇとコンクリート基礎すなわち下部構造Ｂとの間に介装され、その転動子３を介して上部構造Ｇの荷重を支持し、下部構造Ｂひいては地盤Ｅに該荷重を伝達するとともに、地震動に対する免震作用を発揮する。

(A) 常時
常時において、上部構造Ｇの荷重は、本免震支持装置Ｓにおいて、上部枠体２、転動子３及び下部枠体１を介して下部構造Ｂに伝達され支持される。本免震支持装置Ｓにおける支持面は全ての転動子３が均等に当接し、かつ転動子３は剛性体よりなるものであり、大きな載荷能力を有する。
そして、球体４周りのゴム板層５、すなわちゴム板層の環状部２３は無負荷状態となっており、本球体部位は構造物に格別の作用を及ぼさない。

(B) 地震時
地震時において、地盤Ｅが強制振動力を受けると、基礎Ｂは一体に振動するが、上部構造Ｇは転動子３の転がり作用を介して揺動が生じる（換言すれば、上部構造Ｇと下部構造Ｂとの間に相対変位が生じる）。
上部枠体２の下面１７ａに接する転動子３は、均等に当接し、かつ上部枠体２の移動とともに該転動子３も転動し、極めて小さな動摩擦性を発揮し、上部枠体２の移動は円滑になされる。

(B-1)
今、上部枠体２が図８の左方向（イ方向）に移動するとき、球体４は左方向に回転し、左方のゴム板層５の環状部２３はゴムの張力Ｆに抗して下方へ引き出され、また、右方のゴム板層５の環状部２３はゴムの張力Ｆに抗して上方へ引き出される。この間、ゴム板層５の環状部２３は張力Ｆによる抗力が生じ、この広がりを阻止する力、すなわち復帰力が作用する。
中間部材７は水平方向への変位はあるが、水平状態を維持する。

(B-2)
上部枠体２が逆方向（図９、ハ方向）に移動するとき、上記した状態とは逆となる。すなわち、球体４は右方向に回転し、右方のゴム板層５の環状部２３はゴムの張力Ｆに抗して下方へ引き出され、また、左方のゴム板層５の環状部２３はゴムの張力Ｆに抗して上方へ引き出される。この間、ゴム板層５の環状部２３は張力Ｆによる抗力が生じ、この広がりを阻止する力、すなわち復帰力が作用する。
中間部材７は水平方向への変位はあるが、水平状態を維持する。

(B-3)
地震動に伴い、上部枠体２は揺動運動をなし、この揺動に応じて球体４及びゴム板層５の環状部２３も上述の動作を繰り返す。
これにより、転動子３の転がり作用をもって構造物は良好な免震作用を受ける。
一方、ゴム板層５の環状部２３はその広がりを阻止する力、すなわち復帰力を及ぼし、構造物Ｇの振動の低減に寄与する。

(C) 復帰作用
地震動が止むと、球体４の回転も停止し、上部構造Ｇと下部構造Ｂとに相対的なずれがあると、ゴム板層５の環状部２３の変形作用により復帰力が残存し、これにより上部構造Ｇは定位置状態、すなわち初期の定位置に復帰する。
上記の振動時の揺動作用、及び復帰作用は地震動に限るものではなく、本免震支持装置Ｓが介装設置される構造物間の全ての振動について適用される。

（本免震支持装置Ｓの効果）
本免震支持装置Ｓによれば、転動子３による良好な免震作用を保持しつつ、上部構造Ｇと下部構造Ｂ間の相対的移動に伴う球体４の回転移動に対応してゴム板層５の環状部２３は弾性による引張り力を受け、復帰力を発揮するので、簡単な構成をもって免震支持装置の復帰機構を実現することができる。
そして、本免震支持装置Ｓにおいて所定の移動空間を保持することにより水平面の全方向に対処できる。

（他の態様）
本免震支持装置Ｓは前記した軽量建物自体への適用以外に、建物内の床部に適用され、嫌振動性の機器を載置する該床部を支持する免震床用に好適なものとして使用される。

（第２実施形態）
図１０に本発明の他の実施形態（第２実施形態）の免震支持装置を示す。図において、先の実施形態と同一の部材については同一の符号が付されている。
この免震支持装置Ｓ１は、下部枠体１と上部枠体２とからなり、該装置の中央に単一の球体４が配され、下部枠体１及び上部枠体２の両端部に転動子３が配される。中間部材７は、ゴム板層５及び拘束板６からなり、転動子３は中間部材７に保持されることは先の実施形態に準じる。ゴム板層５は球体４周りに環状部２３を有することは言うまでもない。その余の構成（載置台１２、載荷台１７を有すること、転動子３は載置台１２の上面及び載荷台１７の下面に当接すること）は先の実施形態に準じる。
当該免震支持装置Ｓ１の作用並びに効果は先の実施形態に準じる。すなわち、転動子３による免震作用、及びゴム板層５の環状部２３の復帰機能が発揮される。

本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の基本的技術思想の範囲内で種々設計変更が可能である。すなわち、以下の態様は本発明の技術的範囲内に含まれる。
1)第１実施形態、第２実施形態では長方形状の長手方向（Ｘ方向）の配置態様を示したが、全平面方向への態様も可能である。
この場合、正方形状のＸ、Ｙ方向のもの、円形の放射方向のものの態様を採るものである。
2)第１実施形態、第２実施形態以外に球体４の配置数を３以上の態様を採ることができる。
3)転動子３の数は図例のものより適宜に増減可能である。
4)先の実施形態ではゴム板層５と拘束板６とは同一形状を採り中間部材７を構成したが、ゴム板層５は球体４を含み、円孔２２周りにのみ配する態様を採ることができる。

本発明の一実施形態の免震支持装置の全体構成を示す平面図（図２の１−１線矢視図）。 同じく本免震支持装置の全体構成を示す鉛直断面図（図１の２−２線断面図）。 図２の部分拡大詳細図。 図２の４−４線断面図。 図３のＡ部拡大詳細図。 本免震支持装置の配置例を示す平面図。 図６の７−７線断面図。 復帰機構の作動要領を示す図。 復帰機構の作動要領を示す図。 本発明の他の実施形態の免震支持装置の概略構成を示す図。

符号の説明

Ｓ…免震支持装置、１…下部枠体、２…上部枠体、３…転動子、４…球体、５…ゴム板層、６…拘束板、７…中間部材、１２…載置台、１７…載荷台、２３…ゴム板層の環状部

Claims (1)

1. 基礎又は地盤等の下部構造に連動して設置される下部枠体：建造物、機械又は床構造等の上部構造の下面に連動して設置される上部枠体：前記下部枠体と前記上部枠体との間に介装され、その転動とともに荷重の支持機能を有する剛性の球体からなる複数の転動子：所定の広がりと所定の厚みを有するゴム板層：前記ゴム板層を上下に挟着する拘束板：前記下部枠体と前記上部枠体とに回転可能に保持される球体：からなる免震支持装置において、
   前記各転動子は、前記ゴム板層と前記拘束板との組み合わせ体よりなる中間部材によって回転可能に保持され、
   前記球体は、２つの相対する半球体を前記ゴム板層に固定設置されて円球体に構成し、かつ、前記球体周りに一定間隔のゴム板層の環状部を形成してなる、
   ことを特徴とする免震支持装置。

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