JP2010096270A - 免震装置 - Google Patents

Abstract

【課題】地震波によって生じる応答加速度、相対変位の双方を低減させる。
【解決手段】固定ベース１１上において、圧縮ばね１２ｂを介して上向きに付勢する支持材１２と、縦横のスライドレール１３、１３、１４、１４を介して水平方向に相対移動自在に支持する移動フレーム２０と、水平の規制板２３とを設け、支持材１２は、上端の球面を介して規制板２３の凹部２３ａの内面に滑り接触させる。
【選択図】図２

Description

この発明は、たとえば美術工芸品や、精密機械器具などの任意の物品を地震による過大な振動から有効に保護するために使用する免震装置に関する。

地震の揺れから建築物を保護する免震装置として、圧縮ばねによる縦揺れ緩衝手段と、皿部材による横揺れ緩衝手段とを一体に組み合わせる形式が提案されている（特許文献１）。

縦揺れ緩衝手段は、伸縮自在のガイド部材の外部に圧縮ばねを装着して構成されている。また、横揺れ緩衝手段は、ガイド部材の先端の軸受に回転自在に収納するボールと、このボールを受ける皿部材とを組み合わせて構成されている。そこで、このものは、ガイド部材の基端側、皿部材の背面側をそれぞれ建物側、建物基礎側に固定することにより、地震の揺れが建物基礎から建物に直接伝達されることを防止し、建物を有効に保護することができるという。
特開２００６−２００１８４号公報

かかる従来技術によるときは、縦揺れ緩衝手段の圧縮ばねは、建物の重量を支持するために十分強力にする必要があり、地震波の縦揺れを遮断することが実質的に難しい上、このような強力な圧縮ばねを皿部材と組み合わせても、建物に加わる応答加速度が小さくならず、免震効果が必ずしも十分でないという問題があった。

そこで、この発明の目的は、かかる従来技術の問題に鑑み、物品を載せる移動フレームをスライドレールによって支持することにより、地震波によって生じる応答加速度、相対変位の双方を効果的に低減させ、必要な免震効果を容易に実現することができる免震装置を提供することにある。

かかる目的を達成するためのこの発明の構成は、固定ベース上において、圧縮ばねを介して上向きに付勢する支持材と、固定ベースに組み合わせる縦横のスライドレールを介して支持し、支持材に対して水平方向に相対移動自在の移動フレームと、移動フレームに搭載し、円錐形の凹部を下面に形成する水平の規制板とを備えてなり、支持材は、上端の球面を介して凹部の内面に滑り接触しながら移動フレームを定位置に復元させることをその要旨とする。

なお、凹部は、頂部の曲面と、曲面に連続する周辺部の傾斜面とを組み合わせて形成することができ、傾斜面は、傾斜角を異ならせて複数段階に形成することができる。

また、移動フレームには、複数のばねを介して保持する水平板を搭載してもよい。

かかる発明の構成によるときは、支持材は、圧縮ばねを介して上向きに付勢され、上端の球面を介して規制板の下面の凹部の内面に滑り接触し、規制板と一体の移動フレームを定位置に復元させることができる。支持材は、規制板の凹部の内面に接触することにより、規制板の相対移動を妨げる摩擦力に加えて、凹部の頂部に向かう復元力を規制板に及ぼすことができるからである。一方、規制板を搭載する移動フレームは、縦横のスライドレールを介して水平移動自在に支持されているため、移動フレーム自体の重量や、移動フレームに載せる物品の重量は、支持材を付勢する圧縮ばねの負荷になることがなく、したがって、圧縮ばねのばね定数は、地震波によって移動フレームや移動フレーム上の物品に生じる応答加速度、相対変位の双方を効果的に低減させるように、適切に設定することができる。

規制板の下面の凹部は、頂部の曲面と、それに連続する周辺部の傾斜面とすることにより、最も単純で、しかも有効な形態に形成することができる。ただし、頂部の曲面は、たとえば支持材の上端の球面の凸の曲率半径以上の凹の曲率半径とし、半径１０mm程度の小さな範囲に限定することが好ましい。また、周辺部の傾斜面は、たとえば傾斜角１０°±２°に設定することにより、地震波によって移動フレームや移動フレーム上の物品に生じる応答加速度、相対変位の双方を効果的に低減させることができる。なお、傾斜面の傾斜角が過大であると、相対変位が小さくなるが、応答加速度が過大になり、傾斜角が過小であると、応答加速度が小さくなるが、相対変位が過大となる。

凹部の傾斜面は、たとえば半径１０〜５０mmの傾斜角θ1 ＝１０°±３°とし、半径５０mm以上の傾斜角θ2 ＝７°±３°とすることにより、２段階に設定することができる。また、傾斜面は、たとえば半径１０〜５０mmの傾斜角θ1 ＝１０°±２°、半径５０〜１００mmの傾斜角θ2 ＝７°±３°、半径１００mm以上の傾斜角θ3 ＝８°±２°として、３段階に設定してもよい。ただし、応答加速度、相対変位の双方を低減させるために、θ1 ＞θ2 、θ1 ＞θ3 ＞θ2 とすることが好ましいが、それに限定するものではない。

複数のばねを介して移動フレームに搭載する水平板上には、任意の免震対象物の物品を載せることができる。水平板用のばねは、地震の際に上下に伸縮し、地震波による縦揺れが水平板上の物品に伝達するのを遮断する。

以下、図面を以って発明の実施の形態を説明する。

免震装置は、固定ベース１１上に設置する支持材１２と、縦横のスライドレール１３、１３、１４、１４を介して支持する移動フレーム２０とを主要部材としてなる（図１、図２）。なお、移動フレーム２０には、規制板２３が搭載されている。

固定ベース１１は、地表Ｆ上の台座１１ａの上面に固定するブロック体である。固定ベース１１の上面には、支持材１２用のガイド筒１２ａが立設されており、ガイド筒１２ａには、支持材１２を上向きに付勢する圧縮ばね１２ｂが収納されている。支持材１２は、ガイド筒１２ａの内径に適合する胴部１２ｃの上端に球１２ｄを付設して構成されており、胴部１２ｃの下端には、圧縮ばね１２ｂと組み合わせるための小径部１２ｅが垂設されている。

スライドレール１３、１３は、固定ベース１１に対して摺動自在に組み合わされている。また、各スライドレール１３の両端には、それぞれスライドブロック１３ａが固定されており（図３、図４）、スライドブロック１３ａ、１３ａには、スライドレール１３、１３に直交するスライドレール１４が摺動自在に組み合わされている。なお、移動フレーム２０は、底板２１を介してスライドレール１４、１４上に組み付けられており、底板２１の中心部には、固定ベース１１上の支持材１２用のガイド筒１２ａを下から上に貫通させる大径の丸孔２１ａが形成されている。

移動フレーム２０は、正方形の底板２１の四隅部に支柱２２、２２…を立設し（図１、図２）、支柱２２、２２…の上端に規制板２３を下向きにねじ止めして構成されている。規制板２３の下面には、円錐形の凹部２３ａが形成されている（図２、図５）。

規制板２３の凹部２３ａは、頂部の半径Ｒ1 ≦１０mmの範囲が凹の曲率半径Ｒa ＞Ｒb の曲面に形成されている。ただし、Ｒb は、支持材１２の上端の球１２ｄの表面が形成する球面の凸の曲率半径である。また、半径Ｒ1 ＞１０mmの範囲は、頂部の曲面に連続する周辺部の傾斜面に形成され、傾斜角θ＝１０°±２°に形成されている。

規制板２３上には、水平板２４が搭載されている（図１、図２）。水平板２４の四隅部には、それぞれ脚２４ａが垂設されており、規制板２３の四隅部には、それぞれ脚２４ａ用の鍔付き有底のガイドブッシュ２４ｂが下向きに付設されている。なお、各ガイドブッシュ２４ｂには、脚２４ａを上向きに付勢するばね２４ｃが収容されている（図６）。ばね２４ｃは、たとえばコイルばねであり、ばね２４ｃの下端、上端は、それぞれガイドブッシュ２４ｂの底面、脚２４ａの下面に連結されている。すなわち、ばね２４ｃは、上下に伸縮することにより、下向きの引張力、上向きの圧縮力を発生する。

移動フレーム２０は、縦横のスライドレール１３、１３、１４、１４を介し、固定ベース１１上の支持材１２に対して水平方向に相対移動自在に支持されている。ただし、移動フレーム２０は、地震が発生していない静的な状態では、支持材１２の上端の球１２ｄが規制板２３の凹部２３ａの頂部に位置する定位置に復帰している。

地震が発生して固定ベース１１が水平方向に横揺れすると、移動フレーム２０は、固定ベース１１上の支持材１２に対して水平方向に相対移動し、支持材１２の上端の球１２ｄは、規制板２３の凹部２３ａの内面に滑り接触しながら凹部２３ａの頂部から相対移動する。そこで、圧縮ばね１２ｂを介して上向きに付勢されている支持材１２は、凹部２３ａの傾斜面の傾斜角θに基づき、規制板２３、移動フレーム２０を定位置に復帰させる復元力を生じるとともに、規制板２３の相対移動を妨げる方向に摩擦力を生じ、移動フレーム２０の水平板２４上に載せる免震対象物の物品に生じる応答加速度、相対変位の双方を低減させることができる。ただし、地震波の縦揺れは、水平板２４の脚２４ａ、２４ａ…を上向きに付勢するばね２４ｃ、２４ｃ…によって遮断される。ばね２４ｃ、２４ｃ…は、上下に伸縮し、水平板２４を地震がないときの静的な位置に保持するように働くからである。

図７は、１９９５年兵庫県南部地震の実際の地震波による免震装置のシミュレーション解析データの一例である。同図（Ａ）によれば、凹部２３ａの傾斜面の傾斜角θ＝８°〜１２°において、移動フレーム２０に生じる応答加速度、相対変位の双方が効果的に低減されている。また、同図（Ｂ）によれば、圧縮ばね１２ｂのばね定数ｋ＝４０００〜６０００Ｎ／ｍにおいて、応答加速度、相対変位の双方が効果的に低減されている。ただし、図７の縦軸は、応答加速度（ｍ／ｓ² ）、相対変位（ｍ）の各最大値を示している。なお、シミュレーション解析は、２００４年新潟県中越地震の地震波を使用しても、ほぼ同様の結果が得られており、実験結果ともよく一致した。

また、実際の地震波による加振実験データの一例を図８に示す。同図（Ａ）は、入力地震波の加速度波形であり、同図（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ移動フレーム２０に生じた応答加速度、相対変位の実測波形である。図８によれば、応答加速度は約１／３に低減され、相対変位は約８５mmに低減されている。

他の実施の形態

固定ベース１１を平板状に変更するとともに、補助板１５を介して移動フレーム２０用の縦横のスライドレール１３、１３、１４、１４を組み立てることができる（図９、図１０）。

固定ベース１１上のスライドブロック１１ｂ、１１ｂ…には、補助板１５の下面のスライドレール１３、１３が摺動自在に組み合わされている。また、補助板１５上のスライドブロック１３ａ、１３ａ…には、移動フレーム２０の底板２１の下面のスライドレール１４、１４が摺動自在に組み合わされている。なお、補助板１５には、固定ベース１１上の支持材１２用のガイド筒１２ａを下から上に貫通させるために、底板２１の丸孔２１ａと同様の大径の丸孔１５ａが形成されている。

移動フレーム２０の支柱２２、２２…は、それぞれブラケット２２ａ、２２ａを介して底板２１の四隅部に立設されている。また、水平板２４の四隅部の脚２４ａ、２４ａ…は、それぞれ規制板２３の四隅部のガイドブッシュ２４ｂを上から下に摺動自在に貫通しており、ガイドブッシュ２４ｂ上には、水平板２４を上向きに付勢するばね２４ｃが装着されている。なお、ばね２４ｃの下端、上端は、それぞれガイドブッシュ２４ｂの上端面、水平板２４の下面と一体の脚２４ａの上端の外フランジの下面に連結されている。地震の際には、ガイドレール１３、１３、１４、１４を介して移動フレーム２０が水平方向に相対移動し、先きの実施の形態と同様にして、水平板２４上に載せる物品を地震の揺れから有効に保護することができる。

移動フレーム２０に搭載する規制板２３は、下面の凹部２３ａの断面形状を変化させてもよい（図１１）。

図１１（Ａ）は、図５の形状を再掲しており、頂部の半径Ｒ≦Ｒ1 ＝１０mmの範囲を断面円弧状の曲面とし、半径Ｒ＞Ｒ1 の範囲は、頂部の曲面に連続する周辺部の傾斜面（傾斜角θ＝１０°±２°）としている。同図（Ｂ）は、周辺部の傾斜面を傾斜角θ＝θ1 、θ2 の２段階とし、半径Ｒ＝Ｒ2 ＝５０mmで区切っている。なお、傾斜角θは、たとえばθ1 ＝１０°±３°、θ2 ＝７°±３°である。同図（Ｃ）は、周辺部の傾斜面を３段階とし、半径Ｒ＝Ｒ1 ＝１０mm〜Ｒ2 ＝５０mmの傾斜角θ1 ＝１０°±２°、半径Ｒ＝Ｒ2 ＝５０mm〜Ｒ3 ＝１００mmの傾斜角θ2 ＝７°±３°、半径Ｒ≧Ｒ3 ＝１００mmの傾斜角θ3 ＝８°±２°としている。

ただし、図１１（Ｂ）では、θ1 ＞θ2 とし、同図（Ｃ）では、θ1 ＞θ3 ＞θ2 とする。図１１（Ｂ）は、同図（Ａ）より応答加速度、相対変位の双方の低減効果が優れており、図１１（Ｃ）は、同図（Ｂ）よりさらに優れていることが確認できた。なお、図１１（Ｃ）において、θ1 ＞θ2 ＞θ3 とすれば、相対変位が大きくなるが、応答加速度を抑えることができ、θ1 ＜θ2 ＜θ3 とすれば、相対変位を抑えることができるが、応答加速度が大きくなる。

以上の説明において、支持材１２の上端は、規制板２３の凹部２３ａの内面に滑らかに滑り接触させるために、上方に凸の球面を形成すればよく、必ずしも球１２ｄを付設する必要はない。たとえば、十分な外径の丸棒状の支持材１２の上端をドーム状に仕上げるだけでもよい。

全体模式斜視図 図１のＸ−Ｘ線矢視相当断面図 図２のＹ−Ｙ線矢視相当断面図 図２のＺ−Ｚ線矢視相当断面図 要部拡大断面図（１） 要部拡大断面図（２） 動作特性説明線図（１） 動作特性説明線図（２） 他の実施の形態を示す全体正面図 図９のＡ−Ａ線矢視相当断面図 他の実施の形態を示す図５相当説明図

符号の説明

θ…傾斜角
１１…固定ベース
１２…支持材
１２ｂ…圧縮ばね
１３、１４…スライドレール
２０…移動フレーム
２３…規制板
２３ａ…凹部
２４…水平板
２４ｃ…ばね

特許出願人 国立大学法人 福井大学
株式会社 江沼チヱン製作所
代理人 弁理士 松 田 忠 秋

Claims (4)

1. 固定ベース上において、圧縮ばねを介して上向きに付勢する支持材と、前記固定ベースに組み合わせる縦横のスライドレールを介して支持し、前記支持材に対して水平方向に相対移動自在の移動フレームと、該移動フレームに搭載し、円錐形の凹部を下面に形成する水平の規制板とを備えてなり、前記支持材は、上端の球面を介して前記凹部の内面に滑り接触しながら前記移動フレームを定位置に復元させることを特徴とする免震装置。
2. 前記凹部は、頂部の曲面と、該曲面に連続する周辺部の傾斜面とを組み合わせて形成することを特徴とする請求項１記載の免震装置。
3. 前記傾斜面は、傾斜角を異ならせて複数段階に形成することを特徴とする請求項２記載の免震装置。
4. 前記移動フレームには、複数のばねを介して保持する水平板を搭載することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか記載の免震装置。

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