JP2011099541A

JP2011099541A - 免震機構

Info

Publication number: JP2011099541A
Application number: JP2009256128A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Isoda; 和彦磯田
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Priority date: 2009-11-09
Filing date: 2009-11-09
Publication date: 2011-05-19

Abstract

【課題】応答変位と応答加速度をともに低減させることのできる有効適切な免震機構を実現する。
【解決手段】構造体１と固定端との間に慣性質量ダンパー４と付加バネ５とを直列に設置するとともに、それら慣性質量ダンパー４と付加ばね５の双方もしくは少なくともいずれか一方に対して並列にオイルダンパー６，７を設置する。固定端と構造体との間に、固定端に対して変位した構造体を定位置に復元させるための復元機構として、固定端に対する構造体の変位によらず一定の復元力を生じる定荷重バネ１０を設置する。定荷重バネと構造体との間に、定荷重バネによる復元力を拡大して構造体に作用させる荷重拡大機構を設置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、地震動入力に対する構造体の応答加速度と応答変位をともに低減させ得る免震機構に関する。

免震構造物の変位を抑制する機構として、慣性質量ダンパー（慣性接続要素ともいわれる）を構造体バネと並列に設置する機構や、付加バネと直列にして構造体バネと並列に設置する機構が知られている。
慣性質量ダンパーとしてはボールねじとフライホイール（回転体錘）を組み合わせたものが多用されており、それによれば実際の回転体質量の数百倍と桁違いに大きな質量効果が得られることから、そのような回転慣性機構を利用した免震システムとしてたとえば特許文献１に示されるものが知られている。

特開２００６−１６９３５号公報

ところで、慣性質量ダンパーを利用する場合にはその設置の形態により一長一短があり、応答加速度（上部構造の絶対加速度）と応答変位（固定端に対する相対変位）の双方を同時に低減することは困難である。
すなわち、慣性質量ダンパーを構造体バネに並列に設置する場合には、構造体質量に慣性質量が加わることで固有振動数が小さくなり（つまり長周期化する）、それにより加振力が低減されるために応答変位も低下できるが、その反面、高振動数域では加速度応答倍率が増大してしまう。また、慣性質量ダンパーを付加バネと直列に設置した場合には、加振振幅に対して付加振動系の固有周期近傍で応答変位が低減するが、固有周期の前後の振動数域で応答加速度が加振加速度に対して増大してしまう。

一方、免震機構に減衰を付与するためにオイルダンパーを用いることが一般的であるが、その場合において大きな減衰を得るために減衰係数を大きくすると変位抑制には効果的である反面、加速度が増大してしまうという問題がある。

このように、従来においては地震動入力に対する構造体の応答加速度と応答変位をともに低減させることのできる免震機構は実現されておらず、それを可能とする有効適切な免震機構、特に地震時の最大振幅は最初の１０秒間ほどで決定される場合も多いことから加振当初の応答特性を改善して変位を抑制しながら加速度も低減できるような免震機構が求められている。

なお、特許文献１において提案されている免震システムは、変位を抑制しつつ構造物に作用する地震力を軽減することを目的としているが、そのために水平振動を上下振動に変換するという複雑な機構となっており、普及するに至っていない。

本発明は固定端に対して水平方向に変位可能に免震支持された構造体を対象とし、固定端から加振入力される地震動に対する構造体の応答加速度と応答変位をともに低減させるための免震機構であって、前記構造体と前記固定端との間に慣性質量ダンパーと付加バネとを直列に設置するとともに、前記慣性質量ダンパーと前記付加ばねの双方もしくは少なくともいずれか一方に対して並列にオイルダンパーを設置し、かつ、前記固定端と前記構造体との間に、前記固定端に対して変位した前記構造体を定位置に復元させるための復元機構として、前記固定端に対する前記構造体の変位によらず一定の復元力を生じる定荷重バネを設置してなることを特徴とする。

本発明においては、前記定荷重バネと前記構造体との間に、前記定荷重バネによる復元力を拡大して前記構造体に作用させる荷重拡大機構を設置することが考えられる。

本発明の免震機構によれば、構造体と固定端との間に設置した慣性質量ダンパーと付加バネおよびオイルダンパーによって優れた応答変位低減効果が得られることはもとより、さらに復元機構として復元力が変位によらず一定に維持される定荷重バネを用いることにより短周期化することなく優れた加速度低減効果が得られ、したがって応答変位と応答加速度の双方をともに低減することができる。
また、定荷重バネによる復元力を拡大して構造体に作用させる荷重拡大機構を設置することにより、定荷重バネが小型小容量であってもそのバネ荷重の数倍以上もの復元力を確保することが可能である。

本発明の実施形態を示すもので、免震機構の概要を示すモデル図である。同、復元機構としての定荷重バネを示す図である。同、本発明の具体的な設計例とその解析のための地震波を示す図である。同、比較例の解析結果を示す図である。同、設計例の解析結果を示す図である。

本発明の実施形態である免震機構の構造モデルを図１に示す。
本実施形態は、固定端に対して水平変位可能に免震支持されている構造体１を対象とする。
ここで、固定端とは構造体１が地表に設置される建物等の構造物の場合は実質的に地面であり、構造体１が建物内に設置される機器等である場合には実質的にその設置面である床面をさす。
また、固定端に対する構造体１の免震支持は、具体的には、構造体１が建物等の構造物である場合には免震装置（積層ゴムや滑り支承、履歴ダンパー等）によるものであり、構造体１が機器等の場合には免震架台や防振架台の類（摩擦係数の小さいリニアレールと復元バネにより構成されているものが一般的である）によるものであるが、図１に示す構造モデルでは免震装置２として摺動摩擦を有する転がり支承（もしくは滑り支承）を想定している。符号３は構造体減衰である。

本実施形態の免震機構では、構造体１と固定端との間に、慣性質量ダンパー４と付加バネ５を直列に設置するとともに、それら慣性質量ダンパー４と付加バネ５の双方に対してそれぞれ並列に付加減衰としてのオイルダンパー６，７を設置しており、それらにより優れた応答変位低減効果が得られるものである。

本実施形態において設置する慣性質量ダンパー４としては、上述したように従来から多用されているボールねじとフライホイール（回転体錘）を組み合わせた形式のものが好適に採用可能である。

また、オイルダンパー６，７としてはリリーフ機構付きのものが好適に採用可能である。これは通常のオイルダンパーに逃がし弁（リリーフ弁）を追加することでシリンダー内の圧力が一定以上にならないようにして、オイルダンパーの負担力を制限つき（頭打ち）にしたものであり、その負担力が所定のリリーフ荷重を超えないように制限することが可能なものである。
なお、必ずしも上記のように２台のオイルダンパー６，７の双方を併設することはなく、少なくともいずれか一方のみを設置することでも良い。

本実施形態では構造体１と固定端との間に復元機構を設けて残留変位に対処しており、その復元機構としては図２に示す構成の定荷重バネ１０を採用しており、これにより優れた応答加速度低減効果が得られるものである。
本実施形態における定荷重バネ１０は、図２（ｂ）に示すように長尺の帯状バネ１１を対のドラム１２，１３にゼンマイ状に巻回したもので、常にほぼ一定の力で帯状バネ１１をドラム１２，１３から引き出し可能かつ巻き取り可能な構成のものである。
この定荷重バネ１０を図２（ａ）に示すように２台１組としてそれぞれワイヤー１４（１４ａ，１４ｂ）を介して所定の予張力を付与した状態で構造体１に接続しておくと、構造体１が静止状態にある通常時においては両側のワイヤー１４の引張力がバランスしているが、地震時に構造体１が変位した際にはいずれか一方の定荷重バネ１０から帯状バネ１１が引き出され、その反力が復元力として構造体１に作用して構造体１を原位置に復帰させて残留変位が防止される。
すなわち、双方のワイヤー１４に予張力を加えて所定位置に固定すると、構造体１が図示Ａ方向に変位した場合、図示左側のワイヤー１４ａにのみ一定張力（反力）T₀が生じる。その際、右側のワイヤー１４ｂは単にたわむだけで張力を失い、したがって合計反力は図２（ｃ）に示すようにT₀となる。構造体１が逆方向（図示Ｂ方向）に変位すると上記の逆となり、合計反力は−T₀となる。

従来一般の免震機構のように復元機構として単なる復元バネ（伸びに比例した負担力をもつバネ）を採用した場合には、そのバネが構造体１と固定端との間に追加されることで免震機構の固有周期が短くなり、したがって免震機構の加速度低減効果が低下してしまうことが不可避である。それに対し、上記のような定荷重バネ１０はそれ自体の剛性は考慮する必要がないので免震機構の周期特性は変化せず（短周期化しない）、加速度低減効果を損なうことなく維持することができる。

上記の定荷重バネ１０には、必要に応じて復元力を拡大するための荷重拡大機構１５を設置することも考えられる。
荷重拡大機構１５は、図２（ｄ）に示すように大小の径の滑車１６，１７を同軸上に一体化したもので、これを定荷重バネ１０と構造体１との間に配置して上記のワイヤー１４を小径の滑車１７に巻回するとともに、大径の滑車１６に巻回したサブワイヤー１８を定荷重バネ１０に連結することにより、定荷重バネ１０による反力が滑車径の比に応じて拡大されて構造体１に対して復元力として作用するものである。
具体的には大径の滑車１６の径をr₁、小径の滑車１７の径をr₂とし、その比β＝r₁／r₂ とすると、定荷重バネ１０による反力のβ倍の荷重がワイヤー１４を介して構造体１に対して作用することになる。
したがってそのような荷重拡大機構１５を用いることにより、定荷重バネ１０が小型小容量であっても大きな復元力を確保できるし、荷重拡大機構１５による拡大倍率の設定により所望の復元力を自由に設定することも可能である。

なお、本実施形態では、必要に応じて図１に示すように固定端と構造体１との間に他の慣性質量ダンパー２０を設置しても良いし、本来の構造体減衰３の他にさらに付加減衰２１を追加設置しても良い。

以下、本発明の具体的な設計例とそれに対する応答解析の結果を示し、特に定荷重バネ１０による効果を実証する。
以下の具体例は半導体工場の４階に設置する部分免震（建物内で一部の範囲だけ免震床とする）を対象とするもので、そのモデルを図３（ａ）に示す。
ここでは免震装置２として免震台を介して構造体１を免震支持する転がり支承としてのリニアガイド（摩擦係数μ＝0.006）を用いて、設置床面と免震台との間（つまりは固定端と構造体１との間）に復元機構としての定荷重バネ１０（バネ定数K₁）を設置するとともに、慣性質量ダンパー４（慣性質量ΔM₁）、付加バネ５（バネ定数K₂）、付加減衰としてのオイルダンパー７（減衰定数C₂）を設置している。構造体減衰３は小さいため無視する。
設計与条件は、構造体１の質量（免震台および積載物を含む）M₁＝109ton、固有周期7.8秒であり、構造体１の最大応答変位を50cm以下とすることを条件として、最大応答加速度を可及的に小さくして120gal以下とすることを目標とする。
解析用の地震動は上町断層波とし、建設地の地盤条件を考慮した建物の応答解析により免震設置階床の応答波を本検討用の入力地震動とする。これは図３（ｂ）に示すように最大加速度425galで長期成分が大きいという特徴がある地震波である。

・比較例１
まず、比較のために、復元機構として定荷重バネ１０ではなく単なる復元バネを用いた場合について検討する。各諸元は、その復元バネのバネ定数K₁＝72kgf/cm、付加バネ５のバネ定数K₂＝89kgf/cm、オイルダンパー７の減衰係数C₂＝367kgf/kine（リリーフ機構なし）、慣性質量ダンパー４による慣性質量ΔM₁＝134tonとする。
この場合の応答解析結果を図４（ａ）に示す。横軸は時間（秒）、縦軸は加速度（m/s²）および変位（m）である。
この図から、最大応答変位を50cm以下にしたときの最大応答変位は189galにもなり、目標の120galを大きく超えてしまう。

・比較例２
さらにオイルダンパー７にリリーフ機構を設けた場合について検討する。他の諸元は比較例１と同じにしたままで、オイルダンパー７の減衰係数C₂＝490kgf/kineとし、リリーフ荷重を15tonfとした場合の応答を図４（ｂ）に示す。
この場合、最大応答変位を50cm以下にしたときの最大応答変位はリリーフ機構により若干低下して174galとなるものの依然として目標の120galを大きく超えてしまう。応答変位については比較例１よりも僅かに小さくなるが殆ど同じである。

・本発明１
次に、本発明の定荷重バネ１０を用いる場合について検討する。上記の復元バネに代えてバネ荷重（構造体１への反力）をP＝90kgfとした定荷重バネ１０を用いる以外は比較例１の場合と同じとする。
この場合の応答を図5（ａ）に示す。最大応答変位を50cm以下としたときの最大応答加速度は169galとなり、目標の120galは満足しないが比較例１，２に比べて改善効果が見られ、特に加振当初の5秒付近での最大応答加速度に対するピークカット効果が得られる。

・本発明２
他の諸元は上記（本発明１）の場合のままとして、オイルダンパー７をリリーフ機構付きとした場合について検討する。
オイルダンパー７を比較例２で用いたもの（減衰係数C₂＝490kgf/kine、リリーフ荷重を15tonf）とした場合には、図5（ｂ）に示すように最大応答変位を50cm以下としたときの最大応答加速度は147galに改善される。

・本発明３
さらに、定荷重バネ１０を用いる場合において、慣性質量ダンパー４および付加バネ７の諸元を最適化した場合について検討する。他の諸元は上記（本発明２）の場合のままとして、回転慣性質量ダンパー４の慣性質量ΔM₁＝110tonf、付加バネ５のバネ定数K₂＝1kgf/cmとした場合、最大応答変位を50cm以下としたときの最大応答加速度は127galまで改善され、ほぼ目標を満足する。

以上の解析により、本発明によれば復元機構として定荷重バネ１０を用いることによって応答を有効に低減できることが確認できた。
また、定荷重バネ１０を用いることに加えて付加減衰としてのオイルダンパー６にリリーフ特性をもたせることで、応答低減効果をより高めることができることが確認できた。
なお、定荷重バネ１０による復元効果によって免震台が原位置に支障なく復元して残留変位が生じないことも確認できた。

本発明の免震機構は以下の効果を奏する。
構造体１と固定端との間に慣性質量ダンパー４と付加バネ５とを直列に設置し、かつそれらの少なくもの一方と並列にオイルダンパー６，７を設置したので、優れた応答変位低減効果が得られることはもとより、特に定荷重バネ１０を用いた復元機構を使用することにより優れた加速度低減効果も得られ、これにより応答変位と応答加速度の双方をともに低減することができる。
すなわち、従来一般的には残留変位を防止するため単なる復元バネを用いていたが、その復元バネの剛性により短周期化してしまうことが避けられず免震機構の加速度低減効果が低下してしまうという問題があった。しかし、本発明によれば定荷重バネ１０には剛性がないので免震機構の周期特性は変化せず、固定端から大きな加速度入力があっても構造体１への加振力が頭打ちとなって構造体１の応答加速度を軽減することができ、免震機構の加速度低減効果が維持されるのである。
勿論、定荷重バネ１０の復元効果により構造体１がどの方向に変位しても原位置に確実に復帰することができ、残留変位を確実に解消することができる。

本発明はパッシブ型（受動型）の免震機構であって外部からの電力や油圧などのエネルギー供給は一切不要であるし、センサーを用いて高度の制御を必要とするようなシステムでもないため、簡易な構成でありながら優れた免震効果を発揮し得る免震機構をローコストで実現することができる。
特に、定荷重バネ１０は各種機器においてたとえばカウンターウエイトの代替品として広く使用されている汎用製品であるから、これは安価に調達できるし、製品としての信頼性にも優れるものであり、免震機構の構成要素として有効に利用可能である。
しかも、荷重増大機構１５を併用することにより、小型小容量の定荷重バネ１０であってもそのバネ荷重の数倍以上もの復元力を確保することが可能である。

１構造体
２免震装置
３構造体減衰
４慣性質量ダンパー
５付加バネ
６，７オイルダンパー
１０定荷重バネ（復元機構）
１１帯状バネ
１２，１３ドラム
１４（１４ａ，１４ｂ）ワイヤー
１５荷重拡大機構
１６，１７滑車
１８サブワイヤー
２０慣性質量ダンパー
２１付加減衰

Claims

固定端に対して水平方向に変位可能に免震支持された構造体を対象とし、固定端から加振入力される地震動に対する構造体の応答加速度と応答変位をともに低減させるための免震機構であって、
前記構造体と前記固定端との間に慣性質量ダンパーと付加バネとを直列に設置するとともに、前記慣性質量ダンパーと前記付加ばねの双方もしくは少なくともいずれか一方に対して並列にオイルダンパーを設置し、
かつ、前記固定端と前記構造体との間に、前記固定端に対して変位した前記構造体を定位置に復元させるための復元機構として、前記固定端に対する前記構造体の変位によらず一定の復元力を生じる定荷重バネを設置してなることを特徴とする免震機構。
請求項１記載の免震機構であって、
前記定荷重バネと前記構造体との間に、前記定荷重バネによる復元力を拡大して前記構造体に作用させる荷重拡大機構を設置してなることを特徴とする免震機構。