JP2011256947A - 時間領域切替型免震装置 - Google Patents

Abstract

【課題】短周期から長周期までの大小の地震動や上下動に対応可能で、コストや環境負荷を低減することができる時間領域切替型免震装置を提供する。
【解決手段】上部構造物４と下部構造物２との間に介装した積層ゴム方式の免震装置１２と磁気浮上方式の免震装置１４を時間領域で切り替え可能に構成し、地震初期の比較的短周期の振幅の小さい地震動に対しては積層ゴム方式の免震装置１２による免震を行い、その後、比較的長周期の振幅の大きい地震動が到達する前に磁力により上部構造物４を浮上させ、それ以降の地震動に対しては磁気浮上方式の免震装置１４による免震を行うようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、免震装置に関し、特に、免震方式を積層ゴム方式と磁気浮上方式とに切り替え可能な時間領域切替型免震装置に関するものである。

従来、地震時における地盤振動の上部構造物への伝達を低減する免震装置としては、積層ゴムからなるアイソレーターが必要に応じて各種ダンパーとの組み合わせで広く用いられている（積層ゴム方式）。しかしながら、この積層ゴム型のアイソレーターには以下のような問題点がある。

（１）追従できる最大水平変位に上限がある。
（２）短周期から長周期までの広い周波数領域での免震効果を期待するのが困難である。
（３）上下動への対応が困難である。

一方、上部構造物を磁力により地盤あるいは基礎から浮上させて絶縁することにより（磁気浮上方式）、免震効果を期待する発明がいくつか提案されている（例えば、特許文献１〜４参照）。

浮上させるタイミングとしては、常時浮上させている方法と、地震を検知して浮上させる方法とがあるが、前者の場合には、以下のような問題点がある。

（１）電磁石を用いる場合には常に高電圧・高電流の電力を必要とし、コスト面・環境面での負荷が大きい。
（２）風荷重に対する対策が必要である。

また、後者の場合には、直下型地震など地震を検知してから主要動までの時間が短い場合には、浮上が間に合わない可能性がある、といった問題点が考えられる。

また、浮上の方法として空気浮上させる方法も考えられる（例えば、特許文献５参照）。しかし、これは比較的軽量で小規模な機器・容器等に関して用いられる方法であり、浮上能力の面から大重量で大規模な建築物等への採用は現実的ではない。

特開平８−２６０７５６号公報 特開２００６−２９１５１２号公報 特開２００７−３２７３１５号公報 実用新案登録第３１２１８８８号公報 特開２００１−２０８１３１号公報

このため、短周期から長周期までの大小の地震動や上下動に対応可能で、コストや環境負荷を低減することができる免震装置の開発が望まれていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、短周期から長周期までの大小の地震動や上下動に対応可能で、コストや環境負荷を低減することができる時間領域切替型免震装置を提供することを目的とする。

上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の請求項１に係る時間領域切替型免震装置は、上部構造物と下部構造物との間に介装した積層ゴム方式の免震装置と磁気浮上方式の免震装置を時間領域で切り替え可能に構成したことを特徴とする。

また、本発明の請求項２に係る時間領域切替型免震装置は、上述した請求項１において、緊急地震速報の受信に基づくタイミングで、積層ゴム方式の免震装置と磁気浮上方式の免震装置の切り替えを行うことを特徴とする。

また、本発明の請求項３に係る時間領域切替型免震装置は、上述した請求項１において、地震のＰ波の検知に基づくタイミングで、積層ゴム方式の免震装置と磁気浮上方式の免震装置の切り替えを行うことを特徴とする。

また、本発明の請求項４に係る時間領域切替型免震装置は、上述した請求項１において、積層ゴム方式の免震装置の変形量に基づくタイミングで、積層ゴム方式の免震装置と磁気浮上方式の免震装置の切り替えを行うことを特徴とする。

また、本発明の請求項５に係る時間領域切替型免震装置は、上述した請求項１〜４のいずれか一つにおいて、積層ゴム方式の免震装置と磁気浮上方式の免震装置のいずれか一方の免震装置を中空筒状に構成し、他方の免震装置を前記中空筒内に設けたことを特徴とする。

また、本発明の請求項６に係る時間領域切替型免震装置は、上述した請求項１〜５のいずれか一つにおいて、積層ゴム方式の免震装置の上端は、上部構造物の磁気浮上を妨げず、浮上後は縁が切れるように上部構造物と接合してあることを特徴とする。

本発明によれば、上部構造物と下部構造物との間に介装した積層ゴム方式の免震装置と磁気浮上方式の免震装置を時間領域で切り替え可能に構成したので、短周期から長周期までの大小の地震動や上下動に対応可能で、コストや環境負荷を低減することができるという効果を奏する。

図１は、本発明に係る時間領域切替型免震装置の実施例を示す図である。 図２は、時間領域における免震方式切り替えの一例を示す図である。 図３は、電磁石および磁石の配置の一例を示す図である。 図４は、積層ゴム上側の接合の一例を示す図である。 図５は、積層ゴムと磁気浮上装置の一体化の一例を示す図である。 図６は、復元力発生装置の一例を示す図である。

以下に、本発明に係る時間領域切替型免震装置の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１（ａ）の側断面図および図１（ｂ）の平面図に示すように、本発明に係る時間領域切替型免震装置１０は、地下階のない建物の基礎２（下部構造物）と上部構造物４との間に介装した積層ゴムのアイソレーター１２（積層ゴム方式の免震装置）と、磁気浮上装置１４（磁気浮上方式の免震装置）とを備える。積層ゴムのアイソレーター１２と磁気浮上装置１４とは時間領域で切り替え可能に構成してある。本発明は、積層ゴム方式と磁気浮上方式の免震装置を時間領域で切り替えて用いることにより、両者の問題点を補って合理的な免震装置を提供するものである。

図２に、時間領域における免震方式切り替えの概念を示す。図２（ａ）は、地震動による地盤変位の時刻変化の一例を示す図であり、（ｂ）は、この地震動に対する免震後の上部構造物変位の時刻変化の一例を示す図である。

図２に示すように、地震初期の比較的短周期の振幅の小さい地震動に対しては積層ゴム方式で免震し、比較的長周期の振幅の大きい地震動が到達する前に磁力により上部構造物４を浮上させ、それ以降の地震動に対しては磁気浮上方式で免震する。

このように、本発明の時間領域切替型免震装置１０は、積層ゴム方式と磁気浮上方式とを時間領域で切り替えて使用することで両方式の問題点を相補的に解決でき、短周期から長周期までの大小の地震動や、効果は限定的ではあるが、従来は対応が困難であった上下動に対しても合理的な免震を行うことができる。このため、ランニングコストや環境への負荷を必要最小限に抑えることができる。

図１に示すように、積層ゴムのアイソレーター１２は、上部構造物４の柱６の位置に設置され、磁気浮上装置１４は、各柱６間のスパンの中央位置に設置してある。

ここで、アイソレーター１２と磁気浮上装置１４の位置は入れ替えることも可能である。また、荷重のバランスを考慮して、これ以外の配置とすることも可能である。ただし、アイソレーター１２を柱位置以外に設置する場合には、上部構造物４に過大なたわみや変形、傾斜が生じないように、１階床８が十分な剛性を有していることが必要である。さらに、後述するように、アイソレーター１２と磁気浮上装置１４の一体化を図ることにより、柱位置のみに免震装置を配置することもできる。

上部構造物４が大きく水平変位して地下側壁１６（隣の他の構造物）に衝突するのを防止するために、１階床８の外側壁１８と地下側壁１６との間にダンパー２０（緩衝体）が設置してある。ダンパー２０は、上部構造物４が磁気浮上した時の鉛直変位に追随できる構造としてある。ダンパー２０の代わりに緩衝材を用いてもよい。図には示していないが、必要に応じて１階床８と基礎２の間にもダンパーや緩衝材を設置することもできる。

磁気浮上装置１４は、１階床８の下面に設置した電磁石１４ａと、電磁石１４ａに対向した基礎２の上面に設置した磁石１４ｂ（永久磁石または電磁石）とからなる。１階床８側の電磁石１４ａは、磁性体の周囲にコイルを巻いた構造であり、電流を流すことにより下端に基礎２側の磁石１４ｂの上端と同じ極性（Ｎ極またはＳ極）が発生し、斥磁力により上部構造物４が浮上する仕組みである。

ここで、１階床８側の電磁石１４ａと基礎２側の磁石１４ｂの間隔は、電磁石通電時に上部構造物４が浮上するために十分な斥磁力が得られる距離とする必要があり、常時は軽く接触していても構わない。基礎２側の磁石１４ｂによって生じる磁界の強さ・向きが一様でない場合には、浮上後に基礎２と上部構造物４に水平相対変位が生じると斥磁力に水平方向の成分が生じ、基礎２の振動を間接的に上部構造物４に伝えることになる。このため、一様な磁界が得られるように、基礎２側の磁石１４ｂの平面寸法は、想定される上部構造物４の相対水平変位に対して十分大きく取る必要がある。この平面寸法は、例えば、上部構造物４の最大水平変形量に、磁気浮上時の上下の磁石１４ａ、１４ｂの間隔を加えた大きさ以上としてもよい。

また、電磁石１４ａおよび磁石１４ｂの配置は、１階床８側に電磁石１４ａ、基礎２側に磁石１４ｂが設置されたものとして説明したが（図１および図３（ａ））、このようにする代わりに、図３（ｂ）に示すように、基礎２側に電磁石１４ａを、１階床８側に磁石１４ｂを配置した構成としてもよい。また、図２では基礎２側の磁石１４ｂは基礎盤に埋め込まれた態様となっているが、図３（ｃ）、（ｄ）に示すように、設置面から突出した態様としてもよい。また、電磁石１４ａについても、図３（ｅ）、（ｆ）に示すように、設置面内に埋め込んだ態様としてもよい。ただし、いずれの場合でも電磁石１４ａと磁石１４ｂの間隔が上部構造物４を浮上させることのできる距離であることが必要であることはいうまでもない。

積層ゴムのアイソレーター１２の上端は、１階床８に固定するのではなく、上部構造物４が磁気浮上するのを妨げず、浮上後は縁が切れる構造とする。具体的には、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、ほぞ継ぎのような接合方法とし、ほぞ２２の１階床ほぞ穴２４への挿入長ｈは予め設定した磁気浮上量δｖより小さくする。なお、ほぞ継ぎの代わりに、だぼ継ぎを用いて接合してもよい。ダンパーを１階床８と基礎２の間に設置する場合のダンパー上端の接合方法についても同様に、ほぞ継ぎあるいはだぼ継ぎを用いて接合することができる。

積層ゴムのアイソレーター１２と磁気浮上装置１４を同じ位置に設置することもできる。この場合には、装置の一体化が必要であり、積層ゴムのアイソレーターと磁気浮上装置のいずれか一方を中空筒状に構成し、他方を中空筒内に設ける。例えば、図５（ａ）、（ｂ）の鉛直断面図および（ｃ）の水平断面図に示すように、積層ゴムのアイソレーター１２の平断面形状をリング状（ドーナツ状）とし、その中空部２６に電磁石１４ａを設置する。積層ゴムと電磁石１４ａの水平間隔ｗは積層ゴムのせん断変形により接触しないように、積層ゴムの最大水平変形量δｈより大きく設定する。

地下１階床８の下面は、磁界が一様になるような十分広い範囲を電磁石１４ａ上端と同じ極性の磁石１４ｂで構成し、電磁石１４ａとの間に斥磁力が発生するようにする。アイソレーター１２の上端の１階床８（磁石１４ｂ）への接合方法は、上記の図４で説明した方法と同様である。図５では、基礎２側が電磁石１４ａ、１階床８側が磁石１４ｂという配置になっており、この方が積層ゴムのアイソレーター１２と電磁石１４ａを一体とすることができ、設置も容易であるが、基礎２側を磁石、１階床８側を電磁石という配置にすることも可能である。

ところで、上部構造物４が磁気浮上した後は、上部構造物４は基礎２および周囲の地盤と絶縁された状態になるため、浮上直前までの振動によって生じた変位を復元させる力は作用しない。上述したように、１階床８の外側壁１８と地下側壁１６との間にはダンパー２０（または緩衝材）を設置するが、これは側壁１６への衝突を防ぐために速度を減衰させるものであるため、復元力としては作用しない。

したがって、上部構造物４には浮上後に残留水平変位が生ずることになるが、過大な変位が残留することは望ましい状態ではないため、地盤の振動を上部構造物４にほとんど伝えない範囲で最低限の復元力を付与するための復元力付与装置２８を、図６に示すように、１階床８の外側壁１８と地下側壁１６との間に、ダンパー２０（あるいは緩衝材）と併用する態様で取り付けることができる。

この復元力付与装置２８は、１階床８の外側壁１８と側壁１６に同じ極性（Ｎ極またはＳ極）の磁石３０を対向配置してなり、１階床８の外側壁１８が側壁１６に接近した場合に斥磁力が発生し、１階床８の水平変位を減少させる方向の復元力として作用する。ただし、常に大きな斥磁力が作用すると、側壁１６から地盤の振動を１階床８に伝達することとなるため、１階床側壁１８が側壁１６に接近した場合にのみ有効な大きさの力となるよう、磁界の強さを調整する必要がある。

磁石３０の一方あるいは両方を電磁石とすると、コイルに流す電流を調節することができ、磁界の強さの調整が容易である。また、地震後に残留した変位をある程度復元する際にも電流を増加させることにより、反力として活用することができる。

本発明において、免震方式を積層ゴム方式から磁気浮上方式へ切り替えるタイミングとしては、例えば、以下の（１）〜（３）が考えられる。

（１）緊急地震速報を受信した段階
これは、緊急地震速報の受信に基づくタイミングで、積層ゴム方式から磁気浮上方式への免震方式の切り替えを行うものである。この場合、最も早い段階で安全に磁気浮上方式の免震へ移行することができる。初期微動（Ｐ波）が到達する前の対応も可能であるため、積層ゴム方式による免震を行わずに、無振動に近いほぼ完全な免震を行うことができる。予想される地震動の大きさにより、磁気浮上方式による免震を行わずに積層ゴム方式による免震のみで対応する等の判断も可能である。

ここで、この切り替えを行う場合には、例えば、緊急地震速報の信号を受信するための受信手段と、この受信手段からの信号に基づいて磁気浮上装置１４の電磁石１４ａに電流を流す制御を行うための制御手段とを予め設けておく。そして、受信手段が緊急地震速報の信号を受信したら電磁石１４ａのコイルに電流を流して磁気浮上方式による免震に移行するようにする。

（２）地震の初期微動（Ｐ波）を検知した段階
これは、地震のＰ波の検知に基づくタイミングで、積層ゴム方式から磁気浮上方式への免震方式の切り替えを行うものである。つまり、ごく初期の小さな振動には積層ゴム方式による免震で対応し、主要動（Ｓ波）が到達する前に磁気浮上方式へ移行する。本発明の時間領域切替型免震装置１０を合理的に活用する方法であるが、直下型地震など、初期微動と主要動の到達時刻に差がない場合には浮上のタイミングが遅れる可能性もある。

ここで、この切り替えを行う場合には、例えば、地震のＰ波を検知するための検知手段と、この検知手段の検知に基づいて磁気浮上装置１４の電磁石１４ａに電流を流す制御を行うための制御手段とを予め設けておく。そして、検知手段が地震のＰ波を検知したら電磁石１４ａのコイルに電流を流して磁気浮上方式による免震に移行するようにする。

（３）積層ゴムの変形が設定値を超えた段階
これは、積層ゴムのアイソレーター１２の変形量に基づくタイミングで、積層ゴム方式から磁気浮上方式への免震方式の切り替えを行うものである。積層ゴム方式による免震効果を最大限に活用する方法であり、地震動が大きくない場合には磁気浮上方式による免震へ移行することはない。磁気浮上方式による免震に移行する場合には切り替え時点である程度の変位・速度・加速度を有しており、更に大きな変位、残留変位が生じることを許容しなければならない。

ここで、この切り替えを行う場合には、例えば、積層ゴムの水平変位量を検知するための検知手段と、この検知手段の検知に基づいて磁気浮上装置１４の電磁石１４ａに電流を流す制御を行うための制御手段とを予め設けておく。一方、積層ゴムの変形限界値を安全率で除した値を磁気浮上方式への切り替え変位として予め設定しておく。そして、検知手段による地震時の積層ゴムの水平変位がその値を超えた段階で電磁石１４ａのコイルに電流を流して磁気浮上方式による免震に移行するようにする。

なお、フェールセーフの観点からは、上記の（１）〜（３）の切り替えタイミングを複数併用することが望ましい。

以上説明したように、本発明によれば、上部構造物と下部構造物との間に介装した積層ゴム方式の免震装置と磁気浮上方式の免震装置を時間領域で切り替え可能に構成したので、短周期から長周期までの大小の地震動や上下動に対応可能で、コストや環境負荷を低減することができる。

以上のように、本発明に係る時間領域切替型免震装置は、建物の免震を合理的に行うのに有用であり、特に、短周期から長周期までの大小の地震動や上下動に対応した免震を行うのに適している。

２ 基礎（下部構造物）
４ 上部構造物
６ 柱
８ １階床
１０ 時間領域切替型免震装置
１２ 積層ゴムのアイソレーター（積層ゴム方式の免震装置）
１４ 磁気浮上装置（磁気浮上方式の免震装置）
１４ａ 電磁石
１４ｂ 磁石
１６ 地下側壁
１８ １階床の外側壁
２０ ダンパー（緩衝体）
２２ ほぞ
２４ ほぞ穴
２６ 中空部
２８ 復元力付与装置
３０ 磁石

Claims (6)

1. 上部構造物と下部構造物との間に介装した積層ゴム方式の免震装置と磁気浮上方式の免震装置を時間領域で切り替え可能に構成したことを特徴とする時間領域切替型免震装置。
2. 緊急地震速報の受信に基づくタイミングで、積層ゴム方式の免震装置と磁気浮上方式の免震装置の切り替えを行うことを特徴とする請求項１に記載の時間領域切替型免震装置。
3. 地震のＰ波の検知に基づくタイミングで、積層ゴム方式の免震装置と磁気浮上方式の免震装置の切り替えを行うことを特徴とする請求項１に記載の時間領域切替型免震装置。
4. 積層ゴム方式の免震装置の変形量に基づくタイミングで、積層ゴム方式の免震装置と磁気浮上方式の免震装置の切り替えを行うことを特徴とする請求項１に記載の時間領域切替型免震装置。
5. 積層ゴム方式の免震装置と磁気浮上方式の免震装置のいずれか一方の免震装置を中空筒状に構成し、他方の免震装置を前記中空筒内に設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の時間領域切替型免震装置。
6. 積層ゴム方式の免震装置の上端は、上部構造物の磁気浮上を妨げず、浮上後は縁が切れるように上部構造物と接合してあることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の時間領域切替型免震装置。

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