JP2014237962A - 構造物の免震構造、構造物及び構造物の免震方法 - Google Patents

Abstract

【課題】免震層の変位を抑えつつ、上部構造物の変形も抑えることができる構造物の免震構造、構造物及び構造物の免震方法を提供する。【解決手段】構造物２の免震構造１は、免震層３と、該免震層３の上方に配置された上部構造物４とを備える構造物の免震構造であって、前記免震層３に設けられた積層ゴム１１と、前記上部構造物４における該免震層３の直上階５に設けられ、該上部構造物４の振動を抑える減衰装置１３と、を備えることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、構造物の免震構造、構造物及び構造物の免震方法に関するものである。

一般に、建築物等の上部構造物と地盤との間の免震層に、積層ゴム等で構成される免震装置を設けた免震構造物が知られている。このような免震構造物では、地震時には免震層が地震エネルギーを吸収することができる。

また、上部構造物の振動を低減させる減衰装置を上部構造物内に配置した制震構造物が提案されている（下記特許文献１参照）。

特開平１１−３２４３９２号公報

しかしながら、上記のような免震構造物では、想定以上の巨大地震が発生した場合には、免震層が地震エネルギーを充分に吸収することができずに、大きく変位して隣接する擁壁への衝突が懸念される。また、免震層が大きく変位するにともなって、免震装置を構成する積層ゴムが大変形して破断する虞がある。
また、上記の特許文献１に記載の制震構造物では、巨大地震時には、減衰装置が応答加速度を充分に抑制できずに、建物の振動や変形を充分に低減させることができない虞がある。

そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、免震層の変位を抑えつつ、上部構造物の変形も抑えることができる構造物の免震構造、構造物及び構造物の免震方法を提供する。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。
すなわち、本発明に係る構造物の免震構造は、免震層と、該免震層の上方に配置された上部構造物とを備える構造物の免震構造であって、前記免震層に設けられた積層ゴムと、前記上部構造物における該免震層の直上階に設けられ、該上部構造物の振動を抑える減衰装置と、を備えることを特徴とする。

このように構成された構造物の免震構造は、巨大地震時には、例えば免震層が水平方向に５０ｃｍ以上変位すると免震層に設けられた積層ゴムの剛性が著しく高くなるように構成されている。また、免震層の直上階に設けられた減衰装置は、免震層から上部構造物に伝達された地震エネルギーを吸収する。よって、免震層の変位を抑えつつ、上部構造物の変形も抑えることができる。

また、本発明に係る構造物の免震構造は、前記積層ゴムは、前記免震層の水平方向の変位を規制するように、初期剛性に対する二次剛性の比が２．５〜４に設定されていることが好ましい。

このように構成された構造物の免震方装置は、積層ゴムの初期剛性に対する二次剛性の比が２．５〜４であるように構成されているため、巨大地震時には免震層の水平方向の変位を確実に抑えて、構造物の振動を低減させることができる。

また、本発明に係る構造物の免震構造は、前記免震層の水平方向の変位を規制する摩擦ストッパーを備えることが好ましい。

このように構成された構造物の免震構造は、免震層に設けられた摩擦ストッパーが、免震層の変位を抑制することができる。

また、本発明に係る構造物は、上記のいずれか一に記載の構造物の免震構造を備えることを特徴とする。

このように構成された構造物では、巨大地震時には、免震層に設けられた積層ゴムの剛性が著しく高くなるように構成されている。また、免震層の直上階に設けられた減衰装置は、免震層から上部構造物に伝達された地震エネルギーを吸収する。よって、免震層の変位を抑えつつ、上部構造物の変形も抑えることができる。

また、本発明に係る構造物の免震方法は、前記免震層の水平方向への変位にともなって前記積層ゴムの剛性を高くさせることで、前記上部構造物の振動を低減させることを特徴とする。

このように構成された構造物の免震方法は、巨大地震時に免震層が水平方向に変位するにともなって、免震層に設けられた積層ゴムの剛性を高くさせることで、免震層の変位を抑えることができる。また、免震層の直上階に設けられた減衰装置が、免震層から上部構造物に伝達された地震エネルギーを吸収することで、上部構造物の変形も抑えることができる。よって、上部構造物の振動を低減させることができる。

本発明に係る構造物の免震構造、構造物及び構造物の免震方法によれば、免震層の変位を抑えつつ、上部構造物の変形も抑えることができる。

本発明の一実施形態に係る構造物の免震構造を示す模式図である。 本発明の一実施形態の変形例に係る構造物の免震構造を示す模式図である。 地震応答解析で用いた本発明の実施例１を示す図である。 地震応答解析で用いた本発明の実施例１における上部構造物の骨格曲線の設定を示す図である。 地震応答解析で用いた本発明の実施例１における免震層の復元力を示す図である。 地震応答解析で用いた本発明の実施例１における（ａ）入力地震動として告知波Ｌｖ．２を採用した場合の時刻歴加速度波形を示す図、（ｂ）入力地震動として上町断層３Ｂを採用した場合の時刻歴加速度波形を示す図である。 地震応答解析で用いた本発明の実施例１における地震応答解析の結果を示す図であり、入力地震動として告知波Ｌｖ．２を入力した際の（ａ）１階の応答加速度を示す図、（ｂ）最大免震層変位を示す図である。 地震応答解析で用いた本発明の実施例１における地震応答解析の結果を示す図であり、入力地震動として告知波Ｌｖ．２を入力した際の各層の層間変形角を示す図である。 地震応答解析で用いた本発明の実施例１における地震応答解析の結果を示す図であり、入力地震動として上町断層３Ｂを入力した際の（ａ）１階の応答加速度を示す図、（ｂ）最大免震層変位を示す図である。 地震応答解析で用いた本発明の実施例１における地震応答解析の結果を示す図であり、入力地震動として上町断層３Ｂを入力した際の（ａ）Ｋｒ２／Ｋｒ１＝２の場合の各層の層間変形角を示す図、（ｂ）Ｋｒ２／Ｋｒ１＝３の場合の各層の層間変形角を示す図、（ｃ）はＫｒ２／Ｋｒ１＝４の場合の各層の層間変形角を示す図である。 地震応答解析で用いた本発明の実施例２を示す図である。 地震応答解析で用いた本発明の実施例２における（ａ）免震層の復元力を示す図、（ｂ）摩擦減衰ストッパーの設定を示す図である。 地震応答解析で用いた本発明の実施例２における地震応答解析の結果を示す図であり、（ａ）１階の応答加速度を示す図、（ｂ）最大免震層変位を示す図である。 地震応答解析で用いた本発明の実施例２における地震応答解析の結果を示す図であり、（ａ）Ｋｒ２／Ｋｒ１＝２の場合の各層の層間変形角を示す図、（ｂ）Ｋｒ２／Ｋｒ１＝３の場合の各層の層間変形角を示す図、（ｃ）はＫｒ２／Ｋｒ１＝４の場合の各層の層間変形角を示す図である。

本発明の一実施形態に係る構造物の免震構造について説明する。
図１に示すように、免震構造１が設けられる構造物２は、地盤Ｇ等との間に設けられた免震層３と、免震層３の上方に配置された上部構造物４とを備えている。

この構造物２に設けられる免震構造１は、免震層３に設けられた積層ゴム１１及び免震層減衰要素１２と、上部構造物４における免震層３の直上階５に設けられ、上部構造物４の振動を抑える減衰装置１３とを備えている。

積層ゴム１１は、巨大地震時に免震層３の水平方向の変位を規制するように、初期剛性（Ｋｒ１）に対する二次剛性（Ｋｒ２）の比（Ｋｒ２／Ｋｒ１）が２．５〜４となるように設定されている。

例えば、免震層減衰要素１２は鋼材ダンパーであり、減衰装置１３はオイルダンパーである。このオイルダンパーの減衰力は、上部構造物４の重量が４０００ｔｏｎの場合に、１００ｔｆ／（ｃｍ／ｓ）以上とされている。

本実施形態では、減衰装置１３は、上部構造物４における免震層３の直上階５にのみ設けられ、他の階には設けられていない。

次に、上記のように構成された構造物２の免震方法について説明する。
巨大地震時には、免震層３の水平方向への変位にともなって、積層ゴム１１の剛性を高くさせる。いわゆるハードニングを積極的に起こさせるようにする。例えば、巨大地震時に免震層３が水平方向に５０ｃｍ以上変位すると、積層ゴム１１がハードニングを起こす。

このように構成された構造物２の免震構造１では、巨大地震時には、上記のように免震層３に設けられた積層ゴム１１の剛性が著しく高められるとともに、免震層３の直上階５に設けられた減衰装置１３は免震層３から上部構造物４に伝達された地震エネルギーを吸収する。よって、免震層３の変位を抑えつつ、上部構造物４の変形も抑えることができる。

また、巨大ではないレベルの地震時には、免震層３に設けられた積層ゴム１１及び免震層減衰要素１２が、地震エネルギーを吸収することができる。

（変形例）
図２に示すように、変形例に係る構造物の免震構造２１では、免震層３に設けられた摩擦ストッパー２２をさらに備えている。この摩擦ストッパー２２は、免震層３の水平方向の変位を規制する。また、摩擦ストッパー２２は、例えば表面（水平面）が研磨された鋼材同士を、互いに表面が接触するように配置されたものである。

このように構成された構造物の免震構造２１では、免震層３に設けられた摩擦ストッパー２２が、免震層３の変位を抑制することができる。よって、免震層３の変位を確実に抑えることができる。

（実施例１）
次に、本実施形態の構造物２の免震構造１について行った地震応答解析について説明する。ここでは、５質点の免震建物モデルを作成し、積層ゴム１１の初期剛性に対する２次剛性の比（Ｋｒ２／Ｋｒ１）、ダンパーの有無・大小をパラメータとしてそれぞれ地震応答解析を行い、その結果を比較した。

具体的には、図３に示すように、解析モデルは、５質点の等価せん断型モデルを使用した。

この５質点の等価せん断型モデルにおける主構造（上部構造物４）の諸条件は次のように設定した。
各質点の質量は一様に１０００ｔｏｎとし、合計５０００ｔｏｎとした。また、上部構造物４の各層（各階）の剛性は、最上層と最下層の剛性比が０．５７：１．０の台形分布となるようにして与えた。基礎固定時の１次固有周期は０．４３ｓｅｃとした。また、ベースシア係数Ｃｂ＝０．１５とし、Ａｉ分布で各層の層せん断力を求めて、図４のように各層の骨格曲線を設定し、復元力モデルに武田モデルを使用した。また、上部構造物４の減衰は、歪エネルギー比例型で５次まで３％とした。

また、免震層３の諸条件は次のように設定した。
積層ゴム１１のゴム総厚は２０ｃｍとし、免震層３を含めた１次固有周期を５．０ｓｅｃとした。また、免震層３の免震層減衰要素１２には鋼材ダンパーを用い、負担率αを０．０４として耐力を設定し、降伏変位が２０ｍｍのバイリニアでモデル化した。

また、図５に積層ゴム１１の復元力を示す。積層ゴム１１は、せん断ひずみｇ＝２５０％よりハードニングを起こし２次剛性Ｋｒ２となり、せん断ひずみｇ＝４００％で限界変位となる。

また、免震層３の直上階５である１階に設けられる減衰装置１３を構成するオイルダンパーは、１台辺り５０ｔｆ／（ｃｍ／ｓ）として、８０ｔｆでリリーフするものとした。

次に、本解析のパラメータを表１のように設定した。

積層ゴム１１における初期剛性Ｋｒ１に対する２次剛性の比（Ｋｒ２／Ｋｒ１）を２〜４（ハードニングを２倍〜４倍）と設定した。また、オイルダンパーの減衰力を０，１００，２００，３００，４００に設定した。また、入力地震動を告知波Ｌｖ．２及び上町断層３Ｂに設定した。告知波Ｌｖ．２と上町断層３Ｂとの時刻歴加速度波形を、それぞれ図６（ａ），（ｂ）に示す。

次に、地震応答解析の結果について説明する。
入力地震動として告知波Ｌｖ．２を入力した際の各応答値を図７及び図８に示す。図７（ａ）は１階の応答加速度を示し、図７（ｂ）は最大免震層変位を示し、図８は各層の層間変形角を示している。

図７（ａ）に示されるように、１階の応答加速度は、オイルダンパーの有無及びオイルダンパーの減衰力の大小によってほとんど変化しないことが確認された。また、図７（ｂ）に示されるように、最大免震層変位は、オイルダンパーの有無及びオイルダンパーの減衰力の大小によってほとんど変化せず、２０ｃｍ以下と小さいことが確認された。さらに、図８に示されるように、各層の層間変形角は、１／１０００以下であることが確認された。つまり、いずれの数値からも想定した範囲内である地震波ならば、本発明に係る構造物２の免震構造１が有効に機能していることが分かる。

次に、入力地震動として上町断層３Ｂを入力した際の各応答値を図９及び図１０に示す。図９（ａ）は１階の応答加速度を示し、図９（ｂ）は最大免震層変位を示している。図１０（ａ）はＫｒ２／Ｋｒ１＝２の場合の各層の層間変形角を示し、図１０（ｂ）はＫｒ２／Ｋｒ１＝３の場合の各層の層間変形角を示し、図１０（ｃ）はＫｒ２／Ｋｒ１＝４の場合の各層の層間変形角を示している。

図９（ｂ）に示されるように、Ｋｒ２／Ｋｒ１＝２の場合に、免震層変位は約７０ｃｍである。よって、クリアランスが狭い敷地では、構造物２が擁壁に衝突する可能性がある。一方、Ｋｒ２／Ｋｒ１が大きくなる、すなわち積層ゴム１１のハードニングが大きくなるにしたがって、免震層３の変位が低減されることが確認された。つまり、巨大地震に対応するために、通常よりもハードニング（Ｋｒ２／Ｋｒ１）が大きい積層ゴム１１を利用することは、構造物２の変位低減に有効であることが確認された。

一方、図９（ａ）に示されるように、Ｋｒ２／Ｋｒ１が大きくなる、すなわち積層ゴム１１のハードニングが大きくなるにしたがって、１階の応答加速度が増加する傾向がある。しかし、免震層３の直上階５である１階に減衰装置１３であるオイルダンパーを設置することにより、１階の応答加速度を低減させる効果がある。

また、図１０（ａ），（ｂ），（ｃ）に示されるように、１階にオイルダンパーを設置することにより、突出した１階の層間変形角を大きく低減する効果があることが分かる。さらに、２階以上では、決定的となる悪影響を受けていない。この傾向は、Ｋｒ２／Ｋｒ１、すなわちハードニングが大きくなるほど顕著である。これは、積層ゴム１１が免震層３の変位を抑制するストッパーのような役割をした場合、地震エネルギーが１階に伝達されることで１階の変形角が大きくなってしまうためである。

これらの結果から、想定範囲である告知波Ｌｖ．２に対しては、免震層変位、応答加速度、層間変形角等の応答値は小さく、被害のない振動レベルであることが分かる。
また、巨大地震である上町断層を震源域とした３Ｂ波を入力すると、通常の免震建物では免震層変位が大きく擁壁に衝突する可能性があるが、積層ゴム１１のハードニングを大きくする程、免震層変位を低減することができることが分かる。
さらに、ハードニングを大きくすると、１階の応答加速度と上部構造物の層間変形角が増加する傾向にあるが、１階にオイルダンパーを設置することにより、どちらも抑制することができる。特に、ハードニングを４倍としたモデルでは、１階の層間変形角が１／１００と倒壊レベルであるのに対して、オイルダンパーを付加すると変形を１／２〜１／３に低減する効果があることが分かる。

（実施例２）
次に、実施例２における地震応答解析について説明する。

実施例２に係る５質点の等価せん断型モデルにおける主構造（上部構造物４）の諸条件は次のように設定した。
各質点の質量は一様に１０００ｔｏｎとし、合計５０００ｔｏｎとした。また、上部構造物４は武田モデルとして、ベースシア係数Ｃｂ＝０．１５とする。クリアランスは７０ｃｍ、擁壁剛性は４００ｔｆ／ｃｍとし、５０ｃｍから摩擦ストッパーが作動する。

また、免震周期を５．０ｓｅｃとし、ダンパーの降伏せん断係数α＝０．０４、積層ゴム１１モデルは図１２（ａ）に示す折れ線モデルとした。免震層３の復元力特性を図１２に示す。
また、摩擦ストッパー２２の摩擦係数は０．１とされている。

また、免震層３の直上階５である１階に設けられる減衰装置１３を構成するオイルダンパーは、１台辺り５０ｔｆ／（ｃｍ／ｓ）として、８０ｔｆでリリーフするものとした。
また、入力地震動を上町断層３Ｂとした。

本解析のパラメータを以下の通りとする。
積層ゴム１１における初期剛性Ｋｒ１に対する２次剛性の比（Ｋｒ２／Ｋｒ１）を２〜４（ハードニングを２倍〜４倍）と設定した。また、オイルダンパーの減衰力を０，１００，２００，３００，４００に設定した。

次に、地震応答解析の結果について説明する。
入力地震動として上町断層３Ｂを入力した際の各応答値を図１３及び図１４に示す。図１３（ａ）は１階の応答加速度を示し、図１３（ｂ）は最大免震層変位を示している。また、図１４（ａ）はＫｒ２／Ｋｒ１＝２の場合の各層の層間変形角を示し、図１４（ｂ）はＫｒ２／Ｋｒ１＝３の場合の各層の層間変形角を示し、図１４（ｃ）はＫｒ２／Ｋｒ１＝４の場合の各層の層間変形角を示している。

図１３（ａ）に示されるように、オイルダンパーの減衰力の増加にともなって、１階の応答加速度は低下することが確認された。また、図１３（ｂ）に示されるように、摩擦ストッパー２２の付加により、免震層変位は７０ｃｍ以下であり、擁壁に衝突していないことが分かる。また、図１４に示されるように、層間変形角は１／５０以下程度となっている。また、１階にオイルダンパーを付加することで１階の層間変形角をさらに抑えることができため、１階にオイルダンパーを設置することは上部構造物４の変形を抑える上で有効であることが分かる。

なお、上述した実施の形態において示した組立手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

１，２１…免震構造 ２…構造物 Ｇ…地盤 ３…免震層 ４…上部構造物 ５…直上階 １１…積層ゴム １２…免震層減衰要素 １３…減衰装置 ２２…摩擦ストッパー

Claims (5)

1. 免震層と、該免震層の上方に配置された上部構造物とを備える構造物の免震構造であって、
   前記免震層に設けられた積層ゴムと、
   前記上部構造物における該免震層の直上階に設けられ、該上部構造物の振動を抑える減衰装置と、を備えることを特徴とする構造物の免震構造。
2. 前記積層ゴムは、前記免震層の水平方向の変位を規制するように、初期剛性に対する二次剛性の比が２．５〜４に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の構造物の免震構造。
3. 前記免震層の水平方向の変位を規制する摩擦ストッパーを備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の構造物の免震構造。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の構造物の免震構造を備えることを特徴とする構造物。
5. 請求項４に記載の構造物における免震方法であって、
   前記免震層の水平方向への変位にともなって前記積層ゴムの剛性を高くさせることで、前記上部構造物の振動を低減させることを特徴とする構造物の免震方法。

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