JP2015021579A - Seismic isolation device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、基台と基台上に配された構造物とを接続する免震装置に関する。 The present invention relates to a seismic isolation device that connects a base and a structure disposed on the base.
従来、構造物に接続して用いる多くの免震装置が提案されている。これらの免震装置のうち最も一般的なものは、積層ゴム、あるいは球体などの転がりを用いた転動機構を有している。
積層ゴムを有する免震装置に接続された構造体では、積層ゴムの剛性のために長周期地震の周期帯域である1〜10(s:秒)が構造体の固有周期となることが多い。このため、長周期地震が発生した場合に、積層ゴムが積層ゴムの許容変位を超えて変形してしまうことが考えられる。
また、構造体の荷重を支持するために積層ゴムを多数設置すると、積層ゴム全体としての剛性がそれだけ高くなり、免震装置が免震性能を損なう。このため、免震装置が積層ゴムと転動機構を併用する場合がある。また、積層ゴム、転動機構のいずれも、圧縮には強いが引張りには弱いため、免震装置に引抜き防止装置などを備えることが別途考案されている。
Conventionally, many seismic isolation devices used by connecting to structures have been proposed. The most common of these seismic isolation devices has a rolling mechanism using rolling such as laminated rubber or a sphere.
In a structure connected to a seismic isolation device having a laminated rubber, 1 to 10 (s: seconds), which is a periodic band of a long-period earthquake, often becomes the natural period of the structure because of the rigidity of the laminated rubber. For this reason, it is considered that when a long-period earthquake occurs, the laminated rubber deforms beyond the allowable displacement of the laminated rubber.
In addition, if a large number of laminated rubbers are installed to support the load of the structure, the rigidity of the laminated rubber as a whole increases so much that the seismic isolation device impairs the seismic isolation performance. For this reason, the seismic isolation device may use a laminated rubber and a rolling mechanism in combination. Further, since both the laminated rubber and the rolling mechanism are strong against compression but weak against tension, it has been devised separately to provide a seismic isolation device with a pull-out prevention device.
一方で、転動機構は、基台に設けられた転動面(基準面)が平面であれば理想的な免震性能を有することになるが、この場合に構造体の原点復帰性能、耐風性能が問題となる。したがって、転動面を円弧状にしてこの転動面上で構造体を移動させることで、免震性能および耐風性能の両性能を有するようにすることが多い(例えば、特許文献1参照)。この場合、転動面として円弧面を用いることによる免震性能の減少の代償として、原点復帰性能、耐風性能を得ていることになる。 On the other hand, the rolling mechanism has ideal seismic isolation performance if the rolling surface (reference surface) provided on the base is flat. In this case, the origin return performance of the structure, wind resistance Performance becomes a problem. Therefore, in many cases, both the seismic isolation performance and the wind resistance performance are achieved by making the rolling surface into an arc shape and moving the structure on the rolling surface (see, for example, Patent Document 1). In this case, the return-to-origin performance and wind resistance performance are obtained as a price for reducing the seismic isolation performance by using the arc surface as the rolling surface.
以上より、現在の免震装置では、免震性能と、風などにより変位が比較的大きくなったときの耐風性能との間に、両性能が同時には成立しないというトレードオフがあることが解る。従来の比較的大きな変位への対処は、主にストッパーを設置して、基台上に配された構造物を固定するという原始的なものである。この場合、ストッパーを用いた装置の免震性能は当然に皆無となる。 From the above, it can be seen that in current seismic isolation devices, there is a trade-off between the seismic isolation performance and the wind resistance performance when the displacement is relatively large due to wind or the like, in which both performances do not hold simultaneously. Conventional countermeasures against relatively large displacements are primarily primitive by installing a stopper and fixing a structure arranged on a base. In this case, naturally the seismic isolation performance of the device using the stopper is completely absent.
これに対応する機構として、例えば、特許文献2に記載された免震装置のような、バネの非線形特性を用いたものが提案されている。この免震装置では、固定台と免震台との間に、水平方向に対して斜めのバネ軸芯を有するバネを配置して非線形特性を得ている。ここで言う非線形特性とは、ハードスプリング(漸硬)特性のことを意味する。従来の免震装置が、変位に対してほぼ一定の剛性だったのに対して、特許文献2の免震装置では、免震台の変位が大きくなるほど剛性が高くなる。ハードスプリング特性があれば、免震台の変位が比較的小さい原点近傍では免震性能、免震台の変位が比較的大きい場合には耐風性能および耐震性能を有するとともに、免震性能と耐風性能および耐震性能との切替えを免震台の変位に対して滑らかに行うことができる。
As a mechanism corresponding to this, a mechanism using a non-linear characteristic of a spring, such as the seismic isolation device described in
しかしながら、特許文献2の免震装置では、剛性の非線形特性は得られるが、変位が大きくなると剛性は一定値に収束する。したがって、免震装置がハードスプリング特性を示すのは、免震台が原点から限られた範囲で変位した場合である。
However, in the seismic isolation device of
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、構造物の変位が比較的小さい場合には剛性を小さく抑えるとともに、構造物の変位が比較的大きい場合には構造物の変位が大きくなるのにしたがって剛性が急激に大きくなる小型の免震装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems. When the displacement of the structure is relatively small, the rigidity is suppressed to be small, and when the displacement of the structure is relatively large, An object of the present invention is to provide a small seismic isolation device whose rigidity increases rapidly as the displacement increases.
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の免震装置は、水平面に平行な基準面が設けられた基台と、前記基準面上であって鉛直面内で移動可能に配された構造物と、を接続する免震装置であって、前記構造物に第一の接続部を介して第一の端部が接続され、前記構造物に対して前記第一の接続部周りに回動するとともに前記鉛直面上で移動する第一のリンク部材と、前記第一のリンク部材の第二の端部に第二の接続部を介して接続され、前記第一のリンク部材に対して前記第二の接続部周りに回動するとともに前記鉛直面上で移動する第二のリンク部材と、前記第二のリンク部材が鉛直方向に移動するように規制する規制部と、前記第二のリンク部材を鉛直下方に向かって付勢する付勢部と、を備えることを特徴としている。
In order to solve the above problems, the present invention proposes the following means.
The seismic isolation device of the present invention is a seismic isolation device that connects a base provided with a reference plane parallel to a horizontal plane and a structure arranged on the reference plane and movable in a vertical plane. A first end portion is connected to the structure via a first connection portion, and the first end portion rotates around the first connection portion with respect to the structure and moves on the vertical plane. One link member is connected to the second end portion of the first link member via a second connection portion, and rotates around the second connection portion with respect to the first link member. And a second link member that moves on the vertical surface, a restricting portion that restricts the second link member to move in the vertical direction, and biases the second link member downward in the vertical direction. And an urging unit.
また、本発明の他の免震装置は、鉛直下方に向かって凹むように形成された基準面が設けられた基台と、前記基準面上であって鉛直面内で移動可能に配された構造物と、を接続する免震装置であって、前記構造物に第一の接続部を介して第一の端部が接続され、前記構造物に対して前記第一の接続部周りに回動するとともに前記鉛直面上で移動する第一のリンク部材と、前記第一のリンク部材の第二の端部に第二の接続部を介して接続され、前記第一のリンク部材に対して前記第二の接続部周りに回動するとともに前記鉛直面上で移動する第二のリンク部材と、前記第二のリンク部材が鉛直方向に移動するように規制する規制部と、前記第二のリンク部材を鉛直下方に向かって付勢する付勢部と、を備えることを特徴としている。 In addition, another seismic isolation device of the present invention is provided with a base provided with a reference surface formed so as to be recessed vertically downward, and arranged on the reference surface so as to be movable within the vertical surface. A seismic isolation device for connecting the structure with a first end connected to the structure via a first connection portion and rotating around the first connection portion with respect to the structure. A first link member that moves and moves on the vertical plane, and is connected to a second end portion of the first link member via a second connection portion, with respect to the first link member A second link member that rotates around the second connection portion and moves on the vertical plane; a restriction portion that restricts the second link member to move in a vertical direction; and the second link member And an urging portion that urges the link member vertically downward.
また、上記の免震装置において、前記基準面と前記構造物の底面との間には転動機構が設けられていることがより好ましい。 In the seismic isolation device, it is more preferable that a rolling mechanism is provided between the reference surface and the bottom surface of the structure.
本発明の免震装置によれば、構造物の変位が比較的小さい場合には剛性を小さく抑えるとともに、構造物の変位が比較的大きい場合には構造物の変位が大きくなるのにしたがって剛性を急激に大きくし、小型に構成することができる。 According to the seismic isolation device of the present invention, when the displacement of the structure is relatively small, the rigidity is suppressed to be small, and when the displacement of the structure is relatively large, the rigidity is increased as the displacement of the structure increases. The size can be increased drastically and reduced in size.
以下、本発明に係る免震装置の一実施形態を、図1から図9を参照しながら説明する。
図1に示すように、本免震装置1は、基準面101が設けられた土台(基台)100と、基準面101上であって鉛直面S1上で移動可能に配された構造物150とを接続するものである。
この例では、基準面101は、水平面に平行な面であるとする。構造物150としては、高層建築物や家屋など、特に限定されない。
Hereinafter, an embodiment of a seismic isolation device according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 9.
As shown in FIG. 1, the
In this example, it is assumed that the
本実施形態の免震装置1はリンク構造を用いたものである。本免震装置1は、構造物150に第一の接続部10を介して第一の端部15aが接続された第一のリンク部材15と、第一のリンク部材15の第二の端部15bに第二の接続部20を介して接続された第二のリンク部材25と、第二のリンク部材25が鉛直方向Dに移動するように規制する規制部30と、第二のリンク部材25を鉛直下方D1に向かって付勢するバネ部材(付勢部)35とを備えている。
リンク部材15、25および第二の接続部20で、リンク構造2を構成する。
なお、図1では、第一のリンク部材15が鉛直方向Dに延びる中立状態における免震装置1の各構成の配置を示している。基準面101および鉛直面S1にそれぞれ平行なx軸を規定したときに、この中立状態では、土台100に対する構造物150のx軸方向の相対変位が0である。
The
The
In addition, in FIG. 1, arrangement | positioning of each structure of the
また、以下では、説明の便宜のために、構造物150、接続部10、20、リンク部材15、25が鉛直面S1上のみで移動する場合で説明する。
Moreover, below, for convenience of explanation, the case where the
接続部10、20としては、公知のユニバーサルジョイント、ジンバル機構、ヒンジ機構などを適宜選択して用いることができ、種類は問わない。
リンク部材15、25は、鋼材などで棒状に形成されていて、剛体とみなすことができる程度に硬く構成されている。
第一の接続部10は、図示はしないが高力ボルトや溶接などにより、構造物150の底面151および第一のリンク部材15の第一の端部15aとそれぞれ接続されている。
第一のリンク部材15は、構造物150に対して第一の接続部10周りに回動する。中立状態では、第一のリンク部材15の第二の端部15bは第一の端部15aよりも鉛直下方D1に配置されている。
As the
The
Although not shown, the first connecting
The
第二のリンク部材25の長さは、免震装置1が中立状態であるときに、第二のリンク部材25の下端部25bが穴部102の底面から離間している範囲において任意である。第二の接続部20は、第一のリンク部材15の第二の端部15bと第二のリンク部材25の上端部25aとそれぞれ接続されている。第二のリンク部材25は、第一のリンク部材15に対して第二の接続部20周りに回動する。
The length of the
本実施形態では、規制部30は、土台100内に基準面101から鉛直下方D1に向かって凹むように形成された穴部102内に取付けられている。規制部30は、第二のリンク部材25をx軸方向に挟むとともに、鉛直方向Dに並べて配置された合計で4つのローラユニット31からなる。各ローラユニット31は、棒状の支持部材31aの先端部に円柱状のローラ31bが回転可能に支持されて構成されている。支持部材31aの基端部は、穴部102の内側面に固定されている。ローラ31bは、第二のリンク部材25の側面に接触している。
規制部30は、第二のリンク部材25が鉛直方向Dのみに移動するように案内する鉛直ガイドを構成する。
In the present embodiment, the restricting
The restricting
バネ部材35としては、1軸方向に伸縮するコイルバネのような金属バネを用いることができる。本実施形態では、バネ部材35の剛性は線形特性(バネ部材35の変形量にバネ部材35の剛性が比例する特性)としているが、バネ部材35の変形量に対してバネ部材35の剛性が比例するよりも大きくなる特性である非線形特性でもよい。
バネ部材35は、第二のリンク部材25と平行に並べた状態で、上端部が第二のリンク部材25に固定され、下端部が穴部102の底面に固定されている。すなわち、バネ部材35と第二のリンク部材25とは、並列構造となるように配置されている。第二のリンク部材25は鉛直方向Dに移動し、これに伴ってバネ部材35が伸びたり縮んだりするが、このときに両部材は並列構造となるように配置されているため、バネ部材35の動きと第二のリンク部材25の動きとが干渉しない、非干渉構造となっている。
As the
The
なお、バネ部材35と第二のリンク部材25との非干渉構造は、これに限られない。例えば、第二のリンク部材が円柱状や円筒状に形成されている場合には、第二のリンク部材の外周面でバネ部材が滑らかに伸縮するように、第二のリンク部材の外周面にバネ部材をコイル状に巻付けて非干渉構造を構成してもよい。
第二のリンク部材が円筒状に形成されている場合には、第二のリンク部材の筒孔内でバネ部材が滑らかに伸縮するように、第二のリンク部材にバネ部材を収納してもよい。
あるいは、第二のリンク部材の表面に突起を設け、バネ部材を第二のリンク部材と平行になるように配置するとともにバネ部材を突起に係合させてもよい。バネ部材を第二のリンク部材に対して斜めに配置してもよい。
The non-interference structure between the
When the second link member is formed in a cylindrical shape, even if the spring member is housed in the second link member so that the spring member smoothly expands and contracts within the tube hole of the second link member. Good.
Alternatively, a protrusion may be provided on the surface of the second link member, the spring member may be arranged in parallel with the second link member, and the spring member may be engaged with the protrusion. The spring member may be disposed obliquely with respect to the second link member.
この例では、土台100の基準面101と構造物150の底面151との間には、支持ローラ(転動機構)40が設けられている。ローラ40は、第一のリンク部材15をx軸方向に挟むように、少なくとも一対配されている。
免震装置1が中立状態であるときに、第二のリンク部材25の下端部25bは、穴部102の底面から離間している。免震装置1が中立状態であるときに、第二の接続部20は基準面101上に位置していてもよいし、基準面101上に位置していなくてもよい。
In this example, a support roller (rolling mechanism) 40 is provided between the
When the
次に、以上のように構成された免震装置1の作用について説明する。
図1に示す免震装置1が中立状態である状態から、図2に示すように、基準面101に対して構造物150が鉛直面S1上でx軸方向に移動した移動状態について説明する。この例では、構造物150がx軸の正の方向に移動した場合を示している。構造物150とともに第一の接続部10が、x軸の正の方向に移動する。
第二のリンク部材25は、規制部30により鉛直方向Dに移動するように案内されるため、第一の接続部10が移動するのにしたがって第一のリンク部材15が向きを変えるとともに、第二のリンク部材25が鉛直上方D2に移動する。
構造物150がx軸方向に移動するときに、支持ローラ40が土台100の基準面101と構造物150の底面151との間で転がる。
Next, the operation of the
A moving state in which the
Since the
When the
なお、例えば地震により土台100が動いた場合に第二のリンク部材25が鉛直上方D2に移動しても、バネ部材35は鉛直方向Dに伸びるだけで、バネ部材35による土台100に対する水平方向成分の力は生じない。
第二のリンク部材25が鉛直上方D2に移動するのにしたがってバネ部材35が伸びるが、中立状態からの構造物150のx軸方向の変位に対する免震装置1のリンク構造2の剛性の変化について、以下に詳細に説明する。
For example, when the base 100 moves due to an earthquake, even if the
As the
図3に示すモデルにおいては、免震装置1については接続部10、20、リンク部材15、25およびバネ部材35のみを示している。土台100の基準面101および構造物150の底面151との支持ローラ40との間の摩擦抵抗は無いものとする。
第一のリンク部材15の長さをL、質量をm1、第二のリンク部材25の質量をm2とする。バネ部材35のバネ剛性(バネ定数)をkとし、重力加速度をgとする。
構造物150が鉛直面S1上で中立状態からx軸方向に移動した変位をxとし、このときの第一の接続部10と第二の接続部20との鉛直方向Dの距離をyとする。中立状態に対するバネ部材35の伸び量(第二のリンク部材25の鉛直上方D2への移動量)を△、第一のリンク部材15と鉛直方向Dとのなす角度をθとする。
In the model shown in FIG. 3, only the connecting
The length of the
The displacement in which the
図3に示す移動状態では、第一のリンク部材15の第一の端部15a側となる端点15cには、水平面に沿ったx軸方向に力Fxが、鉛直方向Dに垂直抗力Nがそれぞれ作用している。一方で、第一のリンク部材15の第二の端部15b側となる端点15dには、x軸方向に穴部102、すなわち規制部30からの抗力Pが、鉛直方向Dにバネ部材35の引張力k△、および第二のリンク部材25の重力m2gがそれぞれ作用している。
また、第一のリンク部材15には重力m1gが作用する。
In the moving state shown in FIG. 3, the
Further, gravity m 1 g acts on the
ここで、求めるリンク構造2の剛性をKxとすると、剛性Kxは(1)式により求まる。
Kx=Fx/x ・・(1)
第一のリンク部材15に作用する力の釣合から、(2)式および(3)式が得られる。
Fx=P ・・(2)
N=(m1+m2)g+k△ ・・(3)
第一のリンク部材15の重心は第一のリンク部材15の長手方向の中央だとすると、第一のリンク部材15の端点15cの回転釣合から下記の(4)式および(5)式が得られる。
Here, if the rigidity of the
K x = F x / x (1)
From the balance of the forces acting on the
F x = P (2)
N = (m 1 + m 2 ) g + kΔ (3)
If the center of gravity of the
ここで、下記の(6)式および(7)式の関係より、(8)式が得られる。
x=Lsinθ ・・(6)
△=L(1−cosθ) ・・(7)
Here, equation (8) is obtained from the relationship between the following equations (6) and (7).
x = Lsinθ (6)
Δ = L (1-cos θ) (7)
(8)式において、角度θがπ/2(rad:ラジアン)に近づくにしたがって、剛性Kxは無限大に近づく。
なお、(8)式の分子における質量に関する項である第1項は、一般的にバネ剛性kに比べて小さい。このため、剛性Kxの特性の大部分は、バネ剛性kにより決まってしまう。
図4に、本免震装置1のリンク構造2の剛性Kxを表す(8)式を示す。図4において、横軸に構造物150の変位xを示し、縦軸にリンク構造2の剛性Kxを示す。リンク構造2の剛性曲線は、構造物150のx軸方向の変位が大きくなるのにしたがって剛性Kxが増大するハードスプリング(漸硬)特性を示すことが解る。
より詳しく説明すると、構造物150の変位が0のときには、剛性Kxは、(8)式で角度θを0とした(9)式による値となる。
In the equation (8), as the angle θ approaches π / 2 (rad: radians), the stiffness K x approaches infinity.
Note that the first term, which is a term related to the mass in the numerator of formula (8), is generally smaller than the spring stiffness k. For this reason, most of the characteristics of the stiffness K x are determined by the spring stiffness k.
Figure 4 shows the seismic isolation device represents a stiffness K x Link Structure 2 (8). In FIG. 4, the horizontal axis represents the displacement x of the
More specifically, when the displacement of the
構造物150の変位が比較的小さい場合には、剛性Kxは(9)式による値に近い比較的小さい値になる。
構造物150の変位が第一のリンク部材15の長さLに近づくのにしたがって、剛性Kxは急峻に増大して無限大に近づく。すなわち、構造物150の変位が比較的大きい場合には構造物150の変位が大きくなるのにしたがって剛性を急激に大きくなる。構造物150の変位が長さLに近いときには、剛性Kxが大きいことで、リンク構造2は優れた耐震性能を発揮することになる。
このような剛性曲線の特性の違いは、構造物150がx軸方向に一定長さ変位するときのバネ部材35の伸び量が、構造物150の変位が比較的小さい場合には小さく、構造物150の変位が比較的大きい場合には急激に大きくなることにより生じる。
本実施形態の免震装置1は、リンク構造2の第二の接続部20で折れ曲がり、バネ部材35を鉛直方向Dに伸縮させることにより剛性を得ている。免震装置1は、第一のリンク部材15のx軸方向の変位量と第二のリンク部材25の鉛直方向Dの変位量の間に存在する非線形性を用いて非線形特性を得ていることになる。
When the displacement of the
According to the displacement of the
The difference in the characteristics of the rigidity curve is small when the
The
(実施例)
ここで、免震装置1の実施例を示して構成をより具体的に説明するが、免震装置1の構成はこれに限定されるものではない。
免震装置1の一例として、リンク部材15、25は鉄により円柱状に形成されていて、外径φはそれぞれ0.1(m)とする。第一のリンク部材15の長さLが0.5(m)、第二のリンク部材25の長さが1.0(m)とする。鉄の密度を7850(kg/m3)、重力加速度gを9.81(m/s2)とする。
このとき、(9)式の値は、(10)式のようになる。
(Example)
Here, although the structure of the
As an example of the
At this time, the value of equation (9) is as shown in equation (10).
一般的に、外径φが0.5〜1(m)の積層ゴム1つの剛性Kxが、106(N/m)のオーダーである。これに対して本免震装置1のリンク構造2の剛性Kxは約1/1000程度であり、いかに小さな剛性であるかが解る。
リンク構造2の剛性Kxが小さいことから、免震装置1が優れた免震性能を有することが解る。
Generally, the rigidity K x of one laminated rubber having an outer diameter φ of 0.5 to 1 (m) is on the order of 10 6 (N / m). In contrast stiffness K x of the
Since the stiffness K x link structure 2 is small, it is found to have a
地震による構造物150の変位が大きくなったときにも免震性能を確保する場合には、免震装置1を以下のように設定する。すなわち、土台100の予測される変位の最大値が、図4に示す、剛性Kxが比較的小さな免震領域R内に入るように第一のリンク部材15の長さL、およびバネ部材35のバネ剛性kを決定する。
より具体的には、構造物150の最大変位xmaxを見積もり、最大変位xmaxに対応する角度θmaxを決める。
次に、第一のリンク部材15の長さLを、最大変位xmax以上、かつ、免震装置1や構造物150の構造上許される最大スペースを考慮して決める。
続いて、最大変位xmaxで所望の免震性能を確保できるように、(8)式からバネ剛性kを算出する。
In order to ensure the seismic isolation performance even when the displacement of the
More specifically, estimates the maximum displacement x max of the
Next, the length L of the
Subsequently, the spring stiffness k is calculated from the equation (8) so that the desired seismic isolation performance can be secured with the maximum displacement xmax .
図5に示すように、構造物150が風による力Fを受けているときに、構造物150のx軸方向の変位xが第一のリンク部材15の長さLに近づくにしたがって、理論的にはリンク構造2の剛性Kxは無限大に近づく。しかしながら、実際には変位xは長さLに等しくならず、変位xは長さLよりも小さくなる。このため、構造物150が最も長い場合に長さL移動できるように、耐風用のストロークを確保しておく必要がある。
免震装置1が風に耐えているときには、構造物150の変位xは比較的大きくなるため、リンク構造2の剛性Kxが大きくなり、免震装置1は免震性能よりも耐震性能の方が顕著になる。
As shown in FIG. 5, when the
When the
ここで、比較例として、前述の特許文献1および2の作用を解析した結果について説明する。
特許文献2の免震装置(後述するように斜バネ210が用いられているため、以下、「斜バネ構造」とも称する。)において、転動機構の摩擦抵抗は無いとして、斜バネ構造の剛性を示すため、斜バネ構造のみを図6に書き換えて示す。
斜バネ210の無負荷時の長さをL、斜バネ210のバネ剛性をk、図示しない土台と構造物とが相対変位xのときの斜バネ210の伸び量を△、斜バネ210と鉛直方向とのなす角度をθとする。斜バネ210の第一のヒンジ215側となる端点210aには、水平方向に力Fxが、鉛直方向に垂直抗力Nがそれぞれ作用している。
Here, as a comparative example, a result obtained by analyzing the actions of
In the seismic isolation device of Patent Document 2 (because the
The length of the
ここで、免震装置200の求める剛性をKxとすると、剛性Kxは(11)式により求まる。
Kx=Fx/x ・・(11)
斜バネ210に作用する力の釣合から、(12)式および(13)式が得られる。
Fx=k△sinθ ・・(12)
N=k△cosθ ・・(13)
Here, assuming that the rigidity required by the
K x = F x / x (11)
From the balance of the forces acting on the
F x = kΔsinθ (12)
N = kΔcos θ (13)
ここで、下記の(14)式および(15)式の関係より、(16)式が得られる。
x=Ltanθ ・・(14)
△=L(1/cosθ−1) ・・(15)
Here, equation (16) is obtained from the relationship between the following equations (14) and (15).
x = Ltanθ (14)
Δ = L (1 / cos θ−1) (15)
この比較例の免震装置200では、角度θがπ/2(rad)に近づくにしたがって、剛性Kxは有限の値であるkに近づく。構造物の変位が、π/2(rad)に近づいて比較的大きくなった場合に、剛性Kxは急激には大きくならない。
In the
次に、特許文献1の免震装置の剛性について、図7を用いて説明する。
土台に相当する受皿260の円弧状の支持面261の半径をr、受皿260と構造物150とが相対変位xのときの支持面261における球265との接点における法線と鉛直方向とのなす角をθとする。
構造物150には、水平方向に力Fxが、前述の法線と平行に垂直抗力Nが、構造物150の重心に重力Mgがそれぞれ作用している。
Next, the rigidity of the seismic isolation device of
The radius of the arc-shaped
A force F x is applied to the
ここで、免震装置250(以下、「円弧構造」とも称する。)の求める剛性をKxとすると、剛性Kxは(17)式により求まる。
Kx=Fx/x ・・(17)
支持面261を転動する球265の個数をn(図7ではn=2)とすると、力の釣合から、下記の(18)式から(20)式が得られる。
nN=Mgcosθ+Fxsinθ ・・(18)
Fxcosθ=Mgsinθ ・・(19)
∴Fx=Mgtanθ ・・(20)
Here, assuming that the stiffness required by the seismic isolation device 250 (hereinafter also referred to as “arc structure”) is K x , the stiffness K x is obtained by the equation (17).
K x = F x / x (17)
When the number of
nN = Mgcos θ + F x sin θ (18)
F x cos θ = Mg sin θ (19)
∴F x = Mgtanθ (20)
ここで、下記の(21)式より、(22)式が得られる。
x=rsinθ ・・(21)
Here, equation (22) is obtained from equation (21) below.
x = rsinθ (21)
この比較例の免震装置250では、角度θがπ/2(rad)に近づくにしたがって、剛性Kxは無限大に近づく。
In the
ここで、本実施形態の免震装置1および前述の比較例の免震装置200、250の剛性曲線を比較する。
本免震装置1の剛性Kxを表す(8)式のグラフは、既に図4に示した。なお、本免震装置1のリンク構造の(8)式のグラフは、図9に曲線A1として示している。斜バネ210を用いた免震装置200の剛性Kxを表す(16)式のグラフを、図8に示す。円弧状の支持面261を用いた免震装置250の剛性Kxを表す(22)式を、図9に曲線A3として示す。
図8および図9のいずれにおいても、横軸に構造物150などの変位xを示し、縦軸に免震装置の剛性Kxを示す。
Here, the rigidity curves of the
The graph of the equation (8) representing the rigidity K x of the
In any of FIGS. 8 and 9, the horizontal axis shows the displacement x of
図8に示すように、比較例の斜バネ構造の剛性は非線形特性を有しているが、変位が大きくなると剛性はバネの本来の剛性であるバネ剛性kに収束する。
一方で、本実施形態のリンク構造は、変位が大きくなると飛躍的に剛性が高まり、バネ部材35の元のバネ剛性kよりも増幅される。これにより、過大変位、すなわち変位が比較的大きいときの免震装置の剛性が確保されることになり、斜バネ構造よりもリンク構造の方が優れている。
図9に示すように、比較例の円弧構造は、本実施形態のリンク構造と類似の剛性特性を有するが、原点、すなわち変位が0のときの剛性値K0が異なる。リンク構造はリンク質量が小さいため剛性値K0は小さいが、円弧構造では構造物の質量が大きいのでリンク構造に比べると剛性値K0は著しく大きい値となる。このため、円弧構造よりもリンク構造の方が免震性能が優れている。
また、一般的には、免震性能を確保するために支持面261の半径rを大きくするので、半径rは第一のリンク部材15の長さLよりも長い。したがって、曲線A1と曲線A3との交点A5よりも変位が大きくなると、今度はリンク構造の方が剛性が高くなる。従って、小サイズで耐風性能を発揮するという観点から、円弧構造よりもリンク構造の方が優れている。
As shown in FIG. 8, the stiffness of the oblique spring structure of the comparative example has a non-linear characteristic. However, when the displacement increases, the stiffness converges to the spring stiffness k which is the original stiffness of the spring.
On the other hand, the link structure according to the present embodiment dramatically increases the rigidity when the displacement increases, and is amplified more than the original spring rigidity k of the
As shown in FIG. 9, the arc structure of the comparative example has rigidity characteristics similar to those of the link structure of this embodiment, but the origin, that is, the rigidity value K0 when the displacement is 0 is different. Although link structures stiffness value K 0 for link small mass is small, the stiffness value K 0 Compared to link structure because the mass of the structure is large in the arc structure becomes significantly large value. For this reason, the link structure has better seismic isolation performance than the arc structure.
In general, since the radius r of the
なお、リンク構造の諸元を図3を説明する際に規定したものと同じく、第一のリンク部材15の長さがLなどとする。このとき、リンク構造では、変位が0のときの剛性値K0は、1.5×103(N/m)にほぼ等しくなる。
これと同じ剛性値を円弧構造で得るためには、以下のようになる。構造物の質量が少なく見積もれる例として、構造物として戸建て1階を仮に想定する。構造物の単位面積質量を103(kg/m2)、広さを102(m2)とすると、構造物の質量は、103(kg/m2)×102(m2)=105(kg)となる。
よって、支持面261の半径rは(23)式より求まる。
r=Mg/K0=105(kg)×9.81(m/s2)/1.5×103(N/m)≒650(m) ・・(23)
In addition, the length of the
In order to obtain the same stiffness value with an arc structure, it is as follows. As an example in which the mass of a structure can be estimated to be small, a detached first floor is assumed as a structure. When the unit area mass of the structure is 10 3 (kg / m 2 ) and the area is 10 2 (m 2 ), the mass of the structure is 10 3 (kg / m 2 ) × 10 2 (m 2 ) = 10 5 (kg).
Therefore, the radius r of the
r = Mg / K 0 = 10 5 (kg) × 9.81 (m / s 2 ) /1.5×10 3 (N / m) ≈650 (m) (23)
したがって、原点近傍において、リンク構造の第一のリンク部材15の長さ0.5(m)に相当する剛性を得ようとするなら、円弧構造では650(m)という支持面261の半径rが必要となる。
Therefore, if the rigidity corresponding to the length 0.5 (m) of the
一方で、円弧構造で十分な耐風性能を得るためには半円分近くの円弧が必要であり、これは、建築物の層間の長さ(高さ)が650(m)必要であることを意味して非現実的である。このため、一般的な免震装置では、耐風性能を犠牲にして支持面261の半径rを大きく取る代わりに、支持面261として円弧のうち水平面に平行に近い部分のみを用いて免震性能を確保している。
これに対して本実施形態のリンク構造では、構造物150の変位が第一のリンク部材15の長さLに近づくのにしたがって剛性が急速に高まるため、第一のリンク部材15の長さLのストロークのみで十分な耐風性能を得ることが可能である。このため、免震装置1を小型に構成することができる。
On the other hand, in order to obtain a sufficient wind resistance performance with an arc structure, an arc of nearly half a circle is required, which means that the length (height) between layers of a building is required to be 650 (m). Meaning is unrealistic. For this reason, in general seismic isolation devices, instead of taking a large radius r of the
On the other hand, in the link structure of the present embodiment, since the rigidity rapidly increases as the displacement of the
以上より、リンク構造は円弧構造と比較して、変位が小さい場合にはより低剛性、変位が大きい場合にはより高剛性となる特性を持つので、低剛性領域での免震性能、高剛性領域での耐風性能および過大変位抑制が優れていることが解る。 From the above, the link structure has characteristics of lower rigidity when the displacement is small and higher rigidity when the displacement is large compared to the arc structure. It can be seen that the wind resistance performance and excessive displacement suppression in the region are excellent.
以上説明したように、本実施形態の免震装置1によれば、構造物150の変位が免震装置1の中立状態から比較的小さい場合には、バネ部材35の伸び量が小さいため、免震装置1の剛性Kxを(9)式による値に近い比較的小さい値に抑えることができる。
一方で、構造物150の変位が第一のリンク部材15の長さLに近づくほど大きい場合には、構造物150の変位が大きくなるのにしたがって、バネ部材35の伸び量および免震装置1の剛性Kxを急激に大きくすることができる。
土台100の基準面101と構造物150の底面151との間には、支持ローラ40が設けられている。基準面101上で支持ローラ40が転がることで、基準面101上を構造物150が摩擦抵抗を抑えてx軸方向に移動することができる。
As described above, according to the
On the other hand, when the displacement of the
A
本実施形態の免震装置1では、免震性能、過大変位抑制、耐風性能を満足するため、鉛直方向Dに設置したバネ部材35の力をリンク構造2を用いて水平方向(x軸方向)の力に変換する。この構造により、バネ部材35のバネ剛性はハードスプリング特性に変換される。そして、リンク構造2のハードスプリング特性により、構造物150の変位が0に近い原点近傍ではリンク構造2の剛性が小さく、原点から遠ざかるにつれ剛性が増して、変位が長さLに近づく変位最大限界では剛性を理論上無限大とすることができる。
このため、前述の特許文献2のように、過大変位抑制や耐風性能が限定されることは無い。また、構造物150と土台100とは、接続部10、20、リンク部材15、25を介して繋がっているので、引抜きにも対応している。
In the
For this reason, unlike the above-mentioned
リンク構造2は非線形変換装置であり、本実施形態ではリンク構造2にバネ部材35が接続されていることで、リンク構造2がバネ部材35の剛性を非線形特性を有するものに変換している。
The
一般的に、支持ローラ40のような転動機構を有するいわゆる転動型の従来の免震装置では、耐風性能を高めるために固定ストッパーを装着したり、地震に関する事前情報に基づいて固定用のピンなどを抜き差ししたりといった対応を取っている。これにより、耐風性能と免震性能との切替えが不連続を伴うことになる。固定ストッパーを用いると、著しい不連続性のために、この固定ストッパーに構造物が当接したときなどに大きな衝撃力を伴う。また、事前情報に基づくピンの抜き差しは、緊急時に抜き差しを行うアクチュエータの電源が確保できない可能性があるうえ、ピンによる切替えがないと耐風性能および免震性能の二者択一となり、耐風性能および免震性能のいずれか一方しか実施できなくなる。
これに対して、本実施形態の免震装置1は、ハードスプリング特性の剛性を用いているので、免震性能と耐風性能との連続性が、免震性能と耐震性能との連続性という形で確保されている点で優れている。
Generally, in a conventional seismic isolation device of a so-called rolling type having a rolling mechanism such as a
On the other hand, since the
ここで、本実施形態の免震装置1の効果をまとめる。
・免震性能が高い。
構造物150の可動範囲の大部分の領域においてリンク構造2の剛性が非常に小さいため、免震性能が高い。
・耐風性能が高い。
風による力を受けている耐風時には、構造物150の変位が大きくなりリンク構造2の剛性が大きくなるので耐風性能が高い。
・過大変位抑制に優れる。
リンク構造2の剛性がハードスプリング特性を有するため、変位が大きくなるのにしたがってリンク構造2の剛性が大きくなり、過大変位抑制能力も増す。
・引抜き対応。
土台100と構造物150とが接続部10、20、リンク部材15、25、およびバネ部材35を介して接続されているため、構造物150や免震装置1が土台100から引抜かれにくく、引抜きに対しても強い。
・レトロフィットが可能。
リンク構造2は構造物150の重量を支える機構を持たないので、従来の免震装置である積層ゴム、滑り、転がりといった免震装置と独立して、後から設置することが可能となる。このため、従来の免震装置の改装・改造であるレトロフィットが可能となる。
Here, the effect of the
・ High seismic isolation performance.
Since the rigidity of the
・ High wind resistance.
At the time of wind resistance receiving a force by wind, the displacement of the
・ Excellent suppression of excessive displacement.
Since the rigidity of the
・ Pull out.
Since the
・ Retrofit is possible.
Since the
以上、本発明の一実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更、組み合わせなども含まれる。
例えば、前記実施形態では、免震装置1が中立状態であるときに、第二のリンク部材25の下端部25bが穴部102の底面に当接していてもよい。第二のリンク部材25が穴部102に当接することで、中立状態の免震装置1をより安定させることができる。
Although one embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings, the specific configuration is not limited to this embodiment, and modifications and combinations of configurations within the scope not departing from the gist of the present invention are also possible. included.
For example, in the said embodiment, when the
前記実施形態では、構造物150、接続部10、20、リンク部材15、25が鉛直面S1上のみで2次元的に移動する場合で説明した。しかし、構造物150が基準面101上を鉛直面S1上だけでなく鉛直面S1に交差する方向に移動するとともに、接続部10、20、リンク部材15、25が3次元的に移動するように、本発明の免震装置1の動きを拡張させてもよい。接続部10、20として前述のユニバーサルジョイントなどを備えることで、図1における中心軸線C周りのいずれの向きの面上においても、前述の作用を生じさせることができる。
すなわち、中心軸線C周りの向きによらず、中立状態の近くでは免震装置1の剛性を小さく抑え、中心軸線Cからの構造物150の変位が第一のリンク部材15の長さL近くでは免震装置1の剛性を急激に大きくすることができる。
In the said embodiment, the
That is, regardless of the direction around the central axis C, the rigidity of the
土台100の基準面101と構造物150の底面151との間に、支持ローラ40が設けられているとした。しかし、支持ローラ40に代えて、基準面101および底面151にそれぞれ摩擦係数の低い公知の被覆層を設けることなどにより、基準面101と底面151との間に滑り機構を構成してもよい。
The
図10に示すように、基準面105が鉛直下方D1に向かって凹むように形成されていてもよい。この場合、基準面105のうち最も鉛直下方D1となる底部がx軸方向において穴部102と一致するようにすることが好ましい。
このように構成することで、構造物150に作用する重力により、構造物150は変位が0の穴部102上で安定する。したがって、構造物150の動きをより安定させることができる。
本実施形態では、基台は土台100であるとしたが、基台はこれに限られず、構造物の基礎などでもよい。
As shown in FIG. 10, the
With such a configuration, the
In the present embodiment, the base is the base 100, but the base is not limited to this, and may be the foundation of a structure.
1 免震装置
10 第一の接続部
15 第一のリンク部材
15a 第一の端部
15b 第二の端部
20 第二の接続部
25 第二のリンク部材
30 規制部
35 バネ部材(付勢部)
40 支持ローラ(転動機構)
100 土台(基台)
101、105 基準面
150 構造物
D 鉛直方向
D1 鉛直下方
S1 鉛直面
DESCRIPTION OF
40 Support roller (rolling mechanism)
100 foundation (base)
101, 105
Claims (3)
前記構造物に第一の接続部を介して第一の端部が接続され、前記構造物に対して前記第一の接続部周りに回動するとともに前記鉛直面上で移動する第一のリンク部材と、
前記第一のリンク部材の第二の端部に第二の接続部を介して接続され、前記第一のリンク部材に対して前記第二の接続部周りに回動するとともに前記鉛直面上で移動する第二のリンク部材と、
前記第二のリンク部材が鉛直方向に移動するように規制する規制部と、
前記第二のリンク部材を鉛直下方に向かって付勢する付勢部と、
を備えることを特徴とする免震装置。 A seismic isolation device for connecting a base provided with a reference plane parallel to a horizontal plane and a structure arranged on the reference plane and movable on a vertical plane,
A first link having a first end connected to the structure via a first connection portion, rotating around the first connection portion with respect to the structure and moving on the vertical plane Members,
It is connected to the second end of the first link member via a second connection portion, rotates around the second connection portion with respect to the first link member, and on the vertical plane. A second link member that moves;
A restricting portion for restricting the second link member to move in the vertical direction;
A biasing portion that biases the second link member vertically downward;
A seismic isolation device comprising:
前記構造物に第一の接続部を介して第一の端部が接続され、前記構造物に対して前記第一の接続部周りに回動するとともに前記鉛直面上で移動する第一のリンク部材と、
前記第一のリンク部材の第二の端部に第二の接続部を介して接続され、前記第一のリンク部材に対して前記第二の接続部周りに回動するとともに前記鉛直面上で移動する第二のリンク部材と、
前記第二のリンク部材が鉛直方向に移動するように規制する規制部と、
前記第二のリンク部材を鉛直下方に向かって付勢する付勢部と、
を備えることを特徴とする免震装置。 A seismic isolation device that connects a base provided with a reference surface formed so as to be recessed vertically downward and a structure arranged on the reference surface so as to be movable on the vertical surface. And
A first link having a first end connected to the structure via a first connection portion, rotating around the first connection portion with respect to the structure and moving on the vertical plane Members,
It is connected to the second end of the first link member via a second connection portion, rotates around the second connection portion with respect to the first link member, and on the vertical plane. A second link member that moves;
A restricting portion for restricting the second link member to move in the vertical direction;
A biasing portion that biases the second link member vertically downward;
A seismic isolation device comprising:
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