JP2015507106A

JP2015507106A - 地震及びその他類似の災害から構造物を保護する支承の部類

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Publication number: JP2015507106A
Application number: JP2014544741A
Authority: JP
Inventors: スーハオ，
Original assignee: スーハオ，
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2012-11-02
Publication date: 2015-03-05
Also published as: EP2785922A4; CN107882403A; CN104254650A; WO2013081769A3; WO2013081769A2; EA201491066A1; CN107882403B; CN104254650B; EP2785922A2

Abstract

支承の部類であって、このそれぞれが、構造システムの２つの部分を結合するためのコネクタとして使用することができ、かつ、負荷を一方の部分から他方の部分に（例えば橋梁又は建造物の上部構造の重量を下部構造へと、あるいは、機械の重量をその基礎部分へと）移動させる支持物として、使用することができる。負荷移動を行うと同時に、接続された２つの構造部分の間で過渡振動の伝達を減少させることができ、また、構造システム全体の一体性を保持することができる。例えば、橋梁の構造的一体性は、地震がその橋梁の橋脚及び基礎に影響を与え、あるいは津波がその上部構造に衝突し、あるいは両方が同時に起こった場合のいずれであっても保護される。

Description

（発明の分野）
本発明は、装置の部類を開示する。この装置は、建造物、橋梁、又は機械とその基礎などの大規模土木工学システムにおける構造コンポーネントとして使用され、これは少なくとも次の３つの機能を有する：このシステムの一部の重量を支えるための支承となること、構造的一体性を確保するためシステムの異なる部分を接続すること、並びに、望ましくない振動を制振又は絶縁しながら、接続部分の間で、重力以外の設計された力の流れを伝達すること。

橋梁又は建造物のようなこの土木工学システムに関しては、一般に、設計された活荷重を担う上部構造（例えば橋梁の支間及び橋床など）と、その上部構造を支える下部構造（例えば橋脚、フーチング、及び基礎など）の２つの部分に分けることができる。この支承は、上部構造と下部構造を接続する構造コンポーネントであり、かかっている上部構造の重量及び活荷重を、下部構造へと伝達する。

（発明の背景）
地震とは、地殻内のある地点での構造プレートの急激な運動であり、周囲に応力波を放射し、地表に振動をもたらす。建造物又は橋梁などの大規模な土木工学構造にとって、地震の破壊力は主に、２つの点に由来する：地表の加速度により慣性力が生じることと、共鳴により、構造内の加速度を伴ったエネルギー蓄積が起こることである。よって、加速度により誘発された内部慣性力が、構造的損傷を引き起こす主な要因である。

地表加速度は、垂直要素（重力方向に平行）と水平要素とに分けることができ、これらはそれぞれ対応するピーク値によって特徴付けられ、合わせて「地表最大加速度（ＰｅａｋＧｒｏｕｎｄＡｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ：ＰＧＡ）」として設計検討事項となる。水平ＰＧＡは一般に、過去の経験により、垂直ＰＧＡよりも高い。現在米国での建造物及び橋梁の建設規格及び規制では、ＵＳＧＳが提供する地震ハザードマップで定量化されている水平ＰＧＡに耐える耐震性能をすべての設計が備えることが求められている（図１参照）。このマップは、今後７５年間における７．５％の超過確率での、国内のあらゆる地点での水平ＰＧＡの統計予測を提供する。図２は、東アジアの水平ＰＧＡ予測である。

耐震設計において、例えば橋梁について、一般的に許容されている理念は、地震が起こった場合に地表加速運動の影響に直接さらされる下部構造から、上部構造を分離するというものである。支承は、下部構造と上部構造を固定的に接続した場合、しばしば構造システム全体の中で「最も弱いリンク」となる。これは、支承がすべての活荷重及び上部構造を支える旋回点となり、また、何らかの構造部分が動的負荷を受けたときに慣性誘導力の流れの「ネック」にもなることによるものである。これに対して、接続部分を一時的に分離することができる可撓性接続の場合は、それら部分のうち一方が外部の動的負荷を受けたときに、対応する高慣性力の流れは確立されない。

しかしながら現実には、土木工学構造において接続部分の間の慣性力の流れを完全に「分離」することは一般に不可能である。すなわち実際の免震設計の中心は、構造の主な部分間の継手に、ある程度の可撓性を提供することであり、これにより、慣性力を低減することができると同時に、地表の動きとの共鳴を避けるため構造固有の共鳴周波数を一時的にシフトさせることができる。一方、技術手法においては、そのような継手がある程度の堅牢性を有する必要もある。これは、上部構造がさまざまな種類の活荷重（例えば、ハリケーンや津波により生じる強い横向きの力）に耐えられなければならないからである。２０１１年３月１１日に日本で起こった地震での恐るべき経験では、多くの橋梁及び建造物が高マグニチュードの地震後に残っていたが、その上部構造は、地震直後に起こった津波によって押し流された。

よって、従来の分離とは対照的な、望ましくない振動を低減及び制振するため継手及び支承にある程度の可撓性を必要としつつ、全体的な構造を一体型ユニットとして維持することができるような、「一体型設計」のコンセプトが、本発明の根底をなす基盤となっている。

（先行技術の説明と市場で入手可能な製品）
耐震性の建造物及び橋梁の設計は、土木工学及び構造工学分野で最も活発かつ革新的な分野の１つである。図３では、３階建て（ｔｈｒｅｅ−ｓｔｏｒａｇｅ）建造物を用いて、義務付けられ、提案され、又はすでに実際に適用されているさまざまな技術及びテクノロジーを示している。本明細書に開示されている技術は、建造物又は橋梁の左下角にある耐震性支承として使用することができる。

支承は、継手として見なすことができる。機能により、支承製品は概ね、３つのカテゴリーに分けることができる：（ｉ）従来型の機械的装置を利用するダンパー継手（例えばピストン・シリンダーダンパー、カム・ピン摩擦ダンパーなど）（一部の最新技術では形状記憶合金を用いて実施され、電気的センサで制御されている）、（ｉｉ）横方向抵抗がある程度強化された、エラストマーなどの一般的な構造支承、（ｉｉｉ）免震を重視した摩擦振り子メカニズムに基づく支承。

図４は、先行技術の「ｅｎｅｒｇｙａｂｓｏｒｂｅｒ」（国際公開第９７／２５５２０号）を示し、ここにおいて、力伝達のためにさまざまなジグザグ形状界面（波形及びＶ字形界面を含む）が設計されており、コア材料とそれを収容するフレームとの間には滑りはない。明らかに、これは図３で剪断力を制振するために横方向のブレーシングとして使用することができるが、重力を担うことはできない。

図５は先行技術（米国特許第４１８７５７３号）であり、これはエラストマー５を使用して振動を制振する一方、フレーム１１が、接触している２つの部品の間に相対的水平変位を制限し、これによって明らかに、垂直変位の制限は提供されない。図６は、別の先行技術（国際公開第２００８／００４４７５号）の従来型エラストマー支承のバリエーションであり、これによって主要コンポーネントは複合体ブロックであり、これはエラストマー２ｂ及び強化プレート２ｃによる層構造と、高可塑性材料からなる中央コア３とからなっている。後者の機能は、制振能力を改善する一方で、横方向の変形耐性を強化することである。コア材料が鉛の場合、この種の支承は「鉛ゴム支承（Ｌｅａｄ−ＲｕｂｂｅｒＢｅａｒｉｎｇ：ＬＲＢ）」とも呼ばれる。しかしながら、構造が地表の強い動きを被った場合、エラストマーと支承パッドとの間の摩擦抵抗は、慣性誘導滑り力に抵抗するには十分でない可能性がある。コアの変形後に滑りが起こると、そのような支承を元の形状に復元する内部駆動力は存在しない。

図７は、摩擦振り子滑り支承（ｆｒｉｃｔｉｏｎｐｅｎｄｕｌｕｍｓｌｉｄｉｎｇｂｅａｒｉｎｇ：ＦＰＳ）と呼ばれる先行技術（米国特許第６０２１９９２号）である。これは、何ダースもの米国特許及び何十もの他国特許を含む群に属し、これは、図の右側に図示されている振り子の原理に基づいており、かかっている上部構造の重量を自然力として利用して、地表の動きにより生じる水平慣性に抵抗するものである。地表の動きのスペクトルが過ぎると、重力によって支承が元の位置に復元される。

理論的には、振り子はエネルギーを消散することがない保存的システムである。したがって、摩擦がない場合には、実際の振り子は、いったん動きが引き起こされるとその静止位置の周りを永久に揺れ続ける。よって、接触面ペアの間の摩擦も、ＦＰＳ支承における主要メカニズムであり、これには、重い上部構造を担うための十分な摩擦力と容量を確保するため、かなり大きな接触面積を必要とする。一方、図７において、十分な横方向抵抗を得るためには、少なくとも支承の底座のために、曲面のある程度の高さが必要となる。

下部構造と上部構造との間の一体性は、高度な構造機能を備える高層ビル及び橋梁において非常に重要である。これは、上部構造が直接さらされるハリケーンや津波などの強い外部力の場合を除き、水平方向の地表動き誘導振動が、上部構造に対して転倒モーメントを引き起こす可能性があるからである。このモーメントの大きさは、構造物の高さと、地表上の長さ及び幅寸法の最大のものとの間の比に、ほぼ比例する。

図８は、上部構造と下部構造の一体性を得るための、耐震コネクタ（ａｎｔｉｓｅｉｓｍｉｃｃｏｎｎｅｃｔｏｒ：ＡＮＳＣ）と呼ばれる別の先行技術（米国特許第５６６９１８９号）である。これは実際、層状のエラストマー支承３に、回転可能固定具２１により接続された上部構造及び下部構造に対して固定されたケーブル（腱）６を加えたアセンブリである。しかしながら、腱と回転可能固定具は、水平滑りと、高い構造物の回転に対して、性能が限定的である。

国際公開第９７／２５５２０号米国特許第４１８７５７３号明細書国際公開第２００８／００４４７５号米国特許第６０２１９９２号明細書米国特許第５６６９１８９号明細書

（発明の概要）
文献検索により、強い振動の分離／制振および大規模土木工学構造の構造一体性を保持することの二重特性を有する、重い重量を支える支承の先行技術は見出されなかった。米国特許第５６６９１８９号は、少なくとも、家庭用住宅などの軽量の上部構造について、この種の問題に対する解決策である。しかしながら、この技術における腱及び回転自由な固定具システムの設計は、支える上部構造の水平動きにおける可撓性を残している。この動きは、転倒モーメントに対しての抵抗低減をもたらし、これが起こると、エラストマー層内の摩擦が抵抗力となって、支承が元の形状を復元するのを阻む。一方、腱・固定具システムのレイアウトでは、この装置のために比較的大きなスペースが必要となる。

したがって、居住及び交通手段のために実用可能かつ効果的な支承製品を提供するため、本出願は、下記の基準を満たすことを目的とした構造支承として使用することができる新しい装置の部類を開示する：
（Ａ）堅牢性：接続された構造部分間（例えば橋梁の上部構造と下部構造）の、通常の使用条件における、安定かつ信頼できる接続。
（Ｂ）フューザ機能：接続部分の一方が、一時的な加速された動き（地震、ハリケーン、バージ若しくは船舶の衝突、又は爆発などによって起こり得る）を受けた場合に、接続部分の間の一時的な分離に対処することができ、これによって他方に対する損傷を最小に押さえる。
（Ｃ）一体性：内部分離の目的で、一時的に局所的な分離が可能であるけれども、接続部分を一体化された構造システムとして常に保持する。
（Ｄ）自己復元：上述の「フューズ」機能を実施した後に、元の状態を復元することができる。
（Ｅ）環境に優しい：雑音又は過剰な物質的危険をもたらさず、また使用中に余分なエネルギーを消費しない。
（Ｆ）長期の使用にわたる信頼性と管理の便利さ。
（Ｇ）作製並びに現場での架設及び建設に困難さをもたらさない。
（Ｈ）幅広いニーズ（例えば、図１及び２で予測されている地表加速度スペクトルにより生じる慣性力を制振かつ分離するためのニーズなど）に対応する定量的設計が可能。

幅広い自然災害により起こり得る建造物及び橋梁の破損を低減し、究極的には防止するために、本明細書では、それぞれ独立の実施形態又はその組み合わせを備えた複数の装置が開示される。

第１の主要実施形態は、開示されている支承の部類のコアとしての、Ｖ字形接触面ペアであり（図９を参照）、この支承は構造システムの異なる部分を接続すると同時に、指定された使用負荷（例えば重量）を、垂直方向に沿って、接続部分間の表面ペアへと移動させる装置であり、このＶ字形接触面は、少なくとも２つの小面と、隣接する小面の間の交差部に隅肉とを含み、この「垂直」とは、２つの隣接する小面間の交差線に対して垂直であり、かつ、２つの小面上それぞれの投影に等しい傾斜角を有する、直線の方向を指す。この使用負荷は、傾斜角を備えた小面に対し、横方向の力要素をもたらす。接触面ペアにおいてこの２つのＶ字形表面が完全に取り付けられている場合、すべての接触面ペアからの使用負荷誘導の横方向の力は、互いに相殺される。このＶ字形表面ペアにおける単独又は複数のそのような小面ペアに沿って滑ると、その表面ペアにおける他の小面ペア間の接触が失われることを意味する。アンバランスになった横方向の力は、このＶ字形表面ペアを、完全に接触した位置に押し戻そうとする。したがって、このＶ字形表面の横方向の力によって、この支承は、通常の使用条件において堅固なコネクタとなり、この構造システムが外部の衝撃誘導加速を被った場合に、横方向の滑りに対する抵抗として作用する（図１０を参照）。開示のＶ字形接触面ペアの設計を備えた支承は、上述の記述のうち基準（Ｃ）を除くすべてを満たすことができる。

図９において、支承の上パッドと下パッドの間には、介在シートが複数若しくは単独であってよく、又はなくてもよい。介在シートの機能は、滑り表面を潤滑し、かつ垂直方向の振動を制振することである。しかしながら、この種の振動の振幅が大きい場合、滑りピンの追加の新しい設計が必要になる。この実施形態が図１１に示されており、これによりこの装置は、基準（Ｃ）を満たす。

複数の介在シートが望ましい場合、これによりもう１つの主要実施形態、すなわち垂直埋め込みピンがもたらされ、これには２つの種類が含まれる：（ｉ）Ｖ字形介在シートを強化し、シート材料よりも低い降伏強度を有するが、大きな可塑性変形性能を有する材料で作製されているピン、（ｉｉ）介在シートよりも高い降伏強度を備える材料で作製されており、各ピンの２つの端部がそれぞれ、回転自由度なしに上パッド及び下パッドに固定されているピン。前述のものは垂直配置消散ピン（ｖｅｒｔｉｃａｌｌｙ−ｌａｉｄｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｐｉｎ：ＶＤＰ）と呼ばれ、主な機能は振動エネルギーを消散させることである。後者の高強度ピンは、消散は行わないが、振動に対する付加的な横方向抵抗と復元駆動力を提供するものであり、垂直強化ピン（ｖｅｒｔｉｃａｌｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｐｉｎ：ＶＲＰ）と呼ばれる。図１２（ａ）は、図１１の実施形態をＶＤＰと組み合わせたプロトタイプである。図１２（ｂ）は、接触面ペア内に複数のＶ字形を備え、かつ追加のＶＲＰを備えた、Ｖ字形弾性支承のプロトタイプである。

垂直強化ピン（ＶＲＰ）の実施形態の利点は、結合部分（例えば橋梁の上部構造と下部構造）を互いに結合させ、このときこの支承は依然として制振機能を行うという点である。明らかに、ＶＲＰを備えた装置は、上述の基準すべてを満足する。

ＵＳＧＳ（ＵｎｉｔｅｄＳｔａｔｅｓＧｅｏｌｏｇｉｃａｌＳｕｒｖｅｙ：米国地質調査所）により提供されている地震ハザードマップ。マップの等値線は、今後７５年間に７．５％の超過確率で予測される水平「地表最大加速度」（ＰＧＡ）の値を示す。このマップは米国の橋梁及び建造物設計の規格として使用される。極東アジア大陸（日本などの環太平洋地震エリアは除く）における、今後５０年間に１０％の超過確立で予測される水平「地表最大加速度」（ＰＧＡ）の値を示す。出典：ＧｌｏｂａｌＳｅｉｓｍｉｃＨａｚａｒｄＡｓｓｅｓｓｍｅｎｔＰｒｏｇｒａｍ（ｗｗｗ．ｕｓｇｓ．ｇｏｖを参照）。耐震設計された３階建て建造物に現在適用されている技術。本明細書に開示される技術は、左下角に示す、免震支承の新たな部類である。先行技術：垂直方向から圧力が印加された後、鉛などの吸収性材料からなるコア２８の変形により、横方向の振動力を制振する、エネルギーアブソーバ。コア材料とフレーム（例えば、上パッド１０又は下パッド１２又は中間パッド２０）との間が滑らないようにするため、さまざまな設計の界面形状１１が右の図に示されている。先行技術（米国特許第４１８７５７３号）：上部構造の重量を担いながら、横方向及び垂直方向の振動を制振するためのエラストマーを使用する構造支承。図５の技術の更なる発展と見なすことができる、先行技術（国際公開第２００８／００４４７５号）であり、主要コンポーネントは、エラストマー２ｂ及び強化プレート２ｃによる層構造からなる複合ブロックである。このブロックは、制振性能を改善する一方で、横方向の変形抵抗を強化するため、高可塑性材料（例えば鉛）から作製された中央コア３を含む。摩擦振り子滑り支承（ＦＰＳ）と呼ばれる先行技術（米国特許第６０２１９９２号）。これは、何ダースもの米国特許及び何十もの他国特許を含む群に属し、これは、図の右側に図示されている振り子の原理に基づいており、かかっている上部構造の重量を自然力として利用して、地表の動きにより生じる水平慣性に抵抗するものである。そのような地表の動きのスペクトルが過ぎると、重力によって支承が元の位置に復元される。耐震コネクタ（ａｎｔｉ−ｓｅｉｓｍｉｃｃｏｎｎｅｃｔｏｒ：ＡＮＳＣ）と呼ばれる先行技術（米国特許第５６６９１８９号）。これは実際に、層状のエラストマー支承３に、回転可能固定具２１により接続された上部構造及び下部構造に対して固定された結合バー（又はロープ）６を加えたアセンブリである。免震のためのＶ字形接触面ペア基盤支承の実施形態。水平地表加速誘導振動に抵抗するのに、重力がＶ字形接触面ペアによってどのように利用されているかを示し、簡略化のため、図中では摩擦なしと仮定されている。滑りピンを備えたＶ字形接触面ペア基盤支承の実施形態。（ａ）垂直配置消散ピン（ＶＤＰ）を備えた、図１１の滑りピンを備えたＶ字形弾性支承のプロトタイプ；（ｂ）図１０のＶ字形弾性支承プロトタイプであるが、ただし接触面ペアに複数のＶ字形を備え、かつ、追加の垂直強化ピン（ＶＲＰ）を備えている。（ａ）水平面内の任意の方向に沿った振動に対応するための、直角に重なり合った二重Ｖ字形接触面ペアを備えたＶＥＢプロトタイプ、（ｂ）上部構造の回転に対応するために、Ｖ字形接触面ペアの上にＵ字形接触面ペアが重ね合わされたＶＥＢプロトタイプ。上：ＵＶＥＢの一設計例であり、これにより介在シート２及び４が、摩擦係数を制御するために特別設計された接触面を有する。図の下部分にある２つの滑り位置は、長手方向ストッパーがいかに作用するかを示している。本発明装置の一種類であるＭＶＥＢのプロトタイプ。これにより、Ｖ字形接触面は３つよりも多い小面を含む。上又は下のポット接触面の間にはエラストマー介在ブロックがあり、これは少なくとも１つの金属又は高強度複合材料の介在プレートを含む。３６０°ＶＥＢの設計例：（ａ）３重、（ｂ）４重、（ｃ）設計された接触面を備えた４重ＵＶ及び介在シート。「一方向ＶＥＢＳＰ」の設計例。これは、Ｖ形状に対して垂直方向に沿った滑りが、上パッドに固定されたカバープレートにより拘束されていると同時に、Ｖ形状の面内で振動に誘導された横方向の相対的分離に対応することができる。３６０°ＶＥＢＳＰの設計例であり、これは接続された上部構造と下部構造の一体性を保持しながら、全水平方向に沿って振動に誘導された横方向の相対的分離に対応することができる。ＶＥＢＳＰの滑りピン及びサイドストッパーの設計例。制振メカニズムを備えたＶＥＢＳＰの２つのプロトタイプ。上は、図２０（ａ）によるプロトタイプに関して、制振メカニズムがどのように作用するかを示した図及び装置の設計。強化ピンを備えた「垂直強化エラストマー支承（ｖｅｒｔｉｃａｌｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｅｌａｓｔｏｍｅｒｉｃｂｅａｒｉｎｇ：ＶＲＥＢ）」の実施形態で、問題解決の図。Ｖ字形基盤ＶＲＥＢの２つの設計例：（ａ）ポストテンションなし、（ｂ）ポストテンションあり。平坦接触面ＶＲＥＢの２つの設計例：（ａ）ポストテンションなし、（ｂ）ポストテンションあり。制振コアを備えたＶＲＥＢの２つの設計例：（ａ）Ｖ字形接触面設計、（ｂ）平坦接触面設計。

第１の実施形態は、図９における「Ｖ滑り」の概念に基づき、これは、少なくとも１組のＶ字形滑り接触面を利用して、大規模土木工学構造システムの上部構造と下部構造との間の接続を確立し、下部構造又は上部構造の一方が単回又はスペクトルでの外部衝撃を受けた場合に、一時的な相対的滑りが可能になり、これによって、衝撃によって誘導される慣性力の流れから、他方の部分を保護する。そのような接触面ペアが滑る傾向になると、かかっている上部構造の重量が、滑りの反対方向に向かって横方向の力を導入し、これが摩擦と共に働いて、通常の使用中、あるいは、慣性誘導横方向力が、静摩擦と、上部構造の重量により誘導される横方向の抵抗との合力よりも低い場合に、支承が堅固な接続を確保できるようにする。後者は、図１又は２により設計されるＶの傾斜角度によって決定され、これはまた、一時的滑りの後に元の接続を回復するための駆動力でもある。この実施形態に基づく装置は、ＶＥＢ（「Ｖ字形弾性支承」の略）と呼ばれる本開示の技術の一種類を形成する。図１１を参照して、革新的な滑りピン設計とＶＥＢとの組み合わせは、「ＶＥＢＳＰ」（「滑りピンを備えたＶ字形弾性支承」の略）と呼ばれる、基準Ｃを満足する装置の第２の種類を定義する。

明らかに、Ｖ字形の角度αは主要な設計パラメーターであり、これが、滑り分離を引き起こす横方向力の閾値を決定する。この力はＱで表わされ、上部構造と下部構造の両方にわたってそれぞれ対応する応力分布をもたらし、これにより、応力ピーク値の比

は、破損を起こさない許容可能レベルに制限される。すなわち、

であり、式中、σ_Ｙは、横方向の力Ｑ並びに設計された活荷重及び死荷重の下での応力σ_ｐｅａｋ（Ｑ）での、材料要素の降伏強度であり、ｎ_Ｑは安全率、かつ、ｎ_Ｑ＞１である。条件（１）は実際に、降伏なしで構造全体を確保するものであり、よってＶ字形表面ペアの角度αは、「Ｑ_ＴＨ」で表わされる許容衝撃力の閾値によって設計され、これは（１）を満足するＱの上限である。すなわち：

ここで、４つの支承を有し、上部構造と設計活荷重との合計質量が、質量「４Ｍ」で表わされる橋梁を、一例として考える。すると、滑りの発生に対する横方向の抵抗Ｑ_Ｒは（図１７を参照）：

であり、式中、ｆ_ｒはＶ字形接触面と介在シートとの間の摩擦係数である。（２）により：

である。（３）を（４）に代入し、等号を考えると、（２）を満足する最大許容角度αは次の式で表わされる：

本発明のＶ字形支承群について、第２の主要な設計パラメーターは、最大許容滑り距離ｌであり、これはニュートン第２法則を適用することによって定量的に決定される。この支承が主に免震に適用される場合、図１及び２は、建造物又は橋梁が建設される任意の場所での水平ＰＧＡ（地表最大加速度）の予測を提供する。実際の地震は一般に、さまざまな周波数κ_ｉ、ｉ＝１、２、．．．ｎでの地表動きのスペクトルを含むが、その振幅はＰＧＡにより制限される。ゆえに、「特性周波数」、例えば平均

を定義して、下記の式の正弦波形状における地表動きスペクトルを表わすことができる：

よって、時間ｔにおいて橋梁の各支承に対するそれぞれの慣性誘導横方向力は、次の式で表わされる：

Ｑ_ｐｒｅｄ（ｔ）＞Ｑ_ｔｈのときに上部構造が時間ｔ_０で滑り始めると仮定し、ｔ＞ｔ_０時点で、その滑り速度はＶ（ｔ）であり、移動距離はＳ（ｔ）であり、よって、ニュートン第２法則により、

となる。

ゆえに、ＶＥＢＳＰにおいて、上部構造は、下側のＶ接触面に沿って最大許容滑り距離ｌ_{ＶＥＢＳＰ}を、持続時間ｔ_ｓ−ｔ_０で滑ることができ、次に、サイドストッパーによって停止され、これは、上部構造の衝撃誘導情報に対応して、同等の質量Ｍ_ｓｉｄｅ及び剛性Ｋ_ｓｉｄｅを有する。運動量保存法則を適用し、ストッパーに対する衝撃力Ｆ_ｓｉｄｅは、次の式で概量を見積もることができる：

時間ｔ_ｓは、Ｆ_ｓｉｄｅが既知のときに（９）の第１式により解くことができ、これは、支承の許容可能応力に基づいて決定することができるはずである。すると、第２式を使用して、ｌ_{ＶＥＢＳＰ}を決定することができ、またその逆も可能である。

同様に、ＶＥＢについて、滑り距離ｌ_ＶＥＢに対する要件は、担う上部構造の滑りがＶ字形接触面内において時間ｔ_Ｅで停止することを確保するものであり、次の式となる：

（１０）の第１関係式を（８）に代入することにより、ｔ_Ｅが決定され、そのｔ_Ｅを（８）の第２関係式に代入して、ｌ_ＶＥＢを得ることができ、これでＶＥＢ設計の基本的パラメーターが完了する。

その他の実施形態での設計例
図１３は、ＶＥＢの２つの設計プロトタイプを示す。左側は、水平面内の任意の方向に沿った振動を制振することができる、直角に重なり合った二重Ｖ字形接触面ペアを有し、これは「Ｖ−ＶＥＢ」と呼ばれる。右側は、上部構造の回転に対応するために、Ｖ字形接触面ペアの上にＵ字形接触面ペアが重ね合わされており、これは「Ｕ−ＶＥＢ」と呼ばれる。図１４は、Ｕ−ＶＥＢ設計の設計例であり、これは、接触面を調節することにより、介在シートと支承パッドとの間の摩擦係数を調節する別の一実施形態を含む。

制振及び環境への配慮の目的（例えば騒音低減）のために、エラストマー又はエラストマー様材料の利点を活用するため、実践上解決すべき問題のひとつは、材料のこの部類について張力不安定性のリスクを最小限に抑えることである。これにより、本発明の別の一種類ＶＥＢが得られ、これは「マルチＶエラストマー支承（Ｍｕｌｔｉ−ＶＥｌａｓｔｏｍｅｒｉｃＢｅａｒｉｎｇ：Ｍ−ＶＥＢ）」と呼ばれる。ＭＶＥＢの設計は図２０に示されている。Ｖ字形接触面ペアについて、他方の小面ペア間に分離が起こると同時に、相対的滑りが小面ペア間に起こった場合、そのような分離により、包含されるエラストマー層が延伸し、張力不安定性を引き起こす可能性がある。ゆえに、図１５の設計において、波状のマルチ小面Ｖ字形接触形状が、非滑り側の単一の小面ペア間の分離により生じた単一のスペースを、マルチＶ字形小面ペアの空洞に再分配し、これによりＶＥＢの主要実施形態及びそれに伴う有益な特性が保持される。この有益性は、エラストマー材料の好ましい特性と合わせて、支承のこの部類を、中程度の地震リスクがある地域における構造物での候補たらしめる。

図１３（ａ）に示すＶＶＥＢに比較して、図１６は、ＶＥＢの概念に基づき水平面内の任意の方向に沿った振動を制振するため、単一のプリズム形状接触面ペアを利用した実施形態の設計例を示す。ここにおいて、プリズム接触面は、Ｎ個の小面を含み、Ｎは２よりも大きい整数である。これらの小面は、水平面に対して同じ又は異なる傾斜角を有し得る。振動誘導滑り分離が起こったとき、この滑りは、傾斜角α_Ｆを有する一接触小面ペア内で起こるか、あるいは、２つの隣接する小面間のエッジに沿った動きを伴う２つの隣接する小面ペアに沿って起こり得る。後者の場合、このエッジは、水平面に対して傾斜角α_Ｅを有し、これは次の式によって決定される：

α_Ｅは一般に、隣接する小面の角よりも小さい。このＶＥＢ種類は、「３６０°ＶＥＢ」と呼ばれる。図１６における設計例はそれぞれ、３重、４重、及び４重ＵＶタイプの３６０°ＶＥＢである。

図１７は、滑りピンを備えたＶＥＢの一設計例であり、これはＶ形状の面内で振動に誘導された横方向の相対的分離に対応することができ、取り付けられた上パッド及び下パッドを介して一体化した構造として上部構造及び下部構造を保持する滑りピンによりガイドされている。Ｖ字形に対して垂直方向に沿った滑りが、上パッドに固定されたカバープレートにより拘束されている。このＶ滑り概念の基盤支承種類は、「一方向ＶＥＢＳＰ」と呼ばれる。これに対して、図１８は３６０°ＶＥＢＳＰの設計例である。これは、接続された上部構造と下部構造の一体性を保持しながら、全水平方向に沿って振動に誘導された横方向の相対的分離に対応することができる。図１７及び１８の設計例において、滑りピンは上パッド上の溝の中を自由に滑ることができるが、下パッドにねじで固定されているサイドストッパー上のスリットによってガイドされている。滑りピンの溝が下パッドから切り抜かれているとき、サイドストッパーが上パッドに固定されているかどうかには、本質的な違いはない。

図１９は、ＶＥＢＳＰの滑りピン及びサイドストッパーのさまざまな設計例を示す。シリンダーロッドピンは接触摩擦が低いが、材料強度及び耐摩耗性に関して厳しい要件を有している。直線スロットを伴うサイドストッパーは、上パッドと下パッドの間の相対的な動きに対する結合された垂直拘束を提供するが、摩擦ロックを避けるために、ピン及びストッパースリットの接触表面をより注意深く管理する必要がある。また、ピンの溝とＶ字形接触面との間に特定の距離が必要となる。

ＶＥＢ（又はＶＥＢＳＰ）の支承について、例えば図１１において、１つの小面ペアと分離された別の小面ペアとの間の滑りの移行中に、その滑りの動きは方向が変わる。この滑り反転による衝撃を低減するため、図１２（ａ）のＶＤＰに加えて、それぞれの制振メカニズムを備えた設計が図２０に示されている。（ｂ）の装置は、制振コアを含む変形可能リングを採用している。このリングは相対する２つの滑りピンの端部に固定され、滑りが起こると伸び縮みし、これによりコアの可塑性変形が生じる。コアは、例えば鉛などの変形不活性材料からなる。この装置の設計が図２１に示されている。図２０（ｂ）の装置は、（ａ）に類似であるが、２つの変形可能リング及び包含されたコアを備えている。

ＶＥＢ及びＶＥＢＳＰの両方について、（ｉ）強度、（ｉｉ）疲労耐性、（ｉｉｉ）指定された摩擦係数及び耐摩耗性を含む摩擦特性、（ｉｖ）剛性、（ｖ）エネルギー吸収及び制振の能力、（ｖｉ）耐腐食性、の要件を満足するよう、対応する装置の各ピースを作製するのに適切な材料を選択すべきである。

橋梁及び建造物の支承に従来から使用されている材料であるエラストマーは、例えば図１５のプロトタイプで、Ｖ字形接触面ペア間の介在シート材料として使用することもできる。エラストマー介在シートを採用する場合は、高摩擦係数であることから、他の材料の介在ＶＥＢ又はＶＥＢＳＰにおける滑り分離メカニズムは起こらない可能性がある。一般に、エラストマーはしばしば、支承用途において金属表面に取り付けられ、金属表面とエラストマーとの間の滑りは、局所的な張力不安定性を引き起こす可能性があり、これが後者の破損を引き起こす。明らかに、エラストマーの剪断弾性率によりもたらされる横方向抵抗は限定的である。よって、支承のこの部類は、強い地表の動きを受けたときに、自己復元をするのに十分な駆動力が欠けている。また、環境温度が氷点下に下がると、エラストマーは脆くなり、摩擦抵抗も下がる。

この種の材料に関する上記の欠点を回避しながら、この有益な特性を利用するために、本発明の別の主要な実施形態は、「垂直強化」の概念であり、これは「垂直強化エラストマー支承」、短縮してＶＲＥＢと呼ばれる、図２２における支承プロトタイプとして示されている。ＶＲＥＢの主要な特徴は、高強度弾性材料からなる一連のピンを垂直に、エラストマーブロックに埋め込むことであり、これはＶＲＰ（垂直強化ピン）と従来から呼ばれている。この各ピンの２つの端部をそれぞれ、上パッド及び下パッドによって固定し、回転の自由度なしに、この２つのパッドを互いに結合する。上パッドは上部構造に取り付けられ、下パッドは下部構造に取り付けられているため、これらの垂直に配置されたピンは本質的に、２つの部分を一体化した構造として保持する。そのようなピンの両方の端部がそれぞれ、上パッド及び下パッドによってしっかりと固定されているとき、結合された端部を中心にピンが自由に回転することはできず、これによって、パッド間の水平方向に移動する動きに対して付加的な抵抗をもたらすと同時に、移動後にこのシステムを元の位置に戻す内在的な弾性力を提供する。この幾何学的構造の単純さは、改善されたコスト効果を伴う、製造上の便宜を意味する。埋め込まれた垂直ピン及び水平金属シートは、構造用コンクリートと同様、望ましい剛性及び制振性能を備えた、エラストマー様のゴム複合材料をもたらす。埋め込まれたピンはまた、例えばポストテンションを処理するための、付加的な構造機能を提供し得る。

図２２に示されているように、ＶＲＥＢの実施形態は、人間の髪の毛の優れた特性に当てはめられる。髪の毛の強度は、実際に軟鋼よりも高い。その優れた柔軟性と可撓性は、小さな直径によるものであり、これが、望ましい２つの特性（分離と強化）を得るために、複数の高強度、小直径の強化バーをエラストマーブロックに採用するというアイデアの契機となっている。ＶＲＥＢの設計例６つが図２３〜２５に示されている。

産業上の利用可能性
本開示技術の利用可能性は、図３及び関連する文書によって説明されている。

先行技術文献

非特許文献
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Claims

構造システムにおける２つの部分を接続するためのコネクタとして使用されながら、一方の部分から他方の部分に、例えば橋梁又は建造物において上部構造の重量を下部構造へと、あるいは、機械の重量をその基礎部分へと力を移動させる支持物として使用される装置であって、請求項及び関連する請求項の用語として、「構造部分」は、前記構造システムの一部分、例えば上部構造又は下部構造を指し、一方、前記装置のコンポーネントは、「ピース」又は「前記装置のピース」と呼ばれ、
前記装置は、前記構造システムが静的負荷状態にあるとき、又は設計レベル未満の動的負荷を受けているときに、２つの接続された構造部分間の堅牢な接続を提供することができ、またこれは、前記構造システムが前記設計レベルを上回る動的負荷を受けたときに、前記装置内の１つ又は複数のＶ字形接触面ペア内の相対的滑りにより、過渡振動及び関連の慣性力の伝達を低減することができ、またこれは、前記相対的滑りの後に前記構造システムの元の状態を自己復元する能力を有し、
（ａ）前記装置は、その垂直方向に沿って少なくとも２つのピースを含み、
（ｂ）前記垂直方向は、静的負荷状態又は前記設計レベル未満の前記動的負荷のもと、前記装置により移動されるすべての前記力のなかでも最大振幅の力の方向であり、建造物及び橋梁については地球の重力がそのような力であり、したがって前記装置の水平面は地面に対して平行であり、
（ｃ）前記装置は、少なくとも１つのＶ字形接触面ペアを含み、前記接触表面ペア内のＶ字形接触面は、凹状であり、かつ少なくとも２つの小面により形成され、他方のＶ字形接触面は、凸状であり、かつ同数又はそれより少ない対になる小面により形成され、前記小面は、前記装置の前記水平面に対して平行でない平面のピースであり、
（ｄ）前記装置の前記Ｖ字形接触面ペアは、対になった２つの前記Ｖ字形表面が、接着剤によって一緒に接着されているか、又は追加の接着材料なしで単に重ねられているか、又はそれらの間にある単独若しくは複数の介在シートによって分離されているかのいずれかであってよく、最後の２つの場合、前記接触面ペアの少なくとも１つの小面ペアに沿った相対的滑りが許容され、
（ｅ）前記介在シートは、Ｖ字形接触面ペア内の２つの面の間に収容され、前記介在シートは、金属、複合材料、及びエラストマーを含む群から選択される材料から作製され、これによって、前記介在シートが前記Ｖ字形表面ペアの材料よりも柔らかい材料で作製されている場合、すべての関与する接触面ペア内に接触喪失を起こすことなく、相対的回転に対応することができ、かつ、前記介在シートが接触面を調節するための事前形成された切り抜きを含む場合には接触摩擦係数を調節することができ、
（ｆ）前記装置は、少なくとも１つのＶ字形接触面ペアを含み、最上部のＶ字形接触面は、前記構造システムの上部構造に、直接又は他のピースを介してのいずれかで取り付けられている装置ピースに属し、同様に、最下部のＶ字形接触面は、前記構造システムの前記下部構造に、直接又は他のピースを介してのいずれかで取り付けられている装置ピースに属し、前記上部構造及び下部構造は、前記装置内で前記Ｖ字形接触面ペアすべてを介して接続されており、
（ｇ）前記装置が、免震の目的で前記構造システムの上部構造と下部構造を接続しながら、前記上部構造の重量が前記Ｖ字形接触面ペアを介して前記下部構造へと移動される場合、各小面と前記装置の水平面との間の角度が、前記「設計レベル」を決定し、これにより動的負荷の振幅が前記レベルを超えた場合に一時的な滑りを開始することが許容され、前記レベルは、米国内の構造システムの現場についてその時点で有効な、ＵＳＧＳ発行の地震ハザードマップによって、又は前記装置が適用される国で発行されている有効な地震ハザードマップによって予測される地表最大加速度（ＰＧＡ）によって定量化される、装置。
構造システムにおける２つの部分を接続するためのコネクタとして使用されながら、一方の部分から他方の部分に、例えば橋梁又は建造物において上部構造の重量を下部構造へと、あるいは、機械の重量をその基礎部分へと力を移動させる支持物として使用される装置であって、請求項及び関連する請求項の用語として、「構造部分」は、前記構造システムの一部分、例えば上部構造又は下部構造を指し、一方、前記装置のコンポーネントは、「ピース」又は「前記装置のピース」と呼ばれ、
前記装置は、前記構造システムが静的負荷状態にあるとき、又は設計レベル未満の動的負荷を受けているときに、２つの接続された構造部分の間の堅牢な接続を提供することができ、またこれは、前記２つの接続された構造部分の後者が前記設計レベルを上回る前記動的負荷を受けたときに、前記構造システムの前記２つの接続された構造部分間で、滑りピンによりガイドされた相対的滑りを介して、水平方向と垂直方向との両方の過渡振動及び関連の慣性力の伝達を低減することができ、これは、前記相対的滑りの後に前記構造システムの元の状態を自己復元する能力を有し、
（ａ）前記装置は、その垂直方向に沿って少なくとも３つのピースを含み、
（ｂ）前記垂直方向は、静的負荷状態又は前記設計レベル未満の前記動的負荷のもと、前記装置により移動されるすべての前記力のなかでも最大振幅の力の方向であり、建造物及び橋梁については地球の重力がそのような力であり、したがって前記装置の水平面は地面に対して平行であり、
（ｃ）前記装置は、少なくとも１つのＶ字形接触面ペアを含み、前記接触表面ペア内のＶ字形接触面は、凹状であり、かつ少なくとも２つの小面により形成され、他方のＶ字形接触面は、凸状であり、かつ同数又はそれより少ない対になる小面により形成され、前記小面は、前記装置の前記水平面に対して平行でない平面のピースであり、
（ｄ）前記装置は、少なくとも１つのＶ字形接触面ペアを含み、最上部のＶ字形接触面は、前記構造システムの上部構造に、直接又は他のピースを介してのいずれかで取り付けられている装置ピースに属し、同様に、最下部のＶ字形接触面は、前記構造システムの前記下部構造に、直接又は他のピースを介してのいずれかで取り付けられている装置ピースに属し、前記上部構造及び下部構造は、前記装置内で前記Ｖ字形接触面ペアすべてを介して接続されており、
（ｅ）前記装置の前記Ｖ字形接触面ペアは、対になった２つの前記Ｖ字形表面が、接着剤によって一緒に接着されているか、又は追加の接着材料なしで単に重ねられているか、又はそれらの間にある単独若しくは複数の介在シートによって分離されているかのいずれかであってよく、最後の２つの場合、前記接触面ペアの少なくとも１つの小面ペアに沿った相対的滑りが許容され、
（ｆ）前記介在シートは、Ｖ字形接触面ペア内の２つの面の間に収容され、前記介在シートは、金属、複合材料、及びエラストマーを含む群から選択される材料から作製され、これによって、前記介在シートが前記Ｖ字形表面ペアの材料よりも柔らかい材料で作製されている場合、すべての関与する接触面ペア内に接触喪失を起こすことなく、相対的回転に対応することができ、かつ、前記介在シートが接触面を調節するための事前形成された切り抜きを含む場合には接触摩擦係数を調節することができ、
（ｇ）前記装置は、少なくとも１本の滑りピン及び前記ガイドされた滑りのための手段を含み、前記滑りピンは、前記滑りピンの長手方向に沿って２つの直線部分を有し、前記２つの部分は、前記装置内のＶ字形接触面内の相対する２つの小面間の角度に合致する角度で互いに向かって折れ曲がっており、前記ピンの一方の直線部分に沿った横断面形状は、前記表面ペア内の一方のＶ字形接触面と共に前記装置のピース内に組み込まれるガイドレールに適合するよう設計されているのに対して、前記ピンの他方の直線部分は、前記表面ペア内の他方のＶ字形接触面と共に前記装置の別のピースの一部であるか、又は前記装置の別のピースに固定されたサイドストッパーの開放スリットを通って滑ることができるような設計形状を備えており、これによって、前記滑りピンは、前記ガイドレールに沿って、又は前記サイドストッパーの開放スリットを通って、又はその両方を同時に、自由に動くことができ、Ｖ字形表面ペアを介して元々接触していた前記装置内で、前記２つのピース間で滑りが可能な接続を確立するが、前記ペアの間のいずれの他の相対的な動きも許されず、
（ｈ）前記装置は、追加の制振コアを備え、前記装置は、少なくとも１つの空洞を含み、少なくとも１つの前記空洞は、前記最上部のＶ字形接触面を備えた前記装置のピースにおける点から始まり、少なくとも１つの前記空洞は、前記最下部のＶ字形接触面を備えた前記装置のピースにおける点で終わり、すべての前記空洞は、例えば鉛及びスズ、又はこの部類の材料の混合物などの高い可塑性変形性能を備えた材料の群から選択される制振媒体で充填され、
（ｉ）前記装置が、免震の目的で前記構造システムの上部構造と下部構造を接続しながら、前記上部構造の重量が前記Ｖ字形接触面ペアを介して前記下部構造へと移動される場合、各小面と前記装置の水平面との間の角度が、前記「設計レベル」を決定し、これにより動的負荷の振幅が前記レベルを超えた場合に一時的な滑りを開始することが許容され、前記レベルは、米国内の構造システムの現場についてその時点で有効な、ＵＳＧＳ発行の地震ハザードマップによって、又は前記装置が適用される国で発行されている有効な地震ハザードマップによって予測される地表最大加速度（ＰＧＡ）によって定量化される、装置。
追加の垂直強化機構を備え、前記装置は、少なくとも１本の垂直整列ピンを含み、前記垂直整列ピンそれぞれの一方の端部は、前記最上部のＶ字形接触面を備えた前記装置のピース又は前記装置のピースより上に固定され、前記ピンの他方の端部は、前記最下部のＶ字形接触面を備えた前記装置のピース又は前記装置のピースより下に固定され、垂直整列ピンのいずれも、前記装置の対応するピースに固定された後は、そのいずれの端部でも、その端部を中心に自由に回転することはできない、請求項１又は２に記載の装置。
構造システムの２つの部分を接続するためのコネクタとして使用され、かつ、一方の部分から他方の部分に、例えば橋梁又は建造物において上部構造の重量を下部構造へと、あるいは、機械の重量をその基礎部分へと力を移動させる支持物として使用される装置であって、本請求項における用語として、「構造部分」は、前記構造システムの一部分、例えば上部構造若しくは下部構造を指し、一方、前記装置のコンポーネントは、ピース又は前記装置のピースと呼ばれ、ピース又は構造部分は、前記構造システムのコンポーネントであり、
前記装置は、前記構造システムが静的負荷状態にあるとき、又は設計レベル未満の動的負荷を受けているときに、２つの接続された構造部分間の堅牢な接続を提供することができ、またこれは、前記２つの接続された構造部分の後者が前記設計レベルを上回る前記動的負荷を受けるときに、前記構造システムの前記２つの接続された構造部分間で、少なくとも１本の垂直強化ピンを介して、水平方向と垂直方向との両方の過渡振動及び関連の慣性力の伝達を低減することができ、これは、前記相対的滑りの後に前記構造システムの元の状態を自己復元する能力を有し、
（ａ）前記装置は少なくとも４つのピースを含み、
（ｂ）前記垂直方向は、静的負荷状態又は前記設計レベル未満の前記動的負荷のもと、前記装置により移動されるすべての前記力のなかでも最大振幅の力の方向であり、建造物及び橋梁については地球の重力がそのような力であり、したがって前記装置の水平面は地面に対して平行であり、
（ｃ）前記装置は、少なくとも１つのＶ字形接触面ペアを含み、最上部のＶ字形接触面は、前記構造システムの上部構造に、直接又は他のピースを介してのいずれかで取り付けられている装置ピースに属し、同様に、最下部のＶ字形接触面は、前記構造システムの前記下部構造に、直接又は他のピースを介してのいずれかで取り付けられている装置ピースに属し、前記上部構造及び下部構造は、前記装置内で前記Ｖ字形接触面ペアすべてを介して接続されており、
（ｄ）前記装置の前記接触面ペアは、対になった前記２つの表面が接着剤によって一緒に接着されているか、又は追加の接着材料なしで単に重ねられていてよく、後者の場合、前記２つの面の間の相対的な動きが許容され、接触面ペア間の前記相対的な動きは、前記２つの面の間の変位に差があるが、この差により、前記接触面ペアのすべての小面ペア間の接触喪失とならず、換言すれば、少なくとも１つの接触小面ペアが接触したままであることを意味し、
（ｅ）前記装置は、少なくとも２本の垂直整列ピンを含み、前記垂直整列ピンそれぞれの一方の端部は、前記最上部の接触面を備えた装置のピースに固定され、前記ピンの他方の端部は前記最下部の接触面を備えた前記装置のピースに固定され、これにより、垂直整列ピンのいずれも、前記装置の対応するピースに固定された後は、そのいずれの端部でも、その端部を中心に自由に回転することはできず、
（ｆ）前記装置が、免震の目的で前記構造システムの上部構造と下部構造を接続しながら、前記上部構造の重量が前記Ｖ字形接触面ペアを介して前記下部構造へと移動される場合、各小面と前記装置の水平面との間の角度が、前記「設計レベル」を決定し、これにより動的負荷の振幅が前記レベルを超えた場合に一時的な滑りを開始することが許容され、前記レベルは、米国内の構造システムの現場についてその時点で有効な、ＵＳＧＳ発行の地震ハザードマップによって、又は前記装置が適用される国で発行されている有効な地震ハザードマップによって予測される地表最大加速度（ＰＧＡ）によって定量化され、
（ｇ）前記装置は、追加の制振コアを備え、前記装置は、少なくとも１つの空洞を含み、少なくとも１つの前記空洞は、前記最上部のＶ字形接触面を備えた前記装置のピースにおける点から始まり、少なくとも１つの前記空洞は、前記最下部のＶ字形接触面を備えた前記装置のピースにおける点で終わり、すべての前記空洞は、例えば鉛及びスズ、又はこの材料の部類の混合物などの高い可塑性変形性能を備えた材料の群から選択される制振媒体で充填されている、装置。