JP2016056841A - 免震装置、及び、免震構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで免震効果の向上を図る。
【解決手段】上部構造体と下部構造体との間に設けられ、地震の際に上部構造体の揺れを抑える免震装置であって、上部構造体を下部構造体に対して相対変位可能に支承し、かつ、上部構造体と下部構造体との相対的な位置関係を復元させる機能を有さない支承体と、平常時には、上部構造体と下部構造体との相対変位を禁止し、地震の発生時には、上部構造体と下部構造体との相対的な位置関係を復元させるための復元力が作用しない状態で、当該上部構造体と当該下部構造体との相対変位を許可するロック機構と、地震が収束した後に、下部構造体に対する上部構造体の位置を変位前の位置に復帰させるための復帰機構と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、免震装置、及び、免震構造体に関する。

上部構造体と下部構造体との間に、上部構造体を免震支持する免震装置を設けた免震構造体が知られている。また、免震装置としては、上部構造体の荷重を支持する支承体、上部構造体と下部構造体との相対的な位置関係を復元させる復元部材、上部構造体と下部構造体との間の振動を減衰させる減衰部材を備えたものが知られている。例えば、特許文献１の免震装置には積層ゴムとダンパーが用いられており、積層ゴムが支承体と復元部材を兼ね備えている。

特開２０１０−７７９３号公報

免震効果を高めたい（すなわち上部構造体の加速度応答を小さくしたい）場合、復元部材の剛性を小さくして、免震周期を長周期化させる必要がある。しかし、この場合、長周期に対応した復元部材や減衰部材が必要になりコストが増大するおそれがある。また、応答変位が大きくなるので、免震クリアランスや減衰部材の設計が困難になる。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、低コストで免震効果の向上を図ることにある。

かかる目的を達成するため、本発明発の免震装置は、上部構造体と下部構造体との間に設けられ、地震の際に前記上部構造体の揺れを抑える免震装置であって、前記上部構造体を前記下部構造体に対して相対変位可能に支承し、かつ、前記上部構造体と前記下部構造体との相対的な位置関係を復元させる機能を有さない支承体と、平常時には、前記上部構造体と前記下部構造体との相対変位を禁止し、前記地震の発生時には、前記上部構造体と前記下部構造体との相対的な位置関係を復元させるための復元力が作用しない状態で、当該上部構造体と当該下部構造体との相対変位を許可するロック機構と、前記地震が収束した後に、前記下部構造体に対する前記上部構造体の位置を変位前の位置に復帰させるための復帰機構と、を備えたことを特徴とする。
このような免震装置によれば、上部構造体と下部構造体が相対変位する際に復元力が作用しないので、上部構造体の振動を抑制でき、摩擦係数以上の加速度が生じない。よって、復元部材や減衰部材がなくても免震効果を高めることができ、低コストで免震効果の向上を図ることができる。

かかる免震装置であって、前記支承体は、転がり支承、又は、滑り支承で前記上部構造体を支承することが望ましい。
このような免震装置によれば、下部構造体の揺れが上部構造体に伝わらないようにすることができる。

かかる免震装置であって、前記支承体は、前記地震時に前記下部構造体から前記上部構造体に伝達する水平力が、前記上部構造体の自重の３％以下であることが望ましい。
このような免震装置によれば、大地震時（レベル２：極めて稀に起こる地震）における応答を通常の免震装置の１０分の１程度に低減することができる。かつ、震度３以下の小地震でも免震効果を発揮することができる。

かかる免震装置であって、前記復帰機構は、線材と、前記線材を巻き取るリールと、を有し、前記上部構造体及び前記下部構造体のうちの一方に前記リールが設置され、前記上部構造体及び前記下部構造体のうちの他方に前記線材が接続されていることが望ましい。
このような免震装置によれば、簡易な構成で原点位置に復帰させることができる。

かかる免震装置であって、前記平常時には、前記線材を予め弛ませた状態にしていることが望ましい。
このような免震装置によれば、上部構造体と下部構造体とが相対変位する際に、確実に抵抗（減衰力）を付与しないようにすることができる。

かかる免震装置であって、地震を感知する感震器と、前記感震器と連動して前記ロック機構を制御する制御部を有することが望ましい。
このような免震装置によれば、地震の際の免震動作を自動的に行うことができる。

かかる免震装置であって、前記ロック機構は、所定の大きさ以上の地震が発生した場合には前記制御部と連動することなく解除されることが望ましい。
このような免震装置によれば、大きい地震の際に確実にロック解除できるので、より免震効果を高めることできる。

また、かかる目的を達成するため、本発明発の免震構造体は、上記何れかの免震装置を、前記上部構造体と前記下部構造体との間に備えたことを特徴とする。

本発明によれば、低コストで免震効果の向上を図ることが可能である。

本実施形態にかかる免震構造体１の概略説明図である。 ロック機構３２の構成を示す説明図である。 図３Ａ及び図３Ｂはロック機構３２のエアシリンダー３２５の動作を説明するための概念図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。

＝＝＝実施形態＝＝＝
＜免震構造体１の構成について＞
図１は本実施形態にかかる免震構造体１の概略説明図である。図に示すように、本実施形態の免震構造体１は、下部構造体１０、上部構造体２０、及び、免震装置３０を備えている。

下部構造体１０は、例えば、基礎、建物等の構造物である。

上部構造体２０は、例えば、建物、床、大型装置等の構造物であり、下部構造体１０の上方に設けられている。

免震装置３０は、上部構造体２０と下部構造体１０との間に設けられており、地震が発生した際に上部構造体２０の揺れを抑制する。本実施形態の免震装置３０は、免震支承体３１、ロック機構３２、原点復帰装置３３（原点復帰機構に相当）、感震器３４、及び、制御装置３５（制御部に相当）を備えている。

免震支承体３１は、上部構造体２０と下部構造体１０との間に介在されており、上部構造体２０を転がり支承で支承するものである。本実施形態の免震支承体３１は、上部構造体２０と下部構造体１０の間に対向するように設けられた上下一対の板部材３１ａと、上下一対の板部材３１ａの間に配置された鋼製の球体３１ｂを有している。なお、一つの免震支承体３１につき球体３１ｂは複数（図では３つ）設けられており、これら複数の球体３１ｂは不図示の保持器（リテーナ）により転動可能に保持されている。本実施形態の免震支承体３１において、球体３１ｂと上下一対の板部材３１ａとの間の摩擦係数（静止摩擦係数）μは非常に小さい。具体的には、摩擦係数μは０．０３以下（μ≦０．０３）である。また、本実施形態の免震支承体３１は、球体３１ｂが上下一対の板部材３１ａに当接して転動するものであり、下部構造体１０と上部構造体２０との相対変位を復元させる復元機能を有していない。さらには、本実施形態の免震装置３０には、免震支承体３１以外の部位においても、地震発生時に下部構造体１０と上部構造体２０との相対変位を復元させる復元部材（例えばバネなど）は設けられていない。

ロック機構３２は、下部構造体１０と上部構造体２０との相対的な位置関係が変化しないように固定（ロック）するものである。平常時にはロック機構３２はロックされており上部構造体２０と下部構造体１０は水平方向に相対変位できなくなっている。地震が発生するとロック機構３２のロックが解除されて、上部構造体２０と下部構造体１０が水平方向に相対変位可能になる。本実施形態ではロック機構３２の動作は制御装置３５によって制御されている。なお、ロック機構３２の構成の詳細については後述する。

原点復帰装置３３は、下部構造体１０に対する上部構造体２０の相対的な位置を地震発生前の状態（ロック状態の位置：以下原点ともいう）に復帰させるためのものである。本実施形態の原点復帰装置３３は、リール３３ａとワイヤー３３ｂ（線材に相当）を備えている。リール３３ａは、下部構造体１０の上面に固定されており、ワイヤー３３ｂの一端は上部構造体２０の下面に固定されている。また、ワイヤー３３ｂの他端側はリール３３ａに巻回されている。なお、本実施形態のリール３３ａはモーター（不図示）による電動式で回転するものであり、リール３３ａの回転は制御装置３５によって制御されている。

感震器３４は、地震動を検出（感知）して作動するものであり、地震の有無を示す信号を制御装置３５に出力する。例えば、感震器３４は、地震が発生していないときは、常に電気信号を出力し、地震が発生すると、地震の振動により内部の電気回路が遮断されて信号の出力を停止する。

制御装置３５は、感震器３４の出力に基づいてロック機構３２及び原点復帰装置３３の動作を制御する。本実施形態の免震装置３０では、この制御装置３５の制御により、地震の際の免震動作（後述する）を自動的に行うことができる。

＜ロック機構３２について＞
図２は、ロック機構３２の構成の一例を示す説明図である。なお、図２はロック機構３２（エアシリンダー３２５を除く）の断面を示している。図２に示すロック機構３２は、上側枠体３２１及び下側枠体３２３を備えている。

下側枠体３２３は、下部構造体１０上に固定されている。また、下側枠体３２３内には、ピン３２４とエアシリンダー３２５が設けられている。なお、下側枠体３２３の平面形状としては、円形、正方形、長方形、多角形などいずれであってもよい。また、下側枠体３２３の上面中央にはピン３２４が貫通する貫通孔が形成されている。

ピン３２４は、棒状の部材である。ピン３２４の下部はピストン形状（後述する図３参照）になっておりエアシリンダー３２５内に封入されている。また、ピン３２４の上端は、上側枠体３２１の嵌合溝３２２（後述する）に嵌合可能な形状になっている。

エアシリンダー３２５は、圧縮空気を用いてピン３２４の移動を制御するものである。エアシリンダー３２５には、圧縮空気を給気又は排気するための給排口３２６が、鉛直方向の異なる位置（上側と下側）に２つ形成されている。

上側枠体３２１は、下側枠体３２３と対応した形状の部材であり、上部構造体２０の下面に固定されている。また、上側枠体３２１の下面中央にはピン３２４の上端部分と嵌合する形状の嵌合溝３２２が形成されている。

次にロック機構３２の動作について説明する。
図３Ａ及び図３Ｂはロック機構３２のエアシリンダー３２５の動作を説明するための概念図である。なお、エアシリンダー３２５の制御（圧縮空気の給気、排気の切り替え）は制御装置３５が行っている。

例えば、図３Ａに示すように、エアシリンダー３２５の下側の給排口３２６に圧縮空気を送り込むと、ピストン（すなわちピン３２４）が上昇し、上側の給排口３２６から圧縮空気が排気される。このように下側の給排口３２６に圧縮空気を送り込むことにより、ピン３２４は上昇して上側枠体３２１の嵌合溝３２２と嵌合する。上側枠体３２１は上部構造体２０に固定され、下側枠体３２３は下部構造体１０に固定されているため、ピン３２４が嵌合溝３２２に嵌合することにより、上部構造体２０と下部構造体１０は水平方向に相対変位できなくなる。換言すると、このときロック機構３２は、上部構造体２０と下部構造体１０との相対変位を禁止する（ロック状態）。

逆に、図３Ｂに示すように、エアシリンダー３２５の上側の給排口３２６に圧縮空気を送り込むと、ピストン（すなわちピン３２４）が下降し、下側の給排口３２６から圧縮空気が排気される。このように、上側の給排口３２６に圧縮空気を送り込むことにより、ピン３２４は下降して上側枠体３２１の嵌合溝３２２から離間する。これにより、上部構造体２０と下部構造体１０は水平方向に相対変位可能となる。換言すると、このときロック機構３２は、上部構造体２０と下部構造体１０との相対変位を許可する（ロック解除）。

＜免震構造体１の免震動作について＞
以下、免震構造体１の免震動作について説明する。

平常時には、制御装置３５はロック機構３２をロック状態に制御している。このため、風などの外力が発生した場合においても、上部構造体２０は下部構造体１０に対して水平方向に相対変位することができなくなっている。

地震が発生し、感震器３４が地震の振動を感知すると、制御装置３５は、ロック機構３２をロック解除にする。つまり、図３Ｂのようにピン３２４を下降させて上部構造体２０と下部構造体１０とが相対変位可能な状態にする。なお、前述したように、本実施形態では上部構造体２０と下部構造体１０とが相対変位しても変位前の位置関係に復元する復元力は作用しない。

また、このとき制御装置３５はリール３３ａを回転自在に制御する。これにより、下部構造体１０と上部構造体２０との相対変位に応じて、リール３３ａが回転し、ワイヤー３３ｂが繰り出される。このワイヤー３３ｂを繰り出すときの抵抗（減衰力）は非常に小さく相対変位に影響を与えない。また、免震支承体３１における転がり支承の摩擦係数μも非常に小さい。具体的には、地震時に下部構造体１０から上部構造体２０に伝達する水平力が、上部構造体２０の自重の３％以下である（すなわち摩擦係数μ≦０．０３である）。

このように、ロック機構３２は、地震が発生すると、上部構造体２０と下部構造体１０との相対変位を許可する。このとき上部構造体２０と下部構造体１０との相対的な位置関係を復元させるための復元力が作用しないので上部構造体２０の振動を抑制できる。さらに減衰力が非常に小さいため、上部構造体２０の免震効果を高めることができる。例えば、摩擦係数μを０．０３以下にすることにより、大地震時（レベル２：極めて稀に起こる地震）における応答を通常の免震装置の応答（２００Ｇａｌ〜３００Ｇａｌ）の１０分の１程度に低減することができる。かつ、震度３以下の小地震でも免震効果を発揮することができる。

感震器３４が地震の振動を感知しなくなると、制御装置３５は、地震が収束したと判断し、リール３３ａを回転させてワイヤー３３ｂを巻き取らせる。ワイヤー３３ｂがリール３３ａに巻き取られるのに従い、上部構造体２０及び下部構造体１０は変位前の位置（原点位置）に近づく。このように、本実施形態ではリール３３ａとワイヤー３３ｂとによる簡易な構成により、上部構造体２０と下部構造体１０を原点位置に復帰させることができる。

制御装置３５は、上部構造体２０と下部構造体１０が原点位置に復帰したことを確認すると、ロック機構３２のピン３２４を上昇させて、嵌合溝３２２に嵌合させる（ロック状態にする）。なお、原点位置に復帰したか否かを確認する方法としては、例えば、ワイヤー３３ｂをリール３３ａに完全に巻き取ると原点位置になるようにすればよい。あるいは、上下一対の板部材３１ａの対向する面に位置センサーを設けておき、当該位置センサーによって確認するなど、他の方法で確認してもよい。

以上説明したように、本実施形態の免震装置３０は、免震支承体３１と、ロック機構３２と、原点復帰装置３３を備えている。免震支承体３１は、上部構造体２０を下部構造体１０に対して相対変位可能に転がり支承し、かつ、上部構造体２０と下部構造体１０との相対的な位置関係を復元させる機能を備えていない。ロック機構３２は、平常時には、上部構造体２０と下部構造体１０との相対変位を禁止し、地震の発生時には、上部構造体２０と下部構造体１０との相対的な位置関係を復元させるための復元力が作用しない状態で、上部構造体２０と下部構造体１０との相対変位を許可する。原点復帰装置３３は、地震が収束した後に、下部構造体１０に対する上部構造体２０の位置を変位前の位置に復帰させるためのものでありリール３３ａとワイヤー３３ｂを有している。

このような構成により、地震発生時には上部構造体２０と下部構造体１０との間に復元力が作用しないので、上部構造体２０の振動を抑制でき、摩擦係数以上の加速度が生じない。よって、長周期に対応した復元部材や減衰部材を用いなくても免震効果を高めることができ、低コストで免震効果の向上を図ることができる。

＝＝＝その他の実施形態について＝＝＝
上記実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはいうまでもない。特に、以下に述べる実施形態であっても、本発明に含まれるものである。

＜免震構造体１について＞
免震構造体１は、下部構造体１０と上部構造体２０との間に免震装置３０を設けて上部構造体２０の揺れを抑制するものであればどのようなものであってもよい。例えば、免震床、免震展示台、電算機室、精密機械室などであってもよい。

＜免震支承体３１について＞
前述の実施形態では、免震装置３０の免震支承体３１は球体３１ｂを用いた転がり支承タイプのものであったが、これには限られない。例えば、ローラーを用いた転がり支承タイプのものであってもよい。あるいは、滑り支承タイプのものであってもよい。ただし、これらの場合においても摩擦係数μは非常に小さいことが望ましい。これにより、下部構造体１０の揺れが上部構造体２０に伝わらないようにすることができる。

＜制御装置３５の制御について＞
前述の実施形態では、制御装置３５は感震器３４の出力に基づいてロック機構３２及び原点復帰装置３３の動作を制御していたがこれには限られない。例えば、緊急地震速報を受信して制御を行うようにしてもよい。あるいは、作業員が操作ボタンを押下するなど手動で制御するようにしてもよい。

＜ロック機構３２について＞
前述の実施形態では、ロック機構３２は圧縮空気を用いてピン３２４を移動させていたがこれには限られない。例えば、電磁ソレノイドによる電磁式のものであってもよい。

また、所定の大きさ以上（例えばレベル２以上）の地震の際には強制的にロックを解除するようにしてもよい。例えば、ピン３２４にくびれを設けて破断しやすくしておいてもよい。これにより、大地震の際にくびれの位置でピン３２４が破断してロックが解除されるので、確実にロック解除させることができ、より免震効果を高めることができる。

＜原点復帰装置３３について＞
前述の実施形態では、原点復帰装置３３は電動式のリール３３ａとワイヤー３３ｂを用いていたが、これ以外の構成であってもよい。例えば、リール３３ａが、レバーを手で回す手動式であってもよい。また、例えば、手動式の油圧ジャッキを用いて原点に復帰させるものであってもよい。

また、平常時において原点復帰装置３３のワイヤー３３ｂを予め弛ませておいてもよい。こうすることにより、地震発生時に上部構造体２０と下部構造体１０とが相対変位する際に、確実に抵抗（減衰力）を付与しないようにできる。

また、前述の実施形態では、リール３３ａが下部構造体１０の上面に固定されており、ワイヤー３３ｂの一端が上部構造体２０の下面に固定されていたが、逆でもよい。つまり、リール３３ａを上部構造体２０の下面に固定し、ワイヤー３３ｂの一端を下部構造体１０の上面に固定してもよい。そして、ワイヤー３３ｂの他端側をリール３３ａに巻回していてもよい。この場合も同様に原点に復帰させることができる。

１ 免震構造体
１０ 下部構造体
２０ 上部構造体
３０ 免震装置
３１ 免震支承体
３１ａ 板部材
３１ｂ 球体
３２ ロック機構
３３ 原点復帰装置
３３ａ リール
３３ｂ ワイヤー
３４ 感震器
３５ 制御装置
３２１ 上側枠体
３２２ 嵌合溝
３２３ 下側枠体
３２４ ピン
３２５ エアシリンダー
３２６ 給排口

Claims (8)

1. 上部構造体と下部構造体との間に設けられ、地震の際に前記上部構造体の揺れを抑える免震装置であって、
   前記上部構造体を前記下部構造体に対して相対変位可能に支承し、かつ、前記上部構造体と前記下部構造体との相対的な位置関係を復元させる機能を有さない支承体と、
   平常時には、前記上部構造体と前記下部構造体との相対変位を禁止し、前記地震の発生時には、前記上部構造体と前記下部構造体との相対的な位置関係を復元させるための復元力が作用しない状態で、当該上部構造体と当該下部構造体との相対変位を許可するロック機構と、
   前記地震が収束した後に、前記下部構造体に対する前記上部構造体の位置を変位前の位置に復帰させるための復帰機構と、
   を備えたことを特徴とする免震装置。
2. 請求項１に記載の免震装置であって、
   前記支承体は、転がり支承、又は、滑り支承で前記上部構造体を支承する
   ことを特徴とする免震装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の免震装置であって、
   前記支承体は、前記地震時に前記下部構造体から前記上部構造体に伝達する水平力が、
   前記上部構造体の自重の３％以下である
   ことを特徴とする免震装置。
4. 請求項１乃至請求項３の何れかに記載の免震装置であって、
   前記復帰機構は、線材と、前記線材を巻き取るリールと、を有し、
   前記上部構造体及び前記下部構造体のうちの一方に前記リールが設置され、前記上部構造体及び前記下部構造体のうちの他方に前記線材が接続されている
   ことを特徴とする免震装置。
5. 請求項４に記載の免震装置であって、
   前記平常時には、前記線材を予め弛ませた状態にしている
   ことを特徴とする免震装置。
6. 請求項１乃至請求項５の何れかに記載の免震装置であって、
   地震を感知する感震器と、前記感震器と連動して前記ロック機構を制御する制御部を有する
   ことを特徴とする免震装置。
7. 請求項６に記載の免震装置であって、
   前記ロック機構は、所定の大きさ以上の地震が発生した場合には前記制御部と連動することなく解除される
   ことを特徴とする免震装置。
8. 請求項１乃至請求項７の何れかに記載の免震装置を、前記上部構造体と前記下部構造体との間に備えたことを特徴とする免震構造体。

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