JP2016142344A - 免震装置 - Google Patents

Abstract

【課題】重量の大きい上部構造に用いても効果的に摩擦減衰力を得ることができる免震装置を提供する。【解決手段】上部構造１０に固定され、凸球面状下表面２ａを有する上部材２と、下部構造２０に固定され、凸球面状上表面３ａを有する下部材３と、上方に開口し、上部材の凸球面状下表面に当接する凹球面状上表面４ａと、下方に開口し、下部材の凸球面状上表面に当接する凹球面状下表面４ｂとを有する摺動部材４と、摺動部材の周囲に配置され、一端が上部材又は下部材の一方に固定され、他端が、上部材の凸球面の中心と下部材の凸球面の中心とが上面視で一致する場合に、上部材又は下部材の他方と隙間を有する弾性体からなる復元部材５と、復元部材の他端と、上部材又は下部材の他方との相対的な水平変位を規制する規制手段６とを備える免震装置１。【選択図】図１

Description

本発明は、免震装置に関し、特に重量の大きい上部構造に好適に用いられる免震装置に関する。

従来、マンション等の集合住宅、事務所ビル、戸建住宅、橋梁等の構造物への地震、風又は交通振動等の動的入力に対する応答値のうちのいくつかを免震装置により低減し、ある制限値以内に制御する方法が種々採用されている。その中でも、免震装置を構造物の内部や外部に取り付け、この免震装置によって地震等の動的入力によって励起された構造物の振動応答を低減しようとする方法が最も有力な手段の一つである。

上記免震装置として、例えば、特許文献１には、上部構造に固定される第１部材と、下部構造に固定される第２部材と、第１部材と第２部材との間に、第１部材と第２部材とに対して各々球面接触された状態で、第１部材と第２部材に対して水平方向に相対変位可能に介装された摺動部材と、弾性部材により全体として上下方向に伸びる筒状に形成され、摺動部材を取り囲むようにして上端部が第１部材に固定され、下端部が第２部材に固定されたカバー部材（復元部材）を備える免震装置が提案されている。

この特許文献１に記載された免震装置は、地震が発生して第１部材と第２部材とが水平方向に相対変位した際に、摺動部材がこれらの間で摺動して摩擦減衰を得ることができる。また、復元部材の弾性により、第１部材、第２部材及び摺動部材を元の位置に復帰させる。

特許第３２４９４５１号公報

しかし、上記特許文献１に記載の免震装置を重量の大きい上部構造に用いると、復元部材の沈み込みの際の鉛直方向の反力により、第１部材及び第２部材の鉛直方向の変位が制限され、これに伴い、第１部材及び第２部材の水平方向の相対変位が制限され、得られる摩擦減衰力が低下する虞があった。

そこで、本発明は、重量の大きい上部構造に用いても効果的に摩擦減衰力を得ることができる免震装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の免震装置は、上部構造に固定され、凸球面状下表面を有する上部材と、下部構造に固定され、凸球面状上表面を有する下部材と、上方に開口し、前記上部材の凸球面状下表面に当接する凹球面状上表面と、下方に開口し、前記下部材の凸球面状上表面に当接する凹球面状下表面とを有する摺動部材と、前記摺動部材の周囲に配置され、一端が前記上部材又は前記下部材の一方に固定され、他端が、前記上部材の前記凸球面の中心と前記下部材の前記凸球面の中心とが上面視で一致する場合に、該上部材又は該下部材の他方と隙間を有する弾性体からなる復元部材と、該復元部材の他端と、前記上部材又は前記下部材の他方との相対的な水平変位を規制する規制手段とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、上部材と下部材の相対的な振動変位に対し、摺動部材が上部材及び下部材の凸球面状表面との間で回転しながら摺動することにより摩擦減衰を得ることができると共に、復元部材の弾性により、上部材、下部材及び摺動部材を元の位置に復帰させることができる。これにより、本免震装置を重量の大きい上部構造に用いた場合でも、上記隙間の分だけ復元部材の沈み込みを抑えることができ、復元部材の鉛直方向の反力を小さく抑え、得られる摩擦減衰力の低下を抑えて効果的に摩擦減衰力を得ることができる。

上記免震装置において、前記上部材の凸球面状下表面と、前記摺動部材の凹球面状上表面とを同一曲率に、前記下部材の凸球面状上表面と前記摺動部材の凹球面状下表面とを同一曲率にすることができる。これにより、上部構造を安定して支持すると共に、摺動部材と上部材又は下部材との間の滑り安定性を高く維持することができる。

上記免震装置において、前記上部材の前記凸球面状下表面と、前記下部材の前記凸球面状上表面とが同一曲率となるように構成することができる。

上記免震装置において、前記上部材の前記凸球面状下表面と、前記下部材の前記凸球面状上表面とを互いに曲率が異なるように構成することができる。曲率半径を大きく設定すると水平変位量を大きく確保できて鉛直変位量が小さくなり、曲率半径を小さく設定すると水平変位量は確保できないが鉛直変位量が大きくなる。すなわち、曲率半径を調整することで水平変位量及び鉛直変位量を調整することができる。例えば、曲率半径を小さくすることで、鉛直変位量を積極的に用い、上記隙間を小さくすることで水平変位量を拘束して固定（支承）に近い装置とすることもできる。これを利用し、本免震装置を屋根等に使用し、上部材の凸球面状下表面の曲率半径を、下部材の凸球面状上表面の曲率半径をよりも小さく又は大きく設定することで、屋根等の温度伸縮を上部材又は下部材と摺動部材との間で逃がすと共に、免震機能を発揮させることができる。

上記免震装置において、前記復元部材を、剛性層とゴム弾性層とを交互に積層した積層ゴム体で構成することができる。これにより、復元部材の鉛直剛性により、前記上部材及び前記下部材の鉛直方向の所定量を超える変位を防止し、前記上部材及び前記下部材が水平方向に相対移動不能に前記摺動部材と当接することで、別途ストッパを設けなくても上部材及び下部材の水平方向の所定量を超える変位を規制することができる。

また、前記摺動部材の周囲に、前記復元部材を上面視で十字状に４つ配置することができ、簡易な構成で全方向の振動に対応することができる。一方、前記摺動部材を囲繞するように、前記復元部材を円筒状又は角筒状に形成することもできる。

上記免震装置において、前記規制手段を、前記上部材又は前記下部材の他方に固定され、前記復元部材の他端を囲繞する規制部材とすることができる。

本発明によれば、重量の大きい上部構造に用いても効果的に摩擦減衰力を得ることができる免震装置を提供することができる。

本発明にかかる免震装置の第１の実施形態を示す概略断面図である。 図１に示す免震装置の設置例を示す概略図であって（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視図である。 図１及び図２の免震装置の動作説明図である。 本発明にかかる免震装置の第２の実施形態を示す概略断面図である。 図４に示す摺動装置及び復元装置の設置例を示す下面図である。

次に、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明にかかる免震装置の第１の実施形態を示し、この免震装置１は、上部材２と、下部材３と、摺動部材４と、復元部材５と、規制部材６等で構成され、図２に示すように、上部構造１０と下部構造２０の間に装着される。

図１に示すように、上部材２は、下面に凸球面状下表面２ａを有し、下部材３は、上面に凸球面状上表面３ａを有し、凸球面状下表面２ａと凸球面状上表面３ａとが相対向する。凸球面状下表面２ａ及び凸球面状上表面３ａは、同一の曲率半径Ｒを有する。凸球面状下表面２ａを有する半球状部、及び凸球面状上表面３ａを有する半球状部には、ステンレス鋼材、潤滑皮膜で被覆された鋼材、又はメッキを施した鋼材等を使用することができる。

摺動部材４は、全体的に直方体状に形成され、上部材２の凸球面状下表面２ａと同一曲率で上方に開口する凹球面状上表面４ａを有すると共に、下部材３の凸球面状上表面３ａと同一曲率で下方に開口する凹球面状下表面４ｂを有する。摺動部材４を全体的に円柱状に形成してもよい。摺動部材４の摺動表面には、所望の摩擦係数に応じ、フッ素樹脂等の樹脂系材料、交織布系材料、ベアリングプレート（固体潤滑剤付きを含む）等を使用することができる。

復元部材５は、例えば、薄い鋼板等の剛性層と、ゴム板等の弾性層とが鉛直方向に交互に積層された直方体状の積層ゴム体であって、摺動部材４の周囲に、上面視十字状に４つ配置され（図２参照）、上部材２の凸球面の中心と下部材３の凸球面の中心とが上面視で一致する場合に、上端面５ａと上部材２の下面との間に隙間を有し、下端面５ｂが下部材３の上面に固定される。尚、復元部材５の個数は４つに限定されず、３つでも、５つ以上配置してもよく、摺動部材４を囲繞するように、復元部材５を円筒状又は角筒状に形成することもできる。

規制部材６は、復元部材５の上端面５ａと上部材２の水平方向の相対変位を規制するため、復元部材５の上端部を囲繞するように金属等により形成され、上部材２の下面に固定される。復元部材５が直方体状であれば、規制部材６は復元部材５を囲繞する矩形状凹部を有し、復元部材５が円筒状又は角筒状であれば、規制部材６は円筒状復元部材５を囲繞する円柱状凹部又は角筒状凹部を有することとなる。

次に、上記構成を有する免震装置１の動作について、図３を中心に参照しながら説明する。尚、同図の白抜き矢印は、上部材２の移動方向を示している。

上部材２に右方向の水平力Ｆを付加し（図３（ａ））、水平力Ｆが上部材２及び下部材３と摺動部材４との間の静摩擦力より大きくなると、摺動部材４は、上部材２と下部材３との間で時計回りに回転しながら上部材２の凸球面状下表面２ａ及び下部材３の凸球面状上表面３ａ上を摺動して摩擦減衰により免震する（図３（ｂ））。

図３（ｂ）の状態で水平力Ｆを除荷すると、弾性変形した復元部材５の復元力により、上部材２、下部材３及び摺動部材４を元の位置に復帰させるように、摺動部材４が反時計回りに回転しながら摺動し、上部材２、下部材３及び摺動部材４が元の位置に戻る（図３（ｃ））。

図３（ｃ）の状態から、上部材２に左方向の水平力Ｆを付加し、水平力Ｆが上部材２及び下部材３と摺動部材４との間の静摩擦力より大きくなると、摺動部材４は、上部材２と下部材３との間で反時計回りに回転しながら上部材２の凸球面状下表面２ａ及び下部材３の凸球面状上表面３ａ上を摺動して摩擦減衰により免震する（図３（ｄ））。

さらに、図３（ｄ）の状態で水平力Ｆを除荷すると、弾性変形した復元部材５の復元力により、上部材２、下部材３及び摺動部材４を元の位置に復帰させるように、摺動部材４が時計回りに回転しながら摺動し、上部材２、下部材３及び摺動部材４が元の位置に戻る（図３（ｅ））。

ここで、上部材２の下面と復元部材５の上端面５ａとの間に隙間が存在するため、この隙間の分だけ復元部材５の沈み込みを抑えることができ、上部構造１０の重量が大きい場合でも復元部材５の鉛直方向の反力を小さく抑え、得られる摩擦減衰力の低下を抑えて効果的に摩擦減衰力を得ることができると共に、復元部材５の過度の変形を抑制し、復元部材５の破損を防止することができる。

尚、復元部材５は、上部材２及び下部材３の水平方向の所定量を超える相対変位を規制する役割も担う。上部構造１０に所定の大きさを超える荷重が加わった際に、復元部材５の鉛直剛性により上部材２及び下部材３の鉛直方向の相対変位を抑制し、上部材２及び下部材３が水平方向に相対移動不能に摺動部材４と当接することで、別途ストッパを設けなくても、上部材２及び下部材３の水平方向の所定量を超える相対変位を防止することができる。

上記免震装置１の使用例として、この免震装置１を重量の大きい屋根に適用し、屋根の温度伸縮を逃がすには、上部材２の凸球面状下表面２ａの曲率半径を、下部材３の凸球面状上表面３ａよりも小さく設定する。摺動部材４と上部材２又は下部材３との接触面積は、凸球面状下表面２ａ又は凸球面状上表面３ａの曲率半径が小さい程小さくなるため、屋根の温度伸縮を曲率半径の小さい下部材３の凸球面状上表面３ａと摺動部材４との間で逃がし、地震等の大きな振動を下部材３の凸球面状上表面３ａと摺動部材４との間の摩擦力で減衰させることができる。

上部材２の凸球面状下表面２ａ及び下部材３の凸球面状上表面３ａの曲率半径Ｒと、上部材２と復元部材５の上端面５ａとの間の隙間は、以下のように設定することができる。

通常、柱の最大たわみ角ωは１／１５０以下に設定されているため、これを考慮してω＝１／１５０として水平移動量δｈを設定し、水平移動量δｈ＝３ｍｍとすると、下記式１及び式２より、Ｒ＝４５０ｍｍとなる。半球体は上部材２と下部材３に存在するため、片方の球体の半径は、２Ｒ＝９００ｍｍとなる。
θ＝tan^-1ω ・・・式１
sinθ＝δｈ／Ｒ ・・・式２

ここで、沈み込み量δｖは、数式３より得ることができ、δｖ＝０．０１ｍｍとなる。この沈み込み量δｖと、復元部材５の性質を考慮し、上部材２と復元部材５の上端面５ａとの間の隙間を設定する。
δｖ＝Ｒ（１−cosθ） ・・・式３

次に、上部材２の凸球面状下表面２ａ及び下部材３の凸球面状上表面３ａの曲率半径が小さい場合と、大きい場合における動作の違いについて説明する。

曲率半径が小さい場合には、上部材２及び下部材３が水平方向に相対的に移動する際の上部材２の沈み込み量が大きくなるため、摺動部材４の回転運動が支配的になる。

一方、曲率半径が大きい場合には、上部材２及び下部材３が水平方向に相対的に移動する際の上部材２の沈み込み量が小さくなるため、摺動部材４の水平移動が支配的になる。

尚、上記実施の形態では、上部材２の凸球面状下表面２ａと、摺動部材４の凹球面状上表面４ａとを同一曲率とし、下部材３の凸球面状上表面３ａと摺動部材４の凹球面状下表面４ｂとを同一曲率とし、これによって、上部構造１０を安定して支持することができると共に、摺動部材４と上部材２又は下部材３との間の滑り安定性を高く維持することができて好ましいが、必ずしも同一曲率に限定されず、上部材２の凸球面状下表面２ａと、摺動部材４の凹球面状上表面４ａ、又は下部材３の凸球面状上表面３ａと摺動部材４の凹球面状下表面４ｂを若干異ならせることも可能である。

また、上部材２に下方に突出する規制部材６を設けたが、上部材２に凹部（規制手段）を設け、この凹部で復元部材５の上端部を囲繞するように構成することにより、規制部材６を省略することもできる。

次に、本発明にかかる免震装置の第２の実施形態について、図４を参照しながら説明する。

本実施の形態は、図１に示す免震装置１の復元部材５を独立させた場合を示し、図１と同様の構成要素については、同一の参照番号を付して説明を省略する。尚、上部材２、下部材３及び摺動部材４を摺動装置３１、上部材４２、下部材４３及び復元部材４４を復元装置４１と呼ぶ。摺動装置３１及び復元装置４１は、上部構造１０と下部構造２０の間に装着される。

復元装置４１において、復元部材４４は、上部材４２と、下部材４３との間に配置され、図示を省略するが、図１の復元部材５と同様に上端面が上部材４２の下面に固定されておらず、上部材２の凸球面の中心と下部材３の凸球面の中心とが上面視で一致する場合に、上端面と上部材４２との間に隙間を有する。また、復元部材４４の上端面と上部材４２の水平方向の相対変位は規制部材（不図示）によって規制されている。そのため、上部構造１０の重量が大きい場合でも、上記隙間の分だけ復元部材４４の沈み込みを抑えることができ、復元部材４４の鉛直方向の反力を小さく抑え、得られる摩擦減衰力の低下を抑えて効果的に摩擦減衰力を得ることができる。

図５に示すように、上記摺動装置３１を紙面の上下方向に２列、各列に３つずつ配置し、これら摺動装置３１の間に復元装置４１を配置することで、全体的に免震装置として機能させることができる。尚、摺動装置３１及び復元装置４１の数及び配置はこれに限定されない。

また、上記実施の形態では、復元部材５、４４としての積層ゴム体を例示したが、積層ゴム体以外にも全体的に筒状に形成されたゴム等の弾性体を用いることもできる。

また、上記免震装置１に加え、上部構造１０に制震装置を採用することでさらなる効果が期待できる。

１ 免震装置
２ 上部材
２ａ 凸球面状下表面
３ 下部材
３ａ 凸球面状上表面
４ 摺動部材
４ａ 凹球面状上表面
４ｂ 凹球面状下表面
５ 復元部材
５ａ 上端面
５ｂ 下端面
６ 規制部材
１０ 上部構造
２０ 下部構造
３１ 摺動装置
４１ 復元装置
４２ 上部材
４３ 下部材
４４ 復元部材

Claims (8)

1. 上部構造に固定され、凸球面状下表面を有する上部材と、
   下部構造に固定され、凸球面状上表面を有する下部材と、
   上方に開口し、前記上部材の凸球面状下表面に当接する凹球面状上表面と、下方に開口し、前記下部材の凸球面状上表面に当接する凹球面状下表面とを有する摺動部材と、
   前記摺動部材の周囲に配置され、一端が前記上部材又は前記下部材の一方に固定され、他端が、前記上部材の前記凸球面の中心と前記下部材の前記凸球面の中心とが上面視で一致する場合に、該上部材又は該下部材の他方と隙間を有する弾性体からなる復元部材と、
   該復元部材の他端と、前記上部材又は前記下部材の他方との相対的な水平変位を規制する規制手段とを備えることを特徴とする免震装置。
2. 前記上部材の凸球面状下表面と、前記摺動部材の凹球面状上表面とは同一曲率であり、前記下部材の凸球面状上表面と前記摺動部材の凹球面状下表面とは同一曲率であることを特徴とする請求項１に記載の免震装置。
3. 前記上部材の前記凸球面状下表面と、前記下部材の前記凸球面状上表面とは同一曲率であることを特徴とする請求項１又は２に記載の免震装置。
4. 前記上部材の前記凸球面状下表面と、前記下部材の前記凸球面状上表面とは互いに曲率が異なることを特徴とする請求項１又は２に記載の免震装置。
5. 前記復元部材は、剛性層とゴム弾性層とを交互に積層した積層ゴム体であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の免震装置。
6. 前記摺動部材の周囲に、前記復元部材を上面視で十字状に４つ配置したことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の免震装置。
7. 前記摺動部材を囲繞するように、前記復元部材を円筒状又は角筒状に形成したことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の免震装置。
8. 前記規制手段は、前記上部材又は前記下部材の他方に固定され、前記復元部材の他端を囲繞する規制部材であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の免震装置。

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