JP2017186860A

JP2017186860A - 長周期地震対応免震建物

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Publication number: JP2017186860A
Application number: JP2016084005A
Authority: JP
Inventors: 大亦　絢一郎; Junichiro Omata; 絢一郎大亦
Original assignee: Omata Shinichiro
Current assignee: Omata Shinichiro
Priority date: 2016-04-04
Filing date: 2016-04-04
Publication date: 2017-10-12
Anticipated expiration: 2036-04-04
Also published as: JP6384817B2

Abstract

【課題】通常の短周期地震動に対する免震効果が高く、且つ長周期地震動による共振を抑制できるような免震建物を提供すること。
【解決手段】積層ゴム３乃至６とダンパー（図示せず）から成る通常の免震装置に加えて、漸硬型復元力特性を与えるための追加の積層ゴム８乃至１１と、漸硬型減衰力特性を与えるための追加のダンパー１６乃至１９を、ガタ発生機構１２乃至１５を介して建物基礎部１ａと床２の間に取り付けた。これにより、短周期地震動時には、通常の免震装置のみが作動して免震効果を与え、長周期地震動により建物１が共振し、ガタを超えて振動した時には、通常の免震装置に加えて追加の積層ゴムとダンパーが作動し、共振を抑制する。
【選択図】図５

Description

本発明は、免震建物に係わり、通常の短周期地震動のみならず、長周期地震動に対しても、振動を減少させるような免震装置を用いた免震建物に関する。

任意の水平方向から大きな地震動が到来すると、建物は大きく振動する。この大きな地震動による建物の振動をできるだけ小さくすることを目的として、１９８０年代の中頃から免震ビルが数多く建設されてきた。又、近年には、戸建て免震住宅も多数建設されている。

（一般的な免震建物）
一般的な免震建物を図１に示す。図１では、建物１と地面（床）２の間に複数の積層ゴム（鋼板とゴム板を交互に重ね合わせたもの）、及び複数のダンパー（減衰機構）が取り付けられている。
積層ゴムは、上下方向には非常に硬く、水平方向には柔らかいばね特性を有しており、建物の水平振動を抑えると共に、地震収束後に建物１と地面２の相対的な位置関係を元の状態に復帰させる役目をする。又、ダンパーは、建物の振動による運動エネルギーを熱に変えて、振動を減少させる役目をする。

上述の積層ゴムとダンパーを併せて「通常の免震装置」と呼ぶことにする。積層ゴムに減衰性の大きいゴムを使用したり、あるいは積層ゴムの中に鉛の丸棒を封入したりして、減衰性を高めることにより、ダンパーを使用しないこともある。本発明で提示する免震建物においては、図面を簡明にするために、図１の点線で示したダンパー（２０ａ乃至２０ｈ）を省略することにする。

図１に示す免震建物の固有周期Ｔｎ［秒］は、積層ゴムの水平方向の合計ばね定数をｋ_１［Ｎ／ｍ］、建物の全質量をｍ［ｋｇ］とし、減衰の影響を無視すると、（１）式で与えられる。
Ｔｎ＝２π（ｍ／ｋ_１）^１／２・・・・・・・・・・（１）

（免震建物の免震効果）
大きな被害をもたらした、阪神大震災（１９９５年）、新潟県中越地震（２００４年）、新潟県中越沖地震（２００７年）、あるいは東日本大震災（２０１１年）における地震動は、周期が０．２〜１秒程度の短周期成分が卓越した地震動であった。
このような短周期成分が卓越した速い地震動を、以後、「通常の地震動」と呼ぶことにする。

従来の免震建物は、主として通常の地震動を対象としており、高い免震効果を得るために、免震建物の固有周期が通常の地震動の卓越周期よりも大きくなるように、設計されている。
例えば、高さが十数階以下の低中層免震建物では、固有周期が２〜４秒程度になるように設計される場合が多い。このように設計された免震建物は、地震動の最大加速度を１／３〜１／５程度に低減させるとされている。

ところが、固有周期が２〜４秒となるように設計された免震建物に、通常の地震動とは異なり、周期が２〜４秒のゆっくりとした長周期卓越成分を含む地震動（例えば、１９６４年６月に発生した新潟地震動）が到来して、地震動の卓越周期と免震建物の固有周期がほぼ一致した場合には、免震建物が共振し、建物が許容変位範囲を超えて大きく振動することになる。

（ダンパーの減衰を増大させて共振を抑制する方法）
長周期地震動による建物の共振を抑制するためには、ダンパーの減衰を大きくすればよい。しかしながら、ダンパーの減衰を一定値以上に大きくし過ぎると、通常の地震動に対する免震効果（加速度低減効果）は、低下してしまう。

通常の地震動に対して高い免震効果を与え、且つ長周期地震動による免震建物の共振を抑制するという、二つの課題を同時に解決するためには、一定相対変位までは減衰力が小さく、一定相対変位を超えると減衰力が増大するような、段階的な非線形減衰力特性を持つダンパーを用いることが有効である。長周期地震動は、卓越周期が２秒以上のゆっくりとした地震動であり、長周期地震動による建物のゆっくりとした振動に対しては、摩擦ダンパーが適している。
相対変位とは：建物の、地面に対する相対的な変位（建物と地面の絶対変位の差）

（振動系の固有周期を変化させて共振を回避する方法）
長周期地震動によって共振状態にある免震建物の振動を抑制するもう一つの方法は、共振時に免震建物の固有周期を変化させて、長周期地震動の卓越周期から離れるようにすることである。このような特性は、一定相対変位まではばねの強さ（ばね定数）が小さく、一定相対変位を超えるとばねの強さが増して、固有周期が減少するような、非線形復元力特性を持つばね機構を用いることによって得られる。

通常の地震動に対する免震効果と、長周期地震動に対する共振抑制効果の両方を考慮した免震建物は見当たらないが、２種類の地震動を考慮した免震テーブルとしては、下記特許文献が知られている。

特開２０１２−６７８４０号公報

上記文献１に記載の免震テーブル装置は、漸硬型非線形復元力特性及び漸硬型非線形摩擦力特性を有しているが、共に非線形性が小さいので、長周期地震動による免震テーブルの共振を抑制する効果は、あまり大きくないと考えられる。
漸硬型非線形特性とは：変位が増すに従って、段々に硬くなるタイプの非線形特性

又、上記文献１で用いられている非線形復元力及び非線形摩擦力を発生する方法は、免震テーブルのような機器の免震には適用できるが、免震建物のような大重量物の免震には適用できない。

［発明の目的］
本発明は、通常の免震装置に、長周期地震動による共振を抑制するための免震装置（以後、「長周期地震用免震装置」と呼ぶ）を加えた、新しい免震装置を考案し、この新しい免震装置を用いた免震建物を提供することを、その目的とする。

本発明の新しい免震装置において、その片一方を構成する通常の免震装置は、従来のものと同様であり、複数の積層ゴム、又は複数の積層ゴムとダンパーによって構成される。

新しい免震装置の残りの片方を構成する長周期地震用免震装置は、複数組の積層ゴムとガタ発生機構、及びダンパーから成っている。ガタ発生機構は、水平面内の東西方向（Ｘ方向）と南北方向（Ｙ方向）のみならず、水平面内の全ての方向にεのガタ（隙間）を持っている。一端を地面に固着された、長周期地震用の積層ゴムとダンパーは、このガタ発生機構を介して建物に取り付けられる。

従って、水平面内の任意の方向において、建物と地面の間の相対変位がεに達するまでは、長周期地震用免震装置は作動せず、建物には、通常の免震装置による復元力と減衰力のみが作用することになる。

長周期地震動により免震建物が共振して、ある方向の相対変位がεを超えると、その方向では、通常の免震装置に加えて長周期地震用免震装置が作動し、建物には漸硬型非線形復元力と漸硬型（階段状）摩擦力が作用することになる。これによって、免震建物の共振が回避・抑制される。

新聞等の報道によると、３０年以内に７０％程度の確率で起こるとされる南海トラフ沿いの巨大地震によって、東京、名古屋、大阪等の大都市に長周期地震動が到達し、建物に大きな被害を与えることが予測されている。長周期地震動は超高層ビルのみならず、免震建物にも被害を与えることが考えられる。
本発明の免震建物のように、通常の免震装置と、長周期地震用免震装置を併用すれば、通常の地震動に対する免震効果に加えて、長周期地震動による免震建物の共振を抑制する効果も得ることができる。

通常の免震建物の構成を示す。図１（Ａ）は正面図であり、図１（Ｂ）は平面断面図である。本発明の第１実施形態における、長周期地震用免震装置のみで支持された免震建物を示す。図２（Ａ）は正面断面図であり、図２（Ｂ）は平面断面図である。本発明の第１実施形態で用いられるガタ発生機構と、その下に取り付けられた長周期地震用積層ゴムを示す。図３（Ａ）は正面図、図３（Ｂ）は正面断面図を示し、図３（Ｃ）は平面図を示す。本発明の第１実施形態及び第２実施形態で用いられる、長周期地震用ダンパーの一例を示す。本例では、回転型の摩擦ダンパーが示されている。図４（Ａ）は正面図であり、図４（Ｂ）は平面図である。本発明の第１実施形態における、通常の免震装置と長周期地震用免震装置の両方で支持された、免震建物を示す。図５（Ａ）は正面断面図であり、図５（Ｂ）は平面断面図である。本発明の第１実施形態及び第２実施形態で用いられる、免震装置全体の抵抗力特性を示す。図６（Ａ）は全積層ゴムの合計の復元力特性を示し、図６（Ｂ）は長周期地震用ダンパー（摩擦ダンパー）のみの全摩擦力特性を示す。本発明の第２実施形態で用いられるガタ発生機構と、その下に取り付けられた長周期地震用積層ゴムを示す。図７（Ａ）はシャフト支持板を取り除いた場合の鳥瞰図、図７（Ｂ）は正面図であり、図７（Ｃ）は側面図である。本発明の第２実施形態における、通常の免震装置と長周期地震用免震装置の両方で支持された、免震建物を示す。図８（Ａ）は正面断面図であり、図８（Ｂ）は平面断面図である。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態に係わる免震建物１００を、図１乃至図６に基づいて説明する。

図１は、通常の免震建物の構成を示したものである。建物基礎部１ａ及び建物本体１ｂから成る免震建物１と地面２との間には、スペーサー７ａ乃至７ｄを介して複数の積層ゴム３乃至６が取り付けられており、更に、取付柱２１ａ乃至２１ｈを介して複数のダンパー２０ａ乃至２０ｈが取り付けられている。
高減衰積層ゴムや鉛入り積層ゴムを用いる場合には、ダンパー２０ａ乃至２０ｈは省略されることもある。

図２は、本発明の免震装置の主要部分である、長周期地震用免震装置のみを免震建物１に取り付けた場合を示している。免震建物の基礎部１ａは、平面内の任意の方向にεなるガタを発生する機構１２乃至１５を介して、複数の長周期地震用積層ゴム８乃至１１によって支持されている。加えて、複数の長周期地震用ダンパー１６乃至１９が、ガタ発生機構１２乃至１５と地面２との間に取り付けられている。

図３は、長周期地震用積層ゴム８にガタ発生機構１２を取り付けた状態を示している。図３（Ａ）は正面図、図３（Ｂ）は正面断面図を示し、図３（Ｃ）は平面図を示す。
長周期地震用積層ゴム８は、通常の免震装置における積層ゴムと同様に、上下両端の取付鋼板８ａ、８ｂと、複数のゴム板８ｃと、複数の鋼板８ｄと、を重ね合わせて接着したものである。
他の長周期地震用積層ゴム９乃至１１とガタ発生機構１３乃至１５の取付け状態も、図３と全く同様である。
長周期地震用積層ゴム８乃至１１を用いる代わりに、それぞれコイルばね（図示せず）を用いてもよい。

ガタ発生機構１２は、円形のフライパン状容器１２ａと、フライパン状容器の中を任意の水平方向に移動可能な円柱１２ｂと、円柱下面に取り付けた複数の接触子（鋼球を嵌め込んだ接触子）１２ｃと、円柱の回りに貼り付けた緩衝材１２ｄと、によって構成されている。フライパン状容器１２ａの内壁と緩衝材１２ｃとの間の隙間は、全ての方向においてεである。

図４は、長周期地震用ダンパーの一例として、回転式摩擦ダンパーの構造を示したものである。図４（Ａ）は正面図を示し、図４（Ｂ）は平面図を示す。この摩擦ダンパーは、上側のダンパー１７Ａと、下側のダンパー１７Ｂ及び左右両側のダンパー取付板１７ｎ、１７ｍとを備えている。上側のダンパー１７Ａは、回転式摩擦発生部１７ａと、両側のアーム１７ｂ、１７ｃと、アーム支持部１７ｄ、１７ｅと、によって構成されている。下側のダンパー１７Ｂも、上側のダンパー１７Ａと全く同じ構成となっている。ダンパー取付板１７ｎは地面２に固定され、ダンパー取付板１７ｍはガタ発生機構の円形フライパン状容器１２ａの外周に取り付けられる。
他の回転摩擦式ダンパー１６、１８、１９も、前記回転摩擦式ダンパー１７と全く同様な構造を持っている。

長周期地震用ダンパーは、図４に示した回転式摩擦ダンパーのみならず、普通にドアの上部に取り付けられる回転式オイルダンパー（ドアクローザー）や、通常の筒型オイルダンパー、あるいは筒型摩擦ダンパーであってもよい。

通常の免震装置３乃至６を、地面２と建物基礎部１ａの間に取り付けると共に、ガタ発生機構の円形フライパン状容器１２ａ乃至１５ａの下面を、地面に固着された長周期地震用積層ゴム８乃至１１の上部に固定し、ガタ発生機構の円柱１２ｂ乃至１５ｂの上面を建物基礎部１ａに取り付け、更に長周期地震動用ダンパー１６乃至１９を、ガタ発生機構の円形フライパン状容器１２ａ乃至１５ａの外周と地面２との間に取り付ければ、通常の地震動と長周期地震動の両方に有効な免震建物となる。

即ち、免震建物１が水平面内の任意の方向に振動する場合において、建物１の相対変位が±ε未満の時は、長周期地震用積層ゴム及びダンパーは作動せず、建物には、通常の免震装置のみが復元力と減衰力を与える。免震建物の共振により、任意の方向の相対変位が±εを超えると、建物には通常の免震装置に加えて長周期地震用免震装置が作動し、建物に漸硬型非線形復元力と漸硬型（階段状）摩擦力を与えて、共振を抑制する。

図５は、本発明の、通常の免震装置と長周期地震用免震装置から成る、新しい免震装置で支持された免震建物を示す。即ち、本免震建物１は、その基礎部１ａを、通常の免震装置３乃至６（ダンパー２０ａ乃至２０ｈは図示せず）と、長周期地震用免震装置（８、１２、１６）乃至（１１、１５、１９）と、によって支持されている。

図６は、本発明の免震装置が発生する、水平面内Ｘ方向の抵抗力特性を示したものである。図６（Ａ）は、Ｘ方向における相対変位（地面に対する相対変位）ｕと、全復元力Ｆｓの関係を示す。図６（Ａ）から、相対変位ｕが±εを超えると、全積層ゴムの合計のばね定数が、ｋ_１からｋ_２へと大きく変化することがわかる。
又、図６（Ｂ）は、Ｘ方向における相対変位ｕと、長周期地震用ダンパーの全摩擦力Ｆｃとの関係を示す。図６（Ｂ）から、ｕが±εを超えると、大きな摩擦力（減衰力）が作用することがわかる。免震建物が受ける全減衰力は、図６（Ｂ）の摩擦力に、通常の免震装置の減衰力を加えたものに等しい。
Ｘ方向以外の任意の方向でも、Ｘ方向と同じ復元力特性と減衰力特性を示す。

図５の免震建物に、通常の短周期成分が卓越した地震動が到来した時は、通常の免震装置によって、高い免震効果が得られる。又、免震建物の固有周期に近い卓越成分を含む長周期地震動が到来して、免震建物が共振し、相対変位がεを超えて大きく振動しようとすると、長周期地震用免震装置によって免震建物の固有周期が大きく減少し、減衰力が大きく増大して、共振が抑制されることになる。

［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態に係わる免震建物２００を、図６乃至図８に基づいて説明する。

図７は、長周期地震用積層ゴム８に、第１実施形態とは異なるタイプのガタ発生機構２２を取り付けた状態を示している。図７（Ａ）は鳥瞰図（ただし、シャフト両端の支持板２２ｄ、２２ｅは図示せず）を示し、図７（Ｂ）は正面図、図７（Ｃ）は側面図を示す。
長周期地震用積層ゴム８は、第１実施形態における積層ゴムと同様で、上下両端の取付鋼板８ａ、８ｂと、複数のゴム板８ｃと、複数の鋼板８ｄと、を重ね合わせて接着したものである。
他の長周期地震用積層ゴム９乃至１１とガタ発生機構２３乃至２５の取付け状態も、図７と全く同様である。
長周期地震用積層ゴム８乃至１１を用いる代わりに、それぞれコイルばね（図示せず）を用いてもよい。

ガタ発生機構２２は、Ｘ方向とＹ方向に幅のある長孔（平面的な幅のある長孔）を持った中空ブロック２２ａと、その長孔の表面に張られた厚さｔの緩衝材２２ｂと、長孔を挿通するシャフト２２ｃと、シャフトの両端部を支持する支持板２２ｄ、２２ｅと、によって構成されている。長孔の幅（即ち、中空ブロックの幅）は、ダンパーを取り付けるのに十分な寸法であればよく、長孔の奥行きは、＜シャフトの直径＋２ｔ＋２ε＞であり、長孔の高さは＜シャフトの直径＋２ｔ＞よりもわずかに大きければよい。又、シャフトの有効長さ（シャフト支持板間の内のり）は、＜中空ブロックの幅＋２ε＞である。
中空ブロック２２ａ乃至２５ａの下面は長周期地震用積層ゴム８乃至１１に固着され、シャフト支持板の上面は建物基礎部１ａに固着される。

図８は、第２実施形態における、本発明の免震装置で支持された免震建物を示す。即ち、本免震建物１は、その基礎部１ａを、通常の免震装置３乃至６（ダンパー２０ａ乃至２０ｈは図示せず）と、長周期地震用免震装置（８、２２、１６）乃至（１１、２５、１９）と、によって支持されている。

第２実施形態で用いる、長周期地震用免震装置のＸ・Ｙ方向の復元力特性及び摩擦力特性は、第１実施形態における長周期地震用免震装置の抵抗力特性と同様で、図６（Ａ）及び図６（Ｂ）で表される。
Ｘ・Ｙ方向共に、相対変位ｕが±εを超えると、全積層ゴムの合計のばね定数がｋ_１からｋ_２へと大きく変化し、加えて、大きな摩擦力（減衰力）が作用する。
これにより、免震建物の固有周期が大きく減少し、減衰力が大きく増大して、共振が抑制されることになる。
又、任意の方向からの地震動については、地震動及び建物の応答を、Ｘ方向成分とＹ方向成分に分解して考えればよい。Ｘ・Ｙ以外の方向では、ガタは±εよりも大きくなる。

図８の免震建物に、通常の短周期成分が卓越した地震動が到来した時は、通常の免震装置によって、高い免震効果が得られる。又、免震建物の固有周期に近い卓越成分を含む長周期地震動が到来して、免震建物が共振し、相対変位がガタを超えて大きく振動しようとすると、通常の免震装置と共に長周期地震用免震装置が作動して、免震建物の固有周期と減衰力が大きく変化し、共振が抑制されることになる。

本発明は、通常の地震動に対する免震効果のみならず、長周期地震動による共振を抑制する効果も備えた免震建物を実現するものであって、最近問題となっている、長周期地震動に対する対策として、実用化の可能性を有する。

１００‥‥第１実施形態における免震建物
２００‥‥第２実施形態における免震建物
１‥‥建物
１ａ‥‥建物基礎部
１ｂ‥‥建物本体
２‥‥地面（床）
３、４、５、６‥‥短周期地震（通常の地震）用積層ゴム
７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ‥‥積層ゴム取付け用スペーサー
８、９、１０、１１‥‥長周期地震用積層ゴム
１２（１２ａ乃至１２ｄ），１３（１３ａ乃至１３ｄ）、１４（１４ａ乃至１４ｄ）、１５（１５ａ乃至１５ｄ）‥‥第１実施形態におけるガタ発生機構
１６（１６Ａ、１６Ｂ）、１７（１７Ａ、１７Ｂ）、１８（１８Ａ、１８Ｂ）、１９（１９Ａ、１９Ｂ）‥‥長周期地震用ダンパー
２０ａ乃至２０ｈ‥‥短周期地震用ダンパー
２１ａ乃至２１ｈ‥‥短周期地震用ダンパー取付柱
２２（２２ａ乃至２２ｅ），２３（２３ａ乃至２３ｅ）、２４（２４ａ乃至２４ｅ）、２５（２５ａ乃至２５ｅ）‥‥第２実施形態におけるガタ発生機構

Claims

複数の積層ゴム若しくは複数の積層ゴムとダンパーから成る通常の短周期地震用免震装置と、
水平面内の任意の方向にガタを持つ複数のガタ発生機構と当該ガタ発生機構の各下面に固着される複数の積層ゴムとを備えた長周期地震用免震装置と、
により支持された免震建物であって、
前記ガタ発生機構を、円形のフライパン状容器と、当該フライパン状容器の中を任意の水平方向に移動可能な円柱と、当該円柱の下面に取り付けた複数の転がり接触子と、円柱の周囲に貼った緩衝材と、により構成したことを特徴とする免震建物。
請求項１に記載の免震建物において、ガタ発生機構と地面（床）の間に複数のダンパーを取り付けたことを特徴とする免震建物。
請求項１又は２に記載の免震建物において、前記円形フライパン状容器と緩衝材を貼った円柱と転がり接触子から成るガタ発生機構の代わりに、
前記ガタ発生機構を、緩衝材を貼った直方体状の孔を持つ中空ブロックと、直方体状の孔を挿通するシャフトと、シャフトの両端を支持し建物下面に固着される支持板と、により構成したことを特徴とする免震建物。
請求項１、２又は３に記載の免震建物において、長周期地震用積層ゴムの代わりに、コイルばねを用いたことを特徴とする免震建物。