JP2019007201A - 免震構造 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造で確実に免震機能を発揮させることが可能な免震構造を提供する。
【解決手段】基礎部と上部構造との間に設けられる免震構造１である。
すなわち、基礎部側に固定されて凹部２０を有する受け部２と、上部構造側に固定されて凹部の上に載せられる凸部３０を有する上支持部３とを備えている。また、凹部には、中央に球面状に形成される凹側球面２１と、その周囲に円錐面状に形成される凹側円錐面２２とが設けられており、凸部には、中央に凹側球面と同じ曲率に形成される凸側球面３１と、その周囲に形成される凹側円錐面と同じ勾配の凸側円錐面３２とが設けられている。そして、凸側円錐面の径方向の長さＳ２は、凹側円錐面の長さＵ２より短くなっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、杭やべた基礎などの基礎部と上部構造との間に設けられる免震構造に関するものである。

基礎梁やフーチングなどの上部構造と杭頭とを接続する際に、一方の接触面を凹状に成形し、他方の接触面を凸状に成形し、凹凸を嵌め合わせることで、杭頭をピン接合にする接合装置が知られている（特許文献１など参照）。

また、特許文献２に開示されているように、小規模の一般住宅用の免震用杭頭部材として、杭頭と上部構造に設けられた凹凸を嵌合させたものが開示されている。

特開２００３−２５３６８８号公報 特開２００３−２７５０２号公報

しかしながら、特許文献１に開示された接合装置では、ピン接合にすることによって地震時に杭頭に作用する曲げモーメントを低減することはできるが、杭頭と基礎梁との間には若干のすべり変形が許容されるだけなので、免震機能を発揮させることができない。

一方、特許文献２に開示された免震用杭頭部材は、凹凸の曲率が合致しているため、水平方向のすべりは起きないものと考えられる。このため、免震の接続構造となっているかは疑問が残る。

そこで、本発明は、簡単な構造で確実に免震機能を発揮させることが可能な免震構造を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の免震構造は、基礎部と上部構造との間に設けられる免震構造であって、前記基礎部側に固定されて凹部を有する受け部と、前記上部構造側に固定されて前記凹部の上に載せられる凸部を有する上支持部とを備え、前記凹部には、中央に球面状に形成される凹側球面と、その周囲に円錐面状に形成される凹側円錐面とが設けられており、前記凸部には、中央に前記凹側球面と同じ曲率に形成される凸側球面と、その周囲に形成される前記凹側円錐面と同じ勾配の凸側円錐面とが設けられており、前記凸側円錐面の径方向の長さは前記凹側円錐面より短いことを特徴とする。

ここで、前記凹部には、前記凹側円錐面の周囲に球面状に形成される凹側外縁球面が設けられ、前記凸部には、前記凸側円錐面の周囲に球面状に形成される凸側外縁球面が設けられている構成とすることができる。また、前記凹側外縁球面と前記凸側外縁球面の曲率は異なっている構成とすることができる。

さらに、前記凹部の外縁には中央側に張り出された凹側鍔部が設けられ、前記凸部の外縁には前記凹側鍔部の下面と面接触可能な上面が形成された凸側桟部が設けられている構成とすることができる。

このように構成された本発明の免震構造は、凹部に中央の凹側球面とその周囲の凹側円錐面とが設けられているとともに、凸部にも凸側球面とその周囲の凸側円錐面とが設けられる。そして、凸側円錐面の径方向の長さは凹側円錐面より短くなっている。

このように球面と円錐面とを組み合わせて凹凸を構成することによって、凹部の上に載せた凸部を滑らせることができるようになる。また、凸側円錐面の径方向の長さが凹側円錐面より短くなっていれば、その差分だけすべり変位が許容される。すなわち、簡単な構造で確実に免震機能を発揮させることができる。

また、凹側円錐面の周囲に球面状の凹側外縁球面を設けるとともに、凸側円錐面の周囲に球面状の凸側外縁球面を設けることで、すべり変位が大きくなり過ぎないように制限することができる。特に、凹側外縁球面と凸側外縁球面の曲率を異ならせることで、減衰機能を高めることができる。

さらに、凹部の外縁に凹側鍔部を設けるとともに、凸部の外縁に凸側桟部を設けることで、凸部がすべり変位を起こしたときでも、凸側桟部が凹側鍔部に接触することで、所望する以上の相対変位の発生を防ぐことが確実にできる。

本実施の形態の免震構造の構成を上下に分解して示した説明図である。 免震構造を構成する上支持部を説明する斜視図である。 免震構造を構成する受け部を説明する斜視図である。 免震構造の構成を説明する斜視図である。 杭頭に免震構造が設けられた構成を説明する断面図である。 本実施の形態の免震構造の動作を示した説明図である。 実施例の免震構造周辺の構成を説明する側面図である。 実施例の免震構造周辺の構成を説明する平面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１及び図２Ａ，２Ｂは、本実施の形態の免震構造１の構成を説明するために、受け部２と上支持部３とに分解して説明する図である。

また、図３，４は、本実施の形態の免震構造１の構成を説明する図である。本実施の形態の免震構造１が頭部に設けられる基礎部としての鋼管杭Ｐは、円筒形の鋼製管材によって形成される。

また、図４に示すように、鋼管杭Ｐの杭頭は、上部構造となる基礎梁Ｍに接続される。以下では、上部構造を基礎梁Ｍとして説明するが、フーチングや建物の床版などが上部構造であってもよい。

鋼管杭Ｐは、中空であってもよいが、内空にコンクリートを充填することもできる。また、鋼管杭Ｐには、例えば直径が200mm〜2500mm程度、好ましくは1500mm以上の鋼管などが使用できる。

基礎梁Ｍは、鋼管杭Ｐの上に載せられて下方から支持されることになるが、鋼管杭Ｐと基礎梁Ｍとの間には、本実施の形態の免震構造１が杭頭接続構造として設けられる。免震構造１を介して鋼管杭Ｐ上に設置された基礎梁Ｍは、地震時に鋼管杭Ｐとの間で相対変位（水平移動）が生じることになる。この相対変位を生じさせることによって、免震機能を発揮させることができる。

この免震構造１は、図４に示すように、鋼管杭Ｐ側に固定されて凹部２０を有する受け部２と、基礎梁Ｍ側に固定されて凹部２０の上に載せられる凸部３０を有する上支持部３とによって主に構成される。

詳細には、図１及び図２Ｂに示すように、受け部２の凹部２０には、中央に球面状に形成される凹側球面２１と、その周囲に円錐面状に形成される凹側円錐面２２と、さらに凹側円錐面２２の周囲に球面状に形成される凹側外縁球面２３とが設けられる。

凹側球面２１としては、杭軸Ｃを中心に曲率半径Ｕ１１で形成される球面が凹部２０の上面に形成される。凹側球面２１の中央には、上下方向に貫通する中心穴２８が穿孔される。この凹側球面２１の径方向の長さをＵ１とする。

また、凹側球面２１に隣接して環状に形成される凹側円錐面２２は、勾配をＵ２１とする直線状に傾斜した円錐面である。この凹側円錐面２２の径方向の長さ（幅）をＵ２とする。すなわち、凹側球面２１は、幅Ｕ２の円環状の凹側円錐面２２に囲まれることになる。

さらに、凹側円錐面２２に隣接して環状に形成される凹側外縁球面２３は、曲率半径Ｕ３１の球面が形成される。この凹側外縁球面２３の径方向の長さ（幅）をＵ３とする。

要するに、受け部２の凹部２０上面には、中心（杭軸Ｃ）から径方向に、曲率半径Ｕ１１の球面、勾配Ｕ２１の円錐面、曲率半径Ｕ３１の球面が連続して形成されることになる。

ここで、勾配Ｕ２１は、曲率半径Ｕ１１によって形成される球面（曲率）の接線の傾きより大きくなる。さらに、勾配Ｕ２１よりも、曲率半径Ｕ３１によって形成される球面（曲率）の接線の傾きの方が大きくなる。すなわち凹部２０は、中心から外縁に向けて徐々に立ち上がり勾配が大きくなっていく。

一方、上支持部３の凸部３０には、中央に球面状に形成される凸側球面３１と、その周囲に円錐面状に形成される凸側円錐面３２と、さらに凸側円錐面３２の周囲に球面状に形成される凸側外縁球面３３とが設けられる。

凸側球面３１としては、杭軸Ｃを中心に曲率半径Ｓ１１で形成される球面が凸部３０の下面に形成される。この凸側球面３１の曲率半径Ｓ１１は、凹側球面２１の曲率半径Ｕ１１と同じ（曲率が同じ）になる。また、凸側球面３１の径方向の長さＳ１は、凹側球面２１の径方向の長さＵ１と同じになる。

また、凸側球面３１に隣接して環状に形成される凸側円錐面３２は、勾配をＳ２１とする直線状に傾斜した円錐面である。この凸側円錐面３２の径方向の長さ（幅）をＳ２とする。この凸側円錐面３２の径方向の長さＳ２は、凹側円錐面２２の径方向の長さＵ２より短くなる。

さらに、凸側円錐面３２に隣接して環状に形成される凸側外縁球面３３は、曲率半径Ｓ３１の球面が形成される。この凸側外縁球面３３の径方向の長さ（幅）はＳ３となり、凹側外縁球面２３の径方向の長さＵ３より短くなる。

要するに、上支持部３の凸部３０の下面には、中心（杭軸Ｃ）から径方向に、曲率半径Ｓ１１の球面、勾配Ｓ２１の円錐面、曲率半径Ｓ３１の球面が連続して形成されることになる。

ここで、勾配Ｓ２１は、曲率半径Ｓ１１によって形成される球面（曲率）の接線の傾きより大きくなる。さらに、勾配Ｓ２１よりも、曲率半径Ｓ３１によって形成される球面（曲率）の接線の傾きの方が大きくなる。

そして、図２Ａに示すように、上支持部３の凸部３０の下面には、中心点３８から凸側球面３１及び凸側円錐面３２にわたって溝部３５Ａが設けられる。また、凸側外縁球面３３にも、溝部３５Ｂが設けられる。

一方、図２Ｂに示すように、受け部２の凹部２０の上面には、中心穴２８から凹側球面２１及び凹側円錐面２２にわたって溝部２５Ａが設けられる。また、凹側外縁球面２３にも、溝部２５Ｂが設けられる。

これらの溝部２５Ａ，２５Ｂ，３５Ａ，３５Ｂは、受け部２に上支持部３を重ねた際に、凹部２０と凸部３０との間に発生する結露水や外から浸入した水を中心穴２８から排出させるための排水経路となる。

ここで、受け部２と上支持部３とを重ねる際には、必要に応じてグリスなどの潤滑油を介在させる。また、凹部２０の上面及び凸部３０の下面の両方又はいずれか一方を、四フッ化樹脂などで滑面に加工しておくこともできる。

さらに、受け部２の凹部２０の外周縁には、凹側鍔部２４が設けられる。凹側鍔部２４は、中央（杭軸Ｃ）側に庇状に張り出される。そして、上支持部３の凸部３０の外周縁には、凸側桟部３４が設けられる。

凹側鍔部２４の下面は水平面に形成されており、凸側桟部３４の上面も同じく水平面に形成されている。そして、受け部２に対して上支持部３が相対的に大きく水平移動した場合は、凹側鍔部２４の下方に入り込んだ凸側桟部３４の上面が凹側鍔部２４の下面に面接触して、それ以上の移動が制限される。すなわち、ストッパ機能が発揮されることになる。

受け部２の凹部２０は、図２Ｂ及び図３に示すように、放射状に配置されたリブ部２６，・・・によって支持される。またリブ部２６，・・・は、円板状の底面部２７の上面に取り付けられる。

底面部２７は、例えば図４に示すように、２枚の鋼板２７１，２７２を重ねて製作することができる。例示として図示したように、周方向に間隔を置いて（例えばリブ部２６，２６間ごとに）配置されたボルト２７３とナットによって一体化させることができる。例えば、溶接によって下側の鋼板２７２を鋼管杭Ｐの上端面に接合させることで、簡単に受け部２を杭側に固定することができるようになる。

一方、上支持部３の凸部３０は、図２Ａ及び図３に示すように、放射状に配置されたリブ部３６，・・・を介して、円板状の上面部３７に取り付けられる。上面部３７は、例えば図４に示すように、２枚の鋼板３７１，３７２を重ねて製作することができる。

例示として図示したように、周方向に間隔を置いて（例えばリブ部３６，３６間ごとに）配置されたボルト３７３とナットによって一体化させることができる。例えば、基礎梁Ｍの下面に上側の鋼板３７２を接触さて共締めすることで、簡単に上支持部３を上部構造側に固定することができる。

次に、本実施の形態の免震構造１の動作について、図５を参照しながら説明する。

常時においては、受け部２の中心と上支持部３の中心は杭軸Ｃと一致して、凹部２０の上に凸部３０が載せられた状態になる。このとき、凹部２０の凹側球面２１と凸部３０の凸側球面３１とは合致している。また、凸部３０の凸側円錐面３２の範囲で、凹部２０の凹側円錐面２２と面接触している。

すなわち基礎梁Ｍ及びその上方の建物などの上載構造物の荷重は、凸側球面３１及び凸側円錐面３２の面接触によって、確実に受け部２及び鋼管杭Ｐに伝達される。この状態は、小規模の地震時も維持される。

そして、地震の揺れが大きくなると、凸部３０が凹部２０に対して相対変位する水平移動が起きる。通常は、凸側円錐面３２の外縁が凹側円錐面２２の外縁に達する移動距離Ｄ１までの移動が許容される。要するに、杭軸Ｃからの移動距離Ｄ２（＝Ｄ１）が正常に免震機能を発揮できる範囲となる。

一方、地震の揺れがさらに大きくなる大規模地震になると、凸部３０の凸側外縁球面３３が凹部２０の凹側外縁球面２３上を迫り上がり、凹側鍔部２４の下面に凸側桟部３４の上面が接触してそれ以上の横移動が阻止される。この大規模地震時の移動範囲が、制限距離Ｄ３となる。

そして、地震の揺れが収まると、凸部３０は中心が凹部２０の中心と一致するように振幅が徐々に収束し、杭軸Ｃと中心が一致する当初の受け部２と上支持部３との位置関係に自然に戻る。

次に、本実施の形態の免震構造１の作用について説明する。

このように構成された本実施の形態の免震構造１は、凹部２０に中央の凹側球面２１とその周囲の凹側円錐面２２とが設けられているとともに、凸部３０にも凸側球面３１とその周囲の凸側円錐面３２とが設けられる。そして、凸側円錐面３２の径方向の長さＳ２は、凹側円錐面２２の径方向の長さＵ２より短くなっている。

このように曲率が一致する凹側球面２１と凸側球面３１とを合致させることによって、常時や小規模地震時は、安定して建物を支持させることができる。また、凹側円錐面２２と凸側円錐面３２との接触であれば、直線を展開した面接触となるため、接触面積が広く支持力を確実に伝達させることができる。

さらに、凹側球面２１（凸側球面３１）に隣接して凹側円錐面２２（凸側円錐面３２）が設けられることによって、地震による揺れが大きくなったときに、凹部２０の上に載せた凸部３０を滑らせることができる。

そして、凸側円錐面３２の径方向の長さＳ２が凹側円錐面２２の径方向の長さＵ２より短くなっているので、その差分（移動距離Ｄ２）だけすべり変位が許容される。すなわち、簡単な構造で確実に免震機能を発揮させることができる。

また、凹側円錐面２２の周囲に球面状の凹側外縁球面２３を設けるとともに、凸側円錐面３２の周囲に球面状の凸側外縁球面３３を設けることで、円錐面間ではスムーズに行われた滑りが減速されて、すべり変位が大きくなり過ぎないように制限することができる。

特に、凹側外縁球面２３の曲率より凸側外縁球面３３の曲率を大きくして形状差を設けておくことで、減速効果が大きくなって、大きなすべり変位の発生を抑えることができる。

さらに、凹部２０の外縁に凹側鍔部２４を設けるとともに、凸部３０の外縁に凸側桟部３４を設けることで、大規模地震によって凸部３０が大きなすべり変位を起こしたときでも、凸側桟部３４が凹側鍔部２４に接触することで、所望する以上の相対変位の発生を防ぐことが確実にできる。

以下、前記した実施の形態の免震構造１の具体的な設置例について、図６Ａ，６Ｂを参照しながら説明する。なお、前記実施の形態で説明した内容と同一乃至均等な部分の説明については、同一用語又は同一符号を付して説明する。

この実施例では、Ｈ形鋼によって形成された基礎梁Ｍと鋼管杭Ｐとの間を、免震構造１によって接続する例について説明する。図６Ａは、免震構造１周辺の構成を説明する側面図で、図６Ｂは平面図である。

一つの設計例として、鋼管杭Ｐの杭径がφ216mmのときの免震構造１の構成は、次のようになる。まず、凹側球面２１及び凸側球面３１の曲率半径Ｕ１１，Ｓ１１はR=195mmで一致させる。また、凹側円錐面２２及び凸側円錐面３２の勾配Ｕ２１，Ｓ２１も10°（1:0.1736）で一致させる。

他方、凹側外縁球面２３の曲率半径Ｕ３１はR=70mmとし、凸側外縁球面３３の曲率半径Ｓ３１はR=36mmとする。この結果、相対変位可能な移動距離Ｄ２は60mmとなり、制限距離Ｄ３は24mmとなる。

この移動距離Ｄ２の60mmは、あくまで上記条件で計算した一例であって、受け部２の凹部２０の直径を大きくするなどによって、600mmの移動距離Ｄ２が許容されるようにもできる。

鋼管杭Ｐの上端面には、図６Ａに示すように、受け部２の底面部２７が載せられ、溶接によって両者は接合される。また、受け部２の凹部２０の上には、横方向の相対変位が可能となる状態で上支持部３が載せられる。すなわち凸部３０は、凹部２０の上に載っているだけで、両者は接合されていない。

そして、図６Ｂに示すように、上支持部３の上面部３７の上には、長方形（短冊状）の硬質ゴム層４が接続板４１を介して架け渡される。さらに、硬質ゴム層４の長手方向と軸方向（ウエブＭ２の延伸方向）を一致させた基礎梁Ｍが設置される。

上支持部３は接続板４１にボルト３７３（図４参照）などで連結され、接続板４１及び硬質ゴム層４は、基礎梁Ｍの下フランジＭ１にボルトやビスなどで固定される。

このような構成となる免震構造１は、一般住宅などの小規模建物に設けられる基礎梁Ｍと鋼管杭Ｐとの間にも簡単に介在させることができる。すなわち、免震機能の高い免震構造１を、簡単に一般住宅などに設けることができるようになる。

なお、他の構成及び作用効果については、前記実施の形態と略同様であるので説明を省略する。

以上、図面を参照して、本発明の実施の形態及び実施例を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施の形態及び実施例に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。

例えば、前記実施の形態又は実施例では、基礎部として杭である鋼管杭Ｐを例に説明したが、これに限定されるものではなく、既製のコンクリート杭や杭頭に鋼管が配置された耐震性のあるプレストレスト杭が基礎部であってもよい。また、場所打ちコンクリート杭の杭頭にも、本発明の免震構造を設けることができる。さらに、円柱状の丸杭だけではなく、角柱状の角杭にも適用することができる。

また、本発明の免震構造が設けられるのは、杭頭に限定されるものではない。例えば、べた基礎、マットスラブ又はマットベース上に免震構造を複数、配置して、その上にフーチングや地中梁など上部構造を設置することができる。すなわち、一般的なゴムシューなどの免震シューに代えて本発明の免震構造を設けることができる。

Ｐ 鋼管杭（基礎部）
Ｍ 基礎梁（上部構造）
１ 免震構造
２ 受け部
２０ 凹部
２１ 凹側球面
２２ 凹側円錐面
２３ 凹側外縁球面
２４ 凹側鍔部
３ 上支持部
３０ 凸部
３１ 凸側球面
３２ 凸側円錐面
３３ 凸側外縁球面
３４ 凸側桟部

Claims (4)

1. 基礎部と上部構造との間に設けられる免震構造であって、
   前記基礎部側に固定されて凹部を有する受け部と、
   前記上部構造側に固定されて前記凹部の上に載せられる凸部を有する上支持部とを備え、
   前記凹部には、中央に球面状に形成される凹側球面と、その周囲に円錐面状に形成される凹側円錐面とが設けられており、
   前記凸部には、中央に前記凹側球面と同じ曲率に形成される凸側球面と、その周囲に形成される前記凹側円錐面と同じ勾配の凸側円錐面とが設けられており、
   前記凸側円錐面の径方向の長さは前記凹側円錐面より短いことを特徴とする免震構造。
2. 前記凹部には、前記凹側円錐面の周囲に球面状に形成される凹側外縁球面が設けられ、
   前記凸部には、前記凸側円錐面の周囲に球面状に形成される凸側外縁球面が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の免震構造。
3. 前記凹側外縁球面と前記凸側外縁球面の曲率は異なっていることを特徴とする請求項２に記載の免震構造。
4. 前記凹部の外縁には中央側に張り出された凹側鍔部が設けられ、
   前記凸部の外縁には前記凹側鍔部の下面と面接触可能な上面が形成された凸側桟部が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の免震構造。