JP2021063586A - 免震システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、構造物に作用する地震荷重の急激な増加を抑制する免震システムを提供する。【解決手段】本発明の免震システムは、基礎と構造物との間に設置され、積層ゴムとすべり支承とを有し、構造物に作用する地震荷重を低減し、すべり支承は、平面形状は円形状で、断面形状が内側は凹形状及び外側は凸形状である摺動面を形成し、基礎に固定される摺動面形成部材と、構造物を支持し、地震時に、摺動面上を摺動し、構造物に固定される摺動部材と、を有する。【選択図】 図１

Description

本発明は、免震システムに関する。

タービンや圧延機などの機器や建築物などの構造物の耐震性能を高める手段として、免震システムがある。地震荷重を低減したい構造物の下に、免震システムを設置することにより、地震時に、免震システムが地震のエネルギーを吸収し、構造物に作用する地震荷重を低減する。

免震システムは、構造物を支持する支持性能、地震時に地震のエネルギーを吸収する減衰性能、地震時に発生する変位に対して元の位置に戻ろうとする復元性能、を有する免震装置で構成される。

代表的な免震装置としては、積層ゴム、鉛プラグ入り積層ゴム、すべり支承、転がり支承、オイルダンパ、鋼材ダンパ、コイルばねなどがあり、これらを組み合わせたものも含め、様々な免震システムが使用される。

そして、特に、積層ゴムは、薄いゴムと薄い鋼板との積層構造を有し、水平方向で低剛性及び鉛直方向で高剛性の力学特性を実現し、支持性能と復元性能とを有する。更に、鉛プラグ入り積層ゴムは、積層ゴムの積層方向に鉛柱を設置し、鉛柱の塑性変形により、履歴減衰が付与される免震装置である。

また、積層ゴムとすべり支承とを組み合わせた免震システムが提案されている。

こうした本技術分野の背景技術として、特開平９−２４２８１８号公報（特許文献１）がある。特許文献１には、弾性層と剛性板層とを交互に、かつ、複数層に積層する少なくとも一つ以上の積層ゴムと、少なくとも四つ以上の転がり支承と、によって、構造物を基礎上で水平方向に移動自在に支持する免震システムであって、少なくとも四つ以上の転がり支承を構造物の底面の外周部又はその近傍に設置すると共に、少なくとも一つ以上の積層ゴムを構造物の底面の内側かつ四つ以上の転がり支承によって囲まれる空間に設置する免震システムが記載されている（要約参照）。

特開平９−２４２８１８号公報

特許文献１には、積層ゴムと転がり支承とを組み合わせた免震システムが記載されている。

一方、積層ゴム（以下、鉛プラグ入り積層ゴムを含む）に過大な地震荷重が作用した場合には、積層ゴムが大きく変形し剛性が増加するハードニングが発生する。これにより、構造物に作用する地震荷重が急激に増加する場合がある。

しかし、特許文献１には、過大な地震荷重が作用した場合の積層ゴムのハードニングの発生による構造物に作用する地震荷重が急激に増加や、この地震荷重の急激な増加への対処については記載されていない。

そこで、本発明は、強大な地震動が作用した場合にも優れた免震性能を発揮する免震システムを提供する。

上記した課題を解決するため、本発明の免震システムは、基礎と構造物との間に設置され、積層ゴムとすべり支承とを有し、構造物に作用する地震荷重を低減する免震システムである。

そのすべり支承は、平面形状が円形状を、断面形状が内側は凹形状及び外側は凸形状である摺動面を形成し、基礎に固定される摺動面形成部材と、構造物を支持し、地震時に、摺動面上を摺動し、構造物に固定される摺動部材と、を有する。

本発明によれば、強大な地震動が作用する場合にも、構造物に入力する地震荷重の急激な増加を抑制することで優れた免震性能を発揮する免震システムを提供することができる。

なお、上記した以外の課題、構成及び効果については、下記する実施例の説明により、明らかにされる。

本実施例に記載する免震システムを説明する立面図である。 本実施例に記載する免震システムの多曲面すべり支承１を説明する斜視図である。 本実施例に記載する免震システムの多曲面すべり支承１を説明する平面図である。 本実施例に記載する免震システムの多曲面すべり支承１を説明する断面図である。 本実施例に記載する免震システムの（ａ）静止状態、（ｂ）設計レベルの地震荷重作用時の動作状態、（ｃ）設計超過レベルの地震荷重作用時の動作状態、を説明する断面図である。 本実施例に記載する免震システムの水平方向の力学特性を説明する水平荷重と水平変位との関係を説明する説明図である。 本実施例に記載する免震システムの平面配置を説明する説明図である。

以下、本発明の実施例を、図面を使用して説明する。なお、実質的に同一又は類似の構成には、同一の符号を付し、説明が重複する場合には、その説明を省略する場合がある。

まず、本実施例に記載する免震システムの構成を説明する。

図１は、本実施例に記載する免震システムを説明する立面図である。

本実施例に記載する免震システムは、地震時に、構造物３に作用する地震荷重を低減するものであり、多曲面すべり支承１と積層ゴム２とを有し、構造物３の下面と水平方向に設置される基礎４の上面との間（以下、この間を「免震層」と呼称する場合がある）に設置される。

積層ゴム２は、薄いゴムと薄い鋼板との積層構造を有する。積層ゴム２は、下部が基礎４の上面に固定され、上部が構造物３の下面に固定される。なお、積層ゴム２は、積層ゴム２の積層方向に鉛柱を設置する鉛プラグ入り積層ゴムであってもよい。

次に、本実施例に記載する免震システムの多曲面すべり支承１を説明する。

図２は、本実施例に記載する免震システムの多曲面すべり支承１を説明する斜視図、図３は、本実施例に記載する免震システムの多曲面すべり支承１を説明する平面図、図４は、本実施例に記載する免震システムの多曲面すべり支承１を説明する断面図、である。

多曲面すべり支承１は、図３に示すとおり平面形状が円形状であり、図４に示すとおり断面形状が内側は凹形状８及び外側は凸形状９である摺動面６を形成し、基礎４に固定される摺動面形成部材１０と、構造物３を支持し、地震時に、摺動面６上を摺動し、構造物３に固定される摺動部材５と、を有する。摺動面形成部材１０は、凹形状８及び凸形状９を有する摺動面６と、平面に形成される底面と、を有する。そして、凹形状８と凸形状９とは接続され、一連の滑らかな面として、形成される。

ここで、本実施例のすべり支承の摺動面は、断面形状が単純な凹形状ではなく、凹形状８及び凸形状９を有するため、「多曲面すべり支承１」と呼称する。

多曲面すべり支承１は、摺動面形成部材１０の底面が基礎４に固定され、摺動面６上を摺動部材５が摺動する。また、多曲面すべり支承１は、摺動部材５の一端が構造物３に固定され、摺動部材５の他端が摺動面６上を摺動する。

また、多曲面すべり支承１は、摺動面形成部材１０の外周部に、摺動部材５の摺動を静止する静止部材７を有する。つまり、静止部材７は、摺動部材５の変位を抑制する。

次に、図５を用いて本実施例に記載する免震システムの動作について説明する。

図５は、本実施例に記載する免震システムの（ａ）静止状態、（ｂ）設計レベルの地震荷重作用時の動作状態、（ｃ）設計超過レベルの地震荷重作用時の動作状態、を説明する断面図である。

図５では、１基の多曲面すべり支承１とその両側に２基の積層ゴム２とを免震層に設置した場合を示している。

積層ゴム２は、その上部が構造物３に固定され、その下部が基礎４に固定される。
多曲面すべり支承１の摺動部材５は、構造物３に固定され、摺動面形成部材１０は、基礎４に固定される。

図５（ａ）は、地震荷重が作用していない静止状態（初期状態）を示しており、初期状態では、多曲面すべり支承１は、摺動部材５が摺動面６の中心（円形状の中心、かつ、凹形状８の中心）に位置するよう設置される。また、積層ゴム２は、せん断変形せず、上部と下部との間で変位は発生していない。

図５（ｂ）は、設計レベルの地震荷重が作用している動作状態を示す。地震荷重が作用することにより、構造物３が紙面右側（水平方向）に変位（基礎４が紙面左側（水平方向）に変位）する。

図５（ｂ）の状態では、多曲面すべり支承１は、摺動部材５が凹形状８の範囲で摺動する。また、この状態では、積層ゴム２は、せん断変形し、上部と下部との間で水平方向に変位が発生する。

図５（ｂ）の状態では摺動部材５が凹形状８の範囲で摺動しており、多曲面すべり支承１には、多曲面すべり支承１が構造物３を支持することにより発生する軸力と摺動部材５と摺動面６との間の摩擦（摺動摩擦）によって発生する抵抗力が作用することで、多曲面すべり支承１は、減衰性能を発揮する。

図５（ｃ）は、設計超過レベルの地震荷重が作用した場合の動作状態を示す。ここで、設計超過レベルとは、通常の設計で想定する地震レベルを超えた地震が作用する場合であり、こうした場合であっても、安全性の観点からは可能な限り構造物３の地震応答が低減されることが望ましい。

図５（ｃ）の状態では図５（ｂ）の地震荷重よりも大きな地震荷重が作用することにより、構造物３が紙面右側（水平方向）に、図５（ｂ）よりも大きく変位（基礎４が紙面左側（水平方向）に、図５（ｂ）よりも大きく変位）する。

図５（ｃ）の状態では、多曲面すべり支承１は、摺動部材５が凸形状９の範囲まで摺動する。また、この状態では、積層ゴム２はせん断変形し、上部と下部との間で水平方向に、図５（ｂ）よりも大きい変位が発生する。

次に、本実施例に記載する免震システムの水平方向の力学特性について図６を用いて説明する。

図６の左側図は、積層ゴム２の水平荷重と水平変位との関係を示し、図６の中央図は、多曲面すべり支承１の水平荷重と水平変位との関係を示し、図６の右側図は、積層ゴム２と多曲面すべり支承１との水平荷重と水平変位との関係を合計した免震システムとしての、水平荷重と水平変位との関係を示しており、それぞれの水平荷重と水平変位との関係が剛性である。

図６の中に示す変位量として、Ｄ１が線形限界変位（積層ゴムの剛性は一定となる上限の変位）、Ｄ２が損傷限界変位（積層ゴムが過大変形し損傷する変位）を示す。

また、多曲面すべり支承１は、実際には、動作時に摺動摩擦による抵抗力が発生するが、図６の中央図に示す水平荷重と水平変位の関係では、分かり易く説明するため、動作時に発生する摺動摩擦による抵抗力を除いて示す。

さらに、図６の左側図に示す積層ゴム２の水平荷重と水平変位との関係は、簡単化のため、線形限界変位Ｄ１までの線形剛性と、線形限界変位Ｄ１から損傷限界変位Ｄ２までのハードニングが発生し剛性が増加している２つの剛性で示されるものとする。

それに対して、図６の右側図に示す本発明の免震システムの水平荷重と水平変位との関係では、線形限界変位Ｄ１を超えて、損傷限界変位Ｄ２までの範囲で、一定の剛性を有する。本実施例に示す免震システムでこのような力学特性が得られるように多曲面すべり支承１の特性が設定される。

図６の中央図に示す多曲面すべり支承１の水平荷重と水平変位との関係では、多曲面すべり支承１は、線形限界変位Ｄ１までの範囲で正の剛性（正の傾き）を有し、線形限界変位Ｄ１を超えた範囲では、積層ゴム２の剛性の増加分を相殺するように逆向きの負の剛性（負の傾き）を有する。

積層ゴムが構成に含まれる従来の免震システムでは、設計超過レベルの強大な地震が作用した場合には、ハードニングが発生し、構造物３に伝達される地震荷重が増大し、構造物３に作用する地震荷重が急激に増加する。それに対して、本実施例に示す免震システムでは、線形限界変位Ｄ１を超えた範囲でも剛性が変化しないため、設計超過レベルの強大な地震が作用する場合であっても、構造物３に作用する地震荷重の急激な増加を抑制することができる。

また、多曲面すべり支承１は、線形限界変位Ｄ１までの範囲で、摺動面６が凹形状８となっていることで正の剛性を有し、線形限界変位Ｄ１までの範囲で免震システムの剛性の一部を負担する。それによって、積層ゴム２に付与すべき剛性を小さくすることができる。

線形限界変位Ｄ１を超えた範囲における積層ゴム２の剛性は、ハードニングを生じることで線形限界変位Ｄ１までの範囲における積層ゴム２の剛性から増大するため、上述した線形限界変位Ｄ１までの範囲で積層ゴム２に付与すべき剛性を小さくすることによって線形限界変位Ｄ１を超えた範囲の積層ゴム２の剛性の増加分を小さくすることができる。

さらに、線形限界変位Ｄ１を超えた範囲で、積層ゴム２の剛性の増加分が小さくなることで、積層ゴム２の剛性の増加分に対応して多曲面すべり支承１の凸形状９として付与する剛性も小さくすることができ、免震システムを合理的に構成することができる。

このように、本実施例によれば、積層ゴム２と多曲面すべり支承１の組み合わせとして合理的な免震システムの構成が可能であり、配置性に優れた免震システムを提供することができる。

次に、多曲面すべり支承１の水平荷重と水平変位との関係を具現化するための凹形状８及び凸形状９の設定方法を説明する。

多曲面すべり支承１の剛性Ｋは、支持する重量Ｗと摺動面の曲率半径Ｒを用いて（１）式のとおり求められる。

Ｋ＝Ｗ／Ｒ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）
（１）式に基づいて、凹形状８の曲率半径Ｒないし凸形状９の曲率半径Ｒを積層ゴム２の剛性と組み合わせて、免震システムの剛性が得られるように設定する。

例えば、簡単化のために1基の多曲面すべり支承１と1基の積層ゴム２で構成される免震システムを考えた場合、線形限界変位Ｄ１までの範囲における積層ゴム２の剛性をＫ２１、線形限界変位Ｄ１を超えた範囲における積層ゴム２の剛性をＫ２２、免震システムの剛性をＫ００、線形限界変位Ｄ１までの範囲における多曲面すべり支承１の剛性をＫ１１、線形限界変位Ｄ１を超えた範囲における多曲面すべり支承１の剛性をＫ１２（負の剛性）、とするとＫ１１は、Ｋ００−Ｋ２１で求まり、Ｋ１２は、Ｋ００−Ｋ２２で求まる。そして、凹形状８の曲率半径Ｒは、Ｗ／Ｋ１１で求まり、凸形状９の曲率半径Ｒは、Ｗ／Ｋ１２で求まる。

また、本実施例の多曲面すべり支承１は摺動面形成部材１０の外周部に静止部材７を有することで、静止部材７がない場合には免震システムが損傷限界変位Ｄ２を超えて変形するような強大な地震荷重が作用する場合であっても、多曲面すべり支承１で摺動部材５が静止部材７に接触して損傷限界変位Ｄ２以上の変位が抑制されることで、積層ゴム２の損傷を抑制することができる。

なお、構造物３の重量は免震システムを構成する多曲面すべり支承１および積層ゴム２がそれぞれ支持するため、多曲面すべり支承１ないし積層ゴム２の組み合わせの数量を変更することにより多曲面すべり支承１の1基あたりの支持重量Ｗを調整可能である。

本実施例では２つの剛性を有する積層ゴム２と多曲面すべり支承１とを組み合せた場合を示したが、本発明はこの組み合せに限定されるものではなく、例えば、連続的に剛性が変化する免震装置と多曲面すべり支承１とを組み合せて使用してもよい。

その場合には、組み合わせる免震装置の剛性変化に応じて、摺動面６の断面形状を設定することにより、地震荷重の低減に有効な力学特性を有する免震システムを構築することができる。

さらに、本実施例では、一定の剛性を有する免震システムを示したが、本発明は一定の剛性を有する免震システムに限定されるものではない。本発明によれば摺動面６の断面形状を変更することで構造物３に作用する地震荷重の低減に有効な力学特性を設定することが可能である。

次に、本実施例の免震システムの地震後の動作について説明する。

図５（ｂ）に示す動作状態では、積層ゴム２及び多曲面すべり支承１は、共に、正の剛性を有しており、地震後には復元力により図５（ａ）の初期状態に復旧可能である。

図５（ｃ）に示す動作状態では、積層ゴム２は正の剛性を有しており、多曲面すべり支承１は負の剛性を有している。多曲面すべり支承１が負の剛性を有しているが、免震システム全体では正の剛性を有していることから復元力が作用し、図５（ａ）の初期状態に復旧可能である。

次に、本実施例に記載する免震システムの平面配置を説明する。

図７は、本実施例に記載する免震システムの平面配置である。図７では、免震層に、８基の多曲面すべり支承１と１１基の積層ゴム２とを設置しており、多曲面すべり支承１が積層ゴム２の外側（免震層の外側）に設置される。

図７の配置例では、比較的に軸方向の耐力が小さい積層ゴム２が内側に配置されることで鉛直地震動や水平地震動が作用することで生じるロッキング挙動によって免震システムに軸力変動が作用する場合において、免震システムの損傷を防止することができる。

なお、本実施例は、図7の平面配置に限定されるものではなく、多曲面すべり支承１や積層ゴム２の基数を変更した場合にも、外周部側に多曲面すべり支承１を配置することで、積層ゴム２に作用する軸力変動を低減することができる。

本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために、具体的に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を有するものに限定されるものではない。

また、ある実施例の構成の一部を、他の実施例の構成の一部に置換することもできる。あるいは、ある実施例の構成に他の実施例の構成を追加することもできる。あるいは、各実施例の構成の一部について、それを削除し、他の構成の一部を追加し、他の構成の一部と置換することもできる。

例えば、積層ゴム１の代わりに、弾性すべり支承、リニアガイド、コイルばねなどの免震装置を、多曲面すべり支承１と組み合わせることもできる。この場合、組み合わせる免震装置の力学特性に応じて、多曲面すべり支承１の摺動面６の断面形状を設定することで、構造物３に作用する地震荷重を低減することができる。

さらに、多曲面すべり支承１と積層ゴム２との組み合わせに、オイルダンパ、鋼材ダンパなどの減衰部材を追加することもできる。これにより、効果的に免震応答特性を調整することができ、優れた地震応答低減効果が発揮される。

１…多曲面すべり支承
２…積層ゴム
３…構造物
４…基礎
５…摺動部材
６…摺動面
７…静止部材
８…凹形状
９…凸形状
１０…摺動面形成部材

Claims (5)

1. 基礎と構造物との間に設置され、積層ゴムとすべり支承とを有し、構造物に作用する地震荷重を低減する免震システムであって、
   前記すべり支承は、平面形状が円形状を、断面形状が内側は凹形状及び外側は凸形状である摺動面を形成し、前記基礎に固定される摺動面形成部材と、前記構造物を支持し、地震時に、摺動面上を摺動し、前記構造物に固定される摺動部材と、を有することを特徴とする免震システム。
2. 請求項１に記載する免震システムであって、
   前記すべり支承は、前記摺動面形成部材の外周部に、前記摺動部材の摺動を静止する静止部材を有することを特徴とする免震システム。
3. 請求項１〜２のいずれか一つに記載する免震システムであって、
   前記凹形状の半径が、前記積層ゴムの線形限界変位と同一であり、前記凸形状の半径が、前記積層ゴムの損傷限界変位より小さいことを特徴とする免震システム。
4. 請求項１〜３のいずれか一つに記載する免震システムであって、
   前記積層ゴムの線形限界変位を超えた範囲で、前記すべり支承は、前記積層ゴムの剛性の増加分を相殺するような剛性を有することを特徴とする免震システム。
5. 請求項１〜４のいずれか一つに記載する免震システムであって、
   前記すべり支承が、前記積層ゴムの外側に設置されることを特徴とする免震システム。

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