JP2022085697A - 免震装置およびこれを備えた免震構造物 - Google Patents

Abstract

【課題】免震構造に対して原点復帰機能、フェールセーフ機能、ロック機能を付加することができる免震装置およびこれを備えた免震構造物を提供する。
【解決手段】上部構造物１２と下部構造物１４との間の免震層１６に設けられる免震装置１０であって、上部構造物１２に一端側が連結されるとともに水平方向に延びるケーブル２２と、ケーブル２２の中間部に係合してケーブル２２に張力を付与可能であるとともにケーブル２２を介して上部構造物１２を牽引可能なジャッキ２４と、ジャッキ２４を下部構造物１４に固定するための反力架台２６と、ケーブル２２の他端側に設けられた緩衝部２８とを備えるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、免震装置およびこれを備えた免震構造物に関するものである。

従来、免震構造の建築物では、免震層の剛性を小さくして、固有周期の長大化を図っているが、極希な地震時に比べて発生頻度の高い小地震や強風などの外乱によって、居住者にとり、有意な振動が発生する場合がある。そのため、鋼材ダンパーや鉛プラグ入り積層ゴムのような免震部材の初期剛性により、そのような比較的小さな外乱に対しては振動を抑制し、大地震に対しては、それらの部材が塑性化することにより、全体系の長周期化と減衰性を確保する手法が採られている。しかし、そうした場合でも、大地震の後には、それらの部材に塑性化による残留変形が生じ、上部構造が原点に戻らないという問題があった。

また、近年、設計用入力地震動を上回る地震動の発生の可能性が指摘されており、そのような地震動が生じた場合、免震層が擁壁などに衝突して、衝撃的な反力が発生することにより、擁壁の破壊や上部構造に過大な応答が生じることが懸念されている。また、免震構造が超高層建築物に用いられる場合には、極希な風荷重が相応に大きなものとなり、その平均成分に対しても、免震層の変形を弾性範囲に留めたいというニーズがあるが、その対応は必ずしも容易でなかった。

一方、大変形を許容する従来の免震構造として、例えば特許文献１に記載のものが知られている。この特許文献１の免震構造は、構造物をすべり支承、転がり支承、もしくは積層ゴム系支承で支え、構造物の底面の免震層もしくは外周部に、水平２方向にケーブルを張り、そのケーブルの端部を地盤側に固定し、その中間部を軸方向にスライド可能かつ軸直交方向に反力を伝達可能に構造物に対して連結したものである。

特開２００６－１６８８８号公報

しかし、上記の従来の特許文献１に記載の免震構造は、大地震後に免震層に生じる残留変位を解消する原点復帰機能や、設計用入力地震動を上回る入力があった場合に免震層の過大な変形を抑制するフェールセーフ機能、強風その他、免震効果を期待しない際に免震層の剛性を高めるロック機能を有していない。このため、免震構造に対して原点復帰機能、フェールセーフ機能、ロック機能を付加することができる免震装置が求められていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、免震構造に対して原点復帰機能、フェールセーフ機能、ロック機能を付加することができる免震装置およびこれを備えた免震構造物を提供することを目的とする。

上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る免震装置は、上部構造物と下部構造物との間の免震層に設けられる免震装置であって、上部構造物に一端側が連結されるとともに水平方向に延びるケーブルと、ケーブルの中間部に係合してケーブルに張力を付与可能であるとともにケーブルを介して上部構造物を牽引可能なジャッキと、ジャッキを下部構造物に固定するための反力架台と、ケーブルの他端側に設けられた緩衝部とを備えることを特徴とする。

また、本発明に係る他の免震装置は、上述した発明において、一つの水平方向に対して、上記の免震装置を２台一組として線対称の位置に配置したことを特徴とする。

また、本発明に係る他の免震装置は、上述した発明において、ジャッキは、反力架台に設置されたセンターホールジャッキであり、ケーブルは、反力架台およびセンターホールジャッキの貫通孔に挿通配置され、ケーブルの他端側に設けられた緩衝部とセンターホールジャッキとの間には、免震層の過大な変形を抑制するための隙間が設けられていることを特徴とする。

また、本発明に係る他の免震装置は、上述した発明において、反力架台の貫通孔の開口角部に、貫通孔の奥側から開口側へ向けて次第に拡径するラッパ形状のテーパー部が形成されていることを特徴とする。

また、本発明に係る免震構造物は、上述した免震装置を備えることを特徴とする。

本発明に係る免震装置によれば、上部構造物と下部構造物との間の免震層に設けられる免震装置であって、上部構造物に一端側が連結されるとともに水平方向に延びるケーブルと、ケーブルの中間部に係合してケーブルに張力を付与可能であるとともにケーブルを介して上部構造物を牽引可能なジャッキと、ジャッキを下部構造物に固定するための反力架台と、ケーブルの他端側に設けられた緩衝部とを備えるので、水平方向片側について、大地震後に免震層に生じる残留変位を解消する原点復帰機能、設計用入力地震動を上回る入力があった場合に免震層の過大な変形を抑制するフェールセーフ機能、強風その他、免震効果を期待しない際に免震層の剛性を高めるロック機能を付加することができるという効果を奏する。

また、本発明に係る他の免震装置によれば、一つの水平方向に対して、上記の免震装置を２台一組として線対称の位置に配置したので、水平方向両側について、原点復帰機能、フェールセーフ機能、ロック機能を付加することができるという効果を奏する。

また、本発明に係る他の免震装置によれば、ジャッキは、反力架台に設置されたセンターホールジャッキであり、ケーブルは、反力架台およびセンターホールジャッキの貫通孔に挿通配置され、ケーブルの他端側に設けられた緩衝部とセンターホールジャッキとの間には、免震層の過大な変形を抑制するための隙間が設けられているので、地震後にセンターホールジャッキでケーブルを介して上部構造物を原位置まで牽引することによって、免震層に生じた残留変位を解消することができる。また、地震時の上部構造物の運動で緩衝部がセンターホールジャッキに衝突することによって、免震層の過大な変形を抑制することができる。また、センターホールジャッキでケーブルに張力を付与することによって、免震層の剛性を高めることができる。

また、本発明に係る他の免震装置によれば、反力架台の貫通孔の開口角部に、貫通孔の奥側から開口側へ向けて次第に拡径するラッパ形状のテーパー部が形成されているので、地震時に上部構造物が水平方向に直交する方向に運動すると、上部構造物に続くケーブルは反力架台の開口角部のテーパー部に沿って変位する。このため、ケーブルが反力架台の開口角部で急激に折れ曲がって損傷する事態を防ぐことができるという効果を奏する。

また、本発明に係る免震構造物によれば、上述した免震装置を備えるので、原点復帰機能、フェールセーフ機能、ロック機能を有する免震構造物を提供することができるという効果を奏する。

図１は、本発明に係る免震装置およびこれを備えた免震構造物の実施の形態を示す図であり、（１）は側断面図、（２）は（１）のＡ－Ａ線に沿った断面図である。 図２は、本発明に係る免震装置およびこれを備えた免震構造物の実施の形態を示す側断面図である。 図３は、上部構造物が左に動いた場合の説明図である。 図４は、上部構造物が右に動いた場合の説明図である。 図５は、上部構造物が左右と奥行き方向に動いた場合の説明図である。 図６は、ジャッキにて牽引した場合の説明図である。 図７は、本発明に係る免震装置およびこれを備えた免震構造物の実施例を示す平面図である。

以下に、本発明に係る免震装置およびこれを備えた免震構造物の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１に示すように、本実施の形態に係る免震装置１０は、上部構造物１２と下部構造物１４との間の免震層１６に対して設けられる。免震層１６には、図示しない鋼材ダンパーや鉛プラグ入り積層ゴムのような免震部材が複数配置されている。本実施の形態に係る免震構造物１００は、上部構造物１２と下部構造物１４と免震装置１０を備えた構造物である。

免震装置１０は、上部構造物１２の下側に突出する凸部１８の角に設けた連結部２０に一端側が連結されるとともに水平方向に延びるワイヤーケーブル２２（ケーブル）と、センターホールジャッキ２４（ジャッキ）と、反力架台２６と、ワイヤーケーブル２２の他端側に設けられた緩衝部２８とを備える。

ワイヤーケーブル２２は、反力架台２６およびセンターホールジャッキ２４の貫通孔３４、３０に挿通配置される。ワイヤーケーブル２２の他端側は、センターホールジャッキ２４の外側右方に位置している。ワイヤーケーブル２２の他端側の緩衝部２８とセンターホールジャッキ２４との間には、免震層１６の過大な変形を抑制するための隙間４０（クリアランス）が設けられている。

センターホールジャッキ２４は、遠隔操作によりワイヤーケーブル２２の中間部に係合してワイヤーケーブル２２に張力を付与可能であるとともに、ワイヤーケーブル２２を介して上部構造物１２を牽引可能なジャッキである。本実施の形態では、２台のセンターホールジャッキ２４を水平方向に直列に配置したものを用いている。センターホールジャッキ２４には、ワイヤーケーブル２２を挿通配置するための水平方向の貫通孔３０が設けられている。貫通孔３０はワイヤーケーブル２２の直径に対して充分な余裕を確保した大きさである。センターホールジャッキ２４は、反力架台２６の右側に固定したジャッキ受け３２に設置される。ジャッキ受け３２は溝形鋼で構成することができる。この構成によれば、地震後にセンターホールジャッキ２４でワイヤーケーブル２２を介して上部構造物１２を原位置まで牽引することによって、免震層１６に生じた残留変位を解消することができる。また、センターホールジャッキ２４でワイヤーケーブル２２に張力を付与することによって、免震層１６の剛性を高めることができる。

反力架台２６は、センターホールジャッキ２４の反力を確保するためのものであり、下部構造物１４の上面に固定される。反力架台２６は、直方体状のコンクリートブロックで構成することができる。反力架台２６の内部には、ワイヤーケーブル２２を挿通配置するための水平方向の貫通孔３４が設けられている。貫通孔３４はワイヤーケーブル２２の直径に対して充分な余裕を確保した大きさである。貫通孔３４の左側の開口角部３６には、貫通孔３４の奥側から開口側へ向けて緩やかに拡径するラッパ形状のテーパー部３８が形成されている。このテーパー部３８は、上部構造物１２が水平方向に直交する方向に運動しても支障の無いように設けられる。より具体的には、図５に示すように、地震時に上部構造物１２が水平方向に直交する方向に運動すると、上部構造物１２に続くワイヤーケーブル２２は反力架台２６の開口角部３６のテーパー部３８に沿って変位する。これにより、ワイヤーケーブル２２が反力架台２６の開口角部３６で急激に折れ曲がって損傷する事態を防ぐことができる。

緩衝部２８は、ワイヤーケーブル２２の他端側に設けられるものであり、衝撃緩衝材４２と留め金４４とからなる。衝撃緩衝材４２は、例えばゴムなどの緩衝材料により構成することができる。地震時の上部構造物１２の運動で緩衝部２８がセンターホールジャッキ２４に衝突することによって、免震層１６の過大な変形を抑制することができる。

この免震装置１０は、ワイヤーケーブル２２に対し水平方向の片側だけに張力を付与可能である。したがって、免震構造に対する配置にあっては、図２のように、互いに反対方向に張力を付与可能な免震装置１０を２台１組として用いることが望ましい。なお、図２の例では、２台の免震装置１０を鉛直線に関して線対称の位置に配置した場合を示している。また、ワイヤーケーブル２２に対する張力付与方向を左側の免震装置１０では左側方向とし、右側の免震装置１０では右側方向とする場合を図示しているが、張力付与方向は互いに逆に設定してもよい。

上記構成の動作および作用について説明する。
常時においては、免震装置１０は、免震層１６に備わる図示しない免震部材に対し、何らその動きを阻害しない。この場合、図３、図４、図５に示すように、ワイヤーケーブル２２は上部構造物１２の挙動に追随する。

一方、免震装置１０を作動させる場合は、図６に示すように、センターホールジャッキ２４を所要のストロークないしは荷重まで伸張させる。原点復帰機能、フェールセーフ機能、ロック機能の各機能は、以下の動作により実現される。

まず、大地震後に免震層１６に生じる残留変位を解消する原点復帰機能については、センターホールジャッキ２４でワイヤーケーブル２２を介して荷重Ｑｙ（免震層１６の降伏荷重）にて上部構造物１２を原位置まで牽引する。これにより、原点復帰機能を発揮することができる。

設計用入力地震動を上回る入力があった場合に免震層１６の過大な変形を抑制するフェールセーフ機能については、図３の状態がさらに進み、センターホールジャッキ２４とワイヤーケーブル２２間の隙間４０が無くなると、ワイヤーケーブル２２の他端側が緩衝部２８を介してセンターホールジャッキ２４の後端に荷重Ｑｆ（所要の衝撃反力）にて衝突することで、上部構造物１２の動きが抑止される。これにより、フェールセーフ機能を発揮することができる。

強風その他、免震効果を期待しない際に免震層１６の剛性を高めるロック機能については、図６に示すように、センターホールジャッキ２４でワイヤーケーブル２２に引張力Ｑｗ（所要の固定用荷重）を与え、上部構造物１２を固定する。これにより、ロック機能を発揮することができる。

Ｑｙ、Ｑｆ、Ｑｗおよびワイヤーケーブルの許容荷重も、設計想定により様々な値があり得るが、一例を示すと次のとおりである。通常、Ｑｙは免震層１６の降伏荷重であり、自重の数％と小さく、ワイヤーケーブル２２は弾性範囲で計画することができる。Ｑｆは上部構造物１２の運動に急停止を生じせしめる反力である。極希な事象と考えられ、ワイヤーケーブル２２は塑性化を許容できるが、継続使用する場合には、ワイヤーケーブル２２を交換すればよい。Ｑｗは上部構造物１２の風荷重条件によっては非常に大きいことがあり、風荷重が長時間継続する点を考慮すると弾性範囲で計画するのが好ましい。

なお、一つの水平方向に対して、少なくとも線対称の位置に２台の免震装置１０を必要とするので、水平２方向には４台の免震装置１０が必要である。所要の荷重に対して、ワイヤーケーブル２２、連結部２０、センターホールジャッキ２４の載荷能力その他の制約から、必要な台数を選定することが好ましい。

本実施の形態によれば、免震構造に対して、大地震後に免震層１６に生じる残留変位を解消する原点復帰機能、設計用入力地震動を上回る入力があった場合に免震層１６の過大な変形を抑制するフェールセーフ機能、強風その他、免震効果を期待しない際に免震層１６の剛性を高めるロック機能を付加することができる。なお、台風などの強風は事前に予測できる。また、本実施の形態に係る免震構造物１００によれば、原点復帰機能、フェールセーフ機能、ロック機能を有する免震構造物を提供することができる。

（実施例）
次に、本発明の実施例について説明する。
図７に示すように、本実施例で対象とする免震構造は、平面規模を４０ｍ×４０ｍとし、高層ビルの中間層免震部分とする。上部構造物１２は１６階建てとし、設計用入力地震動による変位を４５０ｍｍと想定している。免震層１６には、鉛プラグ入り積層ゴムからなる免震部材４６が格子点状に２５箇所配置され、本実施例の免震装置１０が２台１組として水平２方向に３組ずつ合計１２台配置される。免震層１６の降伏荷重は７０００ｋＮ（上部構造の４％程度）とし、極希な地震により生じる残留変位を３０ｍｍとする。設計用入力地震動を上回る地震動に対して、免震層１６の変位を６００ｍｍに抑えるものとし、その際の衝撃力を１２０００ｋＮとする。また、到来が事前に予測できる極希な強風に対して、水平力１４０００ｋＮで上部構造物１２を固定するものとする。

以上から、免震装置１０におけるワイヤーケーブル２２の隙間４０（クリアランス）を６００ｍｍに設定し、ワイヤーケーブル２２その他の許容荷重としては降伏荷重以下で１４０００ｋＮに設定する。

ワイヤーケーブル２２としてマルチケーブルφ１２０を用い、その降伏荷重を５５００ｋＮとすると、免震装置１０は片側１４０００ｋＮ／５５００＝２．５から、３箇所必要となる。センターホールジャッキ２４は６０００ｋＮ－ストローク６００ｍｍが必要であるが、図６に示したように、汎用的なストローク３００ｍｍのジャッキを２台直列させても実現できる。

なお、降伏荷重が大きいワイヤーケーブルは径が大きいが、ワイヤーケーブルの素線数が大きいほど可とう度も大きいことが知られている。可とう度は、ワイヤーケーブルの曲げ剛性と同一径の丸棒の曲げ剛性の比であり、数十～数百の値となる。よって、上部構造物１２の地震時の挙動を阻害しない柔軟かつ強度の高いワイヤーケーブル２２の選択が可能である。

本実施例によれば、免震構造に対して、大地震後に免震層１６に生じる残留変位を解消する原点復帰機能、設計用入力地震動を上回る入力があった場合に免震層１６の過大な変形を抑制するフェールセーフ機能、強風その他、免震効果を期待しない際に免震層１６の剛性を高めるロック機能を付加することができる。

以上説明したように、本発明に係る免震装置によれば、上部構造物と下部構造物との間の免震層に設けられる免震装置であって、上部構造物に一端側が連結されるとともに水平方向に延びるケーブルと、ケーブルの中間部に係合してケーブルに張力を付与可能であるとともにケーブルを介して上部構造物を牽引可能なジャッキと、ジャッキを下部構造物に固定するための反力架台と、ケーブルの他端側に設けられた緩衝部とを備えるので、水平方向片側について、大地震後に免震層に生じる残留変位を解消する原点復帰機能、設計用入力地震動を上回る入力があった場合に免震層の過大な変形を抑制するフェールセーフ機能、強風その他、免震効果を期待しない際に免震層の剛性を高めるロック機能を付加することができる。

また、本発明に係る他の免震装置によれば、一つの水平方向に対して、上記の免震装置を２台一組として線対称の位置に配置したので、水平方向両側について、原点復帰機能、フェールセーフ機能、ロック機能を付加することができる。

また、本発明に係る他の免震装置によれば、ジャッキは、反力架台に設置されたセンターホールジャッキであり、ケーブルは、反力架台およびセンターホールジャッキの貫通孔に挿通配置され、ケーブルの他端側に設けられた緩衝部とセンターホールジャッキとの間には、免震層の過大な変形を抑制するための隙間が設けられているので、地震後にセンターホールジャッキでケーブルを介して上部構造物を原位置まで牽引することによって、免震層に生じた残留変位を解消することができる。また、地震時の上部構造物の運動で緩衝部がセンターホールジャッキに衝突することによって、免震層の過大な変形を抑制することができる。また、センターホールジャッキでケーブルに張力を付与することによって、免震層の剛性を高めることができる。

また、本発明に係る他の免震装置によれば、反力架台の貫通孔の開口角部に、貫通孔の奥側から開口側へ向けて次第に拡径するラッパ形状のテーパー部が形成されているので、地震時に上部構造物が水平方向に直交する方向に運動すると、上部構造物に続くケーブルは反力架台の開口角部のテーパー部に沿って変位する。このため、ケーブルが反力架台の開口角部で急激に折れ曲がって損傷する事態を防ぐことができる。

また、本発明に係る免震構造物によれば、上述した免震装置を備えるので、原点復帰機能、フェールセーフ機能、ロック機能を有する免震構造物を提供することができる。

以上のように、本発明に係る免震装置およびこれを備えた免震構造物は、免震層を備えた免震構造に有用であり、特に、免震構造に対して原点復帰機能、フェールセーフ機能、ロック機能を付加するのに適している。

１０ 免震装置
１２ 上部構造物
１４ 下部構造物
１６ 免震層
１８ 凸部
２０ 連結部
２２ ワイヤーケーブル（ケーブル）
２４ センターホールジャッキ（ジャッキ）
２６ 反力架台
２８ 緩衝部
３０，３４ 貫通孔
３２ ジャッキ受け
３６ 開口角部
３８ テーパー部
４０ 隙間
４２ 衝撃緩衝材
４４ 留め金
４６ 免震部材
１００ 免震構造物

Claims (5)

1. 上部構造物と下部構造物との間の免震層に設けられる免震装置であって、
   上部構造物に一端側が連結されるとともに水平方向に延びるケーブルと、ケーブルの中間部に係合してケーブルに張力を付与可能であるとともにケーブルを介して上部構造物を牽引可能なジャッキと、ジャッキを下部構造物に固定するための反力架台と、ケーブルの他端側に設けられた緩衝部とを備えることを特徴とする免震装置。
2. 一つの水平方向に対して、請求項１に記載の免震装置を２台一組として線対称の位置に配置したことを特徴とする免震装置。
3. ジャッキは、反力架台に設置されたセンターホールジャッキであり、ケーブルは、反力架台およびセンターホールジャッキの貫通孔に挿通配置され、ケーブルの他端側に設けられた緩衝部とセンターホールジャッキとの間には、免震層の過大な変形を抑制するための隙間が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の免震装置。
4. 反力架台の貫通孔の開口角部に、貫通孔の奥側から開口側へ向けて次第に拡径するラッパ形状のテーパー部が形成されていることを特徴とする請求項１～３のいずれか一つに記載の免震装置。
5. 請求項１～４のいずれか一つに記載の免震装置を備えることを特徴とする免震構造物。

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