JP2022095388A - 硬化型装置およびこれを備えた免震構造物 - Google Patents

Abstract

【課題】免震建物の水平方向の応答変位を張力部材を用いて効果的に抑制することができる硬化型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】基礎部１２の上に免震部材２４を介して設けられた上部構造１６と、この上部構造１６の側壁１８の少なくとも一部に対して隙間ａをあけて対向配置された構造体２０との間に設けられ、上部構造１６の変位を抑制するために用いられる硬化型装置１０であって、上部構造１６の側壁１８と構造体２０とを接続する張力部材２２を備え、この張力部材２２は、鉛直方向から傾斜した状態で配置されるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、変位制御型免震構造のための硬化型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、免震建物は、積層ゴム等の免震装置を使って建物の周期を伸ばすことにより、地震入力の低減を図る構造形式として知られている。応答加速度を大きく低減できるので、地震時の家具の転倒抑制などにも有効である。

しかし、近年、大きな地震波形が観測されることが多く、免震建物の変位が設計想定値よりも大きくなって擁壁に衝突するという懸念が提起されている。さらに、最近は長周期長時間地震動への対策も必要とされてきており、周期を伸ばすだけではなく、さらなる変位抑制を図ることが重要となってきている。

変位抑制に着目すれば、ダンパーなどを大量に設定して減衰を増やすことや、擁壁への衝突を回避するためのストッパーを設けることなどが有効である。しかし、これらの対策は建物の短周期化につながり、免震構造が持つ長周期化による応答加速度低減とは相反する。このようなことから、応答加速度低減効果を損なわずに、応答変位を抑制するような構造が求められている。

応答加速度低減効果を損なわずに、応答変位を抑制するような従来の免震構造としては、例えば、硬化型装置、回転慣性装置、可変ダンパー装置を組み合わせた構造形式が知られている（例えば、特許文献１～５を参照）。

一方、ロープ材などの張力部材を用いた制振装置が知られている（例えば、特許文献６を参照）。加振方向の直交方向にロープ材を配置した簡単なばね系において、幾何非線形を考慮して運動方程式を導き、テイラー展開により近似すると３次の項が現れ（例えば、非特許文献１を参照）、硬化型の復元力特性が実現できる。また、ロープ材に最初にゆるみを持たせると、ゆるみがなくなるまでは力が発生しないため、ギャップを持った復元力特性となる。

ロープ材を加振方向に直交する方向に配置して、幾何学的非線形により硬化型特性を実現することは、非線形に関連した研究において、海外・国内の多くの実験で採用されている一般的な方法である（例えば、非特許文献２を参照）。

特開２０１９－１７８５３２号公報 特開２０１７－００３０８９号公報 特開２０１７－００３０９０号公報 特願２０２０－１０９６３２号（現時点で未公開） 特願２０２０－１０９６５４号（現時点で未公開） 特開２００３－１３８７８１号公報

「力学系カオス」、松葉育雄著、森北出版株式会社、pp.11-12、2011 Steady State Passive Nonlinear Energy Pumping in Coupled Oscillators: Theoretical and Experimental Results, Xiaoai Jiang, D. Michael McFarland, Lawrence A. Bergman & Alexander F. Vakakis, Nonlinear Dynamics vol.33, pp.87-102, 2003

ところで、ロープ材のような張力部材を水平方向に配置した硬化型装置においては、特定の１つの加振方向にのみ機能が発揮される。しかし、実際の免震建物では、水平の任意の方向に上部建物が移動するため、このままの配置では支障がある。したがって、水平の任意方向にも対応できるような工夫が必要である。

免震建物の免震層のクリアランスは５０ｃｍ～８０ｃｍのオーダーが一般的であり、硬化装置は大きな水平変位が発生してもロープ材が弾性域にとどまり破断しないような仕組みが必要である。そのための方法として、ロープ材長さを増やして（ロープの固定位置をなるべく離して）、水平変位に対するロープ材の伸びを小さくすることが有効である。しかし、免震層の水平方向に長尺のロープ材を張り巡らせることは、配置計画や日常的なメンテナンス作業の妨げとなるおそれがある。

さらに、建物の振動特性にも影響を及ぼすような大きな荷重を発生させる必要があるため、十分な剛性をもつ部材が必要となる。

なお、高層免震建物の場合、建物の転倒モーメントの影響で免震装置に付加軸力が発生し、免震装置の破損につながるおそれがある。付加軸力としては、建物と擁壁のクリアランスが狭くなった方の免震装置に圧縮力が発生し、クリアランスが広くなった方の免震装置に引き抜き力が発生する。したがって、転倒モーメントにより発生する付加軸力を緩和するような工夫も必要となる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、免震建物の水平方向の応答変位を張力部材を用いて効果的に抑制することができる硬化型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、本発明に係る硬化型装置は、基礎部の上に免震部材を介して設けられた上部構造と、この上部構造の側壁の少なくとも一部に対して隙間をあけて対向配置された構造体との間に設けられ、上部構造の変位を抑制するために用いられる硬化型装置であって、上部構造の側壁と構造体とを接続する張力部材を備え、この張力部材は、鉛直方向から傾斜した状態で配置されることを特徴とする。

また、本発明に係る他の硬化型装置は、上述した発明において、張力部材は、鉛直方向では構造体側を上に、上部構造側を下にして配置されるとともに、水平方向では上部構造側を上部構造の下面隅部に近い方に、構造体側を上部構造の下面隅部から遠い方にして配置されることを特徴とする。

また、本発明に係る他の硬化型装置は、上述した発明において、張力部材の鉛直方向の高さは、上部構造の側壁と構造体との間の隙間の６倍以上であるとともに、張力部材の水平方向の長さは、上部構造の側壁と構造体との間の隙間の２倍以上であることを特徴とする。

また、本発明に係る他の硬化型装置は、上述した発明において、張力部材の共振を回避するための共振回避部材をさらに備えることを特徴とする。

また、本発明に係る免震構造物は、上述した硬化型装置を備えることを特徴とする。

本発明に係る硬化型装置によれば、基礎部の上に免震部材を介して設けられた上部構造と、この上部構造の側壁の少なくとも一部に対して隙間をあけて対向配置された構造体との間に設けられ、上部構造の変位を抑制するために用いられる硬化型装置であって、上部構造の側壁と構造体とを接続する張力部材を備え、この張力部材は、鉛直方向から傾斜した状態で配置されるので、上部構造（免震建物）の水平方向の応答変位を張力部材を用いて効果的に抑制することができるという効果を奏する。

また、本発明に係る他の硬化型装置によれば、張力部材は、鉛直方向では構造体側を上に、上部構造側を下にして配置されるとともに、水平方向では上部構造側を上部構造の下面隅部に近い方に、構造体側を上部構造の下面隅部から遠い方にして配置されるので、任意の水平方向に上部構造が変位した場合に、隙間が小さくなる側の張力部材のみに張力が発生する。このため、転倒モーメントによる圧縮側積層ゴムにかかる軸力を低減することができるという効果を奏する。

また、本発明に係る他の硬化型装置によれば、張力部材の鉛直方向の高さは、上部構造の側壁と構造体との間の隙間の６倍以上であるとともに、張力部材の水平方向の長さは、上部構造の側壁と構造体との間の隙間の２倍以上であるので、任意の水平方向に上部構造が変位した場合に、隙間が小さくなる側の張力部材のみに張力が発生する。このため、転倒モーメントによる圧縮側積層ゴムにかかる軸力を低減することができるという効果を奏する。

また、本発明に係る他の硬化型装置によれば、張力部材の共振を回避するための共振回避部材をさらに備えるので、張力部材の共振を回避することができるという効果を奏する。

また、本発明に係る免震構造物によれば、上述した硬化型装置を備えるので、上部構造の水平方向の応答変位を抑制可能な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、本発明に係る硬化型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）は平断面図である。 図２は、擁壁衝突時のロープ材の説明図であり、（１）は上部構造がＸ方向にのみ移動した場合、（２）は上部構造がＸ、Ｙ方向に移動した場合である。 図３は、本実施の形態の他の作用効果の説明図であり、（１）は転倒モーメントによる圧縮側積層ゴムにかかる軸力を低減する作用効果、（２）は免震層のねじれを補正する作用効果である。 図４は、ロープ材の共振回避用のサポート材を示す図であり、（１）は平断面図、（２）は側断面図である。 図５は、本発明に係る硬化型装置およびこれを備えた免震構造物の他の実施の形態を示す側断面図である。

以下に、本発明に係る硬化型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、本発明の実施の形態に係る硬化型装置１０は、基礎部１２の上の地下の免震層１４を介して設けられた上部構造１６と、この上部構造１６の側壁１８に対して免震層クリアランスａ（隙間）をあけて対向配置された擁壁２０（構造体）との間に設けられ、上部構造１６の変位を抑制するために用いられる。この硬化型装置１０は、上部構造１６の側壁１８と擁壁２０とを接続するロープ材２２（２２a、２２ｂ：張力部材）を備える。

免震層１４には、積層ゴム２４（免震部材）が配置される。上部構造１６は、水平断面が正方形の建物であり、擁壁２０は基礎部１２の上に設置される壁体であり、上部構造１６の四方周囲を囲むように正方形状に設置される。本発明の実施の形態に係る免震構造物１００は、上述した基礎部１２と、免震層１４と、上部構造１６と、擁壁２０と、硬化型装置１０を備える。なお、上部構造は正方形状に限らず、長方形状などの断面でもよい。

ロープ材２２（２２a、２２ｂ）は、鉛直方向から傾斜した状態で免震層クリアランスａの空間に配置される。より具体的には、ロープ材２２は、鉛直方向では擁壁２０側を上に、上部構造１６側を下にした態様で連結するように配置される。また、ロープ材２２は、水平面内では上部構造１６側を上部構造１６の下面四隅（下面隅部）に近い方に、擁壁２０側を上部構造１６の下面四隅から遠い方にして配置される。ロープ材２２の鉛直方向の高さｂは、免震層クリアランスａより十分に大きな長さにすることが好ましく、例えば免震層クリアランスａの６倍以上に設定することが望ましい。また、ロープ材２２の水平方向の長さｃは、ロープ材２２の高さｂより小さな値で、かつ、上部構造１６の側壁１８と擁壁２０との間の免震層クリアランスａの２倍以上に設定することが望ましい。

次に、上記のように配置したロープ材２２（２２a、２２ｂ）の作用効果について説明する。
図１（２）に示すように、水平面内にＸ、Ｙ方向を設定し、免震層クリアランスａ、ロープ材２２の高さｂ、ロープ材２２の水平方向の長さｃとすると、ゆるみが無い場合のロープ材２２の長さは、Ｌ０＝（ａ×ａ＋ｂ×ｂ＋ｃ×ｃ）^０．５となる。

まず、上部構造１６がＸ方向にｘ＝ａだけ移動した場合、すなわち、擁壁衝突時のロープ材２２について検討する。図２（１）は、移動後の状況を示したものである。ただし、Ｘ軸対称のためロープ材は下半分のみを図示している。

図２（１）のロープ材１、２に着目して説明する。なお、ロープ材３は材が縮む方向であるので力が発生しない。
ロープ材１の長さは、Ｌ１ｘ＝（ａ×ａ＋ｂ×ｂ＋（ｃ＋ａ）×（ｃ＋ａ））^０．５
ロープ材２の長さは、Ｌ２ｘ＝（（ａ＋ａ）×（ａ＋ａ）＋ｂ×ｂ＋ｃ×ｃ）^０．５
ここで、ｃ＞２×ａに設定すれば、Ｌ１ｘ＞Ｌ２ｘとなる。

ロープ材にゆるみを持たせて、ロープの自然長をＬ＝Ｌ２ｘ＝（（ａ＋ａ）×（ａ＋ａ）＋ｂ×ｂ＋ｃ×ｃ）^０．５とすると、ロープ材２も張力を負担しないようになる。したがって、ゆるみありのロープ材を使うことで、ロープ材１のみが張力を発生させることができる。

次に、上部構造１６がＸ方向にｘ＝ａ、Ｙ方向にｙ＝ａだけ移動した場合について検討する。図２（２）は、移動後の状況を示したものである。ただし、４５度軸対称のためロープ材は右下側のみを図示している。

図２（２）のロープ材１、２、４に着目して説明する。なお、ロープ材３は材が縮む方向であるので力が発生しない。
ロープ材１の長さは、Ｌ１ｘｙ＝（（ａ＋ａ）×（ａ＋ａ）＋ｂ×ｂ＋（ｃ＋ａ）×（ｃ＋ａ））^０．５
ロープ材２の長さは、Ｌ２ｘｙ＝（（ａ＋ａ）×（ａ＋ａ）＋ｂ×ｂ＋（ｃ－ａ）×（ｃ－ａ））^０．５
ロープ材４の長さは、Ｌ３ｘｙ＝（（ａ＋ａ）×（ａ＋ａ）＋ｂ×ｂ＋（ｃ＋ａ）×（ｃ＋ａ））^０．５

たるみを持たせたロープ自然長をＬ＝（（ａ＋ａ）×（ａ＋ａ）＋ｂ×ｂ＋ｃ×ｃ）^０．５とする。
ここで、ｃ＞２×ａに設定すれば、Ｌ＞Ｌ２ｘｙとなり、ロープ材２は張力が発生しない。
また、Ｌ＜Ｌ３ｘｙとなり、ロープ材４には張力が発生する。

以上のように、配置したロープ材２２のうち、任意の水平方向に上部構造１６が移動した場合に、免震層クリアランスａが小さくなる側のロープ材２２のみに張力が発生する。

したがって、本実施の形態によれば、ロープ材２２を略鉛直方向に配置することで、上部構造１６の任意の水平方向の応答変位をロープ材２２を用いて効果的に抑制することができる。また、安価に製作可能なロープ材２２を利用して、幾何学的非線形による硬化型の復元力特性を実現することができる。

また、図３（１）に示すように、張力は上部構造１６を引き上げる方向に働くため、転倒モーメントによる圧縮側の積層ゴム２４にかかる軸力を低減する効果もある。

ロープ材２２の配置は、免震層１４のねじれにも有効である。図３（２）に示すように、反時計回りに上部構造１６が変位した場合、矢印で示したロープ材２２に引張力が発生し、ねじれを補正する方向に機能する。

ところで、ロープ材２２は長尺のため地震時に共振する可能性がある。そこで、図４に示すように、ロープ材２２の共振を回避するためのサポート材２６（共振回避部材）をさらに備えてもよい。サポート材２６は、ロープ材２２の中央付近から擁壁２０にかけて設置する。サポート材２６の材質としては、例えばゴム材のような伸縮可能なものを用いることができる。サポート材２６を１本のみ使用する場合は、ロープ材２２とサポート材２６がなす平面に直交する方向に共振する可能性があるので、２本以上のサポート材２６を用いて、全部の材（ロープ材２２、サポート材２６）が同一平面上にならないように配置することが望ましい。さらに、サポート材２６に減衰機能を付けることで共振を積極的に回避するとともに、エネルギー吸収による振動低減を図るようにしてもよい。

なお、上記の実施の形態においては、ロープ材２２を地下の免震層１４の免震層クリアランスａの空間に配置する場合を例にとり説明したが、本発明はこれに限るものではなく、縦方向に十分な空間を確保可能な場所であればロープ材２２はどこに配置してもよい。例えば、図５（１）に示すように、中心部に構造物２８が配置されたボイド型の上部構造１６においては、構造物２８と上部構造１６の間の空間にロープ材２２を配置することができる。また、図５（２）に示すように、上部構造１６の外部に柱３０を設け、柱３０と上部構造１６との間にロープ材２２を配置してもよい。

（実施例）
次に、本発明の実施例について説明する。本実施例は、以下の諸元で適用するものとした。
免震層クリアランスａ＝０．７５ｍ
ロープ材の高さｂ＝６ｍ（＝８×ａ)
ロープ材の水平方向の長さｃ＝３ｍ（＝４×ａ）

たるみが無い場合のロープ材長さＬ０=（ａ×ａ＋ｂ×ｂ＋ｃ×ｃ）^０．５＝６．７５０ｍ
上部構造がＸ方向にｘ＝ａだけ移動した場合は、Ｌｘ＝（ａ×ａ＋ｂ×ｂ＋（ｃ＋ａ）×（ｃ＋ａ））^０．５＝７．１１５ｍ
上部構造がＹ方向にｙ＝ａだけ移動した場合は、Ｌｙ＝（（ａ＋ａ）×（ａ＋ａ）＋ｂ×ｂ＋ｃ×ｃ）^０．５＝６．８７４ｍ
上部構造がｘ＝ａ、ｙ＝ａだけ移動した場合は、Ｌｘｙ＝（（ａ＋ａ）×（ａ＋ａ）＋ｂ×ｂ＋（ｃ＋ａ）×（ｃ＋ａ））^０．５＝７．２３３ｍ
たるみを持たせた場合のロープ材長さをＬ＝Ｌｙ＝６．８７４ｍとすると、上部構造がｘ＝ａ、ｙ＝ａだけ移動した場合のひずみは、７．２３３／６．８７４＝１．０５２（ひずみ＝５．２％）

ここで、通常のワイヤロープでは、ひずみ５％程度で破断するためロープ材として適用することは難しい。本実施例に用いるロープ材としては、例えば海洋・船舶分野で係船索などに使用される合成繊維ロープが有用である。合成繊維ロープは、破断時の伸びが４％～３０％程度といった多様な製品が入手可能であり、鉄製のワイヤロープ材と比べて軽量で過酷な条件下でも使われる。軽量のため、設置時やメンテナンス時の作業が容易になる。

安全率を考慮すると、合成繊維ロープを使う場合でも、ひずみは５％程度に収めておくことが望ましい。ロープ材の高さｂを大きくするとひずみは小さくすることができるが、上述したように、ロープ材の高さｂは免震層クリアランスａの６倍以上が望ましい。

本実施例によれば、上部構造の任意の水平方向の応答変位を効果的に抑制することが可能である。

以上説明したように、本発明に係る硬化型装置によれば、基礎部の上に免震部材を介して設けられた上部構造と、この上部構造の側壁の少なくとも一部に対して隙間をあけて対向配置された構造体との間に設けられ、上部構造の変位を抑制するために用いられる硬化型装置であって、上部構造の側壁と構造体とを接続する張力部材を備え、この張力部材は、鉛直方向から傾斜した状態で配置されるので、上部構造（免震建物）の水平方向の応答変位を張力部材を用いて効果的に抑制することができる。

また、本発明に係る他の硬化型装置によれば、張力部材は、鉛直方向では構造体側を上に、上部構造側を下にして配置されるとともに、水平方向では上部構造側を上部構造の下面隅部に近い方に、構造体側を上部構造の下面隅部から遠い方にして配置されるので、任意の水平方向に上部構造が変位した場合に、隙間が小さくなる側の張力部材のみに張力が発生する。このため、転倒モーメントによる圧縮側積層ゴムにかかる軸力を低減することができる。

また、本発明に係る他の硬化型装置によれば、張力部材の鉛直方向の高さは、上部構造の側壁と構造体との間の隙間の６倍以上であるとともに、張力部材の水平方向の長さは、上部構造の側壁と構造体との間の隙間の２倍以上であるので、任意の水平方向に上部構造が変位した場合に、隙間が小さくなる側の張力部材のみに張力が発生する。このため、転倒モーメントによる圧縮側積層ゴムにかかる軸力を低減することができる。

また、本発明に係る他の硬化型装置によれば、張力部材の共振を回避するための共振回避部材をさらに備えるので、張力部材の共振を回避することができる。

また、本発明に係る免震構造物によれば、上述した硬化型装置を備えるので、上部構造の水平方向の応答変位を抑制可能な免震構造物を提供することができる。

以上のように、本発明に係る硬化型装置およびこれを備えた免震構造物は、免震構造に有用であり、特に、免震建物の水平方向の応答変位を効果的に抑制するのに適している。

１０ 硬化型装置
１２ 基礎部
１４ 免震層
１６ 上部構造
１８ 側壁
２０ 擁壁（構造体）
２２、２２a、２２b ロープ材（張力部材）
２４ 積層ゴム（免震部材）
２６ サポート材（共振回避部材）
２８ 構造物
３０ 柱
１００ 免震構造物
ａ 免震層クリアランス（隙間）
ｂ ロープ材の高さ
ｃ ロープ材の水平方向の長さ

Claims (5)

1. 基礎部の上に免震部材を介して設けられた上部構造と、この上部構造の側壁の少なくとも一部に対して隙間をあけて対向配置された構造体との間に設けられ、上部構造の変位を抑制するために用いられる硬化型装置であって、
   上部構造の側壁と構造体とを接続する張力部材を備え、この張力部材は、鉛直方向から傾斜した状態で配置されることを特徴とする硬化型装置。
2. 張力部材は、鉛直方向では構造体側を上に、上部構造側を下にして配置されるとともに、水平方向では上部構造側を上部構造の下面隅部に近い方に、構造体側を上部構造の下面隅部から遠い方にして配置されることを特徴とする請求項１に記載の硬化型装置。
3. 張力部材の鉛直方向の高さは、上部構造の側壁と構造体との間の隙間の６倍以上であるとともに、張力部材の水平方向の長さは、上部構造の側壁と構造体との間の隙間の２倍以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の硬化型装置。
4. 張力部材の共振を回避するための共振回避部材をさらに備え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硬化型装置。
5. 請求項１～４のいずれか一つに記載の硬化型装置を備えることを特徴とする免震構造物。
   

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