JP2023000742A - 免震機構および免震構造物 - Google Patents

Abstract

【課題】安価で、風力等の方向性外力による免震構造物の揺れを防止し、かつ、メンテナンスフリーで所望の免震性能を有するパッシブ型の免震機構と該免震機構を備えた免震構造物を提供する。【解決手段】免震機構１１は、上部構造体２と上部構造体２の下方に位置する基礎構造体３との間に形成される免震層４に備えられ、平時は上部構造体２を支持し、基礎構造体３に対して上部構造体２が水平変位した際に鉛直方向の高さが変化しない免震装置５と、平時は上部構造体２を支持し、上部構造体２が水平方向に変位すると上部構造体２の下部と離間する摩擦支承６と、を備え、免震装置５と摩擦支承６とは、免震層４内で並列配置され、摩擦支承６は、上部構造体２を支持時の鉛直方向の高さと、上部構造体２と離間した後の鉛直方向の高さとが略一致する。免震構造物１は、上記の免震機構１１を備えていることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、免震機構および免震構造物に関する。

構造物に対して作用する外力には、例えば、風力等の平均成分を持ち方向性を有する外力と、地震動等の変動成分のみを有する地盤震動による外力と、があり、前者に抵抗するためには構造物の水平方向の変位を拘束するのが望ましく、後者に抵抗するためには地盤と構造物との間に水平方向の変位を拘束しない免震装置を設けるのが望ましい（例えば、特許文献１参照）。また、免震装置を設ける構造物には前者の外力にも対応できる機構を備えているものもある。
従来、上記の両方の外力に対応する方法として、免震装置に加えて風速や地震動を感知するセンサや測定機器を有する制御装置を備えて水平方向の変位を拘束したり解除したりする機構を設ける方法（アクティブ制御機構）がある。また、上記のような制御装置を設けないパッシブ型の方法として免震層の内部にシヤピンを設け、風力等の方向性外力に対して免震装置を固定する方法がある（例えば、特許文献２参照）。

特開２００３－２５４３８４号公報 特開２０１７－１０６１８５号公報

一方で、上記で挙げたアクティブ制御による方法において、計測器やセンサ等の測定機器を有する制御機構は一般的に設置費用や維持管理費用が高額になりやすいという課題がある。また、上記でパッシブ型の制御機構として挙げた免震機構の内部にシヤピン等の抵抗機構を設ける方法においては、水平方向の変位として想定されている地震動が一般的に大きな変位を生じさせるために、水平変位が発生する度に抵抗機構に大きな負担がかかり破断等が生じやすくなる。抵抗機構に破断等が生じると、水平変位（地震動）の発生後に抵抗機構を交換する必要が生じるため、設置費用や維持管理費がかさむという課題がある。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、安価で、風力等の方向性外力による免震構造物の揺れを防止し、かつ、メンテナンスフリーで所望の免震性能を有するパッシブ型の免震機構と該免震機構を備えた免震構造物を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る免震機構は、上部構造体と前記上部構造体の下方に位置する基礎構造体との間に形成される免震層に備えられ、平時は前記上部構造体を支持し、前記基礎構造体に対して前記上部構造体が水平変位した際に鉛直方向の高さが変化しない免震装置と、平時は前記上部構造体を支持し、前記上部構造体が水平方向に変位すると前記上部構造体の下部と離間する摩擦支承と、を備え、前記免震装置と前記摩擦支承とは、前記免震層内で並列配置され、前記摩擦支承は、前記上部構造体を支持時の鉛直方向の高さと、前記上部構造体と離間した後の鉛直方向の高さとが略一致する。

上記の構成とすることで、免震機構は平時において風力等の方向性外力が作用した際は、免震装置の摩擦抵抗力および復元力と摩擦支承の摩擦抵抗力により方向性外力に抵抗し、地震動等により水平変位が生じた際は、免震装置の鉛直方向の高さがわずかしか変わらない構成であっても摩擦支承の摩擦抵抗力が上部構造体に作用せず、免震装置が免震作用を発揮して水平変位に対応することが可能となる。

また、本発明に係る免震機構において、前記上部構造体は、前記摩擦支承に対向する下面に平時において前記摩擦支承と当接する一方側当接面と、前記一方側当接面の周縁部に設けられ、前記上部構造体の底部から前記一方側当接面の周縁部に向かう方向に形成され、前記上部構造体が水平変位した際に前記摩擦支承が接触するテーパー面と、を備えた滑り板を備えてもよい。

上記の構成とすることで、免震機構は上部構造体の水平変位が減少して原位置に復帰し摩擦支承が上部構造体と再接触する際、テーパー面を設けることによって滑り板の端部に摩擦支承が衝突することによる免震機構の破損のおそれがなくなる。

また、本発明に係る免震機構において、前記摩擦支承は、前記滑り板に近接対向し、平時において前記一方側当接面と当接する他方側当接面と、前記他方側当接面の周縁部を曲面加工された曲面加工部と、を備えた摩擦材と、水平方向の径長が異なる摺動部と凸部とが形成され、前記凸部の上端に前記摩擦材が設けられるピストンと、一方の端部が前記摺動部の底部に接続され、予め縮めて設けられる圧縮ばねと、前記圧縮ばねの他方の端部と底部とが接続され、前記摩擦材と前記ピストンと前記圧縮ばねとを内部に設け、前記上部構造体に近接する端面に前記凸部が通貫可能な開口部が設けられたシリンダーと、を備え、前記摺動部は、前記シリンダーの内部を鉛直方向に摺動可能に形成され、前記摩擦支承は、平時において、前記一方側当接面と前記他方側当接面とが当接し、前記滑り板に対する摩擦抵抗力は略一定となり、前記摺動部と前記シリンダーの前記開口部が設けられる面の底部とは、鉛直方向に間隙を形成し、前記上部構造体の水平方向の変位時において、前記上部構造体は前記滑り板と前記曲面加工部とが接触した状態で摺動し、前記滑り板と前記曲面加工部との接触は、前記間隙が無くなると解除されてもよい。

上記の構成を有することで、免震機構は、摩擦支承の摩擦抵抗力を圧縮ばねによって任意で調整することが可能となり、風力等の方向性外力に対しては摩擦支承の摩擦抵抗力と免震装置の摩擦抵抗力および復元力とにより抵抗し、地震動等による水平変位で生じるせん断力に対しては免震層に設けられた免震装置やダンパーで抵抗することが可能となる。また、免震機構は滑り板の一方側当接面の周縁部にテーパー面を設け、摩擦支承の他方側当接面の周縁部に曲面加工部を設けることにより、原点（平時における免震機構の位置）近傍から大きな水平変位に移行する場合においてもその逆の場合においても摩擦支承と滑り板との当接部が滑らかに摺動でき、大変位による免震機構の破損等を抑制できる。

また、本発明に係る免震機構において、前記免震装置は、積層ゴムと鋼板を積層して形成され、前記上部構造体の水平変位に追従して変形する構成（積層ゴム支承）としてもよい。

上記の構成とすることで、免震機構は任意方向の水平変位に追従でき、大きな復元力を有する積層ゴムにより免震装置を構成するため、免震装置の地震後の残留変位を抑制できる免震機構とすることができる。

また、本発明に係る免震機構において、前記免震装置は、前記上部構造体の水平変位に追従して変位する滑り材と、前記滑り材が摺動する滑り案内材とを備えた構成（剛滑り支承）としてもよい。

上記の構成とすることで、免震機構は滑り案内材の上を滑り材が摺動することにより、任意方向の水平変位に追従することができる。

また、本発明に係る免震機構において、前記滑り材は、前記上部構造体の微小な水平変位に追従する積層ゴムを直列した構成（弾性滑り支承）としてもよい。

上記の構成とすることで、任意方向の水平変位に追従でき、滑り材が摺動しない程度の小さな地震動に対しても積層ゴムが追従することにより、免震効果を発揮できる免震機構とすることができる。

また、本発明の免震構造物は、上記の免震機構を１種類または複数備えていることを特徴とする。

上記の構成とすることで、免震構造物は風力等の方向性外力と地震動等による水平変位とに対して、設置や維持管理等の費用を抑えた、所望の免震性能を有するパッシブ型の免震機構を備えた免震構造物とすることができる。

本発明によれば、安価で、風力等の方向性外力による免震構造物の揺れを防止し、かつ、シヤピンのように破断して交換する部材もないことから、メンテナンスフリーで所望の免震性能を有するパッシブ型の免震機構と該免震機構を備えた免震構造物を提供することができる。

本発明の実施形態による免震機構と免震構造物との立面図である。（ａ）は、本発明の実施形態による平時における免震機構の設置状況を示す立面図である。（ｂ）は、本発明の実施形態による水平変位作用時の免震機構の免震効果の発現状況を示す立面図である。 本発明の実施形態による摩擦支承の立面図である。（ａ）は、本発明の実施形態による平時における摩擦支承の設置状況を示す立面図である。（ｂ）は、本発明の実施形態による水平変位作用時の摩擦支承の設置状況を示す立面図である。 本発明の実施形態による免震機構に作用する荷重と免震装置の水平変位との関係図である。（ａ）は、水平変位と免震装置の復元力との関係図である。（ｂ）は、水平変位と免震装置の摩擦抵抗力との関係図である。（ｃ）は、水平変位と摩擦支承の摩擦抵抗力との関係図である。（ｄ）は、水平変位と免震機構の総抵抗力（総反力）との関係図である。 本発明の実施形態による摩擦支承の摩擦抵抗力と免震装置の水平変位との関係図である。（ａ）は、摩擦支承が免震構造物に対して摩擦抵抗力を有する水平変位範囲を示す関係図である。（ｂ）は、水平変位と摩擦支承の摩擦抵抗力との関係図である。

以下、本発明の実施形態による免震機構および免震構造物について、図１乃至図４に基づいて説明する。

図１（ａ）に示すように、本実施形態による免震機構１１は、免震構造物１に設けられる。免震構造物１は上部構造体２と、上部構造体２の下方に設けられる基礎構造体３とから構成され、上部構造体２と基礎構造体３との間に免震層４が設けられる。免震機構１１は、免震層４内に設けられ、免震装置５と摩擦支承６とを備えている。
また、以下の説明において特に断りがない限り、本実施形態では図１および図２の左右方向を第一水平方向（水平一方向）として「Ｘ方向」、Ｘ方向に対して水平に直交する方向を第二水平方向（水平他方向）として「Ｙ方向」、Ｘ方向およびＹ方向に直交する方向を鉛直方向として「Ｚ方向」とする。
免震機構１１は、任意方向の風力等の方向性外力に対して抵抗し、地震動等による水平変位は免震装置５に対して上記と同様に任意方向に作用し、免震装置５は任意方向に対して免震効果を発揮することで水平変位に対応する。

免震構造物１の種類は、本実施形態において限定されないが、例えば、高層ビルや高層マンション等の高層階を有し、風力等の平時においても作用する外力を受ける面積が大きい特徴を有する公知の高層構造物等が挙げられる。基礎構造体３は、上部構造体２の自重Ｗ（以下「上部構造体重量Ｗ」という）を支持する基礎底部３１と、免震構造物１周囲の土圧を支持する擁壁部３２と、を備えている。

また、免震層４において免震機構１１を設置するスペースの構成は、免震機構１１が所望の機能を発揮できれば本実施形態において限定されない。例えば、免震層４は図１に示すような免震機構１１を設けるスペースに余裕を持たせた構成としてもよいし、免震機構１１の設置と免震装置５の免震作用が発揮できる程度の空間で構成されてもよい。

また、免震装置５と摩擦支承６とは、免震層４内で並列に配置される。なお、免震装置５と摩擦支承６との設置位置および構成は、所望の外力への抵抗力と免震性能とが得られ、免震装置５と摩擦支承６とが並列配置されていれば限定されない。例えば、免震機構１１は免震構造物１の四隅に免震装置５をそれぞれ配設し、各免震装置５間に摩擦支承６をそれぞれ配設した構成としてもよいし、免震構造物１の設置下面中央部に摩擦支承６を１つ配設した構成としてもよい。

本実施形態における免震装置５は、滑り材５１と滑り案内材５２とを備えた剛滑り支承５ａと積層ゴム５３と鋼板５４とを積層した積層ゴム支承５ｂとを備える。
剛滑り支承５ａは、基礎底部３１の上端部に備えられる滑り案内材５２と、上部構造体２の下端部および滑り案内材５２上に備えられる滑り材５１と、を備え、図１（ｂ）に示すように、地震動Ａに追従して滑り材５１が滑り案内材５２上を摺動することで地震動Ａによる水平変位の任意の作用方向（ＸＹ平面に面する方向）に対して免震効果を発揮する構成とする。
積層ゴム支承５ｂは、基礎底部３１と上部構造体２との間に積層ゴム５３と鋼板５４とを接着して交互に積層させた構成を備え、図２（ｂ）に示すように地震動Ａに追従して積層ゴム５３がせん断変形することで地震動Ａによる水平変位の任意の作用方向（ＸＹ平面に面する方向）に対して免震効果を発揮する構成とする。
また、免震装置５は地震動Ａが発生していないとき（平時）においては、摩擦支承６とともに上部構造体重量Ｗを支持する支承として作用する。剛滑り支承５ａは、平時において滑り材５１が滑り案内材５２と上部構造体２との間に位置して挟持されることで支承として作用する。そのため、剛滑り支承５ａは、上部構造体重量Ｗを支持可能な十分な強度と所定の摩擦係数を有する材料により形成される。例えば、鋼材（案内材・摺動体）や摩擦材とステンレス鋼（滑り面）により形成される。また、積層ゴム支承５ｂは、平時において積層ゴム５３と鋼板５４とを交互に積層させた構成により支承として作用する。

免震装置５は、上部構造体２が地震動Ａによって水平変位した際にＺ方向の高さの変化が生じずに免震効果を発揮する。
なお、免震装置５の構成は、上部構造体２が地震動Ａによって水平変位した際にＺ方向の高さの変化が生じずに所望の免震効果を発揮できれば上記の実施形態に限定されない。例えば、剛滑り支承と積層ゴム支承とのいずれか一方により構成されてもよいし、滑り材５１が積層ゴムを直列して形成された弾性すべり支承としてもよい。

滑り材５１は、免震構造物１の水平変位の作用方向に応じて滑り案内材５２上を摺動し、上部構造体２の水平方向の変位に追従する。また、積層ゴム５３は免震構造物１の水平変位の作用方向に応じてゴムがせん断変形することで上部構造体２の水平方向の変位に追従する。なお、図１（ｂ）において、摩擦支承６はＸ方向に作用する水平変位が離間時水平変位ｘ_ｇに達すると、上部構造体２と摩擦支承６とが水平方向に離間する。

図２（ａ）に示すように、上部構造体２は、免震層４に面する下端部において摩擦支承６に近接対向する滑り板２１が設けられる。
摩擦支承６は、免震層４内に設けられ、滑り板２１に近接対向する摩擦材６１と、摩擦材６１が一方の端部に設けられたピストン６２と、一方の端部がピストン６２の他方の端部に接続された圧縮ばね６３とが、シリンダー６４内に設けられた構成を有する。

摩擦材６１は、ピストン６２の一方の端部に設けられ、平時は滑り板２１に当接する。
滑り板２１と摩擦材６１は、平時における圧縮ばね６３の反力により破壊されない所望の強度を有する材料により形成される。例えば、ステンレス鋼等の公知の金属材料やＰＴＦＥ（樹脂系摩擦材）が挙げられる。
また、本実施形態において、滑り板２１と摩擦材６１との当接面の面積は、免震構造物１が水平変位して滑り板２１と摩擦材６１とが離間するまで摩擦材６１が滑り板２１に全面接触するように、滑り板２１の方が大きく形成されている。なお、滑り板２１と摩擦材６１との当接構成は、上記の滑り板２１と摩擦材６１の材質と同様に平時における圧縮ばね６３の反力により破壊されなければ本実施形態に限らない。例えば、滑り板２１と摩擦材６１との当接面の面積は略一致してもよいし、上部構造体２の下部全面に滑り板２１を設けてもよい。

滑り板２１は、平時において摩擦材６１と当接する一方側当接面２１１と、一方側当接面の周縁部に備えられ、上部構造体２の底部から他方側当接面６１１の周縁部に向かう方向に傾斜するテーパー面２１２とを備える。
摩擦材６１は、平時において一方側当接面２１１と当接する他方側当接面６１１と他方側当接面６１１の周縁部に備えられ、他方側当接面６１１の周縁部から凸部６２Ａに向かう方向にＲ加工された曲面加工部６１２とを備える。

ピストン６２は、上端部に摩擦材６１が設けられた凸部６２Ａと下端部に圧縮ばね６３が接続され、凸部６２Ａを周方向に拡大し、シリンダー６４の内径形状と略一致する径形状を備えた摺動部６２Ｂ（以下、「凸側当接部６２Ｂ」という）とを設けている。ピストン６２は、圧縮ばね６３の伸縮により凸側当接部６２Ｂがシリンダー６４の内部をＺ方向に摺動可能に備えられる。

圧縮ばね６３は、一方の端部が凸側当接部６２Ｂの下端部に接続され、他方の端部がシリンダー６４の底部に接続されて設けられる。また、摩擦支承６は、圧縮ばね６３が予め縮められた状態で摩擦材６１と滑り板２１とが当接し上部構造体２を支持する。

シリンダー６４は、底部に圧縮ばね６３の他方の端部が接続され、頂部に凸部６２Ａが通貫可能で凸側当接部６２Ｂが通貫不可能な開口部６４Ｂを有し、Ｚ方向上向きに摺動した凸側当接部６２Ｂと当接する凹側当接部６４Ａが形成される。この構成により、ピストン６２の摺動範囲および圧縮ばね６３の伸びの範囲は一定範囲に制限される。また、凸部６２Ａと摩擦材６１とは開口部６４Ｂを通貫長さｚ_０の長さでＺ方向に通貫し、滑り板２１と摩擦材６１とが当接する。

摩擦支承６は、平時において凸側当接部６２Ｂと凹側当接部６４Ａとの間に間隙６Ａ（以下、「微小間隙６Ａ」という）を形成した状態で上部構造体２を支持する。また、平時においては、免震装置５についても上部構造体２の支承として作用するため、上記の状態における摩擦支承６のＺ方向の高さと免震装置５の平時におけるＺ方向の高さとは略一致する。

また、図２（ｂ）に示すように、摩擦支承６は、水平変位の作用時においてテーパー面２１２と曲面加工部６１２とが接触しながら水平変位に追従する。これにより、圧縮ばね６３は水平変位量に応じて徐々に伸び、ピストン６２はＺ方向上向きに持ち上がる。そのため、微小間隙６ＡのＺ方向の長さｚ_１（以下、「微小間隙高さｚ_１」という）は徐々に減少する。
微小間隙高さｚ_１が０となり微小間隙６Ａが無くなると、凸側当接部６２Ｂと凹側当接部６４Ａとが当接するため、曲面加工部６１２とテーパー面２１２との接触は凸側当接部６２Ｂと凹側当接部６４Ａとが当接した時点での水平変位量からさらに水平変位すると解除される。つまり、滑り板２１と摩擦材６１とは当接が解除されて離間し、摩擦支承６の摩擦抵抗力Ｆ_３は０となる。そのため、摩擦支承６は、地震動Ａによる水平変位の任意の作用方向（ＸＹ平面に面する方向）に対して追従し、上部構造体２の振動制御は免震装置５のみの抵抗に切り替わる。免震層４にダンパーが設置されていれば、免震装置５とダンパーとの抵抗となる。

また、微小間隙６Ａは、摩擦材６１の長期的な使用による摩耗等により微小間隙高さｚ_１が変化しても、圧縮ばね６３の伸縮量を調整することで同じ位置で摩擦支承６が負担する鉛直重量を保持するために設けられる。摩擦支承６は圧縮ばね６３を予め縮めて設置すると、微小間隙高さｚ_１の変化による圧縮ばね６３の圧縮力の変動はわずかとなるため、ほぼ一定の鉛直荷重を支持する。なお、微小間隙高さｚ_１は、上記の摩耗等の予測を考慮して２ｍｍ程度の微小な間隔で形成される。
本実施形態において、図２に示すように、テーパー面２１２における滑り板２１と摩擦材６１との当接は、Ｘ方向に作用する水平変位が滑り板２１と摩擦材６１とが離間する時点でのＸ方向の水平変位である離間時水平変位ｘ_ｇ以上となることで、微小間隙高さｚ_１が０となり微小間隙６Ａが無くなることで解除される。また、テーパー面２１２の形成範囲は、離間時水平変位ｘ_ｇ以下の水平変位で摩擦材６１に当接し、ピストン６２が摺動できればよい。

また、摩擦支承６は、所望の性能を発揮でき離間時水平変位の作用時に上部構造体２から離間できれば本実施形態の構成に限らない。例えば、本実施形態において圧縮ばね６３の他方の端部はシリンダー６４の底部に接続されているが、シリンダー６４の底部がない形態で基礎底部３１に接続され、圧縮ばね６３の他方の端部が基礎底部３１に直接接続される構成でもよい。

次に、上述した実施形態による免震機構および免震構造物の作用・効果について図１乃至図４に基づいて説明する。
図１（ａ）および図２（ａ）に示すように、免震機構１１は平時において免震装置５と摩擦支承６とで上部構造体重量Ｗの抵抗力を負担し、上部構造体２に作用する風力等の方向性外力に抵抗する。
この場合、上記の方向性外力に抵抗する免震装置５（積層ゴム支承５ｂ）の復元力Ｆ_１、免震装置５（剛滑り支承５ａ）の摩擦抵抗力Ｆ_２、摩擦支承６の摩擦抵抗力Ｆ_３は、任意の時点でのＸ方向の水平変位をｘ、免震装置５が負担する上部構造体重量をＷ_１（｜ｘ｜≦ｘ_ｇ）、Ｗ′_１（｜ｘ｜＞ｘ_ｇ）、摩擦支承６が負担する上部構造体重量をＷ_２、免震装置５の水平剛性をｋ_１、免震装置５（滑り材５１）の摩擦係数をμ_１、摩擦支承６（摩擦材６１の当接部）の摩擦係数をμ_２とすると、上記の各定義と合わせてそれぞれ次式で表される。各力と水平変位との関係図は図３（ａ）から（ｄ）となる。なお、テーパー面での荷重変化については無視し、図３および図４に示す原点Ｏは平時における免震機構１１の位置となる。

免震層４内において他にダンパー等が設けられていない場合、総抵抗力（総反力）Ｆ_４はＦ_１，Ｆ_２，Ｆ_３の総和となり、漸増変位ｘ≧０に対して次式で表される。また、図３（ｄ）に示すように、免震機構１１は水平変位ｘが離間時水平変位ｘ_ｇ，－ｘ_ｇで最も大きな総抵抗力（最大抵抗力）Ｆ_Ｏ，－Ｆ_Ｏ（以下、｜Ｆ_Ｏ｜）を有する。なお、例として最大抵抗力｜Ｆ_Ｏ｜を考慮する際、免震機構１１は設計最大風荷重に対して免震装置５（積層ゴム支承５ｂ）の復元力Ｆ_１と、免震装置５（剛滑り支承５ａ）の摩擦抵抗力Ｆ_２と、摩擦支承６の摩擦抵抗力Ｆ_３とによって抵抗し、かつ、地震動等による水平変位の発生時に摩擦支承６が離間できればよい。つまり、最大抵抗力｜Ｆ_Ｏ｜は設計最大風荷重以上であり、地震動等の水平せん断力以下であればよい。

また、図１（ｂ）および図２（ｂ）に示すように、摩擦支承６は、地震動Ａによって上部構造体２が離間時水平変位ｘ_ｇ以上（｜ｘ｜＞ｘ_ｇ）水平方向に変位すると、滑り板２１から離間し、摩擦支承６を除いた免震装置５で免震構造物１が制御される。また、地震動Ａにより発生する力の大きさは一般に風荷重よりも大きい。

地震動Ａによる免震層４の変位は、複雑な軌跡となるが、大振幅時には原点（平時における免震機構１１の位置）をほとんど通過しない特性があり、上記の機構によれば、滑り材５１は滑り案内材５２上を摺動する際に、原点（平時における滑り材５１の位置）をほとんど通過せず、滑り材５１の水平変位は離間時水平変位以下とならない。すなわち、大地震時において摩擦支承６は、ほとんど滑り板２１に当接せず離間したままの状態となる。そのため、上部構造体２には、摩擦抵抗力がほとんど作用しないか、作用したとしても静止摩擦力よりも小さい動摩擦力がごく短時間だけ作用することとなる。

以上の機構により、本実施形態における地震動Ａによる水平変位が生じ摩擦支承６と上部構造体２とが離間した状態の免震機構１１と、摩擦支承６が設けられていない免震機構とを比較しても、免震装置５の免震効果はほとんど低下しない。つまり、摩擦支承６は大地震時における免震効果の発揮に影響しない構成となっている。

なお、水平変位および平時における風荷重等の外力は任意の水平変位方向（ＸＹ平面に面する方向）に対して同時かつ連続的に作用するため、上記のＸ方向の水平変位ｘに対する一連の機構は、例えばＹ方向の水平変位ｙに対しても同様に作用する。そのため、上部構造体２と摩擦支承６とが離間するときのＹ方向の水平変位を離間時水平変位ｙ_ｇとすると、離間時水平変位ｙ_ｇ以上の水平変位ｙ（｜ｙ｜＞ｙ_ｇ）が生じている状態における摩擦支承６も同様に免震装置５の免震効果の発揮に影響しない。なお、一般的には離間時水平変位ｘ_ｇ＝ｙ_ｇとされる。

また、摩擦支承６において、一方側当接面２１１と他方側当接面６１１との当接が解除され、テーパー面２１２と曲面加工部６１２とが接触して移動し始めるときの水平変位（移行時水平変位）をｘ_ｔ＝ｙ_ｔとすると、摩擦抵抗力Ｆ_３が一定の値を持つ水平変位範囲Ｂ（｜ｘ｜^２＋｜ｙ｜^２≦ｘ_ｔ）は、図４（ａ）に示す原点を中心とし、半径が移行時水平変位ｘ_ｔの円形領域となる。
また、摩擦抵抗力Ｆ_３が滑り板２１と摩擦材６１とが離間するまで水平変位に追従して漸増減する水平変位範囲Ｃ（｜ｘ｜^２＋｜ｙ｜^２＞ｘ_ｔ ^２かつ｜ｘ｜^２＋｜ｙ｜^２≦ｘ_ｇ ^２）は、図４（ａ）に示す原点を中心とし、半径が離間時水平変位ｘ_ｇの円形領域から半径が移行時水平変位ｘ_ｔの円形領域を除した中空円形領域となる。
図４（ｂ）に示すように、摩擦抵抗力Ｆ_３は移行時水平変位ｘ_ｔ以下（｜ｘ｜＜｜ｘ_ｔ｜）で一定で、移行時水平変位ｘ_ｔ以上かつ離間時水平変位ｘ_ｇ以下（｜ｘ_ｔ｜≦ｘ≦｜ｘ_ｇ｜）で漸増または漸減し、離間時水平変位ｘ_ｇ以上（｜ｘ｜＞｜ｘ_ｇ｜）となると、消失する復元力特性を有する。

なお、本実施形態の摩擦支承６において、微小間隙高さｚ_１は僅かな間隔であるため、水平変位によって微小間隙６Ａが無くなっても摩擦支承６のＺ方向の高さは僅かしか変化しないため、摩擦抵抗力Ｆ_３が漸増減する水平変位範囲（｜ｘ_ｔ｜≦ｘ≦｜ｘ_ｇ｜）は僅かである。そのため、摩擦支承６の摩擦抵抗力Ｆ_３は、滑り板２１と摩擦材６１とが一方側当接面２１１と他方側当接面６１１とにより当接又はテーパー面２１２と曲面加工部６１２とにより接触している間（｜ｘ｜≦｜ｘ_ｇ｜）は略一定（Ｆ_３≒μ_２Ｗ_２）となり、滑り板２１と摩擦材６１とが離間している間（｜ｘ｜＞｜ｘ_ｇ｜）は０となる（Ｆ_３＝０）。
また、摩擦支承６において、滑り板２１と摩擦材６１とが当接又は接触している間は、予め縮めて設置された圧縮ばね６３の反力で（摩擦支承６が負担する）上部構造体重量Ｗ_２を支持するが、上記摩擦抵抗力Ｆ_３と同様に摩擦支承６のＺ方向の高さは僅かしか変化しないため、圧縮ばね６３の反力（摩擦支承６の圧縮反力）は｜ｘ｜≦｜ｘ_ｇ｜において略一定（予め圧縮した力（摩擦支承６が負担する上部構造体重量）Ｗ_２）となり、｜ｘ｜＞｜ｘ_ｇ｜において０となる。

以上より、図４に示すように、摩擦支承６が一定の摩擦抵抗力Ｆ_３を持つ水平変位範囲Ｂは上部構造体２の水平変位が移行時水平変位ｘ_ｔ，ｙ_ｔ以下であることが求められ、摩擦支承６が水平変位に追従して漸増減する摩擦抵抗力Ｆ_３を持つ水平変位範囲Ｃは上部構造体２の水平変位が移行時水平変位ｘ_ｔ，ｙ_ｔ以上かつ離間時水平変位ｘ_ｇ，ｙ_ｇ以下であることが求められる。

以上の機構により、風力等の方向性外力による免震構造物１の揺れを防止し、かつ、所望の免震性能を有するパッシブ型の免震機構１１と免震機構１１を備えた免震構造物１を提供することができる。また、一つのパッシブ型の免震機構１１によって、免震効果の発現時にＺ方向の高さが変化しない免震装置５を備えている構成において、方向性外力と地震動との両方を制御することが可能となるため、免震装置５の拘束を制御する新たな機構や、制御対象の外力を切り替える新たな制御機構が不要となる。そのため、信頼性を備えた上で免震機構の設置費用と維持管理費用とを削減することが可能となる。

また、免震装置５と摩擦支承６とは、ともに任意の水平変位の作用方向に作用するため、１方向のみに効く摩擦ダンパーと比較して免震機構１１の設置台数を減らすことができるため、上記と同様に免震機構の設置費用と維持管理費用とを削減することが可能となる。また、免震機構１１は、免震効果の発揮時に公知のシヤピンのように破断する部材がなく、地震後も継続して使用することが可能であるため、メンテナンス費用の縮減を図ることができる。

また、免震機構１１は任意方向に作用する方向性外力と水平変位に対して、上部構造体２と摩擦支承６とが当接または離間することで対応することができる。そのため、例えば大きな地震動を免震した後等においても、免震機構１１は元の位置に復元することで継続的に使用することができる等、免震機構の支持対象の外力が切り替わった際の機構や部材の破損等がなく継続的に使用できるため、免震機構の維持管理費等を削減することが可能となる。

また、免震機構１１は、平時における摩擦支承６の摩擦抵抗力Ｆ_３を滑り板２１と摩擦材６１とが離間しない範囲で圧縮ばね６３の伸縮によって調整することが可能であるため、圧縮ばね６３のばね定数と設置前に予め与える予ひずみ（圧縮量）により、摩擦支承６の摩擦抵抗力Ｆ_３を任意に設定することが可能である。そのため、設計最大風荷重と地震時層せん断力に対し、摩擦抵抗力（Ｆ_２＋Ｆ_３）および最大抵抗力｜Ｆ_Ｏ｜の設定の自由度を高めることが可能となる。また、所望の摩擦抵抗力を容易に備えることが可能となる。

また、免震機構１１は、一方側当接面２１１の周縁部にテーパー面２１２を設け、他方側当接面６１１の周縁部に曲面加工部６１２を設けることにより、原点（平時における免震機構の位置）近傍から大きな水平変位に移行する場合においてもその逆の場合においても、滑り板と摩擦材との当接部が滑らかに摺動することができ、大変位による上部構造体と摩擦支承との衝突による免震機構の破損等を抑制できる。
また、免震装置５は、積層ゴム５３と鋼板５４とを積層されて形成された積層ゴム支承５ｂで免震作用を発揮するとともに、地震後に発生する免震装置５の残留変位を抑制することができる。

また、摩擦支承６は構造が簡易であるため、設置場所の自由度が高い。例えば、摩擦支承６は免震層４の内部においても外周部においても容易に設置可能である。そのため、摩擦支承６は上部構造体２と免震装置５との重量の支持のバランスを考慮して設置できるため、平面計画上の制約等も少なくなる。

また、上記の免震機構１１は、免震構造物１を新築する際だけでなく、既存の免震構造物１においても、免震層４に摩擦支承６を免震装置５と並列配置して追加するだけでよいため、容易に適用することが可能である。

以上、本発明による免震機構および免震構造物の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、上記の実施形態では、免震装置５は、滑り材５１と滑り案内材５２とを備えた構成（剛滑り支承５ａ）と積層ゴム５３と鋼板５４とを交互に積層した構成（積層ゴム支承５ｂ）とを備えるが、滑り材５１が積層ゴムを直列して形成された弾性滑り支承としてもよい。この構成によれば、積層ゴムは平時において水平せん断抵抗力が０であるため、滑り材５１が滑り案内材５２上を摺動しない程度の小さな地震動Ａに対しても積層ゴムが追従することで免震装置５の免震効果を発揮することができる。

また、上記の実施形態では、摩擦支承６は、摩擦材６１が摩耗している等の状況を除いて微小間隙高さｚ_１が変化するが、水平変位の作用時に上部構造体２と摩擦支承６とを離間させることができれば、摩擦支承６と上部構造体２の下部との離間前のＺ方向の高さと離間後のＺ方向方向の高さとが一致してもよい。

１ 免震構造物
２ 上部構造体
３ 基礎構造体
４ 免震層
５ 免震装置
５ａ 剛滑り支承
５ｂ 積層ゴム支承
６ 摩擦支承
６Ａ 微小間隙（間隙）
１１ 免震機構
２１ 滑り板
５１ 滑り材
５２ 滑り案内材
５３ 積層ゴム
５４ 鋼板
６１ 摩擦材
６２ ピストン
６２Ａ 凸部
６２Ｂ 凸側当接部（摺動部）
６３ 圧縮ばね
６４ シリンダー
６４Ａ 凹側当接部
６４Ｂ 開口部
２１１ 一方側当接面
２１２ テーパー面
６１１ 他方側当接面
６１２ 曲面加工部

Claims (7)

1. 上部構造体と前記上部構造体の下方に位置する基礎構造体との間に形成される免震層に備えられ、
   平時は前記上部構造体を支持し、前記基礎構造体に対して前記上部構造体が水平変位した際に鉛直方向の高さが変化しない免震装置と、平時は前記上部構造体を支持し、前記上部構造体が水平方向に変位すると前記上部構造体の下部と離間する摩擦支承と、を備え、
   前記免震装置と前記摩擦支承とは、前記免震層内で並列配置され、
   前記摩擦支承は、前記上部構造体を支持時の鉛直方向の高さと、前記上部構造体と離間した後の鉛直方向の高さとが略一致する、
   免震機構。
2. 前記上部構造体は、
   前記摩擦支承に対向する下面に平時において前記摩擦支承と当接する一方側当接面と、
   前記一方側当接面の周縁部に設けられ、前記上部構造体の底部から前記一方側当接面の周縁部に向かう方向に形成され、前記上部構造体が水平変位した際に前記摩擦支承が接触するテーパー面と、
   を備えた滑り板を備える、
   請求項１に記載の免震機構。
3. 前記摩擦支承は、
   前記滑り板に近接対向し、平時において前記一方側当接面と当接する他方側当接面と、前記他方側当接面の周縁部を曲面加工された曲面加工部と、を備えた摩擦材と、
   水平方向の径長が異なる摺動部と凸部とが形成され、前記凸部の上端に前記摩擦材が設けられるピストンと、
   一方の端部が前記摺動部の底部に接続され、予め縮めて設けられる圧縮ばねと、
   前記圧縮ばねの他方の端部と底部とが接続され、前記摩擦材と前記ピストンと前記圧縮ばねとを内部に設け、前記上部構造体に近接する端面に前記凸部が通貫可能な開口部が設けられたシリンダーと、
   を備え、
   前記摺動部は、前記シリンダーの内部を鉛直方向に摺動可能に形成され、
   前記摩擦支承は、
   平時において、前記一方側当接面と前記他方側当接面とが当接し、
   前記滑り板に対する摩擦抵抗力は略一定となり、
   前記摺動部と前記シリンダーの前記開口部が設けられる面の底部とは、鉛直方向に間隙を形成し、
   前記上部構造体の水平方向の変位時において、
   前記上部構造体は前記滑り板と前記曲面加工部とが接触した状態で摺動し、
   前記滑り板と前記曲面加工部との接触は、前記間隙が無くなると解除される、
   請求項２に記載の免震機構。
4. 前記免震装置は、積層ゴムと鋼板を積層して形成され、前記上部構造体の水平変位に追従して変形する、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の免震機構。
5. 前記免震装置は、前記上部構造体の水平変位に追従して変位する滑り材と、前記滑り材が摺動する滑り案内材とを備える、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の免震機構。
6. 前記滑り材は、前記上部構造体の水平変位に追従する積層ゴムを直列して形成される、
   請求項５に記載の免震機構。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の免震機構を備えていることを特徴とする、免震構造物。

Images