JP2023006743A - 免震構造 - Google Patents

Abstract

【課題】引張材を長くすることなく固有周期を長周期化することが可能な免震構造を提供することである。【解決手段】下部構造物２と上部構造物３との間に設けられる免震構造１であって、上部構造物３に固定された上側構造１０と、下部構造物２に固定された下側構造２０と、上側構造１０の下端部の上側構造下端部１０ｂと、下側構造２０の上端部の下側構造上端部２０ｂと、に支持された引張材３０と、下側構造上端部２０ｂと引張材３０の上端部３０ａとの間に設けられ、引張材３０を下側構造上端部２０ｂに対して免震支承する免震支承装置４０と、を有することを特徴とする免震構造１。【選択図】図１

Description

本発明は、下部構造物と上部構造物との間に設けられる免震構造に関する。

建築物などの構造物において、地震の際に地面から伝達される振動を低減するために、基礎などの下部構造物と上部構造物との間に免震構造を設けるようにしたものが知られている。

このような免震構造として、従来、下部構造物に固定された複数の斜めバーと、上部構造物に固定された複数の逆斜めバーと、斜めバーの上端に設けられた上部ケーシングと逆斜めバーの下端に設けられて上部ケーシングよりも下方に配置された下部ケーシングとに連結された引張材（連結部材）とを有し、下部構造物に対して上部構造物を引張材により単振り子式に支持するようにした構成のものが知られている（例えば特許文献１参照）。

特開平２－３５１４１号公報

免震構造は、一般的に、固有周期を長くすることで免震性能を高めることができる。上記従来の免震構造では、引張材によって構成される振り子の長さによって固有周期が決まるので、より高い免震性能を得るためには引張材をより長くする必要がある。

しかし、上記従来の免震構造において引張材を長くするためには、下部構造物と上部構造物との間の上下方向のスペースを大きくする必要がある。そのため、建築物の１階床高さを高くしたり、基礎の底盤の位置をより深くしたりする必要があり、その分、免震構造を設置するためのコストが増加してしまうという問題点があった。

本発明は、引張材を長くすることなく固有周期を長周期化することが可能な免震構造を提供することを目的とする。

本発明の免震構造は、下部構造物と上部構造物との間に設けられる免震構造であって、前記上部構造物に固定された上側構造と、前記下部構造物に固定された下側構造と、前記上側構造の下端部の上側構造下端部と、前記下側構造の上端部の下側構造上端部と、に支持された引張材と、前記下側構造上端部と前記引張材の上端部との間に設けられ、前記引張材を前記下側構造上端部に対して免震支承する免震支承装置と、を有することを特徴とする。

本発明の免震構造は、上記構成において、前記上側構造下端部と前記引張材の下端部との間または前記免震支承装置と前記引張材の上端部との間に、上下方向免震用の弾性支持部材を備えているのが好ましい。

本発明によれば、引張材を長くすることなく固有周期を長周期化することが可能な免震構造を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る免震構造の構成を模式的に示した正面図である。 図１に示す免震支承装置の拡大断面図である。 （ａ）は、図２に示す免震支承装置の平面図であり、（ｂ）は、図２に示すＡ－Ａ線に沿う断面図である。 図１に示す弾性支持部材の拡大断面図である。 図１に示す免震構造の、免震動作を行っている状態を示した正面図である。 図５に示すＢ－Ｂ線に沿う断面図である。

以下、本発明に係る免震構造について、図面を参照しつつ詳細に例示説明する。

図１に示すように、本発明の一実施形態である免震構造１は、下部構造物２と上部構造物３との間に設けられる。免震構造１は、地面から下部構造物２を介して上部構造物３に伝達される水平方向の振動を低減することができる。

免震構造１は、下部構造物２と上部構造物３との間に、３体以上設置することで、上部構造物３を安定的に支持することが可能となる。複数の免震構造１を下部構造物２と上部構造物３との間に配置する際の配置パターンや配置数は、適宜変更可能である。

下部構造物２は、地面に直接または間接に固着した構造物である。上部構造物３は、下部構造物２の上方に構築された構造物である。本実施の形態では、下部構造物２は建築物の基礎であり、上部構造物３は例えばビルディング、倉庫、木造の建物などの建築物である。

なお、下部構造物２は、地面に固着した構造物であれば、建築物の基礎に限らず、例えば建築物の下層階を構成する部分などの他の構造物であってもよい。下部構造物２を建築物の下層階を構成する部分とした場合には、上部構造物３は建築物の上層階を構成する部分である。

免震構造１は、上側構造１０、下側構造２０、引張材３０及び免震支承装置４０を備えている。

上側構造１０は、上部構造物３に固定されている。上側構造１０は、例えば、２本の傾斜する柱部１０ａの下端を互いに接合し、これらの柱部１０ａの上端において上部構造物３に固定されたトラス構造とすることができる。上側構造１０は、例えば鋼材等により、上部構造物３の荷重を支持可能な所定の剛性を有するように構成される。上側構造１０の下端部は、上側構造下端部１０ｂとなっている。

上側構造１０は、下端部に上側構造下端部１０ｂを備えて上部構造物３に固定される構成であれば、上記したトラス構造に限らず、例えば門型の構成とするなど、その形状ないし構成は種々変更可能である。

下側構造２０は、下部構造物２に固定されている。下側構造２０は、例えば、２本の傾斜する柱部２０ａの上端を互いに接合し、これらの柱部２０ａの下端において下部構造物２に固定されたトラス構造とすることができる。下側構造２０は、例えば鋼材等により、上部構造物３の荷重を支持可能な所定の剛性を有するように構成される。下側構造２０の上端部は、下側構造上端部２０ｂとなっている。下側構造上端部２０ｂは、上側構造下端部１０ｂの上方に所定の間隔を空けて配置されている。

下側構造２０は、上端部に下側構造上端部２０ｂを備えて下部構造物２に固定される構成であれば、上記したトラス構造に限らず、例えば門型の構成とするなど、その形状ないし構成は種々変更可能である。

引張材３０は、その下端側において上側構造下端部１０ｂに支持されるとともに上端側において下側構造上端部２０ｂに支持されている。これにより、引張材３０は、下部構造物２に固定された下側構造２０に対して上部構造物３に固定された上側構造１０を吊り下げ保持している。引張材３０は、例えば、鋼材等により上下方向（鉛直方向）に沿って延びるとともに上部構造物３の重量を支持可能な引張り強度を有する棒状のものとすることができるが、上部構造物３の重量を支持可能な引張り強度を有するワイヤー、チェーン等であってもよい。

引張材３０は、上側構造下端部１０ｂ及下側構造上端部２０ｂのそれぞれに対して、水平方向の何れの方向に向けても傾動可能（回動可能）となっている。これにより、地震などによって下部構造物２が上部構造物３に対して水平方向に振動すると、引張材３０は、当該振動により、上側構造下端部１０ｂと下側構造上端部２０ｂとの間で振り子のように振動方向に傾動することができる。

免震支承装置４０は、下側構造上端部２０ｂと引張材３０の上端部３０ａとの間に設けられている。免震支承装置４０は、引張材３０を下側構造上端部２０ｂに対して水平方向に免震支承する。

図２に示すように、本実施形態では、免震支承装置４０は、滑り支承となっている。図２、図３、図４に示すように、本実施形態では、下側構造上端部２０ｂは矩形の板状に形成されており、その上面は水平方向と平行な平らな滑り面４１となっている。下側構造上端部２０ｂの中央には、引張材３０の外径より大きい内径を有する円形の貫通孔４２が設けられており、引張材３０は貫通孔４２を貫通して下側構造上端部２０ｂの上方に突出している。

滑り面４１の上には、ベースプレート４３が配置されている。ベースプレート４３は、下面の全面において滑り面４１に接する矩形板状の摩擦材４３ａと、摩擦材４３ａが下面に固着された板状の球座受け材４３ｂとを有している。ベースプレート４３は、摩擦材４３ａが滑り面４１上を摺動することで、下側構造上端部２０ｂに対して水平方向に移動することができる。ベースプレート４３の中央には、引張材３０の外径より大きい内径を有するとともに摩擦材４３ａ及び球座受け材４３ｂを上下方向に貫通する円形の貫通孔４３ｃが下側構造上端部２０ｂの貫通孔４２と同軸に設けられており、引張材３０の上端部３０ａは貫通孔４２と貫通孔４３ｃとを貫通してベースプレート４３の上方に突出している。

球座受け材４３ｂの上面には、貫通孔４３ｃと同軸であるとともに球座受け材４３ｂの上面から下方に向けて凹む半球状の球座受け面４３ｄが設けられている。一方、引張材３０の上端部３０ａには、ナット３１を用いて球座３２が取り付けられている。球座３２は、球座受け面４３ｄと同一の半径を有して下方に向けて突出する半球状となっており、その半球状の外周面３２ａにおいて球座受け面４３ｄに当接している。引張材３０は球座３２の軸心を貫通しており、ナット３１は球座３２の上方において引張材３０にネジ止めされている。球座３２は、ナット３１により、引張材３０に対する上方への移動が規制されている。

本実施形態では、引張材３０は、球座３２の外周面３２ａが球座受け面４３ｄに沿って摺動することで、下側構造上端部２０ｂに対して、水平方向の何れの方向に向けても傾動可能（回動可能）となっている。

免震支承装置４０は、地震などによって下部構造物２が上部構造物３に対して水平方向に振動すると、摩擦材４３ａが滑り面４１上を摺動することで、ベースプレート４３が下側構造上端部２０ｂに対して水平方向に移動して、引張材３０の下側構造上端部２０ｂに支持される位置を水平方向に変化させることができる。

免震構造１は、上側構造下端部１０ｂと引張材３０の下端部３０ｂとの間または免震支承装置４０と引張材３０の上端部３０ａとの間に、上下方向免震用の弾性支持部材５０を備えた構成とすることができる。本実施形態では、上側構造下端部１０ｂと引張材３０の下端部３０ｂとの間に上下方向免震用の弾性支持部材５０を備えた構成とした場合を示す。

図４に示すように、本実施形態では、上側構造下端部１０ｂは板状に形成されており、その中央には、引張材３０の外径より大きい内径を有する円形の貫通孔１０ｃが設けられている。引張材３０は、貫通孔１０ｃを貫通して上側構造下端部１０ｂの下方に突出している。引張材３０の上側構造下端部１０ｂの下方に突出した下端部３０ｂには、上側構造下端部１０ｂに所定の間隔を空けて対向するフランジ５１が固定されている。

弾性支持部材５０は圧縮コイルバネあり、上側構造下端部１０ｂとフランジ５１との間に圧縮された状態で配置されている。弾性支持部材５０は、地震などによって下部構造物２が上部構造物３に対して上下方向（鉛直方向）に振動したときに、弾性変形によって伸縮することで、当該振動による下部構造物２と上部構造物３との間隔の変化に応じて上側構造下端部１０ｂと下側構造上端部２０ｂとの間の引張材３０の長さを変化させて、当該鉛直方向の振動が下部構造物２から上部構造物３に伝達されることを抑制することができる。弾性支持部材５０は圧縮コイルバネに限らず、例えば上下方向に複数枚重ねられた皿バネなどの他の弾性部材であってもよい。

本実施形態では、引張材３０は、貫通孔１０ｃを支点として上側構造下端部１０ｂにより支持されつつ弾性支持部材５０が傾斜方向に弾性変形することで、上側構造下端部１０ｂに対して、水平方向の何れの方向に向けても傾動可能（回動可能）となっている。

図５に示すように、上記構成を有する本実施形態の免震構造１は、地震などによって下部構造物２が上部構造物３に対して水平方向に振動すると、引張材３０が当該振動によって上側構造下端部１０ｂと下側構造上端部２０ｂとの間で振り子のように振動方向に傾動することで免震動作して、下部構造物２の振動が上部構造物３に伝達されることを抑制することができる。

また、上記構成を有する本実施形態の免震構造１は、下側構造上端部２０ｂと引張材３０の上端部３０ａとの間に、引張材３０の振り子動作による免震機構に対して直列に、免震支承装置４０を設けているので、地震などによって下部構造物２が上部構造物３に対して水平方向に振動すると、図５、図６に示すように、摩擦材４３ａが滑り面４１上を摺動することで、ベースプレート４３が下側構造上端部２０ｂに対して水平方向に移動して、引張材３０の下側構造上端部２０ｂに支持される位置が、引張材３０の傾動動作（振り子動作）に合わせて水平方向に変化することになる。これにより、図５に示すように、免震動作時における引張材３０の振り子動作による回転半径Ｒ１は、免震支承装置４０が設けられない場合の回転半径Ｒ２に対し、ベースプレート４３が下側構造上端部２０ｂに対して水平方向に移動する分だけ大きくなる。よって、水平方向の振動に対する免震構造１の固有周期は、免震支承装置４０が設けられない場合に比べて長周期化することになる。

このように、本実施形態の免震構造１では、下側構造上端部２０ｂと上側構造下端部１０ｂとに支持された引張材３０の振り子動作による免震機構に加えて、下側構造上端部２０ｂと引張材３０の上端部３０ａとの間に、引張材３０を下側構造上端部２０ｂに対して免震支承する免震支承装置４０を設けた構成としたので、引張材３０を長くすることなく、免震構造１の免震動作の際の固有周期を長周期化することができる。

また、上記構成を有する本実施形態の免震構造１では、引張材３０を長くすることなく免震動作の際の固有周期を長周期化することができるので、下部構造物２と上部構造物３との間の上下方向のスペースを拡大するために、建築物の１階床高さを高くしたり、基礎の底盤の位置をより深くしたりすることを不要として、免震構造１を設置するためのコストを低減することができる。

さらに、本実施形態の免震構造１では、トラス構造とされた上側構造１０の内側に免震支承装置４０を配置することができるので、免震支承装置４０を配置するためのスペースを小さくすることができ、また、上部構造物３を建築物とした場合には、建築物の居住空間等に免震支承装置４０を配置することを不要として、建築物の空間を有効に利用することが可能となる。

このように、本実施形態の免震構造１によれば、設置コストを高めることなく、固有周期を長周期化して免震構造１の免震性能を高めることができる。

免震構造１の、水平方向の振動に対する固有周期Ｔは、以下の通りとなる。

すなわち、上記構成を有する本実施形態の免震構造１において、引張材３０の振り子動作時における振り子角度θが小さい場合には、ｓｉｎθ≒θとなるため、引張材３０の振り子動作による免震機構の水平剛性Ｋ_ｐは、引張材３０の支持重量をｍｇ、引張材３０の振り子長さ（引張材３０の球座３２の中心から上側構造下端部１０ｂまでの長さ）をＬとすると、以下の（式１）となる。

［数式］
Ｋ_ｐ＝ｍｇ／Ｌ （式１）

一方、免震支承装置４０の等価剛性Ｋ_ｓは、免震支承装置４０の水平方向への変位量をｄ、摩擦材４３ａと滑り面４１との間の摩擦係数をμとすると、以下の（式２）となる。

［数式］
Ｋ_ｓ＝μＮ／ｄ＝μｍｇｃｏｓ^２θ／ｄ （式２）

なお、引張材３０の振り子動作時における張力をＦ_ｔとすると、Ｆ_ｔ＝ｍｇｃｏｓθ、Ｎ＝Ｆ_ｔｃｏｓθとなるので、引張材３０による振り子機構と免震支承装置４０とが直列配置となる免震構造１の全体の剛性Ｋは、１／Ｋ＝１／Ｋ_ｐ+１／Ｋ_ｓ＝（μＬｃｏｓ^２θ+ｄ）／μｍｇｃｏｓ^２θから、以下の（式３）となる。

［数式］
Ｋ＝μｍｇｃｏｓ^２θ／（μＬｃｏｓ^２θ+ｄ） （式３）

よって、免震構造１の、水平方向の振動に対する固有周期Ｔは、以下の（式４）となる。

［数式］
Ｔ＝２π／ω＝２π｛（μＬｃｏｓ^２θ+ｄ）／μｇｃｏｓ^２θ｝^１／２＝２π｛（Ｌ／ｇ）+（ｄ／μｇｃｏｓ^２θ）｝^１／２ （式４）

このように、免震構造１の、水平方向の振動に対する固有周期Ｔは、免震支承装置４０が設けられない場合の固有周期２π（Ｌ／ｇ）^１／２より伸長されている。

上記構成を有する本実施形態の免震構造１においては、摩擦材４３ａと滑り面４１との間の摩擦係数μは、種々変更可能である。

例えば、摩擦係数μを比較的小さく設定することにより、地震などによって下部構造物２が上部構造物３に対して水平方向に振動したときに、免震支承装置４０が積極的に免振動作を行うようにして、固有周期Ｔが長周期化した免震構造１によって、当該振動が上部構造物３に伝達されることを効果的に抑制することができる。この場合、免震支承装置４０には復元機能がないため、小さな地震の後であってもジャッキ等を用いて免震支承装置４０を原点位置に復帰させる必要が生じる。

これに対し、摩擦係数μを比較的大きく設定することにより、免震支承装置４０をフェイルセーフとして使用することもできる。すなわち、摩擦係数μを比較的大きく設定することにより、小地震の際には摩擦材４３ａが滑り面４１に対して摺動せず、所定の震度以上の大地震の際にのみ摩擦材４３ａが滑り面４１に対して摺動する構成とすることもできる。この場合、小地震の際には、免震支承装置４０が作動しないので、免震構造１の固有周期Ｔを長周期化することはできないが、小地震の後に、免震支承装置４０の復元作業を不要とすることができる。一方、大地震の際には、摩擦材４３ａが滑り面４１に対して摺動することで、免震構造１の固有周期Ｔを長周期化して、大地震による大きな振動を免震構造１によって効果的に免振することができる。また、摩擦係数μを比較的大きくすることにより、免震動作時に摩擦材４３ａと滑り面４１との間に生じる摩擦抵抗を大きくして、振動を減衰する効果を得ることができる。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

例えば、免震支承装置４０は、滑り支承に限らず、例えば、転がり支承、積層ゴム支承など、水平方向の振動を免震できるものであれば、他の構成のものであってもよい。

免震支承装置４０として球面転がり支承を用いる場合には、下側構造上端部２０ｂと球座受け材４３ｂとの間に、摩擦材４３ａに替えて、それぞれ球面を備えた上皿と下皿とを互いの球面を対向させて上下に配置し、これらの上皿と下皿との間に球面に接する駒を配置する。この場合、免震支承装置４０の球面の半径（回転半径）は、引張材３０の免震支承装置４０が免振動作していないときの回転半径Ｒ２よりも大きく設定する。免震支承装置４０として球面転がり支承を用いることで、地震の後に、免震支承装置４０を自動的に原点位置に復帰させることができる。

免震支承装置４０として積層ゴム支承を用いる場合には、下側構造上端部２０ｂと球座受け材４３ｂとの間に、摩擦材４３ａに替えて積層ゴム支承を配置する。積層ゴム支承としては、これに加わる回転荷重に抗するために、扁平な形状のものを用いるのが好ましい。免震支承装置４０として積層ゴム支承を用いることで、地震の後に、免震支承装置４０を原点位置に容易に復帰させることができる。また、積層ゴム支承として、高減衰ゴムを使用したものを用いることで、免震支承装置４０に減衰機能を付与することもできる。

免震構造１は、上下方向免震用の弾性支持部材５０を、上側構造下端部１０ｂと引張材３０の下端部３０ｂとの間に設けた構成に限らず、上下方向免震用の弾性支持部材５０を、免震支承装置４０と引張材３０の上端部３０ａとの間に設けた構成としてもよい。また、免震構造１は、弾性支持部材５０を備えない構成とすることもできる。これらの場合、引張材３０の下端部３０ｂは、例えばピン接合、ユニバーサルジョイント、リング部材など、上側構造下端部１０ｂに引張荷重を伝達でき且つ引張材３０を上側構造下端部１０ｂに対して傾動可能（回動可能）とする種々の連結構造によって上側構造下端部１０ｂに連結した構成とすることができる。

上記実施形態では、上側構造１０及び下側構造２０を、それぞれ２本の柱部１０ａ、２０ａを有するトラス構造として説明したが、上側構造１０及び下側構造２０は、各々３本以上の柱部１０ａ、２０ａを有するトラス構造であってもよい。上側構造１０及び下側構造２０を、各々３本以上の柱部１０ａ、２０ａを有するトラス構造とすることで、より安定した免震構造１とすることができる。また、上側構造１０及び下側構造２０を各々１本の柱部１０ａ、２０ａを有する構成とした場合であっても、免震構造１を３体以上設置することで、上部構造物３を安定的に支持することができる。

１ 免震構造
２ 下部構造物
３ 上部構造物
１０ 上側構造
１０ａ 柱部
１０ｂ 上側構造下端部
１０ｃ 貫通孔
２０ 下側構造
２０ａ 柱部
２０ｂ 下側構造上端部
３０ 引張材
３０ａ 上端部
３０ｂ 下端部
３１ ナット
３２ 球座
３２ａ 外周面
４０ 免震支承装置
４１ 滑り面
４２ 貫通孔
４３ ベースプレート
４３ａ 摩擦材
４３ｂ 球座受け材
４３ｃ 貫通孔
４３ｄ 球座受け面
５０ 弾性支持部材
５１ フランジ
Ｒ１ 回転半径
Ｒ２ 回転半径

Claims (2)

1. 下部構造物と上部構造物との間に設けられる免震構造であって、
   前記上部構造物に固定された上側構造と、
   前記下部構造物に固定された下側構造と、
   前記上側構造の下端部の上側構造下端部と、前記下側構造の上端部の下側構造上端部と、に支持された引張材と、
   前記下側構造上端部と前記引張材の上端部との間に設けられ、前記引張材を前記下側構造上端部に対して免震支承する免震支承装置と、
   を有することを特徴とする免震構造。
2. 前記上側構造下端部と前記引張材の下端部との間または前記免震支承装置と前記引張材の上端部との間に、上下方向免震用の弾性支持部材を備えている、請求項１に記載の免震構造。

Images