JP2024061706A - Air floatation seismic isolation device and air supply unit for air floatation seismic isolation device - Google Patents
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Abstract
【課題】地震発生時のP波を検出して、高圧タンクより圧縮空気を供給し建物を浮上させて地震のS波による建物の揺れを抑制する。【解決手段】地震発生時のP波を検出して圧縮空気タンクから圧縮空気を吐出させ建物の下部に備えられた空間に圧縮空気を供給して地震のS波が到達する前に建物を浮上させて地震の揺れを抑制する空気浮揚式免震装置であって、この空気浮揚式免震装置は、人工基盤と、人工基盤の上の圧縮空気を充填する空間となる浮上用空気充填室と、建物基礎と、浮上用空気充填室に圧縮空気を供給する圧縮空気タンク、電磁弁および配管で構成される空気供給ユニットとで構成される。圧縮空気タンクは高圧の圧縮空気タンクであって、等温化圧力容器としての機能を備え、さらに空気供給ユニットは流量増幅器および逆止弁を備えたことを特徴とする空気浮揚式免震装置である。【選択図】図3[Problem] This air-floating seismic isolation device detects P waves during an earthquake, and supplies compressed air from a high-pressure tank to lift the building, thereby suppressing shaking of the building caused by the S waves of the earthquake. [Solution] This air-floating seismic isolation device detects P waves during an earthquake, and discharges compressed air from a compressed air tank to supply compressed air to a space provided under the building, thereby lifting the building before the S waves of the earthquake arrive, thereby suppressing shaking of the building. This air-floating seismic isolation device is composed of an artificial base, an air-filled chamber for lifting, which is a space above the artificial base into which compressed air is filled, a building foundation, and an air supply unit composed of a compressed air tank, a solenoid valve, and piping that supplies compressed air to the air-filled chamber for lifting. This air-floating seismic isolation device is characterized in that the compressed air tank is a high-pressure compressed air tank that functions as an isothermal pressure vessel, and the air supply unit is further equipped with a flow amplifier and a check valve. [Selected drawing] Figure 3
Description
本発明は、建物に設置される空気浮揚式免震装置および空気浮揚式免震装置の空気供給ユニットに関し、詳しくは、地震発生時のP波を検出して建物と基礎との間にある空間に圧縮空気を短時間で供給する空気供給ユニットを備えた空気浮揚式免震装置に関する。 The present invention relates to an air-floating seismic isolation device and an air supply unit for the air-floating seismic isolation device that are installed in a building, and more specifically, to an air-floating seismic isolation device equipped with an air supply unit that detects P waves during an earthquake and quickly supplies compressed air to the space between the building and the foundation.
日本は地震大国であり、2011年3月11日の東日本大震災においては、住宅の被害は、全壊13万棟、半壊27万棟および一部破損74万棟に及んだ。全壊13万棟の被害のうち約9割は津波によるものであるが、約1万棟は地震による被害であった。その後も東日本大震災の余震と思われる地震が発生しており、今後30年以内には太平洋岸の海域で3つの巨大地震が発生するとも予測されている。地震による被害を避けるため、近年では、戸建て住宅の免震技術は数多く提案実施されている。それらは支柱を強固なものにし、建物の強度を上げ、戸建て住宅が壊れないように耐震に力を入れる手法である。 Japan is a country prone to earthquakes, and in the Great East Japan Earthquake that occurred on March 11, 2011, damage to houses reached 130,000 buildings that were completely destroyed, 270,000 buildings that were partially destroyed, and 740,000 buildings that were partially damaged. Of the 130,000 buildings that were completely destroyed, about 90% was caused by the tsunami, but about 10,000 buildings were damaged by the earthquake. Since then, earthquakes thought to be aftershocks of the Great East Japan Earthquake have occurred, and it is predicted that three huge earthquakes will occur in the Pacific coastal areas within the next 30 years. In order to prevent damage from earthquakes, many seismic isolation technologies for detached houses have been proposed and implemented in recent years. These are methods that strengthen the pillars, increase the strength of the building, and focus on earthquake resistance to prevent detached houses from collapsing.
特許文献1には、ゴム板緩衝機構及び空気浮揚式免震装置の発明が開示されている。
この文献の空気浮揚式免震装置は、下基礎と、下基礎の上に設置される上基礎と、上端が上基礎に気密に固定され、下端が下基礎に弾性的に接して空気圧力室を形成する金属シール板と、加圧空気タンクと、を備え、センサで地震の揺れを感知すると電磁弁を開いて金属シール板で囲まれた空気圧力室に圧縮空気を供給して上基礎を浮揚させる空気供給ユニットと、上基礎の上部に空気供給ユニットが収納されることを特徴とする空気浮揚式免震装置である。
この空気浮揚式免震装置に、中央開口部を有する環状の高減衰ゴムからなり、上面と下面がともに内周側又は外周側に向かって傾斜したゴム板と、中央開口部に挿入される蓋付きの突出軸とからなるゴム板緩衝機構が付加されている。
The air-floatation seismic isolation device described in this document is an air-floatation seismic isolation device that comprises a lower foundation, an upper foundation placed on the lower foundation, a metal sealing plate whose upper end is airtightly fixed to the upper foundation and whose lower end elastically contacts the lower foundation to form an air pressure chamber, and a pressurized air tank, and is characterized in that when a sensor detects earthquake tremors, it opens a solenoid valve to supply compressed air to the air pressure chamber surrounded by the metal sealing plate to levitate the upper foundation, and the air supply unit is stored above the upper foundation.
This air-floating seismic isolation device is equipped with a rubber plate cushioning mechanism consisting of a ring-shaped high-damping rubber with a central opening, with both the upper and lower surfaces inclined toward the inner or outer circumference, and a protruding shaft with a lid that is inserted into the central opening.
この特許文献には、空気浮揚式免震装置を備える建物の床面積は20坪(66m2)とし、建物の浮上高さは3~5cm、15~30mmの配管を使用して2秒程度で浮上させるとしている。
ここで、配管を内径30mmとして、浮上高さ3cmまで2秒で完了させるとすると、厳密には圧縮性流体の特性を考慮する必要があり詳細は後述するが、単純に配管の断面積で計算すると1400m/sの流速となり、複数の配管、例えば4本使用しても350m/sの流速であり、音速を超える速度となってしまう。
流体である空気を扱う場合、電磁弁や配管の有効断面積、流速が音速に達すると質量流量が飽和すること、また圧力容器から空気を放出する際の断熱変化等の課題があり、2秒程度の時間で建物を浮上させるには多くの課題がある。
This patent document states that the floor area of a building equipped with an air levitation type seismic isolation device is 20 tsubo ( 66 m2), the building is lifted to a height of 3 to 5 cm, and the building is lifted in about 2 seconds using 15 to 30 mm piping.
Here, if the inner diameter of the pipe is 30 mm and it takes 2 seconds to reach a floating height of 3 cm, strictly speaking, the characteristics of the compressible fluid must be taken into consideration, as will be described in detail below, but a simple calculation based on the cross-sectional area of the pipe results in a flow velocity of 1,400 m/s, and even if multiple pipes, for example four, are used, the flow velocity will be 350 m/s, which exceeds the speed of sound.
When dealing with air, which is a fluid, there are issues such as the effective cross-sectional area of solenoid valves and piping, the saturation of the mass flow rate when the flow velocity reaches the speed of sound, and adiabatic changes that occur when air is released from a pressure vessel, and there are many challenges to overcome in levitating a building in around two seconds.
本願発明は、上記の課題を解決するもので、地震センサにより地震のP波を検出し、所定の浮上時間で圧縮空気により建物を浮上させて地震の振動を抑制する。この空気浮揚式免震装置は、建物への被害を低減するだけでなく、建物の中でも揺れが最小限に抑えられ、物が落ちるといった危険も回避できる。
本空気浮揚式免震装置において、建物の浮上時間は非常に重要である。震源地が近いとP波とS波の到着時間の差は短くなってしまうため、可能な限り短時間で浮上させることが望ましい。
そこで本願発明では、建物の浮上時間を短縮するため、圧縮空気タンクは等温化圧力容器の機能を備えた高圧の圧縮空気タンクを使用する。あわせて高圧の圧縮空気タンクを使用することで圧縮空気タンクの合計体積および設置面積の減少を実現する。さらに、流量増幅器を使用することにより、さらに浮上時間の短縮を実現する。
The present invention solves the above problems by detecting the P-waves of an earthquake using an earthquake sensor, and then using compressed air to lift the building at a specified lift time to suppress earthquake vibrations. This air-floating seismic isolation device not only reduces damage to buildings, but also minimizes shaking inside the building, preventing the risk of objects falling.
In this air-levitation seismic isolation device, the time it takes for the building to rise is very important. If the epicenter is close, the difference in arrival time between the P-waves and the S-waves becomes short, so it is desirable to raise the building as quickly as possible.
Therefore, in the present invention, in order to shorten the time it takes for a building to rise, a high-pressure compressed air tank with the function of an isothermal pressure vessel is used. In addition, by using a high-pressure compressed air tank, the total volume and installation area of the compressed air tank can be reduced. Furthermore, by using a flow amplifier, the time it takes to rise can be further shortened.
すなわち、本発明は、地震発生時のP波を検出して圧縮空気タンクから圧縮空気を吐出させ建物の下部に形成された空間に圧縮空気を供給して所定の浮上時間で建物を浮上させて地震の揺れを抑制する空気浮揚式免震装置であって、空気浮揚式免震装置は、空間に圧縮空気を供給する空気供給ユニットを備え、該空気供給ユニットは圧縮空気タンク、電磁弁および配管で構成され、圧縮空気タンクは高圧の圧縮空気タンクであって、高圧の圧縮空気タンクにより圧縮空気を充填しないで余震に備えて建物を連続して複数回浮上させ、さらに高圧の圧縮空気タンクは水平方向および垂直方向に複数並置および重置して設置面積を減少させて建物内に設置し、所定の浮上時間は、電磁弁の内径ならびに配管の内径および長さにより算出される有効断面積を基に算出された時間であり、P波を検出した地震発生時からS波が到達する前に前記建物を浮上させる時間であることを特徴とする空気浮揚式免震装置である。 In other words, the present invention is an air-floating seismic isolation device that detects P waves during an earthquake, discharges compressed air from a compressed air tank, supplies compressed air to a space formed under a building, and floats the building for a specified floating time to suppress earthquake swaying, the air-floating seismic isolation device is equipped with an air supply unit that supplies compressed air to the space, the air supply unit being composed of a compressed air tank, an electromagnetic valve, and piping, the compressed air tank is a high-pressure compressed air tank, and the building is floated multiple times in succession in preparation for aftershocks without being filled with compressed air from the high-pressure compressed air tank, and further, the high-pressure compressed air tanks are installed inside the building by arranging multiple high-pressure compressed air tanks side by side and stacking them horizontally and vertically to reduce the installation area, the specified floating time is a time calculated based on an effective cross-sectional area calculated from the inner diameter of the electromagnetic valve and the inner diameter and length of the piping, and is the time from the occurrence of an earthquake when P waves are detected to the arrival of S waves to float the building.
このように構成することにより、高圧の圧縮空気タンク(以下、「高圧タンク」という)を使用することにより、高圧タンクにより浮上時間の短縮と設置面積の低減を実現することができる。 By configuring it in this way, it is possible to shorten the ascent time and reduce the installation area by using a high-pressure compressed air tank (hereinafter referred to as the "high-pressure tank").
また、本発明の空気浮揚式免震装置は、さらに地面に設置される人工基盤と、人工基盤の上の圧縮空気を充填する空間である浮上用空気充填室と、浮上用空気充填室の上に設けられる建物基礎と、地震センサおよび高さセンサの信号により電磁弁の開閉信号を送出する制御部と、で構成され、浮上用空気充填室は、建物基礎の下面と、人工基盤の上面と、上端が建物基礎の側面に気密に固定され下端は弾性的に折り曲げられ人工基盤の上面と当接する複数の金属シール板とで包囲して形成され、高圧の圧縮空気タンク内に熱伝導性の高い材料で形成された細線を束状にして充填し等温化圧力容器としての機能を備えたことを特徴とする。 The air-floating seismic isolation device of the present invention is further composed of an artificial base installed on the ground, an air-filled chamber for levitation, which is a space above the artificial base that is filled with compressed air, a building base installed above the air-filled chamber for levitation, and a control unit that sends signals to open and close the solenoid valve based on signals from the earthquake sensor and height sensor. The air-filled chamber for levitation is surrounded by the underside of the building base, the upper surface of the artificial base, and multiple metal sealing plates whose upper ends are airtightly fixed to the side of the building base and whose lower ends are elastically bent and come into contact with the upper surface of the artificial base. The high-pressure compressed air tank is filled with bundles of thin wires made of a highly thermally conductive material, and is characterized by having the function of an isothermal pressure vessel.
このように構成することにより、高圧タンクから建物の下部にある浮上用空気充填室に圧縮空気を供給することができ、地震発生後短時間で建物を浮上させることができる。また、等温化圧力容器とすることで高圧タンクから空気を放出する際の急激な温度変化を抑制することができる。 By configuring it in this way, compressed air can be supplied from the high-pressure tank to the air-filled chamber for lifting located at the bottom of the building, allowing the building to be lifted in a short time after an earthquake occurs. In addition, by making it an isothermal pressure vessel, it is possible to suppress sudden temperature changes when releasing air from the high-pressure tank.
さらに、本発明の空気供給ユニットは、さらに流量増幅器および逆止弁を備え、空気浮揚式免震装置は、さらに高圧の圧縮空気タンクに圧縮空気を充填する圧縮機と、地震発生後に停電となったとき圧縮機ならびに電磁弁および該電磁弁を駆動させる制御部が動作可能なバッテリーと、が備えられたことを特徴とする。
流量増幅器を備えたことにより、建物浮上に必要な高圧タンクから吐出される圧縮空気を増幅することができ、また地震発生後停電となっても圧縮機を使用して高圧タンクに圧縮空気を充填することができ、高圧タンクの数量低減や浮上時間の短縮を可能にすることができる。
Furthermore, the air supply unit of the present invention further comprises a flow amplifier and a check valve, and the air floating seismic isolation device is further characterized by comprising a compressor that fills a high-pressure compressed air tank with compressed air, and a battery that can operate the compressor, the solenoid valve, and the control unit that drives the solenoid valve in the event of a power outage after an earthquake.
By installing a flow amplifier, the compressed air discharged from the high-pressure tank required for lifting the building can be amplified. In addition, even if there is a power outage after an earthquake, the compressor can be used to fill the high-pressure tank with compressed air, making it possible to reduce the number of high-pressure tanks and shorten the time it takes to lift the building.
さらに、空気浮揚式免震装置は、空気供給ユニットから空間または浮上用空気充填室の複数の接続口までの配管長さを短縮するために、複数の接続口と接続する複数の空気供給ユニットを備え、該複数の空気供給ユニットの高圧の圧縮空気タンクに圧縮空気を充填する圧縮機およびバッテリーを設けたことを特徴とする。
この構成により、配管を短くした複数の空気供給ユニットを使用することで短時間に大量の空気を供給でき、建物の浮上時間が短縮できる。
Furthermore, the air levitation type seismic isolation device is characterized in that it is provided with a plurality of air supply units connected to the plurality of connection ports in order to shorten the piping length from the air supply unit to the space or the plurality of connection ports of the air filling chamber for levitation, and is provided with a compressor and a battery that fills the high-pressure compressed air tanks of the plurality of air supply units with compressed air.
With this configuration, by using multiple air supply units with short piping, a large amount of air can be supplied in a short period of time, thereby shortening the time it takes for the building to float.
また、本発明は、地震発生時のP波を検出して圧縮空気タンクから圧縮空気を吐出させ建物の下部に形成された空間に圧縮空気を供給して所定の浮上時間で前記建物を浮上させて地震の揺れを抑制する空気浮揚式免震装置に備わる圧縮空気を前記空間に供給する空気供給ユニットであって、空気供給ユニットは圧縮空気タンク、電磁弁、流量増幅器、逆止弁および配管で構成され、圧縮空気タンクは高圧の圧縮空気タンクであって、該高圧の圧縮空気タンク内に熱伝導性の高い材料で形成された細線を束状にして充填し等温化圧力容器としての機能を備え、高圧の圧縮空気タンクにより圧縮空気を充填しないで余震に備えて建物を連続して複数回浮上させ、さらに高圧の圧縮空気タンクは水平方向および垂直方向に複数並置および重置して設置面積を減少させて建物内に設置し、所定の浮上時間は、電磁弁の内径ならびに配管の内径および長さにより算出される有効断面積を基に算出された時間であり、P波を検出した地震発生時からS波が到達する前に前記建物を浮上させる時間であることを特徴とする空気浮揚式免震装置の空気供給ユニットである。
この空気供給ユニットにより、流量を増幅させることができ浮上時間の短縮が可能となり、また高圧の圧縮空気タンクの本数を減少させることができる。
The present invention also provides an air supply unit for an air-floatation seismic isolation device that detects P-waves during an earthquake, discharges compressed air from a compressed air tank, supplies compressed air to a space formed under a building, and floats the building in a predetermined floating time to suppress earthquake tremors, the air supply unit being composed of a compressed air tank, a solenoid valve, a flow amplifier, a check valve, and piping, the compressed air tank being a high-pressure compressed air tank filled with a bundle of thin wires made of a highly thermally conductive material and having a function as an isothermal pressure vessel, the high-pressure compressed air tank is used to continuously float the building multiple times in preparation for aftershocks without filling it with compressed air, and the high-pressure compressed air tanks are installed within the building by arranging multiple high-pressure compressed air tanks side by side and overlapping them horizontally and vertically to reduce the installation area, and the predetermined floating time is a time calculated based on an effective cross-sectional area calculated from the inner diameter of the solenoid valve and the inner diameter and length of the piping, and is the time from the occurrence of an earthquake when P-waves are detected to the arrival of S-waves to float the building.
This air supply unit allows the flow rate to be increased, shortening the ascent time and reducing the number of high-pressure compressed air tanks required.
以上、本発明によれば、地震発生時のP波を検出して、高圧タンクより短時間で圧縮空気を供給し建物を浮上させて地震のS波による建物の揺れを抑制することができる。また、高圧タンクを等温化圧力容器の機能を備えることにより高圧タンク内の温度変化を抑制することができ、さらに流量増幅器により高圧タンクの本数を減少させることができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to detect P waves during an earthquake and supply compressed air from the high-pressure tank in a short time to lift the building and suppress shaking of the building caused by the S waves of the earthquake. In addition, by equipping the high-pressure tank with the function of an isothermal pressure vessel, it is possible to suppress temperature changes inside the high-pressure tank, and furthermore, the number of high-pressure tanks can be reduced by using a flow amplifier.
本発明の実施形態に係る空気浮揚式免震装置について図面を参照して説明する。
図1は、地震発生前の空気浮揚式免震装置の概略図である。図2は、地震発生後に空気浮揚式免震装置が作動した状態の概略図である。図1と図2の相違は、浮上用空気充填室に圧縮空気が供給されているか否かの違いである。また、図1および図2は、建物の構造は省略している。
An air floating type seismic isolation device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
Fig. 1 is a schematic diagram of an air-floatation seismic isolation device before an earthquake occurs. Fig. 2 is a schematic diagram of the air-floatation seismic isolation device in operation after an earthquake occurs. The difference between Fig. 1 and Fig. 2 is whether compressed air is supplied to the air-filled chamber for floating. In addition, Fig. 1 and Fig. 2 omit the structure of the building.
空気浮揚式免震装置100は、人工基盤1、人工基盤1の上に設置される建物基礎2、金属シール板4、空気供給ユニット20、地震センサ24、制御部25、高さセンサ26により構成される。さらに、金属シール板4は、本実施形態では、建物基礎2の側面全周に気密にボルト10で固定され、下端が人工基盤1に弾性的に接する。
The air-floating
金属シール板4は、建物基礎2を複数に区画し、その周囲を金属シール板4で囲んでもよい。このようにすることで、建物の重量が偏っていても、バランスさせて水平に浮揚させることができる。建物5は、建物基礎2の上に組み置かれる。例えば、都市部での3階建ての戸建て住宅を考えると、1階は車庫で、2階3階が住居であれば、空気供給ユニット20等は1階車庫に収納してもよい。
The
建物5は、本実施形態では都市型の住宅を想定している。例えば、木造建築の2階建てまたは3階建てで重量が40トン程度とし、床面積を40平方メートル(約12坪)とする。建物の圧力は約1000kgf/m2となり、0.10気圧程度である。
In this embodiment, the
人工基盤1は、矩形状で、コンクリートで形成することができる。人工基盤1は、金属シール板4が接する上面に平滑表面部9を有する。地震の際、振動で人工基盤1がスライドしても、金属シール板4は、底部から空気が大きく漏れることを防止する。平滑表面部9は人工基盤1の上面の全体としても、所定の幅、例えば60cm~120cmとしてもよい。
The
平滑表面部9は、エンジン式回転鏝による研摩によって実現できる。ステンレスの金属板で被覆してもよいし、樹脂板を採用してもよい。平滑表面部9は、平滑さを凹凸の最大高低差で示す場合、±1mm以内であることが好ましい。人工基盤1は、地盤より高くして、塵や雨水などが入り込まないようにすることが好ましい。
The
図1に示すように、本実施形態では、建物基礎2の側面に金属シール板4を取付ける。金属シール板4は浮上用空気充填室3(本発明の「空間」に該当)の空気が漏れないようにシールする。金属シール板4は、上端が建物基礎2にボルト10等で固定され、下端は切り欠き溝8内に挿入される。金属シール板4は、撓んで弾性力が付勢され、下端が平滑表面部9に当接する。金属シール板4は、弾性力、強度、耐食性の点でステンレス板が好ましい。金属シール板4は、例えば、長さが1~3m、幅が15~25cm、厚さが0.15~0.6mmのものを使用できる。
As shown in FIG. 1, in this embodiment, a
また、図1に示すように、建物基礎2の上に空気供給ユニット20が設置される。建物基礎2の上には、建物5が構築される。空気供給ユニット20は、高圧タンク21、電磁弁22、空気供給管(配管)23で構成される。さらに、空気浮揚式免震装置100には地震センサ24、制御部25、高さセンサ26が備えられる。空気供給ユニット20は、建物基礎2内に設置されるので、地震の時、配管23が震動することがなく、配管23のずれや損傷が防止できる。
さらに、2階建ての住宅の場合には、空気供給ユニット20は、建物5の床下に設置してもよい。空気供給ユニット20は、容量5Lの高圧タンク21、電磁弁22、配管23で構成されるユニットで、例えば後述するように高圧タンクが2または4本となれば、ユニット毎に十分建物の床下に設置可能である。
As shown in Fig. 1, an
Furthermore, in the case of a two-story house, the
なお、上下水道管などは、建物の外部に接続されるのでフレキシブル管が使用される。配管23は、建物基礎2の上面から下面に貫通させ、浮上用空気充填室3に接続される。この配管23が貫通する接続口6は、1箇所でもよいが複数個所設けられるのが好ましい。配管の内径は40mmとするが、この内径に限られない。高圧タンク21の圧縮空気は、人工基盤1と建物基礎2の間の浮上用空気充填室3に送られる。圧縮空気の圧力で建物基礎2が浮揚される。すなわち、人工基盤1の揺れが空気によって抑制されるので、免震効果が発揮される。
Furthermore, flexible pipes are used for water supply and sewerage pipes, etc., as they are connected to the outside of the building. The piping 23 penetrates from the top to the bottom of the
地震発生時、地震センサ24が、地震の揺れである初期微動(P波)を感知すると制御部25にその信号が送られる。制御部25は、所定の揺れ幅が発生すると電磁弁22に開信号を送付する。これにより、圧縮空気が配管23を介して、浮上用空気充填室3に短時間で供給され、建物基礎2が浮揚する。
なお、所定の揺れ幅(P波の大きさ)以上で電磁弁22を開とする基準は制御部25で設定できるものとする。
When an earthquake occurs, the
The standard for opening the
制御部25は、地震センサ24の信号を受けて電磁弁22に開信号を送付し、高さセンサ26が所定の高さを検知すると電磁弁22に閉信号を送付する。浮上用空気充填室3から圧縮空気は若干漏れるので、地震が長く続く場合は、高さセンサ26の信号により制御部25は、再度電磁弁22に開信号を送付し、圧縮空気が浮上用空気充填室3に供給されるようにしてもよい。図2に示す符号Hは、浮上用空気充填室3の高さで、地震の際は、圧縮空気の供給により、本実施形態では高さが2cmまで上昇する。なお、浮上高さは2cmに限らず、高さセンサ26の信号により制御部25で設定することができる。
The
地震を検知して、建物基礎2が浮上用空気充填室3に供給される圧縮空気で上昇し、この状態で人工基盤1が左右に振動したとする。人工基盤1が左右に動いても、地震鎮静後、人工基盤1と建物基礎2は、所定範囲の位置関係になるようにゴム板緩衝装置等を使用して位置ずれを抑制するようにしてもよい。
When an earthquake is detected, the
図3は、高圧タンク、流量増幅器および逆止弁を含む空気供給ユニットの概略図である。この空気供給ユニット20を使用することにより地震が発生しても短時間で建物を浮揚させることができる。
本空気浮揚式免震装置100の空気供給ユニット20は、図3に示すように容量5Lの高圧タンク20本を並列接続した合計体積100L、4.5MPaの圧力で圧縮空気を供給する。建物重量40トン、床面積40m2の戸建て住宅を短時間で浮上させるものである。この建物に高圧タンク21から内径1インチの電磁弁22と内径40mm、長さ10mの配管23を通り、短時間に建物を2cm浮上させる。
なお、本実施形態の建物や配管長さ等の設定例(以下、「実施例」という)は一例であり、建物の大きさによって種々変更されることはいうまでもない。
3 is a schematic diagram of an air supply unit including a high pressure tank, a flow amplifier and a check valve. By using this
The
Incidentally, the setting examples of the building, piping lengths, etc. in this embodiment (hereinafter referred to as "examples") are merely examples, and needless to say, they may be modified in various ways depending on the size of the building.
ここで、本願発明で使用する「高圧」とは、ゲージ圧力が1MPa以上の圧力を想定する。すなわち、高圧ガス保安法(昭和26年法律第204号)第2条(定義)柱書および第1項の「この法律で「高圧ガス」とは、・・・常用の温度において圧力(ゲージ圧力)が1MPa以上の圧縮ガスであって」と規定されており、この高圧の定義に準じたものである。
また、本願の実施例で使用する圧縮機(コンプレッサ)は、インターネットで検索すると、「通常のコンプレッサのことを「常圧」、高圧コンプレッサを「高圧」と称している。通常のコンプレッサは最高圧力が高い製品でも1.4MPa程度が多いが、高圧コンプレッサでは4.5MPa程度の製品が主流となっている」とあり、ここで使用されている常圧と高圧の区分およびその圧力範囲に基づく。
Here, the term "high pressure" used in the present invention is assumed to mean a pressure with a gauge pressure of 1 MPa or more. In other words, the High Pressure Gas Safety Act (Act No. 204 of 1951) stipulates in its Article 2 (Definition) heading and
Furthermore, when searching the internet for the compressor used in the examples of the present application, it is found that "normal compressors are called 'normal pressure' and high-pressure compressors are called 'high pressure'. Even the highest maximum pressure of normal compressors is often around 1.4 MPa, but the mainstream of high-pressure compressors are around 4.5 MPa," and this is based on the classification of normal pressure and high pressure and their pressure ranges used here.
本発明の実施例では容量5Lの高圧タンクを使用する。従来の空気浮揚式免震装置では、200Lの圧縮空気タンクを6本使用しているため、圧縮空気タンク6本分を配置するスペースが大きい。例えば、建物内では約3畳分が必要となり、圧縮空気タンクの設置スペースを確保するのが難しい状況であった。本実施例では高圧タンク20本としているが、8~10本に低減できるため、高圧タンクの設置場所を、例えば、1階車庫、住居の床下または2階への階段下のスペース、建物外であればウッドデッキの下等、種々選択が可能である。 In the embodiment of the present invention, a 5L high-pressure tank is used. Conventional air levitation seismic isolation devices use six 200L compressed air tanks, so the space required for six compressed air tanks is large. For example, about three tatami mats is required within a building, making it difficult to secure space to install the compressed air tanks. In this embodiment, 20 high-pressure tanks are used, but this can be reduced to 8-10, allowing for a variety of options for the location of the high-pressure tanks, such as a first-floor garage, under the floor of a residence or under the stairs to the second floor, or outside the building, under a wooden deck.
特に、本願発明は都市部の住宅(都市型住宅)に適用されることを想定しており、後述する実施例では、高圧タンクを使用することにより1本あたりのタンクの体積および重量を従来のタンクと比較して小型化および軽量化ができる。例えば、後述するように高圧タンクを13本使用しても、1本あたりの大きさは外径15cm、長さ50cmで重量は6kg程度であり、4本×4段設置可能な木製または金属製のラックに収納し、高圧タンクに空気を充填する圧縮機を備えた組合せで、2階への階段下に収納することで、高圧タンクを使用する効果を実現している。 In particular, the present invention is intended to be applied to urban housing (urban housing), and in the embodiment described below, the use of high-pressure tanks allows the volume and weight of each tank to be made smaller and lighter than conventional tanks. For example, as described below, even if 13 high-pressure tanks are used, each tank has an outer diameter of 15 cm, a length of 50 cm, and weighs approximately 6 kg. The effect of using high-pressure tanks is realized by storing them in a wooden or metal rack that can be installed in four tanks x four levels, and by storing the combination equipped with a compressor that fills the high-pressure tanks with air under the stairs to the second floor.
また、5Lの高圧タンクについては、高圧タンクの充填圧力は4.5MPaと高いが、容量は5Lであるため、第二種圧力容器には該当せず、製造、設置、使用について書類の提出等の手続きの必要はない。 In addition, as for the 5L high-pressure tank, although the filling pressure is high at 4.5MPa, since the volume is only 5L, it does not fall under the category of a second-class pressure vessel, and there is no need to submit any paperwork or other procedures regarding its manufacture, installation, or use.
高圧タンクから圧縮空気を吐出するとき、高圧タンクの圧力が急激に低下するため、圧力タンク内の温度が低下し、場合によっては氷点下になって圧縮空気内の水蒸気が氷結することがある。これを防ぐために、高圧タンクは等温化圧力容器としての機能を備える。
すなわち、高圧タンク内に、銅、アルミニウム、ステンレス等の熱伝導性の高い金属材料により、体積が小さくなるような金属細線が形成され、さらに高圧タンク内の圧縮空気との接触面積が大きくなるように丸めた形状で充填収容される。金属材料に限らず、熱伝導性は金属には劣るが、例えばポリエステルの樹脂でも使用できる。
例えば、スチールウールで構成した場合、金属細線は高圧タンク21の容積の1%程度の容積で構成できることから、高圧タンク21の容積自体を大きく犠牲にすることはない。
When compressed air is discharged from a high-pressure tank, the pressure in the high-pressure tank drops suddenly, causing the temperature inside the tank to drop and, in some cases, to drop below freezing, causing the water vapor in the compressed air to freeze. To prevent this, the high-pressure tank functions as an isothermal pressure vessel.
That is, in the high-pressure tank, thin metal wires are formed from a metal material with high thermal conductivity such as copper, aluminum, stainless steel, etc., so as to reduce the volume, and are then packed and housed in a rolled shape so as to increase the contact area with the compressed air in the high-pressure tank. Not limited to metal materials, resins such as polyester can also be used, although their thermal conductivity is inferior to that of metals.
For example, when made of steel wool, the thin metal wire can be constructed with a volume of about 1% of the volume of the high-
この高圧タンク21は、続いて起こる可能性のある余震にも備え、複数回、例えば5回浮上可能な圧縮空気を充填する。この空気浮揚式免震装置により震度7の揺れであっても被害が発生しないよう軽減することが可能である。
The high-
ここで、建物5の浮上時間について、圧縮性流体の特性、すなわち、電磁弁22や配管23の長さおよび内径による有効断面積、高圧タンク21の容積、配管23内の流速、高圧タンク21の圧縮空気吐出時の温度変化等を基に検討する。
Here, the time it takes for the
上記により算出される浮上時間は、本願発明では所定の浮上時間とするが、この浮上時間は、建物5の大きさ、すなわち配管23の長さおよび内径、高圧タンクの容積(本数)等により、また個々の建物の床面積等の違いで定まった値にはならない。
しかし、P波が到達して地震発生を検知後S波が到達するまでの時間より、所定の浮上時間は短いことが必要である。
In the present invention, the floating time calculated as described above is considered to be a specified floating time, but this floating time does not become a fixed value depending on the size of the
However, the specified rising time needs to be shorter than the time from when the P waves arrive and detect the occurrence of an earthquake until when the S waves arrive.
P波が到達してからS波が到達するまでの時間について検討する。P波、S波の速度は地殻の硬さ等により異なり、速度の値にはかなりの幅がある。本願発明では、気象庁のデータによるP波の速度は約7km、S波の速度は約4kmを使用する。地震の深さは一般に10km~50km程度で起こることが多いことから、住宅の建物5の直下で起こる震源までの最短距離10kmの場合で検討すると、P波が到達してからS波が到達するまでの時間は最短1.1秒となる。この最短時間未満の所定の浮上時間であれば、S波が到達するまでに建物5は浮上が完了する。
The time between the arrival of P waves and the arrival of S waves will be considered. The speeds of P waves and S waves vary depending on factors such as the hardness of the earth's crust, and there is a wide range of speed values. In the present invention, a P wave speed of approximately 7 km and an S wave speed of approximately 4 km based on data from the Japan Meteorological Agency are used. Since earthquakes generally occur at depths of around 10 km to 50 km, if we consider a case in which the shortest distance to the epicenter is 10 km directly below a
後述するように、本願発明では1つの建物で配管を所定数配置すれば、また流量増幅器により所定の浮上時間を1秒とすることができる。
一方で、S波の速度が、地表に近い層では数百m/sとの考え方もあり、この場合、P波が到達してからS波が到達するまでの時間は2~3秒程度と考えてもよいことになる。よって、後述の実施例では配管の本数等を考慮して所定の時間は2秒とした。
As will be described later, in the present invention, if a given number of pipes are arranged in one building, and a flow amplifier is used, the given floating time can be set to one second.
On the other hand, it is also considered that the speed of S-waves is several hundred meters per second in layers close to the ground surface, and in this case, the time from when the P-waves arrive until when the S-waves arrive may be considered to be about 2 to 3 seconds. Therefore, in the embodiment described later, the predetermined time was set to 2 seconds, taking into consideration the number of pipes, etc.
最初に、高圧タンク21に必要な圧力をボイルシャルルの法則を用いて求める。式(1)より力のつり合いにより空気圧を求める。ここで、Pは浮上用空気充填室3の圧力[Pa]、Aは建物基礎2床面積[m2]、mは建物の質量[kg]、gは重力加速度[m/s2]である。
First, the pressure required for the high-
ここで、Paは大気圧[kPa]、Psは持ち上げるのに必要な空気圧[kPa]である。
次に、ボイルシャルルの法則を使い、必要な高圧タンクへの充填圧力を求める。V1は建物を持ち上げるための浮上用空気充填室3の体積[L]、V2は高圧タンクの合計体積[L]、Ptは高圧タンクへの充填圧力[kPa]、nは浮上させる回数[回]である。
Here, Pa is the atmospheric pressure [kPa], and Ps is the air pressure required for lifting [kPa].
Next, using Boyle's law, we calculate the necessary filling pressure for the high-pressure tank. V1 is the volume [L] of the flotation
次に、電磁弁22および配管23の有効断面積を求める。電磁弁22の場合は内径の断面積の8割とし、配管23の有効断面積をS1[mm2]とすると、配管23の内径d[mm]、配管23の長さL[mm]、配管23の摩擦係数λを使用して、
で求められる。
Next, the effective cross-sectional areas of the
It can be calculated as follows.
ここで、空気供給ユニット20に使用する電磁弁22および配管23の個々の有効断面積から、それらを組み合わせた合成有効断面積Sを求める。
一般に、直列配置の合成有効断面積は、式(5)で求められる。Sは合成有効断面積[mm2]、Si(i=1~n)は、各要素の有効断面積である。
Here, a composite effective cross-sectional area S of the
In general, the composite effective cross-sectional area of a series arrangement is given by formula (5): S is the composite effective cross-sectional area [mm 2 ], and Si (i=1 to n) is the effective cross-sectional area of each element.
また、並列配置の合成有効断面積は、
で求められる。
浮上用空気充填室3に供給する圧縮空気の流量を体積流量Qanrとすると、合成有効断面積Sより流速μ[m/s]が求まる。
In addition, the composite effective cross-sectional area of the parallel arrangement is
It can be calculated as follows.
If the flow rate of the compressed air supplied to the floating
最後に高圧タンク(ゲージ圧力P1)から合成有効断面積Sとなる電磁弁および配管を介して空気を放出させる体積流量は、式(8)となる。Qanrは配管を流れる体積流量[L/min]、P1はタンクの圧力のゲージ圧[MPa]である。
Finally, the volumetric flow rate at which air is released from the high-pressure tank (gauge pressure P1) through the solenoid valve and piping with a composite effective cross-sectional area S is given by Equation (8), where Qanr is the volumetric flow rate [L/min] through the piping, and P1 is the gauge pressure of the tank [MPa].
以上の各式に本発明の空気浮揚式免震装置100の本実施形態に関する数値を入力する。
まず、式(1)から建物基礎2および建物5を浮上させる圧力を求める。本実施例の設定では、建物5の質量は40トン(4×104kg)、床面積40m2であるから、
Numerical values relating to this embodiment of the air floating type
First, the pressure for lifting the
式(1)より圧力Pは約10[kPa]となる。また、式(2)より浮上に必要な空気圧Psは、大気圧Pは100[kPa]であるから、
よって、Psは110[kPa]となる。
From equation (1), the pressure P is about 10 kPa. Also, from equation (2), the air pressure Ps required for floating is, since the atmospheric pressure P is 100 kPa,
Therefore, Ps is 110 [kPa].
式(3)より高圧タンク21の充填圧力を求める。床面積40m2、浮上高さ2cmとすると、体積V1は0.8m3であり、持ち上げる回数は5回としているから、高圧タンク本数を20本(5L×20本=100L)とすると、
この結果より、高圧タンク21の本数20本およびその高圧タンクの内圧4.5MPaは適切な値である。
ここで、圧縮機29により高圧タンク21に圧縮空気の充填が可能とし、停電でも蓄電池(バッテリー)等により圧縮機29の運転が可能として、持ち上げ回数を1回とすると、
となって、合計20L、すなわち高圧タンクが4本あれば、1回建物を上昇させることができる。
The filling pressure of the high-
From this result, the number of high-
Here, assuming that the
So, a total of 20L, or four high-pressure tanks, is needed to lift a building once.
有効断面積について、内径1インチの電磁弁22の有効断面積は400mm2とし、配管23は内径40mm、高圧タンク21と電磁弁22との配管等も含めて、長さ10mとすると、式(4)から配管23の1本分の有効断面積は513mm2であり(λ=0.02とする)、この配管を介して浮上用空気充填室3に供給すると、式(5)および(6)から、合成有効断面積Sは、
となる。
Regarding the effective cross-sectional area, if the effective cross-sectional area of the
It becomes.
電磁弁22と配管23の有効断面積を使用して浮上させるとき何秒かかるか検証する。高圧タンクのゲージ圧は4.4[Mpa]であるから、式(8)より配管23の流量を求めと、
であり、1秒間の流量は3.4×103[L/s]となり、式(7)より流速を計算すると音速を超えている。
この場合、高圧タンク21からの吐出流量の能力はあっても配管23の有効断面積とその流速を考慮する必要がある。
すなわち、高圧にすることで、圧力に応じて流量が増加すると思われるが、流速は音速を超えないことや、圧縮空気の放出時の温度変化、また電磁弁22に接続される配管23の本数やその長さおよび内径等による有効断面積を検討する必要がある。
Verify how many seconds it takes to float the tank using the effective cross-sectional area of the
The flow rate per second is 3.4×10 3 [L/s], and the flow velocity calculated from equation (7) exceeds the speed of sound.
In this case, even if the high-
In other words, it is thought that increasing the pressure will increase the flow rate in proportion to the pressure, but it is necessary to consider that the flow velocity does not exceed the speed of sound, the temperature change when the compressed air is released, and the number of
実際には、配管23の空気の流速は音速以上にはならないので、流速は音速以下になるよう検討が必要である。
例えば、上記の設定で配管1本の有効断面積は513mm2となるが、その時の最大流速は330m/sである。体積流量は有効断面積×流速で求まるので、配管1本あたり0.17m3/sとなり、配管を3本とすると、0.51m3/sとなる。
この場合、浮上用空気充填室3は、浮上時0.8m3の110[kPa]となるので、圧力を考慮すると体積流量0.88m3となるため、浮上時間は1.7秒となる。浮上時間を1秒とするためには、配管23を5本以上とすることで実現できる。また、後述するように、流量増幅器を使用しても実現可能である。
In reality, the air flow velocity in the
For example, with the above settings, the effective cross-sectional area of one pipe is 513 mm2, and the maximum flow velocity at that time is 330 m/s. The volumetric flow rate is calculated by multiplying the effective cross-sectional area by the flow velocity, so it is 0.17 m3 /s per pipe, and 0.51 m3 /s for three pipes.
In this case, the floating
ここで、空気供給ユニット20に流量増幅器27を付加して、地震発生時の建物浮上時間を短縮することや高圧タンクの本数を減少させることを検討する。
図3を再度参照する。流量増幅器27は、増幅器本体入口から入った圧縮空気が狭い部分を通過することにより流速が増加し、本体内部に入った高速流が内壁面に沿って流れることで低圧状態を作り、大量の二次空気を引き込む。出口では数倍以上に風量を増幅することが可能となり、加えて出口付近の空気を巻き込むことでさらなる風量の増幅が得られる機器である。
本発明では、流量増幅器27に逆止弁28を付加する。浮上用空気充填室3は、作動状態では、建物5の重量により圧力が発生する。その浮上用空気充填室3の圧縮空気の逆流を、逆止弁28により防ぐ必要がある。
Here, we consider adding a
Referring again to Figure 3, the
In the present invention, a
以下、流量増幅器27の増幅率について説明する。
図4は、流量増幅器の増幅率を計測する測定装置の図である。流量測定装置は上流側からレギュレータ、流量計、流量増幅器27、管路(配管)、圧力センサで構成されており、制御装置(計測装置ではPC)により測定装置内を流れる流量と吐出口での圧力を計測した。
本計測装置では流入流量をレギュレータで調整し、流入流量と吐出口の圧力を計測した。流入流量は30、60、90、120 L/min(anr)とし、流量増幅器の入口または/および出口で、流量を抑制する抵抗を取り付けて、計測を実施した。
The amplification factor of the
4 is a diagram of a measuring device that measures the amplification factor of a flow amplifier. The flow measurement device is composed of a regulator, a flow meter, a
In this measurement device, the inflow flow rate was adjusted with a regulator, and the inflow flow rate and the pressure at the outlet were measured. The inflow flow rates were set to 30, 60, 90, and 120 L/min (anr), and resistances were attached to the inlet and/or outlet of the flow amplifier to suppress the flow rate.
図5および図6に示す巻き込み最大とは、巻き込み効果が最大となる設定で、流量増幅器の入口および出口とも流量を制限する抵抗を取り付けない場合である。また、巻き込み最小とは、巻き込み効果が最小となる設定で、流量増幅器入口に巻き込み流量を制限する抵抗を設け、出口には設けない場合である。
2つの設定の測定結果を比較して、巻き込みの効果について考察した。また、吐出口のみ抵抗を設けた計測は、図7に示す吐出側の最大圧力値を計測するものである。
5 and 6, maximum entrainment is when the entrainment effect is maximized and no resistance to limit flow is attached to either the inlet or outlet of the flow amplifier, and minimum entrainment is when the entrainment effect is minimized and a resistance to limit the entrainment flow is provided at the inlet of the flow amplifier but not at the outlet.
The measurement results of the two settings were compared to consider the effect of entrainment. In addition, the measurement with resistance only at the discharge port was performed to measure the maximum pressure value on the discharge side shown in Figure 7.
図5は、流量増幅器の流入流量に対する吐出流量のデータを示す図である。
図5の横軸は流入流量であり、縦軸は吐出流量である。流入流量は4つの設定で実施した。
図5の吐出流量の数値から、巻き込み効果によって大幅な流量増加が確認できる。流入流量が少ない場合には、巻き込み効果による吐出流量の違いは比較的小さいが、流量が増えるにつれその差は大きくなる。また、各設定において、吐出流量は流入流量にほぼ比例して増加する。
なお、流量測定装置で流入流量は計測しているが、吐出流量は、吐出口の圧力値(動圧)から流速を求め、これに有効断面積を乗じて算出している。
FIG. 5 is a graph showing data on the inlet flow rate versus outlet flow rate of a flow amplifier.
5, the horizontal axis represents the inflow flow rate and the vertical axis represents the outflow flow rate. The inflow flow rate was set at four different values.
The discharge flow rate values in Figure 5 confirm that the entrainment effect significantly increases the flow rate. When the inflow rate is low, the difference in discharge flow rate due to the entrainment effect is relatively small, but as the flow rate increases, the difference becomes larger. In addition, at each setting, the discharge flow rate increases almost in proportion to the inflow rate.
The inflow flow rate is measured by a flow measuring device, but the discharge flow rate is calculated by determining the flow velocity from the pressure value (dynamic pressure) at the discharge port and multiplying this by the effective cross-sectional area.
図6は、流量増幅器の流入流量に対する増幅率の算出データを示す図である。
図6の横軸は、流入流量をレイノルズ数で置換したものであり、縦軸は増幅率である。増幅率は、吐出流量/流入流量で算出したものである。
ここで、レイノルズ数Reは、密度ρ(1.185kg/m3)、体積流量Q(L/min)、配管の内径d(m)、粘性係数μ(1.8×10―5)から、式(10)で求められる。
FIG. 6 is a diagram showing calculation data of the amplification factor with respect to the inflow flow rate of the flow amplifier.
6, the horizontal axis represents the inflow flow rate converted into the Reynolds number, and the vertical axis represents the amplification factor, which is calculated by the discharge flow rate/inflow flow rate.
Here, the Reynolds number Re is calculated from the density ρ (1.185 kg/m 3 ), the volumetric flow rate Q (L/min), the inner diameter d (m) of the pipe, and the viscosity coefficient μ (1.8×10 −5 ) according to formula (10).
図6に示すように、増幅率についても巻き込みの違いにより差がある。巻き込み効果が最大の場合には、およそ8倍の増幅率となっている。巻き込み効果が最小の場合には2倍程度である。また、各設定において増幅率は流入流量が増えるにつれ、緩やかに減少している。
なお、測定値の最も多い流入流量は120L/min(anr)であるが、実際には本実施例のように流入流量は大きくなる。流入流量が増加する場合、その分内径を大きくしてレイノルズ数は変わらなければ、同じような増幅率が期待できる。
As shown in Figure 6, the amplification factor also differs depending on the entrainment effect. When the entrainment effect is at its maximum, the amplification factor is approximately 8 times. When the entrainment effect is at its minimum, the amplification factor is approximately 2 times. In addition, the amplification factor for each setting gradually decreases as the inflow rate increases.
The most common inflow rate measured is 120 L/min (anr), but in practice the inflow rate is larger as in this embodiment. If the inflow rate increases, the inner diameter is increased accordingly and the Reynolds number remains unchanged, a similar amplification rate can be expected.
図7は、流量増幅器の流入流量に対する吐出圧の計測データを示す図である。
図7の横軸は、流入流量であり、縦軸は吐出圧である。この場合、吐出口のみ抵抗で流量を制限した。
吐出圧は流入流量が増加するにつれ、流入流量の二乗に比例して増加している。また今回得られた流入流量120L/min(anr)での吐出圧は90Paであった。
この結果から、吐出圧は流入流量の二次式で近似でき、建物5を浮上させる圧力が12kPaの場合であれば、流入流量は1533L/min(anr)となる。この値以上あれば、建物5を浮上させる圧力を保持することができる。
FIG. 7 is a diagram showing measurement data of the discharge pressure versus the inflow flow rate of the flow amplifier.
7, the horizontal axis represents the inflow flow rate, and the vertical axis represents the discharge pressure. In this case, the flow rate was limited by resistance only at the discharge port.
The discharge pressure increases in proportion to the square of the inflow rate as the inflow rate increases. The discharge pressure at an inflow rate of 120 L/min (anr) obtained this time was 90 Pa.
From this result, the discharge pressure can be approximated by a quadratic expression of the inflow flow rate, and if the pressure required to lift the
ここで、建物を浮上させる回数を5回としているのは、本地震発生後に続く余震が発生しても同じように建物を浮上させるためで、5回分の圧縮空気を供給できる高圧タンクの必要数を備える。5回分の圧縮空気を高圧タンク21に保存するのは、地震発生後の停電で圧縮機29が作動できない場合を想定したものである。
The reason why the building is raised five times is so that the building can be raised in the same way even if aftershocks occur following the main earthquake, and the necessary number of high-pressure tanks capable of supplying compressed air five times are provided. Five times' worth of compressed air is stored in the high-
また、地震後に停電となる場合もあることから、圧縮機29を作動させるために、バッテリー(蓄電池)を備えていてもよい。バッテリーを備えることで、高圧タンクへの空気の充填が停電時でも可能となるため、5回分の圧縮空気を蓄える必要がなくなり浮上回数を5回より少なくすることができる。
例えば、浮上1回分の空気を蓄えることができればよいとなれば、高圧タンク21の本数を減らすことができる。この場合、5Lの高圧タンク21は20本から4本に削減できる。
なお、バッテリー(蓄電池)は商用電源から充電してもよいし、太陽電池等の発電装置から充電可能としてもよい。いずれにしても地震発生後停電した場合に、建物を5回浮上できるように圧縮空気を充填できればよい。
In addition, since there may be a power outage after an earthquake, a battery (storage battery) may be provided to operate the
For example, if it is sufficient to store enough air for one ascent, it is possible to reduce the number of high-
The battery (storage battery) may be charged from a commercial power source, or may be rechargeable from a power generation device such as a solar cell. In either case, it is sufficient to be able to fill the battery with compressed air so that the building can be lifted five times in the event of a power outage after an earthquake.
なお、本実施形態では、空気供給ユニット20は、圧縮機29も含めて1組の構成で、配管3本で圧縮空気を供給するとして説明したが、高圧タンク21、電磁弁22、流量増幅器27、逆止弁27および配管23とする空気供給ユニット20を1組(ユニット)とし、空気供給ユニット20を複数備える構成にしてもよい。
この時、各空気供給ユニット20から浮上用空気充填室3の複数の接続口6までの配管23の長さを短くすることができるため、上記で検討した配管の有効断面積が大きくなり1ユニット当たりの空気供給量が多くなる。
In this embodiment, the
In this case, the length of the piping 23 from each
すなわち、配管内径40mm1本の有効断面積は上記では10mの長さで算出したが、複数の空気供給ユニット20を備える構成では、例えば配管の長さは1mで浮上用空気充填室3の各接続口6に接続できるとすれば、有効断面積は式(4)から1026mm2となり、1ユニットあたり供給できる流量は最大0.34m3/sとなる。
上記で設定した床面積40m2で40トンの建物を2cm浮上させるのに、3ユニット(0.88m3÷0.34m3≒2.6)の構成であれば、建物5を1秒の時間で上昇させることができる。
この場合、いずれも停電時には圧縮機29が作動するとして、少なくとも建物を1回浮上させる圧縮空気は、1ユニットの高圧タンク21は4本であればよく、さらに流量増幅器27を備えていれば、高圧タンクは1本の構成とすることができる。
In other words, the effective cross-sectional area of one pipe with an inner diameter of 40 mm was calculated above for a length of 10 m, but in a configuration with multiple
In order to lift a 40 ton building with a floor area of 40 m2 by 2 cm as set above, a configuration of three units (0.88 m3 ÷ 0.34 m3 ≈ 2.6) will allow the
In this case, assuming that the
さらに、建物5の浮上時間をさらに短くするために、空気供給ユニット20のユニット数を増加させてもよい。この場合、圧縮機29やバッテリーは全ての空気供給ユニット20に共通のものであり、配管23により圧縮機29と接続される全ての空気供給ユニット20の高圧タンク21に圧縮空気を供給する。
また、地震センサ24や制御部25も空気供給ユニット20毎には必要はなく、制御部25からすべての空気供給ユニット20の電磁弁22に信号を送信すればよい。
Furthermore, the number of
Furthermore, the
従来技術では建物の浮上時間の根拠が明確ではなかったが、本発明では、圧縮性流体の性質に基づいて解析を行い、高圧タンク21は等温化圧力容器の機能を備えた圧力容器により、また空気供給ユニット20を複数備えることにより、建物の浮上時間は1秒以内が可能となった。さらに、流量増幅器27を使用することにより、高圧タンクの本数の削減が可能である。
In conventional technology, the basis for the time it takes for a building to float was not clear, but in this invention, an analysis was conducted based on the properties of compressible fluid, and by using a high-
本発明の高圧タンクを使用した空気浮揚式免震装置の実施例として、神奈川県川崎市に2棟のモデルハウスが完成している。建物は2階建てで1階と2階の床面積はほぼ同じの直方体の形状の建物に屋根を載せた構造である。1階の床面積は40m2であり、高圧タンク13本と圧縮機を備えている。本数は20本より少ないが、連続する浮上回数は3回とし、圧縮機により高圧タンクに圧縮空気を充填して浮上回数を補っている。
高圧タンクは木製のラックに4本並置し、垂直方向4段に重置し、2階に上がる階段下に圧縮機とともに設置する。これにより建物を2秒程度で浮上させることが可能である。
As examples of the air levitation type seismic isolation device using the high-pressure tank of the present invention, two model houses have been completed in Kawasaki City, Kanagawa Prefecture. The buildings are two stories tall, with the first and second floors having roughly the same floor area and a roof on top of the cuboid-shaped building. The floor area of the first floor is 40 m2, and it is equipped with 13 high-pressure tanks and a compressor. Although the number of tanks is less than 20, the number of consecutive floats is set to three, and the number of floats is compensated for by filling the high-pressure tanks with compressed air using the compressor.
Four high-pressure tanks are arranged side by side on a wooden rack, stacked vertically in four tiers, and installed together with a compressor under the stairs leading to the second floor. This makes it possible to lift the building in about two seconds.
1・・・人工基盤、2・・・建物基礎、3・・・浮上用空気充填室、4・・・金属シール板、5・・・建物、6・・・接続口、8・・・切り欠き部、9・・・平滑表面部、10・・・ボルト、20・・・空気供給ユニット、21・・・高圧タンク、22・・・電磁弁、23・・・空気供給管(配管)、24・・・地震センサ、25・・・制御部、26・・・高さセンサ、27・・・流量増幅器、28・・・逆止弁、29・・・圧縮機。
Reference Signs List 1: artificial foundation, 2: building foundation, 3: air-filled chamber for flotation, 4: metal sealing plate, 5: building, 6: connection port, 8: cutout portion, 9: smooth surface portion, 10: bolt, 20: air supply unit, 21: high-pressure tank, 22: solenoid valve, 23: air supply pipe (piping), 24: earthquake sensor, 25: control unit, 26: height sensor, 27: flow amplifier, 28: check valve, 29: compressor.
すなわち、本発明は、地震発生時のP波を検出して圧縮空気タンクから圧縮空気を吐出させ建物の下部に形成された空間に圧縮空気を供給して所定の浮上時間で前記建物を浮上させて地震の揺れを抑制する空気浮揚式免震装置であって、空気浮揚式免震装置は、地面に設置される人工基盤と、人工基盤の上の圧縮空気を充填する空間である浮上用空気充填室と、浮上用空気充填室の上に設けられる建物基礎と、地震センサおよび高さセンサの信号により電磁弁の開閉信号を送出する制御部と、で構成され、浮上用空気充填室は、建物基礎の下面と、人工基盤の上面と、上端が建物基礎の側面に気密に固定され下端は弾性的に折り曲げられ人工基盤の上面と当接する複数の金属シール板とで包囲して形成され、空気浮揚式免震装置は、さらに空間に圧縮空気を供給する空気供給ユニットを備え、該空気供給ユニットは圧縮空気タンク、電磁弁および配管で構成され、圧縮空気タンクは高圧の圧縮空気タンクであって、途中で圧縮空気を充填しなくても余震に備えて建物を連続して複数回浮上させる圧縮空気の容量を備え、高圧の圧縮空気タンクから圧縮空気を吐出するとき、高圧の圧縮空気タンク内の圧力が急激に低下して高圧の圧縮空気タンク内の温度が低下するため、高圧の圧縮空気タンク内に熱伝導性の高い材料で形成された細線を束状にして充填し等温化圧力容器としての機能を備え、高圧の圧縮空気タンクは水平方向および垂直方向に複数並置および重置して設置面積を減少させて建物内に設置し、所定の浮上時間は、電磁弁の内径ならびに配管の内径および長さにより算出される有効断面積を基に算出された時間であり、P波を検出した地震発生時からS波が到達する前に建物を浮上させる時間であることを特徴とする空気浮揚式免震装置である。 That is, the present invention is an air-floatation seismic isolation device that detects P waves when an earthquake occurs, discharges compressed air from a compressed air tank, supplies compressed air to a space formed under a building, and floats the building for a predetermined floating time, thereby suppressing earthquake tremors . The air-floatation seismic isolation device is composed of an artificial base installed on the ground, an air-filled chamber for floating which is a space above the artificial base into which compressed air is filled, a building base installed above the air-filled chamber for floating, and a control unit that sends out opening and closing signals for an electromagnetic valve in response to signals from an earthquake sensor and a height sensor, and the air-filled chamber for floating is surrounded by the underside of the building base, the upper surface of the artificial base, and a plurality of metal sealing plates whose upper ends are airtightly fixed to the side of the building base and whose lower ends are elastically bent and come into contact with the upper surface of the artificial base, and the air-floatation seismic isolation device further comprises an air supply unit that supplies compressed air to the space, and the air supply unit comprises a compressed air tank the compressed air tank is a high-pressure compressed air tank having a capacity for compressed air to continuously levitate a building multiple times in preparation for aftershocks without having to refill it with compressed air in between ; when compressed air is discharged from the high-pressure compressed air tank, the pressure inside the high-pressure compressed air tank drops suddenly and the temperature inside the high-pressure compressed air tank drops, so the high-pressure compressed air tank is filled with bundles of thin wires made of a highly thermally conductive material so that it functions as an isothermal pressure vessel; the high-pressure compressed air tank is installed inside the building by arranging multiple high-pressure compressed air tanks side by side and overlapping them horizontally and vertically to reduce the installation area; the specified levitation time is a time calculated based on an effective cross-sectional area calculated from the inner diameter of the solenoid valve and the inner diameter and length of the piping, and is the time from the occurrence of an earthquake when P waves are detected to the arrival of S waves.
このように構成することにより、高圧の圧縮空気タンク(以下、「高圧タンク」という)を使用することにより、高圧タンクにより浮上時間の短縮と設置面積の低減を実現することができる。また、高圧の圧縮空気タンクとするため、高圧タンクを等温化圧力容器とすることで高圧タンクから圧縮空気を放出する際の急激な温度変化を抑制することができる。 With this configuration, by using a high-pressure compressed air tank (hereinafter referred to as "high-pressure tank"), it is possible to shorten the ascent time and reduce the installation area. In addition, since it is a high-pressure compressed air tank, the high-pressure tank is made into an isothermal pressure vessel, which makes it possible to suppress a sudden temperature change when the compressed air is released from the high-pressure tank.
また、本発明は、地震発生時のP波を検出して圧縮空気タンクから圧縮空気を吐出させ建物の下部に形成された空間に圧縮空気を供給して所定の浮上時間で建物を浮上させて地震の揺れを抑制する空気浮揚式免震装置に備わる圧縮空気を空間に供給する空気供給ユニットであって、空気供給ユニットは圧縮空気タンク、電磁弁、流量増幅器、逆止弁および配管で構成され、圧縮空気タンクは高圧の圧縮空気タンクであって、高圧の圧縮空気タンクから圧縮空気を吐出するとき、高圧の圧縮空気タンク内の圧力が急激に低下して高圧の圧縮空気タンク内の温度が低下するため、該高圧の圧縮空気タンク内に熱伝導性の高い材料で形成された細線を束状にして充填し等温化圧力容器としての機能を備え、途中で圧縮空気を充填しなくても余震に備えて建物を連続して複数回浮上させる圧縮空気の容量を備え、さらに高圧の圧縮空気タンクは水平方向および垂直方向に複数並置および重置して設置面積を減少させて建物内に設置し、所定の浮上時間は、電磁弁の内径ならびに配管の内径および長さにより算出される有効断面積を基に算出された時間であり、P波を検出した地震発生時からS波が到達する前に建物を浮上させる時間であることを特徴とする空気浮揚式免震装置の空気供給ユニットである。
この空気供給ユニットにより、流量を増幅させることができ浮上時間の短縮が可能となり、また高圧の圧縮空気タンクの本数を減少させることができる。さらに、空気供給ユニットの高圧タンクを等温化圧力容器とすることで高圧タンクから空気を放出する際の急激な温度変化を抑制することができる。
The present invention also relates to an air supply unit for supplying compressed air to a space, which is provided in an air flotation type seismic isolation device that detects P waves when an earthquake occurs, discharges compressed air from a compressed air tank, supplies compressed air to a space formed under a building, and lifts the building in a predetermined lift time to suppress earthquake swaying, the air supply unit being composed of a compressed air tank, a solenoid valve, a flow amplifier, a check valve and piping, the compressed air tank being a high-pressure compressed air tank, and when compressed air is discharged from the high-pressure compressed air tank, the pressure in the high-pressure compressed air tank drops suddenly and the temperature in the high-pressure compressed air tank drops, so that the high-pressure compressed air tank This air supply unit for an air levitation type seismic isolation device is characterized in that it has the function of an isothermal pressure vessel, with a bundle of thin wires made of a highly thermally conductive material filled inside, and has a compressed air capacity that can continuously levitate the building multiple times in preparation for aftershocks without the need to refill with compressed air in between , and further, the high-pressure compressed air tanks are installed inside the building by arranging multiple high-pressure compressed air tanks side by side and stacking them horizontally and vertically to reduce the installation area, and the specified levitation time is calculated based on the effective cross-sectional area calculated from the inner diameter of the solenoid valve and the inner diameter and length of the piping, and is the time from the occurrence of an earthquake when P waves are detected to the arrival of S waves.
This air supply unit can increase the flow rate, shorten the ascent time, and reduce the number of high-pressure compressed air tanks. Furthermore, by making the high-pressure tank of the air supply unit an isothermal pressure vessel, it is possible to suppress sudden temperature changes when releasing air from the high-pressure tank.
Claims (5)
前記空気浮揚式免震装置は、前記空間に圧縮空気を供給する空気供給ユニットを備え、該空気供給ユニットは前記圧縮空気タンク、電磁弁および配管で構成され、
前記圧縮空気タンクは高圧の圧縮空気タンクであって、前記高圧の圧縮空気タンクにより圧縮空気を充填しないで余震に備えて前記建物を連続して複数回浮上させ、前記高圧の圧縮空気タンクは水平方向および垂直方向に複数並置および重置して設置面積を減少させて前記建物内に設置し、
前記所定の浮上時間は、前記電磁弁の内径ならびに前記配管の内径および長さにより算出される有効断面積を基に算出された時間であり、P波を検出した地震発生時からS波が到達する前に前記建物を浮上させる時間であることを特徴とする空気浮揚式免震装置。 An air-floating seismic isolation device that detects P waves during an earthquake, discharges compressed air from a compressed air tank, supplies compressed air to a space formed under a building, and floats the building for a predetermined floating time to suppress earthquake shaking,
The air floating type seismic isolation device includes an air supply unit for supplying compressed air to the space, the air supply unit being composed of the compressed air tank, an electromagnetic valve, and piping;
The compressed air tank is a high-pressure compressed air tank, and the building is continuously raised multiple times in preparation for aftershocks without being filled with compressed air by the high-pressure compressed air tank, and the high-pressure compressed air tank is installed in the building by arranging multiple high-pressure compressed air tanks side by side and stacking them in the horizontal and vertical directions to reduce the installation area;
The specified floating time is a time calculated based on an effective cross-sectional area calculated from the inner diameter of the solenoid valve and the inner diameter and length of the piping, and is an air-floating seismic isolation device characterized in that it is the time from the occurrence of an earthquake when P waves are detected to the arrival of S waves to floating the building.
前記空気浮揚式免震装置は、さらに地面に設置される人工基盤と、
前記人工基盤の上の圧縮空気を充填する前記空間である浮上用空気充填室と、
前記浮上用空気充填室の上に設けられる建物基礎と、
地震センサおよび高さセンサの信号により前記電磁弁の開閉信号を送出する制御部と、で構成され、
前記浮上用空気充填室は、前記建物基礎の下面と、前記人工基盤の上面と、上端が前記建物基礎の側面に気密に固定され下端は弾性的に折り曲げられ前記人工基盤の上面と当接する複数の金属シール板とで包囲して形成され、
前記高圧の圧縮空気タンク内に熱伝導性の高い材料で形成された細線を束状にして充填し等温化圧力容器としての機能を備えたことを特徴とする空気浮揚式免震装置。 The air floating type seismic isolation device according to claim 1,
The air-floating seismic isolation device further includes an artificial base installed on the ground;
A floating air filling chamber, which is the space above the artificial base that is filled with compressed air;
A building foundation provided on the air-filled chamber for floating;
A control unit that transmits an opening/closing signal for the solenoid valve based on signals from the earthquake sensor and the height sensor;
The air-filled chamber for floating is surrounded by the underside of the building foundation, the upper surface of the artificial base, and a plurality of metal seal plates whose upper ends are airtightly fixed to the side of the building foundation and whose lower ends are elastically bent to come into contact with the upper surface of the artificial base;
An air-floating seismic isolation device characterized in that the high-pressure compressed air tank is filled with bundles of thin wires made of a highly thermally conductive material, thereby functioning as an isothermal pressure vessel.
前記空気供給ユニットは、さらに流量増幅器および逆止弁を備え、
前記空気浮揚式免震装置は、さらに前記高圧の圧縮空気タンクに圧縮空気を充填する圧縮機と、地震発生後に停電となったとき前記圧縮機ならびに前記電磁弁および該電磁弁を駆動させる前記制御部が動作可能なバッテリーと、が備えられたことを特徴とする空気浮揚式免震装置。 The air floating type seismic isolation device according to claim 1 or 2,
The air supply unit further comprises a flow amplifier and a check valve;
The air-floatation seismic isolation device is further characterized in that it is equipped with a compressor that fills the high-pressure compressed air tank with compressed air, and a battery that can operate the compressor, the solenoid valve, and the control unit that drives the solenoid valve in the event of a power outage after an earthquake.
前記空気浮揚式免震装置は、前記空気供給ユニットから前記空間または前記浮上用空気充填室の複数の接続口までの配管長さを短縮するために、前記複数の接続口と接続する複数の前記空気供給ユニットを備え、該複数の空気供給ユニットの前記高圧の圧縮空気タンクに圧縮空気を充填する前記圧縮機および前記バッテリーを設けたことを特徴とする空気浮揚式免震装置。 The air floating type seismic isolation device according to claim 3,
The air-floatation seismic isolation device is characterized in that it has a plurality of air supply units connected to the plurality of connection ports in order to shorten the piping length from the air supply unit to the space or the plurality of connection ports of the flotation air filling chamber, and is provided with the compressor and the battery that fill the high-pressure compressed air tanks of the plurality of air supply units with compressed air.
前記空気供給ユニットは前記圧縮空気タンク、電磁弁、流量増幅器、逆止弁および配管で構成され、
前記圧縮空気タンクは高圧の圧縮空気タンクであって、該高圧の圧縮空気タンク内に熱伝導性の高い材料で形成された細線を束状にして充填し等温化圧力容器としての機能を備え、前記高圧の圧縮空気タンクにより圧縮空気を充填しないで余震に備えて前記建物を連続して複数回浮上させ、さらに前記高圧の圧縮空気タンクは水平方向および垂直方向に複数並置および重置して設置面積を減少させて前記建物内に設置し、
前記所定の浮上時間は、前記電磁弁の内径ならびに前記配管の内径および長さにより算出される有効断面積を基に算出された時間であり、P波を検出した地震発生時からS波が到達する前に前記建物を浮上させる時間であることを特徴とする空気浮揚式免震装置の空気供給ユニット。
An air supply unit that supplies compressed air to a space formed under a building by detecting P waves at the time of an earthquake and discharging compressed air from a compressed air tank to supply compressed air to the space, and that is provided in an air levitation type seismic isolation device that lifts the building for a predetermined lift time to suppress earthquake shaking,
the air supply unit is composed of the compressed air tank, a solenoid valve, a flow amplifier, a check valve and piping;
The compressed air tank is a high-pressure compressed air tank, and is filled with a bundle of thin wires made of a material with high thermal conductivity to function as an isothermal pressure vessel, and the building is continuously raised multiple times in preparation for aftershocks without being filled with compressed air by the high-pressure compressed air tank, and the high-pressure compressed air tank is installed within the building by arranging multiple high-pressure compressed air tanks side by side and stacking them horizontally and vertically to reduce the installation area,
The air supply unit of an air-floating seismic isolation device, characterized in that the specified floating time is a time calculated based on an effective cross-sectional area calculated from the inner diameter of the solenoid valve and the inner diameter and length of the piping, and is the time it takes to float the building from the time of the occurrence of an earthquake when P waves are detected before S waves arrive.
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