JP3606651B2 - 免震構造物の地震応答解析方法及び解析装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、免震装置を介して支承された免震構造物の地震応答解析方法及びその装置に関する技術分野に属する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、この種の免震構造物を支承するための免震装置として、LRB(Lead Rubber Bearing )と呼ばれる鉛入り積層免震ゴムは知られている。この免震装置は、複数のゴム及び鋼板を交互に積層して加硫接着した積層ゴム体と、該積層ゴム体の中心部に埋め込まれた鉛プラグとを備えてなるもので、構造物と地盤との間に所定数介在されて構造物を支承する。
【0003】
このような免震構造物の地震応答解析を行うには、上記免震装置の履歴特性のモデル化、つまり水平変位に対する水平荷重曲線の特性をモデル化することが必須となる。この履歴特性のモデル化にあたっては、従来、種々のモデル化の方法が採用されているが、その殆どが等価ばね定数を用いたバイリニアモデルとされている。このバイリニアモデルでは、図7に示す如く、実測した履歴曲線での等価ばね定数(図7のAB間の線の傾きとして表される)を求めて履歴曲線を作成し、いかなる剪断歪み状態でも同じ曲線を用い、剪断歪みの大きさの違いに拘らず、ある変位xbに対する復元力をFbとするように求めるものである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この従来のバイリニアモデルを用いる方法では、等価ばね定数を用いるので、初期変位の立上がりを正確に表すことができないとともに、小さな変位から大きな変位までを同じ1つのモデルで精度よくシミュレーションすることができないという問題があった。
【0005】
本発明は斯かる点に鑑みてなされたもので、その目的は、免震装置の履歴特性モデルの構成を改良することで、初期変位の立上がりを正確に表すことができ、しかも変位の大きさに拘らず同じモデルで精度よくシミュレーションできるようにすることにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、この発明では、上記LRBの免震装置が弾性と塑性との両特性を兼ね備えたもので、その履歴特性は非線形特性で複雑な挙動を示すことに着目し、この弾塑性の両特性を持った要素を組み合わせてモデル化することとした。
【0007】
具体的には、請求項1〜4の発明は免震構造物の地震応答解析方法の発明であり、請求項1の発明では、複数のゴム及び鋼板を交互に積層して加硫接着した積層ゴム体と、該積層ゴム体の中心部に埋め込まれた鉛プラグとを備えてなる免震装置を介して支承された免震構造物の地震応答解析方法が対象である。
【0008】
そして、上記免震装置について、ばね要素及びスライダ要素が直列に接続された少なくとも1つのばねスライダ要素と、1つのばね要素と、1つのダッシュポット要素とを互いに並列に接続した水平変位に対する水平荷重の履歴特性モデルを設定し、この免震装置の履歴特性モデルに基づいて免震構造物の地震応答解析を行う。
【0009】
上記の構成により、履歴特性モデルがばねスライダ要素、ばね要素及びダッシュポット要素を備えているので、その履歴特性モデルは弾性及び塑性の両特性を兼ね備えた実際の免震装置と同様の履歴特性となり、初期変位の立上がりを正確に表すことができる。また、小さな変位から大きな変位までを同じ1つのモデルで精度よくシミュレーションすることができる。
【0010】
請求項2の発明では、請求項2の発明の免震構造物の地震応答解析方法において、水平変位の増大に応じて免震装置の履歴特性モデルのばねスライダ要素の数を増加させる。このことで、変位が増大してもその増大に応じて初期変位の立上がりを精度よく表せるようになる。
【0011】
請求項3の発明では、具体的に、上記免震装置の履歴特性モデルのばねスライダ要素の数を4とする。こうすれば、シミュレーションに要する時間と各要素の定数の決定とを考慮して初期変位の立上がりを精度よく表すことができる。
【0012】
請求項4の発明では、請求項1の発明の免震構造物の地震応答解析方法において、履歴特性モデルにおけるばね要素及びスライダ要素の各定数は、免震装置の実際の履歴特性から求められた定数に1よりも小さい所定値を乗じたものとする。この構成により、変位が大きくなった場合でも履歴面積が大きくなり過ぎることはなく、深刻な問題となるような大きな地震での変位に良好に対応させることができる。
【0013】
請求項5の発明は地震応答解析装置の発明であり、複数のゴム及び鋼板を交互に積層して加硫接着した積層ゴム体と、該積層ゴム体の中心部に埋め込まれた鉛プラグとを備えてなる免震装置を介して支承された免震構造物の地震応答を解析するようにした地震応答解析装置が対象である。
【0014】
そして、請求項1の発明と同様に、上記免震装置について、ばね要素及びスライダ要素が直列に接続された少なくとも1つのばねスライダ要素と、1つのばね要素と、1つのダッシュポット要素とを互いに並列に接続した水平変位に対する水平荷重の履歴特性モデルを設定する履歴特性モデル設定手段を設けるとともに、この履歴特性モデル設定手段により設定された免震装置の履歴特性モデルに基づいて免震構造物の地震応答解析をシミュレーションにより行う解析手段を設ける。従って、この発明でも、請求項1の発明と同様の作用効果が得られる。
【0015】
【発明の実施の形態】
図3は本発明の実施形態に係る免震装置Mを示し、この免震装置Mは、図示しないが免震構造物と地盤との間に複数介在されて該免震構造物を地盤上に免震構造で支承するものである。
【0016】
すなわち、図3において、1は地盤側に取り付けられる下側の地盤側取付プレート、2は構造物側に取り付けられる上側の構造物側取付プレートで、両プレート1,2は同じ大きさの円板状のものであり、互いに同心に対向配置されている。両プレート1,2間には複数のゴム3,3,…及び鋼板4,4,…を交互に積層して加硫接着した円柱状の積層ゴム体5が両プレート1,2と同心に介在されて接着され、その積層ゴム体5の中心部に鉛プラグ6が埋め込まれている。尚、積層ゴム体5の周囲側面は被覆ゴム7で覆われている。また、各プレート1,2の対向面にはプレート1,2の同心円周上に複数のダウエルピン8,8,…(1つのみ図示する)が一体に突設され、この各ダウエルピン8は積層ゴム体5の上下端面に形成したダウエル穴(図示せず)内に嵌合されている。
【0017】
図4は上記免震装置Mに支承された免震構造物の地震応答解析装置の構成を示し、この装置は履歴特性モデル設定部11と、この履歴特性モデル設定部11に接続された解析部12とを備えてなる。
【0018】
上記履歴特性モデル設定部11は、上記免震装置Mについて水平変位に対する水平荷重の履歴特性モデルを設定するもので、この履歴特性モデルは、図1に示すように、1つのばね要素15(定数k0 )と、各々ばね要素16a〜16d(定数k1 〜k4 )及びスライダ要素17a〜17d(定数f1 〜f4 )が直列に接続された4つのばねスライダ要素18a〜18dと、1つのダッシュポット要素19(定数c)とを互いに並列に接続したモデルとされている。上記各要素15,16a〜16d,17a〜17d,19は表1に示す特性を有する。
【0019】
【表1】
【0020】
免震装置Mに対する水平変位が小さい場合、上記履歴特性モデルのばねスライダ要素の数は1つでもよく、実測した履歴曲線と一致させることができる。しかし、変位が大きくなると、初期変位での立上がりを精度よく表すことが困難になるので、水平変位の増大に応じて免震装置Mの履歴特性モデルのばねスライダ要素の数を増加させればよく、この数を増やすほど精度が高くなる。この実施形態では、上記ばねスライダ要素の数を4とすることで、シミュレーションに要する時間と各要素の定数の決定とを考慮して初期変位の立上がりを精度よく表すことができるようにしている。
【0021】
一方、解析部12は、上記履歴特性モデル設定部11により設定された免震装置Mの履歴特性モデルに基づいて免震構造物の地震応答解析を行うものである。
【0022】
次に、上記履歴特性モデルを用いたときに各要素がどのように作用するかを説明すると、まず、初期状態(変位0)でのモデル全体のばね定数ka0は次式▲1▼により表され、また、初期変位xに対してモデルが元に戻ろうとする復元力Fは式▲2▼で表される。
【0023】
【数1】
【0024】
その後、変位が大きくなるに従い、ばねスライダ要素18a〜18dにおいてスライダ要素17a〜17dとセットになったばね要素16a〜16dに作用する力が摩擦力fよりも大きくなると、スライダ要素17a〜17dが滑り出してモデル全体でのばね定数が低下する。すなわち、変位xに対してk1 x>f1 となった場合、モデル全体のばね定数ka1は以下の式▲3▼で、また復元力Fは式▲4▼でそれぞれ表される。
【0025】
【数2】
【0026】
上記履歴特性モデルに用いるばね要素15,16a〜16d及びスライダ要素17a〜17dの各定数の決定には、図2に示すような免震装置Mの実際の履歴特性の曲線を使用する。つまり、この履歴曲線の履歴特性を5つに分割し、各々の区間での傾きksj(j=1〜5)を求める。この傾きksjは次式▲5▼〜▲9▼により表すことができ、これらの式▲5▼〜▲9▼からki を求めることができる。
【0027】
【数3】
【0028】
そのとき、各区間の変位Δxi とばね要素15,16a〜16dの定数ki との積を定数fi とするが、そのままでは、変位が大きくなった場合、履歴面積が大きくなり過ぎるので、50%歪みでの履歴形状に合わせるべく0.5程度の値をそれぞれ定数ki ,fi にかける(尚、1よりも小さい所定値をかければよい)。こうすることで、変位が大きくなった場合でも、履歴面積が大きくなり過ぎることはなく、深刻な問題となるような大きな地震での変位に良好に対応させることができる。
【0029】
したがって、このように変位の増大に伴って順にスライダ要素17a〜17dが滑り出すことにより、一定の復元力を保ちながら変位が大きくなるに連れてばね定数が小さくなっていく、弾性及び塑性の両特性を兼ね備えた実際の免震装置Mの履歴特性を適正にモデル化することができ、初期変位の立上がりを正確に表すことができる。また、小さな変位から大きな変位までを同じ1つのモデルで精度よくシミュレーションすることができる。
【0030】
【実施例】
今回実施した履歴特性モデルの妥当性を検証するために、5種類の免震装置についてシミュレーションをVisual Basicを用いて行った。表2に、今回モデル化した免震装置の各定数を示す。表2中、「LRB」の次の数字は免震装置の有効径(シム径)を表す。また、「RB」は鉛プラグ6の埋め込まれていない免震装置(比較例)を示す。
【0031】
【表2】
【0032】
上記シミュレーションは図5に示すフローチャートに沿って行われる。その手順について説明すると、ステップS1で5種類の免震装置を選択し、ステップS2で各々の定数(表2参照)を読み込む。ステップS3において、復元力Fn を、1つ前の復元力Fn−1 に微小変位xn −xn−1 とばね定数ki (i=1〜4)との積を加えた値Fn =Fn−1 +ki (xn −xn−1 )として計算する。ステップS4では、上記微小変位xn −xn−1 の正負を判定し、この判定がxn −xn−1 >0のYESのときにはステップS5でその復元力Fn と摩擦力fi (i=1〜4)との大小を判定し、この判定がFn ≧fi のYESのときにはステップS6で復元力Fn を摩擦力fi とした後、またFn <fi のNOのときには直接それぞれステップS9に進む。
【0033】
一方、ステップS4での判定がxn −xn−1 ≦0のNOのときにはステップS7で復元力Fn と摩擦力−fi との大小を判定し、この判定がFn ≦−fi のYESのときにはステップS8で復元力Fn を摩擦力−fi とした後、またFn >−fi のNOのときにはそのままステップS9に進む。
【0034】
上記ステップS9では、前回の復元力Fn−1 を今回の復元力Fn に書き換え、ステップS10で結果の表示をした後、ステップS11で結果をファイルに出力し、しかる後に終了する。
【0035】
すなわち、このシミュレーションでは、スライダ要素が滑るか滑らないかの判断を行うために、1つ前の復元力Fn−1 を用いている。この前回の復元力Fn−1 と微小変位xn −xn−1 及びばね定数ki の積との和として得られた復元力Fn =Fn−1 +ki (xn −xn−1 )が摩擦力fi よりも大きくなった場合、スライダ要素が滑り出し、復元力Fn がスライダ要素の摩擦力fi と等しくなるようにしている(ステップS3〜S8)。
【0036】
また、微小変位xn −xn−1 の正負を判定することで、変位が正負のいずれであっても復元力の方向を考慮したシミュレーションを行うことができる(ステップS4〜S8)。
【0037】
図6(a)にシミュレーションの結果を、また図6(b)に実際に測定された履歴曲線をそれぞれ対比して示す。この図6からシミュレーション結果が実測結果と一致していることが判る。
【0038】
また、変異が小さい場合、シミュレーション結果でのループ面積が実測の場合よりも小さくなっているが、これは変位が大きい場合に実測状態に合わせようとしたためであり、この点から本発明の履歴特性モデルは、解析を必要とするような大きな地震に対して特に有効であることが判る。
【0039】
また、本発明の履歴特性モデルによれば、従来のバイリニアモデルよりも遥かに実測履歴曲線に近い結果が得られ、特に、初期変位での曲線の立上がりを十分に表すことができ、剪断歪みの大きさによって異なるLRB免震装置の履歴特性を正確に表すことができることが判る。
【0040】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1又は5の発明によると、複数のゴム及び鋼板を交互に積層して加硫接着した積層ゴム体と、該積層ゴム体の中心部に埋め込まれた鉛プラグとを備えてなる免震装置を介して支承された免震構造物の地震応答解析を行う場合、免震装置について、ばね要素及びスライダ要素が直列に接続された少なくとも1つのばねスライダ要素と、1つのばね要素と、1つのダッシュポット要素とを互いに並列に接続した水平変位に対する水平荷重の履歴特性モデルを設定して、この履歴特性モデルに基づいて免震構造物の地震応答解析を行うようにしたことにより、免震装置の履歴特性モデルとして弾性及び塑性の両特性を兼ね備えた実際の免震装置と同様のモデルが得られ、初期変位の立上がりを正確に表すことができるとともに、小さな変位から大きな変位までを同じ1つのモデルで精度よくシミュレーションすることができ、免震構造物の地震応答解析精度の向上を図ることができる。
【0041】
請求項2の発明によると、水平変位の増大に応じて履歴特性モデルのばねスライダ要素の数を増加させるようにしたことにより、変位の増大に応じて初期変位の立上がりを精度よく表すことができ、免震構造物の地震応答解析をさらに精度よく行うことができる。
【0042】
請求項3の発明によると、上記履歴特性モデルのばねスライダ要素の数を4としたことにより、シミュレーションに要する時間と各要素の定数の決定とを考慮して初期変位の立上がりを精度よく表す最適な履歴特性モデルを得ることができる。
【0043】
請求項4の発明によると、履歴特性モデルにおけるばね要素及びスライダ要素の各定数として、免震装置の実際の履歴特性から求められた定数に1よりも小さい所定値を乗じたものとしたことにより、深刻な問題となるような大きな地震での変位に履歴特性モデルを良好に対応させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る免震装置のシミュレーションモデルを示す図である。
【図2】実施形態に係る免震装置の履歴特性を示す特性図である。
【図3】免震装置を一部破断して示す斜視図である。
【図4】本発明の実施形態に係る地震応答解析装置を示すブロック図である。
【図5】シミュレーションの手順を示すフローチャート図である。
【図6】シミュレーションの結果を実測結果と対比して示す図である。
【図7】免震装置の従来の履歴特性を示す特性図である。
【符号の説明】
M 免震装置
1,2 取付プレート
3 ゴム
4 鋼板
5 積層ゴム体
6 鉛プラグ
11 履歴特性モデル設定部(履歴特性モデル設定手段)
12 解析部(解析手段)
15,16a〜16d ばね要素
17a〜17d スライダ要素
18a〜18d ばねスライダ要素
19 ダッシュポット要素
ki ,c 定数
fi 摩擦力
Claims (5)
- 複数のゴム及び鋼板を交互に積層して加硫接着した積層ゴム体と、該積層ゴム体の中心部に埋め込まれた鉛プラグとを備えてなる免震装置を介して支承された免震構造物の地震応答解析方法であって、
上記免震装置について、ばね要素及びスライダ要素が直列に接続された少なくとも1つのばねスライダ要素と、1つのばね要素と、1つのダッシュポット要素とを互いに並列に接続した水平変位に対する水平荷重の履歴特性モデルを設定し、
上記免震装置の履歴特性モデルに基づいて免震構造物の地震応答解析を行うことを特徴とする免震構造物の地震応答解析方法。 - 請求項1記載の免震構造物の地震応答解析方法において、
水平変位の増大に応じて免震装置の履歴特性モデルのばねスライダ要素の数を増加させることを特徴とする免震構造物の地震応答解析方法。 - 請求項2記載の免震構造物の地震応答解析方法において、
免震装置の履歴特性モデルのばねスライダ要素の数が4であることを特徴とする免震構造物の地震応答解析方法。 - 請求項1記載の免震構造物の地震応答解析方法において、
履歴特性モデルにおけるばね要素及びスライダ要素の各定数は、免震装置の実際の履歴特性から求められた定数に1よりも小さい所定値を乗じたものであることを特徴とする免震構造物の地震応答解析方法。 - 複数のゴム及び鋼板を交互に積層して加硫接着した積層ゴム体と、該積層ゴム体の中心部に埋め込まれた鉛プラグとを備えてなる免震装置を介して支承された免震構造物の地震応答を解析するようにした地震応答解析装置であって、
上記免震装置について、ばね要素及びスライダ要素が直列に接続された少なくとも1つのばねスライダ要素と、1つのばね要素と、1つのダッシュポット要素とを互いに並列に接続した水平変位に対する水平荷重の履歴特性モデルを設定する履歴特性モデル設定手段と、
上記履歴特性モデル設定手段により設定された免震装置の履歴特性モデルに基づいて免震構造物の地震応答解析をシミュレーションにより行う解析手段とを備えたことを特徴とする免震構造物の地震応答解析装置。
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JP27252295A Expired - Lifetime JP3606651B2 (ja) | 1995-10-20 | 1995-10-20 | 免震構造物の地震応答解析方法及び解析装置 |
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