JP3665209B2

JP3665209B2 - 免震装置における復元機構

Info

Publication number: JP3665209B2
Application number: JP34034998A
Authority: JP
Inventors: 勇司舟山
Original assignee: Okumura Corp
Current assignee: Okumura Corp
Priority date: 1998-11-30
Filing date: 1998-11-30
Publication date: 2005-06-29
Anticipated expiration: 2018-11-30
Also published as: JP2000161432A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は建築物とその基礎、又は床板とスラブ、或いは陳列ケースとその支持台などのように、上部構造物と下部構造物との間に介装して下部構造物から上部構造物への振動エネルギーの伝達を減少させる免震装置において、地震等による振動が収まった時に、上部構造物を元の位置に復元させる免震装置における復元機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
構造物の免震装置としては、従来から、上部構造物と下部構造物との間に、下部構造物の水平方向の振動エネルギーを吸収して上部構造物に振動波が伝達するのを抑制するためのローラ支承や滑り支承等の水平方向に移動可能な機構を介在させてなる構造のものが広く知られている。
【０００３】
一方、地震が収まった時に上部構造物を元の位置に復元させるために、例えば、特公平３−５３４２５号公報に記載されているように、上部構造物と下部構造物との少なくとも三方間をコイルスプリングで連結し、これらのコイスプリングの引張力によって地震振動で移動した上部構造物を元の位置に復帰させるように構成した復元機構も知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような復元機構によれば、上部構造物と地盤側に固定した下部構造物とをコイルスプリングによって連結しているものであるから、下部構造物に一端を連結したコイルスフリングが上部構造物の水平移動によって伸長した場合、その伸長長さと復元力特性とが直線比例関係となり、特定周波数の地震波に対してコイルスプリングの復元力が共振する場合が生じ、地震振動が該コイルスプリングを通じて上部構造体に伝達して免震効果が損なわれるという問題点がある。
【０００５】
そのため、免震装置に付帯させる復元機構の設計においては、上記特定周波数による影響を避けるために地震の周波数よりも長周期の免震構造物となるようにバネ定数を設定するが、極度に小さいバネ定数を設定すると摩擦抵抗により残留変位が生じて上部構造物が元の位置に復帰しない事態が発生する。
【０００６】
さらに、上記コイルスプリングからなる復元機構は、上述したように免震装置とは別な個所に配設しているために、地震発生時に上部構造物が移動した際に、捩じれ等が生じないようにバランスを考慮しながら取付位置を設定しなければならず、その上、免震装置とは別体の復元機構を作製することは高価について不経済であるばかりでなく構造が複雑化し、さらに、免震装置と復元機構とを上下構造物間に別々に装着しなければならないために、施工作業に手間取ると共に施工費もコスト高になるという問題点があった。
【０００７】
本発明は上記のような問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、構造物間に復元機構を直接介在、連結することなく、一対のローラに一体に組み込んで復元力を発揮させるようにした簡易な構造を有する免震装置における復元機構を提供するにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る復元機構は、上部構造物の下面に固定される上部板状体と下部構造物の上面に固定される下部板状体との間に軸芯を互いに平行にして一対のローラを転動自在に介在させるてなる免震装置において、上記一対のローラ間にスプリングを配して該スプリングの一端を一方のローラの端面上の外周部に、他端を他方のローラの端面上の外周部に夫々連結して上記一対のローラの転動により該スプリングを伸縮させ、ローラを転動開始位置に復元させるように構成している。
【０００９】
請求項２に係る発明は、上記上部板状体と下部板状体との間に転動自在に介在させている上記一対のローラの端面に該端面から外径方向に突出するフランジ部を一体に設け、これらのフランジ部の外周部間にスプリングを介装、連結していることを特徴とするものである。
【００１０】
上記請求項１又は請求項２に記載の発明において、請求項３に係る発明は、上記復元機構を備えた免震装置を、上側の免震装置のローラの軸芯と下側の免震装置のローラの軸芯とを互いに直交させて積層すると共に上側の免震装置の下部板状体と下側の免震装置の上部板状体とを１枚の中間板状体で兼用させていることを特徴としている。
【００１１】
【作用及び効果】
基礎或いは陳列ケースの支持台等の下部構造物と建物或いは陳列ケース等の上部構造物との対向面に上記免震装置の上部板状体と下部板状体をそれぞれ固着して下部構造物上にこの免震装置を介して上部構造物を支持させた状態において、地震の発生により下部構造物が地震の揺れ方向に振動すると、上部板状体と下部板状体との間に介在させているローラが下部板状体上を同一方向に転動する一方、上部板状体の下面に対しては相対的に同一距離だけ水平方向に転動する。
【００１２】
上部板状体と下部板状体との間に介在している一対のローラが上述したように転動すると、これらのローラの端面外周部間に介装、連結しているスプリングが伸縮して復元力を得て一対のローラを元の位置まで確実に復元させることができ、これらのローラ上に支承されている上部構造物も元位置に復帰させることができる。一対のローラは、180 度以下の最大回転角度に達する前に逆方向に転動するように構成している。従って、地震が発生して下部構造物が左右或いは前後に振動すると、スプリングが振動の大小に応じた伸縮幅で伸縮を繰り返し、上下構造物の相対変位に制約を受けることはない。
【００１３】
さらに、上記スプリングは一対のローラの端面上の外周部間に連結され、且つローラの転動時にこれらのローラと一体的に移動し且つローラとの連結部を該ローラの中心回りに移動させながら伸縮するものであるから、ローラの回転角とスプリングの復元力とは幾何学的な非線形の関係となって共振することはない。その上、ローラの回転角、がπ／２を過ぎると、該スプリングのバネ定数に相当するバネ剛性は小さくなり、従って、固有周期は長くなるので、従来の上述したコイルスプリングを用いた復元機構のように、無理にバネ定数を小さくする必要はなく、ローラ転動時において転動面との摩擦抵抗による残留歪みが発生する虞れをなくして安定した復元機構を構成することができる。
【００１４】
また、スプリングの復元力は上部構造物側の上載荷重に左右されることなく、スプリングのバネ剛性と、並設したローラ間の距離と、ローラの中心から該ローラの端面外周部に連結したスプリングの連結部間の距離によって決定されるので、上部構造物を支持する個々のローラの支持荷重に関係なく、支承体であるこれらの個々のローラの復元力を調整することが容易となり、上部構造物の重量に対しては支承体であるローラの使用本数を増減するだけで幅広い範囲の構造物に対応することができる。
【００１５】
上記のように、復元機構は上部板状体と下部板状体との間に転動自在に介在した一対のローラからなる免震装置に一体的に組み込んでいるので、構造が簡単で安価に製作できるばかりでなく、上下構造物の対向面間の所望位置に簡単且つ正確に配設することができ、施工作業も容易で施工費を低減させることができる。
【００１６】
また、請求項２に係る発明によれば、上記一対のローラの端面に該端面から外径方向に突出するフランジ部を一体に設け、これらのフランジ部の外周部間に上記スプリングを介装、連結しているものであるから、一対のローラの転動時に発生するスプリングの伸びを一層大きくなるように設定することができる。
【００１７】
さらに、請求項３に係る発明は、上記復元機構を備えた免震装置を互いにそのローラの軸芯を直交させた状態にして上下に積層しているので、前後左右の揺れに対して互いに直交方向に配した復元機構によって建物を元の位置に復元させることができる。この場合、上側の免震装置の下部板状体と下側の免震装置の上部板状体とを１枚の中間板状体で兼用させているので、高さの低い構造が一層簡素化された免震装置を構成することができるものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の具体的な実施の形態を図面について説明すると、図１は復元機構Ｂを備えた免震装置Ａの正面図であって、鋼板等の一定厚みを有する金属板よりなる平面矩形状の上部板状体１及び下部板状体２と、これらの上部板状体１と下部板状体２との間に軸芯を互いに平行にして転動自在に介在している左右一対の金属製のローラ３、４とから免震装置Ａを構成していると共に、一端を上記一対のローラ３、４における一方のローラ３の端面上の外周部に回動自在に連結し、他端を他方のローラ４の端面上の外周部に回動自在に連結したコイルスプリング５によって復元機構Ｂを構成している。
【００１９】
免震装置Ａを構成している上記上部板状体１と下部板状体２との対向面は、互いに平行で平坦な案内面1a、2aに夫々形成されてあり、これらの上下案内面1a、2aに接して上記ローラ３、４がその長さ方向を上部板状体１と下部板状体２の前後方向に向けて転動可能にこれらの上部板状体１と下部板状体２との間に挟持状態に介在している。一対のローラ３、４は同一径であってその長さ方向の両端面に該端面から外径方向に突出したフランジ部3a、4aを夫々一体に設けてあり、これらのフランジ部3a、4aを図２に示すように、上部板状体１と下部板状体２との前後端面から前後方向に夫々突出させている。
【００２０】
また、復元機構Ｂを構成する上記コイルスプリング５はその一端を一方のローラ３のフランジ部3aにおける端面外周部にピン６によって回動自在に連結し、他端を他方のローラ４のフランジ部4aにおける端面外周部にピン７によって回動自在に連結している。なお、上記フランジ部3a、4aは必ずしも円形状に形成しておく必要はなく、ローラ３、４の端面の一部から外周方に向かって所望の突出長でもって突設してなる突片部材の形状としておいてもよい。
【００２１】
このように、コイルスプリング５を左右一対のローラ３、４間に介装してその両端をローラ３、４の大径フランジ部3a、4aに連結する場合、一対のローラ３、４が転動した際にコイルスプリング５が伸縮して復元力を発揮させるように、その両端連結位置を設定している。その連結位置は、ローラ３、４の中心を結ぶ線を一辺とした平行四辺形の上記中心を結んだ辺に平行な辺の両端以外の部分であれば、ローラ３、４の転動によってコイルスプリング５を伸縮させることができるが、一対のローラ３、４が上部板状体１と下部板状体２との対向案内面1a、2aにおける所定の位置で停止している常態においては一定の引張力でもって最も収縮した状態となり、その状態からローラ３、４の転動に従って伸長させるように構成しておくことが好ましく、そのため、図１に示すように、一対のローラ３、４の中心を結ぶ線上において最も距離が短くなる両ローラ３、４のフランジ部3a、4aの対向端部にコイルスプリング５の両端部を上述したようにピン６、７によって連結した構造としている。
【００２２】
さらに、上記一対のローラ３、４が常に軸芯を平行にした状態で上部板状体１と下部板状体２との対向案内面1a、2aに接して転動させるために図１、図２に示すように、これらの上部板状体１と下部板状体２との対向案内面1a、2aにおける前後端縁部にラック10、10を敷設し、このラック10、10にローラ３、４の両端部外周面に固着又は形成した歯車11、11を噛合させた構造としている。このラック10と歯車11との噛合構造を採用すれば、一対のローラ３、４間を常に一定の距離を保持した状態で転動させることができる。また、図３、図４に示すように、上部板状体１と下部板状体２との対向案内面1a、2aにおける前後端縁部に直状のレール部材20、20を敷設し、このレール部材20、20にローラ３、４の両端部に設けた周溝部又は小径部21、21を係合させた状態で転動させてもよい。なお、一対のローラ３、４間にこれらのローラ３、４に平行して図３、図４に示すように同一径の中間ローラ13を配設しておいてもよい。
【００２３】
ローラ３、４は180 度以下の最大回転角度に達する前に下部板状体２が逆方向に揺動するようにその径の寸法を決定している。一方、上記上部板状体１と下部板状体２との対向案内面1a、2aのローラ転動方向の長さは、地震時の想定最大水平振幅（例えば30cm) を考慮して設定している。
【００２４】
このように構成した復元機構Ｂを備えている免震装置Ａは図５に示すように、上部構造物８と下部構造物９との上下対向面間に介在し、上部板状体１を上部構造物８の下面に、下部板状体２を下部構造物９の上面にそれぞれ固着した状態で使用される。この場合、下部構造物９が基礎やスラブであると上部構造物８は建物や床板であり、上部構造物８が陳列ケースや展示ケースであると下部構造物９は床面上に固定した台である。また、地震や風圧等による揺れは前後左右方向に発生するので、復元機構Ｂを備えた免震装置Ａ、Ａを、上段側の免震装置Ａのローラ３、４と下段側の免震装置Ａのロラ３、４とを互いに直交する方向に向けた状態で積層した構造とする。
【００２５】
復元機構Ｂを備えた上記免震装置Ａ、Ａを上下２段に配する場合、下段側の免震装置Ａの上部板状体１と上段側の免震装置Ａの下部板状体２とが重なり合うので、これらの上部板状体１と下部板状体２とを一体化した構造、即ち、上部板状体及び下部板状体として共用し得る１枚の中間板状体12によって構成しておくことが望ましい。このように構成すると、免震装置全体の高さを低くすることができると共に装置全体を一層簡易化することができる。また、上下構造物８、９の対向面間の複数個所に復元機構Ｂを備えた免震装置Ａを介在、配設しておいてもよい。
【００２６】
次に、上記免震装置Ａの作用を述べるが、上段側と下段側における復元機構Ｂを備えた免震装置Ａは同じ挙動を行うので、図５においてローラ３、４が左右方向に転動するように配した下段側における復元機構Ｂを備えた免震装置Ａの作用を説明する。この場合、中間板状体12が上部板状体１となるので、理解を容易にするために上部板状体１として説明する。
【００２７】
今、地震が発生して下部構造物９が左右に揺れると、該下部構造物９と一体の下部板状体２が同一方向に一体的に振動する。この下部板状体２の振動によって左右一対のローラ３、４が下部板状体２の案内面1a上を転動し、その転動によって上部板状体１がローラ３、４の転動距離だけ下部板状体２に対して反対方向に相対移動する。
【００２８】
一方、下部構造物９が例えば左方向に振動した場合、上記一対のローラ３、４が図１に示す状態から図６に示すように、互いに中心間の距離を一定に保持したまゝ右回り方向に転動する。そうすると、一方のローラ３のフランジ部3aの外端部に連結しているコイルスプリング５の一端連結ピン６が該ローラ３の中心O₁回りに下方に移行する一方、他方のローラ４のフランジ部4aの外端部に連結しているコイルスプリング５の他端連結ピン７は上記連結ピン６とは反対方向に該ローラ４の中心O₂回りに上方に移行してコイルスプリング５が伸長し、その復元力により下部構造物９に対する上部構造物８の揺れを減衰させる。また、一対のローラ３、４が上記と反対方向に転動するとコイルスプリング５が収縮し、コイルスプリング５の復元力が大小に変動する。
【００２９】
地震時の想定最大水平振幅は略30cm内外であり、その最大水平振幅時に転動する一対のローラ３、４の水平距離は15cm内外であるから、ローラの半径を５cm以上にしておけば、水平方向の往復振動に対してローラ３、４が180 度以下の回転角度でもって往復転動することになり、この往復転動によってコイルスプリング５が伸縮する。
【００３０】
ローラ３、４の転動によって伸縮するコイルスプリング５の復元力は、図７に示すように、ローラ３、４の回転角によって非直線的に変動し、例えば、ローラ３、４の半径を10cmとした場合、ローラ３、４の回転角によって０〜30cmの範囲内で伸縮を繰り返すことになる。
【００３１】
一対のローラ３、４の転動によって発生する復元力の大きさは、次のようにして求めることができる。即ち、図８において、同一径であるローラ３、４の半径をr₁、ローラ３、４の中心からコイルスプリング５の連結部までの半径をr₂、上部板状体１に対するローラ３、４の接点Ａ、Ｂにおいて上部板状体１（上部構造物８）にそれぞれ作用する復元力をF₁、F₂、コイルスプリング５が発揮する復元力Ｐの水平、垂直成分を夫々P₁、P₂とすると、ローラ３、４と上部板状体１との接点Ａ、Ｂにおける力の釣り合いよりそれぞれ次に示す(1) 式及び(2) 式が求められ、構造物に作用する復元力は(3) 式により表される。
【００３２】
【数１】

【００３３】
【数２】

【００３４】
【数３】

(1) 、(2) 式を(3) 式に代入すると(4) 式が求まる。
【００３５】
【数４】

【００３６】
また、コイルスプリング５が発揮する復元力は該コイルスプリング５の伸縮の長さによって定まるため、ローラ３、４の径r₁、ローラ３、４の回転角、及びローラ３、４の中心からコイルスプリング５の連結部までの半径r₂の関数として求めることができる。即ち、ローラ３、４間に連結したコイルスプリング５の長さＬは次に示す(5) 式によって表されると共にコイルスプリング５の伸長量ΔＬは(6) 式によって求められ、従って、コイルスプリング５に作用する復元力Ｐは(7) 式で表すことができる。式中、L₀は伸長する前のコイルスプリング５の1/2 の長さを示す。
【００３７】
【数５】

【００３８】
【数６】

【００３９】
【数７】

(4) 式に(7) 式を代入すると（８）式が得られる。
【００４０】
【数８】

但し、Ｋはコイルスプリングのバネ定数
【００４１】
上記式から理解できるように、復元力Ｆはコイルスプリング５の剛性、ローラ３、４間の距離、ローラ３、４の中心からコイルスプリング５の連結部までの半径r₂のみで決定され、上載される荷重に無関係である。
【図面の簡単な説明】
【図１】復元機構を備えた免震装置の正面図、
【図２】上部板状体を取り外した状態の平面図、
【図３】本発明の別な実施例を示す正面図、
【図４】その上部板状体を取り除いた状態の平面図、
【図５】上下構造物間に介在した状態の簡略正面図、
【図６】復元作用を説明するための正面図、
【図７】ローラの回転角と復元力との関係を示す線図、
【図８】復元力の大きさを説明するための簡略線図。
【符号の説明】
１上部板状体
２下部板状体
３、４ローラ
3a、4a フランジ部
５コイルスプリング
６、７連結ピン
８上部構造物
９下部構造物

Claims

上部構造物の下面に固定される上部板状体と下部構造物の上面に固定される下部板状体との間に軸芯を互いに平行にして一対のローラを転動自在に介在させてなる免震装置において、上記一対のローラ間にスプリングを配して該スプリングの一端を一方のローラの端面上の外周部に、他端を他方のローラの端面上の外周部に夫々連結して上記一対のローラの転動により該スプリングを伸縮させて復元力を発揮させるように構成したことを特徴とする免震装置における復元機構。
一対のローラの端面に該端面から外径方向に突出するフランジ部を一体に設け、これらのフランジ部の外周部間にスプリングを介装、連結していることを特徴とする請求項１に記載の免震装置における復元機構。
復元機構を備えた免震装置を、上側の免震装置のローラの軸芯と下側の免震装置のローラの軸芯とを互いに直交させて積層すると共に上側の免震装置の下部板状体と下側の免震装置の上部板状体とを１枚の中間板状体で兼用させていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の免震装置における復元機構。