JP3747179B2 - 免震構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、構造物の揺れを抑制する免震構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
阪神・淡路大震災以降、建物の揺れを抑制する免震構造技術が脚光を浴びている。この免震構造技術は、図９に示すように、基礎部５０と建物５２の間にアイソレータ（薄いゴムと鋼鈑を交互に重ねた積層ゴム５４や摩擦支承）を並べて建物５２を支え、地震動が地盤５６から建物５２に伝わることを防いで（地震エネルギーの吸収）、揺れを軽減しようとするものである。
【０００３】
ところが、軟弱地盤等のような地盤条件において（建築基準法における３種地盤）、杭５６を打ち込み、この杭５６で建物５２を支持する支持構造に積層ゴム５４を使用した場合、以下のような不都合が生じる。
【０００４】
すなわち、積層ゴム５４の固有周期は約２秒〜４秒のものが主流であり、これに対して、軟弱地盤の固有周期も通常２秒秒〜４秒程度である。このため、軟弱地盤と建物が共振して揺れを抑制できない。または、地盤の固有周期と積層ゴムの固有周期が同程度であった場合も同様である。
【０００５】
一方、積層ゴムの固有周期を長くして建物と地盤を共振させないため、特殊なゴムが開発されているが、劣化や支持強度に問題があり供用の段階に至っていない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事実を考慮して、地盤条件に左右されず、地震力の入力低減が可能で、かつ建物の固有周期（特に免震化した１次固有周期）を容易に設定することができる免震構造を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明では、地盤中の支持層に支持された支持体が、伝達部材を介して地盤上に構築された構造物の荷重を支持する。地盤中には質量体が配置され、杭で支持層に支持されている。質量体には、挿入口とこの挿入口と連通し質量体の上面へ抜けるすり鉢状の保持穴が形成されている。
挿入口へは支持体が入り込み、保持穴内には伝達部材が位置して構造物と支持体にそれぞれ回動自在に連結されている。このため、伝達部材は地震等で回動しても質量体に干渉されずに、構造物は倒れ始めると無限大の周期を持つことになる。言い換えれば、不安定な倒立振り子のような性状を示し、見かけ上、負の剛性を持つことになる。
【０００８】
ここで、復元手段（例えばバネ等）により、構造物と支持層に杭で支持された質量体とを連結し、構造物に正の剛性を与えることで、構造物と支持体の位置関係を保持する。このように、与える弾性力の大きさを変えることで、要求する剛性を自由に作り出すことができ、構造物の固有周期を自由に設定できる。
【０００９】
このように、設計者が自由に構造物の固有周期を設定できるので、地盤条件に関係なく、構造物を地盤と共振しない免震構造とすることができる。また、構造体の荷重は、支持体で長期に亘って支持されるので、軽量から大重量までの構造体に適用でき、引抜きを生じるような塔状比の大きい建物にも適用できる。
【００１０】
請求項２に記載の発明では、構造物と質量体との間に減衰手段が設けられている。この減衰手段により、地震エネルギーが吸収され構造物の揺れが素早く減衰される。
また、この構成は、地震時に地盤が液状化し、質量体と構造物とが大きく相対移動する場合に、特に有効である。そして、構造物と質量体の重量比率から、最適な減衰手段の減衰力をチューニングすることで、構造物へ減衰力を積極的に付加して振動を抑えることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１及び図２には、本形態に係る免震構造が用いられた建物１０が示されている。
【００１３】
この建物１０が構築された地盤１２には、建物１０の荷重を長期に亘って十分に支持可能な支持力のある支持層に達した鋼管杭１４が複数本建て込まれている（なお、建物の荷重を支持できれば摩擦杭でもよい）。
【００１４】
この鋼管杭１４の杭頭には、リンク材１６の下端に設けられたボールジョイント１８が連結されており、リンク材１６が鋼管杭１４に対して全方位へ回動自在となっている。また、リンク材１６の上端に設けられたボールジョイント２０が建物１０に連結されており、リンク材１６が建物１０に対して全方位へ回動自在となっている。この構成により、建物１０は、傾くことなく水平移動可能となり、また、倒れ始めると無限大の周期を持ち、倒立振り子のように負の剛性を持つ（図８に示すＲ１）。
【００１５】
また、４連とされたリンク材１６の軸力は、配分された建物１０の荷重を座屈することなく支承できる強度を有しており、建物１０の鉛直荷重は、リンク材１６を介して複数の鋼管杭１４で支承される。このため、地盤１２が軟弱であっても、建物１０が不同沈下することがない。
【００１６】
一方、建物１０の下方には、付加質量として機能するコンクリート製の地下ピット２２が構築されている。この地下ピット２２は、ＲＣ杭２４に支持され、軟弱地盤であっても沈下しないようになっている。
【００１７】
図２及び図４に示すように、建物１０の下面と地下ピット２２の上面との間には、一端が建物１０に他端が地下ピット２２に連結された複数の復元ばね２４が配置されている。この復元ばね２４は、引張力或いは圧縮力の復元力を作用させ、図２に示すように、地震力が入力されてないとき、リンク材１６が鉛直状態となるように、建物１０と鋼管杭１４の位置関係を保持している。
【００１８】
そして、図８に示すように、例えば、復元ばね２４のばね力Ｒ２を選択することにより、建物１０の剛性を負の剛性Ｒ１から正の剛性Ｒ３に変えることができる。すなわち、地盤条件に関係なく、復元ばね２４のばね力Ｒ２を選択することで、建物１０に要求する剛性Ｒ３を調整できる。このようにして、建物１０の固有周期を自由に設定することで、建物１０と地盤１２との共振を避けることができる。
【００１９】
なお、地下ピット２２には、鋼管杭１４の上部が入り込む挿入口２６が形成されている。この挿入口２６は、地下ピット２２の上面へ抜けるすり鉢状の保持穴２８と連通している。この保持穴２８には、リンク材１６が位置しており、保持穴２８の大きさは、地震力が作用したときにリンク１６が回動しても干渉しないように設定されている。
【００２０】
さらに、建物１０の下面と地下ピット２２の上面との間には、トグル機構を利用した減衰装置３０が、平面的に見ると、制振方向が直交するように配設されている（図４参照）。
【００２１】
図１及び図２に示すように、減衰装置３０は、第１アーム３２を備えている。この第１アーム３２の一端は、地下ピット２２に固定された取付ブロック３４から立設された軸体３５（図６参照）に回転可能に連結されている。また、第１アーム３２は、地下ピット２２と平行に張り出しており、自由端部は連結シャフト３６へ回転可能に連結されている。
【００２２】
この連結シャフト３６には、地下ピット２２と平行に張り出した第２アーム３８の自由端部が回転可能に連結され、そして、第１アーム３２の軸線と第２アーム３８の軸線が描く交角が鋭角となるように設定され、第１アーム３２と第２アーム３８とでトグル機構を構成している。また、第２アーム３８の一端は、建物１０に固定された取付ブロック４０から垂下された軸体に回転可能に連結されている。
【００２３】
次に、本形態に係る免震構造の機能を、図５〜図７を参照して説明する。
【００２４】
なお、便宜上、Ｘ軸を基準として対称形に配置された減衰装置３０をユニット３０Ａとし、Ｙ軸を基準として対称形に配置された減衰装置３０をユニット３０Ｂとして説明する。
【００２５】
ここで、地震等によって地盤１２（鋼管杭１４）が揺れ、図６に示すように、付加質量としての地下ピット２２が建物１０に対してＸ軸の正方向へ相対的にδ１水平変形したとする。このとき、ユニット３０Ｂでは、第１アーム３２と第２アーム３８の自由端を回転可能に連結した連結シャフト３６（鎖線表示）が、Ｘ軸に対して対称形を保持しながら取付ブロック３４の軸体３５を中心に円弧運動を行い、その移動量は、左側のユニット３０Ｂで振動方向と反対側へδ２、右側のユニット３０Ｂで振動方向へδ３（δ２＜δ３）に増幅され、相対的な水平変形量δ１より大きくなる。この増幅倍率は、第１アーム３２の軸線と第２アーム３８の軸線との交角を鋭角とすることで一層大きくなり、また、アームの取付位置、長さを変えることによっても調整することができる。
【００２６】
このように、軸体３５の小さな変位が連結シャフト３６の大きな変位に増幅され、小さい変位×大きな力＝大きな変位×小さな力という関係が成立する。そして、連結シャフト３６の部分で発生する摩擦力によって、建物１０と地下ピット２２の振動が減衰されると共に地震力の入力低減が図られる。
【００２７】
一方、ユニット３０Ａでは、建物１０が地下ピット２２に対してＸ軸方向へ相対的にδ１水平変形すると、第１アーム３２と第２アーム３８との自由端を回転可能に連結した連結シャフト３６が、軸体３５を中心に同一方向へ円弧運動を行い、その移動量は、ユニット３０Ａの右側でδ４、左側でδ５となり増幅されて相対的な水平変形量δ１よりδ４が大きくなる。この増幅倍率もアームの長さ及び交角の大きさによって、任意に設定することができる。
【００２８】
なお、地下ピット２２が建物１０に対してＸ軸の負の方向へ相対的にδ１水平変形しても、移動方向が逆になるだけで、増幅倍率は変化しない性質を持っている。
【００２９】
また、復元バネ２４は、左側が引っ張られ、右側が圧縮される。そして、復元バネ２４のばね定数を選択することで、建物１０の固有周期を、地盤１２と共振しない固有周期に設定することができる。
【００３０】
また、図７に示すように、地下ピット２２が建物１０に対してＹ軸の正方向へ相対的にδ１水平変形したとする。このとき、ユニット３０Ｂでは、連結シャフト３６の移動量がδ４、δ５となり、また、ユニット３０Ａでは、連結シャフト３６の移動量がδ２、δ３となる。
【００３１】
このように、ユニット３０Ａ及びユニット３０Ｂを対称形に配置することによって、地震等によって建物１０と地下ピット２２がどの方向へ相対的に水平変形しても、各減衰装置３０の挙動は異なるが、全体としての増幅倍率は一定となり、建物１０の変則的な動きが規制される。
【００３２】
なお、本形態では、減衰装置として、本出願人が既に出願しているトグル式の減衰装置３０を使用したが、これに限定されるものでなく、例えば、油圧ダンパー等を建物１０と地下ピット２２との間に回動自在に連結し、地震エネルギーを吸収して、建物１０の揺れを早期に収束させるようにしてもよい。
【００３３】
また、本形態では、減衰装置３０を建物１０と地下ピット２２との間に配置したが、付加質量としての地下ピットを使用しない場合は、建物１０と鋼管杭１４の間に減衰装置を配置し、建物の揺れを速く収束させるようにしてもよい。
【００３４】
さらに、建物１０と鋼管杭１４とを復元ばね２４で連結して、建物１０に必要な剛性を与えるようにしてもよい。
【００３５】
【発明の効果】
本発明は上記構成としたので、地震力の入力低減が可能となり、また建物の剛性を自由に作り出せる。このため、建物の特性を簡単にチューニングでき、建物の固有周期を自由に設定することができる。したがって、地盤条件に左右されず、軽量から大規模の建物、また、塔状比の高い建物でも、簡単に免震構造とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本形態に係る免震構造が使用された建物基礎部の要部斜視図である。
【図２】本形態に係る免震構造が使用された建物基礎部の概略正面図である。
【図３】本形態に係る免震構造が使用された建物基礎部の概略正面図である。
【図４】本形態に係る免震構造が使用された建物基礎部の概略平面図である。
【図５】本形態に係る免震構造が使用された建物基礎部の概略平面図である。
【図６】本形態に係る免震構造で使用された減衰装置の動きを示す模式図である。
【図７】本形態に係る免震構造で使用された減衰装置の動きを示す模式図である。
【図８】本形態に係る免震構造が使用された建物の剛性の変化を示す説明図である。
【図９】積層ゴムが使用された従来の免震構造を示す正面図である。
【符号の説明】
１０ 建物（構造物）
１４ 鋼管杭（支持体）
１６ リンク材（伝達部材）
２２ 地下ピット（質量体）
２４ 復元ばね（復元手段）
３０ 減衰装置（減衰手段）

Claims (2)

1. 地盤上に構築された構造物と、
   地盤中の支持層に支持され前記構造物の荷重を支持する支持体と、
   地盤中に配置され前記支持層に杭で支持された質量体と、
   前記質量体に形成され前記支持体が入り込む挿入口と、
   前記質量体に形成され前記挿入口と連通し前記質量体の上面へ抜けるすり鉢状の保持穴と、
   前記保持穴内に位置し、前記構造物と前記支持体とにそれぞれ回動可能に連結されて構造物の荷重を前記支持体へ伝達する複数の伝達部材と、
   前記構造物と前記質量体とに連結され、弾性力で構造物と支持体の位置関係を保持する復元手段と、
   を有することを特徴とする免震構造。
2. 前記構造物と前記質量体との間に減衰手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の免震構造。

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