JP4234036B2 - 免震装置 - Google Patents

Description

本発明は、地盤から構造物に対する地震動の入力を低減する免震装置に係り、特に、高層ビルや塔状構造物等の構造物に用いて好適な免震装置に関する。

地震時に地盤から構造物に伝達される地震動を低減する免震装置が知られている。建築構造物等の免震装置として従来より広く普及している積層ゴムは、圧縮に対しては大荷重を負担できる反面、引抜力（引張力）を負担できないため、その適用は高さが６０ｍ程度の構造物に限られていた。
しかしながら、近年においては６０ｍを越えるような高さを有する高層の構造物が増加している。このため、最近では引張力を負担可能なレール支承と積層ゴムとを組み合わせた免震機構が開発され、たとえば１００ｍクラスの高さを有する集合住宅等の高層建築物についても免震構造が適用されるようになっている。（たとえば、特許文献１参照）
特開平１０−８８８４９号公報

ところで、１００ｍクラスの高層建築物にレール支承と積層ゴムとを組み合わせた免震装置を適用した場合、地震時には引抜力(たとえば１辺当たり概数１００ｔｏｎ程度)に耐えることが必要になってくる。また、地震時においては、上述した引抜力と同時に、相対的な水平変位（たとえば５０ｃｍ程度）に対して適応することも必要である。
しかしながら、引抜力を負担するレール支承部分は、上部レールと下部レールとを接続金物によりジョイントする構成とされ、接続金物の摺動面をベアリング等により形成して摺動（摩擦）抵抗の小さな動きを実現している機械構成部品である。このため、引抜力に対応可能な従来技術の免震装置はコストが高くなり、また、定期的なメンテナンスを必要とする欠点がある。

特に、大型建築構造物等の免震については、常に大きな荷重がベアリング部に作用しているので、ベアリング部の接点でグリース切れとなるのを防止するためには、たとえば定期的に大きなストロークで動かすというような大掛かりなメンテナンスが必要となる。
また、レール支承と積層ゴムとは鉛直剛性が異なるため、これを考慮して荷重分担を考える必要がある。しかし、積層ゴムにはクリープ現象があるため、その設計精度については信頼性の面で問題がある。

このように、地震時に大きな引抜力が作用する高層建築物等の大型建築構造物においては、大きなスライド水平変位を許容するとともに大きな引抜力にも耐えうる、低コストでメンテナンスも容易な信頼性の高い免震装置の開発が求められている。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、大きなスライド水平変位を許容するとともに大きな引抜力にも耐えることができ、しかも、低コストでメンテナンスも容易な信頼性の高い免震装置を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る免震装置は、構造物と基礎部材との間を連結するように配設され、地震時に引抜力を受ける免震装置において、前記引抜力を受けて圧縮される弾性部材と、前記弾性部材に前記引抜力を伝達する連結部材と、を具備して構成し、前記基礎部材側の連結位置に対し、前記構造物側の連結位置が構造物中心位置方向へオフセットされていることを特徴とするものである。

このような免震装置によれば、引抜力を受けて圧縮される弾性部材と、該弾性部材に前記引抜力を伝達する連結部材とを具備して構成したので、地震時に引き抜き方向の力を連結部材より受けた弾性部材が圧縮されることにより、相対的な水平変位を吸収しながら弾性部材の圧縮量に応じた引抜力を負担することができる。
この場合、建築構造物側と基礎部材との間を連結する好適な連結部材としては、大きな引張剛性を持つが曲げ剛性の小さなワイヤがあり、特に、ワイヤ連結部については、ガイド部材側のワイヤ接触面を曲面とし、大きな曲率半径に沿ってワイヤを変形させることが好ましい。
また、前記基礎部材側の連結位置に対し、前記構造物側の連結位置が構造物中心位置方向へオフセットされていることにより、引抜力が作用しない側への水平スライド時に、弾性体に加わる圧縮力を小さく抑えることが可能になる。

上記の免震装置において、前記弾性部材は、ばね定数の異なる複数種が引き抜き方向へ直列に配列されていることが好ましく、これにより、大荷重を負担しながら変形を吸収するばね定数の高い（高剛性）弾性部材と、小さな荷重で変形するばね定数の低い（低剛性）弾性部材とを組み合わせた構成となるので、最初にばね定数の低い弾性部材が弾性変形して所定位置に達してからばね定数の高い弾性部材が弾性変形するようになり、地震時の大きなスライド水平変位を吸収しながら引抜力に対応することが可能になる。
なお地震力が小さくスライド水平変位が小さいうちは、一般に引抜力の発生はなく、大きな地震力が作用しスライド水平変位が大きくなると引抜力が発生する。すなわち、スライド水平変位が小さいうちは、低剛性の弾性部材が変形して容易にスライド可能として免震性能を保持し、スライド水平変位が大きくなって引抜力が生じると高剛性の弾性部材が変形して引抜力に対応可能になる。

上記の免震装置においては、積層ゴム支承と組み合わせることが好ましく、これにより、引張力に弱いという積層ゴムの欠点を補うことができる。

上記の免震装置においては、積層ゴムに代えて、背中合わせに直交させたエンドレスローラ支承と組み合わせてもよい。これにより大荷重を支持できる安価なスライド支承を適用することができる。

上述した本発明の免震装置によれば、地震時の引き抜き力を連結部材より受けた弾性部材が圧縮されることにより、水平スライド変位を吸収しながら弾性部材の圧縮量に応じた引抜力を負担し、免震層の大きなスライド水平変位を許容しながら引抜力に耐えて免震作用を発揮する。従って、引抜力を負担できない低コストの免震支承（積層ゴム支承やエンドレスローラ支承など）と組み合わせることにより、高層建築物の免震にも有効となる安価な免震装置の提供が可能となる。
また、レール支承のように大きな設置スペースを必要としないため、設計の自由度が増して採用を容易にし、さらに、弾性体のばねには引張力が作用しない簡単な構成のため、設計に対する信頼性が高いという利点を有している。
また、取り外しが可能な構成であるから、メンテナンスが容易になるという利点も有している。

以下、本発明に係る免震装置の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に示す免震装置１０は、高層住宅等の構造物１とこれを支持する基礎部材２との間に設けた免震層に配設され、両者を連結して地震時に構造物１から引抜力Ｎを受けるように構成されている。この免震装置１０は、引抜力の方向（上下方向上向き）に力を受けて圧縮される弾性部材として皿ばね１１を採用し、さらに、皿ばね１１が圧縮されることにより基礎部材２に対する構造物１の相対的な水平変位を吸収しながら圧縮量に応じた引抜力Ｎを基礎部材に伝達する連結部材として直径ｄのワイヤ１２を採用している。

ワイヤ１２は、その上端部側が構造物１の下端部にワイヤ連結部材１３を介して固定支持されている。ワイヤ連結部材１３は、構造物１の下端部内に埋め込むようにして強固に一体化した構成とされる。
ワイヤ連結部材１３内には、ワイヤ１２の上端部１２ａが周知の手法により抜け止め固定されている。また、ワイヤ１２の連結部においては、ワイヤ連結部材１３の下端面から下方へ向けて、ガイド部材１４が突設されている。このガイド部材１４には、ワイヤ１２を通す貫通孔１４ａが設けられ、ワイヤ接触面となる貫通孔１４ａの内周面は、曲率半径をＲに設定した曲面とされる。

また、ワイヤ１２の下端部１２ｂは、後述する皿ばね１１のガイドシャフト１５に固定支持されている。この場合、ガイドシャフト１５の上部フランジ部１５ａに対し、ワイヤ１２の下端部１２ｂが上述した上端部１２ａと同様の手法によって抜け止め固定されている。なお、フランジ部１５ａの上面には、曲率半径Ｒの曲面に形成された貫通孔１４ａを有するガイド部材１４が設けられている。
上述したワイヤ１２は、通常耐荷重を考慮して複数本をバランスよく配置した構成とされるが、図２に示す実施例では、６本のワイヤ１２が同一円周上に６０度ピッチで配置されている。

一方、皿ばね１１は、円柱状としたガイドシャフト１５の下端部１５ｂ側から挿入されて上下方向に多数配列され、下端部１５ｂに螺合したナット部材１６と上端規制部材１７との間に保持されている。ガイド部材１５は基礎部材２に設けた凹部３内に収納され、その上部開口を塞ぐようにして、上端規制部材１７が基礎部材２に強固に固定されている。
また、上部規制部材１７の貫通孔１７ａを通るガイドシャフト１５は、上部フランジ部１５ａがワイヤ１２で吊下げられるように支持された状態、あるいは、上部フランジ１５ａが上部規制部材１７の上面に載置された状態とされる。このため、常時大荷重が作用するようなことはなく、従って、取り外しが可能なことに加えてグリース切れ等の問題が発生することもないため、メンテナンスは容易である。

上述したガイド部材１４及び上部フランジ１５ａは、円筒状とした上部外筒１８内に収納されている。同様に、ガイドシャフト１５、皿ばね１１及びナット部材１６は、円筒状とした下部外筒１９内に収納されている。図示の構成例において、上部外筒１８及び下部外筒１９は、いずれも上端部規制部材１７に支持されている。なお、下部外筒１９の下端部側内周面には、ナット部材１６の水平動を規制してスムーズに上下移動させるガイドリング２０が設けられている。

上述した構成の免震装置１０は、地震による入力が作用すると、以下に説明するように動作して免震時に生じる引抜力を負担する。
地震により、構造物１と基礎部材２との間に生じた水平方向の相対移動Ｗは、皿ばね１１の圧縮変形とワイヤ１２が傾斜することにより許容される。この時、ワイヤ１２の両端部が曲率半径Ｒの曲面に形成された貫通孔１４ａを通っているので、相対移動Ｗによりワイヤ１２が図中に想像線で示すように傾斜する場合には、緩やかな曲線を描いて傾斜するためワイヤ１２に応力集中が生じにくい構成となる。
なお、クレーン起伏のシーブ径とワイヤ径との関係に関する本願出願人の長年の経験によれば、曲面の曲率半径Ｒとワイヤ１２の直径ｄとの比（Ｒ／ｄ）が１２．５程度に設定されていれば、応力集中によりワイヤ１２が切断されるようなことはないという知見を得ている。

また、地震力により構造物１が大きく水平方向にスライドし、構造物に生じる転倒モーメントが大きくなって自重による圧縮力以上の引抜力が作用すると、ガイドシャフト１５が上部フランジ部１５ａ及びナット部材１６とともに大きく引き上げられ、上端規制部材１７とナット１６との間に配列された皿ばね１１を大きく圧縮する。この結果、地震入力の引抜力は皿ばね１１の圧縮変形に応じたばね力と釣合うので、水平方向の大きな相対移動Ｗを許容しながら大きな引抜力に対応することができる。

続いて、図３に示す免震装置の第２の実施形態を説明する。なお、上述した第１の実施形態と同様の部材には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この実施形態の免震装置１０Ａは、皿ばね１１と直列に配列されたコイルばね２１を備えている。このコイルばね２１は、ばね定数を皿ばね１１より小さく設定した柔らかい弾性部材（低剛性のばね）とされ、ガイドシャフト１５Ａに挿入して皿ばね１１の下方に配設されている。すなわち、この実施形態の免震装置１０Ａは、ばね定数の異なる二種類の弾性部材（皿ばね１１及びコイルばね２１）を引き抜き方向へ直列に配列した構成とされる。
なお、図中の符号２２はガイドシャフト１５Ａにルーズに挿入されて自由にスライドする皿ばね保持部材、２３はガイドシャフト１５Ａと螺合等により一体化されているコイルばね保持部材である。

上述した構成の免震装置１０Ａにおいては、地震により引抜力が作用すると、最初にガイドシャフト１５Ａとともにコイルばね保持部材２３が引き上げられるので、ばね定数の小さいコイルばね２１が皿ばね保持部材２２とコイルばね保持部材２３との間に挟まれて押圧を受ける。この押圧で圧縮されたコイルばね２１が所定位置まで弾性変形すると、今度は上述した第１の実施形態と同様に、皿ばね保持部材２２も一体的に引き上げられることになり、ばね定数の大きい皿ばね１１が同様に圧縮される。

このような構成とすれば、ばね定数の異なる弾性体を直列に配列したので、２段階の圧縮変形をするようになり、従って、コイルばね２１の弾性変形によっても水平方向のスライド変位を吸収することができるようになる。このため、地震力が小さくスライド変位が少ないうちは、コイルばね２１が変形して容易にスライド可能にして免震性能を保持し、スライド変位が大きくなって引抜力が生じると皿ばねが変形して引抜力に対応可能となり、免震性能を損なうことなく効果的に引抜力を基礎部材に伝達することができる。

続いて、本発明による免震装置の第３の実施形態を図４に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この実施形態の免震装置１０Ｂは、構造物１及び基礎部材２と連結するガイドシャフト１５Ｂの両端部にユニバーサルジョイント３０を介在させて水平方向のスライド変位を吸収するように構成した点が異なっている。なお、図示の例では、ばね定数の異なる皿ばね１１及びコイルばね２１を直列に配列した構成としてあるが、図１に示したように、皿ばね１１のみを設けた構成としてもよい。

このようなユニバーサルジョイント３０を採用することにより、水平方向のスライド変位が作用すると、ばねが圧縮変形しユニバーサルジョイント３０を支点にしてガイドシャフト１５Ｂが傾斜するので、上述したワイヤ１２と同様に水平スライド変位吸収しながら引抜力を負担することができる。
なお、このような構成では、ユニバーサルジョイント３０及びガイドシャフト１５Ｂが引抜力を基礎部材に伝達する連結部材となる。

また、上述した各実施形態では、構造物１及び基礎部材２と連結するガイドシャフト１５が地震のない通常の状態で鉛直線上に位置していたが、たとえば図５に示すように、基礎部材２側の連結位置Ｓに対し、構造物１側の連結位置Ｓ１が構造物中心位置方向（紙面の左方向）へ長さａだけオフセットした構成としてもよい。
このような構成とすれば、引抜力が作用しない側への水平スライド時に、皿ばね等の弾性部材に生じる圧縮力を小さく抑え、水平スライドを容易にして免震性能の低下を抑制できる。

また、図６に示すように、上述したオフセットに加えて、基礎部材１側の連結位置Ｓと構造物２側の連結位置Ｓ１とを連結するガイドシャフト１５´に中間ヒンジ部Ｈを設けてもよい。
このような構成としても、上記と同様、引抜力が作用しない側への水平スライドを容易にして免震性能低下を抑制できる。

また、上述した各実施形態の免震装置は、引抜力に対応できない積層ゴム支承と組み合わせて使用することが好ましい。
図７は、第１の実施形態に示した免震装置１０と、積層ゴム支承４０とを組み合わせた構成例を示しており、積層ゴム支承４０は、構造物を支持し、地震時には構造物を水平スライドさせて固有周期を長周期化し、ゆっくりした揺れに変えて地震力を低減する。しかし、構造物に生じる転倒モーメントで引抜力が掛かると、これを負担できない。本免震装置１０はこの引抜力に対応するものであり、引張力に弱いという積層ゴム支承４０の欠点を補った免震装置を安価に提供することができる。

また、本発明の免震装置は、上述した積層ゴム支承４０に代えて、背中合わせに直交させたエンドレスローラ支承と組み合わせてもよい。
図８は、エンドレスローラ支承の構成例を示す斜視図である。このエンドレスローラ支承５０は、ローラ５１が露出する面を下向きにして同方向（Ｘ軸方向）へ移動可能に並べられた４台の下向きエンドレスローラ５２と、ローラ５１が露出する面を上向きにして同方向（Ｙ軸方向）へ移動可能に並べられた４台の上向きエンドレスローラ５３とにより構成されている。

このような構成のエンドレスローラ支承５０は、上述した免震装置１０とともに構造物１と基礎部材２との間に配設されることにより、地震による水平方向の成分をエンドレスローラ支承５０がＸ軸及びＹ軸方向に移動することで吸収する。また、構造物の自重はエンドレスローラ支承５０で支持し、地震時に構造物に生じる転倒モーメントによる引抜力は、免震装置１０が負担して対応することが可能となる。
このように、上述した本発明の免震装置は、積層ゴム支承４０やエンドレスローラ支承５０と組み合わせた構成を採用することにより、高価で定期的なメンテナンスを必要とするレール支承が不要となる。
なお、積層ゴム支承やエンドレスローラ支承以外にも、摩擦支承や滑り支承など引抜力を負担できない支承と組み合わせる構成としてもよい。

また、上述した本発明の免震装置を設置する場合、特にレール支承のように水平方向の大きなスペースを必要としないため、構造物１を設計する自由度が増すという利点を有している。
また、上述した本発明の免震装置は、弾性体に引張力が作用しない構成のため、信頼性の高い装置になるという利点もある。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

本発明に係る免震装置の第１の実施形態を示す断面図である。 図１及び図３のＡ−Ａ断面図である。 本発明に係る免震装置の第２の実施形態を示す断面図である。 本発明に係る免震装置の第３の実施形態を示す断面図である。 本発明に係る免震装置の第１変形例を示す図である。 本発明に係る免震装置の第２変形例を示す図である。 本発明の免震装置を積層ゴム支承と組み合わせて使用した状態を示す図である。 エンドレスローラ支承の構成例を示す斜視図である。

符号の説明

１ 構造物
２ 基礎部材
３ 凹部
１０，１０Ａ，１０Ｂ 免震装置
１１ 皿ばね（弾性部材）
１２ ワイヤ（連結部材）
１３ ワイヤ連結部材
１４ ガイド部材
１５，１５Ａ，１５′，１５Ｂ ガイドシャフト
１６ ナット部材
１７ 上端規制部材
２１ コイルばね
３０ ユニバーサルジョイント
４０ 積層ゴム支承
５０ エンドレスローラ支承

Claims (4)

1. 構造物と基礎部材との間を連結するように配設され、地震時に引抜力を受ける免震装置において、
   前記引抜力を受けて圧縮される弾性部材と、
   前記弾性部材に前記引抜力を伝達する連結部材と、を具備して構成し、
   前記基礎部材側の連結位置に対し、前記構造物側の連結位置が構造物中心位置方向へオフセットされていることを特徴とする免震装置。
2. 前記弾性部材は、ばね定数の異なる複数種が引き抜き方向へ直列に配列されていることを特徴とする請求項１に記載の免震装置。
3. 積層ゴム支承と組み合わせたことを特徴とする請求項１または２に記載の免震装置。
4. 背中合わせに直交させたエンドレスローラ支承体と組み合わせたことを特徴とする請求項１または２に記載の免震装置。

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