JP4483151B2 - 上下免震装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、構造物や機器等を地震等による上下震動から保護する上下免震装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
上下免震装置には、主にばねが使用されており、従来の上下ばねには、以下に示すものがある。
【０００３】
(1) 空気ばね（大荷重○、長周期○、メンテナンスフリー×）
空気ばねは、大荷重を支持しながら大変形が可能であることから、上下方向に長周期の免震装置を実現できる。しかし、供用期間中に安定したばね特性を確保するには、空気ばね内の圧力を一定に保つ必要があり、モニタリングを含む設備が必要となり、維持管理コストが必要となる。
【０００４】
(2) コイルばね、皿ばね（大荷重○、長周期×、メンテナンスフリー○）
機械的なばねであり、完成後には機能を維持するための設備を必要としないが、ばねとして使用するためには、外力による変形は弾性範囲に限られる。一般に使用される金属加工したばねを用いて固有周期を長くするためには、多数のばねを直列に配置する必要があり、一般的には短い固有周期で使用される。
【０００５】
(3) 特殊ばね構造（大荷重×、長周期○、メンテナンスフリー○）
特殊なばね構造として特開平６−１２９４８６号公報に開示されているような上下動免震装置がある。この装置では、連接棒や転動輪などが用いられているため、装置が支持する重量が１０メガニュートンを超える程度に大きくなると、連接棒や転動輪を強大にする必要があり、装置の自重が大きくなり、現実的でない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、従来技術では、いずれも、▲１▼大荷重を支持する、▲２▼長周期構造のばねを形成する、▲３▼維持管理装置が不要となる、の全てを満足させることができなかった。
【０００７】
本発明は、このような課題を解消すべくなされたもので、その目的は、構造物や機器等の上下免震において、大荷重を支持しながら、長周期のばねを形成することができると共に、維持管理装置を不要とすることができる上下免震装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１は、上部構造と下部構造の間に設置される上下免震装置であり、上部構造または下部構造あるいは上部構造と下部構造に設けられる内側支持部材と、この内側支持部材の外周に周方向に複数に分割されて配設される外側支持部材と、これら複数に分割された隣り合う外側支持部材同士を締結して内側支持部材の外周に組み付ける締結部材を備え、内側支持部材の外側面と外側支持部材の内側面に、上下方向の力を水平方向の力に変換可能な傾斜面が形成されており、前記締結部材に張力を導入することにより、水平方向の力に対して該締結部材を軸ばねとして機能させていることを特徴とする上下免震装置である。
【０００９】
この請求項１において、内側支持部材は、例えば水平断面が四角形や円形等で側面が傾斜面とされた錐台状躯体であり、上部構造の下面に逆錐台状の内側支持部材を突設し、下部構造の上に支持架台等を介して錐台状の内側支持部材を設置するのが好ましい（図１、図２参照）。上部と下部の内側支持部材の間には空間が形成されるようにし、これら上下一対の内側支持部材の周りに、内側支持部材の傾斜面に平行な傾斜面を内側面に有する分割外側支持部材を配設し、これらを締結部材で上下一対の内側支持部材に一体的に組み付ける。
【００１０】
締結部材は、分割外側支持部材同士を締結する部材であり、また、張力を導入することで内側支持部材と外側支持部材を一体化し、上部構造を支持できるようにする緊張材であり、さらに、水平方向の力に対して軸ばねとして働く部材であり、引張強度Ｆと弾性係数Ｅの比Ｆ／Ｅの比較的大きい線状（糸状や繊維状）あるいは棒状などの部材が用いられる。
【００１１】
上下一対の内側支持部材の間の空間には、必要に応じて、上下方向減衰装置（オイルダンパーや鋼材ダンパー等）を設置することができる。また、下部構造上の支持架台と下部の内側支持部材の間に水平免震用の免震支承（積層ゴム支承や滑り支承など）を設置し、上下免震と水平免震の両方の機能を持たせることもできる。
【００１２】
なお、内側支持部材は、上部構造にのみ、あるいは、下部構造にのみ、設置しても、上下免震が可能である。この場合、外側支持部材は、下部構造または上部構造に水平移動可能に設ければよい。
【００１３】
本発明の請求項２は、内側支持部材の外側面と外側支持部材の内側面との間に、上下方向に転動可能な転動体（水平配置のローラー、ボール等）が配設されていることを特徴とする請求項１に記載の上下免震装置である。即ち、内側支持部材と外側支持部材の傾斜面同士を直接接触させることもできるが、転動体を介在させて摩擦係数を低減させるのが好ましい。
【００１４】
本発明の請求項３は、内側支持部材の外側面と外側支持部材の内側面との間に、単層または複数層の積層ゴム（免震ゴム）が上下方向にせん断変形可能に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の上下免震装置である。即ち、ローラーに代えて横置きの積層ゴムなどを配設し、上下の変形が生じやすいようにする。
【００１５】
本発明の請求項４は、内側支持部材の外側面と外側支持部材の内側面との間に、すべり支承が上下方向に変形可能に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の上下免震装置である。即ち、前記積層ゴムの代わりにすべり支承を配設してもよい。
【００１６】
以上のような構成の上下免震装置において、内側支持部材の周りに分割外側支持部材を配設して締結部材で組み付けて一体化する。次いで、締結部材に所定の張力を導入することで、下部構造上で緊縛され一体化した内側支持部材と外側支持部材により、上部建物等の上部荷重が支持される。
【００１７】
この状態で、地震等による上下方向の力が本装置に加わると、上部構造と下部構造の隙間を狭める方向の上下方向の力が傾斜面により変換され、この傾斜面の法線方向の力のうち水平方向の力により分割外側支持部材が外側に向かって水平移動し、分割外側支持部材同士を締結する水平方向の締結部材に引張力が作用し、締結部材が水平方向の軸ばねとして機能する。以上により、上下の振動が水平方向の振動に変換され、軸ばねとしての締結部材により振動数が低減される。上部構造の重量（本装置が支持する重量）に対して適切に締結部材の剛性および傾斜面を設定することにより、上部構造の上下振動数を目的の上下振動数に低減することができる。
【００１８】
内側支持部材と複数の分割外側支持部材を締結部材で一体化して上部荷重を支持し、内側支持部材と外側支持部材の傾斜面で上下方向の力を水平方向の力に変換し、締結部材を水平方向の軸ばねとして用いるため、上部建物や機器等の上下免震において、大荷重を支持しながら、長周期のばねを形成することができると共に、維持管理装置を不要とすることができる。
【００１９】
内側支持部材と外側支持部材の間に横置きの免震ゴムを用いた場合には、免震ゴム自体がせん断変形することができるので、水平方向の締結部材の軸ばねと直列のばね配置となり、上下の変形が生じやすいものとなる。即ち、上下振動数をより低減することが可能となる。ここで、横置きの免震ゴムの常時の軸力が許容値以内となるように傾斜面の傾きを設定すればよい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示する実施の形態に基づいて説明する。この実施形態は、建物の上下免震に適用した例であり、また、水平免震装置として実用化されている積層ゴムを併用した水平免震＋上下免震の装置の場合である。図１は、本発明の第１実施形態の完成後の状態を示す鉛直断面図と平面図である。図２は、本発明の第２実施形態の完成後の状態を示す鉛直断面図と平面図である。図３は、第２実施形態の施工時の途中の状態を示す鉛直断面図と平面図である。
【００２１】
図１の第１実施形態において、本発明の上下免震装置１は、上部の内側支持部材としての上部支持体２と、下部の内側支持部材としての下部支持体３と、外側支持部材としての中間支持体４と、ローラー５と、線状の締結部材６と、支持架台７と、水平免震用の積層ゴム支承８と、必要に応じて設けられる上下方向減衰装置９から構成されている。
【００２２】
上部支持体２は、上部構造としての上部建物Ａの下面に一体的に突設された水平断面が例えば正方形の突起躯体であり、その４側面が下に向かって互いに狭まる傾斜面１０とされ、逆四角錐台とされている。即ち、後述する中間支持体４で上部支持体２を支持できるような形状とされている。
【００２３】
下部構造としての基礎Ｂの上面には、支持架台７が一体的に突設され、この支持架台７の上に、１台または複数台の積層ゴム支承８を介して、下部支持体３が設置される。下部支持体３は、上部支持体２とほぼ同じ形状で上下が逆の四角錐台の躯体である。従って、その４側面が上に向かって互いに狭まる傾斜面１１とされ、後述する中間支持体４を支持できるような形状とされている。
【００２４】
中間支持体４は、上部支持体２および下部支持体３を取り囲むように配設される部材であり、かつ、上部支持体２および下部支持体３の各辺に対応させて複数に分割され、複数の分割中間支持体４ａから構成されている。上部支持体２および下部支持体３の水平断面が正方形の場合には、中間支持体４の平面視の全体外形も正方形とされ、さらに、上部支持体２および下部支持体３に対して平面上４５°ずらして配設される。従って、分割中間支持体４ａは、平面形状が略直角三角形とされている（図１(b) 参照）。
【００２５】
このような分割中間支持体４ａの内側の側面の上下にそれぞれ、傾斜面１０と平行な傾斜面１２、傾斜面１１と平行な傾斜面１３が形成され、これら傾斜面で上下方向の力を水平方向の力に変換可能とされている。傾斜面１０と傾斜面１２の間、傾斜面１１と傾斜面１３の間に、水平のローラー５が配設される。このローラー５は、上下方向に間隔をおいて複数配設し、適宜の保持機構で回転自在に保持されるようにするのが好ましい。
【００２６】
線状の締結部材６は、隣り合う分割中間支持体４ａ，４ａ同士を締結し、上部支持体２および下部支持体３の外周にローラー５を介して各分割中間支持体４ａを組み付けるものであり、図１(b) に示すように、隣り合う分割中間支持体４ａ，４ａの外側辺を水平に貫通して配設し、その端部を角部で止め具１４で固定する。直交２方向の締結部材６，６の張力の合力で、分割中間支持体４ａが上部支持体２および下部支持体３の各辺に組み付けられる。上下方向に関しては、上部支持体２および下部支持体３の部分にそれぞれ多数本配設される。
【００２７】
この線状の締結部材６は、後述するように、張力が導入され、また、水平方向の軸ばねとして用いられるため、ＰＣ鋼線やＰＣ鋼より線などのように引張強度Ｆと弾性係数Ｅの比Ｆ／Ｅの大きい金属製や非金属製の糸状や繊維状のものを用いる。棒状、その他のものでもよい。
【００２８】
中間支持体４により一体化した上部支持体２と下部支持体３の間には空間が形成されるが、この空間に、必要に応じて、オイルダンパーや鋼材ダンパー等の上下方向減衰装置９を設置し、震動エネルギを吸収するようにしてもよい。
【００２９】
なお、以上は、水平免震＋上下免震の装置の場合であるが、上下免震だけの場合は、支持架台７の上に下部支持体３を直接設置すればよい。また、上部支持体２、下部支持体３、中間支持体４の平面視形状は、図示例の正方形に限らず、円形やその他の形状でもよい。
【００３０】
次に、図２の第２実施形態は、ローラーを横置き積層ゴム１５に置き換えたものである。その他の構成は、第１実施形態と同じである。積層ゴム１５は、上下の取付鋼板等をそれぞれ傾斜面１０，１１と傾斜面１２，１３に取り付け、上下方向にせん断変形できるようにする。なお、積層ゴム１５に代えてすべり支承を同様に設置することができる。
【００３１】
以上のような構成の上下免震装置１において、次に示す手順で施工を行う（図３参照）。図３は、図２の横置き積層ゴム１５の場合であるが、図１のローラー５等の場合も同じである。
【００３２】
(1) 先ず、下部構造である基礎Ｂの施工に続いて支持架台７を施工し、この支持架台７の上に水平免震用の積層ゴム支承８および下部支持体３を設置する。
【００３３】
(2) 下部支持体３の上に、上部支持体２に対して適切な間隔を保持し、かつ、上部荷重を支持するための仮設支持部材２０を設け、この上に上部支持体２を載せる。
【００３４】
(3) 上部支持体２と下部支持体３の外周にローラー５または横置き積層ゴム１５を介して各分割中間支持体４ａを配置し、締結部材６で各分割中間支持体４ａを締結することにより、上部支持体２と下部支持体３に中間支持体４を組み付ける。
【００３５】
(4) 上部支持体２が仮設支持部材２０を介して上部支持体２上に支持され、上部支持体２の高さが一定に保持される。この状態から、上部支持体２の上に、上部建物Ａを施工する。上部建物Ａに有害な傾斜を生じさせることなく、施工を行うことができる。
【００３６】
(5) 上部建物Ａが完成した後、締結部材６に予め設定した所定の引張力を加え、端部を止め具１４で固定し、上部支持体２と下部支持体３を中間支持体４で外周から緊縛する。他の上下免震装置も同様の施工を行う。
【００３７】
(6) 全ての上下免震装置１について引張力の導入が完了すると、上部荷重が上下免震装置１に移行し、上部支持体２が仮設支持部材２０から上方に変位する。その後、仮設支持部材２０を本装置内から引き出す。下部の下に広がる傾斜面１１，１３により中間支持体４が下部支持体３に支持され、上部の上に広がる傾斜面１０，１２により上部支持体２が中間支持体４と下部支持体３に支持され、上部荷重を上下免震装置１により完全に支持することができる。
【００３８】
(7) この後、必要により、上部支持体２と下部支持体３の間に上下方向減衰装置９を設置して、施工が完了する。
【００３９】
完成後の上下免震装置１に地震等による上下方向の力が加わると、上部建物Ａと基礎Ｂの隙間を狭める方向の上下方向の力が傾斜面１０と１２、１１と１３により変換され、この傾斜面の法線方向の力のうち水平方向の力により分割外側支持部材４ａが外側に向かって水平移動し、水平方向の締結部材６に引張力が作用し、締結部材６が水平方向の軸ばねとして機能する。以上により、上下の振動が水平方向の振動に変換され、軸ばねとしての締結部材６により振動数が低減される。上部建物Ａの重量に対して適切に締結部材６の剛性を設定することにより、上部建物Ａの上下振動数を目的の上下振動数に低減することができる。
【００４０】
第２実施形態のように横置きの積層ゴム１５を用いた場合には、免震ゴム自体がせん断変形するため、水平方向の締結部材６の軸ばねと直列のばね配置となり、上下の変形が生じやすいものとなり、上下振動数をより低減することが可能となる。ここで、積層ゴム１５の常時の軸力が許容値以内となるように傾斜面１０〜１３の傾きを設定する。
【００４１】
なお、本発明は、重量構造物に限定されることなく、締結部材の剛性を小さくすれば、軽量構造物や軽量機器などにも適用することができる。
【００４２】
また、以上は、上下に一対の上部支持体２と下部支持体３を用いた場合について説明したが、上部支持体２のみ、あるいは、下部支持体３のみ、設置しても、上下免震が可能である。上部支持体２のみの場合、外側支持部材４を下部構造Ｂ上に水平移動可能に設置し、下部支持体３のみの場合には、外側支持部材４を上部構造の下面に水平移動可能に取り付ければよい。
【００４３】
【発明の効果】
(1) 内側支持部材と複数の分割外側支持部材を締結部材で一体化して上部荷重を支持し、内側支持部材と外側支持部材の傾斜面で上下方向の力を水平方向の力に変換し、締結部材を水平方向の軸ばねとして用いるようにしたため、上部建物や機器等の上下免震において、大荷重を支持しながら、長周期のばねを形成することができると共に、維持管理装置を不要とすることができる。これにより、性能の優れた上下免震装置を安価に提供することができる。
【００４４】
(2) 締結部材を適宜選択することで上下振動数を任意に設定することができ、大重量の上下免震から軽量の上下免震まで容易に対応することができる。
【００４５】
(3) 内側支持部材と外側支持部材の間に免震ゴムを設ければ、締結部材の軸ばねと直列のばね配置となり、上下振動数をより低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の上下免震装置の第１実施形態を示す、(a) は鉛直断面図、(b) は平面図である。
【図２】本発明の上下免震装置の第２実施形態を示す、(a) は鉛直断面図、(b) は平面図である。
【図３】本発明の上下免震装置の施工途中の状態を示す、(a) は鉛直断面図、(b) は平面図である。
【符号の説明】
Ａ…上部建物（上部構造）
Ｂ…基礎（下部構造）
１……上下免震装置
２……上部支持体（内側支持部材）
３……下部支持体（内側支持部材）
４……中間支持体（外側支持部材）
４ａ…分割中間支持体
５……ローラー
６……締結部材
７……支持架台
８……水平免震用の積層ゴム支承
９……上下方向減衰装置
１０……傾斜面
１１……傾斜面
１２……傾斜面
１３……傾斜面
１４……止め具
１５……横置き積層ゴム
２０……仮設支持部材

Claims (4)

1. 上部構造と下部構造の間に設置される上下免震装置であり、上部構造または下部構造あるいは上部構造と下部構造に設けられる内側支持部材と、この内側支持部材の外周に周方向に複数に分割されて配設される外側支持部材と、これら複数に分割された隣り合う外側支持部材同士を締結して内側支持部材の外周に組み付ける締結部材を備え、内側支持部材の外側面と外側支持部材の内側面に、上下方向の力を水平方向の力に変換可能な傾斜面が形成されており、前記締結部材に張力を導入することにより、水平方向の力に対して該締結部材を軸ばねとして機能させていることを特徴とする上下免震装置。
2. 内側支持部材の外側面と外側支持部材の内側面との間に、上下方向に転動可能な転動体が配設されていることを特徴とする請求項１に記載の上下免震装置。
3. 内側支持部材の外側面と外側支持部材の内側面との間に、単層または複数層の積層ゴムが上下方向にせん断変形可能に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の上下免震装置。
4. 内側支持部材の外側面と外側支持部材の内側面との間に、すべり支承が上下方向に変形可能に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の上下免震装置。

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