JP4593552B2

JP4593552B2 - 上下免震装置

Info

Publication number: JP4593552B2
Application number: JP2006327284A
Authority: JP
Inventors: 元悦石井; 秀秋原田; 潤平井; 大助片山; 靖夫尾木
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Bridge and Steel Structures Engineering Co Ltd
Current assignee: MM Bridge Co Ltd
Priority date: 2006-12-04
Filing date: 2006-12-04
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2022-07-15
Also published as: JP2007071399A

Description

本発明は、建物の床（コンピュータルームの床等）や美術品を置くテーブル等の免震対象構造物、さらには建築物を地震の縦揺れから保護する上下免震装置に関する。

周知のように免震の原理は、免震対象構造物の振動固有周期を、免震装置によって地震波の振動周期よりも十分に長くする（長周期化する）ことにより、地震の揺れに対し構造物の揺れが追随しないようにするというものである。

ところで、上下免震を行う場合は、水平免震と違って、重力の影響を考慮した長周期化が必要である。言い換えると、免震対象構造物を全て支えた状態で長周期の揺れを実現する必要がある。

このため、バネ定数ｋの機械式バネを用いて支持した場合、まず、構造物の質量Ｍによってバネが変形し、質量と重力加速度との積と、バネの力とが釣り合った状態で静止する。この時の鉛直変形量δは下式で与えられる。なお、ｇは重力加速度（９８０ｃｍ／ｓ^２）である。

構造物が静止した状態から、さらに鉛直変形を与えて離すと、構造物は固有周期Ｔで自由振動する。この固有周期Ｔは、質量Ｍと、バネ定数ｋを用いて下式で与えられる。

また、上記の（１）式、（２）式から、固有周期Ｔは、鉛直変形量δと、重力加速度ｇとを用いて下式で表すこともできる。

すなわち、構造物は、目標とする固有周期Ｔが決まると、構造物の質量によってバネ定数は変わるが、構造物を支持したときの鉛直変形δが下式の関係を許容できるバネが必要になる。

例えば、上下振動の周期をＴ＝２．０秒にする場合、免震対象構造物を支えるだけでも、鉛直変位δ＝１００ｃｍだけ上下に変形し得るバネが必要になる。また、周期Ｔ＝１．０秒にする場合、δ＝２５ｃｍだけ上下に変形し得るバネが必要になる。この鉛直変位δを圧縮バネで実現しようとすると、バネの座屈が問題となり、また引張バネで実現しようとすると、設置スペースが問題となる。そのため、構造物や床を支える耐荷力の面から、実現されている例がほとんどないのが実情である。

こうした機械式バネに対し、空気バネは、耐荷力（空気圧で調整可能）とバネ定数（体積で調整可能）を独立に設定できるため、重量が１００ｔ未満の床を対象とした上下免震に適用されている。

図９は空気バネを用いた上下免震装置の例を示す。図において、免震対象構造物（床等）１と支持構造物２との間に、空気バネ３及びダンパ４が介在されており、免震対象構造物１は空気バネ３によってその荷重が支えられている。空気バネ３には、コンプレッサ５から空気配管６を介して空気が供給される。この上下免震装置では、空気バネ３の空気圧と支持面積により耐荷力が与えられ、エアタンク（図示略）を含めた空気充満部の体積によりバネ定数が与えられる。

ところで、空気バネを用いた上下免震装置は、バネ定数を小さくして長周期化するために、大容積のエアタンクを必要とする。このため、現実的には０．７から０．８秒程度の周期を実現するに留まっており、大きな免震効果が期待できない。また、コンプレッサ５、エアタンク、空気配管６などの空気圧システムを必要とすること、空気圧をモニタしながらコンプレッサの運転を行う必要があることなどから、機械式バネを用いる形式と比べて、設備コストやランニングコストがかかり、効果が少ない割にコストが嵩み、またコンプレッサ等のメンテナンスも大変であるという問題がある。また、柔らかい空気バネで免震対象構造物を支持するため、床免震に適用した場合、床面の歩行性が悪いという問題がある。

本発明は、上記事情を考慮し、機械式バネやゴム、空気バネ等の、弾性体のバネ定数によらないで、上下振動の長周期化を実現し得る、低コストで、実現容易な上下免震装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、免震対象構造物を、鉛直方向に弾性的復元力を発揮する鉛直免震部を介して、その下方の支持構造物で支持することにより、免震対象構造物の上下振動を軽減する上下免震装置において、免震対象構造物と支持構造物との間に、免震対象構造物の上下動に連動して円盤を回転させる運動変換機構を設け、前記円盤の回転慣性モーメントにより、見かけ上の質量を付加し、免震対象構造物の質量を増やしたり、鉛直免震部の弾性的復元力を小さくすることなく免震対象構造物の支持剛性を保持したまま振動固有周期を長周期化し、地震の揺れに対し免震対象構造物の揺れをより追随しないようにすることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１において、前記上下免震装置を備え支持剛性を保持できたことにより、振動固有周期を長周期化し、地震の揺れに対し免震対象構造物の揺れをより追随しないようにする鉛直免震部の不要時は免震機能をＯＦＦし、地震時の必要時のみ前記免震機能をＯＮするトリガ機構を必要としなくなることを特徴とする。

本発明では、上下振動に関与する見かけ上の質量を増加させることができるので、バネ定数を小さくするだけでは現実的に対応できなかったレベルの上下振動の固有周期の長期化が図れる。即ち、免震構造の上下振動固有周期Ｔは、それを支持する鉛直免震部の強さ（バネ定数：ｋ）と、上下振動に関与する質量（ｍ）の関数として、次式のように表される。

従来では、この式において、バネ定数ｋを小さくすることで、固有周期Ｔを大きくし、免震効果を得ていた。

本発明では、バネの強さに依存するのではなく、上下振動に関与する質量（ｍ）を増加させることで、上下振動固有周期Ｔを大きくし、免震効果を得るようにしている。この場合、付加される質量はバネに対する負荷（荷重）とはならないので、例えば、鉛直免震部としてコイルバネを用いた場合、コイルバネの座屈問題が生じ難くなる。や設置スペースの問題は生じないし、また、見かけの質量増加によって上下振動の長周期化を図るので、バネ定数ｋを大きくとる（硬いバネを使用する）ことができ、硬いバネの使用によって免震構造物が床である場合に、床面の歩行性が良好になる。バネとして、空気バネを用いた場合には、バネ定数ｋを大きくとることができるので、小さなエアタンクでもよくなるか、もしくは用いる必要がなくなる。

また、バネ定数ｋの小さな柔らかいバネを使用した場合は、そのままでは歩行困難であるために、不要時は免震機能をＯＦＦし、必要時のみ免震機能をＯＮするトリガ機構を設けることがあるが、硬いバネの使用により常時良好な歩行性が確保できるので、敢えてトリガ機構を設ける必要もなくなる。

請求項３の発明は、請求項１に記載の発明において、前記運動変換機構が、ボールネジ軸とボールネジナットの組合せよりなり、ボールネジ軸とボールネジナットのうちの一方が免震対象構造物側に設けられ、他方が前記円盤側に設けられ、免震対象構造物に対するボールネジナットの固定部、支持構造物に対するボールネジ軸の支持部に防振ゴムを介在させていることを特徴とする。

この装置では、円盤の回転慣性モーメントにより、上下振動に関与する慣性質量を増加させるので、例えば、円盤の質量や半径、あるいは、運動変換機構の運動変換率等を調整することにより、慣性質量の増減が簡単にできて、上下振動の周期を自由に調整することができる。また、構造が簡単であるから、設備コストやメンテナンスコストを低く抑えることができる。

この発明によれば、上下振動に関与する見かけ質量を増加させるようにしたので、バネ定数の大きな鉛直免震部を使用しながら、上下振動の長周期化を図ることができ、免震効果を高めることができる。また、バネ定数を大きくとることができるので、免震対象構造物が床である場合には、床面の歩行性が良好になる。

また、円盤の回転慣性モーメントにより、上下振動に関与する慣性質量を増加させるようにしたので、円盤の質量や半径、あるいは、運動変換機構の運動変換率等を調整することによって、慣性質量の増減が簡単にできて、上下振動の周期を自由に調整することができる。しかも、構造が簡単であるから、設備コストやメンテナンスコストを低く抑えることができる。

さらに、ボールネジ式運動変換機構を使用したことにより、上下運動を円盤の回転運動にスムーズに変換することができるので、良好な作動を保証することができる。また、ボールネジの使用により、ネジのリードを小さくすることができるので、見かけ上の質量増大効果を高くすることができ、例えば円盤の質量の数千倍の慣性質量を得ることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は第１実施形態の上下免震装置の原理構成を示す側面図である。図において、１は免震対象構造物（床等）、２はその下方の支持構造物（建物の梁等）である。この上下免震装置は、免震対象構造物１をコイルバネ（鉛直免震部）１３を介してその下方の支持構造物２で支持することにより、免震対象構造物１の上下振動を長周期化するというものである。なお、コイルバネは、復元力を有するものであればコイルバネ以外のもの、例えばゴムや空気バネを用いても良い。免震対象構造物１と支持構造物２との間には、さらに、免震対象構造物１の略上下動に連動することで、略上下振動に関与する慣性質量を増加させる質量付加機構２０が設けられている。

この質量付加機構２０は、所定の質量を有する円盤２１と、免震対象構造物１の略上下動に連動して円盤２１を回転させるボールネジ式の運動変換機構２２とから構成され、円盤２１の回転慣性モーメントにより、免震対象構造物１の略上下振動に関与する慣性質量を増加させるものである。

軸線を鉛直方向に向けて配置されたボールネジ式の運動変換機構２２は、ボールネジナット２３と、図示略のボールを介してボールネジナット２３に螺合するボールネジ軸２４との組合せよりなるもので、ボールネジナット２３が免震対象構造物１の下面に固定され、ボールネジ軸２４が円盤２１に固定された上で、支持構造物２上にベアリング２８により回転自在に保持されている。また、免震対象構造物１と支持構造物２との間には、免震対象構造物１の略上下動を適正に案内する上下動ガイド３０が設けられ、ボールネジナット２３とボールネジ軸２４とが適正に螺合することで、免震対象構造物１の略上下運動が円盤２１の回転運動にスムーズに変換されるようになっている。

次に作用を説明する。
このような上下免震装置を設けた振動系では、バネ１３の定数ｋと上下振動に関与する質量ｍで決まる固有の周期Ｔで、免震対象構造物１が上下振動することになる。即ち、免震構造の上下振動固有周期Ｔは、それを支持するバネ１３の強さ（バネ定数ｋ）と、上下振動に関与する質量ｍの関数として（４）式のように表される。

従来では、この式において、バネ定数ｋを小さくすることで固有周期Ｔを大きくしていたが、この実施形態の装置では、バネ１３の強さに依存するのではなく、上下振動に関与する質量ｍを増加させることで、上下振動固有周期Ｔを大きくするようにしている。

即ち、免震対象構造物１が略上下動すると、その運動がボールネジナット２３及びボールネジ軸２４を介して円盤２１の回転運動に変換される。そして、円盤２１の回転により回転慣性モーメントが発生し、この回転慣性モーメントにより、略上下振動に関与する慣性質量が増加することになり、その結果、免震対象構造物１の略上下振動の固有周期の長周期化が達成されて、上下免震効果が現れる。

円盤２１を設けたことによる効果を演算により求めると次のようになる。
まず、

であり、エネルギの式は、

となる。この式は次の式に書き直すことができ、

この式を固有振動数ωについて解くと、

となる。この式の中の

は円盤の等価質量を示す。また、下記に示す周期と角速度との一般式

と、（５）式、（６）式とから角速度ωを消去すると、

となり、上式と、（１）式とから下式が導かれる。

（３）式と比較すると判るように、上式の右辺第１項は、コイルバネ等の機械式バネによる免震対象構造物の上下振動の固有周期長期化に寄与する部分であり、残りの上式の右辺第２項が、円盤２１を設けたことによる免震対象構造物の上下振動の固有周期長期化に寄与する部分である。つまり、上式の右辺第２項が、円盤２１を設けたことによる効果を表す部分となる。

実際の効果を演算により検討してみると、例えば、円盤２１として、２５ｍｍ厚の鋼板を用いた場合を計算すると、円盤による質量効果は次表のようになる。
ただし、ここではボールネジ式の運動変換機構２２のリードを２０ｍｍとしてある。

このように、あまり大きな質量の円盤２１を使用しないでも、質量効果（質量増加率）は数千倍になる。なお、円盤２１の等価質量は、半径を大きくし、ボールネジのリードを小さくする（高速で回転する）ほど大きくなる。

また、摩擦係数が小さいボールネジ式の運動変換機構２２を使用したことにより、略上下運動が回転運動にスムーズに変換されるので、良好な作動が保証されることになる。また、ボールネジ式の運動変換機構２２の使用により、ネジのリードを小さくすることができる（小さな略上下動で高速回転させることができる）ので、前述したように、見かけ上の質量増大効果を高くすることができる。例えば、円盤の質量の数千倍の慣性質量を得ることができる。

また、上記のように回転慣性質量を利用することにより、バネ１３には追加の荷重がほとんどかからないので、バネ１３の定数を大きくとる（硬いバネを使用する）ことができ、硬いバネ１３の使用によって免震対象構造物１が床である場合に、床面の歩行性が良好になる。また、例えば、円盤２１の質量や半径、あるいは、運動変換機構２２の運動変換率（リードの大きさ）等を調整することにより、慣性質量の増減が簡単にできるので、略上下振動の周期を自由に調整することができる。

図２は第２実施形態の上下免震装置の原理構成を示す側面図である。この実施形態の装置では、免震対象構造物１及び支持構造物２に対するバネ１３の上下固定端、免震対象構造物１に対するボールネジナット２３の固定部、支持構造物１に対するボールネジ軸２４の支持部に防振ゴム３１を介在させている。それ以外は第１実施形態の同様の構成である。

このように防振ゴム３１を介在させた場合、防振ゴム３１の作用により、地震による振動よりも短い周期の微振動を吸収することができる。

図３は第３実施形態の上下免震装置の原理構成を示す側面図である。この実施形態の装置では、免震対象構造物１と支持構造物２の間に介在させた質量付加機構４０を、第１実施形態と同様に円盤４１とボールネジ式の運動変換機構４２とで構成しているものの、前記第１実施形態とは逆にボールネジナット４３を円盤４１と一体に設け、ボールネジ軸４４の上端を免震対象構造物１側に固定している。そしてボールネジ軸４４の下端と支持構造物１との間に、ボールネジ軸４４の上下変位を可能にする空間を確保し、その状態でボールネジ軸４４の下端を、安定して略上下動できるように上下動ガイド４８で支持している。また、円盤４１を、ボールネジ軸４３に追従して略上下動しないように、ベアリング４６で一定高さにて回転可能に支持している。また、免震対象構造物１と支持構造物２の間には、バネ１３と組合わせてダンパ（振動減衰機構）１４を介在させている。

この装置では、免震対象構造物１が略上下動するのに伴ってボールネジ軸４４が略上下方向にスライドし、その運動がボールネジナット４３で回転運動に変換されることで、円盤４１が回転して回転慣性モーメントが発生する。そして、回転慣性モーメントの発生により、略上下振動に関与する見かけ上の質量が増加し、略上下振動が長周期化する。その他の効果は第１実施形態と同様である。ただし、この装置では、減衰機構としてダンパ１４を設けているので、振動減衰効果も奏することができる。

なお、上記第１〜第３の各実施形態において、図４（ａ）に示すように、円盤２１、４１の回転にブレーキをかけるブレーキ機構３５を設けて、減衰性能を得るようにすることもできる。また、円盤２１、４１をブレーキでロックさせることにより、従来のトリガ機構と同じの役割を果たさせることもできる。また、円盤２１、４２の回転を減衰させるために、図４（ｂ）に示すように、粘性流体３６ａを用いた減衰機構３６を設けることもできる。この減衰機構３６では、円盤２１、４１に設けた下垂部材３６ｂが、粘性流体３６ａ中を動くことで減衰効果が得られる。

図５は第４実施形態の上下免震装置の原理構成を示す側面図である。この実施形態の装置では、免震対象構造物１と支持構造物２の間に、コイルバネ１３の代わりに、水平免震装置として一般的に使用されている積層ゴム（鉛直免震部、水平免震機能部材）１５を介在させたものである。質量付加機構４０については、第３実施形態と同様のものとし、下端部が支持構造物２上を略水平スライド可能にしてある。

この装置では、前述したように、見かけ上の質量の増加によりバネ定数を高くできることから、そのバネとして積層ゴム１５を使用している。積層ゴム１５は、微小ではあるが、略垂直方向にバネ作用を持っているので、質量付加機構４０と協同して上下免震機能を果たす。また、積層ゴム１５は水平免震機能を有するものであるから、結果的に３次元免震を行うことができる。

なお、積層ゴム１５の代わりに、安定板と、安定板より断面積の小さい複数の積層ゴムとを交互に複数段積層した、多段積層ゴムを用いても良い。多段積層ゴムは、積層ゴム１５よりも略鉛直方向の剛性が小さいため、積層ゴム１５よりも上下免震機能を発揮することができる。さらに、積層ゴム１５より略水平方向の剛性が小さいため、積層ゴム１５よりも水平免震機能を有するものである。

図６は第５実施形態の上下免震装置の原理構成を示す側面図である。この実施形態の装置では、支持構造物２を水平免震装置５０を介してベース構造物２Ｂで支持している。支持構造物２とベース構造物２Ｂとの間に介在された水平免震装置５０は、支持構造物２を略水平移動自在に支持する台車５１と、支持構造物２とベース構造物２Ｂとの間に略水平方向に伸縮方向を向けて介在されたバネ５２及びダンパ５３とからなる。この装置によれば、３次元免震機能を果たすことができる。

図７は第６実施形態の上下免震装置の原理構成を示す側面図である。この実施形態の装置では、質量付加機構６０を、ラック６３Ａ、６３Ｂとピニオン６４の組合せよりなる運動変換機構６２と、水平軸回りに回転する円盤６１とで構成している。この場合、ラック６３Ａ、６３Ｂは免震対象構造物１及び支持構造物２に取り付け、ピニオン６４は円盤６１に設けている。その他の構成は第１実施形態と同様である。

この装置では、免震対象構造物１が略上下動すると、それに伴ってラック６３Ａが略上下動し、その動きでラック６３Ａ、６３Ｂに挟まれたピニオン６４が回転して、円盤６１の回転により回転慣性モーメントが発生する。そして、略上下振動に関与する慣性質量の増加により、長周期化が達成される。この装置の場合、ラック６３Ａ、６３Ｂとピニオン６４の組合せで円盤６４を回転させるから、構造が簡単である。

図８は第７実施形態の上下免震装置の原理構成を示す側面図である。この実施形態の装置では、免震対象構造物１と支持構造物２との間に、荷重が支持構造物２により支持された質量付加機構７０を設けている。そして、その質量付加機構７０の中心的な構成要素として、回転する円盤ではなく、支持構造物１の上を略水平スライドする質量体７４を設け、免震対象構造物１の略上下動を複数のアーム７１、７２、７３を介して質量体７４の略水平方向のスライド動作に変換するようにしている。その他に免震対象構造物１と支持構造物２との間に、図１と同様にバネ（図示略）が設けられている。

この装置では、質量体７４の荷重は支持構造物２によって支持されており、バネにはかかっていない。また、免震対象構造物１が略上下動すると、質量体７４が略水平方向に運動することで、略上下振動の慣性質量として作用する。従って、コイルバネ等の機械式バネを用いながら、略上下振動の長周期化を実現することができる。

なお、第１〜第６実施形態を、建物の床の免震装置として適用する場合、質量付加機構２０、４０、６０は、床の梁下に設置するのがよい。また、第１実施形態において、上下動ガイド３０を設ける代わりに、ボールネジナット２３の免震対象構造物１への固定部分や、ボールネジ軸２４の支持構造物１による支持部分を、ある程度の揺動を許容するピン支持構造とすることもできる。また、円盤２１、４１、６１の回転による慣性モーメントを見かけ質量の付加に利用する場合には、円盤の形状を、外周縁のみを厚くした構成としてもよく、そうすることにより、円盤の重量の割に慣性力をより高めることができる。

本発明の第１実施形態の原理構成を示す側面図である。本発明の第２実施形態の原理構成を示す側面図である。本発明の第３実施形態の原理構成を示す側面図である。（ａ）は第１〜第３実施形態における円盤にブレーキ機構を付加した例を示す図、（ｂ）は粘性流体式の減衰機構を付加した例を示す図である。本発明の第４実施形態の原理構成を示す側面図である。本発明の第５実施形態の原理構成を示す側面図である。本発明の第６実施形態の原理構成を示す側面図である。本発明の第７実施形態の原理構成を示す側面図である。従来装置の原理構成を示す側面図である。

符号の説明

１免震対象構造物
２支持構造物
１３コイルバネ（鉛直免震部）
１４ダンパ（振動減衰機構）
１５積層ゴム（鉛直免震部、水平免震機能部材）
２０，４０，６０質量付加機構
２１，４１，６１円盤
２２，４２運動変換機構
２３，４３ボールネジナット
２４，４４ボールネジ軸
３０上下動ガイド
３１防振ゴム
３５ブレーキ機構
３６振動減衰機構
５０水平免震装置
６３Ａ，６３Ｂラック
６４ピニオン
７０質量付加機構
７４質量体

Claims

免震対象構造物を、鉛直方向に弾性的復元力を発揮する鉛直免震部を介して、その下方の支持構造物で支持することにより、免震対象構造物の上下振動を軽減する上下免震装置において、免震対象構造物と支持構造物との間に、免震対象構造物の上下動に連動して円盤を回転させる運動変換機構を設け、前記円盤の回転慣性モーメントにより、見かけ上の質量を付加し、免震対象構造物の質量を増やしたり、鉛直免震部の弾性的復元力を小さくすることなく、免震対象構造物の支持剛性を保持したまま振動固有周期を長周期化し、地震の揺れに対し免震対象構造物の揺れをより追随しないようにすることを特徴とする上下免震装置。
前記上下免震装置を備え支持剛性を保持できたことにより、鉛直免震部の不要時は、振動固有周期を長周期化し、地震の揺れに対し免震対象構造物の揺れをより追随しないようにする免震機能をＯＦＦし、地震時の必要時のみ前記免震機能をＯＮするトリガ機構を必要としなくなることを特徴とする請求項１に記載の上下免震装置。
前記運動変換機構が、ボールネジ軸とボールネジナットの組合せよりなり、ボールネジ軸とボールネジナットのうちの一方が免震対象構造物側に設けられ、他方が前記円盤側に設けられ、免震対象構造物に対するボールネジナットの固定部、支持構造物に対するボールネジ軸の支持部に防振ゴムを介在させ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。