JP4640665B2 - 浮体式上下免振方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、液槽とその内部の浮体とによって、構造物又は精密機器や装置に対する上下方向の振動を低減する浮体式上下免振方法に関するものである。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
構造物に対する地震の免震手段として、液槽内に浮かべた浮体を利用する方法がある。この免震方法では、水平方向の短周期振動成分に対しては、理想的な免震性能を有するが、地震や機械振動などに代表される上下方向成分に対しては、全く効果が発揮されないことが既に知られている。
【０００３】
この上下振動に対する課題の解決として、図１１（Ａ）に示すように、地盤１に固設された液槽２の液体３に、底部を気密の空気室５に凹設した浮体４を浮かべ、その浮体４内の空気の圧縮性を利用して、上下方向の振動に対するバネ効果により振動の低減を図ることが提案されている。しかし、このような構造では、実現に際して、次のような新たな課題が生ずる。
【０００４】
▲１▼ 浮体４内に広大なデツドスペ−スが生じる。
浮体４内の空気室５により十分な免振効果を発揮させるためには、相対的に大きな容積の空気室５が必要となる。このため浮体４の内部に利用できない空間（デッドスペース）が生じる。
【０００５】
▲２▼ 浮体４の安定性が低下する。
底部に空気室５を設けることで浮体４の重心が非常に高くなる。また浮体４の内部に液面が存在することにもなる。これらの要因はロール（Ｒｏｌｌ）運動に対する復元性能を著しく低下させることが広く知られている。つまり、偏荷重や移動荷重に対し浮体４が大きく傾くなど、安定性に重大な問題を抱える、ということである。
【０００６】
この安定性の低下については、図１１（Ｂ）に示すように、空気室５の内部を仕切り６により幾つかの空気室５ａ，５ｂ，５ｃに区画することで、ある程度抑えることが可能であるものの、全く空気室５のない浮体と同等の復元性能を得るためには、数多くの区画が必要となる。
【０００７】
(3) 空気室５の気密性が失われた際の危険性が高い。
何らかの理由で空気室５の気密性が失われると、浮体４は極めて危険な状況に置かれることになる。例えば図１１（Ｂ）に示す浮体４の場合、いずれかの空気室５ａ，５ｂ，５ｃの空気が漏れ出すと、その部分の空気室の機能が失われて、全般的に沈みがちとなり、周辺部分ではその部分が沈み込むことで傾きが生じ、最悪の場合には転覆などの事故につながる危険性も考えられる。
【０００８】
▲４▼ メンテナンスが煩雑となる。
空気室５は浮体４の底部に気密に設けられているため、メンテナンス作業が容易ではなく、場合によっては、浮体４を液槽２から引き上げる必要が生じる事態も起こりかねない。
【０００９】
この発明は、上記浮体による上下免振の課題を解決するために考えられたものであって、その目的は、空気の圧縮性によるバネ効果を利用して、上下方向に対する振動を低減させるものありながら、空気室のない浮体構造と同等の浮体の復原性能及び安定性が確保でき、また構造物の免震に制限されがちだった浮体による免振を、各種機器の運搬又は設置後の上下振動の免振にも広く応用することができる新たな浮体式上下免振方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的によるこの発明は、構造物又は精密機器や装置等の浮体を浮かべた液槽の側部に密閉空気室を設け、その密閉空気室と液槽とを下部に設けた開口により互いに連通し、その液槽から密閉空気室に流入した液体を空気圧により常時加圧して、液槽内の浮体設置部分に比べて液面が低い位置で液槽内と密閉空気室内の圧力の釣り合いを保ち、液槽側部の空気の圧縮性によるバネ効果により、上記浮体に対する上下方向の振動を低減してなる、というものである。
【００１１】
上記構成では、従来の浮体式免振手段が有する水平方向の免振・防振性能に加えて、上下方向の振動にも性能を発揮することが可能となる。特に上下方向の高周波数微振動に対し効果的であるため、構造物の免震以外にも、高周波数領域の振動を嫌う精密な各種機器や装置の運搬又は設置後の免振手段としても採用し得る。
【００１２】
また浮体の底部には空気室がないので、浮体の安定性が相対的に高くなり、万一、液槽側部の密閉空気室の空気が外部に漏れるようなことがあっても、浮体を支える液面が水平を保ち降下するため、浮体が傾斜することはない。すなわち、気密性が失われたときの安定性は、浮体内に空気室を設ける場合に比べて非常に高くなる。
【００１３】
さらに、空気圧の調整などのメンテナンス作業は、浮体内に空気室を設けた場合に比べてはるかに容易となり、液槽側部の密閉空気室の部分がデッドスペースとなるようなことがあっても、浮体とは隔離された外部となるため、形状や配置に対し柔軟な設計が可能となる。
【００１４】
しかも、液槽は地盤などへの固設以外にも、運搬又は設置する機器や装置の規模に合わせて密閉空気室と共に移動可能な大きさに構成でき、また不用後の撤去も、液体を抜いた後に解体するだけでよく、低コストで簡単に行えるので、撤去にかなりのコストを要するために、不用後も放置されることが多い機械的手段による免振装置のようなこともない。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図中１１は所要規模の液槽、１２は液槽１１に注入した液体（例えば水）１３に浮べた長方形断面の浮体で、図では省略したが、その浮体１２の上面や内部に任意の構造物又は各種機器や装置が設置される。
【００１６】
１４は上記液槽１１の両側に設けた所要高さの密閉した空気室で、下部に設けた開口により液槽１１の液体１３の一部が流出入するように、液槽内と互いに連通してあり、液槽１１から密閉空気室１４の内部に流入した液体１３ａは、密閉空気室内の空気の圧力により常に加圧されて、静止時は浮体設置部分に比べて液面が低い位置で釣り合いを保っている。
【００１７】
例えば、図２に示すように、液槽内と密閉空気室内の等しい高さの２点Ｐ，Ｑは等しい圧力になっており、このような状態において、そこに外部より上向きに外力（矢印）が加わると、液槽１１内の液体１３の圧力が慣性力の影響で増加するようになる。
この圧力増加は浮体１２が存在するＡ−Ａ’部位では瞬間的に発生するが、ある程度の容積を持つ密閉空気室１４のＢ−Ｂ’部位では、空気が十分な圧縮性を有することから、空気圧は瞬間的にほとんど増加しない。
【００１８】
また液槽側の上記点Ｐは、密閉空気室側の点Ｑに比べて液面から深い位置にあり、図３に示すように、結果的には圧力増加が点Ｑよりも大きくなる。それにより液槽１１の液体１３が空気密閉室１４に流出し、その液体の移動した分だけ浮体設置部分の液面が下がることとなる（元の液面位置に戻ろうとする。）
【００１９】
反対に外力（矢印）の向きが下向きの場合は、図４に示すように、液体の流れは液槽側に変わって、上記一連の挙動がすべて逆向きで起こり、さらに上下運動が連続する振動外力に対しては、上記Ａ−Ａ′部位と上記Ｂ−Ｂ′部位とで液面が互いに逆方向に上下運動することになる。
【００２０】
この場合、密閉空気室１４の容積は空気バネの柔らかさに相当し、大きな密閉空気室１４を設けるほど上下動の応答ピーク周波数は低くなる。また密閉空気室１４に付加する圧力（＝液面の高さの差）は、振動に伴う慣性力の大きさを決定するファクターであり、液面の上下運動の振幅を変化させる。
つまり、付加する空気の圧力を高くするほど（＝液面の高さの差があるほど）免振機能が向上する。
【００２１】
図５は、各部を図示のサイズ（ｍｍ）により構成し、液体として水を用い、密閉空気室１４の空気圧を０．０２８Ｋｇｆ／ｃｍ² に設定して、１Ｈｚ〜１３Ｈｚの正弦波振動を入力し、加振を開始してから、浮体１２の上下振動が十分周期的になった状態での変位の計測に使用した上下加振実験用の模型を示すものである。
【００２２】
図６は、上記実験模型による各周波数における応答倍率の実験値と計算値を示すもので、実験では加振周波数４．５Ｈｚで応答がピークとなっており、５Ｈｚ以上で上下免振効果が確認された。実験、計算ともに６Ｈｚ近辺で応答倍率が最小となり、周波数が高くなるに従いおよそ０．６に漸近する傾向がみられ、両者の値の一致は良好であった。
【００２３】
この実験値と計算値の比較では、ピーク周波数はおよそ４．５Ｈｚにおいて計算値が無限大の応答倍率を示しているが、これは本検討の計算において液体の粘度を考慮していないためにみられる現象で、実際には液体の粘度（摩擦などの減衰要因をも含む）が作用するため、実験値のようなピーク周波数においても有限の応答倍率を示すので、液体の粘度は減衰効果として作用し、そこに用いる液体の粘度が大きいほどピーク周波数での応答倍率は低くなるものと推察される。
【００２４】
また密度の大きな液体でも、ピーク周波数が低周波側に移行し、高周波数帯域での応答特性に変化はみられないが、模型実験から傾向として密度の大きい液体ほどピーク周波数が低くなるものの、高周波数帯域での免振性能には影響はないのも推察された。
したがって、模型実験からみると、この発明の免振手段では、そこに用いる液体の粘度、密度によっては、更に効率の良い免振効果が得られることもある。
【００２５】
図７は、実機を想定した計算の結果を示すもので、図中のＴｙｐｅＡは図６の実験模型の１０倍のスケールを想定しており、ＴｙｐｅＢはＴｙｐｅＡの密閉空気室１４の容積を半分にしたものである。つまり密閉空気室１４の高さはＴｙｐｅＡで４．４５ｍ、ＴｙｐｅＢでは２．２３ｍであり、深さや浮体１２のサイズなど他のスケールについても、上記実験模型の１０倍を想定したものである。
【００２６】
また実機の応答ピーク周波数は、ＴｙｐｅＡで０．６Ｈｚ、ＴｙｐｅＢで０．８Ｈｚ程度であり、密閉空気室１４の容積の小さいＴｙｐｅＢが若干高いピーク周波数となるものの、いずれも地震動の振動スペクトルが卓越する１Ｈｚ以上の周波数帯域より低くなっている。
【００２７】
１Ｈｚ以上の高周波数帯域では、ＴｙｐｅＡ、ＴｙｐｅＢともに応答倍率が１を下回っていることから、少なくともこの規模のものであれば、十分な上下免振効果が期待できることが明らかとなり、この結果、浮体の復元性能及び安定性の確保の下に、本来の水平方向の免振性と相俟って、浮体式における免振（免震）性能が一段と向上したものとなった。
【００２８】
図８は、この発明の方法を精密機器の免振装置に応用した場合を示すもので、上記液槽１１を両側の上記密閉空気室１４，１４と一緒に、精密機器１５を収容して運搬できるサイズに構成するとともに、浮体１２を函状に形成して、その内に精密機器１５を据え置き、その精密機器１５を浮体１２により液体１３に浮かべた構造からなる。
【００２９】
このような免振装置でも、液槽内から密閉空気室１４，１４に流入した液体１３ａは、空気の圧力により常に加圧されることになり、これにより上記浮体１２に対する上下方向の振動が、液槽側部の空気の圧縮性によるバネ効果により低減するので、設置後においても他からの振動が低減して、長期にわたり精密機器１５に対する十分な免振機能を発揮する。
【００３０】
図９は、建築物１６の免震床に応用した場合を示すもので、所要階を液槽１１に構成し、その両側を上記密閉空気室１４，１４に区画して、液槽１１に注入した液体１３に浮体１２を浮かべ、その浮体１２を免震床とした構造からなる。
このような免震床構造でも、密閉空気室１４，１４において液体１３ａが空気の圧力により常に加圧され、これにより上記浮体１２に対する上下方向の振動が、液槽側部の空気の圧縮性によるバネ効果により低減するので、建築物１６の所要階を他の階よりも免震構造として使用することができる。
【００３１】
図１０は、建築物全体の免震に応用した場合で、地盤１７に上記液槽１１を両側の上記密閉空気室１４，１４と共に固設し、その液槽１１に建築物１６を浮体１２として液体１３に浮かべた構造からなる。このような場合でも、密閉空気室１４，１４において液体１３ａが空気の圧力により常に加圧され、これにより上記建築物１６に対する上下方向の振動が、液槽側部の空気の圧縮性によるバネ効果により低減するので、建築物１６は浮体１２による水平方向の免震と相俟って上下振動に対しても免震となり、免震効果が一段と向上するようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明に係わる浮体式上下免振方法の概略を示す装置の略示縦断面図である。
【図２】 同上の上向き外力に対する液体の流れ方向を示す説明図である。
【図３】 図２におけるＡ−Ａ’部位（Ａ）とＢ−Ｂ’部位（Ｂ）の圧力状況説明図である。
【図４】 下向き外力に対する液体の流れ方向を示す説明図である。
【図５】 各部を実数と共に示す実験模型の縦断面図である。
【図６】 実験模型における上下加振に対する応答倍率の実験値と計算値とを示す図である。
【図７】 実験模型の１０倍のスケールを想定した実機における２タイプの応答倍率の実験値と計算値とを示す図である。
【図８】 精密機器などの免振装置に応用した場合の略示説明図である。
【図９】 建築物内の免震床構造に応用した場合の略示説明図である。
【図１０】 建築物全体の免震構造に応用した場合の略示説明図である。
【図１１】 従来の密閉空気室を有する浮体による浮体免震構造の（Ａ）（Ｂ）２タイプの略示縦断説明図である。
【符号の説明】
１１ 液槽
１２ 浮体
１３ 液槽内の液体
１３ａ 密閉空気室内の液体
１４ 密閉空気室
１５ 精密機器
１６ 建築物
１７ 地盤

Claims (1)

1. 構造物又は精密機器や装置等の浮体を浮かべた液槽の側部に密閉空気室を設け、その密閉空気室と液槽とを下部に設けた開口により互いに連通し、その液槽から密閉空気室に流入した液体を空気圧により常時加圧して、液槽内の浮体設置部分に比べて液面が低い位置で液槽内と密閉空気室内の圧力の釣り合いを保ち、液槽側部の空気の圧縮性によるバネ効果により、上記浮体に対する上下方向の振動を低減してなることを特徴とする浮体式上下免震方法。

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