JP4684384B2

JP4684384B2 - Compound seismic isolation system

Info

Publication number: JP4684384B2
Application number: JP2000107102A
Authority: JP
Inventors: 将大塚; 勇司舟山; 澄夫川口; 昌己持丸; 耕一増田; 隆史藤田
Original assignee: Oiles Corp; Okumura Corp
Current assignee: Oiles Corp; Okumura Corp
Priority date: 2000-04-07
Filing date: 2000-04-07
Publication date: 2011-05-18
Anticipated expiration: 2020-04-07
Also published as: JP2001288928A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複合免震機構に関し、特に、軽量構造物や塔状構造物に対しても倒壊を防止しながら高い免震性能を付加することができる複合免震機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近の建築・土木の構造物においては地震による災害を避けるために、構造物に免震装置を採用している。免震装置の基本は、図６（ａ）に概要を示すように下部構造物３１と上部構造物３２との間に免震装置３０を装備して上部構造物３２を支持している。そして、免震装置の採用は、地震等で下部構造物３１が水平方向に移動しても上部構造物３２を慣性力によって直ちに移動させずに、振動周期を長期化することで建物との共振状態を防ぎ、地震等の外部入力に対する構造物の応答加速度を減少させ、構造物に伝達するエネルギーを軽減させることにある。このために、構造物の振動周期を長期化する手段として積層ゴムを用いた免震装置が多く採用されている。
【０００３】
しかして、積層ゴムは水平変位と共に鉛直剛性が低下するために沈下量が増加する。このため、上部構造物３２の全荷重Ｐは積層ゴムを用いた免震装置３０で支持されていることから、図６（ｂ）の特性曲線が示すように過大な水平方向変位ｘが生じた場合には、図６（ｄ）のように座屈を起こすことになって免震装置３０の沈下量δが急激に増加し、同時に復元力Ｆも図６（ｃ）の特性曲線が示すように急激に低下して機能を損なうこととなる。又、軽量構造物の場合には固有周期を長く設定すると積層ゴムの必要径が小さくなり、結果的に座屈を起こして転倒し易くなるので、積層ゴムを用いた免震装置の適用が困難である。
【０００４】
特に、塔状構造物の場合には、図７に示すようにＡ点に配置した免震装置に引き抜き力が発生することから、地震で発生する水平方向の加速度を充分に低減する必要があり、高性能な免震装置が嘱望されることになる。
即ち、図示の建物３５の場合には、建物の重量と加えられる水平力とから、Ａ点で引抜き力が発生しないことを条件として、Ｂ点廻りでのモーメントのつり合いを考えると以下の式が成立する。

但し、ｍ建物の質量
α 建物に作用する水平方向の加速度
ｇ重力加速度
建物の幅ｂに対する高さｈの比（ｈ／ｂ）は、塔状比といわれているが、（２１）式においては塔状比の逆数が用いられていることになる。従って、上記の式は、塔状比が大きくなると（２１）式の右辺が小さくなることから、建物に作用する水平方向の加速度を小さな値にしなければＡ点において引抜き力が発生することを示している。
【０００５】
そこで、このような建物に対しても構造物の長周期化を図って高い免震性能を実現するために、金属ローラー支承と積層ゴムから成る免震装置を併用する方式が提案されている。この方式による免震機構４０は、図８に示すように積層ゴムから成る免震装置３０の一部を復元力のない金属ローラー支承４１に置き換えて上部構造物３２の荷重のみを支持させているので、免震機構４０の復元力が小さくなって構造物の長周期化が図られている。
【０００６】
しかし、この方式では、積層ゴムから成る免震装置３０と金属ローラー支承４１との鉛直剛性が、約５〜１０倍程度と極端に異なることから、上部構造物３２の鉛直荷重が金属ローラー支承４１に集中することになり、同時に、上部構造物３２の水平変位の増大に伴って免震装置の沈下量が増大しようとしても金属ローラー支承４１で規制されているので、免震装置３０の負担していた鉛直荷重が金属ローラー支承４１に漸増的に移行することから、金属ローラー支承４１に対する耐荷重性能の向上が必須になり、免震機構のコストアップを招来するという問題点を抱えている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上の状況に鑑みて免震機構における問題点の解消を図るものであり、構造物の荷重に対して弾性免震装置と水平可動支持装置との間で負担荷重の平衡を図り、所望の免震性能を確立しながら水平可動支持装置の荷重耐力を制限して免震機構のコスト低減を向上できる複合免震機構を提供している。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載された発明である複合免震機構は、下部構造物と上部構造物との間に、弾性免震装置と、積層して弾性体を備えるローラー支承からなる水平可動支持装置とを配置して構成する複合免震機構であって、上記弾性免震装置の支持可能な軸力の上限値（ _RB Ｎ _UC ）と上記水平可動支持装置の支持可能な軸力の上限値（ _SR Ｎ _UC ）及び地震時に想定される上記上部構造物の最大変位量（δmax）を関連付けて、ｍ個の該弾性免震装置とｎ個の該水平可動支持装置の鉛直剛性（ _RB Ｋ _V ， _SR Ｋ _V ）を相互に平衡する状態にするために、下記の式により、該弾性免震装置と該水平可動支持装置の鉛直剛性の比率（ _SR Ｋ _V ／ _RB Ｋ _V ）の範囲を設定することで、該弾性免震装置と該水平可動支持装置とが上記上部構造物の荷重を相互に平衡に分担支持することを特徴としており、地震時に水平可動支持装置が負担する上部構造物の荷重を、弾性免震装置と鉛直剛性を平衡させて相互に分担支持することで低減している。詳細には、水平可動支持装置の鉛直剛性を、弾性免震装置の鉛直剛性に基づいた特定をすることで両装置の鉛直剛性を相互に平衡させて、水平可動支持装置及び弾性免震装置への極端な負担を回避している。
【式２】

但し、Ｗ上部構造物の重量
_SRＫ_V 水平可動支持装置の総合鉛直剛性
_RBＫ_V 弾性性免震装置の鉛直剛性
ｍ弾性免震装置の個数
ｎ水平可動支持装置の個数
_SRＮ_UC 水平可動支持装置の支持可能な軸力の上限値
_RBＮ_UC 弾性免震装置の支持可能な軸力の上限値
α 弾性免震装置の鉛直剛性低下率
δmax 想定する上部構造物の最大変位量
【００１３】
請求項２に記載された発明である複合免震機構は、請求項１に記載された複合免震機構において、水平可動支持装置を構造物に配置される弾性免震装置の外側に配置することを特徴としており、上記機能に加えて、弾性免震装置を中心にして水平可動支持装置を配置している。
【００１４】
請求項３に記載された発明である複合免震機構は、請求項１に記載された複合免震機構において、水平可動支持装置を構造物に配置される弾性免震装置の内側に配置することを特徴としており、上記機能に加えて、水平可動支持装置を中心にして弾性免震装置を配置している。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明による複合免震機構は、下部構造物と上部構造物との間に、弾性免震装置と、積層して弾性体を備えるローラー支承からなる水平可動支持装置とを配置して構成する複合免震機構において、弾性免震装置の支持可能な軸力の上限値（ _RB Ｎ _UC ）と水平可動支持装置の支持可能な軸力の上限値（ _SR Ｎ _UC ）及び地震時に想定される上部構造物の最大変位量（δmax）を関連付けて、ｍ個の弾性免震装置とｎ個の水平可動支持装置の鉛直剛性（ _RB Ｋ _V ， _SR Ｋ _V ）を相互に平衡する状態にするために、下記の式（１８）により、弾性免震装置と水平可動支持装置の鉛直剛性の比率（ _SR Ｋ _V ／ _RB Ｋ _V ）の範囲を設定することで、弾性免震装置と水平可動支持装置とが上部構造物の荷重を相互に平衡に分担支持しており、これによって、地震時に水平可動支持装置が負担する上部構造物の荷重を、弾性免震装置と鉛直剛性を平衡させて相互に分担支持することで低減している。以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１６】
図１は、本発明による複合免震機構を構造物の下部に装備した状態を示す側面図である。
図において、１は弾性免震装置、２は水平可動支持装置であり、上部構造物３と下部構造物４との間に相互に平衡した状態で配備されている。
本実施の形態では、弾性免震装置１はゴムと鋼板とを交互に積層した弾性体５から構成されており、弾性体５と一体に取り付けられた下部板６は下部構造物４に固定され、上部板７は上部構造物３の躯体に結合されている。
そして、水平可動支持装置２は、図３において詳細に説明するが、下部の取付板８と弾性材取付板９とが、中間に配置した金属ローラー等によって互いに水平方向の移動が可能であり、さらに、水平可動支持装置２と上部構造物３の躯体との間には、所定の鉛直剛性を発揮する弾性材１０を介在させている。
このために、平常時における上部構造物３の荷重は、弾性免震装置１と水平可動支持装置２とがそれぞれの鉛直剛性に従って決められる割合の下に平衡を図りながら分担して支持している。
【００１７】
しかしながら、図２に示すように地震等が発生して構造物に揺れが生じて水平方向の移動が起こった場合には、上記の平衡状態に変化が発生する。
即ち、水平可動支持装置２は、下部の取付板８と弾性材取付板９とが相互に移動することで、水平方向の移動が起こっても移動位置に関係なくその高さは一定に維持されて軸力を分担支持している。
【００１８】
これに対して、弾性免震装置１は、上部構造物３の躯体と下部構造物４とに結合されているために、分担支持している軸力から部分的に開放される状態を形成して、弾性体５が水平方向に変形することから沈込みを生じることになる。そのため、水平可動支持装置２に応分の軸力が転化されて作用することになり、通常の免震装置では上部構造物を支持することが可能な軸力の上限値に達してしまう。
【００１９】
しかして、本発明による複合免震機構では、弾性免震装置１と水平可動支持装置２との鉛直剛性を相互に平衡させることで、地震時においても上部構造物３の荷重を相互に分担支持するように構成しており、この構成によって上記の状態を回避している。
【００２０】
図３は、上述の機能を達成するために、本発明による複合免震機構に用いる水平可動支持装置を示しており、図３（ａ）は、水平可動支持装置２の側面図であって、ローラー支承での実施の形態を示している。
図示のように、水平可動支持装置を構成しているローラー支承１５は、中間に移動盤１１を挟んだ２段のローラー１２、１３及び上述した弾性材１０から構成されている。下段のローラー１２は、下部の取付板８と中間に配置された移動盤１１との間に１個又は複数個設けられており、上段のローラー１３は、下段のローラー１２と直交した配置で移動盤１１と上部の弾性材取付板９との間に１個又は複数個設けられている。
【００２１】
各ローラー１２、１３は、部分矢視図３（ｂ）に見られるように各ローラーの端部をラックもしくはピニオン等の連結体１４によって転動するように構成されており、取付板８と弾性材取付板９及び移動盤１１の表面に張った転動材１６の表面を回転して転動材１６の端部に設けたストッパー１７の間を転動している。
これによって、弾性材取付板９は、取付板８に対して図３（ｃ）に示すように、ローラー１３（もしくは１２）が弾性材取付板９（もしくは取付板８）及び移動盤１１の各ストッパー１７、１７と当接するまで移動することが可能であるから、取付板１８と結合している上部構造物３は、高さを変えることなく地震等の揺れによる水平移動が可能になると同時に、移動限界域を規制されている。
【００２２】
ローラー支承１５は、弾性材取付板９にゴム製の弾性材１０を貼設している。弾性材１０には、その上面に結合した取付板１８を設けており、この取付板１８を上部構造物３の躯体に結合することによって、弾性免震装置１と鉛直剛性を相互に平衡させて上部構造物３の重量を支持している。尚、上記実施の形態では、弾性材としてゴムを例示して説明したが、弾性材は上記例示に何ら限定されるものでなく、弾性力を発揮するばね等の部材であっても弾性材として適宜採用することが可能である。
【００２３】
ローラー支承１５において、弾性材１０を除いたローラー等の部分も鉛直剛性Ｋ_Vrを有しているが、この鉛直剛性Ｋ_Vrは、弾性免震装置１を構成している弾性体５が発揮する鉛直剛性の約５〜１０倍程度の高い値である。
しかして、ローラー支承１５のように弾性材１０を設けると、弾性材１０を除いたローラー等と弾性材１０とが直列ばねを形成することになるので、総合された鉛直剛性_SRＫ_Vは、弾性材１０の鉛直剛性Ｋ_Vgと鉛直剛性Ｋ_Vrとを関係させた以下の式で求められる。
【００２４】
【式３】

【００２５】
従って、総合鉛直剛性_SRＫ_Vは、弾性材１０の形状や性質を適宜に定めることによって任意に設計することが容易であり、総合鉛直剛性の定め方によっては、弾性免震装置１とローラー支承１５とを同等の鉛直剛性に設定することが可能になる。これによって、水平可動支持装置の総合鉛直剛性を弾性免震装置の鉛直剛性に基づいた特定をすることで、両装置の鉛直剛性を相互に平衡させて水平可動支持装置への極端な負担を回避している。さらに、水平可動支持装置の総合鉛直剛性を、破壊することなく機能して上部構造物を支持できる範囲に限定することで、弾性免震装置１が弾性体５の変形で鉛直剛性の低下を生じた際も水平可動支持装置に発生する軸力を抑制して、上部構造物３を支持できる上限値に到達させることなく免震性能の低下を防止することが出来る。
【００２６】
次に、上部構造物３の荷重を分担支持するために、弾性免震装置１と水平可動支持装置２とが互いの鉛直剛性を相互に平衡させる構成について説明する。
図４（ａ）は、図１で説明した正常時において上部構造物３を支持する場合の軸力関係を示している。この状態では、上部構造物３の重量Wによって構造物が距離δ₀だけ沈下するものと仮定した場合に以下の関係式が成立する。従って、式（１）〜（３）から明らかなように、弾性免震装置１と水平可動支持装置２に作用する軸力は、それぞれの鉛直剛性に比例して定められ、荷重を支える平衡状態は互いの鉛直剛性に沿って分担が定まることを示している。
鉛直方向の力の釣り合いから、
[２×_SRＫ_V＋_RBＫ_V]×δ₀＝Ｗ（１）
弾性免震装置の軸力は、
_RBＮ₀＝_RBＫ_V×δ₀ （２）
水平可動支持装置の軸力は、
_SRＮ₀＝_SRＫ_V×δ₀ （３）
【００２７】
そして、本実施の形態の場合には、水平可動支持装置２を弾性免震装置１の両側に配置しているから、弾性免震装置１と水平可動支持装置２とは上部構造物３の荷重をそれぞれの鉛直剛性に従って平衡に分担支持させることができる。
仮に、弾性免震装置の鉛直剛性_RBＫ_Vに対して水平可動支持装置の総合鉛直剛性_SRＫ_Vを等しく設定すると、上部構造物３の荷重は免震機構全体で均等に分担支持することになる。
【００２８】
尚、本実施の形態の場合には、水平可動支持装置２を弾性免震装置１の両側に配置していることから弾性免震装置の個数を１とし、水平可動支持装置の個数を２として計算しているが、一般式として弾性免震装置の個数をｍにし水平可動支持装置の個数をｎにした場合には、それぞれの鉛直剛性を個数倍したものとしてその平衡状態を図る必要があることから、上記の各式も当然に個数を加味したものになる。
【００２９】
しかして、図２に示すように大規模な地震等が発生し、構造物に大きな揺れが生じて水平方向の移動が起こった場合には、上記の平衡状態に変化が発生する。図４（ｂ）は、図２で説明した地震時において上部構造物３の支持状態に変化が発生する場合の軸力関係を示している。
図４（ｂ）に示すように、上部構造物３が水平方向に大きく移動した場合にも、水平可動支持装置２は移動後の位置に関係なくその高さに変化が発生しない。しかしながら、弾性免震装置１は、下部構造物２と上部構造物３に固定されて移動を拘束されているために水平方向の変形を生じることになって、弾性免震装置１の鉛直剛性は水平変位量δ_hに比例して小さくなる。
【００３０】
その結果、水平変位量δ_hを生じた時の弾性免震装置１の鉛直剛性が低下することによって沈込みδ_gが発生しようとするが、水平可動支持装置２による拘束を受けるために、上部構造物の沈み込みはδ₁に止まる。しかし、弾性免震装置１は支持する軸力が抜けてしまうために、次式のように荷重の分担分を減少させることになる。
[２×_SRＫ_V＋_RBＫ_V（１−α×δ_h）]×（δ₀＋δ₁）＝Ｗ（４）
_RBＮ＝_RBＫ_V（１−α×δ_h）×（δ₀＋δ₁）（５）
但し、 α 弾性免震装置の鉛直剛性低下率
従って、上記軸力の減少分_RBＮは、両側の水平可動支持装置２が移動した位置で追加分担することになり、本実施の形態では次式で対処することになる。
_SRＮ＝_SRＫ_V×（δ₀＋δ₁）（６）
【００３１】
一方、弾性免震装置１に発生しようとする沈込み量δ_gと、水平可動支持装置２の拘束によって発生する沈込み量δ₁との差（δ_g−δ₁）をあまり許すと弾性体５に大きな引張力が生じて、弾性体５のゴムと鋼板との接着面に剥離状態を生じさせることになる。そのために、沈込み（δ_g−δ₁）を所定値に抑えるように制御する必要があることから、上部構造物３の水平移動量をローラー支承１５に設けた各ストッパー１７、１７によって限定している。これによって、ローラー１３（もしくは１２）は弾性材取付板９（もしくは取付板８）及び移動盤１１の各ストッパー１７、１７と当接するまで移動することが可能であるが、それ以上には移動しないことで弾性体５のゴムと鋼板との接着面に剥離を生じさせないようにして、弾性免震装置１が免震性能の低下をしないように対処している。
【００３２】
即ち、両方の変化する軸力は同じであるから、上記式（３）、（６）から水平可動支持装置２の増加軸力と弾性免震装置１の減少軸力とは、
Δ_SRＮ＝_SRＫ_V×δ₁ （７）
となり、水平変位に伴う沈込み量δ₁は式（１）、（４）から、式（８）のように表される。
【００３３】
【式４】

（８）
【００３４】
式（７）、（８）からは、水平可動支持装置２の鉛直剛性が高いときと、弾性免震装置１の鉛直剛性低下率が大きいときに、水平可動支持装置２の軸力の増加が大きくなることが判る。
ここで、鉛直剛性について水平可動支持装置２と弾性免震装置１との関係を（９）式のように定めて、
_SRＫ_V＝β×_RBＫ_V （９）
想定する最大変位量（δ_max）における水平可動支持装置２の軸力は、式（４）（６）から式（１０）のように求まる。
【００３５】
【式５】

（１０）
【００３６】
水平可動支持装置２が正常に作動して、その機能を発揮するためには支持可能な軸力の上限値（_SRＮ_uc）以下である必要がある。従って、上記（１０）式から求まる軸力は、次のように設定する必要があり、（１０）式のβは、（１１）式のように定められる。
【００３７】
【式６】

【００３９】
【式７】

（１１）
【００４０】
一般に、弾性免震装置１の鉛直剛性低下率αは、弾性体５の径によって定まり、弾性体５の径は支持荷重によって定まるために容易に変更することができないが、水平可動支持装置２の鉛直剛性については、その一部を構成する弾性材１０の剛性を調整することで、水平可動支持装置２全体の鉛直剛性を設計することが可能になる。
【００４１】
そこで、最大変位量（δ_max）と水平可動支持装置の支持可能な軸力の上限値（_SRＮ_uc）とを想定し、弾性免震装置との鉛直剛性に関する比率βを式（１１）で算出した値以下に設計することで、地震による水平移動が発生した際にも水平可動支持装置が破壊することなく正常に作動して所望の免震性能を確保することが可能になる。
【００４２】
以上のように、上述の説明では、弾性免震装置と水平可動支持装置とが負担する軸力の平衡状態を図るため、先ず、地震による水平移動が発生した際に、水平可動支持装置が負担する軸力によって破壊あるいは故障しないで正常に作動できるように、水平可動支持装置と弾性免震装置との鉛直剛性に関する比率βの上限値を求めた。
【００４３】
次に、地震の際に水平移動した状態においても水平可動支持装置と弾性免震装置の鉛直剛性が平衡状態にあることを仮定して、通常時に弾性免震装置が負担する軸力によって破壊あるいは故障しないで、正常に作動できるように、水平可動支持装置と弾性免震装置との鉛直剛性に関する比率βの下限値を求める。
即ち、地震時において、弾性免震装置との鉛直剛性が水平変位量に比例して鉛直剛性低下率α分だけ小さくなることから、これを考慮した上で、想定される最大変位量（δ_max）が生じた際に、水平可動支持装置と弾性免震装置とが鉛直剛性の平衡を図れるように水平可動支持装置の鉛直剛性を設定すると共に、常時において、水平可動支持装置と弾性免震装置の軸力がいずれか一方に極端に集中するのを避けるために、鉛直剛性の比率を設定する。
【００４４】
想定する最大変位量（δ_max）が発生する状態において、弾性免震装置と水平可動支持装置とが鉛直剛性の平衡を図るために、一般的には、式（１２）を仮定できる。
_SRＫ_V＝_RBＫ_V（１−α×δ_max）（１２）
【００４５】
そして、通常の状態で各装置に作用する軸力は、下記の式（１３）、（１４）で表されるが、作用する軸力は鉛直剛性に比例することから、鉛直剛性の大きい弾性免震装置の軸力が大きくなっている。
弾性免震装置の軸力は、
_RBＮ₀＝_RBＫ_V×δ₀ （１３）
水平可動支持装置の軸力は、
_SRＮ₀＝_SRＫ_V×δ₀ （１４）
従って、鉛直方向の力のつり合いから式（１５）が成立する。
[２×_SRＫ_V＋_RBＫ_V]×δ₀＝Ｗ（１５）
式（１２）、（１３）及び（１５）を本実施の形態に展開して、通常の状態について検討すると、鉛直剛性が比較的大きい値を示す弾性免震装置の軸力は式（１６）で表される。
【００４６】
【式８】

（１６）
【００４７】
一方、弾性免震装置が上部構造物を安定的に支持するためには、上記の式（１６）で算出される軸力が、支持可能な軸力の上限値（_RBＮ_uc）以下でなければならないことから、以下の条件を満たす必要がある。
【００４８】
【式９】

【００５０】
【式１０】

（１７）
【００５１】
上述のように、弾性免震装置１の鉛直剛性低下率αは、容易に変更することができないが、水平可動支持装置２の鉛直剛性については、その一部を構成する弾性材１０の剛性を調整することで、水平可動支持装置２全体の鉛直剛性を設計することが可能である。このことから、最大変位量（δ_max）と弾性免震装置１の支持可能な軸力の上限値（_RBＮ_uc）とを想定し、水平可動支持装置２と弾性免震装置１との鉛直剛性に関する比率（１−α×δ_max）を式（１７）で算出した値以上に設計することで、地震による水平移動が発生した際には支持力の平衡を保ち、通常時においても弾性免震装置を破壊することなく正常に作動させて所望の免震性能を確保することが可能になる。
【００５２】
以上の説明から明らかなように、本発明による複合免震機構は、下部構造物４と上部構造物３との間に弾性免震装置１と弾性材１０を積層して備える水平可動支持装置２とを配置して構成する複合免震機構において、弾性免震装置の支持可能な軸力の上限値（_RBＮ_uc）と水平可動支持装置の支持可能な軸力の上限値（_SRＮ_uc）及び上部構造物の地震時における最大変位量（δ_max）とを次式のように関連付けて、下部構造物と上部構造物との間に配置されたｍ個の弾性免震装置とｎ個の水平可動支持装置との鉛直剛性を相互に平衡する状態にさせるために、水平可動支持装置と弾性免震装置との鉛直剛性の比率を式（１８）の範囲で設計している。
【００５３】
【式１１】

（１８）
【００５４】
但し、Ｗ上部構造物の重量
_SRＫ_V 水平可動支持装置の総合鉛直剛性
_RBＫ_V 弾性免震装置の鉛直剛性
ｍ弾性免震装置の個数
ｎ水平可動支持装置の個数
_SRＮ_uc 水平可動支持装置の支持可能な軸力の上限値
_RBＮ_uc 弾性免震装置の支持可能な軸力の上限値
α 弾性免震装置の鉛直剛性低下率
δ_max想定する上部構造物の最大変位量
【００５５】
これによって、弾性免震装置と水平可動支持装置とから構成する複合免震装置は、鉛直剛性を相互に平衡させることでそれぞれが分担している支持軸力の変化を減少させ、弾性免震装置の支持可能な軸力の上限値（_RBＮ_uc）と水平可動支持装置の支持可能な軸力の上限値（_SRＮ_uc）以下に設計することで、通常時及び地震時に水平可動支持装置と弾性免震装置とを破壊させることなく正常に作動させて、複合免震装置に所望の免震性能を確保している。
【００５６】
図５は、本発明による複合免震機構の他の実施形態を示す側面図である。
図において、上述した実施の形態と同様の装置等には同じ符号を付して説明しており、本実施の形態では、図１で説明した実施の形態と反対に、弾性免震装置１が水平可動支持装置２の両側に配置されている。
本実施の形態の場合には、上記の式（１８）における弾性免震装置１の個数ｍを２とし、水平可動支持装置２の個数ｎを１にすることによって算出される総合鉛直剛性_SRＫ_Vを水平可動支持装置２に設定することで、弾性免震装置１と水平可動支持装置２とは上部構造物３の荷重をそれぞれの鉛直剛性に従って平衡に分担支持することになる。同時に、通常時及び地震時にも水平可動支持装置と弾性免震装置は破壊することなく正常に作動して、複合免震装置に所望の免震性能を確保することを可能にしている。
【００５７】
以上のように、本発明による複合免震機構は、弾性免震装置と水平可動支持装置との配置関係を選択することによっても設計の自由度を拡大できるものであり、基本的にも、弾性免震装置と水平可動支持装置との各鉛直剛性の設定、特に、水平可動支持装置の弾性材を形状の選択や性質を特定することで、地震時に水平可動支持装置が負担する構造物の荷重を弾性免震装置と鉛直剛性を平衡させて相互に分担支持させることで低減しており、免震装置を過大にすることをなくして水平可動支持装置のコスト削減を図れるものである。
【００５８】
以上、本発明を実施の形態に基づいて詳細に説明してきたが、本発明による複合免震機構は、上記実施の形態に何ら限定されるものでなく、弾性免震装置やローラー支承からなる水平可動支持装置及び水平可動支持装置に備える弾性体等の具体的な構成もしくは弾性材の種類に関して、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは当然のことである。
【００５９】
【発明の効果】
請求項１に記載された発明の複合免震機構は、下部構造物と上部構造物との間に、弾性免震装置と、積層して弾性体を備えるローラー支承からなる水平可動支持装置とを配置して構成する複合免震機構であって、上記弾性免震装置の支持可能な軸力の上限値（ _RB Ｎ _UC ）と上記水平可動支持装置の支持可能な軸力の上限値（ _SR Ｎ _UC ）及び地震時に想定される上記上部構造物の最大変位量（δmax）を関連付けて、ｍ個の該弾性免震装置とｎ個の該水平可動支持装置の鉛直剛性（ _RB Ｋ _V ， _SR Ｋ _V ）を相互に平衡する状態にするために、下記の式により、該弾性免震装置と該水平可動支持装置の鉛直剛性の比率（ _SR Ｋ _V ／ _RB Ｋ _V ）の範囲を設定することで、該弾性免震装置と該水平可動支持装置とが上記上部構造物の荷重を相互に平衡に分担支持することを特徴としているので、地震時に水平可動支持装置が負担する上部構造物の荷重を弾性免震装置と鉛直剛性を平衡させて相互に分担支持させることで低減して、免震装置を過大にすることなく水平可動支持装置のコストを低減する効果を奏している。そして特に、水平可動支持装置の鉛直剛性を、弾性免震装置の鉛直剛性に基づいた特定をすることで両装置の鉛直剛性を相互に平衡させて、通常時及び地震時に水平可動支持装置と弾性免震装置とを共に破壊することなく正常に作動させて、複合免震装置に所望の免震性能を確保する効果を奏している。
【式１２】

但し、Ｗ上部構造物の重量
_SRＫ_V 水平可動支持装置の総合鉛直剛性
_RBＫ_V 弾性性免震装置の鉛直剛性
ｍ弾性免震装置の個数
ｎ水平可動支持装置の個数
_SRＮ_UC 水平可動支持装置の支持可能な軸力の上限値
_RBＮ_UC 弾性免震装置の支持可能な軸力の上限値
α 弾性免震装置の鉛直剛性低下率
δmax 想定する上部構造物の最大変位量
【００６４】
請求項２，３に記載された発明の複合免震機構は、請求項１に記載された複合免震機構において、水平可動支持装置を構造物に配置される弾性免震装置の外側もしくは内側に配置されることを特徴としているので、上記効果に加えて、弾性免震装置もしくは水平可動支持装置を中心にして平衡化の効率向上を図る効果を奏している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による複合免震装置を配置した構造物の概要図
【図２】本発明による複合免震装置を配置した構造物が地震等による水平力を受けた場合の概要図
【図３】本発明による水平可動支持装置の側面図（ａ）、矢視図（ｂ）及び水平移動図（ｃ）
【図４】本発明による複合免震装置を配置した構造物の軸力関連図であり、静止状態図（ａ）、水平移動図（ｂ）
【図５】本発明による複合免震装置の他の配置状態を示す実施の形態図
【図６】従来の免震装置を示す配置図（ａ）、水平変位と沈下量（ｂ）、復元量（ｃ）及び座屈図（ｄ）
【図７】塔状建物における回転モーメント図
【図８】従来の免震装置と補完用の金属ローラー支承から成る免震機構図
【符号の説明】
１弾性免震装置、２水平可動支持装置、３上部構造物、
４下部構造物、５弾性体、６下部版、７上部版、
８下部取付板、９弾性材取付板、１０弾性材、１１移動盤、
１２，１３上、下段のローラー、１４連結体、１５ローラー支承、
１６転動材、１７ストッパー、１８取付板、
３０免震装置、３１下部構造物、３２上部構造物、３５建物、
４０免震機構、４１金属ローラー支承、[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a composite seismic isolation mechanism, and more particularly to a composite seismic isolation mechanism that can add high seismic isolation performance to a lightweight structure or tower structure while preventing collapse.
[0002]
[Prior art]
In recent construction and civil engineering structures, seismic isolation devices are adopted in the structures in order to avoid disasters caused by earthquakes. As shown in FIG. 6A, the basic seismic isolation device is equipped with a seismic isolation device 30 between the lower structure 31 and the upper structure 32 to support the upper structure 32. The seismic isolation device is used to resonate with the building by prolonging the vibration cycle without immediately moving the upper structure 32 by inertia force even if the lower structure 31 moves in the horizontal direction due to an earthquake or the like. The purpose is to prevent the state, reduce the response acceleration of the structure to an external input such as an earthquake, and reduce the energy transmitted to the structure. For this reason, many seismic isolation devices using laminated rubber are employed as means for prolonging the vibration period of the structure.
[0003]
Therefore, since the vertical rigidity of the laminated rubber decreases with horizontal displacement, the amount of settlement increases. For this reason, since the total load P of the upper structure 32 is supported by the seismic isolation device 30 using laminated rubber, an excessive horizontal displacement x occurs as shown by the characteristic curve in FIG. In this case, buckling occurs as shown in FIG. 6 (d), the subsidence amount δ of the seismic isolation device 30 increases rapidly, and the restoring force F also shows the characteristic curve of FIG. 6 (c). It will drop rapidly and impair the function. Also, in the case of lightweight structures, if the natural period is set longer, the required diameter of the laminated rubber will be reduced, and as a result, it will be buckled and fall over easily, making it difficult to apply seismic isolation devices using laminated rubber. It is.
[0004]
In particular, in the case of a tower-like structure, a pulling force is generated in the seismic isolation device arranged at point A as shown in FIG. 7, so it is necessary to sufficiently reduce the horizontal acceleration generated by the earthquake. Therefore, a high-performance seismic isolation device will be envied.
That is, in the case of the building 35 shown in the drawing, the following equation is obtained when considering the balance of moments around the point B from the weight of the building and the applied horizontal force on the condition that no pulling force is generated at the point A: To establish.

Where m is the mass of the building
α Horizontal acceleration acting on the building
g Gravitational acceleration
The ratio (h / b) of the height h to the width b of the building is called the tower ratio, but the reciprocal of the tower ratio is used in the equation (21). Therefore, the above formula shows that the pulling force is generated at point A unless the horizontal acceleration acting on the building is reduced to a small value because the right side of equation (21) becomes smaller when the tower ratio increases. ing.
[0005]
Therefore, in order to realize a high seismic isolation performance by increasing the period of the structure even in such a building, a method using both a metal roller support and a seismic isolation device made of laminated rubber has been proposed. As shown in FIG. 8, the seismic isolation mechanism 40 by this system replaces a part of the seismic isolation device 30 made of laminated rubber with a metal roller support 41 having no restoring force, and supports only the load of the upper structure 32. Therefore, the restoring force of the seismic isolation mechanism 40 is reduced, and the structure has a longer period.
[0006]
However, in this system, the vertical rigidity of the seismic isolation device 30 made of laminated rubber and the metal roller support 41 is extremely different from about 5 to 10 times, so that the vertical load of the upper structure 32 is the metal roller support 41. At the same time, even if the amount of subsidence of the seismic isolation device increases as the horizontal displacement of the upper structure 32 increases, the seismic isolation device 30 is burdened by the metal roller support 41. Since the vertical load that has been transferred to the metal roller support 41 gradually increases, it is essential to improve the load bearing performance of the metal roller support 41, which causes a problem of increasing the cost of the seismic isolation mechanism.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In view of the above situation, the present invention is intended to solve the problems in the seismic isolation mechanism, and to balance the load between the elastic seismic isolation device and the horizontal movable support device against the load of the structure. The present invention provides a composite seismic isolation mechanism that can improve the cost reduction of the seismic isolation mechanism by limiting the load bearing capacity of the horizontal movable support device while establishing desired seismic isolation performance.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The composite seismic isolation mechanism according to claim 1 is an elastic seismic isolation device between a lower structure and an upper structure, and a horizontal movable support device comprising a roller bearing having a laminated elastic body. Is a compound seismic isolation mechanism configured by arrangingUpper limit of axial force that can be supported by the elastic seismic isolation device ( _RB N _UC ) And the upper limit of the axial force that can be supported by the horizontal movable support device ( _SR N _UC ) And the maximum displacement (δmax) of the superstructure assumed at the time of the earthquake, the m seismic isolation devices and the n horizontal movable support devicesVertical rigidity( _RB K _V , _SR K _V )Mutually balancedIn order to obtain a state to achieve, the ratio of the vertical stiffness between the elastic seismic isolation device and the horizontal movable support device ( _SR K _V / _RB K _V ) Range,The elastic seismic isolation device and the horizontal movable support device share and support the load of the upper structure in equilibrium with each other, and the load of the upper structure borne by the horizontal movable support device during an earthquake is elastic. It is reduced by balancing the seismic isolation device and the vertical rigidity to support each other.Specifically, by specifying the vertical stiffness of the horizontal movable support device based on the vertical stiffness of the elastic seismic isolation device, the vertical stiffness of both devices is balanced with each other, to the horizontal movable support device and the elastic seismic isolation device. Avoid the extreme burden of.
[Formula 2]

W Weight of superstructure
      _SRK_V  Total vertical stiffness of horizontal movable support device
      _RBK_V  Vertical stiffness of elastic seismic isolation devices
      m Number of elastic seismic isolation devices
      n Number of horizontal movable support devices
      _SRN_UC  Upper limit of axial force that can be supported by horizontal movable support device
      _RBN_UC  Upper limit of axial force that can be supported by elastic seismic isolation devices
      α Vertical stiffness reduction rate of elastic seismic isolation device
      δmax Expected maximum displacement of superstructure
[0013]
  Claim 2The compound seismic isolation mechanism that wasClaim 1In the combined seismic isolation mechanism, the horizontal movable support device is placed outside the elastic seismic isolation device arranged in the structure.It is characterized by placing,In addition to the above functions, a horizontal movable support device is arranged around an elastic seismic isolation device.
[0014]
  Claim 3The compound seismic isolation mechanism that wasClaim 1In the combined seismic isolation system, the horizontal movable support device is placed inside the elastic seismic isolation device arranged in the structure.It is characterized by placing,In addition to the above functions, an elastic seismic isolation device is arranged around the horizontal movable support device.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  The composite seismic isolation mechanism according to the present invention is a composite in which an elastic seismic isolation device and a horizontal movable support device including a roller bearing provided with an elastic body are disposed between a lower structure and an upper structure. In the seismic isolation mechanism,Upper limit of axial force that can be supported by the elastic seismic isolation device ( _RB N _UC ) And the upper limit of the axial force that can be supported by the horizontal movable support device ( _SR N _UC ) And the maximum displacement (δmax) of the superstructure assumed at the time of the earthquake, and m elastic seismic isolation devices and n horizontal movable support devicesVertical rigidity( _RB K _V , _SR K _V )Mutually balancedIn order to obtain a state to achieve, the ratio of the vertical stiffness between the elastic seismic isolation device and the horizontal movable support device ( _SR K _V / _RB K _V ) Range,The elastic seismic isolation device and the horizontal movable support device share and support the load of the upper structure in equilibrium with each other, so that the load on the upper structure borne by the horizontal movable support device during an earthquake can be It is reduced by balancing and supporting the vertical rigidity. Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0016]
FIG. 1 is a side view showing a state in which a composite seismic isolation mechanism according to the present invention is installed in the lower part of a structure.
In the figure, reference numeral 1 denotes an elastic seismic isolation device, and 2 a horizontal movable support device, which are arranged between the upper structure 3 and the lower structure 4 in a balanced state.
In the present embodiment, the elastic seismic isolation device 1 is composed of an elastic body 5 in which rubber and steel plates are alternately laminated, and a lower plate 6 attached integrally with the elastic body 5 is fixed to the lower structure 4. The upper plate 7 is coupled to the housing of the upper structure 3.
The horizontal movable support device 2 will be described in detail in FIG. 3, but the lower mounting plate 8 and the elastic material mounting plate 9 can move in the horizontal direction with each other by a metal roller or the like disposed in the middle. Further, an elastic material 10 exhibiting a predetermined vertical rigidity is interposed between the horizontal movable support device 2 and the casing of the upper structure 3.
For this reason, the load of the upper structure 3 in normal times is shared and supported by the elastic seismic isolation device 1 and the horizontal movable support device 2 in a balanced manner under a ratio determined according to the respective vertical rigidity. .
[0017]
However, as shown in FIG. 2, when an earthquake or the like occurs and the structure is shaken to move in the horizontal direction, a change occurs in the equilibrium state.
That is, in the horizontal movable support device 2, the lower mounting plate 8 and the elastic material mounting plate 9 move relative to each other, so that the height is kept constant regardless of the moving position even if the horizontal movement occurs. To support the sharing of axial force.
[0018]
On the other hand, since the elastic seismic isolation device 1 is coupled to the housing of the upper structure 3 and the lower structure 4, it forms a state in which it is partially released from the axial force it supports. Thus, the elastic body 5 is deformed in the horizontal direction, and sinking occurs. Therefore, the corresponding axial force is converted and acts on the horizontal movable support device 2, and the upper limit value of the axial force capable of supporting the upper structure is reached in a normal seismic isolation device.
[0019]
Thus, in the composite seismic isolation mechanism according to the present invention, the vertical rigidity of the elastic seismic isolation device 1 and the horizontal movable support device 2 are balanced with each other so that the load of the upper structure 3 is shared and supported even during an earthquake. The above-described state is avoided by this configuration.
[0020]
FIG. 3 shows a horizontal movable support device used in the composite seismic isolation mechanism according to the present invention in order to achieve the above-described function, and FIG. An embodiment with a roller bearing is shown.
As shown in the figure, the roller support 15 constituting the horizontal movable support device is composed of two stages of

rollers

12 and 13 sandwiching the moving plate 11 in the middle and the elastic material 10 described above. One or a plurality of lower rollers 12 are provided between the lower mounting plate 8 and a moving plate 11 disposed in the middle, and the upper rollers 13 move in an arrangement orthogonal to the lower rollers 12. One or a plurality of plates are provided between the board 11 and the upper elastic material mounting plate 9.
[0021]
Each

roller

12, 13 is configured to roll the end of each roller by a connecting body 14 such as a rack or a pinion as seen in the partial arrow view FIG. 3B, and elastic with the mounting plate 8. The surface of the rolling material 16 stretched on the surfaces of the material mounting plate 9 and the movable platen 11 is rotated to roll between the stoppers 17 provided at the ends of the rolling material 16.
As a result, the elastic material mounting plate 9 is attached to each of the elastic material mounting plate 9 (or mounting plate 8) and the movable platen 11 with respect to the mounting plate 8 as shown in FIG. Since it is possible to move until it comes into contact with the

stoppers

17, 17, the upper structure 3 coupled to the mounting plate 18 can be horizontally moved by shaking such as an earthquake without changing the height, The movement limit area is regulated.
[0022]
The roller support 15 has an elastic material 10 made of rubber attached to the elastic material mounting plate 9. The elastic member 10 is provided with a mounting plate 18 coupled to the upper surface thereof, and by coupling the mounting plate 18 to the housing of the upper structure 3, the elastic seismic isolation device 1 and the vertical rigidity are balanced with each other. The weight of the superstructure 3 is supported. The above implementationIn the embodiment, rubber has been described as an example of the elastic material. However, the elastic material is not limited to the above-described examples.Even a member such as a spring that exhibits can be appropriately employed as an elastic material.
[0023]
In the roller bearing 15, the vertical rigidity K is also applied to the roller and other parts excluding the elastic material 10._VrThis vertical rigidity K_VrIs a high value of about 5 to 10 times the vertical rigidity exhibited by the elastic body 5 constituting the elastic seismic isolation device 1.
Thus, when the elastic member 10 is provided like the roller support 15, the roller and the elastic member 10 excluding the elastic member 10 and the elastic member 10 form a series spring._SRK_VIs the vertical stiffness K of the elastic material 10_VgAnd vertical rigidity K_VrIs obtained by the following equation.
[0024]
[Formula 3]

[0025]
  Therefore, overall vertical rigidity_SRK_VCan be arbitrarily designed by appropriately determining the shape and properties of the elastic member 10, and depending on how to determine the overall vertical stiffness, the elastic seismic isolation device 1 and the roller bearing 15 can have the same vertical stiffness. It becomes possible to set. As a result, the overall vertical stiffness of the horizontal movable support device is specified based on the vertical stiffness of the elastic seismic isolation device, thereby balancing the vertical stiffness of both devices and avoiding the extreme burden on the horizontal movable support device. is doing. In addition, the overall vertical rigidity of the horizontal movable support device functions without destroying the superstructure.Supportable rangeThe upper limit value that can support the upper structure 3 by suppressing the axial force generated in the horizontal movable support device even when the elastic seismic isolation device 1 causes the deformation of the elastic body 5 to reduce the vertical rigidity. It is possible to prevent the seismic isolation performance from deteriorating without reaching.
[0026]
Next, a configuration in which the elastic seismic isolation device 1 and the horizontal movable support device 2 balance each other's vertical rigidity in order to share and support the load of the upper structure 3 will be described.
FIG. 4A shows the axial force relationship when the upper structure 3 is supported in the normal state described with reference to FIG. In this state, the structure is moved by the distance δ by the weight W of the upper structure 3.₀The following relational expression holds when it is assumed that only the sinking occurs. Therefore, as is clear from the equations (1) to (3), the axial forces acting on the elastic seismic isolation device 1 and the horizontal movable support device 2 are determined in proportion to their respective vertical stiffnesses, and are in an equilibrium state that supports the load. Indicates that sharing is determined along the vertical rigidity of each other.
From the balance of vertical force,
[2x_SRK_V+_RBK_V] × δ₀= W (1)
The axial force of the elastic seismic isolation device is
_RBN₀=_RBK_V× δ₀            (2)
The axial force of the horizontal movable support device is
_SRN₀=_SRK_V× δ₀            (3)
[0027]
And in the case of this Embodiment, since the horizontal movable support apparatus 2 is arrange | positioned on the both sides of the elastic seismic isolation apparatus 1, the elastic seismic isolation apparatus 1 and the horizontal movable support apparatus 2 are loads of the upper structure 3. Can be shared and supported in equilibrium according to their respective vertical stiffnesses.
For example, the vertical rigidity of the elastic seismic isolation device_RBK_VTotal vertical stiffness of horizontal movable support device_SRK_VIs set equally, the load of the upper structure 3 is equally shared and supported by the entire seismic isolation mechanism.
[0028]
In the case of this embodiment, since the horizontal movable support devices 2 are arranged on both sides of the elastic seismic isolation device 1, the number of elastic seismic isolation devices is 1, and the number of horizontal movable support devices is 2. Although it is calculated, when the number of elastic seismic isolation devices is m and the number of horizontal movable support devices is n as a general formula, it is necessary to achieve the equilibrium state by multiplying each vertical stiffness by a number. For this reason, each of the above formulas naturally takes into account the number.
[0029]
Therefore, when a large-scale earthquake or the like occurs as shown in FIG. 2 and the structure is shaken greatly to move in the horizontal direction, the equilibrium state changes. FIG. 4B shows the axial force relationship when a change occurs in the support state of the upper structure 3 during the earthquake described with reference to FIG.
As shown in FIG. 4B, even when the upper structure 3 moves greatly in the horizontal direction, the height of the horizontal movable support device 2 does not change regardless of the moved position. However, since the elastic seismic isolation device 1 is fixed to the lower structure 2 and the upper structure 3 and is restrained from moving, the elastic seismic isolation device 1 is deformed in the horizontal direction. Horizontal displacement δ_hBecomes smaller in proportion to
[0030]
As a result, the horizontal displacement δ_hWhen the vertical rigidity of the elastic seismic isolation device 1 is reduced,_gHowever, due to the restraint by the horizontal movable support device 2, the subsidence of the superstructure is δ.₁Stop on. However, since the elastic seismic isolation device 1 loses the supporting axial force, the load share is reduced as in the following equation.
[2x_SRK_V+_RBK_V(1-α × δ_h)] × (δ₀+ Δ₁) = W (4)
_RBN =_RBK_V(1-α × δ_h) X (δ₀+ Δ₁(5)
However, the rate of decrease in vertical stiffness of the α elastic seismic isolation device
Therefore, the reduction of the axial force_RBN will be additionally shared at the position where the horizontal movable support devices 2 on both sides have moved, and will be dealt with by the following equation in this embodiment.
_SRN =_SRK_V× (δ₀+ Δ₁(6)
[0031]
On the other hand, the subsidence amount δ to be generated in the elastic seismic isolation device 1_gAnd the subsidence amount δ generated by the restraint of the horizontal movable support device 2₁And the difference (δ_g−δ₁If too much is allowed, a large tensile force is generated in the elastic body 5 and a peeling state is generated on the adhesive surface between the rubber of the elastic body 5 and the steel plate. For this purpose, subsidence (δ_g−δ₁Therefore, the horizontal movement amount of the upper structure 3 is limited by the

stoppers

17 and 17 provided on the roller support 15. Accordingly, the roller 13 (or 12) can move until it comes into contact with the elastic material mounting plate 9 (or mounting plate 8) and the

stoppers

17 and 17 of the movable platen 11, but does not move any further. Thus, the elastic seismic isolation device 1 is dealt with so as not to cause the seismic isolation performance to deteriorate, so that the adhesive surface between the rubber and the steel plate of the elastic body 5 is not peeled off.
[0032]
That is, since both changing axial forces are the same, from the above formulas (3) and (6), the increasing axial force of the horizontal movable support device 2 and the decreasing axial force of the elastic seismic isolation device 1 are
Δ_SRN =_SRK_V× δ₁ (7)
The amount of subsidence δ due to horizontal displacement₁Is expressed as in equation (8) from equations (1) and (4).
[0033]
[Formula 4]

(8)
[0034]
From the equations (7) and (8), when the vertical rigidity of the horizontal movable support device 2 is high and when the vertical rigidity reduction rate of the elastic seismic isolation device 1 is large, the axial force of the horizontal movable support device 2 increases. It turns out that it grows.
Here, regarding the vertical rigidity, the relationship between the horizontal movable support device 2 and the elastic seismic isolation device 1 is determined as shown in Equation (9),
_SRK_V= Β ×_RBK_V (9)
Expected maximum displacement (δ_maxThe axial force of the horizontal movable support device 2 in () is obtained from the equations (4), (6) to (10).
[0035]
[Formula 5]

(10)
[0036]
In order for the horizontal movable support device 2 to operate normally and perform its function, the upper limit value of the axial force that can be supported (_SRN_uc) Must be: Therefore, the axial force obtained from the above equation (10) needs to be set as follows, and β in the equation (10) is determined as the following equation (11).
[0037]
[Formula 6]

[0039]
[Formula 7]

(11)
[0040]
In general, the vertical stiffness reduction rate α of the elastic seismic isolation device 1 is determined by the diameter of the elastic body 5 and cannot be easily changed because the diameter of the elastic body 5 is determined by the support load. Regarding the vertical rigidity, the vertical rigidity of the entire horizontal movable support device 2 can be designed by adjusting the rigidity of the elastic member 10 constituting a part thereof.
[0041]
Therefore, the maximum displacement (δ_max) And the upper limit of the axial force that can be supported by the horizontal movable support device (_SRN_uc) And the ratio β related to the vertical stiffness with the elastic seismic isolation device is designed to be equal to or less than the value calculated by Equation (11), so that the horizontal movable support device breaks even when horizontal movement occurs due to an earthquake. It is possible to operate normally without securing the desired seismic isolation performance.
[0042]
As described above, in the above description, in order to achieve an equilibrium state of the axial force borne by the elastic seismic isolation device and the horizontal movable support device, the horizontal movable support device bears a burden when horizontal movement occurs due to an earthquake. The upper limit value of the ratio β related to the vertical stiffness between the horizontal movable support device and the elastic seismic isolation device was determined so that it can operate normally without being broken or broken by the axial force.
[0043]
Next, assuming that the vertical rigidity of the horizontal movable support device and the elastic seismic isolation device is in an equilibrium state even in the state of horizontal movement in the event of an earthquake, A lower limit value of the ratio β relating to the vertical rigidity between the horizontal movable support device and the elastic seismic isolation device is determined so that the device can operate normally without failure.
In other words, in the event of an earthquake, the vertical stiffness with the elastic seismic isolation device is reduced by the vertical stiffness reduction rate α in proportion to the horizontal displacement._max), The vertical stiffness of the horizontal movable support device is set so that the horizontal movable support device and the elastic seismic isolation device can balance the vertical stiffness, and the horizontal movable support device and the elastic seismic isolation device are always used. The vertical stiffness ratio is set in order to avoid excessive concentration of the axial force on either side.
[0044]
Expected maximum displacement (δ_maxIn general, equation (12) can be assumed to balance the vertical stiffness between the elastic seismic isolation device and the horizontal movable support device.
_SRK_V=_RBK_V(1-α × δ_max(12)
[0045]
The axial force acting on each device in a normal state is expressed by the following formulas (13) and (14). Since the acting axial force is proportional to the vertical stiffness, the elastic force with a large vertical stiffness is obtained. The axial force of the seismic device is increasing.
The axial force of the elastic seismic isolation device is
_RBN₀=_RBK_V× δ₀ (13)
The axial force of the horizontal movable support device is
_SRN₀=_SRK_V× δ₀ (14)
Therefore, Expression (15) is established from the balance of forces in the vertical direction.
[2x_SRK_V+_RBK_V] × δ₀= W (15)
When formulas (12), (13), and (15) are developed in the present embodiment and the normal state is examined, the axial force of the elastic seismic isolation device showing a relatively large value of the vertical stiffness is expressed by formula (16). It is represented by
[0046]
[Formula 8]

(16)
[0047]
On the other hand, in order for the elastic seismic isolation device to stably support the superstructure, the axial force calculated by the above equation (16) is the upper limit value of the axial force that can be supported (_RBN_uc) Since it must be the following, the following conditions must be satisfied.
[0048]
[Formula 9]

[0050]
[Formula 10]

(17)
[0051]
As described above, although the vertical rigidity reduction rate α of the elastic seismic isolation device 1 cannot be easily changed, the vertical rigidity of the horizontal movable support device 2 is the rigidity of the elastic member 10 constituting a part thereof. By adjusting, it is possible to design the vertical rigidity of the entire horizontal movable support device 2. From this, the maximum displacement (δ_max) And the upper limit of the axial force that the elastic seismic isolation device 1 can support (_RBN_uc) And the ratio (1-α × δ) regarding the vertical stiffness between the horizontal movable support device 2 and the elastic seismic isolation device 1_max) Is designed to be equal to or greater than the value calculated by Equation (17), maintaining the balance of the supporting force when horizontal movement occurs due to an earthquake, and operating normally without destroying the elastic seismic isolation device. This makes it possible to ensure the desired seismic isolation performance.
[0052]
As is apparent from the above description, the composite seismic isolation mechanism according to the present invention includes the horizontal movable support device 2 including the elastic seismic isolation device 1 and the elastic material 10 stacked between the lower structure 4 and the upper structure 3. The upper limit of the axial force that can be supported by the elastic seismic isolation device (_RBN_uc) And the upper limit of the axial force that can be supported by the horizontal movable support device (_SRN_uc) And the maximum displacement (δ_max) With the following equation, and the vertical stiffnesses of the m elastic seismic isolation devices and the n horizontal movable support devices arranged between the lower structure and the upper structure are balanced with each other Therefore, the ratio of the vertical stiffness between the horizontal movable support device and the elastic seismic isolation device is designed within the range of the formula (18).
[0053]
[Formula 11]

(18)
[0054]
W Weight of superstructure
_SRK_V Total vertical stiffness of horizontal movable support device
_RBK_V Vertical stiffness of elastic seismic isolation devices
m Number of elastic seismic isolation devices
n Number of horizontal movable support devices
_SRN_uc  Upper limit of axial force that can be supported by horizontal movable support device
_RBN_uc  Upper limit of axial force that can be supported by elastic seismic isolation devices
α Vertical stiffness reduction rate of elastic seismic isolation device
δ_maxAssumed maximum displacement of superstructure
[0055]
As a result, the composite seismic isolation device composed of the elastic seismic isolation device and the horizontal movable support device reduces the change in the supporting axial force shared by each by balancing the vertical rigidity with each other, and the elastic seismic isolation device Upper limit of axial force that can be supported (_RBN_uc) And the upper limit of the axial force that can be supported by the horizontal movable support device (_SRN_uc) By designing as follows, the horizontal movable support device and the elastic seismic isolation device are operated normally without breaking during normal times and earthquakes, and the desired seismic isolation performance is ensured for the composite seismic isolation device.
[0056]
FIG. 5 is a side view showing another embodiment of the composite seismic isolation mechanism according to the present invention.
In the figure, the same reference numerals are given to the same devices as those in the above-described embodiment, and in this embodiment, the elastic seismic isolation device 1 is opposite to the embodiment described in FIG. It is arranged on both sides of the horizontal movable support device 2.
In the case of the present embodiment, the total vertical stiffness calculated by setting the number m of the elastic seismic isolation devices 1 in the above equation (18) to 2 and the number n of the horizontal movable support devices 2 to 1._SRK_VIs set to the horizontal movable support device 2, the elastic seismic isolation device 1 and the horizontal movable support device 2 share and support the load of the upper structure 3 in equilibrium according to the respective vertical rigidity. At the same time, the horizontal movable support device and the elastic seismic isolation device operate normally without being broken during normal times and earthquakes, and it is possible to ensure the desired seismic isolation performance for the composite seismic isolation device.
[0057]
As described above, the composite seismic isolation mechanism according to the present invention can expand the degree of design freedom by selecting the arrangement relationship between the elastic seismic isolation device and the horizontal movable support device. By setting the vertical rigidity of the seismic isolation device and the horizontal movable support device, especially by selecting the shape and specifying the properties of the elastic material of the horizontal movable support device, the load of the structure that the horizontal movable support device bears during an earthquake Can be reduced by balancing and supporting the elastic seismic isolation device and the vertical rigidity, thereby eliminating the need for an excessive seismic isolation device and reducing the cost of the horizontal movable support device.
[0058]
  As described above, the present invention has been described in detail on the basis of the embodiment. However, the composite seismic isolation mechanism according to the present invention is not limited to the above-described embodiment in any way.Consisting of roller bearingsIt goes without saying that various changes can be made without departing from the spirit of the present invention regarding the specific configuration of the horizontal movable support device and the elastic body provided in the horizontal movable support device or the type of elastic material.
[0059]
【The invention's effect】
  According to a first aspect of the present invention, there is provided a composite seismic isolation mechanism comprising: an elastic seismic isolation device and a horizontal movable support device comprising a roller bearing having an elastic body stacked between a lower structure and an upper structure. A composite seismic isolation mechanism that is arranged and configured,Upper limit of axial force that can be supported by the elastic seismic isolation device ( _RB N _UC ) And the upper limit of the axial force that can be supported by the horizontal movable support device ( _SR N _UC ) And the maximum displacement (δmax) of the superstructure assumed at the time of the earthquake, the m seismic isolation devices and the n horizontal movable support devicesVertical rigidity( _RB K _V , _SR K _V )Mutually balancedIn order to obtain a state to achieve, the ratio of the vertical stiffness between the elastic seismic isolation device and the horizontal movable support device ( _SR K _V / _RB K _V ) Range,Since the elastic seismic isolation device and the horizontal movable support device share and support the load of the upper structure in equilibrium with each other, the load on the upper structure borne by the horizontal movable support device during an earthquake is elastic This is achieved by balancing the seismic isolation device and the vertical rigidity so as to share and support each other, thereby reducing the cost of the horizontal movable support device without making the seismic isolation device excessive.In particular, the vertical stiffness of the horizontal movable support device is specified based on the vertical stiffness of the elastic seismic isolation device so that the vertical stiffness of both devices is balanced with each other, so that It operates normally without destroying both the seismic isolation devices, and has the effect of ensuring the desired seismic isolation performance for the composite seismic isolation device.
[Formula 12]

W Weight of superstructure
      _SRK_V  Total vertical stiffness of horizontal movable support device
      _RBK_V  Vertical stiffness of elastic seismic isolation devices
      m Number of elastic seismic isolation devices
      n Number of horizontal movable support devices
      _SRN_UC  Upper limit of axial force that can be supported by horizontal movable support device
      _RBN_UC  Upper limit of axial force that can be supported by elastic seismic isolation devices
      α Vertical stiffness reduction rate of elastic seismic isolation device
      δmax Expected maximum displacement of superstructure
[0064]
  Claims 2 and 3The composite seismic isolation mechanism of the inventionClaim 1In the combined seismic isolation system, the horizontal movable support device is placed outside or inside the elastic seismic isolation device arranged in the structure.Since it is characterized by being placed,In addition to the above effects, the effect of improving the efficiency of equilibration is achieved centering on the elastic seismic isolation device or the horizontal movable support device.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of a structure in which a composite seismic isolation device according to the present invention is arranged.
FIG. 2 is a schematic diagram when a structure provided with a composite seismic isolation device according to the present invention receives horizontal force due to an earthquake or the like.
FIG. 3 is a side view (a), an arrow view (b), and a horizontal movement view (c) of a horizontal movable support device according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram related to the axial force of a structure in which a composite seismic isolation device according to the present invention is arranged, a stationary state diagram (a), a horizontal movement diagram (b)
FIG. 5 is an embodiment showing another arrangement state of the composite seismic isolation device according to the present invention.
FIG. 6 is a layout diagram showing a conventional seismic isolation device (a), horizontal displacement and subsidence amount (b), restoration amount (c), and buckling diagram (d).
[Figure 7] Rotational moment diagram in tower building
[Fig. 8] Seismic isolation mechanism consisting of a conventional seismic isolation device and a complementary metal roller bearing
[Explanation of symbols]
1 elastic seismic isolation device, 2 horizontal movable support device, 3 superstructure,
4 Lower structure, 5 Elastic body, 6 Lower plate, 7 Upper plate,
8 Lower mounting plate, 9 Elastic material mounting plate, 10 Elastic material, 11 Moving plate,
12, 13 Upper and lower rollers, 14 linkages, 15 roller bearings,
16 rolling material, 17 stopper, 18 mounting plate,
30 Seismic isolation device, 31 Substructure, 32 Superstructure, 35 Building,
40 Seismic isolation mechanism, 41 Metal roller bearing,

Claims

Between the lower structure and the upper structure, a composite seismic isolation mechanism constructed by arranging an elastic vibration isolating apparatus, and a horizontal movable supporting device consisting of a roller bearing comprising a stack to the elastic body, the elastic The upper limit value of the axial force that can be supported by the seismic isolation device ( _RB N _UC ), the upper limit value of the axial force that can be supported by the horizontal movable support device ( _SR N _UC ), and the maximum displacement of the upper structure that is assumed in the event of an earthquake in association with an amount (delta] max), the vertical stiffness _{_{_{_{(RB K V, SR K V}}}} ) of the m of the elastic isolator n number of the horizontal movable support device to the state of equilibrium each other, the following By setting the range of the ratio of the vertical rigidity ( _SR K _V / _RB K _V ) of the elastic seismic isolation device and the horizontal movable support device , the elastic seismic isolation device and the horizontal movable support device are A composite seismic isolation mechanism characterized by supporting the load of the superstructure in a balanced manner.
[Formula 1]

W Weight of superstructure
_SR K _V Total vertical stiffness of horizontal movable support device
_RB K _V Vertical stiffness of elastic seismic isolation device m Number of elastic seismic isolation devices n Number of horizontal movable support devices
_SR N _UC Upper limit of axial force that can be supported by horizontal movable support device
_RB N _UC Upper limit of axial force that can be supported by elastic seismic isolation device α Vertical stiffness reduction rate of elastic seismic isolation device δmax Maximum displacement of assumed superstructure

The composite seismic isolation mechanism according to claim 1, wherein the horizontal movable support device is disposed outside an elastic seismic isolation device disposed in the structure.

The composite seismic isolation mechanism according to claim 1, wherein the horizontal movable support device is disposed inside an elastic seismic isolation device disposed in the structure.