JP4771154B2

JP4771154B2 - 浮体式免震構造

Info

Publication number: JP4771154B2
Application number: JP2006138665A
Authority: JP
Inventors: 雅伸長谷部; 巧大山
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2006-05-18
Filing date: 2006-05-18
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2026-05-18
Also published as: JP2007308958A

Description

本発明は、液体に挿入した浮体に構造物を支持させて、該構造物に免震性能を付与する浮体式免震構造に関する。

従来、例えば図５に示すように、地盤Ｇを掘削して構築された免震ピット１に液体２が貯留され、この液体２に構造物Ｔを挿入し、地震などが発生した時の構造物Ｔと地盤Ｇとの水平挙動を同期させないように両者を免震装置３で連結した浮体式免震構造Ａがある。この浮体式免震構造Ａでは、液体２や免震装置３によって構造物Ｔの固有周期を例えば地震動の卓越周期帯域から長周期側にずらすことができ、これにより、応答加速度を小さくして地震に対する構造物Ｔの揺れを抑えることができる。

一方で、地震動によって引き起こされる免震ピット１内の液体２の液面変動は、主要動の終了後もしばらく継続することがあり、この液体２の残存運動によって構造物Ｔが動揺し続ける可能性もある。また、実際の地震動は、加速度が小さいものの、変位の大きい長周期成分を含む場合があり、このように長周期成分を含む地震動が作用した場合には、免震ピット１内の液体２に対する共振現象によって、スロッシングのような過大な液面変動が生じるおそれもある。

これに対して、この種の浮体式免震構造Ａには、例えばスポンジ状の部材や隙間のある石積み構造の部材、格子状に形成された部材、孔の開いた平板などの流体減衰体４を、構造物Ｔの側壁Ｔ１と免震ピット１の側壁１ａに挟まれる位置に設置して、液面変動を抑制し、構造体Ｔに対する減衰効果を付与するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。すなわち、地震時に引き起こされる液面変動は、構造物Ｔの側壁Ｔ１と免震ピット１の側壁１ａの間において鉛直流体運動を伴うことになるが、流体減衰体４を備えた場合には、この鉛直流体運動する液体２に対し抵抗力が負荷され、運動エネルギーの減衰が生じる。これにより、構造物Ｔの残存動揺や、免震ピット１内に貯留された液体２のスロッシング現象を抑制することができる。
特開２００５−６１５９８号公報

一方で、液体２を貯留する免震ピット１を構築せず、例えば港湾や湖沼などの既存の水（液体２）を利用して立地する構造物Ｔに上記の浮体式免震構造Ａを適用した場合、例えば護岸形状が上記の免震ピット１の側壁１ａのように垂直に形成されず、凹凸が存在したり、傾斜していたりするため、流体減衰体４を免震ピット１の側壁１ａに設ける場合のように好適に施工することが困難になる。この対策として、例えば図６に示すように、護岸形状や海底地形などの影響を回避するように、液体２に挿入した構造物Ｔの下端（下面）Ｔ２に流体減衰体４を設置することも考えられるが、このようにした場合には、流体減衰体４を設置する際に上向き状態での施工を強いられ、また、供用後に流体減衰体４の交換や修復などのメンテナンスが困難になるという問題が生じる。

本発明は、例えば港湾や湖沼などの既存の液体を利用して立地する構造物に対しても、好適に免震性能を付与することが可能な浮体式免震構造を提供することを目的とする。

上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。

本発明の浮体式免震構造は、液体に挿入された浮体と、該浮体の上面から上方に延びた支持部材と、該支持部材によって前記液体の液面よりも上方に支持されていて構造物が上載される基盤と、前記浮体と地盤とを、互いの水平挙動を同期させないように連結する免震装置とを備えた浮体式免震構造において、前記浮体と前記基盤の間に、前記浮体及び地盤の水平挙動に応じて発生する前記液体の運動エネルギーを、該液体を内部に流通させつつ減衰させる流体減衰体が設けられていることを特徴とする。

また、本発明の浮体式免震構造においては、前記流体減衰体が、前記浮体の上面に取り付けられるとともに、前記浮体が静止した状態で前記液体内に配されていることが望ましい。

本発明の浮体式免震構造によれば、流体減衰体が浮体と基盤の間に設けられていることによって、すなわち、浮体の上方に流体減衰体を設置することによって、液体に挿入した構造物の下面に流体減衰体を設置する浮体式免震構造と比較して、同等の液体の運動エネルギー減衰性能を確保しつつ流体減衰体を容易に設置することができる。また、流体減衰体の交換や修復などのメンテナンスを容易に行なうことができる。これにより、施工性及び維持管理性を向上させることができる。

また、本発明の浮体式免震構造においては、流体減衰体が、浮体の上面に取り付けられるとともに、浮体が静止した状態で液体内に配されていることによって、例えば水面（液面）が潮位変動などの自然現象で上下に変動した場合においても、確実に液体の運動エネルギーを減衰させることが可能になる。

以下、図１を参照し、本発明の一実施形態に係る浮体式免震構造について説明する。本実施形態は、液体に挿入した浮体に構造物を支持させて、該構造物に免震性能を付与する浮体式免震構造に関するものである。

本実施形態の浮体式免震構造（以下、免震構造という）Ｂは、図１に示すように、例えば港湾や湖沼などの既存の水（液体２）に挿入した浮体１０と、浮体１０の上面１０ａから上方に延びた複数の支持部材１１と、支持部材１１によって液体２の液面２ａよりも上方に支持されていて構造物Ｔが上載される基盤１２と、液体２中の地盤Ｇと浮体１０に接続され、これら浮体１０（ひいては構造物Ｔ）と地盤Ｇを、互いの水平挙動を同期させないように連結する免震装置３と、浮体１０の水平挙動に応じて発生する液体２の運動エネルギーを、この液体２を内部に流通させつつ減衰させる流体減衰体１３を備えて構成されている。

ここで、本実施形態においては、免震性能を付与する構造物Ｔが、例えばマンションやオフィスビルなど居住空間やオフィス空間等の居室機能を有するものとされ、正面視略矩形状に形成されている。なお、本実施形態では、本発明に係る浮体式免震構造Ｂを例えば港湾や湖沼などの既存の水（液体２）を利用して立地する構造物Ｔに適用するものとしているが、本発明に係る浮体式免震構造Ｂは、前述の図５に示すような免震ピット１に貯留した液体２を利用して立地する構造物Ｔに適用してもよい。

浮体１０は、液体２の液面２ａと略平行な水平の上面１０ａを有する盤状に形成されており、上面１０ａが液面２ａよりも下方に配されるように液体２に挿入されている。また、浮体１０は、その側端１０ｂと例えば護岸などの壁面Ｇ１との間に所定幅の隙間を確保するように設置されている。これにより、地震などによって浮体１０が水平方向に移動した場合においても、壁面Ｇ１に浮体１０が接触して損傷することがない。

免震装置３は、例えばせん断弾性係数の小さいゴムと鋼板を交互に積層したアイソレータであり、液体２内の地盤Ｇの底面（上面）Ｇ２と浮体１０の下端１０ｃに上下端のそれぞれが接続されて、浮体１０と地盤Ｇの両者を連結している。また、このように設置した免震装置３は、浮体１０が液体２に挿入されているため、主に浮体１０と支持部材１１と基盤１２と構造物Ｔのそれぞれの荷重を加えた全荷重のうち、浮力で相殺されない鉛直下方向に作用する一部の荷重を支持している。このため、本実施形態の免震装置３は、前記全荷重を支持する一般の免震装置よりも小さく形成されたり、少ない設置数で浮体１０、ひいては構造物Ｔを支持することができる。そして、このような免震装置３は、地震などにより地盤Ｇが水平変位した際に、地盤Ｇに対する浮体１０ひいては構造物Ｔの水平挙動を同期させないように弾性変形し、外力を吸収する。

支持部材１１は、柱状に形成され、その下端を浮体１０の上面１０ａに繋げ、この上面１０ａから液体２の液面２ａよりも上方に上端が位置するように延出している。また、このように形成した複数の支持部材１１が、浮体１０上に分散配置されている。さらに、複数の支持部材１１は、その上端がそれぞれ、構造物Ｔが上載される盤状の基盤１２の下面に固着して、基盤１２及び構造物Ｔを支持している。

本実施形態の流体減衰体１３は、透水性能を有し、内部を流通する液体２に抵抗力を負荷する、例えばスポンジ状の部材や隙間のある石積み構造の部材、格子状に形成された部材、孔の開いた平板などである。また、本実施形態の流体減衰体１３は、略平板状に形成され、浮体１０の上面１０ａに下面（下端）１３ａを当接させた状態で取り付けられている。そして、この流体減衰体１３は、浮体１０が静止した状態（図１に示す状態）で、且つ例えば液面２が潮位変動などの自然現象で最下方に位置した状態で、その上面（上端）１３ｂの上下方向の位置が液面２ａと略同位置となるように設けられている。なお、流体減衰体４は、浮体１０が静止した状態で、上面１３ｂが液体２の液面２ａよりも上方に配されていてもよく、また、上面１３ｂが液面２ａよりも下方に配されていてもよい。

ついで、上記の構成からなる浮体式免震構造Ｂの作用及び効果について説明する。

地震などが発生した場合、特に長周期成分を含む地震動が作用した場合には、浮体１０が水平方向に移動することによって、液体２に鉛直流体運動を伴う液面変動が生じる。このとき、本実施形態においては、浮体１０の上面１０ａに取り付けて浮体１０と基盤１２の間に介装された流体減衰体１３内に、水平振動流を伴う液体２が流通し、この流体減衰体１３内部で液体２に対する抵抗力が大きく作用することで、液体２の運動エネルギーが減衰する。そして、流体減衰体１３で運動エネルギーが失われた液体２内を水平移動する浮体１０に抵抗力が負荷され、その水平方向の変動が抑制される。これにより、浮体１０に支持された構造物Ｔの水平方向の変動が抑制される。

また、このように構成した浮体式免震構造Ｂにおいては、浮体１０と基盤１２の間に介装するように、流体減衰体１３が浮体１０の上面１０ａに取り付けられるため、従来の構造物Ｔの下面に流体減衰体４を設置した浮体式免震構造Ａと比較して、例えば流体減衰体１３を浮体１０に載置するように取り付けるという簡易な操作で設置できる。また、例えば供用時に損傷したり、耐用年数が経過して流体減衰体１３に交換や修復が必要になった場合においても、やはり流体減衰体１３が浮体１０と基盤１２の間に介装するように設けられていることで、その作業が容易になる。

したがって、本実施形態の浮体式免震構造Ｂによれば、流体減衰体１３が浮体１０と基盤１２の間に介装されて設けられていることによって、従来の浮体式免震構造Ａに対し同等の液体２の運動エネルギーの減衰効果を確保しつつ、容易に流体減衰体１３を設置することができ、且つ交換や修復などのメンテナンスを容易に行なうことができる。これにより、施工性及び維持管理性を大幅に向上させることができる。

また、流体減衰体１３が、浮体１０の上面１０ａに取り付けられるとともに、浮体１０が静止した状態で液体２に挿入されていることによって、水面（液面２ａ）が潮位変動などの自然現象で上下に変動した場合においても、確実に液体２の運動エネルギーを減衰させることが可能になる。

以上、本発明に係る浮体式免震構造Ｂの一実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、本実施形態では、流体減衰体１３が浮体１０の上面１０ａの全面に設けられているように図１に図示しているが、例えば浮体１０の上面１０ａに複数の流体減衰体１３を所定の間隔をあけて分散配置するように設けてもよい。また、本実施形態では、流体減衰体１３が浮体１０の上面１０ａに取り付けられて、その上面１３ｂが、浮体１０が静止した状態で液体２の液面２ａと略同位置となるように配設されているものとしたが、例えば上面１３ｂが基盤１２の下面に達するように形成されていてもよい。また、上面１３ｂを基盤１２の下面に取り付けて、その下面（下端）１３ａ側を液体２内に挿入して設けてもよく、この場合には、本実施形態に示した浮体式免震構造Ｂよりも流体減衰体１３の施工性が劣ることになるが、従来の構造物Ｔの下面に流体減衰体を具備する浮体式免震構造Ａと比較した場合には、大幅に施工性やメンテナンス性に優れる。

さらに、本実施形態では、構造物Ｔが上載される基盤１２が、柱状の複数の支持部材１１で支持されているものとしたが、支持部材１１は、特にその形状や配置、数を限定する必要がない。

以下に、本発明の実施例を図２から図４を参照して具体的に説明する。但し、本発明はこの実施例に限定されるものではない。

本実施例は、「パーシャルフロート免震構造に関する研究−その５掘割側面に設置した流体減衰体による減衰性能の評価：日本建築学会大会学術講演梗概集２００４」に記載された断面２次元の浮体動揺解析モデル（免震性能評価モデル）を利用して、本発明の浮体式免震構造Ｂを備えることによる構造物Ｔの免震性能の向上が可能であるか否かをシミュレーションして確認したものである。具体的に、本実施例では、液体２が、図２に示すように、免震ピット１に貯留されているものとし、実施形態による浮体式免震構造Ｂ、すなわち浮体１０の上面１０ａに流体減衰体１３を備えた図１に示した浮体式免震構造Ｂと、該浮体式免震構造Ｂから流体減衰体１３を除いた浮体式免震構造とに対して、それぞれ構造物Ｔの免震性能のシミュレーションを行って、浮体１０と基盤１２との間に流体減衰体１３を設けた場合に構造物Ｔの免震性能を向上させることが可能であるかを確認している。

はじめに、シミュレーションの解析条件について説明する。
このシミュレーションでは、構造物Ｔに作用する外力として、免震装置３から伝わる地震動に加え、免震ピット１内の液体２の流体運動による流体力（液体２の抵抗力）を考慮しており、流体運動の解析には境界要素法を用い、構造物Ｔの運動方程式とともに時間発展により数値的に解を求めている。

また、流体減衰体１３には、細い線状の部材が複数絡み合って形成された透水体を想定しており、この流体減衰体１３内に流通する液体２に作用する抵抗力Ｆを次式で算出している。
Ｆ＝１／２×ρ×Ｃ_Ｄ×ｄ×l^＊×｜Ｕ｜×Ｕ
ここで、ρは流体（液体）密度、Ｃ_Ｄは抵抗係数（＝１）、ｄは流体減衰体を構成する線状の部材の太さ、Ｕは浮体の水平方向速度である。また、ｌ^＊は、流体減衰体を構成する複数の線状の部材を１本の円柱に見立てた場合の見掛けの長さであり、空隙率λと設置部分の体積Ｗによって次式のように表される。
ｌ^＊＝４／π×（（１−λ）×Ｗ）／ｄ^２）

また、このシミュレーションでは、図２に示すように、免震ピット１を幅Ｌａ＝２１．３ｍ、水深Ｌｂ＝３．５ｍとし、この免震ピット１に貯留した液体２内に、幅Ｌｃ＝１７．３ｍ、高さＬｄ＝１．８ｍの浮体１０を、水深Ｌｅ＝０．５ｍ位置に上面が配されるように挿入している。また、構造物Ｔは、固定重量を２９００ｔｏｎとし、そのうちの１２９０ｔｏｎを免震ピット１内の液体２による浮力で支え、残りの重量を免震装置３で支持するようにしている。さらに、免震装置３は、アイソレータであり、等価水平剛性を６８００ｋＮ／ｍ、減衰定数を２２％としている。そして、本実施例では、入力地震波としてエルセントロ波（最大加速度５１１Ｇａｌ）を想定し、流体減衰体１３の有無による時刻歴応答波形を比較することで構造物Ｔの免震性能の評価を行なっている。

ついで、結果について説明する。
図３は、流体減衰体１３の有無による構造物Ｔの加速度応答波形を示している。ここで、縦軸は、応答加速度を示し、横軸は経過時間を示している。この結果、流体減衰体１３がない浮体式免震構造では、最大応答加速度が１９７．７Ｇａｌを示すのに対し、流体減衰体１３を備えた本発明の浮体式免震構造Ｂでは、最大応答加速度が１６４．３Ｇａｌとなり、流体減衰体１３を備えることによって、最大応答加速度が大幅に低下することが確認された。

一方、図４は、流体減衰体１３の有無による構造物Ｔの変位応答波形を示している。ここで、縦軸は、構造物Ｔの水平方向の変動量（最大応答値）を示し、横軸は、経過時間を示している。この結果、流体減衰体１３がない場合には、最大応答値が２０．６ｃｍを示すのに対し、流体減衰体１３を備えた場合には、最大応答値が１５．３ｃｍとなり、流体減衰体１３を備えることによって、構造物Ｔの変動量が大幅に低下することが確認された。

以上の結果から、流体減衰体１３を浮体１０と基盤１２の間に設けて浮体式免震構造Ｂを構成した場合においても、構造物Ｔに対する優れた免震性能を付与でき、これにより、例えば港湾や湖沼などの既存の液体２を利用して立地する構造物Ｔに対しても、好適に免震性能を付与することが可能であることが示唆された。

本発明の一実施形態に係る浮体式免震構造を示す断面図である。実施例のシミュレーションに用いた本発明に係る浮体式免震構造を示す断面図である。実施例で用いた流体減衰体を備えた本発明に係る浮体式免震構造と、流体減衰体を備えていない浮体式免震構造の応答加速度波形を示すシミュレーション結果である。実施例で用いた流体減衰体を備えた本発明に係る浮体式免震構造と、流体減衰体を備えていない浮体式免震構造の変位応答波形を示すシミュレーション結果である。従来の浮体式免震構造を示す断面図である。従来の浮体式免震構造を示す断面図である。

符号の説明

１免震ピット
２液体
２ａ液面
３免震装置
４流体減衰体
１０浮体
１０ａ上面
１１支持部材
１２基盤
１３流体減衰体
Ａ浮体式免震構造
Ｂ浮体式免震構造
Ｔ構造物

Claims

液体に挿入された浮体と、該浮体の上面から上方に延びた支持部材と、該支持部材によって前記液体の液面よりも上方に支持されていて構造物が上載される基盤と、前記浮体と地盤とを、互いの水平挙動を同期させないように連結する免震装置とを備えた浮体式免震構造において、
前記浮体と前記基盤の間に、前記浮体及び地盤の水平挙動に応じて発生する前記液体の運動エネルギーを、該液体を内部に流通させつつ減衰させる流体減衰体が設けられていることを特徴とする浮体式免震構造。
請求項１記載の浮体式免震構造において、
前記流体減衰体が、前記浮体の上面に取り付けられるとともに、前記浮体が静止した状態で前記液体内に配されていることを特徴とする浮体式免震構造。