JP4822121B2

JP4822121B2 - 免震構造物

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Publication number: JP4822121B2
Application number: JP2006232258A
Authority: JP
Inventors: 和彦磯田
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2006-08-29
Filing date: 2006-08-29
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2026-08-29
Also published as: JP2008057572A

Description

本発明は、地震等による水平加振に対する揺れをアイソレータにより低減させる免震構造物に関する。

従来より、地震や風、機械振動などの水平加振に対する揺れを低減させるため、免震機構（アイソレータ）が備えられた免震構造物が数多く提供されている。この免震機構は、例えば積層ゴムや滑り支承、減衰装置などの免震装置からなるものである。これらの免震装置は、免震対象の上部構造と加振源（地盤や振動機器）側の下部構造との間に設置される。これらの免震装置が備えられた免震構造物では、免震装置によってその固有周期が長くなり、上部構造に作用する地震力を低減させることができるとともに、免震装置によって振動エネルギーが吸収されて建物の安全性を確保することができる。

ところで、アスペクト比（建物の幅に対する高さの比率）が大きい構造物では、転倒モーメントによる変動軸力が大きくなる。この変動軸力が長期軸力を上回ると免震装置に引張り力が作用することになるが、免震装置に引張り力が作用すると、その免震装置が破損する等の問題が生じるおそれがある。したがって、免震装置に引張り力を作用させないことが好ましい。

そこで、近年、免震装置に引張り力が作用するのを防止することができる免震構造が提案されている。例えば、鉛直下向きに凸の円弧軌道に沿って円弧運動するように、外側の積層ゴム（免震装置）を建物内方に倒した状態で配置する免震構造が提案されている。この免震構造によれば、傾斜した外側の積層ゴムには、水平方向の振動入力に対して建物内方に向かう抗力成分を発生させることができるため、この抗力成分が建物の揺動を抑え込む力成分となって建物の転倒を抑制することができる（例えば、特許文献１参照。）。

また、免震装置に引張り力が作用するのを防止することができる免震構造として、中央側の積層ゴムを水平に配置するとともに外側の積層ゴムを建物外方に倒した状態で配置する免震構造が提案されている。この免震構造によれば、横揺れが建物に作用した場合、中央側の積層ゴムは水平方向に変形し、外側の積層ゴムは傾斜に沿って変形しながら上下方に変位するため、各積層ゴムに引張り力が作用しない状態にすることができる（例えば、特許文献２参照。）。
特開平１０−６８２４７号公報特開２００６−９７３１９号公報

しかしながら、上記した前者の従来技術（特許文献１）では、円弧軌道の回転中心がアイソレータ層の上方にあり、鉛直下向きに凸の円弧軌道に沿って円弧運動するようになっている。このため、地震応答時に上部構造は吊り下げ式の振子のようにロッキングし、上部構造の下端の振り幅（変位）が大きくなり、上部構造の下に設けられた免震装置の変形量も大きくなるという問題が存在する。免震装置の変形量には限度があるため、大きな振動が生じて上部構造下端の変位が免震装置の許容変形量よりも大きくなると対応できなくなる。また、上部構造下端の変位が大きく免震装置の変形量が大きくなると、免震装置周りに設ける免震クリアランス（免震装置の周りに移動時に躯体にぶつからないように確保するクリアランス）を大きく取らなければならない。また、吊下げ振子の復元力が作用することから、免震建物の固有周期が短くなる（短周期化）。そのため、地震時の応答低減効果が小さくなってしまう。

また、上記した後者の従来技術（特許文献２）では、外側に位置する免震装置を外方に傾けているが、建物中央では免震装置を水平に並べている。このため、地震応答時、上部構造はロッキングせずに水平に揺れることになる。したがって、免震装置による長周期化によって応答低減を図ることができるものの、その応答低減効果が小さいという問題がある。

本発明は、上記した従来の問題が考慮されたものであり、アイソレータ層に作用する引張り力を低減させることができるとともに、上部構造の下端の変位を小さくすることができ、さらに、水平加振に対する応答低減効果を増大させることができる免震構造物を提供することを目的としている。

本発明は、板状の上部構造と該上部構造の下方に設けられた下部構造との間に、円弧運動するアイソレータ層が設けられ、該アイソレータ層により水平加振に対する上部構造の揺れを低減させる免震構造物において、前記アイソレータ層は、アイソレータ層の下方で上部構造長辺方向と平行に延在する仮想回転軸を中心に、鉛直上向きに凸の円弧軌道に沿って上部構造短辺方向に円弧運動するように形成されていると共に、前記円弧軌道の半径が次式を満たすように形成されていることを特徴としている。

このような特徴により、アイソレータ層によって構造物の固有周期が長周期化する。また、水平加振に対して上部構造がその下方に位置する仮想回転軸を中心に倒立振子状にロッキング（回転変位）する。

また、上述したように上部構造と下部構造との間に上向き凸状に円弧運動するアイソレータ層が設けられた免震構造では、アイソレータ層の円弧軌道の径が小さすぎると重力により上部構造が不安定になるおそれがあるが、前記アイソレータ層が、前記円弧軌道の半径が次式を満たすように形成されているため、上部構造が重力により不安定にならず、安定した免震構造物にすることができる。

本発明に係る免震構造物によれば、アイソレータ層により構造物の固有周期が長周期化するため、水平加振に対する上部構造の加振方向変位が低減され、水平加振に対する応答低減を図ることができる。また、水平加振に対して上部構造がロッキングするため、転倒モーメントによりアイソレータ層に作用する引張り力を低減させることができるとともに、構造物の固有周期をさらに伸ばすことができ、水平加振に対する更なる応答低減を図ることができ、応答低減効果を増大させることができる。さらに、水平加振に対して上部構造がその下方に位置する仮想回転軸を中心に倒立振子状にロッキングするため、水平加振に対する上部構造下端の変位が小さくなる。これにより、アイソレータ層の変形量が小さくなり、大きな振動にも対応することができ、且つ免震クリアランスを小さくすることもできる。

以下、本発明に係る免震構造物の実施の形態について、図面に基いて説明する。

図１は本実施の形態における免震構造物１を表した斜視図である。
図１に示すように、免震構造物１は、基礎構造体２（下部構造）の上にアイソレータ層３を介して建物４（上部構造）が建てられた構成からなる。建物４は、アスペクト比（Ｈ／Ｂ）が４以上の縦長の構造物であって一方向にスレンダーな構造物である。つまり、建物４は、その一方側の辺（見付け幅Ｂ）が他方側の辺（見付け幅Ｄ）よりも短い縦置き板状の構造物となっている。

図２はアイソレータ層３を表した拡大断面図である。
図１、図２に示すように、建物４と基礎構造体２との間に設けられたアイソレータ層３は、水平加振に対する建物４の揺れを低減させるべく横方向に運動する免震層である。このアイソレータ層３は、当該アイソレータ層３の下方で長辺方向（Ｙ方向）と平行に延在する仮想回転軸Ｏを中心に、鉛直上向きに凸の円弧軌道Ｌに沿って短辺方向（Ｘ方向）に円弧運動するように形成されている。つまり、このアイソレータ層３は、建物４の短辺方向（Ｘ方向）に揺れる加振Ｓのみ建物がロッキング（剛体回転）するようにしたものである。これは、建物４がアスペクト比の大きい板状の構造物であり、見付け幅の小さい方向（Ｘ方向）に変形し易く、見付け幅の大きい方向（Ｙ方向）に変形し難いためである。したがって、このアイソレータ層３によって、短辺方向への加振Ｓに対しては長辺方向周りに回転が生じ、長辺方向への加振に対しては回転が生じずに並進となる。

アイソレータ層３の具体的な構成としては、基礎構造体２と建物４との間に複数の免震装置５…が介在された構成からなる。免震装置５…としては、積層ゴムや滑り支承などを使用することができる。これらの免震装置５…は、各々の軸線の延長線（免震装置５の高さ方向に延在する線）が建物４の下方にある仮想回転軸Ｇにそれぞれ交差するように、外側に傾けてそれぞれ設置されている。つまり、免震装置５と仮想回転軸Ｏとを結んだ直線が当該免震装置５の移動方向と垂直になるような傾斜角度で免震装置５が設置されている。これにより、アイソレータ層３は、鉛直上向きに凸の円弧軌道Ｌに沿って運動する免震層となる。

また、アイソレータ層３は、その円弧軌道Ｌの半径Ｒが、所定値以上になるように形成されている。つまり、免震装置５から仮想回転軸Ｏまでの距離（半径Ｒ）については下限値があり、当該距離（半径Ｒ）がその下限値以上になるように仮想回転軸Ｏが設定されている。具体的には、円弧軌道Ｌの半径Ｒが次式を満たすように設定する。

また、建物４が一般的な矩形の構造物である場合、円弧軌道Ｌの半径Ｒが建物４の高さＨの１〜３倍になるように、仮想回転軸Ｏの位置が設定される。なお、この仮想回転軸Ｏは、建物４の重心Ｇ（図３に示す）の鉛直下方位置に設定されている。

次に、上記した構成からなる免震構造物１の振動理論について説明する。

図３は免震構造物１の振動応答状況を模式的に表した図であり、（ａ）は水平加振が発生する前の初期状態を表しており、（ｂ）は水平加振が発生した場合の状態を表している。
図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、免震構造物１は、通常水平に設置する免震装置５…が外側に傾斜させて設置されているため、水平加振が発生すると、建物４は仮想回転軸Ｏ周りに倒立振子状にロッキング（剛体回転）する。

建物４の質量を「ｍ」、回転慣性モーメントを「Ｉ_θ」、積層ゴムからなる免震装置５の水平剛性（フランジ面と平行な方向の剛性）を「ｋ_h」、免震装置５から仮想回転軸Ｏまでの距離を「Ｒ」とすると、免震装置５の高さが変化しないものとして、建物４が「θ」だけ回転するときの仮想回転軸Ｏまわりの釣合式は、θが小さくｔａｎθ＝θとみなせる微小変形範囲では、アイソレータ層３の変位が「−Ｒθ」、重心Ｇの変位が「−（Ｒ＋ｃ）θ」で表されることから、重力加速度ｇを用いて次式で表される。ただし、このとき、減衰は無視して考えている。

一方、地動加速度ｙ・・（「・・」は時間による２階微分を意味する。以下同じ。）時における加振入力は重心Ｇの位置への水平慣性力−ｍｙ・・となる。よって、仮想回転軸Ｏに対する重心Ｇの相対加速度は回転角φを用いて次式で表される。

従って、加振時の仮想回転軸Ｏまわりの振動方程式は、次式のようになる。

ここで、下式がそれぞれ成立するとする。

そうすると次式が成立する。

これは入力に対する重心Ｇの位置の応答倍率を示すが、回転慣性モーメントＩ_θにより入力が低減されている。

固有振動数は上記した（２）式で明らかなように、下記の３つの効果により低下（長周期化）している。つまり、第１に、建物４が倒立振子状態となり、（Ｒ＋ｃ）／Ｒだけアームが延長されたことでバネがこの比率だけ低下する効果、第２に、回転慣性モーメントＩ_θにより分母が大きくなり、回転慣性質量が増大した効果、第３に、重力効果（Ｐ−δ効果）によりバネが低下したのと同じ効果、により長周期化する。

上記した（２）式より、この機構が不安定にならない条件は次式のようになる。

このとき、ω_０´^２＝ｋ_ｈ／ｍとすると、次式が成り立つ。

例えば、免震装置５を水平に設置して固有周期４秒とすると、ω_０´＝２π／Ｔ＝１．５７（ｒａｄ／ｓｅｃ）となる。したがって、建物４の高さＨが１００ｍで重心Ｇの高さｃが５０ｍとすると、Ｒ＞１６．３ｍとすると不安定とならない。なお、重心Ｇの高さがないとき（ｃ＝０）でも、Ｒ≧４．０ｍとしなければならず、所定の半径Ｒを確保することがこの振動系を安定させるために必要な条件である。

建物４から免震装置５を介して伝達されるせん断力Ｑは、加振力（ｍω^２ｙ_０）を用いて次式で表される。

また、最下端（仮想回転軸Ｏから上方に半径Ｒだけの距離）における転倒モーメントＭの大きさは、次式で表される。

ここで、変数を下式と設定する。

そうすると、免震装置５が傾斜しない場合の転倒モーメントＭ´は下記のように表される。

アスペクト比の大きい建物４では、全質量がｍで高さがＨのとき、回転慣性モーメントＩ_θは（１／１０〜１／１２）ｍＨ^２程度である。ここで、Ｉ_θ＝ｍＨ^２／１０、ｃ＝Ｈ／２とすると、せん断力Ｑおよび転倒モーメントＭはそれぞれ下式で表現できる。ただし、各階均等平面で均等階高、均等重量とする。

図４は、建物高さＨ＝１００ｍ、免震装置５を水平設置したときの固有周期４秒としてω_０´＝２π／Ｔ＝１．５７（ｒａｄ／ｓｅｃ）、回転半径Ｒをパラメータとする場合の、せん断力Ｑおよび転倒モーメントＭの応答倍率を示したグラフであり、（ａ）はせん断力Ｑの応答倍率を示しており、（ｂ）は転倒モーメントＭの応答倍率を示している。なお、図４における縦軸は応答倍率を示しており、横軸は加振入力振動数ｆを示している。また、転倒モーメントＭの応答倍率は「加振力に重心高さを乗じた値に対する比」、せん断力Ｑの応答倍率は「加振力に対する比」、加振力＝ｍω^２ｙ_０とし、減衰は無視している。

図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、回転半径Ｒが小さくなるほど建物４の固有振動数が低下（長周期化）し低振動数域（長周期領域）での応答は増大するが、高振動数域（短周期領域）での応答は低減することがわかる。一般に地震動は短周期成分が多く０．３Ｈｚ以下の長周期成分は少ないので、本機構により建物４の固有振動数が低下（長周期化）することにより、大幅な応答低減が可能である。具体的には、上述した条件で免震装置５を傾斜させずに並進させる構成では、固有周期が４秒であったに対し、免震装置５を外側に向けて傾けて回転半径Ｒを１００ｍにした構成では、固有周期が１．５倍（６秒）に長周期化され、回転半径Ｒを５０ｍにした構成では、固有周期が２倍（８秒）に長周期化される。

次に、時刻歴応答解析による傾斜効果について説明する。

具体的には、地上１５階、高さＨ＝６０ｍの板状の建物４を対象に、積層ゴムからなる免震装置５を傾斜配置した場合の「アイソレータ層３の回転半径Ｒによる応答低減効果」を検討する。免震を含む建物の１次固有周期は３．５秒（傾斜なし）、４．３秒（Ｒ＝１２０ｍ）、５．２秒（Ｒ＝６０ｍ）、入力地震波は比較的長周期成分の多いHACHINOHE(NS)原波（３３０ｇａｌ）とし、等価曲げせん断型振動モデルで応答解析した。

図５は応答解析結果を表すグラフであり、（ａ）は応答せん断力を示すグラフであり、（ｂ）は応答転倒モーメントを示すグラフである。
図５（ａ）、図５（ｂ）に示すように、免震装置５を傾斜させて長周期化することで、応答せん断力および応答転倒モーメントが共に大幅に低減されていることがわかる。その結果、積層ゴムからなる免震装置５の変形は小さくなり、例えば傾斜なしの状態で２６ｃｍであったものが、Ｒ＝１２０ｍで２０ｃｍ、Ｒ＝６０ｍで１７ｃｍとなる。なお、最大ロッキング傾斜角θは、Ｒ＝１２０ｍで１／６００、Ｒ＝６０ｍで１／３５０と問題にならないレベルである。

上記した構成からなる免震構造物１によれば、基礎構造体２と建物４との間に円弧運動するアイソレータ層３が形成されているため、アイソレータ層３によって建物４の固有周期が長周期化する。これによって、地震の横揺れ（水平加振）に対する建物４の振動方向の変位が低減され、横揺れに対する応答低減を図ることができる。

また、上記したアイソレータ層３により、横揺れに対して建物４が振子状にロッキングする。これにより、転倒モーメントによりアイソレータ層３に作用する引張り力を低減させることができる。したがって、アスペクト比が大きい建物４でも免震装置５…に特別な引き抜き防止対策を施す必要がない。また、建物４の固有周期をさらに伸ばすことができ、横揺れに対する更なる応答低減を図ることができる。つまり、応答低減効果を増大させることができる。なお、円弧軌道Ｌの半径Ｒを小さくするほど応答低減効果が顕著になる。また、ロッキングより建物４の各階床も回転（傾斜）することになるが、その程度はわずかであり問題にならない。

さらに、上記したアイソレータ層３により、横揺れに対して建物４がその下方に位置する仮想回転軸Ｏを中心に倒立振子状にロッキングする。これにより、横揺れに対する建物４下端の変位が小さくなる。これにより、アイソレータ層３を構成する免震装置５…の変形量が小さくなる。したがって、大きな振動が発生した場合でも免震装置５…が破損することがなく、大地震にも対応することができる。また、免震クリアランスを小さくすることもできる。したがって、敷地境界までの寸法が小さい場合でも免震構造を適用し易くなる。

また、上記した構成からなる免震構造物１によれば、アイソレータ層３が、円弧軌道Ｌの半径Ｒが上述した所定下限値よりも大きくなるように形成されているため、建物４が重力により不安定にならず、安定な系となる。ここで安定な系とは、大変形（回転角θが大きな状態）に至っても復元力を維持し倒壊しない機構であることをさす。

また、上述した（３）式に示すように、回転慣性モーメントＩ_θを考慮することで、免震対象物１への加振入力をｍ（Ｒ＋ｃ）^２／｛Ｉ_θ＋ｍ（Ｒ＋ｃ）^２｝倍に低減させることができる。

また、従来の免震構造物と比較して、単に免震装置５…を仮想回転軸Ｏに向けて配置、つまり免震装置５…を外側に傾けただけの簡単な構成なので、実施するにあたり特殊な装置や技能、施工法等が不要で、既往の施工方法を踏襲できる。

以上、本発明に係る免震構造物の実施の形態について説明したが、本発明は上記した実施の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、上記した実施の形態では、基礎構造体２の上にアイソレータ層３が設けられてこのアイソレータ層３の上に建物４が建てられた構成からなる免震構造物１について説明しているが、本発明に係る下部構造は基礎構造体に限定されるものではない。例えば、アイソレータ層が振動機器（下部構造）の上に設けられている構成であってもよく、或いは、建物の中層部分にアイソレータ層が設けられた構成であってもよい。さらに、本発明に係る上部構造は、板状の建物に限定されず、例えば橋脚等の他の構造物であってもよい。

また、上記した実施の形態では、アイソレータ層３が、積層ゴム等からなる左右一対の免震装置５…から構成されているが、本発明は、円弧運動するアイソレータ層であれば如何なる構成のものでもよい。例えば、免震装置が左右一対に配設されていなくてもよく、或いは、免震装置が複数（３つ以上）であってもよく、或いは、複数種類の免震装置を組み合わせて使用してもよい。

その他、本発明の主旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した変形例を適宜組み合わせてもよい。

本発明の実施の形態を説明するための免震構造物を表した斜視図である。本発明の実施の形態を説明するためのアイソレータ層を表した断面図である。本発明の実施の形態を説明するための免震構造物の振動応答状況を模式的に表した模式図である。本発明の実施の形態を説明するためのせん断力および転倒モーメントの応答倍率の一例を示したグラフである。本発明の実施の形態を説明するための応答せん断力および応答転倒モーメントの一例を示したグラフである。

符号の説明

１免震構造物
２基礎構造体（下部構造）
３アイソレータ層
４建物（上部構造）
Ｏ仮想回転軸
Ｌ円弧軌道
Ｒ半径

Claims

板状の上部構造と該上部構造の下方に設けられた下部構造との間に、円弧運動するアイソレータ層が設けられ、該アイソレータ層により水平加振に対する上部構造の揺れを低減させる免震構造物において、
前記アイソレータ層は、アイソレータ層の下方で上部構造長辺方向と平行に延在する仮想回転軸を中心に、鉛直上向きに凸の円弧軌道に沿って上部構造短辺方向に円弧運動するように形成されていると共に、前記円弧軌道の半径が次式を満たすように形成されていることを特徴とする免震構造物。