JP4822132B2 - 上下免震機構 - Google Patents

Description

本発明は免震構造物に適用される免震機構に係わり、特に上部構造体と下部構造体との間に設置されてそれらの間の上下方向の相対振動に対する免震効果を得る上下免震機構に関する。

一般に免震構造は水平動に対しては有効であるが上下動に対しては殆ど効果がないのが現状である。これは免震装置の鉛直剛性が水平剛性の千倍以上と極めて大きく、上下方向の減衰も小さいためである。
そのため、上下動に効果的な免震構造として空気バネや皿バネを用いる上下免震装置が考えられており、特許文献１には皿バネによる上下免震装置と水平免震装置とを併用した３次元免震装置についての開示がある。
特開２００１−８２５４２号公報

しかし、空気バネや皿バネによる上下免震装置では、建物全体の重量を空気バネや皿バネにより安定に支持するためには大型化が不可避であるし、コストもかさむことから、現実的とはいえない。
また、いずれにしても上下動の変位振幅は水平動に比較すると桁違いに小さいのであるが、微小振幅で大きな負担力をもつような有効なダンパー（減衰装置）は実用化されていないことから、微小な上下動に対してダンパーを効果的に作動させてエネルギーを有効に吸収するためには鉛直剛性を小さくして上下動の変位振幅を大きくする必要がある。しかし、過度に鉛直剛性を小さくすると「ふかふかバネ」の状態となって常時の使い勝手や居住性が大きく損なわれ、好ましくない。

以上のことから、上下動に対する免震効果を発揮するためには、上部構造の大きな鉛直荷重に対応できて充分な支持力を有し、適度に低下した鉛直剛性を持ち、微小振幅から有効な減衰性能を持つという性能が要求されるのであるが、現時点ではそのような要求に応え得る有効適切な上下免震装置は提供されていない。
上記事情に鑑み、本発明は上記のような性能を備える有効適切な上下免震機構を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、上部構造体と下部構造体との間に設置されてそれらの間の上下方向の相対振動に対する免震効果を得る上下免震機構であって、上部および下部がそれぞれ水平に対して逆方向に同角度ずつ傾斜して略楔状に形成された可動部材を少なくとも１対用いて、双方の可動部材の一端どうしを対向させた状態で対称配置し、それら可動部材の上部および下部を、直線状のレールに沿って可動体を直線的に往復移動させる構成の少なくとも２組４台の直動機構を介して上部構造体および下部構造体に対してそれぞれ水平方向に変位自在に支持することにより、上部構造体と下部構造体との間に上下方向の相対変位が生じた際に双方の可動部材を直動機構により案内して互いに離接するように逆向きの水平方向に変位可能とし、双方の可動部材の間にそれらが離接するように水平変位した際に作動するバネ要素と減衰要素とを並列に設置してなることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明の上下免震機構であって、双方の可動部材の間に減衰要素としての慣性質量ダンパーを設置してなることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明の上下免震機構であって、可動部材の上部を支持する直動機構と上部構造体との間、または可動部材の下部を支持する直動機構と下部構造体との間に、可動部材とともに直動機構を水平方向に変位可能に支持する水平支承や水平免震機構を設置してなることを特徴とする。

本発明の上下免震機構によれば、１対の可動部材を略楔状としてその上部および下部を水平に対して傾斜状態で設置した直動機構によって支持することによって、それら可動部材を逆向きの水平方向に変位させるという単純な構成により、上部構造体の鉛直荷重を支持しつつ任意の鉛直剛性を付与でき、可動部材間に設置するバネ要素の調整により鉛直荷重を適度に低下させて所望値に容易に設定することができ、しかも上下方向の微小な相対変位を拡大して減衰要素に伝達してそれを水平方向に大きく作動させることができ、微小振動から大きな減衰効果を得ることができる。
特に、減衰要素として慣性質量ダンパーを使用すれば、慣性質量効果による優れた減衰性能が得られ、また振動遮断機構としても機能するものとなる。
さらに、滑り支承や転がり支承、水平免震機構との組み合わせにより全体として３次元免震機構を構成することもできる。

図１に本発明の一実施形態を示す。本実施形態の上下免震機構は、上部構造体１（たとえば免震建物の本体）と、それを支持する下部構造体２（たとえば基礎）との間に設置されて、それらの間に生じる上下方向の相対振動に対して免震効果を得るものである。

本実施形態の上下免震機構は、互いに離接するように逆向きの水平方向に変位可能に配置された１対の可動部材３と、それら可動部材３を案内して上記方向に変位可能に支持するための直動機構４と、双方の可動部材３の間に並列に設置されて双方の可動部材どうしが互いに逆方向に変位した際に作動するバネ部材５と減衰部材６とにより構成されている。

可動部材３はＨ形鋼と同様にウェブと上下のフランジからなるものであるが、上部および下部がそれぞれ水平に対して逆方向に同一の傾斜角θずつ傾斜して略楔状に形成されており、したがってその高さ寸法は先端から後端に向かって漸次大きくなるようにされているものである。それら可動部材３は２台で１対となって若干の間隔をおいて先端どうしを対向させた状態で対称配置されている。
上記の傾斜角θは、たとえばtanθ＝１／５〜１／３０程度の範囲で設定すれば良い。なお、傾斜角θをそのような小さい範囲に設定する場合にはtanθ≒θであるから、以下の説明ではtanθと記すべき場合にも単にθと記す。

上部構造体１の下面には上部取付ブロック７が固定され、その上部取付ブロック７の下面両側は上記の傾斜角θに合致して互いに逆方向に傾斜する傾斜面とされ、それら傾斜面にそれぞれ直動機構４が下向きに固定されている。
また、下部構造体２の上面には滑り支承として機能する滑り面８が設けられてそこには下部取付ブロック９が水平方向に滑動可能に配置され、その下部取付ブロック９の上面両側も上記の傾斜角θに合致して互いに逆方向に傾斜する傾斜面とされ、それら傾斜面にそれぞれ直動機構４が上向きに固定されている。
直動機構４は、いずれも直線状のレール４ａに沿って可動体４ｂを直線的に滑らかに往復移動させる構成のものであり、各可動体４ｂに可動部材３の上下のフランジがそれぞれ連結固定されている。

これにより、上部構造体１と下部構造体２との間には、２台１対の可動部材３を逆向きの水平方向に変位可能に支持するための２対４台の直動機構４が上部取付ブロック７と下部取付ブロック９とを介して対称的に対向配置されている。
そして、双方の可動部材３の間にはバネ要素５と減衰要素６とが並列に設置されている。本実施形態ではバネ要素５としてたとえばコイルバネが使用され、減衰要素６としてはたとえばオイルダンパー６ａと慣性質量ダンパー６ｂとが併用されている。慣性質量ダンパー６ｂとしては、たとえばボールネジの軸方向変位をフライホイールの回転運動に転換してその慣性質量を制動力として利用する回転慣性質量ダンパーが好適に採用可能である。

本実施形態の上下免震機構では、可動部材３の上部と下部およびそれらを支持する直動機構４がそれぞれ水平面に対して逆方向にわずかな傾斜角θだけ傾斜する状態で配置されていることから、上部構造体１と下部構造体２との間で上下方向（鉛直方向）の相対変位が生じてそれらの間の間隔が変化した際、つまり上下の直動機構４の間の間隔が変化した際には、それら直動機構４によって双方の可動部材３を逆向きの水平方向に同時に変位させるような力が惹起される。
つまり、上部構造体１が下部構造体２に対して相対的に上昇した際には双方の可動部材４どうしが引き寄せられるようにそれぞれ内側に変位してそれらの間隔は狭まり、逆に上部構造体が相対的に降下した際には可動部材３どうしが引き離されるようにそれぞれ外側に変位してそれらの間隔が拡がることになり、それに伴って可動部材３間に設置されているバネ要素５と減衰要素６としてのオイルダンパー６ａ、慣性質量ダンパー６ｂが同時に作動するようになっている。

この場合、可動部材３間に生じる水平変位は上部構造体１と下部構造体２との間の上下方向の相対変位に対して１/θ倍となり、可動部材３間に作用する水平力に対して上部構造体１と下部構造体２に生じる反力の合計も１／θとなり、鉛直方向（上下方向）のバネ剛性や減衰係数は可動部材３間に設置されたバネ要素５や減衰要素６の１／θ^２倍になる。つまり、たとえば傾斜角θ＝１／１０の場合には、水平方向に対する鉛直方向の比率が、相対変位は１／１０、反力は１０倍になり、バネ剛性や減衰係数は１００倍になる。

上記構成のもとに、本実施形態の上下免震機構では以下のような効果を奏する。
本実施形態の上下免震機構は上部構造体１の鉛直荷重を直動機構４および可動部材３により支持しつつ、任意の鉛直剛性を付与できる。直動機構４は可動体４ｂをレール４ａに沿って往復直線移動させるだけの簡単な構成であり、そのような直動機構４としては圧縮耐力（軸力）が６０００ｔｏｎｆにも及ぶ汎用品が市販されているので、そのような汎用製品を使用することで安価に製作できるし通常の柱軸力には充分である。
その場合、直動機構４の傾斜角θ、軸力Ｎとすると、可動部材３間のバネ要素５に作用する軸力Ｐは、減衰要素６を無視すると
Ｐ＝Ｎ・tanθ
となる。また、支承部の鉛直剛性Ｋｖとすると、可動部材３間のバネ剛性ｋは
ｋ＝Ｋｖ・tan^２θ
となり、したがって可動部材３間に負担力Ｐで剛性ｋなるバネ要素を設置すれば良く、高軸力にも容易に対応でき、鉛直剛性を自由に調整することができる。

そして、上記の設定により鉛直剛性を従来一般の免震機構よりも大幅に低下させることができるので、上下動に対して長周期化でき（２〜６Ｈｚ程度が好適である）、高振動数領域での地震応答を大きく低減させることができる。また、鉛直剛性を任意に設定できるので常時の使用勝手を低下させない（フカフカバネにならない）程度に小さくするといった調整も、可動部材３間のバネ剛性を変化させるだけで良いため容易に行うことができる。

オイルダンパー６ａや慣性質量ダンパー６ｂ等の減衰要素６を可動部材３間に設置することにより、振動系の減衰が増加して応答を小さくすることができる。この際、鉛直方向の減衰係数Ｃｖ、慣性質量Ｍｓとし、減衰要素の減衰要素ｃ、慣性質量ψとすると、
ｃ＝Ｃｖ・tan^２θ
ψ＝Ｍｓ・tan^２θ
となり、支承部の鉛直方向バネ、減衰、慣性質量のいずれも可動部材３間に設置した値の１／tan^２θ倍に拡大されることになる（上述したように傾斜角θ＝１／１０ならば、１／tan^２θ＝１００であるから１００倍に拡大される）。
これは、小さな容量のダンパーを可動部材３間に設置するだけで、桁違いに大きな容量のダンパーを鉛直方向に設置したことと同じ効果を発揮することになり、ダンパーコストを充分に軽減することができる。
なお、ダンパー変位量は１／tanθ倍に拡大されるが、上下振幅はｍｍ単位で微小であるから問題にはならない。寧ろ変位を拡大することでダンパーの微小変位時の立ち上がり特性が改善され、鉛直方向の微小振幅から大きな減衰を付与できる。

また、水平面に対してわずかに傾斜させた直動機構４のみで鉛直変位に対応するので、各部材は全て常に平行を維持することになり、そのため、本体構造に接合する上部および下部は常に平行となり上下面とも水平を維持できる。
また、可動部材３間に設置するバネ要素５と減衰要素６はいずれも水平方向に伸縮するだけで他の方向への変位や回転を生じることはないので、可動部材３に対しては水平方向にガタつくことのないように単に固定状態で接合すれば良く、クレビスやボールジョイント等の複雑な接合手段は不要であるから、そこでの変形ロスや伝達ロスを無視できるしコスト的にも有利である。
また、直動機構４の摩擦抵抗は充分に小さくできるので微小地震から大地震まで効果的な上下免震性能を発揮できるし、全体の機構が単純でバネ剛性によって揺れが納まると自ずと原位置に復元するので残留変形も生じない。

本実施形態の上下免震機構は、その全体を滑り面８による滑り支承によって下部構造体２に対して水平変位可能としたので、これ自体が３次元免震機構として機能し、上下動のみならず水平動に対しても免震効果を発揮する。

本実施形態の上下免震機構は可動部材３間に慣性質量ダンパー６ｂを設置することにより、その慣性質量とバネ剛性で定まる振動数において上部構造体１への加振力の伝達を遮断する振動遮断機構としても機能する。
すなわち、慣性質量ダンパー６ｂがたとえばボールネジの軸方向変位をフライホイールの回転運動に転換してその慣性質量を制動力として利用するものである場合、フライホイールが生じる回転慣性質量ψは実際の質量に比べて桁違いに大きくなるが、これを本実施形態の上下免震機構に組み込むことにより鉛直方向の慣性質量Ｍｓはさらに拡大され、実際の質量の数千倍以上の慣性質量効果を発揮させることができ、その場合の遮断振動数ｆは次式となる。

図２（ｃ）は鉛直（上下）振動による伝達関数の解析例を示す。横軸は固有振動数に対する加振振動数の比、縦軸は応答倍率（加振振幅に対する応答振幅の比）であり、本解析では上部構造体１の減衰定数ｈ＝０．０５、慣性質量ダンパー６ｂによる鉛直方向の慣性質量は上部構造体の１／２としてある。
図２から、慣性質量を加えることで遮断振動数ｆ（本解析例では加振振動数比＝１．４）近傍の応答倍率が極めて小さくなることが分かる。すなわち、この振動数では（ａ）に示すように地震動で下部構造体２（基礎）から加振されても、上部構造体１は殆ど応答しないことを意味する。したがって、上部構造体１において振動が問題となる機器や構造体（床や梁などの躯体）の固有振動数を遮断振動数ｆと同調させれば、この振動数での振幅を大幅に抑制することができる。また（ｂ）に示すように上部構造体１からの加振入力に対する下部構造体２の反力も伝達関数（応答倍率）が同じなので、機器振動数に同調させればその反力を大幅に低減させることができる。

以上で本発明の一実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、たとえば以下に列挙するような変形や応用が可能である。

上記実施形態では可動部材３間に設置する減衰要素６としてオイルダンパー６ａと慣性質量ダンパー６ｂを併用したが、慣性質量効果を利用しない場合には慣性質量ダンパー６ｂは当然に不要である。
また、減衰要素６としてはオイルダンパー６ａに限らず各種のダンパーを採用可能であり、たとえば図３に示すような粘弾性ダンパー６ｃも好適に採用可能である。
これは、一方（図示例では右側）の可動部材３のウェブに鋼板１０ａの一端をフィラープレート１１ａを介して固定してその他端側を自由端とし、また他方（同、左側）の可動部材３のウェブには鋼板１０ｂの一端を同じくフィラープレート１１ｂを介して固定して他端側を自由端として、可動部材３の逆方向の水平変位によりそれら双方の鋼板１０ａ、１０ｂどうしも同様に面内において相対変位可能とし、それら鋼板１０ａ、１０ｂどうしの間に粘弾性体１２を接着状態で挟み込んだ構成のものであり、可動部材３間の相対変位により粘弾性体１２が剪断変形して優れた減衰効果を発揮するものである。
なお、そのような粘弾性ダンパー６ｃを使用する場合、施工時点では可動部材３間にバネ要素５のみを設置して粘弾性ダンパー６ｃは設置せずにおき、全体が完成した時点で粘弾性ダンパー６ｃを組み付けるようにすると、粘弾性ダンパー６ｃに常時の剪断変形を与えないようにできる。

上記実施形態では可動部材３を２台１組として使用したが、可動部材３をさらに増やしてたとえば４台２組として２方向に配置することも考えられ、たとえば１組ずつ直交方向に配置することもできる。その場合、各可動部材３や各直動機構４の負担力が軽減されるし、各方向で傾斜角θやダンパーを変えることにも可能であるので、それにより傾斜角θをより大きくしてより安価に構成することも可能となる。

可動部材３間に設置する減衰要素６やバネ要素５に非線形特性を与える、たとえばオイルダンパー６ａにリリーフ機構をつけたり、バネ要素５を所定変位で降伏させたりして、履歴特性をマルチリニアにすることも考えられ、それにより支承部の鉛直方向のバネや減衰の特性にも反映されてダンパーに過大な負荷がかかったり支承部に過大な引張力が作用することを回避できる。

上記実施形態では上下免震機構全体を滑り支承により下部構造体２に対して水平変位可能としたが、滑り支承に代えて転がり支承としても同様であるし、全体の天地を逆にして、上下免震機構全体を下部構造体２に対して固定してその上部に滑り支承あるいは転がり支承を介して上部構造体１を水平変位可能に支持することでも同様である。
さらに、滑り支承や転がり支承に代えて、本発明の上下免震機構を積層ゴム等の水平免震装置と組み合わせてその水平免震装置の上部または下部に本発明の上下免震機構を一体に組み付ける構成とすることによっても、同様に３次元免震機構を構成することができる。

本発明の一実施形態である上下免震機構を示す概略構成図である。 同、解析例を示す図である。 同、他の実施形態を示す図である。

符号の説明

１ 上部構造体
２ 下部構造体
３ 可動部材
４ 直動機構
４ａ レール
４ｂ 可動体
５ バネ要素
６ 減衰要素
６ａ オイルダンパー
６ｂ 慣性質量ダンパー
６ｃ 粘弾性ダンパー
７ 上部取付ブロック
８ 滑り面（滑り支承）
９ 下部取付ブロック
１０ａ、１０ｂ 鋼板
１１ａ、１１ｂ フィラープレート
２１ 粘弾性体

Claims (3)

1. 上部構造体と下部構造体との間に設置されてそれらの間の上下方向の相対振動に対する免震効果を得る上下免震機構であって、
   上部および下部がそれぞれ水平に対して逆方向に同角度ずつ傾斜して略楔状に形成された可動部材を少なくとも１対用いて、双方の可動部材の一端どうしを対向させた状態で対称配置し、
   それら可動部材の上部および下部を、直線状のレールに沿って可動体を直線的に往復移動させる構成の少なくとも２組４台の直動機構を介して上部構造体および下部構造体に対してそれぞれ水平方向に変位自在に支持することにより、上部構造体と下部構造体との間に上下方向の相対変位が生じた際に双方の可動部材を直動機構により案内して互いに離接するように逆向きの水平方向に変位可能とし、
   双方の可動部材の間にそれらが離接するように水平変位した際に作動するバネ要素と減衰要素とを並列に設置してなることを特徴とする上下免震機構。
2. 請求項１記載の上下免震機構であって、
   双方の可動部材の間に減衰要素としての慣性質量ダンパーを設置してなることを特徴とする上下免震機構。
3. 請求項１または２記載の上下免震機構であって、
   可動部材の上部を支持する直動機構と上部構造体との間、または可動部材の下部を支持する直動機構と下部構造体との間に、可動部材とともに直動機構を水平方向に変位可能に支持する水平支承や水平免震機構を設置してなることを特徴とする上下免震機構。

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