JP5325082B2 - 多段免震装置 - Google Patents

Description

本発明は、鉛直荷重支持能力および水平変形能力に優れた多段免震装置に関するものであり、特に原子力施設のような重要構造物もしくは重量構造物における免震構造に適したものである。

従来、免震構造における免震装置として最も多用されている積層ゴム支承は、下端を基礎に、上端を上部構造に緊結する単体の積層ゴムが用いられてきた。また、軽量構造物のために小さな積層ゴムを多層に重ねた多段積層ゴムのアイデアはあった。

例えば、多層に重ねた多段積層ゴムに関する先行技術文献として、特許文献１〜３記載の発明がある。

特許文献１では、平面上の複数位置でゴム状弾性体を上下に複数個積み重ね、各段階のゴム状弾性体の上下端面を安定板で連結し、各ゴム状弾性体で構造体を支持するよう構成した多段型免震支持装置を示している。

ゴム状弾性体と補強板とを交互に接合一体化した積層体であり、この補強板にリブおよび凹凸部を適宜組み合わせて、曲げ剛性を高めることにより、許容水平変位の増大を図っているものである。

特許文献２では、ゴム層と補強板とを交互に積層して一体化した積層ゴム支承体において、補強板の端を端面部材で形成して、端面部材にゴムを挟み込んでネジにより取り付けている。

また、安定板を介して積層ゴム支承体の複数個を平面上の複数位置で連結してなる免震階層を上下方向に複数段連結した多段型免震支持装置において、各積層ゴム支承体の上下の端面をネジによって端面部材と形成し、繋いで固定している。上下に隣接する免震階層において複数の積層ゴム支承体は平面上の配置が互いにずれており、積層ゴム支承体が上下の配置で重なることがない。

特許文献３では、プレートと積層ゴムを交互に積み重ねて一体化してなる免震装置であり、各プレートは上層部から下層部へ向かって順次水平方向に拡大形成され、全体がピラミッド状になっていることを特徴としている。

特開昭６２−０４１８７４号公報 特開２００４−０２８３０２号公報 特開２００１−２６３４１６号公報

例えば原子力施設に免震構造を適用する場合、入力する地震動が大きいと応答変位も大きくなるため、この応答変位に対応する大型の積層ゴムが必要となる。しかしながら、免震装置が大型化するとゴムメーカーにおける現状の製造設備では製作できない可能性がある。

また、仮に単体で大型免震装置を製造できても、製造過程の熱処理時の温度管理が困難であり、良好な品質を確保することが難しくなるほか、装置に生じる応力が非常に大きいため、その応力に対応したアンカーボルトが実用的でない大きさになる恐れがある。さらには、装置が大型化することで運搬や装置設置後の取替えに支障がでる恐れがある。

入力地震動によっては、積層ゴムのほかにダンパを付加させることも予想されるが、この場合、単体の積層ゴム同様に従来のダンパのサイズでは変形能力上問題がある。また、積層ゴムとダンパを別々に配置させるため、配置面積が大きくなり、かつダンパ設置用の基礎も別途設置が必要となる。

また、特許文献１に開示されているリブおよび凹凸部のある補強板や、特許文献３のようなピラミッド型の免震装置は原子力施設のような大型施設へ組み込むことは現実的ではない。

本発明では、従来技術における上述のような課題の解決を図ったものであり、地震時の重量構造物に影響を及ぼす揺れを抑制し、構造物の損傷等を合理的に回避できるようにすることを目的としている。

本発明は、各段複数個ずつの単位免震装置を、連結部材を介して多段に配置した多段免震装置において、上段の単位免震装置と下段の単位免震装置をずらして配置し、かつそれらの平断面が部分的に重なるようにしたことを特徴とするものである。

上段の単位免震装置と下段の単位免震装置をずらして配置し、かつそれらの平断面が部分的に重なるようにしたことによって、上段の単位免震装置から下段の単位免震装置へ重なっている部分において、鉛直方向の応力がまっすぐ伝わるので安定性に優れている。

また、上下段で単位免震装置の平断面がずれていることにより、水平方向の力学特性の差を小さくできる。すなわち、方向性をなくすことで、効率の良い免震が可能となる。また、多数の単位免震装置で分散支持するので、現在製作可能な単位免震装置だけでは実現できない鉛直支持能力をもたせることができる。

請求項１に係る発明は、請求項１記載の多段免震装置において、上段の単位免震装置と下段の単位免震装置との間で、１つの単位免震装置の平断面が、異なる段の２つ以上の単位免震装置の平断面に部分的に重なるようにしたことを特徴とするものである。

上段の単位免震装置と下段の単位免震装置との間で、１つの単位免震装置の平断面が、例えば１つの単位免震装置と部分的に重なる場合、上下方向の鉛直荷重の伝達が単位免震装置の片側に偏るのに対し、２つ以上が重なる場合は単位免震装置の両側で鉛直荷重を伝えることになるため、安定性が向上する。この時、同一段の単位免震装置間距離を可能な範囲で近づけることが重なり合う面積を増大せしめ、安定性を更に高めることができることが大きな特徴である。

請求項２に係る発明は、請求項１記載の多段免震装置において、上段と下段で種類の異なる単位免震装置を使用していることを特徴とするものである。

ここでいう単位免震装置とは、積層ゴムタイプやボールベアリングタイプのものなどが挙げられる。

積層ゴムタイプのものとしては、天然ゴム系積層ゴム、合成ゴム系積層ゴム、高減衰積層ゴムおよび鉛入り積層ゴムなど種類を問わないが、安定的な力学特性を得るには一層につき３個以上の積層ゴムを組み合わせる必要がある。

使用する単位免震装置は、すべて同種の単位免震装置を用いても、異なる単位免震装置を組み合わせてもよい。

請求項３に係る発明は、請求項１または２記載の多段免震装置において、前記各連結部材が、板材、または棒状部材を版状に組んだものであることを特徴とするものである。

連結部材としては、厚鋼板のほかにＨ型鋼などの鋼材、組立て材、これらをトラス構造で組み立てたトラス構造、鉄筋コンクリートや複合構造などが考えられ、版状に組んで使用する。

例えば単体の積層ゴム２個を単純に２段積み重ねた場合は、水平変形が生じると早期に座屈現象により鉛直支持能力を喪失するが、本発明では連結部材があるため、剛な連結部材が抵抗して座屈現象が生じにくくすることが可能で、あたかも一つの巨大な積層ゴムと同等の水平能力を持たせることができる。

請求項４に係る発明は、請求項１、２または３記載の多段免震装置において、前記各単位免震装置とともにダンパを設けたことを特徴としている。

ダンパを単位免震装置とともに設けることによって、減衰性能を付加することができる。

積層ゴムと組み合わせるダンパは、鋼材や鉛を用いた弾塑性ダンパ、流体系ダンパであるオイルダンパ、その他に摩擦ダンパなど種類を問わない。

本発明は以上のような構成となるため、以下のような効果が得られる。

（１）上下複数段にした多段免震装置にすることによって、単体の免震装置では実現困難な大型の免震装置を構成することができる。すなわち、現有の製造設備を用いて、巨大な単位免震装置と同等の性能を持つ多段免震装置が製造できる。

（２）上下段で単位免震装置の平断面がずれていることにより、方向性をなくし、水平方向の力学特性の差を小さくできるので、効率の良い免震が可能となる。

（３）多数の単位免震装置で分散支持するので、現在製作可能な単体の免震装置では実現できない鉛直支持能力を発揮できる。

（４）上段の単位免震装置と下段の単位免震装置の平断面が部分的に重なるようにしたことによって、上段の単位免震装置から下段の単位免震装置へ重なっている部分において、鉛直方向の応力がまっすぐ伝わるので安定性に優れている。また、連結部材に生じる応力を抑えることができる。

（５）多段免震装置の間に減衰装置（ダンパ）を取り付けることで、大きな減衰性能を有する多段免震装置が構成される。

（６）単位免震装置に加えて各種ダンパも複数段に配置すると、各段のダンパのストロークを足し合わせたストロークの水平変形能力をもたせることができる。

（７）構成する単体の積層ゴム等の単位免震装置やダンパは、従来使用されているものと同じサイズを使用することができる。性能確認試験を行う時にも、新たなサイズを生産しなおす必要がない。輸送上も問題なく、アンカーのサイズも従来使用されているものと同じサイズを使用することができる。また、設置後何らかの理由で取替えが必要になった場合においても単位免震装置のみの取替えが可能であり、問題が生じることがない。

（８）積層ゴムを連結部材へ取付けるフランジとの一体化に伴う連結部材の設計の合理化を図れる。

（９）多段免震装置を構成する単位免震装置の仕様を変更することにより、多様な仕様を満足する多段免震装置が可能となり、多段免震装置の設計自由度が大きくなる。

（１０）積層ゴムの上下配置をずらし、分散配置しているため、大変形時に軸力を伝達する面積（有効受圧面積）が、上下配置が同じ場合より大きくなるため安定性が増し、破断時のせん断応力度及び破断時のせん断ひずみが大きくなる。

本発明に係る多段免震装置において、平面方向に積層ゴムを４個設置した２段組免震装置であり、（ａ）は立面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図、（ｃ）はＢ−Ｂ断面図である。 本発明に係る多段免震装置において、平面方向に積層ゴムを６個設置した２段組免震装置であり、（ａ）は立面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図、（ｃ）はＢ−Ｂ断面図である。 本発明に係る多段免震装置において、２段組免震装置のせん断応力とせん断ひずみの関係をグラフで示したものである。 本発明に係る多段免震装置において、平面方向に積層ゴムとオイルダンパを設置した２段組免震装置であり、（ａ）は立面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図、（ｃ）はＢ−Ｂ断面図である。 本発明に係る多段免震装置において、平面方向に積層ゴムと鋼材（Ｕ型）ダンパを設置した２段組免震装置であり、（ａ）は立面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図、（ｃ）はＢ−Ｂ断面図である。 本発明に係る多段免震装置において、平面方向に２種類の積層ゴムを設置した２段組免震装置であり、（ａ）は立面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図、（ｃ）はＢ−Ｂ断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。

図１は、平面方向に積層ゴム２を４個ずつ配置した２段組免震装置１において上段と下段の配置を４５度ずらした場合を示しており、図１（ａ）は立面図、図１（ｂ）は下段のＡ−Ａ断面、図１（ｃ）は上段のＢ−Ｂ断面である。

同様に図２は、平面方向に積層ゴム２を６個ずつ配置した２段組免震装置１において上段と下段の配置を３０度ずらした場合を示しており、図１（ａ）は立面図、図１（ｂ）は下段のＡ−Ａ断面、図１（ｃ）は上段のＢ−Ｂ断面である。

図１、図２ともに連結部材３の中心を囲むように積層ゴム２を配列し、上段と下段の配置を少しずつずらすことで、１つの積層ゴム２の平断面が、異なる段の２つ以上の積層ゴム２の平断面が両側で部分的に重なっており、鉛直方向で安定している。

またこのように、積層ゴム２をリング状に配置していることによって、単体の積層ゴム２では実現困難な大型の免震装置を構成することができ、あたかも一つの巨大な積層ゴムと同等の水平能力を持たせることができる。

また、上下段で積層ゴム２が同じ位置にあるものと比べると、上下段で積層ゴム２の平断面がずれていることにより、水平方向の力学特性の差がない。

上段と下段の間には連結部材３を介して十分剛にして抵抗力を保ち、座屈現象を生じにくくしている。

図３には、図１や図２のように２段組積層ゴムの上段と下段で、１つの積層ゴムの平断面が異なる段の積層ゴムの平断面と部分的に重なるように、上下段の積層ゴムの配置をずらした時の２段組積層ゴムのせん断応力とせん断ひずみの関係を概念的にグラフに表したものである。

積層ゴムの上下配置をずらして部分的に重なるような配置にした場合、上下配置が同じ場合と比較すると、大変形時に軸力を伝達する面積（有効受圧面積）が大きくなるため、安定性が増し、破断時のせん断応力度および破断時のせん断ひずみが大きくなる。

次に、図１と同様に積層ゴム２を配置した２段組免震装置１に、図４はオイルダンパ４ａを、図５は鋼材（Ｕ型）ダンパ４ｂを設置したものを例示しており、それぞれ立面図と断面図を示している。

現状の製造設備で製作可能な単体の積層ゴムもしくは積層ゴム２とダンパ４のセットを２段に積み重ね、かつ上段と下段の間に連結部材３を設けて、すべての単位免震装置を緊結させている。

図４ではオイルダンパ４ａを、図５は鋼材（Ｕ型）ダンパ４ｂを設置することによって、多段免震装置１に積層ゴムでは制御できない振動を減衰させる性能をもたせている。

図６は大小サイズの異なる積層ゴム２ａ、２ｂを使用した２段組免震装置１を示しており、下段には小さいサイズの積層ゴム２ａを４個、上段に大きいサイズの積層ゴム２ｂを４個並べ、上段と下段の配置を４５度ずらした場合を示している。

図１と同様、１つの積層ゴム２の平断面が、異なる段の２つ以上の積層ゴム２の平断面が部分的に両側で重なっており、リング状を成している。さらに大きいサイズの積層ゴム２ｂを使用しているため、重なる面積も大きくなる。よって、鉛直方向に応力が伝わる部分が大きくなるので、安定性が増す。

これまでに述べた図１、２、４、５、６は、多段免震装置の下端は基礎部に、上端は上部建物に緊結して、使用する。

また、このように複数段の多段免震装置にすると、連結部材に大きな応力が発生する可能性があるため、積層ゴム間はできる限り近づけた方が好ましい。例えば、積層ゴムはそれぞれ最も近い積層ゴムとの中心間距離を、丸型積層ゴムの場合はその直径の、矩形平面の積層ゴムにおいてはその辺の長さの２倍以内とすると、より大きな鉛直支持力と水平変形能力が期待できる。

以上に述べたように、本発明は地震時に及ぼす揺れを抑制し、構造物の損傷等を回避できる多段免震装置であり、特に重要構造物もしくは重量構造物などに利用することができる。

１…多段免震装置、
２、２ａ、２ｂ…積層ゴム、
３…連結部材、
４ａ…オイルダンパ、
４ｂ…鋼材（Ｕ型）ダンパ

Claims (4)

1. 各段複数個ずつの単位免震装置を、連結部材を介して多段に配置した多段免震装置において、上段の単位免震装置と下段の単位免震装置をずらして配置し、上段の単位免震装置と下段の単位免震装置との間で、１つの単位免震装置の平断面が、異なる段の２つ以上の単位免震装置の平断面に部分的に重なるようにしたことを特徴とする多段免震装置。
2. 上段と下段で種類の異なる単位免震装置を使用していることを特徴とする請求項１記載の多段免震装置。
3. 前記各連結部材が、板材、または棒状部材を版状に組んだものであることを特徴とする請求項１または２記載の多段免震装置。
4. 前記各単位免震装置とともにダンパを設けたことを特徴とする請求項１、２または３記載の多段免震装置。

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