JP5338611B2 - 上下免震装置 - Google Patents

Description

本発明は、上下方向の振動を免震する上下免震装置に関する。

上下方向の振動を免震する上下免震装置としては、フリーアクセス床と躯体コンクリート床との間に介装された上下免震ユニットが知られている（例えば、特許文献１参照）。この上下免震装置では、空気を封入したエアばね（空気ばね）等のばね機構にて躯体コンクリート床上にフリーアクセル床を支持している。近年、上下免震装置の高性能化が求められており、ばね機構により得られる免震床の上下方向固有周期をより長周期化することが求められている。

特許第２７０９１２９号明細書

しかしながら、空気ばねが単体で介装された免震床の上下方向固有周期をより長周期化する場合には、空気ばねの高さが高くなりすぎて床の実用に供し難いという課題がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高さを抑えつつ、より長周期化可能な上下免震装置を提供することにある。

かかる目的を達成するために本発明の上下免震装置は、下部構造体から上部構造体に伝達される上下方向の振動を免震する上下免震装置であって、前記上部構造体と前記下部構造体との間に、前記上部構造体を支持する空気ばねと皿ばねとを直列に配置して介在させたことを特徴とすることを特徴とする上下免震装置である。

皿ばねは、空気ばねより低いばね高さにて、空気ばねとほぼ同じばね定数を得ることができる。このため、上部構造体と下部構造体との間に、上部構造体を支持する空気ばねと皿ばねとを直列に配置して介在させた前記上下免震装置によれば、空気ばねと皿ばねとにて上部構造体を支持するので、空気ばね単体で支持する場合より、ばね高さ、すなわち上部構造体と下部構造体との間隔を狭くすることが可能である。また、上部構造体と下部構造体との間には空気ばねが介在されているので、荷重が変化しても固有周期を長周期化してほぼ一定に保つことが可能な上下免震装置を提供することが可能である。このため、ばね高さを低く抑えつつ、より長周期化可能な上下免震装置を提供することが可能である。

かかる上下免震装置であって、直列に配置された前記空気ばねと前記皿ばねとは、前記空気ばねと前記皿ばねとへの押圧力の変化に伴ってばね定数が変化することにより固有周期の変動が小さく前記空気ばねの特性に近い特性を示す領域にて前記上記構造体を支持することが望ましい。
このような上下免震装置によれば、直列に配置された空気ばねと前記皿ばねとは、圧縮している押圧力の変化に伴ってばね定数が変化することにより固有周期の変動が小さく空気ばねの特性に近い特性を示す領域にて上記構造体を支持しているので、皿ばねを介在させて高さを低くしても空気ばねの免震効果は阻害されない。このため、高さが低く、且つ、高い免震性能を備えた上下免震装置を提供することが可能である。

かかる上下免震装置であって、前記上部構造体の上下方向における位置の変化に応じて、前記空気ばねの空気圧を調整し、前記上部構造体の上下方向における位置の変動を抑制する位置変動抑制機構を備えていることが望ましい。
このような上下免震装置によれば、上部構造物の質量が変化しても、上下構造物の上下方向における位置の変動が抑制されるので、上下構造物を、上下方向において一定の位置に保つことが可能である。

本発明によれば、高さを抑えつつ、より長周期化可能な上下免震装置を提供することが可能である。

本実施形態にかかる上下免震装置を備えた建物の床下部分の正面図である。 本発明の上下免震装置の平面図である。 本発明の上下免震装置の側面図である。 空気ばね、皿ばね、空気ばねと皿ばねとを直列に配置した際の支持荷重に対するばね定数の関係の一例を示したグラフである。 皿ばねの特性を説明するための図である。 ガイド機構を説明するための平断面図である。

以下、本発明の一実施形態について図を用いて詳細に説明する。
図１は、本実施形態にかかる上下免震装置を備えた建物の床下部分の正面図である。図２は、本発明の上下免震装置の平面図である。図３は、本発明の上下免震装置の側面図である。

本実施形態の上下免震装置１０は、下部構造体としての基礎１と上部構造体としての建物２の一部をなす床材３との間に複数箇所に設けられ、Ｈ型鋼でなる床鉄骨大梁５の分断された端部同士を連結するように設けられ、床材３が載置されている。以下の説明では、１つの上下免震装置１０について説明する。ここで、建物には、躯体、外壁、内装材などの構造物としての建物本体部分だけでなく、内部に配置される設備、建物を利用する人なども含まれる。

上下免震装置１０は、上部構造体としての建物２を支持する空気ばね１１及び皿ばね１２と、空気ばね１１及び皿ばね１２の上部に被せられ、分断された床鉄骨大梁５を連結する連結部材１４と、基礎１から立設され床鉄骨大梁５を跨ぐように配置される門型フレーム２０と、連結部材１４と門型フレーム２０との間に介在される摩擦ダンパー３０と、床鉄骨大梁５の移動を規制するガイド機構４０とを有している。

空気ばね１１は、使用状態の建物２の質量を、この空気ばね１１と直列に配置された皿ばね１２とともに、複数の上下免震装置１０にて分散して支持することができる弾性力を有しており、空気ばね１１及び皿ばね１２が連結部材１４と基礎１との間に介装された際に、連結部材１４及び床鉄骨大梁５と基礎１との間に空隙が形成されるように構成されている。すなわち、建物２の連結部材１４及び床鉄骨大梁５より上側の部位は、空気ばね１１及び皿ばね１２により支持されている。

空気ばね１１は、例えばゴム製で空気が封入される袋状のチューブ体１１ａ内の空気圧を調整し、建物２の上下方向における位置の変動を抑制する位置変動抑制機構１８を有している。

位置変動抑制機構１８は、例えば、チューブ体１１ａと、このチューブ体１１ａと繋がったコンプレッサー（不図示）との間にバルブ（不図示）を有し、基礎１側の部材に設けられ揺動してバルブを開閉するレバー１１ｂが、連結部材１４から突出された突出部１４ａと係合されており、建物２の上下方向における位置の変動に合わせて突出部１４ａがレバー１１ｂを揺動させることによりバルブが開閉される形態であってもよいし、電気的なスイッチにて建物２の上下方向における位置の変動を検出して、適宜バルブを開閉するような形態であっても構わない。

皿ばね１２は、基礎１と空気ばね１１との間に上下方向において複数積層されて設けられており、上下に隣接する皿ばね１２は、小径端部１２ａ同士、又は、大径端部１２ｂ同士が互いに突き合わされて配置されている。図１の例では、８つの皿ばね１２が上下方向に積層されている。

上下免震装置１０は、建物２の振動の固有周期を長周期化して免震する。ばねの固有周期は、（式１）にて表されるように、ばね定数を小さくすることにより固有周期を長周期化することができる。

Ｔ：固有周期
Ｗ：支持荷重
Ｋ：ばね定数
ｇ：重力加速度

また、建物２は、構造物としての建物本体部分の質量はほぼ一定であるが、建物本体部分を使用する際には、机、椅子、ロッカーなどからＯＡ機器、厨房設備など用途に応じて多種多様な設備と、この建物本体部分で働く使用者や建物本体部分内に設けられた店舗利用者などにより、時期、時間により質量が変化する。このため、上下免震装置には、建物２の質量が変化しても、長周期化された固有周期が保たれることが要求される。この点では、空気ばね１１が本上下免震装置１０に適している。

しかしながら、例えば建物を支持する場合のように大きな支持荷重が作用する上下免震装置に、空気ばねを適用すると、ばね高さが高くなりすぎて実用性がない。そこで、本発明の上下免震装置１０では、荷重が大きくなるとばね定数が大きくなり固有周期の変動が小さい空気ばね１１と、荷重が大きくなるとばね定数が小さくなり固有周期が大きくなる皿ばね１２とを用い、所定のばね高さの空気ばねにて得られるような周期を、空気ばねのばね高さを低くしても得られるように構成している。具体的には、低いばね高さの皿ばね１２を適正なばね定数に設定して、空気ばね１１と直列に配置することにより、空気ばね１１と皿ばね１２とが直列に配置されたばね全体としては、空気ばね単体の場合よりばね高さが低く、且つ、ばね定数は空気ばね単体の場合と同程度として、建物２を支持するように構成している。

空気ばね１１と皿ばね１２とが直列に配置された場合のばね全体のばね定数Ｋは、（式２）にて表される。

Ｋ ：合成したばね定数
Ｋａ：空気ばねのばね定数
Ｋｄ：皿ばねのばね定数

図４は、空気ばね、皿ばね、空気ばねと皿ばねとを直列に配置した際の支持荷重に対するばね定数の関係の一例を示したグラフである。図４では、支持加重が８トンのときに、合成したばね全体の固有周期が１．５秒となるように設定した例を示しており、各支持荷重時におけるばね定数及び固有周期は表１の通りである。

式２及び図４にて示されるように、支持荷重が小さいときには、皿ばね１２のばね定数Ｋｄは空気ばね１１のばね定数Ｋａより遙かに大きく、空気ばね１１のばね定数Ｋａと、空気ばね１１と皿ばね１２とを直列に配置した際のばね定数Ｋとは、ほぼ同じである。この状態では、空気ばね１１と皿ばね１２とを直列に配置した際のばね定数Ｋは、皿ばね１２のばね定数Ｋｄには依存せず、空気ばね１１のみのばね定数Ｋａに依存するので、ばね高さを低くすることはできない。一方、支持荷重が大きいとき(例えば８トンのとき)には、皿ばね１２のばね定数Ｋｄは空気ばね１１のばね定数Ｋａに近づいており、空気ばね１１のばね定数Ｋａと、空気ばね１１と皿ばね１２とを直列に配置した際のばね定数Ｋは、空気ばね１１単体のばね定数Ｋａより小さくなる。この場合には、ばね全体のばね定数Ｋが小さくなったことにより、空気ばね１１のばね高さを低くしても、所望のばね定数を得ることが可能であり、また、空気ばね１１のばね高さが低くなった分だけの皿ばね１２を空気ばね１１と直列に配置して建物２と基礎１との間に取り付けることが可能となる。

例えば、構造物としての建物本体部分の質量が４トンであり、各設備が配備されて使用されている状態における建物２側の質量が８トンになると予測される場合には、支持荷重が４トンから８トンの範囲で空気ばねが支配的になるようなばね定数の皿ばね１２を空気ばね１２と直列に配置して、合成されたばね全体が空気ばねの特性と近い特性を示すように設定する。

連結部材１４は、平面視ほぼ長方形状をなし、下側が開放された箱状の部材であり、上部に床材３が載置される。箱状をなす連結部材１４の内側には、空気ばね１１及び皿ばね１２が備えられ、基礎１上に配置された空気ばね１１及び皿ばね１２に連結部材１４の内側上面が支持されている。また、内側に設けられた空気ばね１１及び皿ばね１２を囲むように、長方形状の４辺に相当する位置に設けられた対面する２対の側壁部１５、１６が設けられており、一対の側壁部１５には、分断された床鉄骨大梁５の端部がそれぞれ接合されており、他の一対の側壁部１６に床鉄骨小梁６が接合されている。すなわち、床鉄骨大梁５と床鉄骨小梁６は連結部材１４を介して直交するように接合されている。

門型フレーム２０は、間隔を隔てて設けられた２本の円筒鋼管でなる柱部材２１と、２本の柱部材２１上に架け渡されたＨ型鋼でなる架構体２２とを有している。

柱部材２１は、上下の端部に鋼板２１ａが設けられており、鋼板２１ａと円筒鋼管２１ｂとを繋ぐリブ２１ｃにより補強されている。門型フレーム２０は、２本の柱部材２１の１本ずつが床鉄骨大梁５の両側に位置するように設けられ、連結部材１４と架構体２２とがほぼ平行をなすように連結部材１４に近づけて配置されている。柱部材２１は上端部が床鉄骨大梁５の上面より高い位置となるように構成されており、柱部材２１上に架け渡され架構体２２の下面２２ａと床鉄骨大梁５の上面５ａとが上下方向に間隔が隔てられるように構成されている。

摩擦ダンパー３０は、連結部材１４に設けられたプレート１７を介して固定された摺動部材３１と、架構体２２の上部に固定され摺動部材３１の両側に配置された２つの押圧部材３２と、摺動部材３１と２つの押圧部材３２とを貫通する棒ねじ３５及びこの棒ねじ３５の両端からそれぞれ１つずつ螺合される２つのナット３６と、棒ねじ３５に螺合された２つのナット３６の間にて圧縮される付勢部材としての皿ばね３３と、を有している。

摺動部材３１は、ほぼ直角に配置された２つの板部がＬ字状をなす金属製の部材であり、２つの板部の一方は連結部材１４側に固定される座板部３１ａであり、他方の板部は、第１板部材としての摺動板部３１ｂである。摺動板部３１ｂは、摺動部材３１が連結部材１４に固定された状態にて床鉄骨大梁５に沿う方向に突出されている。すなわち、摺動板部３１ｂは、連結部材１４の床鉄骨大梁５側を向く面とほぼ直角をなしている。摺動板部３１ｂは上下方向に長く配置されるとともに、摺動板部３１ｂを貫通して上下方向に長い長孔３１ｃを有している。

押圧部材３２も、ほぼ直角に配置された２つの板部がＬ字状をなす金属製の部材であり、２つの板部の一方は架構体２２に固定される座板部３２ａであり、他方の板部は、第２板部材としての押圧板部３２ｂである。押圧板部３２ｂは、押圧部材３２が架構体２２に固定された状態にて鉛直方向上方に突出されている。２つの押圧部材３２は、押圧板部３２ｂが互いに間隔を隔てて対面し、各々座板部３２ａが、押圧板部３２ｂが対面している側とは反対側に配置されて架構体２２に固定されている。また、押圧板部３２ｂは、架構体２２より連結部材１４側に突出されており、２枚の押圧板部３２ｂが対面している間に、摺動部材３１の摺動板部３１ｂが配置されている。２枚の押圧板部３２ｂには、それぞれ棒ねじ３５が貫通される貫通孔３２ｃが設けられている。

摩擦ダンパー３０は、２枚の押圧板部３２ｂ間に摺動板部３１ｂが挿入された状態で、一方の押圧板部３２ｂの貫通孔(不図示)を貫通した棒ねじ３５が摺動板部３１ｂの長孔３１ｃ及び他方の押圧板部３２ｂの貫通孔(不図示)を貫通し、更に皿ばね３３が挿通されて、２つのナット３６が両端側から螺合されて構成されている。

この摩擦ダンパー３０は、ナット３６が締め込まれることにより皿ばね３３が圧縮され、皿ばね３３の弾性力により押圧板部３２ｂが摺動板部３１ｂを両側から押圧している。皿ばね３３の弾性力は、例えば建物の使用者等が床を歩く程度の振動では摩擦ダンパー３０の摺動板部３１ｂと押圧板部３２ｂとの間にて滑りが生じないような静止摩擦力を備えるべく設定されて、皿ばね３３が圧縮されている。

図５は、皿ばねの特性を示すグラフである。

皿ばね３３は、図５に示すように、圧縮量が小さい領域では付勢力が大きく変化し、圧縮量が大きい領域では付勢力の変化が小さい特性を有している。このため、摩擦ダンパー３０の滑り出すタイミングを安定させるために、本実施形態の皿ばね３３は付勢力の変化の小さな領域（図５では、ばね高さがａ１〜ａ２の領域）にて付勢するように圧縮されている。

そして、地震等により下部構造体としての基礎１が振動すると、上部構造体としての建物２には、摩擦ダンパー３０側と、支持されている空気ばね１１及び皿ばね１２側とから振動が伝達される。このとき、地震により上下方向に作用する力が、皿ばね３３に付勢されて押圧板部３２ｂと摺動板部３１ｂとの間に作用する静止摩擦力以下の場合には、摩擦ダンパー３０はダンパーとして機能せず門型フレーム２０と連結部材１４及び床鉄骨大梁５とは一体となって振動する。この場合には、空気ばね１１及び皿ばね１２による上下免震機能も作用しない。

また、地震により上下方向に作用する力が、皿ばね３３に付勢されて押圧板部３２ｂと摺動板部３１ｂとの間に作用する静止摩擦力より大きい場合には、押圧板部３２ｂと摺動板部３１ｂとが互いに摺動しつつ上下方向に相対移動する。このとき、基礎１から伝達される振動の振動周期が空気ばね１１及び皿ばね１２により長周期化されるとともに、振動のエネルギーが摩擦ダンパー３０により消費され振動が抑制される。

すなわち、本上下免震装置１０においては、摩擦ダンパー３０は、ダンパーとしての機能のみならず、設定された静止摩擦力より大きな上下方向の力が作用したときに、上下方向の免震機構を動作させるトリガーとしての機能も有している。

このため、建物内を人が歩くような小さな振動に対しては、基礎１と建物２との間にて上下免震装置１０は機能せず、摩擦ダンパー３０の摺動板部３１ｂと押圧板部３２ｂとの間にて滑りが生じない最大の摩擦力より大きな上下方向の力が作用した際に、ガイド機構４０にて建物２の変位量を規制しつつ上下免震装置１０が機能する。

ガイド機構４０は、床鉄骨大梁５から水平方向に突出され、門型フレーム２０の柱部材２１が貫通されるガイド板４１と、床鉄骨大梁５の上方に位置させて門型フレーム２０の架構体２２の下面に設けられた上ストッパー４２と、床鉄骨大梁５の下方に位置させて基礎１に設けられた下ストッパー４３と、を有している。

図６は、ガイド機構を説明するための図である。図示するように、ガイド板４１は、床鉄骨大梁５の上下のフランジ５ｂ間の中央に設けられた中間プレート５ｄに固定されており、床鉄骨大梁５の長手方向と交差する両側にウェブ５ｃから突出された板部材であり、柱部材２１が貫通される孔４１ａが設けられている。孔４１ａの内周縁には、柱部材２１とガイド板４１とを滑らかに相対移動させるためのブッシュ４４が設けられるとともに、ブッシュ４４の内周面をなす貫通孔４４ａと柱部材２１との間には僅かな空隙が設けられている。このため、床鉄骨大梁５が水平方向に移動すると、孔４１ａに設けられたブッシュ４４が柱部材２１と接触することにより、床鉄骨大梁５の水平方向の移動が規制される。

また、床鉄骨大梁５が水平方向に移動したとしても、柱部材２１に接触するのはブッシュ４４なので、床鉄骨大梁５の上下方向の振動は、ガイド板４１により規制されない。このため、摩擦ダンパー３０がトリガーとなって門型フレーム２０と連結部材１４及び床鉄骨大梁５とが上下方向に相対移動する際にも、門型フレーム２０と連結部材１４及び床鉄骨大梁５との相対移動を阻害しないように構成されている。

また、床鉄骨大梁５の上下方向の移動は、門型フレーム２０の架構体２２の下面２２ａに設けられた上ストッパー４２と、基礎１に設けられた下ストッパー４３とによって規制されるように構成されている。すなわち、地震等により床鉄骨大梁５が相対的に上方へ移動した際には上ストッパー４２に接触して上方への移動が規制され、床鉄骨大梁５が相対的に下方へ移動した際には下ストッパー４３に接触して下方への移動が規制されるように構成されている。

このため、上下方向の固有周期が長周期化されて建物２の上下方向の変位が大きくなったとしても、建物２に設けられた床鉄骨大梁５の基礎１に対する上下方向の相対変位量は上ストッパー４２及び下ストッパー４３により規制されているので、建物２の、基礎１に対する上下方向の相対変位、すなわち振幅の増大を抑えることが可能である。

また、上ストッパー４２の下端と下ストッパー４３の上端の上下方向における位置を適宜設定することにより、地震等による建物２の上下方向の振幅を所望の幅にて抑えることが可能である。

また、本上下免震装置１０は、ガイド機構４０を有しているので、床鉄骨大梁５の基礎１に対する水平方向の相対変位量も規制することが可能であり、貫通孔４４ａと柱部材２１の外周部との間の空隙を適宜設定することにより、床鉄骨大梁５の水平方向における相対変位量を所望の変位量に設定することが可能である。

本実施形態の上下免震装置１０によれば、建物２と基礎１との間に、建物２を支持する空気ばね１１と皿ばね１２とを直列に配置して介在させたので、空気ばね１１単体で支持する場合より、建物２と基礎１との間隔を狭くすることが可能である。また、建物２と基礎１との間には空気ばね１１、及び、押圧力の変化に伴ってばね定数が変化することにより固有周期の変動が小さな領域に設定された皿ばね１２が介在されているので、支持荷重が変化しても固有周期を長周期化してほぼ一定に保つことが可能な上下免震装置１０を提供することが可能である。このため、高さを抑えつつ、より長周期化可能な上下免震装置１０を提供することが可能である。

また、皿ばね１２は、皿ばね１２を圧縮している押圧力の変化に伴ってばね定数が変化することにより固有周期の変動が小さく空気ばねの特性に近い特性を示す領域にて建物２を支持しているので、皿ばね１２を介在させて高さを低くしても空気ばね１２の免震効果は阻害されない。このため、高さが低く、且つ、高い免震性能を備えた上下免震装置１０を提供することが可能である。

また、本上下免震装置１０は位置変動抑制機構１８を備えているので、建物２に備えられる設備やレイアウトの変更などにより質量が変化しても、建物２の上下方向における位置の変動が抑制されるので、建物２を、上下方向において一定の位置に保つことが可能である。

また、上記実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはいうまでもない。

１ 基礎、２ 建物、３ 床材、５ 床鉄骨大梁、５ａ 上面、
５ｂ フランジ、５ｃ ウェブ、５ｄ 中間プレート、
６ 床鉄骨小梁、１０ 上下免震装置、１１ 空気ばね、
１１ａ チューブ体、１１ｂ レバー、１２ 皿ばね、
１２ａ 小径端部、１２ｂ大径端部、１４ 連結部材、１４ａ 突出部、
１５ 側壁部、１６ 側壁部、１７ プレート、１８ 位置変動抑制機構、
２０ 門型フレーム、２１ 柱部材、２１ａ 鋼板、２１ｂ 円筒鋼管、
２１ｃ リブ、２２ 架構体、２２ａ 下面、３０ 摩擦ダンパー、
３１ 摺動部材、３１ａ 座板部、３１ｂ 摺動板部、３１ｃ 長孔、
３２ 押圧部材、３２ａ 座板部、３２ｂ 押圧板部、３２ｃ 貫通孔、
３３ 皿ばね、３５ 棒ねじ、３６ ナット、４０ ガイド機構、
４１ ガイド板、４１ａ 孔、４２ 上ストッパー、
４３ 下ストッパー、４４ ブッシュ、４４ａ 貫通孔

Claims (3)

1. 下部構造体から上部構造体に伝達される上下方向の振動を免震する上下免震装置であって、
   前記上部構造体と前記下部構造体との間に、
   前記上部構造体を支持する空気ばねと皿ばねとを直列に配置して介在させたことを特徴とすることを特徴とする上下免震装置。
2. 請求項１に記載の上下免震装置であって、
   直列に配置された前記空気ばねと前記皿ばねとは、前記空気ばねと前記皿ばねとへの押圧力の変化に伴ってばね定数が変化することにより固有周期の変動が小さく前記空気ばねの特性に近い特性を示す領域にて前記上記構造体を支持することを特徴とする上下免震装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の上下免震装置であって、
   前記上部構造体の上下方向における位置の変化に応じて、前記空気ばねの空気圧を調整し、前記上部構造体の上下方向における位置の変動を抑制する位置変動抑制機構を備えることを特徴とする上下免震装置。

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