JP5341546B2 - 免震構造、免震構造の設計方法、及び建築物 - Google Patents

Description

本発明は、地震等により構造物に生じる揺れを低減する免震構造、この免震構造の設計方法、及びこの免震構造を有する建築物に関する。

免震構造物の免震層に生じる地震時の変形や地震後の残留変形を小さくするために、アクチュエータによって免震構造物に生じる揺れを抑制するアクティブ免震構造が提案されている。

図１０に示すように、引用文献１のアクティブ免震装置は、免震支承としてのリニアスライダー３００によって免震構造物３０２が地盤３０４上に支持されている。また、このリニアスライダー３００が配置されている免震層には、ダンパー３０６、アクチュエータ３０８、及び復元バネ３１０が設けられている。そして、アクチュエータ３０８を駆動制御することによって、地震等により免震層に発生する変形を小さくする。

しかし、引用文献１のアクティブ免震装置において、免震層に生じる地震時の変形や地震後の残留変形をより小さくしようとする場合、アクチュエータ３０８により作用させる制御力は大きなものとなる。このため、アクチュエータ３０８の大型化を図ったり、多くのアクチュエータ３０８を設置したりしなければならないので、設備コストが高くなってしまう。

特開２０００−７３６２１号公報

本発明は係る事実を考慮し、地震等により構造物に生じる揺れを低減する低コストの免震構造、この免震構造の設計方法、及びこの免震構造を有する建築物を提供することを課題とする。

請求項１に記載の発明は、下部構造物の上に上部構造物を支持すると共に前記下部構造物に対する前記上部構造物の相対移動を可能とする免震支承と、抵抗力Ｆ_０を生じさせて前記上部構造物に発生する振動を減衰するセミアクティブダンパーと、を有し、前記免震支承は、前記下部構造物の上面に取り付けられた下滑り部材と、前記上部構造物の下面に取り付けられ前記下滑り部材の上に支持される上滑り部材と、を有すると共に、前記下滑り部材と前記上滑り部材との間に生じる摩擦力よりも大きな水平力が前記上部構造物に作用したときに、前記下滑り部材と前記上滑り部材との間に滑りを生じさせて前記下部構造物に対して前記上部構造物を相対移動させる滑り装置であり、前記セミアクティブダンパーの正負のストローク変位量をδ、定数をα、前記δを時間微分したストローク速度をδ’とすると、式（１）によって求められるＳが正となったときに前記上部構造物に−Ｆ_０を付与可能な状態にし、式（１）によって求められるＳが負となったときに前記上部構造物にＦ_０を付与可能な状態にする。

請求項１に記載の発明では、免震構造が、免震支承とセミアクティブダンパーとを有している。
免震支承は、下部構造物に対する上部構造物の相対移動を可能とするように、下部構造物の上に上部構造物を支持している。
セミアクティブダンパーは、抵抗力Ｆ_０を生じさせて上部構造物に発生する振動を減衰する。

また、免震支承が、下部構造物の上面に取り付けられた下滑り部材と、この下滑り部材の上に支持される上滑り部材とを有する滑り装置となっており、この滑り装置は、下滑り部材と上滑り部材との間に生じる摩擦力よりも大きな水平力が上部構造物に作用したときに、下滑り部材と上滑り部材との間に滑りを生じさせる。そして、これにより、下部構造物に対して上部構造物を相対移動させる。よって、下滑り部材と上滑り部材との間に生じさせる摩擦力の設定によって、地震等により上部構造物に発生する振動加速度を変えることができる。
ここで、セミアクティブダンパーの正負のストローク変位量をδ、定数をα、δを時間微分したストローク速度をδ’とし、式（１）によってＳを求める。
そして、式（１）によって求められるＳが正となったときに上部構造物に−Ｆ_０を付与可能な状態にし、式（１）によって求められるＳが負となったときに上部構造物にＦ_０を付与可能な状態にする。

よって、セミアクティブダンパーは、Ｓの符号と反対方向に抵抗力Ｆ_０を生じさせることにより、ストローク変位量δが大きいときにはバネとして機能し、ストローク速度δ’が大きいときにはダンパーとして機能する。
これにより、地震等により下部構造物と上部構造物との間の免震層に生じる変形及び残留変形を低減することができる。

また、上部構造物の揺れの大きさに関係なく一定の抵抗力Ｆ_０をセミアクティブダンパーに生じさせる簡単な振動制御によって、免震効果を発揮させることができる。
また、セミアクティブダンパーは、油圧式のアクチュエータのように油圧ポンプ等の付帯設備を必要としないので、低コスト化を図ることができる。
そして、これらにより、低コストの免震構造で、地震等により構造物に生じる揺れを低減することができる。

請求項２に記載の発明は、制御力Ｐ_０の出力により前記上部構造物に発生する振動を制御するアクチュエータを有し、前記アクチュエータの正負のストローク変位量をδ、定数をα、前記δを時間微分したストローク速度をδ’とすると、前記式（１）によって求められるＳが正となったときに前記上部構造物に−Ｐ_０を作用させ、前記式（１）によって求められるＳが負となったときに前記上部構造物にＰ_０を作用させる。

請求項２に記載の発明では、免震構造が、アクチュエータを有している。
アクチュエータは、制御力Ｐ_０の出力により上部構造物に発生する振動を制御する。

ここで、アクチュエータの正負のストローク変位量をδ、定数をα、δを時間微分したストローク速度をδ’とし、式（１）によってＳを求める。
そして、式（１）によって求められるＳが正となったときに上部構造物に−Ｐ_０を作用させ、式（１）によって求められるＳが負となったときに上部構造物にＰ_０を作用させる。

よって、Ｓの正負に基づいて一定の力を付与するセミアクティブダンパーと、Ｓの正負に基づいて一定の力を作用させるアクチュエータとは互換可能である。
これにより、このような制御則のセミアクティブダンパーとアクチュエータとが複数配置された免震構造において、セミアクティブダンパーとアクチュエータとの数の割合が免震効果に大きく影響されない。

例えば、抵抗力Ｆ_０と制御力Ｐ_０とが同じ大きさのセミアクティブダンパーとアクチュエータとが複数配置された免震構造は、これらのセミアクティブダンパーとアクチュエータとを合わせた数と同数のアクチュエータのみを配置した免震構造とほぼ同等の効果が得られる。

また、アクチュエータの数に対するセミアクティブダンパーの数の割合を大きくすれば、より低コストの免震構造を構築することができ、セミアクティブダンパーの数に対するアクチュエータの数の割合を大きくすれば、免震層の残留変形が０となる可能性が高まり、より免震効果を向上させることができる。

そして、セミアクティブダンパーの数とアクチュエータの数とを最適に組み合わせることにより、効果的な免震効果（免震層の変位やせん断力などの応答低減、残留変形低減）を発揮させることができると共に低コスト化を図ることが可能となる。

請求項３に記載の発明は、前記滑り装置は、直動転がり支承である。

請求項３に記載の発明では、滑り装置を直動転がり支承とすることにより、下滑り部材に対して上滑り部材が相対移動するときの抵抗力（下滑り部材と上滑り部材との間に生じる摩擦力）を小さくできるので、免震効果（上部構造物に発生する揺れを低減する効果）の高い免震構造を構築することができる。

請求項４に記載の発明は、前記アクチュエータの制御力Ｐ_０は、前記下滑り部材と前記上滑り部材との間に生じる摩擦力よりも大きい。

請求項４に記載の発明では、アクチュエータの制御力Ｐ_０を、下滑り部材と上滑り部材との間に生じる摩擦力よりも大きくすることにより、免震層に生じる残留変形を確実に低減することができる。

請求項５に記載の発明は、前記セミアクティブダンパーは、前記上部構造物に発生する振動を制御する力を出力するアクティブダンパーとして機能させることが可能である。

請求項５に記載の発明では、セミアクティブダンパーを、必要に応じて、ストローク変位に抵抗する本来のセミアクティブダンパーとして機能させたり、又は上部構造物に発生する振動を制御する力を出力するアクティブダンパーとして機能させたりすることができる。

セミアクティブダンパーは、ストローク変位に対して油圧抵抗や摩擦抵抗等によって受動的に抵抗力を生じさせるので、油圧式のアクティブダンパーのポンプ等のような、エネルギーをアクティブダンパーに入力する付帯設備を必要としない。すなわち、低コスト化を図ることができる。これに対して、アクティブダンパーは任意のストローク方向へ力を作用させることができるので、上部構造物に発生する振動を効果的に制御することができる。

よって、例えば、複数のセミアクティブダンパーを免震層に設けた場合に、本来のセミアクティブダンパーとして機能させるセミアクティブダンパーの数と、アクティブダンパーとして機能させるセミアクティブダンパーの数とを最適に組み合わせることにより、効果的な免震効果（免震層の変位やせん断力などの応答低減、残留変形低減）を発揮させることができると共に低コスト化を図ることが可能となる。

また、建築物の増改築や用途変更に伴う建築物の重量や免震層の剛性の変化等に対応して、免震設備の少ない変更で最適なセミアクティブダンパーとアクティブダンパーとの配置を実現でき、効果的な免震効果を発揮することができる。

請求項６に記載の発明は、請求項２〜５の何れか１項に記載の免震構造の設計方法において、前記セミアクティブダンパーの抵抗力Ｆ_０と、前記アクチュエータの制御力Ｐ_０と、前記下滑り部材と前記上滑り部材との間に生じる摩擦力との合計を前記上部構造物の重量で除した値が、前記上部構造物の設計加速度を９８０ｃｍ／ｓ^２で除した値となるように、前記抵抗力Ｆ_０、前記制御力Ｐ_０、及び前記摩擦力を設定する免震構造の設計方法である。

請求項６に記載の発明では、セミアクティブダンパーの抵抗力Ｆ_０と、アクチュエータの制御力Ｐ_０と、下滑り部材と上滑り部材との間に生じる摩擦力とを合計する。そして、この合計した値を上部構造物の重量で除した値が上部構造物の設計加速度を９８０ｃｍ／ｓ^２で除した値となるように、抵抗力Ｆ_０、制御力Ｐ_０、及び摩擦力を設定することにより免震構造の設計を行う。
よって、上部構造物に揺れが発生したときにこの上部構造物に発生する加速度を設計加速度とすることができる。

請求項７に記載の発明は、請求項１〜５の何れか１項に記載の免震構造を有する建築物である。

請求項７に記載の発明では、地震等により上部構造物に生じる揺れを低減する低コストの免震構造を有する建築物を構築することができる。

本発明は上記構成としたので、地震等により構造物に生じる揺れを低減する低コストの免震構造、この免震構造の設計方法、及びこの免震構造を有する建築物を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る建築物を示す立面図である。 本発明の第１の実施形態に係るセミアクティブダンパーを示す説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る建築物を示す立面図である。 本発明の第２の実施形態に係るアクチュエータを示す説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る建築物を示す立面図である。 本発明の第３の実施形態に係るセミアクティブダンパーを示す説明図である。 本発明の実施例に係る建築物を示す立面図である。 本発明の実施例に係る建築物を示す立面図である。 本発明の実施例に係るアクチュエータの制御力を示す線図である。 従来のアクティブ免震装置を示す説明図である。

図を参照しながら、本発明の免震構造、免震構造の設計方法、及び建築物を説明する。なお、本実施形態では、鉄筋コンクリート造の建築物に本発明を適用した例を示すが、鉄骨造、鉄骨鉄筋コンクリート造、ＣＦＴ造（Concrete-Filled Steel Tube：充填形鋼管コンクリート構造）、それらの混合構造など、さまざまな構造や規模の建築物に対して適用することができる。

また、本実施形態を説明する図において、装置を区別し易くするために、セミアクティブダンパーには「ＳＡ」、アクチュエータには「Ａ］、アクティブダンパーとして機能させることが可能なセミアクティブダンパーには「Ａ／ＳＡ」の文字が付されている。

まず、本発明の第１の実施形態について説明する。

図１の立面図に示すように、建築物１０は、地盤１２上に設けられた下部構造物としての鉄筋コンクリート造の基礎１４と、上部構造物としての鉄筋コンクリート造の上部建物１６とを有している。

基礎１４と上部建物１６との間の基礎免震層１８には、基礎１４上に上部建物１６を支持する免震支承としての直動転がり支承２０が設置されている。また、基礎免震層１８には、一方の端部が上部建物１６の下部に接続され、他方の端部が基礎１４の上部に接続されたセミアクティブダンパー２２が設けられている。すなわち、建築物１０の基礎免震層１８には、直動転がり支承２０とセミアクティブダンパー２２とを有する免震構造２４が構築されている。なお、直動転がり支承には、いわゆるリニアスライダーが含まれる。

直動転がり支承２０は、基礎１４の上面に固定された支持台２６の上部に取り付けられた下滑り部材としてのレール２８と、レール２８に支持されてこのレール２８上を滑る上滑り部材としての移動ブロック３０とを有する滑り装置となっている。

移動ブロック３０にはベアリング（不図示）が内蔵されており、このベアリングを介してレール２８上を移動ブロック３０が滑る機構になっているので、レール２８と移動ブロック３０（ベアリング）との間に生じる摩擦力は小さくなっている。

このような構成により、直動転がり支承２０は、レール２８と移動ブロック３０との間に生じる摩擦力よりも大きな水平力が上部建物１６に作用したときに、レール２８と移動ブロック３０との間に滑りを生じさせる。これによって、直動転がり支承２０は、基礎１４の上に上部建物１６を支持しながら、基礎１４に対して上部建物１６を相対移動させる。

セミアクティブダンパー２２では、図２に示すように、シリンダー３２内に配置されたピストン３４によって、シリンダー３２内部が、シリンダー３２の左側に位置する部屋３６とシリンダー３２の右側に位置する部屋３８とに分けられている。ピストン３４は、このピストン３４に端部が接続されたロッド４０、４２と連動してシリンダー３２の軸方向に移動する。

部屋３６、３８には、オイルが充填されている。そして、シリンダー３２には、このオイルが出入りする出入口４４、４６が設けられている。また、出入口４４に接続された油圧管４８と、出入口４６に接続された油圧管５０とは、サーボ弁５２を介して接続されている。

これによって、ロッド４０、４２と連動するピストン３４の移動に伴って、部屋３６又は部屋３８から排出されたオイルが油圧管４８、５０を通って部屋３８又は部屋３６に流入する。例えば、図２において、ピストン３４が左に移動した場合には、部屋３６内のオイルが出入口４４から油圧管４８へ排出され、油圧管４８、サーボ弁５２、油圧管５０の順に流れて、出入口４６から部屋３８内へ流入される。
そして、このときのオイルの流れ抵抗がセミアクティブダンパー２２に生じる抵抗力Ｆ_０となる。

また、サーボ弁５２の弁の開口面積（サーボ弁５２内を流れるオイルの流路の大きさ）を変更することによってオイルの流れ抵抗を変え、これによって、セミアクティブダンパー２２に生じる抵抗力Ｆ_０を調整することができる。

ここで、セミアクティブダンパー２２の正負のストローク変位量をδ、定数をα、δを時間微分したストローク速度をδ’とし、式（１）によってＳを求める。

そして、式（１）によって求められるＳが正となったときに上部建物１６に−Ｆ_０を付与可能な状態にし、式（１）によって求められるＳが負となったときに上部建物１６にＦ_０を付与可能な状態にする。

ここで、Ｓの正負とＦ_０の正負の関係について詳しく説明する。説明をわかり易くするために定数α＝０として考える。
例えば、図１において、上部建物１６が右方向へ移動したときのセミアクティブダンパー２２のストローク変位の方向を正とする。

上部建物１６が右方向へ移動した場合、Ｓ＝＋δよりＳは正となるので、セミアクティブダンパー２２を、上部建物１６の移動方向（右方向）と反対方向（左方向）の抵抗力−Ｆ_０を上部建物１６へ付与させることが可能な状態にする。

また、上部建物１６が左方向へ移動した場合、Ｓ＝−δよりＳは負となるので、セミアクティブダンパー２２を、上部建物１６の移動方向（左方向）と反対方向（右方向）の抵抗力＋Ｆ_０を上部建物１６へ付与させることが可能な状態にする。

なお、図２は、セミアクティブダンパー２２の原理を説明するために示したモデル図であり、説明の都合上、図２で示したロッド４０が図１では省略されている。図１では、図２で示したシリンダー３２の左側の端部が上部建物１６の下部に接続され、ロッド４２の右側の端部が基礎１４の上部に接続されていることになる。

次に、本発明の第１の実施形態の作用及び効果について説明する。

図１に示すように、地震等により上部建物１６が揺れ、基礎１４に対して上部建物１６が相対移動すると、セミアクティブダンパー２２のシリンダー３２が上部建物１６と連動して移動する。このとき、シリンダー３２とロッド４０、４２（ピストン３４）とは相対移動するので、セミアクティブダンパー２２に抵抗力が生じる。

また、セミアクティブダンパー２２は、式（１）によって求められるＳが正となったときに上部建物１６に−Ｆ_０の抵抗力を付与可能な状態にし、式（１）によって求められるＳが負となったときに上部建物１６に＋Ｆ_０の抵抗力を付与可能な状態にし、これらの抵抗力によって、上部建物１６に発生する振動を減衰する。

よって、セミアクティブダンパー２２は、式（１）によって求められるＳの符号と反対方向に抵抗力Ｆ_０を生じさせることにより、セミアクティブダンパー２２のストローク変位量δが大きいときにはバネとして機能し、セミアクティブダンパー２２のストローク速度δ’が大きいときにはダンパーとして機能する。
これにより、地震等により基礎１４と上部建物１６との間の基礎免震層１８に生じる変形及び残留変形を低減することができる。

また、上部建物１６の揺れの大きさに関係なく一定の抵抗力Ｆ_０をセミアクティブダンパー２２に生じさせる簡単な振動制御によって、免震効果を発揮させることができる。
また、セミアクティブダンパー２２は、油圧式のアクチュエータのように油圧ポンプ等の付帯設備を必要としないので、低コスト化を図ることができる。
そして、これらにより、低コストの免震構造２４で、地震等により上部建物１６に生じる揺れを低減することができる。

また、滑り装置（直動転がり支承２０）により、基礎１４上に上部建物１６を支持しているので、下滑り部材（レール２８）と上滑り部材（移動ブロック３０）との間に生じさせる摩擦力の設定によって、地震等により上部建物１６に発生する振動加速度を変えることができる。

また、滑り装置を直動転がり支承２０とすることにより、レール２８に対して移動ブロック３０が相対移動するときの抵抗力（レール２８と移動ブロック３０との間に生じる摩擦力）を小さくできるので、免震効果（上部建物１６に発生する揺れを低減する効果）の高い免震構造２４を構築することができる。

以上、本発明の第１の実施形態について説明した。

なお、一般的なアクチュエータは、任意のストローク方向に力（制御力）を発生させることができるが、第１の実施形態のセミアクティブダンパー２２は、減衰方向（ストローク変位量の増分方向と反対の方向）にしか力（抵抗力）を発生させられない。

すなわち、セミアクティブダンパー２２は、抵抗力を発生させる方向と反対方向へ上部建物１６が移動したときにだけ上部建物１６に抵抗力を作用させるものなので、抵抗力を発生させる方向と同じ方向へ上部建物１６が移動したときに上部建物１６に抵抗力を作用させることができない。
しかし、上部建物１６に抵抗力を作用させることができないこのような状況が起こる頻度は少ないので十分な免震効果が得られる。

また、第１の実施形態では、セミアクティブダンパーを油圧式のセミアクティブダンパー２２とした例を示したが、セミアクティブダンパーは、このセミアクティブダンパーのストローク変位量の増分方向（ストローク速度方向）と反対の方向へ抵抗力を作用させることができこの抵抗力を所定の値に変更できる装置であればよく、オイルを送る流路に設けられたオリフィスの面積を変えたり、流路に設けられた弁を切換えたりすることによって抵抗力を変更する方式のオイルダンパーや、摩擦板への押し付け力を変化させて抵抗力を変更する方式の摩擦ダンパー等のセミアクティブダンパーとしてもよい。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。

第２の実施形態は、第１の実施形態の基礎免震層１８に、セミアクティブダンパー２２と併設してアクチュエータを設けたものである。したがって、第２の実施形態の説明において、第１の実施形態と同じ構成のものは、同符号を付すると共に、適宜省略して説明する。

図３の立面図に示すように、基礎免震層１８には、一方の端部が上部建物１６の下部に接続され、他方の端部が基礎１４の上部に接続されたアクチュエータ５４が設けられている。すなわち、建築物１０の基礎免震層１８には、直動転がり支承２０とセミアクティブダンパー２２とアクチュエータ５４とを有する免震構造５６が構築されている。

アクチュエータ５４では、図４に示すように、シリンダー５８内に配置されたピストン６０によって、シリンダー５８内部が、シリンダー５８の左側に位置する部屋６２とシリンダー５８の右側に位置する部屋６４とに分けられている。ピストン６０は、このピストン６０に端部が接続されたロッド６６と連動してシリンダー５８の軸方向に移動する。

部屋６２、６４には、オイルが充填されている。そして、シリンダー５８には、このオイルが出入りする出入口６８、７０が設けられている。また、出入口６８に接続された油圧管７２と、出入口７０に接続された油圧管７４とは、サーボ弁７６を介して接続されている。また、サーボ弁７６に接続され環状に配設された油圧管７８にはオイルタンク８０と油圧ポンプ８２とが接続されており、油圧ポンプ８２の作動により、オイルタンク８０のオイルがサーボ弁７６に供給される。

そして、サーボ弁７６の切り換えによって、部屋６２又は部屋６４からオイルを排出し、部屋６４又は部屋６２へオイルを流入する。そして、部屋６２と部屋６４との圧力差によってピストン６０を移動させる。

例えば、図４において、ピストン６０を左に移動させる場合には、部屋６２内のオイルを出入口６８から油圧管７２へ排出させると共に、部屋６２から排出させる量のオイルがサーボ弁７６から油圧管７４へ送り込まれ、出入口７０から部屋６４内へ流入される。

そして、このときの部屋６２と部屋６４との圧力差によってピストン６０が移動し、このピストン６０を移動させる力がアクチュエータ５４から出力される制御力Ｐ_０となり、この制御力Ｐ_０の出力により上部建物１６に発生する振動を制御する。

ここで、アクチュエータ５４の正負のストローク変位量をδ、定数をα、δを時間微分したストローク速度をδ’とし、第１の実施形態で示した式（１）によってＳを求める。
そして、式（１）によって求められるＳが正となったときに上部建物１６に−Ｐ_０を作用させ、式（１）によって求められるＳが負となったときに上部建物１６にＰ_０を作用させる。
Ｓの正負とＰ_０の正負の関係については、第１の実施形態で説明した、Ｓの正負とＦ_０の正負との関係と同様である。

例えば、図３において、上部建物１６が右方向へ移動したときのアクチュエータ５４のストローク変位の方向を正とする。
上部建物１６が右方向へ移動した場合、Ｓ＝＋δよりＳは正となるので、上部建物１６の移動方向（右方向）と反対方向（左方向）の制御力−Ｐ_０をアクチュエータ５４から上部建物１６に作用させる。

また、上部建物１６が左方向へ移動した場合、Ｓ＝−δよりＳは負となるので、上部建物１６の移動方向（左方向）と反対方向（右方向）の制御力＋Ｐ_０をアクチュエータ５４から上部建物１６に作用させる。

なお、図４は、アクチュエータ５４の原理を説明するために示したモデル図である。図３では、図４で示したシリンダー５８の左側の端部が上部建物１６の下部に接続され、ロッド６６の右側の端部が基礎１４の上部に接続されていることになる。

次に、本発明の第２の実施形態の作用及び効果について説明する。

第２の実施形態では、図３に示すように、地震等により上部建物１６が揺れ、基礎１４に対して上部建物１６が相対移動すると、セミアクティブダンパー２２は第１の実施形態で説明したように減衰効果を発揮する。

また、アクチュエータ５４のシリンダー５８が上部建物１６と連動して移動する。そして、このときのアクチュエータ５４の正負のストローク変位量δ、ストローク速度δ’を式（１）に代入して求めたＳの正負に基づいて、上部建物１６に−Ｐ_０又は＋Ｐ_０の制御力を作用させ、上部建物１６に発生する振動を制御する。

よって、アクチュエータ５４は、式（１）によって求められるＳの符号と反対方向に制御力Ｐ_０を作用させることにより、アクチュエータ５４のストローク変位量δが大きいときにはバネとして機能し、アクチュエータ５４のストローク速度δ’が大きいときにはダンパーとして機能する。

これにより、セミアクティブダンパー２２と共に、地震等により基礎１４と上部建物１６との間の基礎免震層１８に生じる変形及び残留変形を低減することができる。
また、上部建物１６の揺れの大きさに関係なく一定の制御力Ｐ_０をアクチュエータ５４に作用させる簡単な振動制御によって、免震効果を発揮させることができる。

また、これまで説明したように、セミアクティブダンパー２２とアクチュエータ５４とは同じ制御則により上部建物１６に力を加えるものである。すなわち、Ｓの正負に基づいて一定の力を付与するセミアクティブダンパー２２と、Ｓの正負に基づいて一定の力を作用させるアクチュエータ５４とは互換可能である。

これにより、このような制御則のセミアクティブダンパー２２とアクチュエータ５４とが複数配置された免震構造５６において、セミアクティブダンパー２２とアクチュエータ５４との数の割合が免震効果に大きく影響されない。

例えば、抵抗力Ｆ_０と制御力Ｐ_０とが同じ大きさのセミアクティブダンパー２２とアクチュエータ５４とが複数配置された免震構造５６は、これらのセミアクティブダンパー２２とアクチュエータ５４とを合わせた数と同数のアクチュエータ５４のみを配置した免震構造とほぼ同等の効果が得られる。

また、アクチュエータ５４の数に対するセミアクティブダンパー２２の数の割合を大きくすれば、より低コストの免震構造５６を構築することができ、セミアクティブダンパー２２の数に対するアクチュエータ５４の数の割合を大きくすれば、基礎免震層１８の残留変形が０となる可能性が高まり、より免震効果を向上させることができる。

そして、セミアクティブダンパー２２の数とアクチュエータ５４の数とを最適に組み合わせることにより、効果的な免震効果（基礎免震層１８の変位やせん断力などの応答低減、残留変形低減）を発揮させることができると共に低コスト化を図ることが可能となる。

以上、本発明の第２の実施形態について説明した。

なお、第２の実施形態の免震構造５６において、下滑り部材（レール２８）と上滑り部材（移動ブロック３０）との間に生じる摩擦力よりもアクチュエータ５４の制御力Ｐ_０が大きくなるように設定すれば、基礎免震層１８に生じる残留変形を確実に低減することができる。

アクチュエータ５４の制御力Ｐ_０が下滑り部材（レール２８）と上滑り部材（移動ブロック３０）との間に生じる摩擦力よりも小さい場合においても、地震動のような左右に繰り返させる揺れに対しては、基礎免震層１８の残留変形を低減することが可能である（基礎免震層１８の残留変形をほぼ０にできる）。

次に、本発明の第３の実施形態について説明する。

第３の実施形態は、第１の実施形態のセミアクティブダンパー２２をアクティブダンパーとして機能させることができるようにしたものである。したがって、第３の実施形態の説明において、第１の実施形態と同じ構成のものは、同符号を付すると共に、適宜省略して説明する。

図５の立面図に示すように、基礎免震層１８には、一方の端部が上部建物１６の下部に接続され、他方の端部が基礎１４の上部に接続されたセミアクティブダンパー８４が設けられている。すなわち、建築物１０の基礎免震層１８には、直動転がり支承２０とセミアクティブダンパー８４とを有する免震構造９０が構築されている。

セミアクティブダンパー８４は、図６に示すように、図２で示したセミアクティブダンパー２２のサーボ弁５２を、図４で示したサーボ弁７６としたものである。サーボ弁７６に接続され環状に配設された油圧管７８にはオイルタンク８０と油圧ポンプ８２とが接続されている。また、サーボ弁７６と油圧ポンプ８２との間にはソレノイド弁８６が設けられ、サーボ弁７６とオイルタンク８０との間にはソレノイド弁８８が設けられている。

そして、ソレノイド弁８６、８８の切り換えによって、セミアクティブダンパー８４をセミアクティブダンパー２２と同様に機能させたり、又はアクチュエータ５４と同様に機能させたりすることができる。すなわち、セミアクティブダンパー８４を、必要に応じて、セミアクティブダンパー８４のストローク変位に抵抗する本来のセミアクティブダンパーとして機能させたり、又は上部建物１６に発生する振動を制御する力を出力するアクティブダンパーとして機能させたりすることができる。

なお、ソレノイド弁８６、８８を設けずに、この箇所にジョイント機構を設けて油圧管７８を着脱可能にし、セミアクティブダンパー８４を本来のセミアクティブダンパーとして機能させる（アクティブダンパーとして機能させない）場合には、オイルタンク８０、油圧ポンプ８２を設けなくてもよい。

次に、本発明の第３の実施形態の作用及び効果について説明する。

セミアクティブダンパー２２は、セミアクティブダンパー２２のストローク変位に対して油圧抵抗や摩擦抵抗等によって受動的に抵抗力を生じさせるので、油圧式のアクティブダンパーのポンプ等のような、エネルギーをアクティブダンパーに入力する付帯設備を必要としない。すなわち、低コスト化を図ることができる。これに対して、アクチュエータ５４は任意のストローク方向へ力を作用させることができるので、上部構造物に発生する振動を効果的に制御することができる。

よって、例えば、複数のセミアクティブダンパー８４を免震層に設けた場合に、本来のセミアクティブダンパーとしてセミアクティブダンパー２２のように機能させるセミアクティブダンパー８４の数と、アクティブダンパーとしてアクチュエータ５４のように機能させるセミアクティブダンパー８４の数とを最適に組み合わせることにより、効果的な免震効果（免震層の変位やせん断力などの応答低減、残留変形低減）を発揮させることができると共に低コスト化を図ることが可能となる。

また、建築物の増改築や用途変更に伴う建築物の重量や免震層の剛性の変化等に対応して、免震設備の少ない変更で最適な本来のセミアクティブダンパーとして機能させるセミアクティブダンパーとアクティブダンパーとして機能させるセミアクティブダンパーとの配置を実現でき、効果的な免震効果を発揮することができる。

次に、本発明の第４の実施形態とその作用及び効果について説明する。

第４の実施形態は、第２の実施形態の免震構造５６の設計方法の一例を示したものである。したがって、第４の実施形態の説明において、第２の実施形態と同じ構成のものは、同符号を付すると共に、適宜省略して説明する。

第４の実施形態の免震構造の設計方法では、まず、セミアクティブダンパー２２の抵抗力Ｆ_０と、アクチュエータ５４の制御力Ｐ_０と、下滑り部材（レール２８）と上滑り部材（移動ブロック３０）との間に生じる摩擦力とを合計する。

そして、この合計した値を上部建物１６の重量で除した値が上部建物１６の設計加速度を９８０ｃｍ／ｓ^２で除した値となるように、アクチュエータ５４の制御力Ｐ_０、セミアクティブダンパー２２の抵抗力Ｆ_０、及び下滑り部材（レール２８）と上滑り部材（移動ブロック３０）との間に生じる摩擦力を設定する。

なお、第４の実施形態における抵抗力Ｆ_０、制御力Ｐ_０、及び摩擦力は、基礎免震層１８に配置された全てのセミアクティブダンパー２２の抵抗力、アクチュエータ５４の制御力、及び下滑り部材（レール２８）と上滑り部材（移動ブロック３０）との間に生じる摩擦力の総和を意味する。
よって、地震等により上部建物１６に揺れが発生したときにこの上部建物１６に発生する加速度を設計加速度とすることができる。

以上、本発明の第１〜第４の実施形態について説明した。

なお、第１〜第４の実施形態では、免震支承を直動転がり支承２０とした例を示したが、基礎１４の上に上部建物１６を支持すると共に基礎１４に対する上部建物１６の相対移動を可能とするものであればよく、転がり支承、滑り支承、積層ゴム等を用いてもよい。

第２の実施形態では、下滑り部材（レール２８）と上滑り部材（移動ブロック３０）との間に生じる摩擦力よりもアクチュエータ５４の制御力Ｐ_０を大きくして、基礎免震層１８に生じる残留変形を低減する例を示したが、免震支承を積層ゴムとした場合には、基礎免震層１８に生じる残留変形を元に戻すことが可能な水平力よりもアクチュエータ５４の制御力Ｐ_０を大きくすればよい。

また、第１〜第４の実施形態では、基礎免震層１８に免震構造２４、５６、９０を構築した例を示したが、免震構造２４、５６、９０は、中間免震層に構築してもよい。

また、第１〜第４の実施形態の免震構造２４、５６、９０の基礎免震層１８に油圧ダンパー、鋼製ダンパー、粘性ダンパー、積層ゴム等の減衰装置を併設してもよい。

(実施例）

本実施例では、本発明の第１の実施形態の免震構造２４、及び第２の実施形態の免震構造５６に対して実施した地震応答解析の結果について示す。

図７には、免震構造２４、５６の比較例となるパッシブ免震構造９２（以下、「ケース０」とする）が示されている。
基礎１４と上部建物１６との間の基礎免震層１８には、基礎１４上に上部建物１６を支持する免震支承としての直動転がり支承２０のみが設置されている（すなわち、表１におけるアクチュエータの制御力＝０ｋＮ、セミアクティブダンパーの抵抗力＝０ｋＮ）。

上部建物１６の重量を１０，０００ｋＮとし、直動転がり支承２０のレール２８と移動ブロック３０との間の摩擦係数μを０．０１（直動転がり支承２０のレール２８と移動ブロック３０との間に生じる免震構造９２全体の摩擦力は１００ｋＮ）とした。
これらの仕様が、表１のケース０の欄に示されている。

図８には、免震構造２４、５６の比較例となる免震構造９４（以下、「ケース１」とする）が示されている。基礎免震層１８には、一方の端部が上部建物１６の下部に接続され、他方の端部が基礎１４の上部に接続されたアクチュエータ５４が設けられている。すなわち、建築物１０の基礎免震層１８には、直動転がり支承２０とアクチュエータ５４とによって構成される免震構造９４が構築されている。基礎免震層１８に配置したセミアクティブダンパーの抵抗力の総和を、基礎免震層１８に配置したセミアクティブダンパーの抵抗力の総和とアクチュエータの制御力の総和とを合計した値で割ったセミアクティブ比率は０％である。

上部建物１６の重量、直動転がり支承２０のレール２８と移動ブロック３０との間の摩擦係数μ（直動転がり支承２０のレール２８と移動ブロック３０との間に生じる免震構造９４全体の摩擦力）は、ケース０と同じである。

アクチュエータ５４の制御力は、図９に示すように作用させ、最大値（定格出力）を上部建物１６の重量の２％（２００ｋＮ）とし、定数αを０．８とした。図９の縦軸には、制御力の大きさが示され、横軸には、Ｓ（＝δ＋α×δ’）が示されている。
これらの仕様が、表１のケース１の欄に示されている。

表1のケース５は、第１の実施形態の図１で示した免震構造２４の仕様を示したものである。建築物１０の基礎免震層１８には、直動転がり支承２０とセミアクティブダンパー２２とによって構成される免震構造２４が構築されているので、基礎免震層１８に配置したセミアクティブダンパーの抵抗力の総和を、基礎免震層１８に配置したセミアクティブダンパーの抵抗力の総和とアクチュエータの制御力の総和とを合計した値で割ったセミアクティブ比率は１００％となっている。

上部建物１６の重量、直動転がり支承２０のレール２８と移動ブロック３０との間の摩擦係数μ（直動転がり支承２０のレール２８と移動ブロック３０との間に生じる免震構造２４全体の摩擦力）は、ケース０と同じである。
セミアクティブダンパー２２の抵抗力の最大値（定格出力）は、上部建物１６の重量の２％（２００ｋＮ）とし、定数αを０．８とした。
これらの値が、表１のケース５の欄に示されている。

表1のケース２〜４は、第２の実施形態の図３で示した免震構造５６の仕様を示したものである。建築物１０の基礎免震層１８には、直動転がり支承２０とセミアクティブダンパー２２とアクチュエータ５４とによって構成される免震構造５６が構築されているので、基礎免震層１８に配置したセミアクティブダンパーの抵抗力の総和（５０ｋＮ、１００ｋＮ、１５０ｋＮ）を、基礎免震層１８に配置したセミアクティブダンパーの抵抗力の総和とアクチュエータの制御力の総和とを合計した値（２００ｋＮ）で割ったセミアクティブ比率は、ケース２で２５％、ケース３で５０％、ケース４で７５％となっている。セミアクティブダンパー２２及びアクチュエータ５４の定数αは０．８とした。

上部建物１６の重量、直動転がり支承２０のレール２８と移動ブロック３０との間の摩擦係数μ（直動転がり支承２０のレール２８と移動ブロック３０との間に生じる免震構造５６全体の摩擦力）は、ケース０と同じである。
これらの値が、表１のケース２〜４の欄に示されている。

表２には、ケース０〜５に対して行った地震応答解析の結果として、EL CENTRO NSの最大加速度５１１ｃｍ／ｓ^２、TAFT EWの最大加速度４９７ｃｍ／ｓ^２、HACHINOHE NSの最大加速度３３０ｃｍ／ｓ^２、BCJ L2の最大加速度３５６ｃｍ／ｓ^２、及びKOBE NSの最大加速度８１８ｃｍ／ｓ^２を入力したときの基礎免震層１８の最大変位、残留変位の値が示されている。最大変位、残留変位の値の単位は共にｃｍである。

表２からわかるように、本発明のケース２〜５の残留変形は、ケース０の残留変形よりも小さくなっている。また、ケース２〜５の最大変位については、KOBE NS以外でケース０の最大変位よりも小さくなっている。一般的な免震構造の設計においては、最大変位を５０〜７０ｃｍ程度としているので、このことからも上部建物１６の基礎免震層１８の変形が大きく低減されていることがわかる。

また、基礎免震層１８にセミアクティブダンパー２２とアクチュエータ５４とを配置したケース２〜４や、基礎免震層１８にセミアクティブダンパー２２のみを配置したケース５と、基礎免震層１８にアクチュエータ５４のみを配置したケース１とは、ほぼ同様の免震性能（最大変位、残留変位）を発揮している。これにより、アクチュエータ５４よりも低コストのセミアクティブダンパー２２を用いた低コストの免震構造においても十分な免震効果が得られることがわかる。

また、表２に示されているように、セミアクティブ比率が５０％以下のケース２、３においては、アクチュエータ５４の制御力が支承の摩擦力（直動転がり支承２０のレール２８と移動ブロック３０との間に生じる免震構造５６全体の摩擦力）以上になっているので、理論上、基礎免震層１８に残留変形は生じない。

また、セミアクティブ比率が５０％よりも大きいケース４、５においても、残留変形はほとんど生じていない。これにより、セミアクティブ比率を大きくして、アクチュエータ５４の制御力を支承の摩擦力（直動転がり支承２０のレール２８と移動ブロック３０との間に生じる免震構造５６全体の摩擦力）よりも小さくした場合でも、十分な免震効果（基礎免震層１８の変位低減、残留変形低減）が得られることがわかる。

また、ケース２〜５の上部建物１６の応答加速度は、０．０３ｇａｌ（＝２９．４ｃｍ／ｓ^２）となっている。一般的な免震構造の設計においては、上部建物の応答加速度を１００〜２００ｇａｌ程度としているので、このことからも上部建物１６に生じる振動が大きく低減されていることがわかる。

これまで説明したように、本発明の第１及び第２の実施形態（ケース２〜５）は、基礎免震層１８に生じる残留変形を低減するだけでなく、最大変位量を通常許容される程度に抑えることができ、これによって、免震性能の高い免震構造を実現することができる。

１０ 建築物
１４ 基礎（下部構造物）
１６ 上部建物（上部構造物）
２０ 直動転がり支承（滑り装置、免震支承）
２２、８４ セミアクティブダンパー
２４、５６、９０ 免震構造
２８ レール（下滑り部材）
３０ 移動ブロック（上滑り部材）
５４ アクチュエータ

Claims (7)

1. 下部構造物の上に上部構造物を支持すると共に前記下部構造物に対する前記上部構造物の相対移動を可能とする免震支承と、
   抵抗力Ｆ_０を生じさせて前記上部構造物に発生する振動を減衰するセミアクティブダンパーと、を有し、
   前記免震支承は、前記下部構造物の上面に取り付けられた下滑り部材と、前記上部構造物の下面に取り付けられ前記下滑り部材の上に支持される上滑り部材と、を有すると共に、前記下滑り部材と前記上滑り部材との間に生じる摩擦力よりも大きな水平力が前記上部構造物に作用したときに、前記下滑り部材と前記上滑り部材との間に滑りを生じさせて前記下部構造物に対して前記上部構造物を相対移動させる滑り装置であり、
   前記セミアクティブダンパーの正負のストローク変位量をδ、定数をα、前記δを時間微分したストローク速度をδ’とすると、
   式（１）によって求められるＳが正となったときに前記上部構造物に−Ｆ_０を付与可能な状態にし、
   式（１）によって求められるＳが負となったときに前記上部構造物にＦ_０を付与可能な状態にする免震構造。
   
2. 制御力Ｐ_０の出力により前記上部構造物に発生する振動を制御するアクチュエータを有し、
   前記アクチュエータの正負のストローク変位量をδ、定数をα、前記δを時間微分したストローク速度をδ’とすると、
   前記式（１）によって求められるＳが正となったときに前記上部構造物に−Ｐ_０を作用させ、
   前記式（１）によって求められるＳが負となったときに前記上部構造物にＰ_０を作用させる請求項１に記載の免震構造。
3. 前記滑り装置は、直動転がり支承である請求項１又は２に記載の免震構造。
4. 前記アクチュエータの制御力Ｐ _０ は、前記下滑り部材と前記上滑り部材との間に生じる摩擦力よりも大きい請求項１〜３の何れか１項に記載の免震構造。
5. 前記セミアクティブダンパーは、前記上部構造物に発生する振動を制御する力を出力するアクティブダンパーとして機能させることが可能である請求項１〜４の何れか１項に記載の免震構造。
6. 請求項２〜５の何れか１項に記載の免震構造の設計方法において、
   前記セミアクティブダンパーの抵抗力Ｆ _０ と、前記アクチュエータの制御力Ｐ _０ と、前記下滑り部材と前記上滑り部材との間に生じる摩擦力との合計を前記上部構造物の重量で除した値が、前記上部構造物の設計加速度を９８０ｃｍ／ｓ ^２ で除した値となるように、前記抵抗力Ｆ _０ 、前記制御力Ｐ _０ 、及び前記摩擦力を設定する免震構造の設計方法。
7. 請求項１〜５の何れか１項に記載の免震構造を有する建築物。