JP5413681B2

JP5413681B2 - ３次元免震システム

Info

Publication number: JP5413681B2
Application number: JP2010176480A
Authority: JP
Inventors: 雄一郎小川; 和彦磯田
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2010-08-05
Filing date: 2010-08-05
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2030-08-05
Also published as: JP2012036612A

Description

本発明は建物を対象とする３次元免震システムに関する。

この種の３次元免震システムとして特許文献１に示されるものが提案されている。これは、積層ゴムと空気バネとを組み合わせて水平方向と鉛直方向（上下方向）の免震を行う３次元免震装置によって建物を免震支持するとともに、建物の対角位置に配置した対のオイルダンパーによって建物のロッキングを抑制するようにしたものである。

特開２００８−２９１９１８号公報

上記従来の３次元免震システムでは、フレームの上下に積層ゴムと空気バネを一体化した３次元免震装置を用いているが、そのような形態の３次元免震装置を大型化することには自ずと限界があり、したがって大規模な建物に適用する場合には多数の３次元免震装置を用いる必要があり、コストおよび施工性の点で難がある。
また、上記従来の３次元免震システムでは、建物のロッキングを対角位置に配置した対のオイルダンパーにより抑制するようにしていることから、大規模な建物の場合には対のオイルダンパーどうしを接続するために長距離の油圧配管が必要であるばかりでなく、平面形状が不整形あるいは複雑な形態の建物では双方のオイルダンパーを最適位置に配置できない場合もある。

以上のことから、上記従来の３次元免震システムは様々な規模、形態の建物に広く適用できるものではなく、それを可能とする有効適切なシステムの開発が必要とされているのが実状である。

上記事情に鑑み、本発明は、免震ピット内に免震基礎を上下免震装置としての空気バネにより上下方向に免震支持するとともに、前記免震基礎上に建物を積層ゴムや滑り支承等の水平免震装置により水平方向に免震支持してなる３次元免震システムであって、前記免震基礎の外周部と前記免震ピットの側壁との間に、前記免震基礎の上下振動を許容しつつ水平変形を拘束する水平変位拘束機構としての積層ゴムを介装するとともに、前記免震基礎の周縁部と免震ピットの底面との間に、該免震基礎上に支持されている前記建物のロッキングを抑制するためのロッキング抑制装置を介装し、前記ロッキング抑制装置を、前記免震ピット内における前記免震基礎の上下振動によって作動する回転慣性質量ダンパーと該回転慣性質量ダンパーと直列に接続した付加バネとからなるＴＭＤ機構により構成し、該ＴＭＤ機構の固有周期を前記建物のロッキング周期に同調させてなることを特徴とする。

本発明の３次元免震システムでは、免震基礎の上下に水平免震装置としての積層ゴムと上下免震装置としての空気バネをそれぞれ独立に設置したので、システム全体の構成が充分に簡略であり、各ディバイスとしてはいずれも信頼性に優れた汎用製品を使用可能であり、免震対象の建物の規模や平面形状に応じて積層ゴムと空気バネをそれぞれ最適位置に配置することが可能であり、したがって様々な用途、規模、形態の建物に対して広く適用することが可能である。

特に、免震基礎の水平変位を拘束するための水平変位拘束機構としての積層ゴムを縦姿勢で使用して免震基礎の外周部と免震ピットの側壁との間に設置することにより、その積層ゴムによって免震基礎の上下振動を支障無く確保しつつ水平変形を有効に防止でき、したがって空気バネを確実に作動させ得て優れた上下免震効果が得られることはもとより、空気バネに無用な水平力が作用することがないので空気バネ自体には格別の水平変位拘束機構が不要である。

さらに、建物のロッキングを回転慣性質量ダンパーと付加バネとによるＴＭＤ機構により抑制することにより、小型軽量のＴＭＤ機構によって優れたロッキング抑制防止効果が得られることはもとより、対のオイルダンパーを同期作動させてロッキングを防止する従来システムのような複雑な機構を必要とせず、ＴＭＤ機構の設置位置も特に制約を受けることがないのでロッキングにより上下方向の変形が大きく生じる位置など任意の場所に最適配置することができ、したがって不整形あるいは複雑な形態の建物にも有効に適用することができる。

本発明の３次元免震システムの実施形態を示す立断面図である。同、平面図である。

本発明の３次元免震システムの実施形態を図１〜図２に示す。これは、免震ピット１内に免震基礎２を上下免震装置としての空気バネ３を介して上下方向に免震支持するとともに、その免震基礎２上に水平免震装置としての積層ゴム４を介して建物５を水平方向に免震支持したことを基本とするものである。

上記の免震基礎２は、図２に示すように建物５の柱の位置に対応して配置された基台２ａと、各基台２ａどうしを接続する梁２ｂおよび水平ブレース２ｃとにより構成されたフレーム状の構造体であって、それ自体が建物全体を支持するための基礎としての充分な剛性を有するものである。なお、この免震基礎２は鉄骨造とすることが現実的であるが、あるいはＲＣ造ないしＳＲＣ造その他の構造とすることも可能である。また、水平ブレース２ｃに替わってＲＣスラブとすることも可能である。

本実施形態では、図１および図２（ｂ）に示すように、免震ピット１の底面と各基台２ａとの間にそれぞれ３台あるいは８台の空気バネ３を介装しており、また、図１および図２（ａ）に示すように各基台２ａと建物５の底面との間にそれぞれ１台あるいは２台の積層ゴム４を介装しており、したがって建物５全体が積層ゴム４を介して免震基礎２に対して水平方向に免震支持され、かつ建物５および免震基礎２の全体が空気バネ３を介して免震ピット１に対して（すなわち地盤に対して）上下方向に免震支持されている。

なお、水平免震装置としての積層ゴム４としては鉛ダンパーを一体に組み込んだものや高減衰ゴムによる減衰性能を有するものも好適に採用可能である。また、本発明においては、水平免震装置として積層ゴム４に代えて滑り支承やローラ支承等の水平免震機構も採用可能である。

また、上下免震装置としての空気バネ３としては空気室を有するものが一般的であるが、本実施形態では基台２ａの近傍位置に補助タンク３ａを設置してそれを各空気バネ３に対して空気配管（図示略）により接続しており、それにより空気バネ３自体には大容量の空気室を確保する必要がなく、その分、空気バネ３を小型化して免震ピット１の所要深さを削減し得るものとなっている。

そして、本実施形態では、免震基礎２の各角部においてその外周部と免震ピット１の側壁との間に、免震基礎２の上下振動を許容しつつ水平変形を拘束するための水平変位拘束機構としての積層ゴム６が介装されている。この積層ゴム６は、上記の積層ゴム４のように水平免震装置として機能するように水平姿勢で設置されるものではなく、ここでは充分に小型のものが鉛直姿勢（縦置き）で設置されて上下方向には変形可能であるが水平方向には変形不能とされているものである。

したがって本実施形態のシステムでは、上記の積層ゴム６によって免震基礎２の上下振動（すなわち空気バネ３の作動）は支障無く許容されて、免震基礎２は上下方向にはスムーズに振動しつつもその水平振動は確実に拘束されるから、空気バネ３が確実に作動して優れた上下免震効果が得られるとともに、空気バネ３に無用な水平力が作用することが防止されるようになっている。

なお、特許文献１に示される３次元免震装置において使用されている空気バネのように、通常の空気バネにはそれ自体の水平変形を拘束するための機構が備えられることが通常であるが、本実施形態では上記のように積層ゴム６によって免震基礎２自体の水平変位が拘束されることから空気バネ３自体には格別の水平変形拘束機構は不要であり、その分、空気バネ３の構成を簡略化できる。

また、上記の積層ゴム６は通常のように水平免震装置として使用する場合に比べて変形量は小さいので高面圧化が可能であり、したがって積層ゴム６としては充分にコンパクトで安価な小振幅用のものを用いることで充分であるし、免震ピット１の側壁の任意の位置に対して単に固定することで容易に設置することが可能であり、免震基礎２との間の隙間の調整もたとえば鋼板プレート等をスペーサとして介装することで容易に行うことができるから、これを設置するために面倒な手間を要したりコスト的に大きな不利になることもない。

しかも、上記の積層ゴム６は、滑り材やシアキー方式などの一般的な水平変位拘束機構のように摩擦が生じるものでもないので力の流れが明快であり、力学モデル化も容易である。換言すれば、通常のように滑り材やシアキー方式によって免震基礎２の水平変位を拘束するような機構では、水平力を受けながら変形するためにそこに生じる摩擦力が上下方向の挙動に悪影響を及ぼし、その結果、摩擦力の影響を考慮した解析による確認が必要となるので、解析および設計が格段に煩雑である。

さらに、本実施形態のシステムでは、免震基礎２の周縁部と免震ピット１の底面との間に、建物５のロッキングを抑制するためのロッキング抑制装置としてのＴＭＤ機構（チューンド・マス・ダンパー機構）７が介装されている。
本実施形態のＴＭＤ機構７は、図１（ｃ）に示すように、免震基礎２の上下振動によって作動する回転慣性質量ダンパー８と、それに直列に接続された付加バネとしての板バネ９からなるもので、このＴＭＤ機構７の固有周期を建物５のロッキング周期に同調させることで建物５のロッキングを効果的に抑制し得るものである。

本実施形態におけるＴＭＤ機構７としては、例えば特開２００９−１７４６７７号公報に開示されている制振機構が好適に採用可能である。
すなわち、回転慣性質量ダンパー８としては、免震基礎２の上下振動をボールねじ機構により回転錘（フライホイール）の回転運動に変換することにより大きな回転慣性質量が得られる周知の回転慣性質量ダンパーが好適に採用可能である。

また、回転慣性質量ダンパー８に直列に接続する付加バネとしては、コイルバネや皿バネ等の適宜のバネ要素、ないしバネ要素として機能し得る適宜の部材を任意に採用可能であるが、特に図１（ｃ）に示すように板バネ９の両端部を免震基礎２の下面に対して支持具１０により支持したうえで、その板バネ９の中央部に対して回転慣性質量ダンパー８を接続すると良い。

この場合、ＴＭＤ機構７の同調に際しては、板バネ９自体の剛性のみならず支持具１０の相互間隔（すなわち支持具１０による板バネ９の支持間隔）を調整することで板バネ９の剛性をトータルで評価して調整することが可能である。具体的には、同調周期の概略的な調整を板バネ９自体の剛性の設定により行ったうえで、支持具１０による支持間隔を調整することで同調周期を精度良く微調整することができる。また、同調周期を変更する必要が生じた場合には板バネ９自体を交換せずとも支持具１０の相互間隔を調整することのみで対処することも可能である。

なお、上記のＴＭＤ機構７によりロッキングを有効に抑制するためには、ＴＭＤ機構７を可及的に免震基礎２の外周縁部に設置することが好ましく、図示例のように平面形状が矩形の建物５の場合には短辺方向のロッキングに対して有効となるように建物５の４か所の隅角部における各面に対してそれぞれＴＭＤ機構７を設置すれば良く、通常はそれで充分な効果が得られる。
但し、建物５が不整形であったり平面形状が複雑であるような場合には、建物５の平面形状に対応してロッキング振動が顕著に生じる方向を考慮したうえで、想定されるロッキングを有効に抑制し得るようにＴＭＤ機構７を最適位置に配置すれば良い。

また、周知のように、回転慣性質量ダンパーによらない通常のＴＭＤ機構では付加マス質量は大きいほど有効であるが、付加マス質量を徒に大きくすると建物に対する負担が過度に増大するから、通常は付加マス質量を主構造振動系マスの有効質量の1.0〜数％程度とすることが限界であり、したがって通常のＴＭＤ機構では振動低減効果にも自ずと限界がある。
それに対し、本発明のように回転慣性質量ダンパー８を利用したＴＭＤ機構７によれば、回転により拡大した慣性質量を付加マス質量として利用するため実際の質量の数百倍〜数千倍もの有効質量が得られるから、付加マス質量を主構造振動系マスの10〜100％程度まで使用しても大きな負担にならず、そのため、小質量の回転錘による小型軽量の回転慣性質量ダンパー８によっても充分な振動低減効果が得られて優れたロッキング抑制効果が得られる。

本発明におけるロッキング抑制装置としてのＴＭＤ機構７の具体的な設計例を以下に示す。
免震対象として、地上３階建て（地下無し）、建築面積約300m²（18m×15m）、構造形式はＲＣ造、柱8本（柱１か所当たりの最大長期軸力が約2000kN）の建物を想定する。
水平免震装置としての積層ゴム４を600φ×8基とする。上下免震装置としての空気バネ３を950φとし、3台並設タイプ×4基、4台並設タイプ×4基（8台並設タイプ×2基）とし、1基当たりのバネ定数を9.45kN/cmとする。
主構造系の有効質量M＝400ton（柱２本分の軸力に相当）、付加マス比ψ／M＝100％として、回転慣性質量ψ＝400tonとする。このような回転慣性質量ダンパー８は、外径400φ程度、長さ1200mm程度以下で設計、製作することができる。
ロッキング周期は水平方向の免震周期と同じ周期が卓越すると考えられることから、水平方向１次周期をT_H＝3.0秒と仮定すれば、付加バネとしての板バネ９の剛性K₁は
T_H＝2π×√(ψ/K₁) より、K₁＝(2π/T_H)²×ψ＝17.5kN/cm
とすれば良い。
なお、上記のようにＴＭＤ機構７を水平方向の１次周期と同等（たとえばT_H＝3.0秒）のロッキング振動周期に同調することにより、比較的短周期（たとえば1.0秒以下）が卓越する上下方向の振動に対して悪影響を与える懸念はない。

以上で説明したように、本実施形態の３次元免震システムでは、免震基礎２の上下に水平免震装置としての積層ゴム４と上下免震装置としての空気バネ３をそれぞれ独立に設置したものであって、特許文献１に示される従来のシステムのように積層ゴムと空気バネとを一体化した３次元免震装置を用いるものではなく、したがってシステム全体の構成の簡略化を図ることができるし、各ディバイスはいずれも信頼性に優れた汎用製品を使用可能であり、また免震対象の建物５の規模や平面形状に応じて免震基礎２の上下に積層ゴム４と空気バネ３をそれぞれ最適位置に配置することが可能であり、したがって本発明の３次元免震システムは様々な用途、規模、形態の建物に対して広く適用することが可能である。
また、建物５が増築されるなどしてその重量や形態が変化したような場合には、積層ゴム４や空気バネ３の設置台数やその容量、位置をそれぞれ独立に変更可能であるから、将来的な増築や改修にも幅広く対処することが可能である。

また、免震基礎２の水平変位を拘束するために積層ゴム６を縦姿勢で使用して免震基礎２と免震ピット１の側壁との間に介装することにより、その積層ゴム６によって免震基礎２の上下振動を確保しつつ水平振動を有効に防止でき、したがって空気バネ３を確実に作動させ得て優れた上下免震効果が得られるとともに、空気バネ３に無用な水平力が作用することが防止されて空気バネ３自体には格別の水平変形拘束機構が不要となり、その構成を簡略化することができる。

さらに、建物５のロッキングを回転慣性を利用したＴＭＤ機構７により抑制するようにしたので、小型軽量の回転慣性質量ダンパー８と板バネ９とによるＴＭＤ機構７によって優れたロッキング抑制防止効果が得られることはもとより、特許文献１に示される従来のシステムのように対のオイルダンパーを同期作動させるための複雑な機構を必要としないし、ＴＭＤ機構７の設置位置も特に制約を受けることがないでの最適位置に配置することができ、したがって不整形あるいは複雑な形態の建物にも有効に適用することができる。

以上で本発明の実施形態を説明したが、上記実施形態はあくまで好適な一例であって本発明は上記実施形態に限定されるものでは勿論なく、水平免震装置、上下免震装置としての空気バネ、水系変位拘束機構としての積層ゴム、ロッキング抑制装置としてのＴＭＤ機構、ＴＭＤ機構を構成する回転慣性質量ダンパーや付加バネの具体的な構成その他の細部については、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な設計的変形や応用が可能であることはいうまでもない。

１免震ピット
２免震基礎
２ａ基台
２ｂ梁
２ｃ水平ブレース
３空気バネ（上下免震装置）
４積層ゴム（水平免震装置）
５建物
６積層ゴム（水平変位拘束機構）
７ＴＭＤ機構（ロッキング抑制装置）
８回転慣性質量ダンパー
９板バネ（付加バネ）
１０支持具

Claims

免震ピット内に免震基礎を上下免震装置としての空気バネにより上下方向に免震支持するとともに、前記免震基礎上に建物を積層ゴムや滑り支承等の水平免震装置により水平方向に免震支持してなる３次元免震システムであって、
前記免震基礎の外周部と前記免震ピットの側壁との間に、前記免震基礎の上下振動を許容しつつ水平変形を拘束する水平変位拘束機構としての積層ゴムを介装するとともに、
前記免震基礎の周縁部と免震ピットの底面との間に、該免震基礎上に支持されている前記建物のロッキングを抑制するためのロッキング抑制装置を介装し、
前記ロッキング抑制装置を、前記免震ピット内における前記免震基礎の上下振動によって作動する回転慣性質量ダンパーと該回転慣性質量ダンパーと直列に接続した付加バネとからなるＴＭＤ機構により構成し、該ＴＭＤ機構の固有周期を前記建物のロッキング周期に同調させてなることを特徴とする３次元免震システム。