JP5639508B2 - 免震装置 - Google Patents

Description

本発明はたとえば橋梁や建物等の構造物を免震支持するための免震装置に関する。

周知のようにこの種の免震装置としては積層ゴムによるものが最も一般的であるが、積層ゴムからなる免震装置はそれ自体では減衰力が小さいために、稀に発生するような大地震の際に十分な免震効果（免震対象構造物の慣性力の低減効果）が得られない場合がある。

そのため、かつては積層ゴムに鉛プラグを組み込んで減衰機能を持たせることも行われていたが、最近では環境問題から鉛の使用が困難であることから、それに代わる有効適切な手法が模索され、たとえば特許文献１に示されるように湾曲状部材からなる減衰機構をアイソレータと組み合わせた免震装置や、特許文献２に示されるように線材を含有した樹脂からなる複合体ダンパーを積層ゴムに組み込むことが提案されている。

なお、たとえば特許文献３〜７に示されるように、積層ゴムにワイヤーやチェーン等の紐状体を組み込むことによって過大変形を拘束する技術の提案がある。

特開２００４−３４０３０１号公報 特開２００６−４６４７４号公報 特開平９−６７９５６号公報 特開平９−１９５３９１号公報 特開２００２−８１４９７号公報 特開２００４−３６６４８号公報 特開２００９−２２８８５１号公報

しかし、特許文献１、２に示されるものでは、免震装置全体としての全体構成が複雑化し、したがってコスト高となってしまうばかりでなく、減衰力を精度良く調整することも困難であるし、減衰機構や複合体ダンパーが大地震時に損傷を受けた場合にはその交換や補修も容易ではなく、その点で必ずしも有効ではなく普及するに至っていない。
また、特許文献３〜７に示されるものは、高強度のワイヤーやチェーン等の紐状体により積層ゴムの大地震時における過大な変形を制限してその破壊を防止し衝撃を緩和することが可能であるものの、紐状体自体は減衰機能を有するものではないので他に何らかの減衰機構を必要とする。

上記事情に鑑み、本発明は簡易な構成でありながら優れた減衰機能を有する有効適切な免震装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、構造物と該構造物を支持する支持構造物との間に介装されて、前記構造物を前記支持構造物に対して相対振動可能に免震支持するための免震装置であって、前記構造物と前記支持構造物との間に生じる相対振動によって弾性的に変形して前記構造物を前記支持構造物に対して免震支持する装置本体と、該装置本体に付設されて該装置本体の振動を減衰せしめる減衰機構とからなり、前記減衰機構は、前記装置本体の両端間に架け渡されて該装置本体の変形により引張荷重を受けるとともに所定の引張荷重を受けた際に破断して振動エネルギーを吸収する繊維材からなり、前記減衰機構は前記装置本体に対して着脱自在に設けられており、破断した前記繊維材を交換可能に構成されていることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の免震装置であって、前記装置本体は、前記支持構造物としての下部構造と前記構造物としての上部構造との間に介装されて前記構造物を前記支持構造物に対して水平方向に免震支持するための免震ゴムであり、前記繊維材は、前記免震ゴムの側部に上下方向に沿うように配置されてその両端が前記免震ゴムの上下の取付治具に対して係止されることにより、前記免震ゴムが水平方向に弾性変形して前記上下の取付治具間に水平方向の相対変位が生じた際に該繊維材に引張荷重が作用するものとされ、かつ該繊維材は前記上下の取付治具間に許容値を超える相対変位が生じた際に破断するようにその破断強度が設定されてなることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の免震装置であって、前記免震ゴムの側部に複数の繊維材を並設するとともに、前記上下の取付治具間に生じる相対変位によって各繊維材に対して段階的に引張荷重が作用して各繊維材が段階的に破断するように各繊維材の長さおよび／または鉛直方向に対する傾斜角が設定されてなることを特徴とする。

本発明の免震装置は、繊維材を減衰機構として機能せしめて大地震時には繊維材の破断によるエネルギー吸収効果によって優れた免震効果が得られる。
特に、本発明の免震装置は、通常の免震ゴムに対して繊維材を付加するという極めて簡略な構成であり、したがって低コストで製作することができるものであるし、大地震により繊維材の一部あるいは全てが破断した場合にはそれを新規なものに交換するだけで容易にかつ速やかに復旧させることができ、しかも繊維材の破断状況を確認することによって免震ゴムの最大変形量の推定やその健全性を評価するための指標として利用することもできる。

本発明の実施形態である免震装置の概略構成図である。 同、繊維材の特性を示す図である。 同、繊維材の特性を示す図である。 同、免震装置全体の特性を示す図である。

図１は本発明の実施形態である免震装置１０の概略構成を示すものである。
本実施形態の免震装置１０は、上部構造としての構造物１（具体的には橋梁や建物等）を下部構造としての支持構造物２（具体的には橋脚や基礎等）との間に介装されることにより、構造物１を水平一方向（図１（ａ）における左右方向。図１（ｂ）においては紙面に直交する方向）に免震支持するためのものであり、装置本体としての免震ゴム１１と、それに付設された減衰機構としての繊維材１２からなるものである。

装置本体としての免震ゴム１１としては周知の積層ゴムを用いれば良く、通常のようにその上下にそれぞれ設けられている取付治具１３，１４を構造物１および支持構造物２に対して固定することによってそれらの間に介装すれば良い。

減衰機構としての繊維材１２は、免震ゴム１１の側部において上下方向に沿うように配置されてその両端が上下の取付治具１３，１４に対して係止されているものである。本実施形態では、繊維材１２を所定長のループ状としてその両端を上下の取付治具１３，１４に固定したボルト等の係止具１５に対して係止することにより免震ゴム１１に対して装着している。
なお、図示例では５本の繊維材１２を１組として用いており、それら１組５本の繊維材１２を免震ゴム１１の中心軸線（つまり鉛直線）に対してやや傾斜させかつほぼ平行とした状態でそれらの全体を振動方向に沿って並設することを基本としている。
そして、免震ゴム１１の前面側および背面側においてそれぞれ２組ずつの繊維材１２を逆側に傾斜させた状態で対称的に配置しており、したがって全体では４組２０本の繊維材１２が免震ゴム１１の前面側および背面側に設置されたものとなっている。

上記の繊維材１２は、免震ゴム１１の上下の取付治具１３，１４間に跨ってそれらの間に架け渡されていることから、地震時に免震ゴム１１が振動方向に変形して上下の取付治具１３，１４間に水平方向の相対変位が生じた際には、振動方向に沿う方向に傾斜している組の各繊維材１２に対して引張荷重が作用してそれらに引張力が発生し、逆方向に傾斜している組の繊維材１２は弛むことになる。
具体的には、通常時（免震ゴム１１に変形が生じていない状態）においては各繊維材１２を若干の弛みを持たせた状態で張設しておいて、免震ゴム１１に微小変形が生じた程度では各繊維材１２に引張力が生じないようにしておく。
その状態から、地震時に免震ゴム１１が水平方向に変形して上下の取付治具１３，１４間の相対変位がある値を超えると、いずれか一方の組の繊維材１２が引張側となって弛みがなくなり、変位がさらに大きくなるとそれらの繊維材１２に引張荷重が作用して水平変位に対抗する引張力が生じる。たとえば、図１（ａ）において構造物１が支持構造物２に対して右方に相対変位した際には、右側に設置されている１組５本の繊維材１２は単に弛むだけであるが、左側に設置されている１組５本の繊維材１２が引張側となってそれらに引張力が発生してその方向への変位に対抗し、この免震装置１０全体としての剛性を増大させる。

そして、本実施形態では、大地震時において免震ゴム１１が想定以上の変形を生じて上下の取付治具１３，１４間に許容値を超える相対変位が生じた際には、各繊維材１２が段階的に破断強度を超える引張荷重を受けて段階的に破断していくように各繊維材１２の破断強度や免震ゴム１１に対する設置パターンが予め厳密に設定されており、それにより大地震時には各繊維材１２が振動エネルギーを段階的に吸収していき、最終的には全ての繊維材１２が破断することにより優れた減衰機能が発揮されるようになっている。

この場合、繊維材１２が破断に達する水平変位は、繊維材１２の破断強度と各繊維材１２の長さ、および免震ゴム１１の中心軸線（すなわち鉛直線）に対する傾斜角度によって決定されるから、本実施形態では水平変位の許容値に応じてそれらの仕様を最適に調整することによって各繊維材１２が段階的に順次破断していくように設定している。

具体的には、そのような設定を行うために、各繊維材１２の破断強度を均等にしたうえで、初期状態における傾斜角度を同一として繊維材１２の長さを調整するか、あるいは繊維材１２の長さを均等にして傾斜角度を調整すると良い。
前者は、図２（ａ）に示すように各繊維材１２の傾斜角度θを均等（したがって各繊維材１２を平行）として各繊維材１２の固定間距離を等しくしておくが、各繊維材１２の長さを基準長l₁に対してΔl₁の差を順次もたせることにより、短い繊維材１２から順次破断させるものである。この場合の水平変位と各繊維材１２の引張力の関係（長さがΔl₁ずつ異なる４本の繊維材の場合の例を示す）は、図２（ｂ）に示すように長さに応じて平行移動するような挙動を呈することになる。
後者は、図３（ａ）に示すように各繊維材１２の長さを均等としてそれぞれの傾斜角度θ（θ₁、θ₂…）にわずかな差をもたせておくことにより、傾斜角度θが小さい（水平に近い）繊維材１２から順次破断させるものである。この場合の水平変位と各繊維材１２の水平変位と引張力の関係は、図３（ｂ）に示すように傾斜角度に応じて変形方向に拡大するような挙動を呈することになる。

本実施形態における繊維材１２は、基本的には十分な引張強度と変形性能を有するものであるが、上記のように所定の破断強度に達した時点で破断するような特性を有することが必要であるから、その素材としてはたとえばアラミド繊維、ガラス繊維、炭素繊維等のいわゆる高強度（ないし高機能）補強繊維材料が好適に採用可能である。
この種の繊維材料は破断強度に達した後にも一気に引張力を失わずに変形を大きくしながら荷重が下がっていき、それによりエネルギー吸収材料として良好な特性を示すものであるので、本発明における繊維材１２の素材として最適である。

特に、本発明の繊維材１２としては上記のような繊維材料を撚り線状の繊維束としてそれを所要本数束ねて適宜の被覆材により被覆することが好ましく、それにより各繊維が容易にばらけたり材料劣化を生じるようなことを防止できるばかりでなく、破断強度に達するまでは非線形の応答を示しながら荷重と変位が増大していき、破断強度を超えると各繊維が徐々に破断していって荷重が次第に減少しながら変位が次第に増大していき、最終的に被覆材や全ての繊維が破断した時点で大きな変形を生じることになり、そのような段階を経ることで優れた減衰効果が得られるものである。

本実施形態の免震装置１０は、ある程度の頻度で発生する中小地震に対しては免震ゴム１１のみの一般的な免震装置として応答し、稀に発生する大地震によって免震ゴム１１が過大変形した際には繊維材１２が減衰機構として機能してその破断によるエネルギー吸収効果が発揮され、したがって大地震時においても優れた免震効果を得ることができる。

図４は、図１に示したように通常の免震ゴム１１に対して４組２０本の繊維材１２からなる減衰機構を適用した免震装置１０に対して水平方向に繰り返し載荷を行った場合の応答特性を示すものである。
この図から、繊維材を設置した場合の応答（実線で示す）はそれがない場合の応答（破線で示す）に比べて大変形領域において繊維材の引張力が発揮されて荷重が大きくなっていることが分かる。また、繊維材の破断が順次生じることから荷重の増大が変位に対して連続的に発生しており、その結果、エネルギー吸収量を表す包絡線で囲まれる面積を比較すると、繊維材ありの場合の方が著しく大きく、大きな減衰が得られていることが分かる。

以上のように、本発明の免震装置１０は、繊維材１２が大地震時における減衰機構として有効に機能して優れたエネルギー吸収効果が得られることから、大地震時に想定を超えた大変形が生じると自ずと大きな減衰力が付加されて優れた免震効果が得られるものであり、大地震による構造物１の被害を防ぐことが可能である。
しかも、大地震により全ての繊維材１２が破断してしまったとしても、装置本体としての免震ゴム１１自体が健全である限りはそれ自体が従来一般の免震ゴムとしての機能をそのまま維持し続けるから、余震に対しても対応することが可能である。

そして、本発明の免震装置１０は、通常の免震ゴム１１に対して上記の繊維材１２を付加するという極めて簡略な構成であるから、減衰機構として特殊な湾曲状部材や複合体ダンパーを減衰機構として用いる従来の免震装置に比べて構成が遙かに簡略であり、したがって低コストで製作することができるものであるし、大地震により繊維材１２の一部あるいは全てが破断した場合にはそれを新規なものに交換するだけで容易にかつ速やかに復旧させることができる。
また、地震後に繊維材１２の破断状況を確認することによって免震ゴム１１の最大変形量を推定することができるから、地震によって免震ゴム１１が受けた影響の大きさを判定してその健全性を評価するための指標として利用することもできる。

なお、上記実施形態のように免震ゴム１１に繊維材１２を装着するという構成自体は、特許文献３〜７に示されるように免震ゴム（積層ゴム）にワイヤーやチェーン等の紐状体を装着するという構成と外観上の類似が認められなくもないが、本発明は免震ゴム１１の過大変形時に繊維材１２を減衰機構として機能せしめるべくそれを破断させて振動エネルギーを吸収することを要旨とするものであるのに対し、特許文献３〜７に示されるものはいずれも紐状体を単に拘束機構として機能せしめて免震ゴムの過大変形を拘束する（したがって当然に紐状体は大地震時に破断されてしまうものであってはならない）ものであるから、両者はその目的も機能も効果も全く異なるものであることはいうまでもない。

以上で本発明の一実施形態について説明したが、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、繊維材の設置本数や設置間隔、免震ゴムに対する装着の形態その他の仕様は本発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々に設計すれば良く、特に以下のような実施形態も考えられる。

上記実施形態は橋梁等を対象とする水平一方向の免震装置への適用例であることから、免震ゴム１１の前面側および背面側にのみ繊維材１２を配設したが、通常の免震建物のように水平二方向の免震装置に適用する場合には免震ゴム１１の周囲全体にわたって繊維材を同様に設置すれば良い。
勿論、本発明の免震装置は水平振動に対する免震装置として適用するのみならず上下振動に対する免震装置としても同様に適用することができるものであり、その場合には免震装置全体を横向き姿勢としてその中心軸線が水平方向となるように設置すれば良い。

上記実施形態では複数の各繊維材１２を並設するようにしたが、必ずしもそうすることはなく、所望の減衰性能が得られる場合には単一の繊維材を設置することでも良い。
また、上記実施形態では並設した複数の繊維材を段階的に破断させるようにしたが、必ずしもそうすることはなく、全ての繊維材１２を同時に破断させて一気に大きな減衰力を得ることもできる。
さらに、各繊維材１２を段階的に破断させる場合においては、上記実施形態のように各繊維材１２の破断強度を均等にしたうえでそれらの長さあるいは傾斜角度を調整することが現実的ではあるが、各繊維材の長さと傾斜角度の双方を調整することでも良いし、さらに可能であれば各繊維材の破断強度自体を段階的に調整することでも良く、要は免震ゴムの過大変形時に各繊維材が段階的に破断していって所望の免震効果が得られるように最適にかつ精度良く調整すれば良い。

１ 構造物（上部構造）
２ 支持構造物（下部構造）
１０ 免震装置
１１ 免震ゴム（装置本体）
１２ 繊維材（減衰機構）
１３，１４ 取付治具
１５ 係止具

Claims (3)

1. 構造物と該構造物を支持する支持構造物との間に介装されて、前記構造物を前記支持構造物に対して相対振動可能に免震支持するための免震装置であって、
   前記構造物と前記支持構造物との間に生じる相対振動によって弾性的に変形して前記構造物を前記支持構造物に対して免震支持する装置本体と、該装置本体に付設されて該装置本体の振動を減衰せしめる減衰機構とからなり、
   前記減衰機構は、前記装置本体の両端間に架け渡されて該装置本体の変形により引張荷重を受けるとともに所定の引張荷重を受けた際に破断して振動エネルギーを吸収する繊維材からなり、
   前記減衰機構は前記装置本体に対して着脱自在に設けられており、破断した前記繊維材を交換可能に構成されていることを特徴とする免震装置。
2. 請求項１記載の免震装置であって、
   前記装置本体は、前記支持構造物としての下部構造と前記構造物としての上部構造との間に介装されて前記構造物を前記支持構造物に対して水平方向に免震支持するための免震ゴムであり、
   前記繊維材は、前記免震ゴムの側部に上下方向に沿うように配置されてその両端が前記免震ゴムの上下の取付治具に対して係止されることにより、前記免震ゴムが水平方向に弾性変形して前記上下の取付治具間に水平方向の相対変位が生じた際に該繊維材に引張荷重が作用するものとされ、かつ該繊維材は前記上下の取付治具間に許容値を超える相対変位が生じた際に破断するようにその破断強度が設定されてなることを特徴とする免震装置。
3. 請求項２記載の免震装置であって、
   前記免震ゴムの側部に複数の繊維材を並設するとともに、前記上下の取付治具間に生じる相対変位によって各繊維材に対して段階的に引張荷重が作用して各繊維材が段階的に破断するように各繊維材の長さおよび／または鉛直方向に対する傾斜角が設定されてなることを特徴とする免震装置。

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