JP6152599B2 - 免震構造物のフェイルセーフ機構 - Google Patents

Description

本発明は、免震構造物のフェイルセーフ機構に関し、詳しくは、過大な水平変位を抑制する免震構造物のフェイルセーフ機構に関する。

従来、地震時の耐震安全性を実現するため、建物の浮き上がりを利用することが提案されている。

例えば、図１２の断面図に示す免震装置は、建物１０２の下部に、建物重量を支持する略楕円形状のロッキングボール１０４を複数個設け、地震時の水平方向の運動の一部を、ロッキングボール１０４の転動によって上下方向の運動に変換し、建物基部１０６から建物１０２に伝達される地震動を低減する。また、図１３の断面図に示す耐震構造１１０は、建物１０２を三角形の支持部材１１４で支持し、地震により所定以上の水平力が作用したときに、支持部材１１４は、支持部材１１４の底面部１１８の一方の頂点部１２０を支点とし、他方の頂点部１２２が建物とともに浮き上がるように回動する（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。

特開２０１０−１２１４１３号公報 松下ほか、「建物に加わる震力の低減方法に関する研究」、日本建築学会論文報告集、昭和４１年４月、第１２２号、ｐ．１５−２２

ゴムなどの免震装置によって地震の揺れを減衰させ、建物に伝えないようにして地震の被害を減らす方法として免震構造が多く提案されている。この免震構造の場合、建物と地面とでは揺れ方が異なり、違う挙動を示すことになる。そのため、地中に建物の床面積よりも一回り大きな擁壁を構築し、地震が起きた際はその擁壁内で建物が揺れるような仕組みになっている。この擁壁の大きさは、これまでの地震の規模を考慮して設定された国土交通大臣告示や学会規準等にのっとって決定されており、十分なクリアランスがあるとされてきた。

しかし東北地方太平洋沖地震を受けて、今までの規模を超える地震が起こる可能性が示唆されている。地震動レベルがある限界を超えると、免震構造の建物の揺れがクリアランスを超え擁壁に衝突することとなり、建物の壁に衝撃が加わることで想定外の損傷を受ける可能性がある。

この免震建物基礎の擁壁への衝突を防ぐには、建物の揺れがクリアランスを超えなければよい。しかし、免震構造を新しいものにする、あるいはクリアランスを大きくするという対策は、コストと手間がかかり現実的ではない。また、免震構造の持つ特性を変えてしまうと、元々設計していた地震による建物の応答が変わってしまう。よって、免震構造の特性をできるだけ変えずに、建物の揺れをクリアランス内に収める方法が必要である。

本発明は、かかる実情に鑑み、水平変位が免震装置の限界に近づいてきた場合に水平変位の増加を抑制し、過大な水平変位による損傷を回避することができる、免震構造物のフェイルセーフ機構を提供しようとするものである。

本発明は、上記課題を解決するために、以下のように構成した免震構造物のフェイルセーフ機構を提供する。

免震構造物のフェイルセーフ機構は、（ａ）下向きの第１の水平面を有する上部構造体と、（ｂ）前記第１の水平面に対向する上向きの第２の水平面を有する下部構造体と、（ｃ）前記上部構造体と前記下部構造体との間の上下方向隙間に取り付けられ、前記上部構造体を水平免震状態にする免震装置と、（ｄ）前記上部構造体の前記第１の水平面と、前記下部構造体の前記第２の水平面との間に配置され、前記第１の水平面に対向する凸状の第１の曲面と、前記第２の水平面に対向する凸状の第２の曲面とを有する転動部材とを備える。前記上部構造体は、前記転動部材の頂点及びその近傍に対向する部分に、初期状態において前記転動部材の頂点及びその近傍との間に間隔を形成する凹部を有する。前記転動部材の前記第１の曲面と前記第２の曲面は、前記第１の曲面と前記第２の曲面とにそれぞれ接する互いに平行な一対の仮想平面の水平方向に対する傾きが増加すると、前記一対の仮想平面の間の間隔が増加するように形成されている。前記下部構造体に対する前記上部構造体の水平方向の相対移動距離が所定値を超えると、前記上部構造体の前記第１の水平面が前記転動部材の前記第１の曲面に接し、前記転動部材が前記上部構造体の前記第１の水平面と前記下部構造体の前記第２の水平面との間に挟まれた状態で回転して、前記上部構造体を上方に移動させる。

上記構成によれば、下部構造体に対する上部構造体の水平方向の相対移動距離（単に、「水平変位」ともいう。）が所定値以下であるときには、免震装置によって上部構造体を水平免震状態にすることができる。水平変位が所定値を超えると、転動部材は、上部構造体の第１の水平面と下部構造体の第２の水平面との間に挟まれた状態で回転する。この回転に伴って、上部構造体の第１の水平面と下部構造体の第２の水平面との間の距離が大きくなり、上部構造体は転動部材によって持ち上げられる。これによって、水平変位が所定値を超え、水平変位が免震装置の限界に近づいてきた場合に、水平変位の増加を抑制し、過大な水平変位による免震装置等の損傷を回避することができる。

好ましくは、前記転動部材は、前記初期状態において前記上部構造体の前記凹部との間に間隔を設けて前記凹部内に配置される当接部を有する。前記当接部は、前記下部構造体に対する前記上部構造体の水平方向の前記相対移動距離が所定値に達すると、前記凹部を形成する内面に当接する。

この場合、当接部が凹部の内面に当接することによって、転動部材が確実に回転を開始するため、動作の信頼性が向上する。

好ましくは、前記下部構造体は、前記第２の水平面から突出又は後退した変形部を有する。前記転動部材は、前記転動部材の回転に伴って解除可能に前記変形部に係合する係合部を有する。

この場合、転動部材が回転を開始するタイミングは、転動部材の第２の曲面と下部構造体の第２の水平面との間のすべりによってずれることがないため、動作の信頼性が向上する。

好ましくは、免震構造物のフェイルセーフ機構は、回転した前記転動部材を前記初期状態に戻す弾性部材を、さらに備える。

この場合、免震構造物のフェイルセーフ機構は、安定して繰り返し動作可能となる。

本発明によれば、水平変位が免震装置の限界に近づいてきた場合に水平変位の増加を抑制し、過大な水平変位による損傷を回避することができる。

免震構造物のフェイルセーフ機構の要部断面図である。（実施例１） 免震構造物のフェイルセーフ機構の要部断面図である。（実施例１） サイクロイドの説明図である。（実施例１） 実験装置の概略側面図である。（実施例１） 実験装置の概略斜視図である。（実施例１） 転動部材の断面図である。（実施例１） 実験結果のグラフである。（実施例１） 実験結果のグラフである。（実施例１） 免震構造物のフェイルセーフ機構の要部断面図である。（変形例１） 免震構造物のフェイルセーフ機構の要部断面図である。（変形例２） 免震装構造物のフェイルセーフ機構の要部断面図である。（変形例３） 免震装置の断面図である。（従来例１） 耐震構造の断面図である。（従来例２）

以下、本発明の実施の形態について、図１〜図１０を参照しながら説明する。

＜実施例１＞ 実施例１について、図１〜図８を参照しながら説明する。

図１は、実施例１の免震構造物のフェイルセーフ機構の初期状態の要部断面図である。図１に示すように、上部構造体４の下向きの第１の水平面４ａと、下部構造体２の上向きの第２の水平面２ａとが対向し、その間に、適宜個数（１個以上、好ましくは３個以上）の転動部材１０が配置されている。例えば、上部構造体４は免震対象である建物本体であり、下部構造体２は基礎部である。

転動部材１０は、略回転楕円体形状であり、上部構造体４の第１の水平面４ａに対向する凸状の第１の曲面１０ａと、下部構造体２の第２の水平面２ａに対向する凸状の第２の曲面１０ｂとを有する。初期状態における転動部材１０の第１の曲面１０ａと第２の曲面１０ｂは、第１の曲面１０ａと第２の曲面１０ｂとにそれぞれ接する互いに平行な一対の仮想平面の水平方向に対する傾きが増加すると、一対の仮想平面の間の間隔が増加するように、形成されている。

上部構造体４は、転動部材１０の頂点１０ｔ及びその近傍に対向する部分に、凹部４ｘが形成されている。転動部材１０は、頂点１０ｔ及びその近傍に、当接部１０ｐが形成されている。当接部１０ｐは、初期状態において、上部構造体４の凹部４ｘ内に、凹部４ｘを形成する内面との間に間隔を設けて配置されている。

下部構造体２には、変形部として、第２の水平面２ａから突出した突起２ｘが形成されている。転動部材１０の下部には、係合部として、突起２ｘが嵌まり込んで係合する孔１０ｑが形成されている。

図示していないが、上部構造体４と下部構造体２との間の上下方向隙間に免震装置が取り付けられ、上部構造体４は水平免震状態となっている。免震装置は適宜に選択すればよく、積層ゴム等の周知の構成のものを用いることができる。上部構造体４と下部構造体２との間に、水平方向の相対振動エネルギーを吸収するダンパーを設けてもよい。

次に、実施例１の免震構造物のフェイルセーフ機構の動作について説明する。

図１に示す初期状態から、上部構造体４が下部構造体２に対して水平方向に相対移動したときに、上部構造体４の下部構造体２に対する水平方向の相対移動距離（以下、「水平変位」ともいう。）が所定値に達するまで、水平変位は免震装置によって抑制される。

水平変位が増加して、転動部材１０と上部構造体４との間の間隔がなくなると、上部構造体４の凹部４ｘの内周面が、転動部材１０の当接部１０ｐに当接し、転動部材１０は回転を開始する。水平変位がさらに増加して、水平変位が所定値に達すると、転動部材１０の第１の曲面１０ａが上部構造体４の第１の水平面４ａとの接触を開始する。

水平変位が所定値を超えると、図２の要部断面図に示すように、上部構造体４の第１の水平面４ａが転動部材１０の第１の曲面１０ａに接しながら移動し、転動部材１０の第２の曲面１０ａが下部構造体２の第２の水平面２ａと接し、転動部材１０は上部構造体４の第１の水平面４ａと下部構造体２の第２の水平面２ａとの間に挟まれた状態で回転する。

初期状態における転動部材１０の第１の曲面１０ａと第２の曲面１０ｂは、第１の曲面１０ａと第２の曲面１０ｂとにそれぞれ接する互いに平行な一対の仮想平面の水平方向に対する傾きが増加すると、一対の仮想平面の間の間隔が増加するように形成されているため、転動部材１０の回転に伴って、上部構造体４の第１の水平面４ａと下部構造体２の第２の水平面２ａとの間の間隔が広げられ、その結果、上部構造体４は上方に移動する。すなわち、水平変位の一部の成分が、上部構造体４の上下方向の変位に変換される。これによって、水平変位が所定値を超え、水平変位が免震装置の限界に近づいてきた場合に、水平変位の増加を抑制し、過大な水平変位による免震装置等の損傷を回避することができる。

例えば、免震装置の免震ゴムが線形変形域で挙動する場合、上部構造体は水平方向にのみ運動しているとみなせる。その運動は、運動エネルギー及び免震ゴムのひずみエネルギーの、２タイプのエネルギーで釣り合っていると考えられる。それぞれのエネルギーは、次の式（１ａ）及び（１ｂ）で表すことができる。ｘは上部構造体の水平方向の変位、ｍは上部構造体の質量、ｋは免震ゴムのばね定数である。

転動部材が回転して上部構造体が上方に移動すると、上部構造体の位置エネルギーの要素も加え、３タイプのエネルギーで釣り合う。位置エネルギーは、次の式（２）で表すことができる。ｇは重力の加速度であり、ｈは上部構造体の上向きの変位である。

水平方向の変位がｘ_１を超えると上部構造体の上下方向の変位が発生し始めると仮定すると、ｘ_１≦ｘ_２のとき、式（１ａ）、（１ｂ）、（２）より、次の式（３）の運動方程式が成立する。

式（３）は、運動エネルギーと免震ゴムのひずみエネルギーが位置エネルギーに変換されていることを意味している。上部構造体に上向きの変位を生じさせることによって、位置エネルギー：ｍｇｈが増加すると、水平方向の変位：ｘ_２が減少するため、上部構造体の水平方向の最大変位を減少させることができる。

次に、転動部材１０の第１及び第２の曲面１０ａ，１０ｂの設計例について、図３を参照しながら説明する。

サイクロイドを用いて転動部材１０の第１及び第２の曲面１０ａ，１０ｂを形成する場合を例に挙げて説明する。なお、転動部材１０の第１及び第２の曲面１０ａ，１０ｂをサイクロイド以外の曲線を用いて形成することも可能である。

図３に示すサイクロイド８０をｙ軸の周りに回転することによって、転動部材１０の第１の曲面１０ａを形成する。この場合、ｙ軸に垂直な断面が円形になり、転動部材がどの方向に回転しても同じ特性となるため、好ましい。もっとも、ｙ軸に垂直な断面が、楕円形等の円形以外の形状になるようにすることも可能である。

サイクロイド８０の方程式は、次の式（４ａ）及び（４ｂ）で表せる。なお、サイクロイド８０がｙ軸に関して対称となるように、ｘ軸方向に−π移動させている。

サイクロイド８０と直線（接線）８２との接点を（ｘ_０，ｙ_０）、直線８２の傾きをΔとすると、直線は、次の式（５）で表せる。

直線と原点（０，０）との間の距離をｄとすると、ｄは、式（５）から導き出される次の式（６）によって、求めることができる。θ_０は、接点（ｘ_０，ｙ_０）でのθの値である。

また、頂点（０，２ａ）から接点（ｘ_０，ｙ_０）までのサイクロイド８０の長さは、次の式（７）によって、求めることができる。

第２の曲面１０ｂについても、同様の式が成り立つ。なお、第１の曲面１０ａと第２の曲面１０ｂは、ａの値が同じサイクロイドで形成しても、ａの値が異なるサイクロイドで形成してもよい。

式（６）を用いると、転動部材の回転に対応する上部構造体４の上下方向の変位を算出することができる。また、式（７）を用いると、転動部材の回転に対応する上部構造体の水平方向の変位を算出することができる。

次に、模型実験について、図４〜図８を参照しながら説明する。

図４は、実験装置５０の概略側面図である。図５は、実験装置５０の概略斜視図である。図４及び図５に示すように、実験装置５０は、基礎フレーム２０の上に、１層目の免震装置３０を介して、１層目のフレーム２２が支持され、１層目のフレーム２２の上に、２層目の免震装置３２及びシリンダ３４を介して、２層目の矩形枠状のフレーム２４が支持されている。

基礎フレーム２０は矩形形状を有し、１層目及び２層目のフレーム２２，２４は矩形枠形状を有する。基礎フレーム２０、１層目及び２層目のフレーム２２，２４は、鋼材を溶接した構造物である。

免震装置３０，３２及びシリンダ３４は、１層目及び２層目のフレーム２２，２４の四隅付近にそれぞれ配置した。免震装置３０，３２には、天然積層ゴム型免震支承を用いた。シリンダ３４は、上下方向にのみ自在に伸縮する。これにより、２層目のフレーム２４が上向きに移動しても、免震装置３０，３２に引張力は作用しない。

基礎フレーム２０上の２か所に台２１を固定し、台２１に対向するように、２層目のフレーム２４に、鉄製の天板２６を固定した。台２１と天板２６との間に、転動部材１０を配置した。

図６は、模型実験に用いた転動部材１０の断面図である。図中の寸法の単位は、ｍｍである。転動部材１０は、上下方向の軸１０ｙのまわりを回転する形状を有し、上下方向の軸１０ｙに垂直な断面は円形である。第１及び第２の曲面を形成する上下の曲線１０ｍ，１０ｎは、中心１０ｋを原点とし、水平方向の軸１０ｘ及び上下方向の軸１０ｙを、ｘ軸及びｙ軸として、前述の式（４ａ）及び（４ｂ）で定義されるサイクロイドである。

天板２６には、凹部として、円形の穴が形成され、この穴の内周面と、転動部材１０の上部に形成された当接部１０ｐとの間に隙間が形成されている。

転動部材１０の下部に形成された孔１０ｑの断面は、孔１０ｑの下部両端１０ｉ，１０ｊをそれぞれ中心とする半径７４ｍｍの円弧によって形成される。台２１の上面２１ａには、転動部材１０の孔１０ｑに嵌まり込む形状の突起（図示せず）を形成し、突起に転動部材１０の孔１０ｑを嵌めて、転動部材１０を位置決めした。

図４及び図５に示すように、実験装置５０の基礎フレーム２０を振動試験装置の振動台６０に固定し、２層目のフレーム２２の上に重り２８を載せた状態で、神戸海洋気象台で観測された阪神淡路大地震のときの地震波に相当する振動を振動台６０に加え、実験装置５０の各部の変位を計測した。具体的には、図６において矢印で示すように、外部に設けたレーザー変位計を用いて、基礎フレーム２０、１層目及び２層目のフレーム２２，２４の水平方向（図６においてｘ方向）の変位と、天板２６の上下方向（図６においてｚ方向）の変位とを計測し、１層目のフレーム２２に設けたレーザー変位計を用いて、１層目のフレーム２２に対する２層目のフレーム２４の上下方向（図６においてｚ方向）の変位を計測した。

図７及び図８は、実験結果のグラフである。横軸は、基礎フレーム２０に対する２層目のフレーム２４の水平方向の変位（各部の計測値の平均値）を示し、縦軸は、基礎フレーム２０に対する２層目のフレーム２４の上下方向の変位（各部の計測値の平均値）を示す。図７は、重り２８が１ｔの場合であり、図８は、重り２８が３ｔの場合である。図７及び図８から、重り２８が重い方が実験結果は理論値に近づくことが分かる。このことから、免震構造物のフェイルセーフ機構の動作特性は摩擦力に依存しており、転動部材１０に作用する面圧が重要であると考えられる。

以上に説明した実施例１の免震構造物のフェイルセーフ機構は、通常の範囲内ではこれまで通りの免震装置として機能し、水平変位が限界に近づいた場合にのみ、フェイルセーフ機構がその力を発揮する。エネルギー的には本機構は中立であり、弾性的に(線形)挙動するが、上下変位出現機構を免震装置の上部に組み込む際に、そこにダンパーを設置することによりエネルギー吸収をさせることも可能である。そのようなエネルギー吸収機構を組み込んだ場合には、上下動方向には制震構造として機能することになる。なお、生じる上下動は水平動の変位に比べて極めて小さく、本機構は大変優れたエネルギー変換機能を有しているということができる。

転動部材には、上部構造体の水平変位が所定値を超えたときにのみ、上部構造体の荷重が作用し、常時は、上部構造体の荷重が作用しない。そのため、上部構造体の荷重が転動部材に常に作用している場合に比べ、長期間の信頼性が高く、メンテナンスも容易になり、小型化も容易である。さらに、免震装置で支持された既設の建物に、免震構造物のフェイルセーフ機構を追加することも容易である。

次に、変形例１〜３について、図９〜図１１を参照しながら説明する。

＜変形例１＞ 図９の要部断面図に示すように、下部構造体２の第２の水平面２ａに、変形部として、第２の水平面２ａから後退した凹部２ｙを形成する。転動部材１０ｕの下部に、係合部として、凹部２ｙに嵌まり込んで係合する突起１０ｒを形成する。突起１０ｒは、転動部材１０ｕの回転に伴って、凹部２ｙとの係合が解除される。

＜変形例２＞ 図１０の要部断面図に示すように、上部構造体４の凹部４ｘ内に配置される当接部をなくした転動部材１０ｖを用いる。水平変位が所定範囲を超え、上部構造体４の第１の水平面４ａが転動部材１０ｖの第１の曲面１０ａに接すると、転動部材１０ｖは回転を開始する。このとき、上部構造体４の第１の水平面４ａと転動部材１０ｖの第１の曲面１０ａとの間ですべりが発生すると、転動部材１０ｖが回転を開始するタイミングが遅れる。

これに対し、実施例１の転動部材１０のように当接部１０ｐを設けると、転動部材１０が回転を開始するタイミングが遅れることはないため、好ましい。

＜変形例３＞ 図１１の要部断面図に示すように、転動部材１０と、下部構造体２の第２の水平面２ａとの間に、皿ばね１１ａや、引張ばね１１ｂ等の弾性部材を配置して、傾いた転動部材１０を、初期状態の姿勢に復帰させるように構成する。この場合、免震構造物のフェイルセーフ機構は、安定的に繰り返し動作可能となる。

＜まとめ＞ 以上に説明したように、本発明の免震構造物のフェイルセーフ機構は、水平変位が免震装置の限界に近づいてきた場合に水平変位を抑制し、過大な水平変位による損傷を回避することができる。すなわち、過大な水平変位に対するフェイルセーフ機構として働き、ある限界が近づいてきた場合に変位抑制機能を発揮する。一方、水平変位が小さい範囲内では、免震装置の特性に影響を及ぼさない。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変更を加えて実施することが可能である。

例えば、転動部材の第１の曲面や、第２の曲面は、転動部材の上下方向の軸のまわりの全周に連続して形成する場合を例示したが、全周のうち一部分にのみ形成することも可能である。

近年大変多数建設されている免震構造物に応用することができる。特に都会で周囲に大きなクリアランスを取りづらい超高層免震マンションなどに活用することが期待される。また、究極の安全性を要求される原子力施設の免震化においても、このような機構を設けて最悪の場合でも想定した許容変形を超えないように準備しておく必要があり、本発明に相当するフェイルセーフ機構の設置は必要不可欠と考えられる。

２ 下部構造体
２ａ 第２の水平面
２ｘ 突起（変形部）
２ｙ 凹部（変形部）
４ 上部構造体
４ａ 第１の水平面
４ｘ 凹部
１０，１０ｕ，１０ｖ 転動部材
１０ａ 第１の曲面
１０ｂ 第２の曲面
１０ｉ，１０ｊ 下部両端
１０ｋ 中心
１０ｍ，１０ｎ 曲線
１０ｐ 当接部
１０ｑ 孔（係合部）
１０ｒ 突起（係合部）
１０ｔ 頂点
１０ｘ，１０ｙ 軸
１１ａ 皿ばね（弾性部材）
１１ｂ 引張ばね（弾性部材）
２０ 基礎フレーム
２１ 台
２１ａ 上面
２２ １層目のフレーム
２４ ２層目のフレーム
２６ 天板
２８ 重り
３０，３２ 免震装置
３４ シリンダ
５０ 実験装置
６０ 振動台
８０ サイクロイド
８２ 直線

Claims (4)

1. 下向きの第１の水平面を有する上部構造体と、
   前記第１の水平面に対向する上向きの第２の水平面を有する下部構造体と、
   前記上部構造体と前記下部構造体との間の上下方向隙間に取り付けられ、前記上部構造体を水平免震状態にする免震装置と、
   前記上部構造体の前記第１の水平面と、前記下部構造体の前記第２の水平面との間に配置され、前記第１の水平面に対向する凸状の第１の曲面と、前記第２の水平面に対向する凸状の第２の曲面とを有する転動部材と、
   を備え、
   前記上部構造体は、前記転動部材の頂点及びその近傍に対向する部分に、初期状態において前記転動部材の頂点及びその近傍との間に間隔を形成する凹部を有し、
   前記転動部材の前記第１の曲面と前記第２の曲面は、前記第１の曲面と前記第２の曲面とにそれぞれ接する互いに平行な一対の仮想平面の水平方向に対する傾きが増加すると、前記一対の仮想平面の間の間隔が増加するように形成され、
   前記下部構造体に対する前記上部構造体の水平方向の相対移動距離が所定値を超えると、前記上部構造体の前記第１の水平面が前記転動部材の前記第１の曲面に接し、前記転動部材が前記上部構造体の前記第１の水平面と前記下部構造体の前記第２の水平面との間に挟まれた状態で回転して、前記上部構造体を上方に移動させることを特徴とする、免震構造物のフェイルセーフ機構。
2. 前記転動部材は、前記初期状態において前記上部構造体の前記凹部との間に間隔を設けて前記凹部内に配置される当接部を有し、前記当接部は、前記下部構造体に対する前記上部構造体の水平方向の前記相対移動距離が所定値に達すると、前記凹部を形成する内面に当接することを特徴とする、請求項１に記載の免震構造物のフェイルセーフ機構。
3. 前記下部構造体は、前記第２の水平面から突出又は後退した変形部を有し、
   前記転動部材は、前記転動部材の回転に伴って解除可能に前記変形部に係合する係合部を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の免震構造物のフェイルセーフ機構。
4. 回転した前記転動部材を前記初期状態に戻す弾性部材を、さらに備えたことを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一つに記載の免震構造物のフェイルセーフ機構。

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