JP6501645B2 - 免震装置 - Google Patents

Description

本発明は、下部構造物と上部構造物との間に配置されて下部構造物上で上部構造物を免震支持し、地震などの振動から上部構造物を保護するようにした免震装置に関する。

免震装置の一つに、球面滑り支承を用いた免震装置がある。すなわち、下部構造物の上面に設けられる下部球面支承と、上部構造物の下面に設けられる上部球面支承と、それら下部球面支承と上部球面支承との間に設けられる球面スライダとを有する免震装置がある（特許文献１）。このような免震装置によれば、地震の際には、球面スライダにより上部構造物と下部構造物が水平方向に相対的に変位できるため、上部構造物への地震動の伝搬を低減することができる。

また、構造物の上方への変位を阻止するため、例えば直線状の上部案内レール及び下部案内レールを互いに直交するように重ね合わせて構成される免震装置が知られている（特許文献２）。
この免震装置では、直線状の上部案内レールと下部案内レールとは多数のボールにより互いに移動自在であるとともに、ボールが両レールの上下方向の変位を阻止するため、上揚力に対して引き抜き抵抗力を発揮し得る。

特開２０１５−４８９２９号公報 特開平１０−１６９７０９号公報

しかしながら、特許文献１で開示されるような球面滑り支承を用いた免震装置は、下部構造物に対して地震力が上向きに作用した場合には、この上揚力に対して抵抗する機構を備えていないため、建物に不測の浮き上がりが生じる問題がある。
そして、特許文献２で開示されるような直動レール型の転がり支承を用いた免震装置では、復元機能を発揮させるためにばねなどの弾性部材を装置上に別途設ける必要がある。異なる機能を発揮する部材を設けることは、装置構成の複雑化、装置設計の困難性を生み出し、装置の作製コスト増大につながる。
そこで、本発明は前記事情に鑑み案出されたもので、本発明の目的は、復元機能を有し、しかも簡単な構成により地震による上揚力に対して引き抜き抵抗力を発揮し得る免震装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、下部構造物と上部構造物との間に設けられる免震装置であって、前記下部構造物の上部に設けられた下部回転機構と、前記下部回転機構で鉛直軸を中心に回転可能に支持され、所定の曲率をもって延在しその延在方向の中央部が延在方向の両端部よりも低い箇所に位置する下部レールと、前記上部構造物の下部に設けられた上部回転機構と、前記上部回転機構で鉛直軸を中心に回転可能に支持され、所定の曲率をもって延在しその延在方向の中央部が延在方向の両端部よりも高い箇所に位置する上部レールと、前記下部レールと前記上部レールとの間に配置されて前記上部構造物の荷重を前記下部構造物に伝達し、前記下部レールにその延在方向に移動自在に係合しかつ前記下部レールから上方に離れる方向に移動不能に係合すると共に、前記上部レールにその延在方向に移動自在に係合しかつ前記上部レールに、前記上部レールが上方に離れる方向に移動不能に係合し、さらに、平面視した場合に前記下部レールと前記上部レールとを同一直線上に延在させるスライダとを備えることを特徴とする。
請求項２記載の発明は、前記下部レールの曲率と前記上部レールの曲率は同一であることを特徴とする。
請求項３記載の発明は、前記下部回転機構は、前記下部レールが取着され鉛直軸を中心に回転可能に支持された円板状の下部回転体を備え、前記下部レールは前記下部回転体の上で前記下部回転体の直径上を延在し、前記下部レールの延在方向の中央部が前記下部回転体の中心の上に位置し、前記上部回転機構は、前記上部レールが取着され鉛直軸を中心に回転可能に支持された円板状の上部回転体を備え、前記上部レールは前記上部回転体の下で前記上部回転体の直径上を延在し、前記上部レールの延在方向の中央部が前記上部回転体の中心の上に位置していることを特徴とする。
請求項４記載の発明は、前記下部回転機構は、前記下部回転体を回転可能に支持する軸受と、前記下部構造物の上部に設けられ前記軸受を保持する下部ケースと、前記下部回転体の中心を通り鉛直方向に延在し前記下部回転体と前記下部ケースとに挿通された下部中心軸と、前記下部中心軸を前記下部回転体または前記下部ケースの少なくとも一方で回転可能に支持する軸受とを有し、前記上部回転機構は、前記上部回転体を回転可能に支持する軸受と、前記上部構造物の下部に設けられ前記軸受を保持する上部ケースと、前記上部回転体の中心を通り鉛直方向に延在し前記上部回転体と前記上部ケースとに挿通された上部中心軸と、前記上部中心軸を前記上部回転体または前記上部ケースの少なくとも一方で回転可能に支持する軸受とを有していることを特徴とする。
請求項５記載の発明は、前記下部ケースで保持された前記軸受により前記下部回転体が回転可能にかつ上下方向に移動不能に支持され、前記上部ケースで保持された前記軸受により前記上部回転体が回転可能にかつ上下方向に移動不能に支持されていることを特徴とする。
請求項６記載の発明は、前記上部中心軸は、前記上部構造物の荷重の一部を前記上部レールに伝達することを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、荷重支持能力に優れ、また、弾性体を要することなく復元機能を備え、構造が簡易で上揚力に対して引き抜き抵抗力を発揮し得る免震装置が得られる。
請求項２記載の発明によれば、スライダの動きを円滑化し、免震装置の動きを円滑化する上で有利となる。
請求項３記載の発明によれば、下部回転機構と上部回転機構を簡単に構成する上で有利となる。
請求項４記載の発明によれば、下部回転機構と上部回転機構を簡単に構成する上で有利となる。
請求項５記載の発明によれば、上揚力に対して引き抜き抵抗力を発揮させる上で有利となる。
請求項６記載の発明によれば、免震装置の小型化を図る上で有利となる。

下部構造物上で本発明の実施形態の免震装置により上部構造物を免震支持する説明図である。 本発明の実施形態の免震装置の断面正面図である。 本発明の実施形態の免震装置の断面側面図である。 図３の状態をスライダ部分から見た平面図である。 図３の状態から下部構造物と上部構造物とが相対変位した状態の免震装置の断面側面図である。 図５の平面図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に従って説明する。
図１に示すように、免震装置１０は、下部構造物１２と上部構造物１４との間の複数箇所に設けられ、下部構造物１２上で上部構造物１４を免震支持している。
本実施の形態では、下部構造物１２は、建物の基礎であり、上部構造物１４は建物である。なお、免震装置１０は、建物の上下方向の中間部や橋梁の支持などにも用いられ、したがって、下部構造物１２は、建物の基礎の他に建物自体や橋梁の基礎などである場合があり、上部構造物１４は、建物の床や橋梁である場合があり、そのような場合にも本発明は広く適用される。
免震装置１０は、下部回転機構２０、下部レール２２、上部回転機構２４、上部レール２６、スライダ２８とを含んで構成されている。

図２〜図４に示すように、下部回転機構２０は、下部回転体３０、スラスト軸受３２、下部ケース３４、下部中心軸３６、ラジアル軸受３８を含んで構成されている。
下部ケース３４は、基礎の上に固定され水平面上を延在する円形の下板部３４０２と、下板部３４０２の外周から起立する起立部３４０４と、起立部３４０４の上端から半径方向内側に環板状に拡がるフランジ部３４０６とを有している。
下部中心軸３６の下部は、下板部３４０２の中心孔３４０８に嵌合固定され、鉛直に立設されている。
スラスト軸受３２は、下板部３４０２の外周部とフランジ部３４０６との間に配置されている。

下部回転体３０は、下部レール２２の長さよりも大きい寸法の直径で円形の板状に形成され、下部ケース３４の内側に配置されている。
下部回転体３０は、その外周部がスラスト軸受３２により水平面上で回転可能に支持されている。また、下部回転体３０の中心の孔３００２内でラジアル軸受３８を介して下部中心軸３６の上部が挿入され、下部回転体３０は下部中心軸３６を中心として回転可能に支持されている。

下部レール２２は、下部回転体３０の上面に、その延在方向を下部回転体３０の直径上に沿わせて固定されている。
下部レール２２の上部は、両側の側面２２０２と、上面２２０４とを備えたレール部２２Ａとなっている。
上面２２０４は、所定の曲率をもって延在しその延在方向の中央部が延在方向の両端部よりも低い箇所に位置するように形成され、両側の側面２２０２には、上面２２０４の延在方向に沿ってスライダ溝２２０６が形成されている。上面２２０４は、平面視した場合に直線状に延在している。

上部回転機構２４は、上部回転体４０、スラスト軸受４２、上部ケース４４、上部中心軸４６、ラジアル軸受４８を含んで構成されている。
上部ケース４４は、建物の下部に固定され水平面上を延在する円形の上板部４４０２と、上板部４４０２の外周から下方に突設された起立部４４０４と、起立部４４０４の上端から半径方向内側に環板状に拡がるフランジ部４４０６とを有している。
上部中心軸４６の上部は、上板部４４０２の中心孔４４０８に嵌合固定され、鉛直に延在している。
スラスト軸受４２は、上板部４４０２の外周部とフランジ部４４０６との間に配置されている。

上部回転体４０は、上部レール２６の長さよりも大きい寸法の直径で円形の板状に形成され、上部ケース４４の内側に配置されている。
上部回転体４０は、その外周部がスラスト軸受４２により水平面上で回転可能に支持されている。また、上部回転体４０の中心の孔４００２内でラジアル軸受４８を介して下部中心軸３６の上部が挿入され、上部回転体４０は上部中心軸４６を中心として回転可能に支持されている。

上部レール２６は、上部回転体４０の下面に、その延在方向を上部回転体４０の直径上に沿わせて固定されている。
上部レール２６の下部は、両側の側面２６０２と、下面２６０４とを備えたレール部２６Ａとなっている。
下面２６０４は、下部レール２２の上面２２０４と同一の曲率をもって延在しその延在方向の中央部が延在方向の両端部よりも高い箇所に位置するように形成され、両側の側面２６０２には、下面２６０４の延在方向に沿ってスライダ溝２６０６が形成されている。下面２６０４は、底面視した場合に直線状に延在している。なお、下部レール２２のレール部２２Ａの上面２２０４の曲率と、上部レール２６のレール部２６Ａの下面２６０４の曲率とは、同一である必要はないが、同一にするとスライダ２８の動きを円滑化し、免震装置１０の動きを円滑化する上で有利となる。

スライダ２８は、下部レール２２と上部レール２６との間に配置され、上部構造物１４の荷重を下部構造物１２に伝達すると共に、下部レール２２と上部レール２６とをそれらレール２２、２６の延在方向に相対的に変位可能に結合するものである。したがって、下部レール２２と上部レール２６とスライダ２８とにより転がり支承が構成されている。
本実施の形態では、スライダ２８は、下部レール２２及び上部レール２６にそれらの延在方向に移動自在に係合すると共に、上部レール２６及び下部レール２２の延在方向と直交する方向に移動不能に係合し、スライダ２８は、下部レール２２と上部レール２６とを、平面視した場合、同一直線上に延在させている。

より詳細には、スライダ２８は鉛直方向の高さを有する本体部５０と、本体部５０の下部に設けられたスライダ下部５２と、本体部５０の上部に設けられたスライダ上部５４とを備えている。
スライダ下部５２は、下面部５２０２と、両側の側部５２０４とを有している。
下面部５２０２は、軸受５２０６を介して下部レール２２のレール部２２Ａの上面２２０４に上面２２０４の延在方向に移動自在に係合されている。上部構造物１４の荷重は、この下面部５２０２からレール部２２Ａの上面２２０４に伝達される。
両側の側部５２０４は、レール部２２Ａの側面２２０２の外側に位置し、レール部２２Ａの側面２２０２に、スライダ溝２２０６に係合する軸受５２０８を介してレール部２２Ａの上面２２０４の延在方向に移動可能に係合されている。両側の側部５２０４は、レール部２２Ａにその延在方向に移動自在に係合しかつレール部２２Ａから上方に離れる方向に移動不能に係合すると共に、水平方向でレール部２２Ａの延在方向と直交する方向へのスライダ２８の動きを阻止している。

スライダ上部５４は、上面部５４０２と、両側の側部５４０４とを有している。
上面部５４０２は、軸受５４０６を介して上部レール２６のレール部２６Ａの下面２６０４に下面２６０４の延在方向に移動可能に係合されている。上部構造物１４の荷重は、レール部２６Ａの下面２６０４からこの上面部５４０２に伝達される。
両側の側部５４０４は、レール部２６Ａの側面２６０２の外側に位置し、レール部２６Ａの側面２６０２に、スライダ溝２６０６に係合する軸受５４０８を介してレール部２６Ａの下面２６０４の延在方向に移動可能に係合されている。両側の側部５４０４は、レール部２６Ａにその延在方向に移動自在に係合しかつ上部レール２６Ａに、上部レール２６Ａが上方に離れる方向に移動不能に係合すると共に、水平方向でレール部２６Ａの延在方向と直交する方向へのスライダ２８の動きを阻止している。

次に、免震装置１０の動きについて説明する。
平常時（静止時）では、上部構造物１４の荷重が免震装置１０に作用し、上部構造物１４が最も低い箇所に位置する。すなわち、スライダ２８が下部レール２２のレール部２２Ａの中央に位置すると共に上部レール２６のレール部２６Ａの中央に位置し、上部構造物１４の荷重が複数の免震装置１０を介して下部構造物１２で支持される。
なお、この状態で、図３に示すように、下部回転体３０の上面からスライダ下部５２までの距離はＤ１であり、上部回転体４０の下面からスライダ上部５４までの距離はＤ２である。

地震発生時、過大な水平力が建物に作用すると、下部構造物１２と上部構造物１４とが免震装置１０を介して相対的に水平方向に変位する。
詳細に説明すると、過大な水平力が建物に作用した場合、建物に作用する水平力の方向と、下部レール２２および上部レール２６の延在方向とが異なる時には、下部レール２２または上部レール２６に作用する水平力により、下部回転体３０と上部回転体４０は、下部レール２２および上部レール２６の延在方向が、建物に作用する水平力の方向と同じ向きになるように回転する。
そして、スライダ下部５２が下部レール２２のレール部２２Ａを移動し、スライダ上部５４が上部レール２６のレール部２６Ａを移動し、下部構造物１２と上部構造物１４とが免震装置１０を介して相対的に水平方向に変位する。この場合でも、上部構造物１４の荷重は複数の免震装置１０を介して下部構造物１２で支持される。
下部構造物１２と上部構造物１４とが相対的に水平方向に変位し、例えば、図５、図６に示すように、スライダ下部５２が下部レール２２のレール部２２Ａの延在方向の中間部に位置し、スライダ上部５４が上部レール２６のレール部２６Ａの延在方向の中間部に位置する。

この状態で、下部回転体３０の上面からスライダ下部５２までの距離はＤ３となり、上部回転体４０の下面からスライダ上部５４までの距離はＤ４となる。
すなわち、下部構造物１２と上部構造物１４とが相対的に水平方向に変位することで、上部構造物１４は、（Ｄ３−Ｄ１）＋（Ｄ４−Ｄ２）の距離だけ下部構造物１２に対して上昇することになる。
したがって、（Ｄ３−Ｄ１）＋（Ｄ４−Ｄ２）の距離に応じた上部構造物１４の位置エネルギが発生し、今度は、この位置エネルギにより上部構造物１４は元の位置に復帰しようとし、スライダ下部５２が下部レール２２のレール部２２Ａを移動し、スライダ上部５４が上部レール２６のレール部２６Ａを移動する。
そして、図５の状態からスライダ下部５２が下部レール２２の左半部に位置し、スライダ上部５４が上部レール２６の右半部に位置し、下部構造物１２と上部構造物１４とが相対的に水平方向に変位し、このような下部構造物１２と上部構造物１４との相対的な水平方向の変位が繰り返して行なわれる。
そして、スライダ下部５２が下部レール２２のレール部２２Ａを移動する際の抵抗により、また、スライダ上部５４が上部レール２６のレール部２６Ａを移動する際の抵抗により、上部構造物１４に加えられた地震によるエネルギが減衰され、やがて上部構造物１４は、図２、図３に示す当初の位置に復帰する。

本実施の形態によれば次の効果が奏される。
曲線状の下部レール２２と、曲線状の上部レール２６と、それらレール２２，２６に係合するスライダ２８を有しているため、水平力により大きなストロークで上部構造物１４が上昇され、大きな復元力を得る上で有利となる。
また、下部構造物１２と上部構造物１４とが相対的に水平方向に変位する際に、スライダ下部５２と曲線状の下部レール２２とが相対的に移動し、スライダ上部５４が曲線状の上部レール２６のレール部２６Ａとが相対的に移動するので、スライダ下部５２と下部レール２２との間、およびスライダ上部５４と上部レール２６との間に大きな抵抗力が生じ、大きな減衰力を得る上で有利となる。
したがって、ばねなどの弾性部材を要せず大きな復元力を得ることができ、１つの装置に異なる機能を発揮する部材を別途設ける必要がなくなり、免震装置の構造の簡素化、軽量化を図る上で有利となる。
また、本実施の形態では、曲線状の下部レール２２と、曲線状の上部レール２６とは互いに対向し平面視した場合に同一直線上を延在しているため、上部構造物の重量に対する免震装置１０の支持能力が大きく、より重い構造物に対しても安定動作を行なう上で有利となる。

また、下部回転機構２０、上部回転機構２４を備えているため、いずれの方向の水平力に対しても上部構造物１４を免震支持できる。
また、地震による上揚力に対しては、スライダ下部５２が下部レール２２のレール部２２Ａから上方に離れる方向に移動不能に係合し、スライダ上部５４が上部レール２６Ａに、上部レール２６Ａが上方に離れる方向に移動不能に係合しているため、引き抜き抵抗力が発揮され、上部構造物１４の不測の浮き上がりを阻止する上で有利となる。
したがって、構造が簡易で、荷重支持能力、大きな復元力、減衰力を発揮すると共に、上揚力に対して引き抜き抵抗力を発揮し得る免震装置１０が得られる。
また、平常時（静止時）では、上部構造物１４が最も低い箇所に位置する。したがって、上部構造物１４が下部構造物１２に対して水平方向に変位するには、上部構造物１４を上昇させるに足る大きなエネルギが必要となるため、平常時（静止時）における上部構造物１４の状態を安定させる上で有利となる。

また、本実施の形態のように曲線状の下部レール２２と曲線状の上部レール２６とが対向設置された平行型は、その可動範囲(水平変形量)が大きい。それゆえ、あらゆる設置スペースの大きさに合わせて、十分な減衰機能、復元機能を有する転がり支承を得ることができる。具体的には、十分な減衰機能、復元機能を有したまま装置の大きさを小さくすることができる。理論的には従来の水平変形量を有したまま大きさは従来の半分までに小さくすることができる。これを利用することで、基礎コンクリートのフーチングＦ（図１参照）を小さくすることができ、全体として建物基礎を小さくすることができ、施工コストの削減にも寄与することができる。
また、免震装置に必要な減衰機能として、長周期（大きなストローク）で免震装置を水平変形させることが必要であり、本発明のような曲線状のレールの平行対向型の転がり支承は可動範囲が広いためそれを実現可能にする。
また、従来のすべり支承では振動減衰の周期が上部構造物(建物など)の重さによって変化するが、本発明の構成は振動減衰の周期がレールの曲率半径のみで一定に決定されるため、物流倉庫などその建物の重量が変化する恐れがある場合でも、減衰力を正確にコントロールすることができ、従来の免震装置に比べて極めて有利となる。

なお、下部回転体３０と上部回転体４０の外周部をそれぞれラジアル軸受で回転可能に支持し、下部中心軸３６と上部中心軸４６とを省略することも可能であるが、実施の形態のように下部中心軸３６と上部中心軸４６とを設けると、免震装置１０の小型化を図る上で有利となる。
また、スラスト軸受４２に加え上部中心軸４６により上部構造物１４の荷重を上部レール２６に伝達するようにしてもよく、この場合には、上部回転体４０の薄肉化を図る上で有利となる。

１０ 免震装置
１２ 下部構造物
１４ 上部構造物
２０ 下部回転機構
２２ 下部レール
２４ 上部回転機構
２６ 上部レール
２８ スライダ
３０ 下部回転体
３２ スラスト軸受
３４ 下部ケース
３６ 下部中心軸
４０ 上部回転体
４２ スラスト軸受
４４ 上部ケース
４６ 上部中心軸
５０ 本体部
５２ スライダ下部
５４ スライダ上部

Claims (6)

1. 下部構造物と上部構造物との間に設けられる免震装置であって、
   前記下部構造物の上部に設けられた下部回転機構と、
   前記下部回転機構で鉛直軸を中心に回転可能に支持され、所定の曲率をもって延在しその延在方向の中央部が延在方向の両端部よりも低い箇所に位置する下部レールと、
   前記上部構造物の下部に設けられた上部回転機構と、
   前記上部回転機構で鉛直軸を中心に回転可能に支持され、所定の曲率をもって延在しその延在方向の中央部が延在方向の両端部よりも高い箇所に位置する上部レールと、
   前記下部レールと前記上部レールとの間に配置されて前記上部構造物の荷重を前記下部構造物に伝達し、前記下部レールにその延在方向に移動自在に係合しかつ前記下部レールから上方に離れる方向に移動不能に係合すると共に、前記上部レールにその延在方向に移動自在に係合しかつ前記上部レールに、前記上部レールが上方に離れる方向に移動不能に係合し、さらに、平面視した場合に前記下部レールと前記上部レールとを同一直線上に延在させるスライダと、
   を備えることを特徴とする免震装置。
2. 前記下部レールの曲率と前記上部レールの曲率は同一である、
   ことを特徴とする請求項１記載の免震装置。
3. 前記下部回転機構は、前記下部レールが取着され鉛直軸を中心に回転可能に支持された円板状の下部回転体を備え、
   前記下部レールは前記下部回転体の上で前記下部回転体の直径上を延在し、前記下部レールの延在方向の中央部が前記下部回転体の中心の上に位置し、
   前記上部回転機構は、前記上部レールが取着され鉛直軸を中心に回転可能に支持された円板状の上部回転体を備え、
   前記上部レールは前記上部回転体の下で前記上部回転体の直径上を延在し、前記上部レールの延在方向の中央部が前記上部回転体の中心の上に位置している、
   ことを特徴とする請求項１または２記載の免震装置。
4. 前記下部回転機構は、前記下部回転体を回転可能に支持する軸受と、前記下部構造物の上部に設けられ前記軸受を保持する下部ケースと、前記下部回転体の中心を通り鉛直方向に延在し前記下部回転体と前記下部ケースとに挿通された下部中心軸と、前記下部中心軸を前記下部回転体または前記下部ケースの少なくとも一方で回転可能に支持する軸受とを有し、
   前記上部回転機構は、前記上部回転体を回転可能に支持する軸受と、前記上部構造物の下部に設けられ前記軸受を保持する上部ケースと、前記上部回転体の中心を通り鉛直方向に延在し前記上部回転体と前記上部ケースとに挿通された上部中心軸と、前記上部中心軸を前記上部回転体または前記上部ケースの少なくとも一方で回転可能に支持する軸受とを有している、
   ことを特徴とする請求項３記載の免震装置。
5. 前記下部ケースで保持された前記軸受により前記下部回転体が回転可能にかつ上下方向に移動不能に支持され、
   前記上部ケースで保持された前記軸受により前記上部回転体が回転可能にかつ上下方向に移動不能に支持されている、
   ことを特徴とする請求項４記載の免震装置。
6. 前記上部中心軸は、前記上部構造物の荷重の一部を前記上部レールに伝達する、
   ことを特徴とする請求項４または５記載の免震装置。

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