JP6644594B2 - 免震装置 - Google Patents

Description

本発明は、下側の構造体と上側の構造体との間に設けられ、それら上下の構造体を少なくとも垂直方向の振動について絶縁させる免震装置に関する。特に、本発明は、上側の構造体と下側の構造体を垂直方向及び水平方向の振動について絶縁させるのに好適な技術に関する。

特許文献１には、建屋と基礎との間で水平方向振動及び鉛直方向振動を絶縁させる三次元免震装置が開示されている。以下、特許文献１で用いられた符号を括弧書きで表記し、特許文献１に記載の三次元免震装置について説明する。

ばね及び減衰器としての機能を併せ持つ４体のエアダンパ（４）が基礎（２）上に設置され、フレーム（５）がこれらエアダンパ（４）上に設置されている。フレーム（５）には４体のリニアベアリング（７ｄ）が設けられ、リニアベリング（７ｄ）には、基礎（２）上に立設された４本の支柱（７ａ）がリニアベリング（７ｄ）にそれぞれ挿入されている。これによりフレーム（５）は鉛直方向に移動可能とされているとともに、水平方向の動きが拘束されている。オイルダンパ型オイルダンパ（６）の下端が基礎（２）に連結され、そのオイルダンパ（６）の上端がフレーム（５）の中央部に連結されている。オイル型オイルダンパ（６）が支柱（７ａ）及びエアダンパ（４）によって囲われており、支柱７ａ）とエアダンパ（４）が交互に周方向に配列されている。フレーム（５）上には積層ゴム（３）が設置され、積層ゴム（３）上に建屋（１）が設置されている。この積層ゴム（３）によって水平方向の免震が実現される。

特開２００８−１２１３２８号公報

特許文献１に記載の技術では、支柱（７ａ）が棒状であるがゆえに、水平方向の荷重が大きくなると、支柱（７ａ）の曲げや座屈が発生し、フレーム（５）を支柱（７ａ）によって十分拘束することができない。
また、オイルダンパ（６）が支柱（７ａ）及びエアダンパ（４）によって囲われているので、オイルダンパ（６）の点検・修繕を行いにくい。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、水平方向の拘束力の向上を図ることと、ダンパの点検・修繕を行いやすくすることである。

以上の課題を解決するための本発明の免震装置は、軸方向が鉛直方向となるよう下部体上に立設される外筒と、前記外筒の上部の内側に配置された内側部材と、前記外筒の上部と前記内側部材との間に設けられ、前記内側部材の外周と前記外筒の上部の内周を連結し、前記外筒と前記内側部材を鉛直方向の振動について絶縁させる垂直免震支承と、前記下部体上に設けられ、前記内側部材を弾性的に支持する垂直弾性体と、前記内側部材の下側において前記垂直弾性体を取り囲むように周方向に配列され、前記内側部材と前記下部体を連結し、前記外筒に対する前記内側部材の相対的な鉛直方向の振動エネルギーを吸収する複数のダンパと、を備える。

以上の発明によれば、外筒と内側部材との間に垂直免震支承が設けられているので、内側部材に対する水平拘束力が高い。つまり、外筒は筒状であるがゆえに高剛性であるため、内側部材から垂直免震支承を介して受ける水平荷重に対して強く抵抗する。
また、垂直免震支承が外筒の上部の内側に配置されているので、垂直免震支承の下方であって外筒の内側にスペースを形成することができる。そのため、内側部材の下側に周方向に配列されたダンパの点検・修繕等を行うに際して、そのスペースを利用することができる。よって、ダンパの点検・修繕を行いやすい。また、ダンパが垂直弾性体を取り囲むように配列されているので、スペースでダンパの点検等を行う際に垂直弾性体が邪魔にならない。

好ましくは、前記垂直免震支承が複数、前記内側部材と前記外筒との間において周方向に配列されている。

以上によれば、複数の垂直免震支承が周方向に配列されているので、内側部材に対する水平拘束力がより高くなるうえ、内側部材の水平方向の位置・姿勢が安定する。また、複数の垂直免震支承が設けられても、垂直免震支承の下方であって外筒の内側にスペースを形成することができる。

好ましくは、前記免震装置が、前記外筒に設置された開閉扉を更に備える。

以上によれば、開閉扉を開いて、外筒の内側に進入することができる。

好ましくは、前記外筒に設置された窓を更に備える。

以上によれば、ダンパ及び垂直弾性体を窓越しの目視により点検することができる。

好ましくは、前記免震装置が、前記内側部材の上端に設けられた台座部を更に備え、前記内側部材が前記外筒と同軸状の筒状に設けられ、前記台座部が前記内側部材の上端開口を閉塞するよう前記内側部材の上端に設けられ、前記垂直弾性体の上部が前記内側部材の内側に配置され、前記台座部が前記垂直弾性体に弾性的に支持される。

以上によれば、垂直弾性体の上部が筒状の内側部材内に配置されているので、外筒が低く、内側部材の下端から下部構造体までの距離が短くても、垂直弾性体用の設置高さを確保することができる。外筒が低ければ、免震装置全体としても低く、コンパクトな免震装置を提供することができる。

好ましくは、前記免震装置が、前記台座部上に設置され、前記台座部の上方の上部構造体と前記台座部を水平方向の振動について絶縁させる水平免震支承を更に備える。

以上によれば、上部構造体と下部構造体を水平方向の振動について絶縁させることができる。

好ましくは、前記免震装置が、前記下部体としての水平免震支承を更に備え、前記水平免震支承がその下方の下部構造体と前記外筒を水平方向の振動について絶縁させる。

以上によれば、上部構造体と第二下部構造体を水平方向の振動について絶縁させることができる。

本発明によれば、外筒が内側部材から垂直免震支承を介して受ける外筒に掛かる水平荷重に対して強く抵抗し、内側部材に対する水平拘束力が高い。また、垂直免震支承の下方であって外筒の内側にスペースを形成することができ、そのスペースを利用してダンパの点検・修繕等を容易に行える。

図１は免震装置の鉛直断面図である。 図２は免震装置の水平断面図である。 図３は変形例に係る免震装置の鉛直断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているので、本発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。

１． 三次元免震装置の概要
図１は、三次元免震装置１の鉛直断面図である。図２は、図１に示すII-IIに沿った面を矢印方向に見て示した水平断面図である。

三次元免震装置１は、下部体としての基礎２と上部構造体（例えば、原子力建屋、原子炉、原子力施設、建物躯体）３との間に設置され、基礎２に対する上部構造体３の相対的な水平方向及び鉛直方向の振動について基礎２と上部構造体３を絶縁させるものである。三次元免震装置１は、外筒１０、内筒２０、複数の垂直免震支承３０、複数のリンク機構式ダンパ４０、垂直弾性体５０、台座部６０及び水平免震支承７０等を備える。

外筒１０は、その中心軸線が鉛直方向に延びるように基礎２上に立設されている。外筒１０の上部の内側には内筒２０が外筒１０と同軸状となるように複数の垂直免震支承３０によって支持され、外筒１０と内筒２０は鉛直方向の振動について垂直免震支承３０によって絶縁されている。内筒２０は外筒１０の上端から上方に突出した状態にあり、内筒２０の上端には円盤状の台座部６０が固定されている。外筒１０の内側には、複数のリンク機構式ダンパ４０が周方向に配列されるよう基礎２上に設置されている。内筒２０がこれらリンク機構式ダンパ４０上に設置されているとともに、リンク機構式ダンパ４０によって支持されている。リンク機構式ダンパ４０の配列の内側において、垂直弾性体５０が基礎２上に設置されており、台座部６０が垂直弾性体５０上に設置されることによって、台座部６０及び内筒２０が垂直弾性体５０によって弾性的に支持されている。台座部６０上には水平免震支承７０が設置され、水平免震支承７０上に上部構造体３が設置される。水平免震支承７０によって上部構造体３と台座部６０が水平方向の振動について絶縁されている。

外筒１０、内筒２０、複数の垂直免震支承３０、複数のリンク機構式ダンパ４０、垂直弾性体５０、台座部６０及び水平免震支承７０等が組み付けられることによって、三次元免震装置１がモジュール化・ユニット化されたものとなっている。以下、三次元免震装置１の各構成要素について詳細に説明する。

２． 外筒
外筒１０は、その内周面の少なくとも上部が正多角形状に形成されている。具体的には、外筒１０は円筒状の鋼製アウターフレーム１１、正多角形筒状の鋼製支持フレーム１２及び複数の鋼製連結部材１３を有し、アウターフレーム１１の下端が基礎２に定着され、支持フレーム１２が複数の鋼製連結部材１３によってアウターフレーム１１の上部の内側に固定され、これら連結部材１３がアウターフレーム１１と支持フレーム１２とを同軸状に配置するようにこれらフレーム１１，１２を連結する。なお、周方向に配列された複数の連結部材１３をリング状に形成された単一又は複数の鋼板に代えてもよく、この場合、そのリング状鋼板の外縁がアウターフレーム１１の内周面に定着され、そのリング状鋼板の内縁が支持フレーム１２の外周面に定着されてもよい。

アウターフレーム１１には開口１１ａが形成され、その開口１１ａを開閉する開閉扉１４がその開口１１ａに設置されている。作業者等はこの開閉扉１４を開いて、開口１１ａを通って外筒１０の内側に進入することができる。開閉扉１４は、ヒンジにより開口１１ａを開閉するものでよいし、開口１１ａに対して着脱可能に設けられていることによって開口１１ａを開閉するものでもよい。
また、アウターフレーム１１には観察窓１１ｂが設けられており、観察窓１１ｂ越しに外筒１０の内側を観察することができる。

３． 内筒
内筒２０はその外周面の少なくとも下部が正多角形状に形成されている。具体的には、内筒２０が正多角形筒状の鋼製インナーフレーム２１、正多角形筒状の鋼製支持フレーム２２及び複数の鋼製連結部材２３を有し、インナーフレーム２１の下部が支持フレーム２２の内側に配置され、支持フレーム２２が連結部材２３によってインナーフレーム２１の下部の内側に固定され、これら連結部材２３がインナーフレーム２１と支持フレーム２２とを同軸状に配置するようにこれらフレーム２１，２２を連結する。なお、周方向に配列された複数の連結部材２３をリング状に形成された単一又は複数の鋼板に代えてもよく、この場合、そのリング状鋼板の外縁が支持フレーム２２の内周面に定着され、そのリング状鋼板の内縁がインナーフレーム２１の外周面に定着されてもよい。

以下の説明において特に断りがなければ、径方向とは、外筒１０及び内筒２０の軸線を中心とした径方向のことをいい、周方向とは、外筒１０及び内筒２０の軸線を中心とした周方向をいい、軸方向とは、外筒１０及び内筒２０の軸線の方向（つまり、鉛直方向）をいう。

４． 台座部
台座部６０は、内筒２０のインナーフレーム２１の上端開口を閉塞するように、インナーフレーム２１の上端に取り付けられている。台座部６０はインナーフレーム２１及び支持フレーム２２よりも大径であり、台座部６０の外周部がインナーフレーム２１の外周から径方向外方に延出する。また、台座部６０の下面の中央部にはリング状の受け部６１が凸状に設けられている。その受け部６１はインナーフレーム２１の上端開口内に配置されている。

５． 垂直免震支承
垂直免震支承３０は、一対の対向フランジ３１，３２と、これらフランジ３１，３２の間にゴム層と鋼板が交互に積層されてなる免震積層体３３と、を有する。垂直免震支承３０は、免震積層体３３の積層方向が径方向となるように内筒２０の支持フレーム２１と外筒１０の支持フレーム１２との間において周方向に配列されている。垂直免震支承３０の一方のフランジ３１が支持フレーム２２の外面に固定され、他方のフランジ３２が支持フレーム１２の内面に固定されている。上から見て、支持フレーム１１，２１が正多角形状に形成されており、正多角形の辺となる支持フレーム１１，２１の内側平面・外側平面に垂直免震支承３０が取り付けられているので、垂直免震支承３０は安定して支持される。なお、垂直免震支承３０が外筒１０の上部の内側に設けられているので、外筒１０の内側であって垂直免震支承３０の下方には、スペース２５が存在する。

これら垂直免震支承３０は、外筒１０に対する内筒２０の相対的な軸方向の移動を許容するとともに、外筒１０に対する内筒２０の相対的な径方向の移動を拘束する。

垂直免震支承３０のサイズや数は、目的とする鉛直方向固有振動数や、上部構造体３の重量に応じたものとする。

なお、垂直免震支承３０は積層ゴム式の免震支承であったが、例えば弾性体支承、摩擦支承又はすべり支承であってもよい。つまり、垂直免震支承３０は、外筒１０に対する内筒２０の水平方向の動きを拘束するとともに、外筒１０に対する内筒２０を鉛直方向の振動について絶縁するものであれば、垂直免震支承３０の種類・方式・形態等を適宜変更してもよい。

６． 垂直弾性体
垂直弾性体５０は、複数の皿ばね５１がベース８０の中央部上に積み重ねられることにより構成された皿ばね積層体からなる。最上段の皿ばね５１が台座部６０の受け部６１に当接し、台座部６０がその最上段の皿ばね５１上に設置されている。

これら皿ばね５１は上から下に向かって複数のグループに分けられている。そして、これら皿ばね５１はグループ毎に互い違いに重ねられており、各グループ内では同じ向きに重ね合わせられている。具体的には、上段グループの皿ばね５１は円錐面の頂点が下向きになるように重ねられ、中上段グループの皿ばね５１は円錐面の頂点が上向きになるように重ねられ、中下段グループの皿ばね５１は円錐面の頂点が下向きになるように重ねられ、下段グループの皿ばね５１は円錐面の頂点が上向きになるように重ねられている。

台座部６０及び内筒２０が垂直弾性体５０によって支持されることにより、地震が発生していない平時において垂直免震支承３０が鉛直方向に変形するのを抑制できる。

垂直弾性体５０は、台座部６０及び内筒２０が軸方向の振動により初期位置から軸方向に変位した場合に、その台座部６０及び内筒２０を初期位置に復元させる復元力を発生させる。初期位置とは、地震が発生していない平時の自然状態における台座部６０及び内筒２０の位置をいう。

皿ばね５１の数や弾性係数等は、目的とする鉛直方向固有振動数や、上部構造体３の重量に応じたものとする。

７． リンク機構式ダンパ
リンク機構式ダンパ４０は、４節の平行四辺形リンク機構と、その平行四辺形リンク機構の各節点に設けられた回転摩擦材とを有する。リンク機構式ダンパ４０の向きは上下の節点の回転軸方向が外筒１０の径方向となるように設定されており、リンク機構式ダンパ４０の上側の節点が回転可能に内筒２０の下端（特に、支持フレーム２１及びインナーフレーム２２の下端）に取り付けられ、リンク機構式ダンパ４０の下側の節点が円盤状のベース８０に回転可能に取り付けられている。これらリンク機構式ダンパ４０は、垂直弾性体５０を取り囲むように周方向に配列されている。リンク機構式ダンパ４０は、外筒１０に対する内筒２０の相対的な軸方向の振動エネルギーを吸収し、その振動を減衰させるものである。

リンク機構式ダンパ４０の減衰容量は調整可能である。具体的には、節点に設けられた回転摩擦材の積層数や種類を変更したり、節点の締め付け力を増減したりすることによってリンク機構式ダンパ４０の減衰容量を調整することができる。ここで、リンク機構式ダンパ４０の減衰容量は、上部構造体３の重量や垂直弾性体５０の弾性係数に応じたものとする。

複数のリンク機構式ダンパ４０が周方向に配列されるように内筒２０の下に設けられており、外筒１０の内周面と内筒２０の外周面との間隔が垂直免震支承３０によって確保されているので、リンク機構式ダンパ４０と外筒１０との間にスペース２５が存在する。そのため、作業員が外筒１０に入って、スペース２５においてリンク機構式ダンパ４０の点検・修繕等を行える。

また、リンク機構式ダンパ４０の上下の節点の回転軸方向が外筒１０の径方向となっているので、外筒１０の径が短くてもリンク機構式ダンパ４０と外筒１０との干渉を防止できる。スペース２５内の作業員が周方向に移動でき、複数のリンク機構式ダンパ４０の点検・修繕等を続けて行える。

また、複数のリンク機構式ダンパ４０によって、垂直弾性体５０の上側の皿ばね５１と下側の皿ばね５１との同心状の配置が保持される。更に、ベース８０に対する台座部６０の水平方向の位置が複数のリンク機構式ダンパ４０によって決まる。

重力加速度を上回るような鉛直方向の加速度の大地震が発生しても、外筒１０と内筒２０がリンク機構式ダンパ４０の可動限界の範囲で拘束される。そのため、大地震の衝撃により垂直免震支承３０が破損して弾性機能を喪失した場合でも、台座部６０がベース８０から上方に離れた状態がリンク機構式ダンパ４０によって保持されて、台座部６０がベース８０や外筒１０に対して衝突・落下しない。また、台座部６０が水平方向に大きくする振動することもリンク機械式ダンパ４０によって抑制できる。

なお、平行四辺形リンク機構の対角節点間がエアダンパ、オイルダンパ、鋼材ダンパ等の伸縮式ダンパによって連結されていてもよい。また、リンク機構式ダンパ４０の代わりに、伸縮式ダンパによって内筒２０の下端とベース８０が連結されてもよい。

８． 水平免震支承
水平免震支承７０は、上下一対の対向フランジ７１，７２と、これらフランジ７１，７２の間にゴム層と鋼板が交互に積層されてなる免震積層体７３と、を有する。下側のフランジ７１が台座部６０に固定され、上側のフランジ７２が上部構造体３に固定されている。

これら水平免震支承７０は、台座部６０に対する上部構造体３の相対的な水平方向の移動を許容するとともに、台座部６０に対する上部構造体３の相対的な鉛直方向の移動を拘束する。

水平免震支承７０のサイズは、目的とする水平方向固有振動数や、上部構造体３の重量に応じたものとする。

９． 効果
（１） 内筒２０が複数の垂直免震支承３０によって囲まれ、更にこれら垂直免震支承３０が外筒１０によって囲まれているので、内筒２０に対する水平拘束力が高い。つまり、外筒１０は、筒状であるがゆえに、特許文献１に記載の支柱（２）よりも高剛性であって、内筒２０から受ける水平荷重に対して強く抵抗する。また、垂直免震支承３０が免震積層ゴムであるので、特許文献１に記載のベアリング（７ｄ）及び支柱（７ａ）と比較して、水平方向の荷重に対して大きな耐力を有する。

（２） 外筒１０、内筒２０、複数の垂直免震支承３０、複数のリンク機構式ダンパ４０及び垂直弾性体５０が同心状に配置されているので、三次元免震装置１のサイズ、特に径方向のサイズをコンパクトにすることができる。

（３） 垂直免震支承３０の下側であってリンク機構式ダンパ４０の外側にスペース２５が形成されているので、そのスペース２５を作業員の作業スペースとして利用することができる。また、リンク機構式ダンパ４０が垂直弾性体５０の外側に配置されているので、作業員が垂直弾性体５０に邪魔されずにリンク機構式ダンパ４０の点検等を行える。なお、垂直弾性体５０が可動部を有さない皿ばね５１の積層体であるので、リンク機構式ダンパ４０と比較しても、垂直弾性体５０の寿命が長い上、メンテナンスの必要性も低い。そのため、垂直弾性体５０がリンク機構式ダンパ４０によって囲われることによって垂直弾性体５０のメンテナンスの作業性が低くても、大きな問題とはならない。

（４） 垂直弾性体５０の上部が内筒２０内に配置されているので、外筒１０が低く、内筒２０の下端から基礎２までの距離が短くても、垂直弾性体５０用の設置高さを確保することができる。外筒１０が低ければ、三次元免震装置１全体としても低く、コンパクトな三次元免震装置１を提供することができる。

（５） 三次元免震装置１がモジュール化されたものであるので、三次元免震装置１の設置や撤去が容易である。つまり、外筒１０と基礎２の取り付け又は取り外し、ベース８０と基礎２の取り付け又は取り外し、水平免震支承７０と上部構造体３の取り付け又は取り外しを行えば、三次元免震装置１を設置し、又は撤去することができる。

１０． 変形例
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、上記実施形態は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。また、本発明はその趣旨を逸脱することなく変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物も含まれる。以上の実施形態からの変更点について以下に説明する。以下に説明する変形点は、可能な限り組み合わせて適用してもよい。

（１） 上述の実施形態では、水平免震支承７０が台座部６０上に設置されている。それに対して、図３に示すように、下部体としての水平免震支承７０がベース８０及び外筒１０の下に設置されていてもよい。つまり、水平免震支承７０の下側フランジ７２が基礎２に固定され、上側フランジ７２の中央部上にベース８０が固定され、上側フランジ７２上に外筒１０が立設され、台座部６０が上部構造体３に固定されてもよい。この場合、水平免震支承７０が、下部構造体としての基礎２と、外筒１０・ベース８０・垂直弾性体５０・リンク機構式ダンパ４０とを水平方向の振動について絶縁させる。

（２） 垂直弾性体５０が、皿ばね積層体ではなく、コイルスプリング又は空気ばねであってもよい。

（３） 外筒１０や内筒２０が鋼製ではなく、鉄筋コンクリート製であってもよい。

（４） リンク機構式ダンパ４０の代わりに、エアダンパ又はオイルダンパ等の伸縮式ダンパによって内筒２０の下端とベース８０が連結されてもよい。

１…三次元免震装置（免震装置）， ２…基礎（下部体、下部構造体）， ３…上部構造体， １０…外筒， １１ｂ…観察窓， １４…開閉扉， ２０…内筒（内側部材）， ３０…垂直免震支承， ４０…リンク機構式ダンパ（ダンパ）， ５０…垂直弾性体， ６０…台座部， ７０…水平免震支承（下部体、水平免震支承）

Claims (7)

1. 軸方向が鉛直方向となるよう下部体上に立設される外筒と、
   前記外筒の上部の内側に配置された内側部材と、
   前記外筒の上部と前記内側部材との間に設けられ、前記内側部材の外周と前記外筒の上部の内周を連結し、前記外筒と前記内側部材を鉛直方向の振動について絶縁させる垂直免震支承と、
   前記下部体上に設けられ、前記内側部材を弾性的に支持する垂直弾性体と、
   前記内側部材の下側において前記垂直弾性体を取り囲むように周方向に配列され、前記内側部材と前記下部体を連結し、前記外筒に対する前記内側部材の相対的な鉛直方向の振動エネルギーを吸収する複数のダンパと、を備える免震装置。
2. 前記垂直免震支承が複数、前記内側部材と前記外筒との間において周方向に配列されている請求項１に記載の免震装置。
3. 前記外筒に設置された開閉扉を更に備える請求項１又は２に記載の免震装置。
4. 前記外筒に設置された窓を更に備える請求項１から３の何れか一項に記載の免震装置。
5. 前記内側部材の上端に設けられた台座部を更に備え、
   前記内側部材が前記外筒と同軸状の筒状に設けられ、
   前記台座部が前記内側部材の上端開口を閉塞するよう前記内側部材の上端に設けられ、
   前記垂直弾性体の上部が前記内側部材の内側に配置され、前記台座部が前記垂直弾性体に弾性的に支持される請求項１から４の何れか一項に記載の免震装置。
6. 前記台座部上に設置され、前記台座部の上方の上部構造体と前記台座部を水平方向の振動について絶縁させる水平免震支承を更に備える請求項５に記載の免震装置。
7. 前記下部体としての水平免震支承を更に備え、
   前記水平免震支承がその下方の下部構造体と前記外筒を水平方向の振動について絶縁させる請求項１から５の何れか一項に記載の免震装置。

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