JP6869015B2 - 風ロック機構 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、建物の免震層に免震装置とともに設けられ、風荷重の作用時に免震装置を不動制御するための風ロック機構に関する。

例えば中高層建物が巨大地震を受けると、建物の最弱層に損傷が生じて耐力が低下し始め、この層に地震エネルギー（振動エネルギー）が集中して層崩壊が生じ、他の層は健全性が確保されているにもかかわらず、層崩壊モードによって建物が崩壊に至るという現象が発生する。また、崩壊に至らない場合においても、最弱層の被害が甚大となり、補修による復旧が困難になる。

これに対し、周知の通り、例えばオフィスビルや公共施設、集合住宅などの建物には、建物本体と基礎の間など、上部構造体と下部構造体の間の免震層に積層ゴムなどの免震装置を介設し、地震時に、上部構造体の固有周期を地震動の卓越周期帯域から長周期側にずらし、応答加速度を小さくして揺れを抑えるようにしたものがある。

一方、免震層を備えた免震建物は、免震層の剛性を限りなく小さくして長周期化するほど、大きな地震時応答低減効果を得られるが、免震層の剛性が小さすぎると（免震層が柔らかすぎると）、強風時など、風荷重によって建物が揺れ易くなってしまう。

このため、通常の免震建物／免震設計では、鉛プラグ入り積層ゴムの免震装置を用いたり、鉛ダンパーや鋼材系ダンパーなどを天然ゴム系積層ゴムの免震装置と併用するなどし、その降伏耐力を免震層に作用する風荷重よりも大きくすることによって、強風時の揺れを回避するようにしている。

しかしながら、鉛プラグ入り積層ゴムを用いたり、ダンパーを免震装置と併用することにより免震層の降伏耐力を大きくする対策は、当然、その等価剛性を大きくすることを意味し、免震建物の長周期化に相反するため、地震時応答低減効果の低減を招く。

これに対し、強風（または中小地震）時に免震層を変形させないようにし、且つ、等価剛性を大きくし過ぎず、長周期化による大地震時の応答低減効果を阻害しないようにするための風ロック機構が提案、実用化されている（例えば、特許文献１参照）。

具体的に、風荷重よりも大きな設定荷重が作用すると、せん断力で破断するシアピンによって免震建物の下部構造と上部構造を締結し、風荷重作用時に上部構造の移動を拘束する機構（シアピンによる風ロック機構）や、風や地震などの外力をセンサーで検知し、外力の大きさに応じてオイルダンパーの減衰係数をアクティブ制御するもの（アクティブ制御型風ロック機構付きオイルダンパー）、台風の接近／通過等に応じて手動で抜き差しするシアピン（ロックピン）をオイルダンパーに設けたもの（パッシブ型風ロック機構付きオイルダンパー）などが提案、実用化されている。

特開２００４−１７６５２５号公報

しかしながら、シアピンによる風ロック機構（及びパッシブ型風ロック機構付きオイルダンパー）においては、シアピンのせん断破壊によるロック解除時に、瞬間的に荷重が解放されることから、その荷重が建物の上部構造側に衝撃荷重として伝わり、応答加速度が瞬間的に大きくなるという問題がある。また、シアピンが非常に高価であるという問題がある。

また、パッシブ型風ロック機構付きオイルダンパーにおいては、風が問題になる前にシアピン（ロックピン）を設置したり、解除したりする作業が必要で、この作業を必ず行えるかという点で疑問が残る。

アクティブ制御型風ロック機構付きオイルダンパーにおいては、万が一故障した場合に風ロック機能が全く発揮されない。このため、電気部品の長期耐久性や信頼性等の観点から万が一故障した場合を想定し、それが作動しないフェールセーフ状態で設計することが必要になる。

上記事情に鑑み、本発明は、外部電力を使わずに拘束や解除を自動的に行うことができ、風荷重時には下部構造と上部構造とを移動拘束し、地震時には拘束を解除して免震効果を確実に発揮させることを可能にする風ロック機構を提供することを目的とする。

上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。

本発明の風ロック機構は、上部構造と下部構造の間の免震層に免震装置と並列に設けられる風ロック機構であって、上下方向に伸縮するバネを有する軸バネ装置と、軸線方向を上下方向に配し、下端部側を前記軸バネ装置を介して前記下部構造に接続しつつ前記軸バネ装置によって上方に付勢して配設される軸材と、下端部が前記軸材の上端部にピン結合され、前記軸バネ装置の圧縮状態とされたバネの付勢力が前記軸材を通じて作用することで上端部を前記上部構造に押圧して配設される束材とを備えて構成され、前記束材は、前記軸材に対して所定の角度で前記軸材の径方向の全体に傾動可能に構成されていることを特徴とする。

本発明の風ロック機構は、上部構造と下部構造の間の免震層に免震装置と並列に設けられる風ロック機構であって、上下方向に伸縮するバネを有する軸バネ装置と、軸線方向を上下方向に配し、下端部側を前記軸バネ装置を介して前記下部構造に接続しつつ前記軸バネ装置によって上方に付勢して配設される軸材と、下端部が前記軸材の上端部にピン結合され、前記軸バネ装置の圧縮状態とされたバネの付勢力が前記軸材を通じて作用することで上端部を前記上部構造に押圧して配設される束材とを備えて構成され、前記上部構造に前記束材の上端部が嵌合する嵌合凹部が設けられ、前記下部構造に対して前記上部構造が相対変位し、前記上部構造に従動して前記束材が前記軸材に対して所定の角度で傾動するとともに前記束材の上端部の嵌合状態が解除されるように構成され、
風荷重作用時には前記束材が前記軸材に対して傾動した際に生じる傾斜復元力が前記上部構造と前記下部構造との相対変位をロックするロック荷重となり、
前記傾斜復元力は下式（１）で示されることを特徴とする。
ＦＬ＝Ｐ×ｂ／ｈ （１）
ＦＬ 傾斜復元力
Ｐ 束材に生じている圧縮軸力
ｂ 束材の半径
ｈ 束材の長さ

本発明の風ロック機構によれば、上部構造と下部構造の間の免震層に設けることにより、外部電力を使わずに上部構造の拘束や解除を自動的に行うことができ、風荷重時には上部構造と下部構造を移動拘束し、地震時には拘束を解除して上部構造に対する免震効果を確実に発揮させることが可能になる。

本発明の一実施形態に係る風ロック機構を示す図である。 本発明の一実施形態に係る風ロック機構を示す図である。 本発明の一実施形態に係る風ロック機構のピン結合部の変更例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る風ロック機構の動作の説明で用いた図である。 本発明の一実施形態に係る風ロック機構の動作の説明で用いた図である。 本発明の一実施形態に係る風ロック機構の復元力特性を示す図である。 本発明の一実施形態に係る風ロック機構を設置した免震層の復元力特性を示す図である。 本発明の一実施形態に係る風ロック機構の荷重と変位の関係を示す図である。 本発明の一実施形態に係る風ロック機構を用いた場合と用いない場合の絶対加速度、質点変位、反力の時刻歴波形を比較した図である。 風荷重の層分布を示す図である。 入力地震動の擬似速度応答スペクトル(ｈ＝０．０５)及び波形風荷重の層分布を示す図である。 Ｌｖ１地震、Ｌｖ２地震の最大応答値を示す図である。 ロック解除時における軸バネ装置のフェールセーフ機構を示す図である。 ロック解除後の装置復旧方法の例を示す図である。

以下、図１から図１４を参照し、本発明の一実施形態に係る風ロック機構について説明する。

本実施形態の風ロック機構（風ロック装置）Ａは、図１に示すように、建物本体と基礎の間など、上部構造１と下部構造２の間の免震層３に積層ゴムなどの免震装置（不図示）と並列に設けられている。

そして、この風ロック機構Ａは、強風時または中小地震時に、免震層３を変形させないようにし、すなわち、強風時または中小地震時に下部構造２に対して上部構造１を相対変位させないように移動拘束し、大地震時に、移動拘束を解除して免震装置による上部構造１の免震性能を発揮させるように、すなわち、大地震時に長周期化による上部構造１の応答低減効果を発揮させるように構成されている。

具体的に、本実施形態の風ロック機構Ａは、上下方向に伸縮するバネ５ａを備えた軸バネ装置５と、軸線方向を上下方向に配し、下端部側を軸バネ装置５を介して下部構造２に接続しつつ軸バネ装置５によって上方に付勢して配設される軸材６と、下端部が軸材６の上端部にピン結合部７を介してピン結合され、軸バネ装置５の圧縮状態とされたバネ５ａの付勢力が軸材６を通じて作用することで上端部を上部構造１に圧接／押圧して配設される束材８とが主な構成要素とされている。

本実施形態では、軸材６及び束材８がそれぞれ鋼製の柱状部材とされ、ピン結合部７がボールジョイント（球面軸受及び球面座）によって構成されている。なお、ピン結合部７は、軸材６の上下方向に延びる軸線に対して束材８の軸線が所定の角度（本実施形態では４５°程度）で自在に回動／傾斜可能に軸材６と束材８を接続できれば、特にその構成を限定する必要はない。例えば、ボールジョイントに替えて、図３に示すような自在継手をピン結合部７に採用してもよい。

また、図２に示すように、上部構造１の下面には、束材８がその軸線を軸材６の軸線と同軸上に配した状態、すなわち、束材８が傾斜せずに軸材６の上方に軸線方向を上下方向に配して設けられている状態で、軸バネ装置５の付勢力によって上部構造１の下面に押圧される束材８の上端部８ａが嵌合し、束材８を保持する嵌合凹部９が設けられている。

この嵌合凹部９は、図４及び図５に示すように、下部構造２に対して上部構造１が相対変位し、上部構造１に従動して束材８が軸材６に対して所定の角度で傾動するとともに束材８の上端部８ａの嵌合状態が解除されるように形成されている。

また、嵌合凹部９は、下部構造２に対する上部構造１の相対変位量が所定の量以下の範囲にある場合に、軸バネ装置５の付勢力によって束材８の上端部８ａが嵌合凹部９を押圧することで、下部構造２に対して上部構造１を元の位置に戻し、原点復帰させることができるように形成されている。

すなわち、本実施形態の風ロック機構Ａにおいては、束材８に圧縮軸力を導入し傾斜復元力（ロッキング抵抗）を生じさせ、この傾斜復元力をロック荷重として利用する。例えば、束材８が直径２００ｍｍの円柱状に形成されている場合に、下部構造２に対する上部構造１の相対変位量（免震層３の変形量）が束材８の半径の１００ｍｍ以下であると、束材８の傾斜復元力で上部構造１を原点復帰させることができるように構成されている。

そして、下部構造２に対する上部構造１の相対変位量（免震層３の変形量）が束材８の半径を超えると、完全に束材８の傾斜復元力が失われ、この段階で風ロック機構Ａの作用が解除されるように構成されている。

これにより、本実施形態の風ロック機構Ａは、免震層３の変形に依存したパッシブ型のロック解除機構を備えたものとなり、免震層３の変形が束材８の半径を超えない範囲においては常に復元力が生じる非線形弾性としての復元力特性を有し、それ以下の変形では必ず原位置に戻り残留変形は生じないことが特徴となる。

より具体的に、図４は本実施形態の風ロック機構Ａの作動原理を示している。また、図６、図７は本実施形態の風ロック機構Ａの復元力特性を示している。

なお、図７は、本実施形態の風ロック機構Ａを設置した免震層３の復元力特性に加え、比較として、従来の風ロック機構であるシアピンを用いた場合、鉛プラグ入り積層ゴムを用いた場合の復元力をそれぞれ示している。

束材８に生じる傾斜復元力（ロック荷重ＦＬ）は、下記の式（１）の通り、束材８の半径ｂと長さｈ、及び束材８に生じている圧縮軸力Ｐに依存する。ここで、束材直径を２００ｍｍ、束材長を３００ｍｍとし、圧縮軸力を１５００ｋＮとすると、ロック荷重は５００ｋＮ（＝１５００×１００／３００）となる。さらに、装置そのものの外形はおよそ１０００ｍｍ×５００φであり、コンパクトな形状である。

そして、上記構成からなる本実施形態の風ロック機構Ａにおいては、傾斜復元力を利用することで、図７に示すように、従来のシアピンやパッシブ型風ロック機構付きオイルダンパーなどと異なり、風ロックの解除に伴う免震層３の瞬間的な復元力荷重の変化が緩やかになる。

すなわち、地震時のロック解除時に応答加速度が瞬間的に増加するといった問題が発生しない。

ここで、本発明に係る風ロック機構Ａの優位性を確認するために行った「１質点系の応答解析」、「多質点系の応答解析」の結果について説明する。

＜１質点系の応答解析＞
１質点系について、極めて稀に発生する地震（Ｅｌ Ｃｅｎｔｒｏ ＮＳ，ｙ”ｍａｘ＝５．１１ｍ／ｓ^２）に対する時刻歴応答解析を行い、本発明に係る風ロック機構の応答性状を確認した。

質点質量は５００ｔｏｎ、バネ剛性は７８９．５６ｋＮ／ｍとし、固有周期約４秒となるように設定した。また、風ロック機構Ａのロック荷重は剛体仮定値として４９０ｋＮとした。

応答解析によって得られた風ロック機構Ａの荷重変形関係を図８に示す。また、質点の加速度波形を図９（ａ）に、変位波形を図９（ｂ）にそれぞれ示す。また、風ロック機構反力の波形を図９（ｃ）に示す。

時刻歴波形を比較することにより、本発明に係る風ロック機構Ａを設置した場合（風ロックあり）と、設置しない場合（風ロックなし）とで風ロックが作用している４秒以下の応答に差が生じるが、応答最大値には大きな差が生じないことが確認された。また、瞬間的に加速度が増大するような現象も認められず、滑らかなロック解除特性が実現できる（好適なロック解除性能が発揮される）ことが確認された。

＜多質点系の応答解析＞
１４層の等価せん断型の質点系としてモデル化した免震建物について本発明に係る風ロック機構（傾斜復元風ロック）Ａの効果を確認する。質点系の諸元を表１に示し、風荷重の層分布を図１０に示す。

風ロック機構Ａのロック荷重は、稀に発生する風荷重（Ｌｖ１）及び極めて稀に発生する風荷重（Ｌｖ２）に対して免震層３の変形を抑制しロック解除しない荷重に設定し、それについて極めて稀に発生する地震（Ｌｖ２：震度６強程度）、並びに稀に発生する地震（Ｌｖ１：震度５弱程度）に対して時刻歴応答解析を行った。

また、ロック荷重１００００ｋＮの「シアピン」、「弾性ロック機構」、「鉛プラグ入り積層ゴム」を用いたケースの応答と比較した。

なお、入力地震動の位相は告示関東ＥＷ（図１１（ａ）、（ｂ））とした。免震層固定時の上部構造の１次周期は約２．０秒であり、免震層を考慮した１次周期は約５．２秒である。稀に発生する風荷重（Ｌｖ１）に対して免震層を変形させないように、本発明の風ロック機構Ａの風ロック荷重を６０００ｋＮ（５００ｋＮ 風ロック機構１２台）に設定した。また、１００ｍｍ変形時の免震層３の復元力は１００００ｋＮ（＝６０００＋４００００×０．１）であり、極稀風荷重（Ｌｖ２）に対しても風ロックは解除されない。

図１２（ａ）に示す解析結果の通り、稀地震（Ｌｖ１）の応答結果より、本発明に係る風ロック機構（傾斜復元力ロック）Ａは通常の免震装置に用いられる「鉛プラグ入り積層ゴム」と比較して、加速度、層せん断力、層間変形角ともに応答低減効果が高いことが確認された。

「弾性ロック」及び「シアピン」と比較しても効果は同程度であるが、「シアピン」と比較して加速度の低減効果が大きい。

また、極稀地震（Ｌｖ２）の応答結果（図１２（ｂ））から、Ｌｖ１と同様に本発明に係る風ロック機構Ａは、「鉛プラグ入り積層ゴム」と比較して応答を低減できることが確認された。一方、最下階の応答加速度が他の装置より増加する結果となったが、層せん断力及び層間変形角にはその影響がほぼないことも確認された。

また、表２は各装置の性能とコストを示している。
この表２から、本発明に係る風ロック機構Ａは安価でありながら、風荷重時のロック効果とＬｖ１及びＬｖ２における地震動の低減効果を有することが分かる。

したがって、本実施形態の風ロック機構Ａにおいては、上部構造１と下部構造２の間の免震層３に設けることにより、外部電力を使わずに上部構造１の拘束や解除を自動的に行うことができ、風荷重時には上部構造１と下部構造２を移動拘束し、地震時には拘束を解除して上部構造１に対する免震効果を確実に発揮させることが可能になる。

これにより、強風時の免震建物の居住性改善に加え、地震の最大応答層せん断力を低減し躯体数量削減することが可能になる（フェールセーフを考慮するとアクティブ系のものは必ずしも躯体数量削減にはならない）。

また、現在、実用化されているものに比べて安価な風ロック機構Ａを実現することが可能になる。さらに、風、中小地震時でも一定の効果を確実に発揮させることができ、且つ、残留変形も生じない。

さらに、コンパクト（例えば、ｈ：１５００ｍｍ×ｗ：６００ｍｍ×ｄ：６００ｍｍ以内）であり、占有スペースの省スペース化を図ることができる。

また、大地震時におけるロック解除状態の復旧を除き、メンテナンスフリーにすることができる。

なお、ロック解除時の軸バネ装置５のバネ５ａの飛び出しを防ぐため、例えば図１３に示すようなストッパー１０を設けることが好ましい。より具体的に、本実施形態では、免震層３間に風ロック機構Ａを設置後、ストッパー１０で軸バネ装置５の伸びを制限する。ストッパー１０は、４分割されたコの字形のプレート（ストッパー片）からなり、これらストッパー片を軸バネ装置５のストローク部分を覆うようにドーナツ型に組み合わせ、さらにリング状プレート１１を外周にはめ込んでボルトで固定することで設置される。このように設置したストッパー１０及びリング状プレート１１によってロック解除時の軸バネ装置５のバネ５ａの飛び出しを防ぐことができる。

また、ロック解除状態の復旧を行う手法としては、例えば、図１４（ａ）に示すように、万力１２で軸バネ装置５のフランジの対角を挟み、バネ５ａを圧縮して風ロック機構Ａを再セットする方法や、図１４（ｂ）に示すように、ＰＣ鋼棒１３を油圧ジャッキ１４で緊張し、所定のバネ変位でナットを固定することによって風ロック機構Ａを再セットする方法、図２に示すように、風ロック機構Ａの下部にジャッキスペース１５を設け、センターホールジャッキで軸バネ装置５を伸縮させることによって風ロック機構Ａを再セットする方法などが挙げられる。

以上、本発明に係る風ロック機構の一実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１ 上部構造
２ 下部構造
３ 免震層
５ 軸バネ装置
５ａ バネ
６ 軸材
７ ピン結合部
８ 束材
８ａ 上端部
９ 嵌合凹部
１０ ストッパー
１１ リング状プレート
１２ 万力
１３ ＰＣ鋼棒
１４ 油圧ジャッキ
１５ ジャッキスペース
Ａ 風ロック機構

Claims (2)

1. 上部構造と下部構造の間の免震層に免震装置と並列に設けられる風ロック機構であって、
   上下方向に伸縮するバネを有する軸バネ装置と、
   軸線方向を上下方向に配し、下端部側を前記軸バネ装置を介して前記下部構造に接続しつつ前記軸バネ装置によって上方に付勢して配設される軸材と、
   下端部が前記軸材の上端部にピン結合され、前記軸バネ装置の圧縮状態とされたバネの付勢力が前記軸材を通じて作用することで上端部を前記上部構造に押圧して配設される束材とを備えて構成され、
   前記束材は、前記軸材に対して所定の角度で前記軸材の径方向の全体に傾動可能に構成されていることを特徴とする風ロック機構。
2. 上部構造と下部構造の間の免震層に免震装置と並列に設けられる風ロック機構であって、
   上下方向に伸縮するバネを有する軸バネ装置と、
   軸線方向を上下方向に配し、下端部側を前記軸バネ装置を介して前記下部構造に接続しつつ前記軸バネ装置によって上方に付勢して配設される軸材と、
   下端部が前記軸材の上端部にピン結合され、前記軸バネ装置の圧縮状態とされたバネの付勢力が前記軸材を通じて作用することで上端部を前記上部構造に押圧して配設される束材とを備えて構成され、
   前記上部構造に前記束材の上端部が嵌合する嵌合凹部が設けられ、
   前記下部構造に対して前記上部構造が相対変位し、前記上部構造に従動して前記束材が前記軸材に対して所定の角度で傾動するとともに前記束材の上端部の嵌合状態が解除されるように構成され、
   風荷重作用時には前記束材が前記軸材に対して傾動した際に生じる傾斜復元力が前記上部構造と前記下部構造との相対変位をロックするロック荷重となり、
   前記傾斜復元力は下式（１）で示されることを特徴とする風ロック機構。
   ＦＬ＝Ｐ×ｂ／ｈ （１）
   ＦＬ 傾斜復元力
   Ｐ 束材に生じている圧縮軸力
   ｂ 束材の半径
   ｈ 束材の長さ

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