JP6888975B2

JP6888975B2 - 変位復元機構

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Publication number: JP6888975B2
Application number: JP2017029271A
Authority: JP
Inventors: 杉本　浩一; 浩一杉本; 北村　佳久; 佳久北村
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2017-02-20
Filing date: 2017-02-20
Publication date: 2021-06-18
Anticipated expiration: 2037-02-20
Also published as: JP2018135911A

Description

本発明は、支持部と支持部の上を水平方向に滑動可能に構成された免震部とを連結し、前記支持部に対する免震部の位置を復元可能な変位復元機構に関する。

従来、耐震構造物の構造床などの支持床と、支持床の上を滑動可能に構成された免震床とを有し、地震が生じた際には免震床が支持床の上を滑動することで免震機能を発揮する免震構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような免震構造には、支持床に対する免震床の残留変位を原位置に復元するための変位復元機構が設けられている。変位復元機構としては、支持床および免震床のいずれか一方に固定された定荷重ばねと、定荷重ばねと支持床および免震床の他方とを連結するワイヤと、を有する変位復元機構が知られている。

このような変位復元機構は、免震床が支持床に対し変位し、ワイヤが引っ張られると、ワイヤに作用する張力によって定荷重ばねが引き出され、定荷重ばねの復元力によって免震床が原位置に復元するように構成されている。定荷重ばねは、一方向に引き出される構成であるため、免震床が支持床に対して定荷重ばねの引出し方向と交差する方向に変位しても定荷重ばねが引出し方向に引き出されるように、定荷重ばねの近傍に定荷重ばねの引出し方向に延びる孔部が形成された筒状のブッシュが設けられ、このブッシュの孔部にワイヤが挿通されている。これにより、ワイヤから定荷重ばねに伝達する張力が定荷重ばねの引出し方向となるように構成されている。

特開２０１６−８３７５号公報

しかしながら、免震床が支持床に対して定荷重ばねの引出し方向と交差する方向に大きく変位すると、ブッシュとワイヤが大きく擦れてしまい、ブッシュとワイヤとの間に摩擦が生じることになる。このため、定荷重ばねが引き出される引出し時と、定荷重ばねが復元される戻り時との荷重差が大きくなり、免震床を原位置に復元できない虞がある。
また、ブッシュとワイヤとが擦れることによって、ブッシュやワイヤの耐久性に影響が出る虞がある。

そこで、本発明は、定荷重ばねなどの付勢部材の引出し時と戻り時の荷重差を低減させることができるとともに、耐久性を向上させることができる変位復元機構を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る変位復元機構は、支持部と前記支持部の上を水平方向に滑動可能に構成された免震部とを連結し、前記支持部に対する前記免震部の変位を原位置に復元可能な変位復元機構において、前記支持部および前記免震部のいずれか一方に設けられ、引き出されて引き戻る際に他方を付勢可能な付勢部材と、前記支持部および前記免震部の他方と前記付勢部材とを連結する線状部材と、前記支持部および前記免震部の一方における前記付勢部材が引き出される側に前記線状部材を挟んで設置され、それぞれ鉛直方向に延びる軸線を中心に回転可能に構成された一対のローラと、前記線状部材に取り付けられたストッパと、を有し、記線状部材は、前記付勢部材に接続された第１線状部材と、前記支持部および前記免震部の他方に接続された第２線状部材と、を有し、前記第１線状部材と前記第２線状部材とが前記ストッパを介して接続され、前記第１線状部材は、前記一対のローラに挟まれ、前記第２線状部材および前記ストッパは、前記一対のローラよりも前記支持部および前記免震部の他方に近接する側に配置され、前記ストッパは、前記一対のローラの間を通り抜け不可能に構成され、前記ストッパが前記一対のローラに前記支持部および前記免震部の他方側から当接すると、前記付勢部材の引き戻る側への移動が停止されることを特徴とする。

本発明では、付勢部材の引き出される側に配置された一対のローラの間を線状部材が通る構成であるため、線状部材に作用する張力を付勢部材の引出し方向から付勢部材に伝達させることができる。また、線状部材がローラを擦って引っ張られたり戻されたりしても、ローラが回転して線状部材とローラとの間に生じる摩擦を抑えることができるため、付勢部材の引出し時と戻り時の荷重差を抑えることができる。

また、本発明に係る変位復元機構では、前記一対のローラは、それぞれの少なくとも表面が防錆性を有する材料で形成されていてもよい。
一対のローラの少なくとも表面が防錆性を有する材料で形成されていることにより、一対のローラが錆びることを防止でき耐久性を向上させることができる。

本発明によれば、付勢部材の引出し時と戻り時の荷重差を低減させることができるとともに、耐久性を向上させることができる。

本発明の実施形態による変位復元機構が設けられた免震構造の一例を示す平面図である。本発明の実施形態による変位復元機構を示す平面図である。本発明の実施形態による変位復元機構の動作を示す図である。本発明の実施形態による変位復元機構における定荷重ばねの引出し方向に対して斜め４５°となる方向にワイヤを引き出した場合の荷重と変位の関係を示すグラフである。従来の変位復元機構における定荷重ばねの引出し方向に対して斜め４５°となる方向にワイヤを引き出した場合の荷重と変位の関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態による変位復元機構について、図１乃至図５に基づいて説明する。
図１に示すように、本実施形態による変位復元機構１は、支持床（支持部）１１と、支持床１１の上を滑動可能に構成された免震床（免震部）１２とを有する免震構造１３に、支持床１１に対する免震床１２の残留変位を原位置に復元するため設けられている。本実施形態では、複数の変位復元機構１，１…が免震構造１３に設けられている。

支持床１１は、耐震建物の構造床１１１で、本実施形態では構造床１１１の上面にフロアプレート１１２が固定されている。フロアプレート１１２は、板面が長方形となる鋼板で上面を免震床１２が滑動可能に構成されている。水平方向のうち、一の水平方向をＸ方向とし、一の水平方向に直交する水平方向をＹ方向とすると、フロアプレート１１２は、上面が水平面となり、板面の長方形の４辺に対応する外縁部がＸ方向およびＹ方向にのびる向きに配置されている。

免震床１２は、板面がフロアプレート１１２よりも小さい長方形となる鋼板で、板面の長方形の４辺に対応する外縁部がＸ方向およびＹ方向にのびる向きに配置されている。免震床１２は、フロアプレート１１２上を水平方向に滑動可能に構成されている。免震床１２が支持床１１に対して原位置に配置されると、免震床１２の上下方向から見た中心と、フロアプレート１１２の上下方向から見た中心とが上下方向に重なっている。
免震床１２およびフロアプレート１１２には、例えば溶融亜鉛メッキ鋼板を採用し、摩擦係数を低減させるとともに、防錆性を向上させるようにしてもよい。

複数の変位復元機構１，１…は、それぞれフロアプレート１１２および免震床１２のＸ方向の両側方にそれぞれＹ方向に間隔をあけて配置されているとともに、フロアプレート１１２および免震床１２のＹ方向の両側方にそれぞれＸ方向に間隔をあけて配置されている。すなわち、複数の変位復元機構１，１…は、フロアプレート１１２および免震床１２の四方それぞれに配置されている。
図１および図２に示すように、変位復元機構１は、フロアプレート１１２の外側において構造床１１１に設けられたばね部２と、ばね部２と免震床１２とを連結するワイヤ３と、ワイヤ（線状部材）３を挟むようにして構造床１１１に設けられた一対のローラ４，４と、ワイヤ３に取り付けられたストッパ５（図２参照）と、を有している。

図２に示すように、ばね部２は、定荷重ばね（付勢部材）２１と、定荷重ばね２１を収容し構造床１１１に固定されたケース２２と、ケース２２の外側に設けられて定荷重ばね２１とワイヤ３とを接続するワイヤ接続部２３と、を有している。
定荷重ばね２１は、一方向に引き出され、常に一定の荷重で引き戻される（復元する）公知の構成を有している。定荷重ばね２１には予荷重（予引張力）が付与されている。

図１に示すように、フロアプレート１１２および免震床１２のＸ方向の一方側に配置された変位復元機構１を第１変位復元機構１Ａとすると、第１変位復元機構１Ａの定荷重ばね２１は、Ｘ方向の他方側に引き出されるように構成されている。フロアプレート１１２および免震床１２のＸ方向の他方側に配置された変位復元機構１を第２変位復元機構１Ｂとすると、第２変位復元機構１Ｂの定荷重ばね２１は、Ｘ方向の一方側に引き出されるように構成されている。フロアプレート１１２および免震床１２のＹ方向の一方側に配置された変位復元機構１を第３変位復元機構１Ｃとすると、第３変位復元機構１Ｃの定荷重ばね２１は、Ｙ方向の他方側に引き出されるように構成されている。フロアプレート１１２および免震床１２のＹ方向の他方側に配置された変位復元機構１を第４変位復元機構１Ｄとすると、第４変位復元機構１Ｄの定荷重ばね２１は、Ｙ方向の一方側に引き出されるように構成されている。
それぞれの定荷重ばね２１において、引き出される方向を引出し方向とする。定荷重ばね２１には、ワイヤ３に生じた張力がワイヤ接続部２３を介してに伝達するように構成されている。
ワイヤ接続部２３には、ワイヤ３が巻き掛けられている。

図２に示すように、ワイヤ３は、一方の端部がワイヤ接続部２３に接続された第１ワイヤ（第１線状部材）３１と、一方の端部がストッパ５の連結部５２を介して第１ワイヤ３１の他方の端部に接続され他方の端部が免震床１２の縁部に接続された第２ワイヤ（第２線状部材）３２と、を有している。
第１ワイヤ３１は、ワイヤ接続部２３に巻き掛けられている。

一対のローラ４，４は、それぞれ軸線が鉛直方向となる円筒状に形成され、軸線を中心に回転可能に構成されている。本実施形態では、一対のローラ４，４は、互いに略同じ形状でステンレスを材料として形成されている。
一対のローラ４，４は、ワイヤ接続部２３に対して、定荷重ばね２１の引出し方向における定荷重ばね２１と離間する側に設けられている。一対のローラ４，４は、引出し方向に直交する方向に並んで配置されていて、一対のローラ４，４の間を第１ワイヤ３１が通っている。

第１ワイヤ３１は、一対のローラ４，４の間に通されると、ワイヤ接続部２３から一対のローラ４，４まで定荷重ばね２１の引出し方向に延びるように配置される。
第１変位復元機構１Ａおよび第２変位復元機構１Ｂの第１ワイヤ３１は、Ｘ方向に延びる向きとなるように配置されている。第３変位復元機構１Ｃおよび第４変位復元機構１Ｄの第１ワイヤ３１は、Ｙ方向に延びる向きとなるように配置されている。

第１変位復元機構１Ａの一対のローラ４，４は、定荷重ばね２１のワイヤ接続部２３のＸ方向の一方側に配置され、第２変位復元機構１Ｂの一対のローラ４，４は、定荷重ばね２１のワイヤ接続部２３のＸ方向の他方側に配置されている。第３変位復元機構１Ｃの一対のローラ４，４は、定荷重ばね２１のワイヤ接続部２３のＹ方向の一方側に配置され、第４変位復元機構１Ｄの一対のローラ４，４、定荷重ばね２１のワイヤ接続部２３のＹ方向の他方側に配置されている。

このため、それぞれの第１ワイヤ３１に生じた張力は、引出し方向から定荷重ばね２１に伝達し、定荷重ばね２１の復元力は、引出し方向から第１ワイヤ３１に伝達するように構成されている。
一対のローラ４，４は、それぞれ第１ワイヤ３１と当接しており、第１ワイヤ３１が引き出されたり戻されたりすると軸線を中心に回転するように構成されている。

ストッパ５は、第１ワイヤ３１がワイヤ接続部２３に所定の長さ以上巻き取られないために設けられている。ストッパ５は、第１ワイヤ３１と第２ワイヤ３２との間に設けられている。ストッパ５は、第１ワイヤ３１の他方の端部側（第２ワイヤ３２と接続される側）が貫通したストッパ本体５１と、第１ワイヤ３１の他方の端部に取り付けられて第２ワイヤ３２と連結される連結部５２と、を有している。

ストッパ本体５１は、一対のローラ４，４における定荷重ばね２１と離間する側に配置され、一対のローラ４，４の間を通り抜けできない大きさに形成されている。本実施形態では、ストッパ本体５１に一対のローラ４，４の間を通り抜けできない大きさのゴムボールを採用している。
ストッパ本体５１が一対のローラ４，４と当接すると、第１ワイヤ３１がこれ以上巻き取られないように構成されている。第１ワイヤ３１がこれ以上巻き取られないような状態に維持されることにより、定荷重ばね２１に予荷重（予引張力）が付与されるように構成されている。

このような変位復元機構１は、地震などが生じて免震床１２が原位置から変位し、ワイヤ３が引っ張られると、ワイヤ３に作用する引張力が定荷重ばね２１に作用して定荷重ばね２１が引き出される。このとき、ワイヤ接続部２３に接続される第１ワイヤ３１は、定荷重ばね２１の引出し方向に延びているため、定荷重ばね２１には引出し方向から引張力が作用する。
引き出された定荷重ばね２１は復元しようとし、この復元力によってワイヤ３がワイヤ接続部２３に巻き取られ、免震床１２が原位置に復元する。

変位復元機構１は、フロアプレート１１２および免震床１２の四方に設けられていることにより、免震床１２が支持床１１に対してＸ方向の一方側に向かって移動すると、第２変位復元機構１Ｂの定荷重ばね２１に引張力が作用して引き出されるが、第１変位復元機構１Ａのワイヤ３は弛むだけで定荷重ばね２１に作用する力は変化しないことになる。
このため、免震床１２のＸ方向の一方側への変位は、第２変位復元機構１Ｂの定荷重ばね２１の復元力によって復元される。
同様に、免震床１２のＸ方向の他方側への変位は、第１変位復元機構１Ａの定荷重ばね２１の復元力によって復元され、免震床１２のＹ方向の一方側への変位は、第４変位復元機構１Ｄの定荷重ばね２１の復元力によって復元され、免震床１２のＹ方向の他方側への変位は、第３変位復元機構１Ｃの定荷重ばね２１の復元力によって復元される。

図３の二点鎖線で示すように、免震床１２が原位置からＸ方向およびＹ方向に対して斜めとなる方向に変位すると、免震床１２の挙動によってワイヤ３も斜め方向に引っ張られることになる。本実施形態では、第１ワイヤ３１におけるワイヤ接続部２３から一対のローラ４，４までの部分が定荷重ばね２１の引出し方向（Ｘ方向またはＹ方向）に延びているため、ワイヤ３に生じた張力は、定荷重ばね２１に引出し方向から作用することになる。

定荷重ばね２１の引出し方向に対して斜め４５°となる方向にワイヤ３を引き出した場合の荷重と変位の関係について説明する。
図４に、本実施形態による変位復元機構１における、定荷重ばね２１の引出し方向に対して斜め４５°となる方向にワイヤ３を引き出した場合の荷重と変位の関係を示す。
定荷重ばね２１が引っ張られる場合を行き側と、引っ張られた定荷重ばね２１が復元する場合を戻り側とすると、戻り側とでは、約３〜６％の荷重差が生じることがわかる。

これに対し、本実施形態のような一対のローラ４，４が設けられず、ワイヤの引き出し口に筒状のブッシュが設けられた従来の変位復元機構における定荷重ばね２１の引出し方向に対して斜め４５°となる方向にワイヤを引き出した場合の荷重と変位の関係を図５に示す。従来の変位復元機構では、行き側と、戻り側とでは、約１５〜２０％の荷重差が生じることがわかる。

従来の変位復元機構では、定荷重ばねの引出し方向に対して斜め４５°となる方向にワイヤを引き出し出されると、ワイヤがブッシュと擦れて、ワイヤとブッシュとの間に摩擦が生じる。これに対し、本実施形態による変位復元機構１では、ワイヤ３はブッシュに代わって一対のローラ４，４の間を通る構成であるため、ワイヤ３がローラ４，４を擦るように引き出されたり戻ったりしたとしても、ローラが回転してワイヤ３とローラ４，４との間に生じる摩擦を抑えることができる。
このように、従来の変位復元機構では、ワイヤとブッシュとの間に摩擦が本実施形態による変位復元機構１のワイヤ３とローラ４，４との間の摩擦よりも大きいため、従来の変位復元機構では、本実施形態による変位復元機構１よりも行き側と戻り側との荷重差が大きくなると考えられる。

次に、上述した本実施形態による変位復元機構１の作用・効果について図面を用いて説明する。
本実施形態による変位復元機構１では、ワイヤ３が一対のローラ４，４の間を通る構成であるため、ワイヤ３がローラ４，４を擦るように引き出されたり戻ったりしたとしても、ローラ４，４が回転してワイヤ３とローラ４，４との間に生じる摩擦を抑えることができる。これにより、定荷重ばね２１の引出し時（行き側）と復元時（戻り側）の荷重差を抑えることができる。

また、一対のローラ４，４がステンレスを材料として形成されていることにより、一対のローラ４，４が錆びることを防止でき、耐久性を向上させることができる。
更に、一対のローラ４，４がステンレスを材料として形成されていることにより、一対のローラ４，４が損傷する虞がないため、荷重の大きい定荷重ばね２１を採用することができ、規模の大きい免震構造に対しても対応することができる。
例えば、従来の変位復元機構のように、ワイヤが樹脂製のブッシュを通る構成の場合、３０ｋｇｆ程度の定荷重ばねには対応できたが、近年開発された１００ｋｇｆの定荷重ばねが採用されるとワイヤとブッシュとの摩擦が大きくなりブッシュの耐久性に問題がある。これに対し、本実施形態のように、ワイヤ３がステンレス製の一対のローラ４，４の間を通る構成の場合、１００ｋｇｆの定荷重ばねが採用されても、ローラがワイヤとの摩擦に耐えることができる。

以上、本発明による変位復元機構の実施形態について説明したが、本発明は上記の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。
例えば、上記の実施形態では、定荷重ばね２１および一対のローラ４，４が支持床１１に設けられ、ワイヤ３が定荷重ばね２１と免震床１２とを連結する構成であるが、定荷重ばね２１および一対のローラ４，４が免震床１２に設けられ、ワイヤ３が定荷重ばね２１と支持床１１とを連結する構成であってもよい。
また、支持床１１および免震床１２の形状は上記以外であってもよい。
また、上記の実施形態では、一対のローラ４，４はステンレスで形成されているが、ステンレス以外の金属や樹脂などで形成されていてもよい。また、一対のローラの表面を溶融亜鉛メッキとし、一対のローラの防錆性を向上させるようにしてもよい。

また、上記の実施形態では、変位復元機構１は、定荷重ばね２１の復元力で免震床１２を原位置に復元するように構成されているが、定荷重ばね２１以外のばねなどの付勢部材による復元力によって免震床１２を原位置に復元するように構成されていてもよい。
また、上記の実施形態では、定荷重ばね２１と免震床１２とがワイヤ３で連結されているが、定荷重ばね２１と免震床１２とがワイヤ３以外の線状部材で連結されていてもよい。
また、上記の実施形態では、ストッパ５は、ゴムボールを利用した形態であるが、上記以外の形態であってもよい。

１変位復元機構
２ばね部
３ワイヤ（線状部材）
４ローラ
５ストッパ
１１支持床（支持部）
１２免震床（免震部）
２１定荷重ばね（付勢部材）
３１第１ワイヤ（第１線状部材）
３２第２ワイヤ（第２線状部材）

Claims

支持部と前記支持部の上を水平方向に滑動可能に構成された免震部とを連結し、前記支持部に対する前記免震部の変位を原位置に復元可能な変位復元機構において、
前記支持部および前記免震部のいずれか一方に設けられ、引き出されて引き戻る際に他方を付勢可能な付勢部材と、
前記支持部および前記免震部の他方と前記付勢部材とを連結する線状部材と、
前記支持部および前記免震部の一方における前記付勢部材が引き出される側に前記線状部材を挟んで設置され、それぞれ鉛直方向に延びる軸線を中心に回転可能に構成された一対のローラと、
前記線状部材に取り付けられたストッパと、を有し、
前記線状部材は、前記付勢部材に接続された第１線状部材と、
前記支持部および前記免震部の他方に接続された第２線状部材と、を有し、
前記第１線状部材と前記第２線状部材とが前記ストッパを介して接続され、
前記第１線状部材は、前記一対のローラに挟まれ、
前記第２線状部材および前記ストッパは、前記一対のローラよりも前記支持部および前記免震部の他方に近接する側に配置され、
前記ストッパは、前記一対のローラの間を通り抜け不可能に構成され、
前記ストッパが前記一対のローラに前記支持部および前記免震部の他方側から当接すると、前記付勢部材の引き戻る側への移動が停止されることを特徴とする変位復元機構。
前記一対のローラは、それぞれの少なくとも表面が防錆性を有する材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の変位復元機構。