JP6982350B1

JP6982350B1 - 構造物用免震支承装置

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Publication number: JP6982350B1
Application number: JP2021085352A
Authority: JP
Inventors: 和男小山
Original assignee: 和男小山
Priority date: 2021-05-20
Filing date: 2021-05-20
Publication date: 2021-12-17
Anticipated expiration: 2041-05-20
Also published as: JP2022178499A

Abstract

【課題】構造物用免震支承単体で、地震の振動エネルギーの減衰性能と水平方向の入力加速度を低減する性能とを併せ持ち、さらに、鉛直方向の上下に向けた圧縮荷重及び引張り荷重に対する十分な耐久性をも有する構造物用免震支承装置を提供することを目的とする。【解決手段】鉛直方向の上下端部に対向位置し、上部構造体１０１と下部構造体２０１に連結する鋼板から成る上下連結フランジ体２，３と、上下連結フランジ体２，３間に配設されたゴムブロック体４と、上下連結フランジ体２，３間の鉛直方向に沿った向きに配設され且つゴムブロック体４に埋設されたコイルスプリングと、上下連結フランジ体２，３を両端部が貫通し鉛直方向に沿った向きに配設され且つゴムブロック体４に埋設されたアンカーボルト６と、ゴムブロック体４の外周を囲繞する囲繞部材８との構成からなる。【選択図】図１

Description

本発明は、建築物など構造物の上部構造と下部構造との間に設置される構造物用免震支承装置に関するものである。

従来、ビルなどの建築物において、地震などの揺れを抑制する免震支承装置として最も多く用いられているのは、積層ゴム支承である。積層ゴム支承は、軟質層としての薄いゴム層と、硬質層としての薄い鋼板とを交互に複数枚重ね、加硫接着で一体に形成されたもので、鉛直方向の下向きに圧縮する力に対しては建築物の大きな荷重を支える剛性と耐力を持ち、水平方向に作用する荷重に対しては積層ゴムの撓み性で地震の水平方向の入力加速度を減少させ構造物の振動を緩和することができる。

ところが、積層ゴム支承は、地震入力加速度を低減するが振動エネルギー吸収能力が低い為に、振動が鎮まるまでに長時間を要することから、別途配された弾塑性ダンパーや、粘弾性ダンパー、摩擦ダンパーなどの減衰機器を併用することで振動エネルギーを吸収させ、建物の揺れを速やかに減少させる構成であり、一定の配置スペースが必要となる問題があった。

このような問題に対して、特許文献１には、積層ゴム支承に柱状鉛を密に配し、積層ゴム支承自体に減衰性能を付与し、上述した別途配する減衰機器を省略し、配置スペースを節約する方法が開示されている。

特開平９−１０５４４１号公報

しかし、特許文献１に記載の積層ゴム支承では、鉛直方向の下向きに向けた圧縮荷重に対しては高い耐久性を示し高荷重を支持することが可能であるが、鉛直方向の上向きに向けた引張り荷重に対しては、下向きと比較して耐久性が低下する問題があった。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、構造物用免震支承単体で、地震の振動エネルギーの減衰性能と水平方向の入力加速度を低減する性能とを併せ持ち、さらに、鉛直方向の上下に向けた圧縮荷重及び引張り荷重に対する十分な耐久性をも有する構造物用免震支承装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために案出されたものである。詳述するならば、鉛直方向の上下端部に対向位置し、上部構造体と下部構造体に連結する鋼板から成る上下連結フランジ体と、前記上下連結フランジ体間に配設されたゴムブロック体と、前記上下連結フランジ体間の鉛直方向に沿った向きに配設され且つ前記ゴムブロック体に埋設されたコイルスプリングと、前記上下連結フランジ体を両端部が貫通し鉛直方向に沿った向きに配設され且つ前記ゴムブロック体に埋設されたアンカーボルトと、前記ゴムブロック体の外周を囲繞する囲繞部材とを有する構成が含まれる。

本発明の構造物用免震支承装置は、水平方向の入力加速度を低減する弾性材料となるゴムブロック体と、地震の振動エネルギーの減衰性能を有するコイルスプリング及びアンカーボルトとを有する構成であるために構造物用免震支承単体で使用可能であり設置空間の削減が期待できる。

また、本発明には、前記ゴムブロック体が円柱形状に形成され、前記コイルスプリングが前記ゴムブロック体の円中心部に埋設された主コイルスプリングと、前記主コイルスプリングの円中心から前記ゴムブロック体の外周縁方向に向かう方向の前記主コイルスプリングより外側の仮想同心円線上に円中心を配設する位置に複数埋設されている副コイルスプリングとで構成され、前記アンカーボルトは前記副コイルスプリングの円中心に埋設されている構成が含まれる。

本発明の構造物用免震支承装置は、地震の振動エネルギーの減衰性能を有するコイルスプリング及びアンカーボルトを、地震の入力加速度を低減する弾性材料となるゴムブロック体の所要箇所に分散配置することで、構造物用免震支承装置の中心部や外側縁部など部位毎の性能差が少なくなる効果が期待できる。

本発明には、前記アンカーボルトの両端部近傍であって前記上下連結フランジ体よりも前記ゴムブロック体側となる鉛直方向の内側所要位置に、前記ゴムブロック体を鉛直方向の下向きに向けて圧縮する荷重に対抗する圧縮ストッパーナットと圧縮ストッパープレートを有する構成が含まれる。

本発明の構造物用免震支承装置は、アンカーボルトの両端部近傍に圧縮ストッパーナットと圧縮ストッパープレートを配設することで、鉛直方向の下向きに向けた圧縮荷重に対抗する機能として、アンカーボルトが作用する。

本発明には、前記アンカーボルトの両端部近傍であって前記上下連結フランジ体よりも前記ゴムブロック体と反対側となる鉛直方向の外側所要位置に、前記ゴムブロック体を鉛直方向の上向きに向けて引張る荷重に対抗する引張ストッパーナットを有する構成が含まれる。

本発明の構造物用免震支承装置は、アンカーボルトの両端部近傍に引張ストッパーナットを設けることで、鉛直方向の上向きに向けた引張り荷重と水平方向の荷重に対抗する機能としてアンカーボルトが作用する。

本発明には、前記主コイルスプリングの円中心から前記ゴムブロック体の外周縁方向に向かう方向の前記主コイルスプリングの外周より外側の仮想同心円線上の周方向等間隔を開けた位置に、円中心を配設し埋設されている前記副コイルスプリングが、８本以上で４の倍数本有する構成が含まれる。

本発明の構造物用免震支承装置は、円柱形状に形成されたゴムブロック体の平面視において円中心部に主コイルスプリングを埋設し、主コイルスプリングの外側位置であって主コイルスプリングの仮想同心円線上の周方向等間隔を開けた位置に、円中心を配設する副コイルスプリングを８本以上で４の倍数本埋設することで、地震による振動エネルギーの入力方向による影響が少なく、いずれの方向からの入力に対しても略同様の効果が期待できる。

本発明の構造物用免震支承装置は、単体で地震の振動エネルギーの減衰性能と入力加速度を低減させる性能とを併せ持ち、さらに、鉛直方向の上下方向に向けた圧縮荷重及び引張り荷重に対抗する効果が得られる。

本発明に係る構造物用免震支承装置の実施形態を示す断面図である。本発明に係る構造物用免震支承装置の実施形態を示す平面図である。本発明の構造物用免震支承装置と、それを備える建造物の構造を模式的に示す一部断面図である。図２に係る構造物用免震支承装置の他の実施形態を示す平面図である。図１に係る構造物用免震支承装置の作用説明図である。図６は、図１のB部拡大図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。ただし、図面は模式的に図示しており、実際の寸法や比率等とは必ずしも一致しない。また、図面相互間において、お互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれることがある。

（第１実施形態）
図２に示されるのは、本発明に係る構造物用免震支承装置１を示す平面図、図１は図２のＡ−Ａ線断面図、図３は構造物用免震支承装置１とそれを備える建造物１００の構造を模式的に示す一部断面図である。

構造物用免震支承装置１は、鉛直方向の上下端部に対向配置され上部構造体１０１と下部構造体２０１に連結する上下連結フランジ体２，３と、上連結フランジ体２と下連結フランジ体３との間に配設されたゴムブロック体４と、上下連結フランジ体２，３間の鉛直方向に沿った向きに配設され且つゴムブロック体４に埋設された主コイルスプリング５及び副コイルスプリング７と、上下連結フランジ体２，３を両端部が貫通し鉛直方向に沿った向きに配設され且つゴムブロック体４に埋設されたアンカーボルト６と、ゴムブロック体４の外周にゴムブロック体４の外周を囲繞する囲繞部材８を備えている。

ゴムブロック体４は円柱形状に形成され、主コイルスプリング５はゴムブロック体４の円中心部にスプリング径の中心を配した位置に埋設されている。副コイルスプリング７は、平面視において主コイルスプリング５の外径よりも大きな直径の仮想同心円線３０１の上に、スプリング径中心を配する位置に周方向に等間隔を開けて８本埋設されている。さらに、仮想同心円線３０１より外側に位置する仮想同心円線３０２の上に、スプリング径中心を配する位置に周方向に等間隔を開けて副コイルスプリング７が１２本埋設されている。

図１、図２及び図６に示されるようにアンカーボルト６は、２０本の副コイルスプリング７の円中心に其々配され、且つゴムブロック体４に埋設されている。また、アンカーボルト６の両端部は雄ねじ部６Ａが刻設され、上下連結フランジ体２，３よりもゴムブロック体４側となる鉛直方向の内側所要位置に圧縮ストッパーナット９が螺合され、さらに圧縮ストッパープレート１０が挿入されゴムブロック体４に埋設されている。圧縮ストッパープレート１０は、アンカーボルト６の外径よりもやや内径が大きな貫通孔１３を有し、圧縮ストッパーナット９側と逆の面は、上下連結フランジ体２，３に当接する位置に埋設されている。

上下連結フランジ体２，３は、平面視において円形の鋼板で形成され、円中心位置のゴムブロック体４側の所要位置に、主コイルスプリング５の端部を収納可能となる主スプリング用凹部１４が凹設され、さらに、ゴムブロック体４の材料となるゴム材を圧入する場合の圧入用貫通孔１５が主スプリング用凹部１４に連設されている。

また、上下連結フランジ体２，３の仮想同心円線３０１，３０２上の周方向に等間隔を開けた所要位置に、アンカーボルト６の外径よりもやや内径が大きなアンカーボルト用貫通孔１６が形成されている。さらに、上下連結フランジ体２，３の鉛直方向外側所要位置にアンカーボルト用貫通孔１６と連設され引張ストッパーナット１１が螺着可能となる所用寸法の座グリ部１２が刻設されている。

引張ストッパーナット１１は、座グリ部１２から側面視において鉛直方向の上下外側に突出したアンカーボルト６の両端に螺着されている。加えて、上部構造体１０１と下部構造体２０１に連結する連結孔１７が、上下連結フランジ体２，３の平面視においての外縁部近傍所要位置に貫設されている。

ゴムブロック体４の外周を囲繞する囲繞部材８は、鉛直方向の下向きに荷重が掛かってゴムブロック体４が外側に膨張するのを防止する目的の物であり、その構成は化学繊維若しくはスチール繊維などを、耐候性を有するゴム材料に包含させて膜状に形成すればよい。

本発明の構造物用免震支承装置１を構成するゴムブロック体４は、例えば、天然ゴム、シリコンゴム、高減衰ゴム、ウレタンゴム、クロロプレンゴムなどを用いることができる。また、上下連結フランジ体２，３は、鋼板等金属製板を適宜選択して用いることができる。

本発明の構造物用免震支承装置１を製造するには、まず、型内に下連結フランジ体３、主コイルスプリング５、圧縮ストッパーナット９が螺合されたアンカーボルト６、圧縮ストッパープレート１０、囲繞部材８、副コイルスプリング７、上連結フランジ体２を配設し、弾性体の素材となる材料をセット後加圧下での加硫接着によって形成すると良い。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同様の構成については、同一の符号を付してその説明は省略する。図４に示されるのは、本発明に係る構造物用免震支承装置１であり、建造物１００の荷重が第１実施形態の場合より大きい、例えば、高層マンションなどの建造物１００に使用する場合の実施形態である。

本実施形態に係る構造物用免震支承装置１は、ゴムブロック体４の直径を第１実施形態の場合より大きく形成し、副コイルスプリング７とアンカーボルト６とを埋設する仮想同心円線３０１，３０２，３０３を３重として形成されている。また、仮想同心円線３０１上の周方向に等間隔を開けた所要位置に副コイルスプリング７を８本と、アンカーボルト６を８本とが埋設され、仮想同心円線３０２上の周方向に等間隔を開けた所要位置に副コイルスプリング７を１２本と、アンカーボルト６を１２本とが埋設され、仮想同心円線３０３上の周方向に等間隔を開けた所要位置に副コイルスプリング７を１６本と、アンカーボルト６を１６本とが埋設されている。

次に、上述した構造物用免震支承装置１の作用を図３及び図５を参照して説明する。建造物１００の荷重Aは、構造物用免震支承装置１を介して下部構造体２０１に伝達される。下部構造体２０１に地震の水平応力Ｃが入力すると、下部構造体２０１と上部構造体１０１が水平方向に変位し、構造物用免震支承装置１は弾性せん断変形し入力周期を変調し免震作用をなす。

また、上述した構造物用免震支承装置１の弾性せん断変形時において、主コイルスプリング５、副コイルスプリング７、及びアンカーボルト６も変形追従し減衰作用が得られる。さらに、構造物用免震支承装置１の建造物１００に対する配置場所により、鉛直方向の上向きの応力Ｂが作用すると、アンカーボルト６と引張ストッパーナット１１と圧縮ストッパーナット９と圧縮ストッパープレート１０とで対抗力を発生する。

以下、本発明の実施例について説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、発明の要旨の範囲内で適宜変更して実施できる。

本発明の構造物用免震支承装置１のアンカーボルト６の変位を、以下の条件で確認した。
使用する構造物用免震支承装置１は、図４に示す第２実施形態に係る構造物用免震支承装置１の構成とし、建造物１００は、ＲＣ構造の地上１１階建てとし、１階層の標準的な単位面積当たりの荷重は１２．５ｋN／ｍ^２、構造物用免震支承装置１を配設する柱の間隔を８．００ｍ×８．００ｍとした時の、構造物用免震支承装置１に掛かる軸力Ｎは以下の計算で算出できる。
Ｎ＝１２．５ｋN／ｍ^２×８．００ｍ×８．００ｍ×１１．５階
＝９２００ｋN

次に、構造物用免震支承装置１の効果により、建造物１００に対するせん断力が６０％に低減されると、構造物用免震支承装置１に掛かるせん断力係数Ｃは以下の計算で算出できる。
Ｃ＝標準せん断力係数０．２×０．６（６０％）
＝０．１２
さらに、構造物用免震支承装置１に掛かる地震力Ｑｅは以下の計算で算出できる。
Ｑｅ＝９２００×０．１２
＝１１０４ｋN

図４に示す第２実施形態に係る構造物用免震支承装置１は、アンカーボルト６を３６本使用しているので、１本のアンカーボルト６に掛かる軸力は、Ｎｂ＝９２００ｋN／３６本で２５６ｋN／本となる。また、１本のアンカーボルト６に掛かる地震力は、Ｑｅ＝１１０４ｋN／３６本で３０．７ｋN／本となる。

使用するアンカーボルト６の材料定数をヤング係数Ｅ＝２０５ｋN／ｍｍ^２、せん断弾性係数Ｇ＝７９ｋN／ｍｍ^２、ポアゾン比ｖ＝０．３として支点間距離（図５に示すＬ寸法）を３２１ｍｍとしてアンカーボルト６の変位を算出する。
ここで、Ｍ２２φのアンカーボルト６を使用した場合、１本の水平変位Ｕ＝１４．３９５ｃｍ、１本の鉛直変位Ｖ＝０．１０５ｃｍ、１本の回転角θ＝０．６７１ｒａｄ変位し、Ｍ２４φのアンカーボルト６を使用した場合は、１本の水平変位Ｕ＝１０．１６９ｃｍ、１本の鉛直変位Ｖ＝０．０８９ｃｍ、１本の回転角θ＝０．４７４ｒａｄ変位すると判断できる。

以上のように、本発明を実施するための最良の構成、方法等は、前記記載で開示されているが、本発明はこれに限定されるものではない。
例えば、上記実施形態や実施例では、引張ストッパーナット１１が全てのアンカーボルト６の両端部に螺着されているとしたが、設置場所により鉛直方向の上向きの応力が少ないところは引張ストッパーナット１１を螺着しないこととしても良い。

また、上記実施形態や実施例では、コイルスプリングを１本の同じ径の金属製の線材で形成していたが、それに限定するものではなく、例えば、コイルスプリングの巻き始めと巻き終わりの両端部分と、コイルスプリングの中心部分の線径を変化させストロークに応じてスプリングレートが変化する非線形のコイルスプリングで形成しても良く、特にコイルスプリングの形状を限定するものではない。

上記実施形態や実施例では特に限定していないが、図１及び図５に示すように、主コイルスプリング５を中心として、直径方向の左右に配置する副コイルスプリング７を、右巻きと左巻きの巻き方向が違う副コイルスプリング７を使用しても良く、そうすることで地震による振動エネルギーの入力方向による影響をより少なくすることができる。

また、上記実施形態や実施例では特に限定していないが、図６に示すように圧縮ストッパープレート１０の鉛直方向内側面で、貫通孔１３と仮想同心円に沿った所要位置に副コイルスプリング７の端部を収納可能となる所用寸法の副スプリング用凹部１０Ａを凹設しても良く、さらに、副コイルスプリング７を副スプリング用凹部１０Ａに溶接固定することとしても良い。副スプリング用凹部１０Ａは、構造物用免震支承装置１を製造する時に、副コイルスプリング７の位置を固定できる効果が得られ、さらに、溶接固定をすることで、鉛直方向の上下に向けた引張り荷重が掛かる時の対抗性能向上が期待できる。

１構造物用免震支承装置
２上連結フランジ体
３下連結フランジ体
４ゴムブロック体
５主コイルスプリング
６アンカーボルト
６Ａ雄ねじ部
７副コイルスプリング
８囲繞部材
９圧縮ストッパーナット
１０圧縮ストッパープレート
１０Ａ副スプリング用凹部
１１引張ストッパーナット
１２座グリ部
１３貫通孔
１４主スプリング用凹部
１５圧入用貫通孔
１６アンカーボルト用貫通孔
１７連結孔
１００建造物
１０１上部構造体
２０１下部構造体
Ａ建造物の荷重
Ｂ上向きの応力
Ｃ水平応力
Ｌ支点間距離

Claims

上下の対向位置に配設された上下連結フランジ体と、前記上下連結フランジ体間に配設されたゴムブロック体と、前記上下連結フランジ体間の鉛直方向に沿った向きに配設され且つ前記ゴムブロック体に埋設されたコイルスプリングと、前記上下連結フランジ体を両端部が貫通し鉛直方向に沿った向きに配設され且つ前記ゴムブロック体に埋設されたアンカーボルトと、前記ゴムブロック体の外周を囲繞する囲繞部材とからなり、前記ゴムブロック体が円柱形状に形成され、前記コイルスプリングが前記ゴムブロック体の円中心部に埋設された主コイルスプリングと、前記主コイルスプリングの円中心から前記ゴムブロック体の外周縁方向に向かう方向の前記主コイルスプリングより外側の同心円線上に複数埋設された副コイルスプリングとで構成され、前記アンカーボルトが前記副コイルスプリングの円中心に埋設されていることを特徴とする構造物用免震支承装置。
前記アンカーボルトの両端部近傍所要位置に前記ゴムブロック体を鉛直方向の下向きに圧縮する荷重に対抗する圧縮ストッパー部を有することを特徴とする請求項１に記載の構造物用免震支承装置。
前記アンカーボルトの両端部近傍所要位置に、前記ゴムブロック体を鉛直方向の上向きに引張る荷重に対抗する引張ストッパーを有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の構造物用免震支承装置。
前記副コイルスプリングの本数が、８本以上の４の倍数本である請求項１に記載の構造物用免震支承装置。