JP7266468B2 - 免震構造 - Google Patents

Description

本発明は、免震構造に関する。

下記特許文献１には、地震エネルギーを吸収するプラグ部が内挿された滑り式積層板支承の構成が示されている。

特開２００８－２６１４９０号公報（図４）

上記特許文献１の滑り式積層板支承を用いると、プラグ部によって地震エネルギーを吸収しつつ（減衰性能）、平滑部材が摺動することで上部に載置される構造体に入力される地震エネルギーを抑制できる（免震性能）。しかし、例えば大規模の地震により平滑部材が摺動したときに十分な減衰性能を発揮することが難しい。

本発明は上記事実を考慮して、地震の規模に関わらず減衰性能と免震性能とを発揮できる免震構造を提供することを目的とする。

請求項１の免震構造は、下部構造体と、前記下部構造体に載置された第１免震装置及び第２免震装置と、前記第１免震装置及び前記第２免震装置に支持された上部構造体と、前記下部構造体と前記上部構造体とが相対変位して前記下部構造体又は前記上部構造体が当たった際に前記下部構造体又は前記上部構造体から押圧され変形し振動を減衰する衝突緩衝材と、を有し、前記第１免震装置は、外力によって変形して振動を減衰する第１支承部と、前記第１支承部を滑り変位させる滑り機構と、を備え、前記第２免震装置は、外力によって変形して振動を減衰する第２支承部を備え、滑り機構を備えない。

請求項１の免震構造においては、第１免震装置と第２免震装置とが併用されている。地震時の水平力により、上部構造体は下部構造体に対して相対変位する。このとき、第１免震装置の第１支承部及び第２免震装置の第２支承部が変形しつつ振動を減衰する。すなわち、通常の地震時に免震性能及び減衰性能を発揮する。

また、第１免震装置の第１支承部は滑り機構によって滑り変位する。一方、第２免震装置は滑り機構を備えないため、外力が大きくなっても第２支承部が変形を続けて振動を減衰する。これにより、大きな地震においても、免震性能及び減衰性能を発揮することができる。

さらに、外力が大きくなって、下部構造体又は上部構造体が衝突緩衝材に当ると、この衝突緩衝材が、下部構造体又は前記上部構造体から押圧され変形して振動を減衰する。これにより、減衰性能をさらに高めることができる。
請求項２の免震構造は、請求項１の免震構造において、前記衝突緩衝材は塑性変形して振動を減衰する。

請求項３の免震構造は、下部構造体と、前記下部構造体に載置された免震装置と、
前記免震装置に支持された上部構造体と、前記下部構造体と前記上部構造体とが相対変位して前記下部構造体又は前記上部構造体が当たった際に前記下部構造体又は前記上部構造体から押圧され変形し振動を減衰する衝突緩衝材と、を有し、前記免震装置は、外力によって変形して振動を減衰する第１支承部と、前記第１支承部を滑り変位させる滑り機構と、を備えた第１免震装置と、外力によって変形して振動を減衰する第２支承部を備え、滑り機構を備えない第２免震装置と、を有し、前記衝突緩衝材は、前記第１支承部が滑り変位を開始後に前記下部構造体又は前記上部構造体と当接する。

請求項３の免震構造においては、第１支承部が滑り変位を開始する前には、衝突緩衝材は下部構造体又は上部構造体から押圧されない。このため、第１支承部の変形が妨げられず、第１支承部の減衰性能を十分に発揮することができる。

請求項４の免震構造は、請求項３の免震構造において、前記第２支承部は、前記衝突緩衝材が所定値以上変形すると破断する。

請求項４の免震構造においては、衝突緩衝材の変形量が所定値未満の場合、第２支承部が破断しない。このため、第２支承部の弾性復元力により、地震後に下部構造体と上部構造体との相対位置を復元し易い。
また、衝突緩衝材の変形量が所定値以上の場合、第２支承部が破断する。このため、第２支承部の減衰性能を最大限に発揮することができる。

本発明に係る免震構造によると、地震の規模に関わらず減衰性能と免震性能とを発揮できる。

（Ａ）は本発明の実施形態に係る免震構造において上部構造体が下部構造体に対して相対移動する前の状態を示した立面図であり、（Ｂ）は上部構造体が下部構造体に対して相対移動して第１免震装置及び第２免震装置が変形している状態を示した立面図であり、（Ｃ）は第１免震装置が滑動して第２免震装置が変形している状態を示した立面図であり、（Ｄ）は衝突緩衝材が変形している状態を示した立面図である。 本発明の実施形態に係る免震構造を示す平面図である。 本発明の実施形態に係る免震構造における減衰性能を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態に係る免震構造について、図面を参照しながら説明する。各図面において同一の符号を用いて示される構成要素は、同一の構成要素であることを意味する。なお、各図面において重複する構成及び符号については、説明を省略する場合がある。また、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的の範囲内において、適宜変更を加えて実施することができる。

（建物）
本発明の実施形態に係る免震構造は、一例として、図１（Ａ）に示す建物１０に適用される。建物１０は、下部構造体２０の上部に免震装置４０、５０を介して上部構造体３０が載置された、鉄筋コンクリート造、鉄骨鉄筋コンクリート造又は鉄骨造の免震構造物である。なお、「鉄筋コンクリート造、鉄骨鉄筋コンクリート造又は鉄骨造」とは、柱梁架構が鉄筋コンクリート製、鉄骨鉄筋コンクリート製又は鉄骨製であることを示している。

（第１免震装置）
免震装置４０は、本発明における第１免震装置の一例であり、制振機構としての鉛プラグ４２と、免震機構としての積層ゴム４４、滑り材４６及び滑り板４８を備えている。

鉛プラグ４２は、外力（地震時に作用する水平力）によって塑性変形して、振動エネルギーを吸収し、振動を減衰することができる（換言すると、鉛プラグ４２によって振動の減衰力が生じる）。鉛プラグ４２は、積層ゴム４４の中心部に配置されている。

積層ゴム４４は、天然ゴムを主材料としたゴム板と鋼板とを交互に積み重ね、これらを加硫接着して形成される。積層ゴム４４は略円柱形状とされており、常時は上部構造体３０の荷重を支持している。積層ゴム４４は、外力（地震時に作用する水平力）によってゴム板が弾性変形し、下部構造体２０から上部構造体３０へ地震エネルギーが入力されることを抑制する。

積層ゴム４４の上端部は鋼製のフランジ４９に固定されている。フランジ４９は上部構造体３０にアンカーボルト等を用いて固定されている。

滑り材４６は、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）材等を用いて形成され、積層ゴム４４の下端部に固定されている。また、滑り材４６は、滑り板４８の上面に非固定で配置されている。

滑り板４８は、ステンレス板等によって形成され、上面が略水平になるように下部構造体２０に固定されている。滑り材４６と滑り板４８との摩擦係数は適宜変更することができる。本実施形態における摩擦係数の設定方法については後述する。

なお、免震装置４０において、鉛プラグ４２及び積層ゴム４４は本発明における第１支承部の一例であり、滑り材４６及び滑り板４８は本発明における滑り機構の一例である。

また、本実施形態においては滑り板４８を下部構造体２０に固定しているが、本発明の実施形態はこれに限らない。すなわち、滑り板４８は上部構造体３０に固定してもよい。この場合、上述した免震装置４０と上下を入れ替えて、フランジ４９を下部構造体に固定するものとする。

（第２免震装置）
免震装置５０は、本発明における第２免震装置の一例であり、制振機構としての鉛プラグ５２と、免震機構としての積層ゴム５４、フランジ５６及びフランジ５８を備えている。

鉛プラグ５２は、鉛プラグ４２と同様に、外力（地震時に作用する水平力）によって塑性変形して、振動エネルギーを吸収し、振動を減衰することができる。鉛プラグ５２は、積層ゴム５４の中心部に配置される。

積層ゴム５４は、積層ゴム４４と同様に、天然ゴムを主材料としたゴム板と鋼板とを交互に積み重ね、加硫接着して形成される。積層ゴム５４は略円柱形状とされており、常時は上部構造体３０の荷重を支持している。積層ゴム５４は、外力（地震時に作用する水平力）によってゴム板が弾性変形し、下部構造体２０から上部構造体３０へ地震エネルギーが入力されることを抑制する。

積層ゴム５４の上下端部は、それぞれ鋼製のフランジ５８、５６に固定されている。フランジ５８は上部構造体３０にアンカーボルト等を用いて固定され、フランジ５６は下部構造体２０にアンカーボルト等を用いて固定されている。

なお、免震装置５０において、鉛プラグ５２及び積層ゴム５４は、本発明における第２支承部の一例である。

（衝突緩衝材）
下部構造体２０には、Ｈ型鋼で形成された鉄骨支柱７０が設置されている。鉄骨支柱７０は、下端部が下部構造体２０における梁２２のスパン中央部に埋設され、当該梁から上方へ突出している。また、鉄骨支柱７０は、強軸方向（ウェブ７２の延設方向）が梁の延設方向に沿うように配置されている。さらに、鉄骨支柱７０には、フランジ７４間に補剛プレート７６が設けられている。

鉄骨支柱７０の両フランジ７４において、補剛プレート７６で補剛された部分の両外側面には、衝突緩衝材として防舷材８０が台座８２を介して取り付けられている。防舷材８０は、フランジ７４から鉄骨支柱７０の側方へ向かって縮径する略中空円錐形状のゴム支承であり、圧縮方向（ウェブ７２の延設方向）及びせん断方向（フランジ７４の延設方向）の力の入力に対して抵抗力を発揮できる。

上部構造体３０の梁３２には、コンクリートで形成された反力体９０が設置されている。反力体９０は、梁３２及びフーチング３４と一体的に形成された固定部９２と、固定部９２から下方へ突出した押圧部９４と、を備えている。固定部９２及び押圧部９４は一体的に形成されている。

反力体９０は、鉄骨支柱７０の両側に、防舷材８０と対向して配置されている。このため、地震時に下部構造体２０と上部構造体３０とが相対変位した際、鉄骨支柱７０の両フランジ７４に取り付けられた２つの防舷材８０が、交互に反力体９０と接触することができる。防舷材８０は、反力体９０と接触した際、反力体９０から押圧され変形し振動を減衰することができる。

なお、本実施形態においては鉄骨支柱７０及び防舷材８０が下部構造体２０に設けられ、反力体９０が上部構造体３０に設けられているが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば、鉄骨支柱７０及び防舷材８０を上部構造体３０に設け、反力体９０を下部構造体２０に設けてもよい。

（免震構造の配置）
図２には、上記で説明した免震装置４０、５０、鉄骨支柱７０及び防舷材８０の配置の一例が平面図で示されている。なお、本実施形態においては、免震装置として、免震装置４０、５０に加えて、鉛プラグを備えない（制振機構を備えない）滑り免震装置６０が設けられているが、本発明において免震装置６０は必ずしも設ける必要はない。

免震装置４０、５０、６０は、上部構造体３０の下部において、上部構造体３０の柱の直下に格子点状に配置されている。なお、免震装置４０、５０、６０は、上部構造体３０の重量バランス等に応じて適宜配置（位置及び数量）を調整することができるが、本実施形態においては、一例として、免震装置６０の周囲に免震装置４０が配置され、免震装置４０の周囲に免震装置５０が配置されている。すなわち、地震時に引き抜き力が発生し易い建物１０の外周部に、免震装置５０が配置されている。このため、建物１０の外周部に免震装置４０や免震装置６０が配置されている場合と比較して、引き抜き力に対する耐力が向上する。なお、引き抜き力に耐力をさらに向上させるために、免震装置５０の積層ゴム５４としては、高強度積層ゴム（ＨＳＲ：High Strength Rubber Bearing）等を用いてもよい。

また、複数設けられた鉄骨支柱７０のうち、一部は、両フランジ７４（図１参照）に固定された防舷材８０の配置がＸ方向に沿うように設けられている。また、他の一部は、両フランジ７４に固定された防舷材８０の配置がＹ方向に沿うように設けられている。Ｘ方向、Ｙ方向は、互いに略直交する方向であり、下部構造体２０の梁２２（図１参照）及び上部構造体３０の梁３２の延設方向である。

また、反力体９０は、それぞれの防舷材８０と対向するように設けられている。このため、下部構造体２０と上部構造体３０とがＸ方向だけでなくＹ方向に相対変位した場合にも、防舷材８０が反力体９０と接触する。

なお、図１（Ａ）～（Ｄ）においては、免震装置４０、５０、防舷材８０を互いに隣接して図示している。これらの図は本発明における主要な構成要素の概略を示すものであり、図２との整合性は考慮しない。すなわち、上述したように、免震装置４０、５０、防舷材８０の配置は特に限定されるものではなく、適宜調整することができる。

（作用・効果）
本発明の実施形態に係る免震構造による減衰性能及び免震性能について、図１（Ｂ）～（Ｄ）及び図３を用いて説明する。

図１（Ｂ）には、地震時に建物１０に作用する外力Ｐ１によって、上部構造体３０が下部構造体２０に対して距離Ｘ１だけ相対変位した状態が示されている。

地震時に建物１０に作用する外力が外力Ｐ１未満の状態では、上部構造体３０の下部構造体２０に対する相対変位量は、距離Ｘ１未満となる。このとき、免震装置４０における積層ゴム４４及び免震装置５０における積層ゴム５４がせん断変形する。これにより、上部構造体３０に入力される振動及び地震エネルギーが抑制される。すなわち、免震性能が発揮される。

また、積層ゴム４４、５４の変形に伴って、鉛プラグ４２、５２が塑性変形する。これにより、地震エネルギーが熱エネルギーに変換され、振動が減衰する。すなわち、減衰性能が発揮される。

なお、図３には、免震装置４０による減衰性能について、外力によって鉛プラグ４２の内部に発生するせん断応力（内部応力）と変形量（上部構造体３０の下部構造体２０に対する相対変位量）との関係が点線Ｔ１で示されている。また、免震装置５０による減衰性能について、外力によって鉛プラグ５２の内部に発生するせん断応力（内部応力）と変形量（上部構造体３０の下部構造体２０に対する相対変位量）との関係が一点鎖線Ｔ２で示されている。

さらに、図３には、防舷材８０による減衰性能について、外力によって防舷材８０の内部に発生する圧縮応力（内部応力）と変形量（上部構造体３０の下部構造体２０に対する相対変位量）との関係が二点鎖線Ｔ３で示されている。

またさらに、本発明の実施形態に係る免震構造（免震装置４０、５０、防舷材８０の組合わせ）による減衰性能について、建物１０に作用する地震力（地震力によって生じる免震装置４０、５０、防舷材８０の内部応力の和）と変形量（上部構造体３０の下部構造体２０に対する相対変位量）との関係が実線Ｔ４で示されている。減衰性能（地震エネルギーの吸収量）は、この実線Ｔ４を積分することにより算出することができる。

図３に示すように、上部構造体３０の下部構造体２０に対する相対変位量が距離Ｘ１未満の状態では、免震装置４０における積層ゴム４４及び免震装置５０における積層ゴム５４が何れも減衰性能を発揮する。

次に、図１（Ｃ）には、地震時に建物１０に作用する外力Ｐ２によって、上部構造体３０が下部構造体２０に対して距離Ｘ２だけ相対変位した状態が示されている。外力Ｐ２は、外力Ｐ１より大きな外力である。外力Ｐ２が作用し、相対変位量が距離Ｘ２となったとき、防舷材８０が反力体９０と当接する（当る）。

外力がＰ１以上の状態においては、免震装置４０における滑り材４６が滑り板４８の上を滑動する。すなわち、地震時の外力Ｐ１によって免震装置４０に入力される分力Ｐ４（図３参照）以上の力によって、滑り材４６が滑り板４８の上を滑動するように、滑り材４６と滑り板４８との間の静止摩擦係数が調整されている。これにより、上部構造体３０に入力される振動及び地震エネルギーが抑制される。すなわち、免震性能が発揮される。

一方、免震装置５０における積層ゴム５４は、外力がＰ１以上の状態においてもせん断変形する。これにより、上部構造体３０に入力される振動及び地震エネルギーが抑制される。すなわち、免震装置５０によっても免震性能が発揮される。

また、積層ゴム５４の変形に伴って、鉛プラグ５２が塑性変形する。これにより、地震エネルギーが熱エネルギーに変換され、振動が減衰する。すなわち、減衰性能が発揮される。

次に、図１（Ｄ）には、地震時に建物１０に作用する外力Ｐ３によって、上部構造体３０が下部構造体２０に対して距離Ｘ３だけ相対変位した状態が示されている。外力Ｐ３は、外力Ｐ２より大きな外力である。外力Ｐ３が作用し、相対変位量が距離Ｘ３となったとき（防舷材８０の変形量が所定値（Ｘ３－Ｘ２）以上となったとき）、免震装置５０の鉛プラグ５２が破断する（塑性限界）。このとき、防舷材８０は変形を続けている。

外力がＰ２以上の状態においては、免震装置４０における滑り材４６が滑り板４８の上を滑動する。これにより、上部構造体３０に入力される振動及び地震エネルギーが抑制される。すなわち、免震性能が発揮される。

一方、免震装置５０における積層ゴム５４は、外力がＰ２以上の状態においてもせん断変形する。これにより、上部構造体３０に入力される振動及び地震エネルギーが抑制される。すなわち、免震装置５０によっても免震性能が発揮される。

また、積層ゴム５４の変形に伴って、鉛プラグ５２が塑性変形する。これにより、地震エネルギーが熱エネルギーに変換され、振動が減衰する。すなわち、減衰性能が発揮される。

さらに、防舷材８０が反力体９０から押圧され、塑性変形する。これにより、地震エネルギーが熱エネルギーに変換され、振動が減衰する。すなわち、防舷材８０によっても減衰性能が発揮される。

なお、免震装置４０における滑り材４６が滑り板４８の上を滑動し始める変位（距離Ｘ１）及び防舷材８０が反力体９０と当接する変位（距離Ｘ２）は、任意の値を設定することができる。換言すると、免震装置４０における滑り材４６が滑り板４８の上を滑動し始める地震力（外力Ｐ１）と、防舷材８０が反力体９０と当接する地震力（外力Ｐ２）は、任意の値を設定することができる。

本実施形態においては、図３に示すように、中規模程度の地震動である「地震動レベル１」（変位Ｌ１）及び大規模の地震動である「地震動レベル２」（変位Ｌ２）を超える規模の地震動（外力Ｐ１、免震装置４０に作用する外力は分力Ｐ４）において、滑り材４６が滑り板４８の上を滑動し始めるようにしている。

これにより、「地震動レベル２」程度の地震においては、免震装置４０、５０双方の免震性能及び減衰性能を発揮させることができる（図１（Ｂ））。また、「地震動レベル２」を超える規模の地震動においては、免震装置４０、５０による免震性能を発揮しつつ、免震装置５０による減衰性能を発揮することができる（図１（Ｃ））。

また、「地震動レベル２」より大きい想定外の地震動である「地震動レベル３」（変位Ｌ３）を超える規模の地震動において、防舷材８０が反力体９０と当接するようにしている。これにより、「地震動レベル３」を超える規模の地震動においては、免震装置４０、５０による免震性能を発揮しつつ、免震装置５０及び防舷材８０による減衰性能を発揮することができる（図１（Ｄ））。

なお、図１（Ｂ）～（Ｄ）に示すように、滑り材４６が滑り板４８の上を滑動し始める前には、防舷材８０は反力体９０から押圧されない。すなわち、免震装置４０における鉛プラグ４２が十分に変形して減衰性能を発揮した後、滑り材４６が滑り板４８の上を滑動し始め、防舷材８０が反力体９０と当接して、反力体９０から押圧される。このため、本実施形態においては、鉛プラグ４２の減衰性能を十分に発揮することができる。

また、本実施形態においては、外力Ｐ３が作用し、相対変位量が距離Ｘ３となったとき、免震装置５０の鉛プラグ５２が破断する。このとき、防舷材８０は変形を続けている。これにより、鉛プラグ５２の減衰性能を十分に発揮することができる。

なお、本実施形態においては、鉛プラグ５２が破断する場合について説明したが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば鉛プラグ５２が破断する前に、上部構造体３０が建物１０の周囲に設けた擁壁（不図示）に当接するものとしてもよい。すなわち、上部構造体３０の下部構造体２０に対する相対変位量が免震クリアランスの限界に達した段階においても、鉛プラグ５２による減衰性能を発揮させてもよい。これにより、擁壁に対する上部構造体３０の衝突の勢いを低減できる。

防舷材８０についても、鉛プラグ５２と同様に、適宜破断強度を設定できる。一例として、防舷材８０は、鉛プラグ５２が破断する前に破断させてもよい。別の一例として、防舷材８０は、鉛プラグ５２が破断した後に破断させてもよい。また別の一例として、防舷材８０が破断する前に、上部構造体３０が建物１０の周囲に設けた擁壁（不図示）に当接するものとしてもよい。

さらに、防舷材８０を破断させる場合、防舷材８０の破断後に、鉄骨支柱７０が降伏（弾性限界）及び破断（塑性限界）させてもよい。これにより鉄骨支柱７０によっても減衰性能を発揮することができる。

また、図３においては、点線Ｔ１が一点鎖線Ｔ２の上方に描かれている。すなわち、免震装置４０における鉛プラグ４２の剛性が免震装置５０における鉛プラグ５２の剛性より大きく、鉛プラグ４２に発生する内部応力が鉛プラグ５２に発生する内部応力より大きいものとして描かれているが、本発明の実施形態はこれに限らない。

例えば鉛プラグ４２の剛性を鉛プラグ５２の剛性より大きくしてもよいし、それぞれの剛性を等しくしてもよい。なお、鉛プラグ４２、５２の剛性は、鉛プラグ４２、５２を形成する素材自体の剛性を調整することや、免震装置４０、５０の設置個数を調整することで変更できる。

また、本実施形態においては、免震装置４０、５０の減衰性能を鉛プラグ４２、５２によって発揮しているが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば、鉛プラグ４２、５２に代えて又は加えて、積層ゴム４４、５４を構成するゴムを高減衰ゴムによって形成しても、免震装置４０、５０に減衰性能を付与することができる。このように、本発明は様々な態様で実施することができる。

２０ 下部構造体
３０ 上部構造体
４０ 免震装置（第１免震装置）
５０ 免震装置（第２免震装置）
８０ 防舷材（衝突緩衝材）
４２ 鉛プラグ（第１支承部）
４４ 積層ゴム（第１支承部）
４６ 滑り材（滑り機構）
４８ 滑り板（滑り機構）
５２ 鉛プラグ（第２支承部）
５４ 積層ゴム（第２支承部）

Claims (4)

1. 下部構造体と、
   前記下部構造体に載置された第１免震装置及び第２免震装置と、
   前記第１免震装置及び前記第２免震装置に支持された上部構造体と、
   前記下部構造体と前記上部構造体とが相対変位して前記下部構造体又は前記上部構造体が当たった際に前記下部構造体又は前記上部構造体から押圧され変形し振動を減衰する衝突緩衝材と、を有し、
   前記第１免震装置は、外力によって変形して振動を減衰する第１支承部と、前記第１支承部を滑り変位させる滑り機構と、を備え、
   前記第２免震装置は、外力によって変形して振動を減衰する第２支承部を備え、滑り機構を備えない、
   免震構造。
2. 前記衝突緩衝材は塑性変形して振動を減衰する、
   請求項１に記載の免震構造。
3. 下部構造体と、
   前記下部構造体に載置された免震装置と、
   前記免震装置に支持された上部構造体と、
   前記下部構造体と前記上部構造体とが相対変位して前記下部構造体又は前記上部構造体が当たった際に前記下部構造体又は前記上部構造体から押圧され変形し振動を減衰する衝突緩衝材と、を有し、
   前記免震装置は、
   外力によって変形して振動を減衰する第１支承部と、前記第１支承部を滑り変位させる滑り機構と、を備えた第１免震装置と、
   外力によって変形して振動を減衰する第２支承部を備え、滑り機構を備えない第２免震装置と、を有し、
   前記衝突緩衝材は、前記第１支承部が滑り変位を開始後に前記下部構造体又は前記上部構造体と当接する、免震構造。
4. 前記第２支承部は、前記衝突緩衝材が所定値以上変形すると破断する、請求項３に記載の免震構造。

Images