JP7456871B2 - 免震構造、建物、及び移動規制装置 - Google Patents

Description

本発明は、地震時において免震層の過大変形を抑制する免震構造、建物、及び移動規制装置に関する。

建物の基礎や、上部構造体と下部構造体を有する建物の中間層には、地震時に大きく変形する免震層と呼ばれる支持構造が設けられる。免震層は、例えば、積層ゴムやバネを用いて構成されている。免震層が設けられていることにより、地震時に免震層が大きく変形することで免震層より上部の建物応答が低減して建物の損傷が抑制される。建物の設計において、通常は想定される地震動に対する免震層の変形を算出して、必要なクリアランスを設定する。

基礎に免震層が設けられた免震建物では、建物と、基礎側に設けられた擁壁との間に適切なクリアランスが確保され、建物が擁壁に衝突することが防止される。中間層に免震層が設けられた免震建物において、中間層においてエレベーターシャフトや設備の配管には適切なクリアランスが確保される必要がある。

近年では想定を超える地震動に対するフェイルセーフ機構の必要性が高まってきている。とりわけ免震建物では、免震層が過大変形した際に擁壁との衝突や、免震装置が破断することを防止するための過大変形抑制機構が求められている。

免震層の過大変形を防止するため、例えば、特許文献１に記載されたフェイルセーフ機構に関する技術が知られている。このフェイルセーフ機構は、ダンパーに並列して固定された板状部材を備え、板状部材は、一端側が円形の孔にピン接合されており、他端側が長孔にピン接合されている。また，建物の擁壁衝突による建物への衝撃緩和のため、ゴムなどを用いた衝突緩衝に関する技術も知られている（例えば、特許文献２から４参照）。

特開２０１９－１６３６７８号公報 特開２０１４－７７２２９号公報 特開２０１５－１８３４９５号公報 特開２０００－３４５７３８号公報

特許文献１に記載されたフェイルセーフ機構は、建物の制震用に設計されたダンパーとは別に設けられることが多く、過大な変形を抑制するための棒状部材が別途設けられるなど複雑な機構を有し、コストが増大する。また、特許文献２等に記載された技術のようにゴムなどを用いた衝突緩衝材により過大変形を抑制するためには、非常に多くの台数が必要となると共に、建物規模が大きい場合は衝突緩衝材の配置が困難となる。さらに、この技術によれば、過大変形後に擁壁が降伏する虞があり、建物を継続的に使用することに支障をきたす虞がある。

本発明は、構成を簡略化しつつ、免震層の過大変形を防止すると共に、上部構造体が擁壁などに衝突して建物や擁壁が損傷することを防止することができる免震構造、建物、及び移動規制装置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、本発明は、上部構造体と、前記上部構造体の下方に配置された下部構造体との間に設けられ、前記下部構造体に対して前記上部構造体を移動自在に支持する免震層と、前記上部構造体と連動して移動する第１束材と、前記下部構造体と連動して移動する第２束材と、前記第１束材又は前記第２束材のいずれか一方に固定された緩衝部材と、前記緩衝部材が固定されていない前記第１束材又は前記第２束材の他方に固定された変形部材と、を備え、前記変形部材は、前記下部構造体に対する前記上部構造体の相対的な移動量が所定量以上となった際に前記緩衝部材を介して前記第１束材又は前記第２束材のいずれか一方に押圧され変形して運動エネルギーを吸収すると共に、前記移動量を前記免震層の限界変位以下に規制し、前記変形部材は、両端が支持された梁状に形成され、中央付近が前記緩衝部材を介して押圧されることを特徴とする免震構造である。

本発明によれば、上部構造体と下部構造体との間の相対的な移動量が生じる際に、変形部材が移動量を免震層の限界変位以下に規制するため、過大な変形により免震装置が損傷・破断すること、および上部構造体が擁壁などに衝突して建物や擁壁が損傷することを防止することができる。
また、梁状に形成された変形部材が押圧されて撓んで緩衝部材を介して第１束材又は第２束材のいずれか一方の移動を受け止めて、上部構造体と下部構造体との間の相対的な移動量を規制することができる。

また、本発明は、前記変形部材は、塑性変形して前記運動エネルギーを吸収するように構成されていてもよい。

本発明によれば、変形部材が撓んで塑性変形することにより、下部構造体との間の相対的な移動量が生じる際の運動エネルギーを吸収することができる。

本発明は、上部構造体と、前記上部構造体の下方に配置された下部構造体と、前記上部構造体と前記下部構造体との間に設けられ、前記下部構造体に対して前記上部構造体を移動自在に支持する免震層と、前記上部構造体と連動して移動する第１束材と、前記下部構造体と連動して移動する第２束材と、前記第１束材又は前記第２束材のいずれか一方に固定された緩衝部材と、前記緩衝部材が固定されていない前記第１束材又は前記第２束材の他方に固定され、前記下部構造体に対する前記上部構造体の相対的な移動量が所定量以上となった際に前記緩衝部材を介して前記第１束材又は前記第２束材のいずれか一方に押圧され変形して運動エネルギーを吸収すると共に、前記移動量を前記免震層の限界変位以下に規制する変形部材と、を備え、前記変形部材は、両端が支持された梁状に形成され、中央付近が前記緩衝部材を介して押圧されることを特徴とする、建物である。

本発明によれば、中間層や基礎に免震層を有する建物において、上部構造体と下部構造体との間の相対的な移動量が生じる際に、変形部材が移動量を免震層の限界変位以下に規制するため、過大な変形により免震装置が損傷・破断すること、および上部構造体が擁壁などに衝突して建物や擁壁が損傷することを防止することができる。

本発明は、上部構造体と連動して移動する第１束材と、前記上部構造体の下部に設けられ、前記上部構造体を移動自在に免震層により支持する下部構造体と連動して移動する第２束材と、前記第１束材又は前記第２束材のいずれか一方に固定された緩衝部材と、前記緩衝部材が固定されていない前記第１束材又は前記第２束材の他方に固定された変形部材と、を備え、前記変形部材は、前記下部構造体に対する前記上部構造体の相対的な移動量が所定量以上となった際に前記緩衝部材を介して前記第１束材又は前記第２束材のいずれか一方に押圧され変形して運動エネルギーを吸収すると共に、前記移動量を前記免震層の限界変位以下に規制し、前記変形部材は、両端が支持された梁状に形成され、中央付近が前記緩衝部材を介して押圧されることを特徴とする、移動規制装置である。

本発明によれば、中間層や基礎に免震層を有する建物に移動規制装置を取り付けることで上部構造体と下部構造体との間の相対的な移動量が生じる際に、変形部材が移動量を免震層の限界変位以下に規制するため、過大な変形により免震装置が損傷・破断すること、および上部構造体が擁壁などに衝突して建物や擁壁が損傷することを防止することができる。

本発明によれば、構成を簡略化しつつ、免震層の過大変形を防止すると共に、上部構造体が擁壁などに衝突して建物や擁壁が損傷することを防止することができる。

本発明の実施形態に係る免震構造を有する建物の構成を示す図である。 免震構造の構成を示す側面断面図である。 免震構造の構成を示す平面断面図である。 大変形時の免震構造の構成を示す側面断面図である。 大変形時の免震構造の構成を示す平面断面図である。 解析用の建物のモデルのデータを示す図である。 緩衝部材の１台当たりの荷重変形関係を示す図である。 変形部材の１台当たりの荷重変形関係を示す図である。 緩衝部材と変形部材との１台当たりの荷重変形関係を示す図である。 移動規制装置の有無による免震層の変位の差を示す図である。 移動規制装置における荷重変形関係を示す図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明に係る免震構造、建物、及び移動規制装置の実施形態について説明する。

図１に示されるように、建物１は、上部構造体２と、上部構造体２の下方に配置された下部構造体３とを備える。上部構造体２と下部構造体３との間には、免震層１０が設けられている。免震層１０は、下部構造体３に対して上部構造体２を移動自在に支持する。建物１は、例えば、基礎側に免震層１０が設けられた免震建物である。建物１は、中間層に免震層１０が設けられた免震建物であってもよい。

上部構造体２は、例えば、多層階を有する建築物である。下部構造体３は、建物１が基礎側に免震層１０が設けられた免震建物である場合は、建物１の基礎と一体化した構造体である。下部構造体３は、建物１が中間層に免震層１０が設けられた免震建物である場合は、多層階を有する建築物である。

免震層１０は、例えば、弾性部材であるゴム板と鋼板が交互に積層された積層ゴム１１と、積層ゴム１１を上下において支持するフランジ１２とを有する免震構造を有する。免震層１０は、地震時に上部構造体２と下部構造体３との間に相対変位が生じた際に弾性変形し、下部構造体３の変位が上部構造体２に伝わりにくくするように構成されている。積層ゴム１１は、ゴム板の他、金属バネ等他の弾性部材が用いられていてもよい。

図２及び図３に示されるように、免震層１０には、下部構造体３に対する上部構造体２の相対的な移動量を規制する移動規制装置２０（フェイルセーフストッパー）が設けられている。免震層１０と移動規制装置２０とを合わせて免震構造３０を構成する。

移動規制装置２０は、上部構造体２の下部に設けられた第１束材２１と、下部構造体３の上部に設けられた第２束材２３とを備える。第１束材２１は、上部構造体２の下部から下方に突出して形成されている。第１束材２１は、例えば、上部構造体２の下部と一体に形成されている。第１束材２１は、上部構造体２の下部と別体である場合は、十分な強度が確保されるように上部構造体２の下部に固定される。第１束材２１は、上部構造体２と連動して移動する。第１束材２１は、矩形断面に形成されている。

第１束材２１は、対向した位置にもう一つの他の第１束材２１が設けられている。一対の第１束材２１においてに対向した面には、それぞれ緩衝部材２２が取り付けられている。緩衝部材２２は、例えば、ゴム等の弾性部材により形成されている。一対の第１束材２１の間には、一対の第２束材２３が配置されている。

第２束材２３は、下部構造体３の上部から上方に突出して形成されている。第２束材２３は、下部構造体３の上部と一体に形成されている。第２束材２３は、下部構造体３の上部と別体である場合は、十分な強度が確保されるように下部構造体３の上部に固定される。第２束材２３は、下部構造体３と連動して移動する。第２束材２３は、矩形断面に形成されている。一対の第２束材２３が対向する方向は、一対の第１束材２１が対向と直交方向である。一対の第２束材２３の間には、変形部材２４が設けられている。

変形部材２４は、両端が一対の第２束材２３に支持された梁状に形成されている。変形部材２４の両端は、一対の第２束材２３にボルト及びナット等を用いて回転を許容するように接合されている。変形部材２４は、一対の第２束材２３から取り外し可能であり、交換することができる。変形部材２４は、例えば、Ｈ型鋼により形成されている。変形部材２４は、短手方向に断面視してフランジ部が鉛直方向に沿って起立するように配置されている。変形部材２４は、緩衝部材２２と同じ高さに配置されている。

図４及び図５に示されるように、変形部材２４は、下部構造体３に対する上部構造体２の相対的な移動量が所定以上となった際に緩衝部材２２を介してフランジ部の第１束材に押圧される。変形部材２４は、緩衝部材２２を介して第１束材に中央付近が押圧されて撓み、弾性変形の範囲を超えた場合に塑性変形する。変形部材２４は、塑性変形する際に下部構造体３に対する上部構造体２の相対的な移動により生じる運動エネルギーを吸収する。変形部材２４は、変形時に第１束材２１を受け止めて下部構造体３に対する上部構造体２の相対的な移動量を免震層の限界変位以下に規制する。

限界変位とは、例えば、免震層１０の積層ゴム１１が伸びきって破断する変位量である。限界変位は、例えば、数十センチメートル程度に設定されている。これにより、移動規制装置２０は、下部構造体３に対する上部構造体２の相対的な移動量が数十センチメートル以上の大変形が生じる際に下部構造体３に対する上部構造体２の相対的な移動を規制し、免震層１０が破壊されることを防止することができる。移動規制装置２０は、変形部材２４が直交する方向やその他の方向に更に設けられていてもよい。移動規制装置２０は、複数個が設けられていてもよい。移動規制装置２０は、中間層や基礎に免震層１０が設けられている建物に後付けされてもよい。

次に、免震構造３０が適用された建物１の免震の状態について説明する。

図６に示されるように、建物１の中間層に免震層１０が設けられたモデルを例示する。建物１は、例えば、４６層に設定されている。免震層１０は、建物１の３４層と３５層との間に設けられている。建物１の１次固有周期はＸ方向が６．８５秒，Ｙ方向が６．７７秒である。

建物１に入力される地震波は、例えば、告示波が神戸位相レベル２に設定されている。告示波とは、時刻歴計算に用いる模擬地震波である。告示波は、平成１２年建設省告示第１４６１号に規定されている。告示波は、減衰定数５％の加速度応答スペクトル（告示スペクトル）が定められている。

建物１は、先ず移動規制装置２０がない状態において応答が解析される。建物１に入力される地震波は、移動規制装置２０がない状態で中間層免震の最大変形が７５ｃｍとなるよう１．５７５倍にスケーリングした波に設定されている。

次に、建物１は移動規制装置２０が設けられた状態において応答が解析される。建物１は、中間層の免震層１０における最大変形が７０ｃｍ以内となるよう変形部材２４の部材が選定されると共に、移動規制装置２０の台数が設定される。緩衝部材２２は、破砕ゴムから生成されたゴムチップを固めて３００ｍｍ×３００ｍｍ×１００ｍｍのサイズのブロックに形成される。

図７には、緩衝部材２２の１台当たりの荷重変形関係が示されている。上記例においては、ゴムチップブロックを用いているが、類似の特性を持ち、接触時間を確保できる部材であれば他の材料を用いてもよい。変形部材２４は、例えば、Ｈ型鋼により形成され、Ｈ－８００×３００×１６×３２（Ｆ＝３２５）、スパン６ｍのサイズに形成されている。

図８には、変形部材２４の１台当たりの荷重変形関係が示されている。図９には、緩衝部材２２と変形部材２４との１台当たりの荷重変形関係が示されている。

以下、免震層１０に移動規制装置２０が１方向あたり６台設けられた免震構造３０について解析結果を示す。この免震構造３０においては、荷重変形関係が縦軸において６倍となる。

図１０には、移動規制装置２０の有無による免震層１０の変位の差が示されている。図示するように、移動規制装置２０がない場合は、免震層１０の最大変位が７５０ｍｍであった。この状態においては、免震層１０が限界変位を超え、破断する虞がある。これに比して、移動規制装置２０が設けられた免震構造３０においては、免震層１０の最大変位が７００ｍｍ以内に規制され、移動規制装置２０の有効性が示された。

図１１には、移動規制装置２０における荷重変形関係が示されている。図示するように、移動規制装置２０において反力が緩やかに増加し、エネルギーを吸収していることが確認された。

上述したように、免震構造３０によれば、免震層１０が過大変形する地震波が入力されても変形部材２４が設けられていることにより、上部構造体２に対する下部構造体３の移動量が規制されて積層ゴム１１の破断を防止することができる。剛性の大きい部材（例えば，コンクリートや鉄骨部材）同士の衝突は接触時間が短く，通常の地震応答解析では正しく衝突による影響を考慮することは困難であるが，緩衝部材２２の作用により，接触時間を確保し，通常の地震応答解析にて衝突による影響を考慮することを可能としている。免震構造３０によれば、移動規制装置２０が鉄骨部材に用いられるＨ型鋼や破砕ゴムを固めたゴムチップブロック等の一般的な材料の組み合わせにより構成され、製造コストを低減することができる。

免震構造３０は、中間層に免震層を有する免震建物や基礎に免震層を有する免震建物いずれにも適用することができる。免震構造３０によれば、変形部材２４が塑性変形して運動エネルギーを吸収することができる。免震構造３０によれば、大地震が発生した後は、変形部材２４を交換することにより建物１を継続的に使用することができる。

以上、本発明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。例えば、変形部材２４は、第２束材２３ではなく、第１束材２１側に取り付けられていてもよい。この場合、緩衝部材２２は、第２束材２３に設けられていてもよい。即ち、緩衝部材２２は、第１束材２１又は第２束材２３のいずれか一方に固定され、変形部材２４は、緩衝部材２２が固定されていない第１束材２１又は第２束材２３の他方に固定されていればよい。変形部材２４は、下部構造体３に対する上部構造体２の相対的な移動量が所定量以上となった際に緩衝部材２２を介して第１束材２１又は第２束材２３のいずれか一方に押圧され変形して運動エネルギーを吸収すると共に、移動量を免震層１０の限界変位以下に規制するように構成されていればよい。

１ 建物
２ 上部構造体
３ 下部構造体
１０ 免震層
１１ 積層ゴム
１２ フランジ
２０ 移動規制装置
２１ 第１束材
２２ 緩衝部材
２３ 第２束材
２４ 変形部材
３０ 免震構造

Claims (4)

1. 上部構造体と、前記上部構造体の下方に配置された下部構造体との間に設けられ、前記下部構造体に対して前記上部構造体を移動自在に支持する免震層と、
   前記上部構造体と連動して移動する第１束材と、
   前記下部構造体と連動して移動する第２束材と、
   前記第１束材又は前記第２束材のいずれか一方に固定された緩衝部材と、
   前記緩衝部材が固定されていない前記第１束材又は前記第２束材の他方に固定された変形部材と、を備え、
   前記変形部材は、前記下部構造体に対する前記上部構造体の相対的な移動量が所定量以上となった際に前記緩衝部材を介して前記第１束材又は前記第２束材のいずれか一方に押圧され変形して運動エネルギーを吸収すると共に、前記移動量を前記免震層の限界変位以下に規制し、
   前記変形部材は、両端が支持された梁状に形成され、中央付近が前記緩衝部材を介して押圧されることを特徴とする、免震構造。
2. 前記変形部材は、塑性変形して前記運動エネルギーを吸収する、請求項１に記載の免震構造。
3. 上部構造体と、
   前記上部構造体の下方に配置された下部構造体と、
   前記上部構造体と前記下部構造体との間に設けられ、前記下部構造体に対して前記上部構造体を移動自在に支持する免震層と、
   前記上部構造体と連動して移動する第１束材と、
   前記下部構造体と連動して移動する第２束材と、
   前記第１束材又は前記第２束材のいずれか一方に固定された緩衝部材と、
   前記緩衝部材が固定されていない前記第１束材又は前記第２束材の他方に固定され、前記下部構造体に対する前記上部構造体の相対的な移動量が所定量以上となった際に前記緩衝部材を介して前記第１束材又は前記第２束材のいずれか一方に押圧され変形して運動エネルギーを吸収すると共に、前記移動量を前記免震層の限界変位以下に規制する変形部材と、を備え、
   前記変形部材は、両端が支持された梁状に形成され、中央付近が前記緩衝部材を介して押圧されることを特徴とする、建物。
4. 上部構造体と連動して移動する第１束材と、
   前記上部構造体の下部に設けられ、前記上部構造体を移動自在に免震層により支持する下部構造体と連動して移動する第２束材と、
   前記第１束材又は前記第２束材のいずれか一方に固定された緩衝部材と、
   前記緩衝部材が固定されていない前記第１束材又は前記第２束材の他方に固定された変形部材と、を備え、
   前記変形部材は、前記下部構造体に対する前記上部構造体の相対的な移動量が所定量以上となった際に前記緩衝部材を介して前記第１束材又は前記第２束材のいずれか一方に押圧され変形して運動エネルギーを吸収すると共に、前記移動量を前記免震層の限界変位以下に規制し、
   前記変形部材は、両端が支持された梁状に形成され、中央付近が前記緩衝部材を介して押圧されることを特徴とする、移動規制装置。

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