JP7536519B2

JP7536519B2 - 免震構造用制動装置

Info

Publication number: JP7536519B2
Application number: JP2020101567A
Authority: JP
Inventors: 崇仁仲村; 貴司加藤
Original assignee: Hazama Ando Corp
Current assignee: Hazama Ando Corp
Priority date: 2020-06-11
Filing date: 2020-06-11
Publication date: 2024-08-20
Anticipated expiration: 2040-06-11
Also published as: JP2021195760A

Description

本発明は免震構造用制動装置に係り、巨大地震等において免震装置の変形性能を越えるような過大変位を制御するための免震構造用制動装置に関する。

従来、免震構造建物では、所定の変形性能を有する免震ゴムやダンパー等を備えた免震装置が設置され、発生した地震動に対しての変位制御が行われている。このような免震構造建物において、免震装置の変形性能を越えるような過大変位が発生した場合の建物の安全を考慮した技術として特許文献１の免震建物が提案されている。特許文献１に開示された免震建物は、建物下部の外周に設けられた擁壁と建物との間に、ゴム材等からなる衝撃吸収部材が設けられている。巨大地震時に建物に過大変位が生じた場合、建物の側壁が衝撃吸収部材に衝突し、建物の応答変位が制御されるとともに、建物への衝撃が緩和される。よって、この免震建物は、建物を囲む擁壁の耐力に依存することになり、その耐力を正確に把握した設計が求められる。しかし、背面土を含む擁壁の耐力算定は煩雑で設計が困難である。また、設計における制御変位量が擁壁と建物との間のクリアランスに依存するため、設計の自由度が低い等の問題がある。

また、特許文献１における問題点となっている擁壁設計を要しない免震構造物の変形制限装置も提案されている（特許文献２）。この変形制限装置は、免震ゴムが介装されている上部構造と下部構造との間の免震層に、それぞれ設けられた少なくとも一対の緩衝材からなる。緩衝材は、その上面に所定角度に傾斜した対向面を有する、たとえば硬質ゴムブロックからなる。大地震等が発生し、免震ゴムの変位が過大になった際に、所定距離離れた位置にある緩衝材の対向面同士が摺接し、免震ゴムの変位を制限するようになっている。

特開２０１４－７７２２９号公報特開２０１７－２６２１号公報

特許文献２に開示された変形制限装置は、一対の緩衝材ブロックの対向面同士が摺接する際の摩擦抵抗で上部構造の変位を制限するものであるが、地震動が振幅の異なるランダムな往復動であることから、反対方向の傾斜を有する対向面を備えた緩衝材ブロックを、少なくとも直交２方向に配置しなければならない。このため、平面が小さい建物では免震層に免震ゴム、変形制限装置をバランスよく配置するのが困難となる。また、緩衝材ブロックの対向面の摺接時の変位挙動の把握が困難であるため、制御変位量の設計が複雑になるという問題がある。

そこで、本発明の目的は上述した従来の技術が有する問題点を解消し、装置の設計の自由度が高く、地震時において免震構造の地震応答を阻害せず、巨大地震等の場合に確実に建物の免震層の過大変位を制動するようにした免震構造用制動装置を提供することにある。

本発明の免震構造用制動装置は、建物の免震層に免震部材とともに設置される免震構造用制動装置であって、エネルギー吸収部材を有する制動部材にスライド可能に保持されたスライド部材が、所定変位量以下の応答変位に対して、前記エネルギー吸収部材を作動させずに水平変位する非制動区間と、所定変位量以上の応答変位に対して、その水平変位に伴って前記制動部材と協働して前記エネルギー吸収部材を弾性変形させて水平変位する第１の制動区間と、第１の制動区間を越えた変位量の応答変位に対して、その水平変位に伴って前記制動部材と協働して前記エネルギー吸収部材を塑性変形させて水平変位する第２の制動区間と、の間を変位することを特徴とする。

前記制動部材は、前記スライド部材をスライド可能に保持する本体プレートと、該本体プレートに取り付けられた制動ブロックとからなることが好ましい。

前記スライド部材は、スライド方向に向くクサビ状のテーパ部を有し、前記制動ブロックは、前記テーパ部と対向して面接触可能なテーパ面を有することが好ましい。

前記制動ブロックは、前記エネルギー吸収部材を介して前記本体プレートに取り付けられたことが好ましい。

前記スライド部材のテーパ部と前記制動ブロックのテーパ面とが前記エネルギー吸収部材の弾性変形を伴って面接触して、前記第１の制動区間での水平変位を生じさせることが好ましい。

前記スライド部材のテーパ部と前記制動ブロックのテーパ面とが前記エネルギー吸収部材の塑性変形を伴って面接触して、前記第２の制動区間での水平変位を生じさせることが好ましい。

前記エネルギー吸収部材は、締め付けボルトであり、該締め付けボルトの軸部に皿バネが介装されることが好ましい。
本発明は、シンプルな構造の装置からなり、非制動区間での変位量等の仕様を装置の幾何学的形状で設定できるため、設計の自由度が高い。また、非制動区間においては免震層の地震応答を阻害することなく動作し、過大変位が生じるような巨大地震時には制動区間において最小限の衝撃で免震層の変位を制御して建物の損傷を防ぐことができる。

本発明の免震構造用制動装置の一実施形態を示した平面図、立面図。本発明の免震構造用制動装置の建物の免震層への設置例を示した平面図。図２に示した建物における本発明の免震構造用制動装置の動作例を模式的に示した建物部分立面図。本発明の免震構造用制動装置の構成部材（制動側本体プレート）を示した平面図、立面図。本発明の免震構造用制動装置の構成部材（スライドプレート）を示した平面図、立面図。本発明の免震構造用制動装置の構成部材（制動ブロック）を示した平面図、立面図。スライドプレートの非制動区間における動作例を示した説明図。スライドプレートの制動区間における動作例を示した説明図。本発明の免震構造用制動装置における変位－力関係の一例を示したグラフ。

以下、本発明の免震構造用制動装置の一実施形態の構成例およびその動作例について、添付図を参照して説明する。

図１各図は、本発明の免震構造用制動装置１０（以下、単に制動装置１０と記す。）の一構成例を示した平面図（ａ）、立面図（ｂ）である。この制動装置１０は、建物１の免震層２を模式的に示した平面図（図２）、図２の免震層２と基礎３（下部構造３）と建物上屋４（上部構造）の一部とを模式的に示した図３（ａ）にあるように、建物１の平面形状を考慮して、免震層２に適正に配置された各免震ゴム５の間に水平をなして設置されている。

ここで、本発明の制動装置１０が設置される一例としての建物１について、図２及び図３（ａ）を参照して説明する。各図に例示された建物１は、公知の免震ゴム５と、本発明の制動装置１０とが設置された免震層２としての下部構造３と、免震ゴム５と制動装置１０を介して下部構造３に支持された建物上屋４としての上部構造からなる。下部構造３の一部である免震層２としての免震ピットは、側壁３ａ（擁壁）と底版３ｂとからなる鉄筋コンクリート構造で、その平面寸法は、地震時に本発明の制動装置１０が適正に動作した際（図３（ｂ）、（ｃ））に、建物１が側壁３ａに衝突しない程度のクリアランス６が側壁３ａとの間に確保できるように設定されている。また、底版３ｂ上の所定位置には免震ゴム５と制動装置１０の設置架台７，８が構築されている。

［制動装置の構成部材］
制動装置１０の構成について、図１各図、図４～図６を参照して説明する。図１に示した制動装置１０は、図４～図６に示した制動側本体プレート２０、スライドプレート３０、制動ブロック４０の各部材を組み立てて構成されている。図４～図６を参照して各部材の構成について説明する。

制動側本体プレート２０は、スライドプレート３０（図５：後述する。）の一部を収容して、スライドプレート３０のスライド動作をガイドするとともに、その一部に取り付けられた制動ブロック４０（後述する。）によるスライドプレート３０の制動動作を実現する部材である。その構成は、図４（ａ）、（ｂ）に示したように、一端に軸受リング２１を介して支持プレート２２が接続され、四隅に配置されたスペーサ２３とガイドブロック２４とによって上下に所定の隙間ｃを確保して重ねられた細長い同形の２枚の鋼板プレート２５からなる。この隙間ｃは、後述するスライドプレート３０の板厚ｔよりわずかに広く、すなわちスライドプレート３０がこの隙間ｃに挟まれた状態で滑らかに摺動できる程度に設定されている。また、プレート２５の２箇所には後述する制動ブロック４０を取り付けるための切欠部２５ａが形成されている。

スライドプレート３０は、その一部が制動側本体プレート２０の２枚のプレート２５，２５間の隙間ｃに挟まれるように保持され、地震時の変位に追従して制動側本体プレート２０に対して相対的にスライド動作し、所定変位量以上の変位が生じた際に、制動ブロック４０と協働して装置の制動動作を実現する部材である。その構成は、図５（ａ）、（ｂ）に示したように、一端に軸受リング３１を介して支持プレート３２が接続された、板厚ｔの細長い１枚の鋼板からなり、先端側から前方側テーパ部３３、側方ガイド部３４、後方側テーパ部３５、直線支持部３６として各役割を果たす。前方側テーパ部３３と後方側テーパ部３５のテーパ角（θ）、テーパ範囲（ｄ）はともに等しく、両者を挟む位置の側方ガイド部３４に関して対称形状をなす。このテーパ角θは、後述する制動ブロック４０に形成されたテーパ面４５の設定角度θに等しい。側方ガイド部３４の部位は、制動側本体プレート２０の幅より広い四角い突起形状からなる。

制動ブロック４０は、制動側本体プレート２０に沿って変位するスライドプレート３０のテーパ部のテーパ面４５との摺接によって生じる締め付けボルト４２（後述する。）の弾性変形及び塑性変形により装置の制動動作を実現する部材である。その構成は、図６（ａ）～（ｃ）に示したように、対称をなして対向配置された２個のブロック本体４１と、ブロック本体４１の上下位置でブロック本体４１を貫通するように取り付けられた締め付けボルト（ナットを含む。）４２とからなる。締め付けボルト４２によって連結されたブロック本体４１のそれぞれの対向面４１ａには図６（ａ）に破線で示したようなテーパ面４５となる凹部４３が形成されている。制動ブロック４０を制動側本体プレート２０に取り付けるには、この凹部４３を制動側本体プレート２０の切欠部２５ａに合致させて締め付けボルト４２を締める。ブロック本体４１に取り付けられた締め付けボルト４２の軸部には複数枚の皿バネ４６（ベルビルスプリング）が介装されている。各皿バネ４６は締め付けボルト４２の締め付け時に押圧され密着した負荷状態となるように取り付けられている。この締め付けボルト４２の軸部は、制動区間においてボルトに作用する軸力に応じて軸方向に弾性変形および塑性変形してエネルギー吸収部材として機能する。

［制動装置の構成］
図１は、建物１の免震層２（図３（ａ））に設置された、制動側本体プレート２０、スライドプレート３０、及び制動ブロック４０を組み立ててなる制動装置１０の構成を示している。制動装置１０は、同図に示したように、制動側本体プレート２０の支持プレート２２が下部構造側の設置架台８に、スライドプレート３０の支持プレート３２が上部構造の下面に形成された取付部９に固定保持され、全体が水平をなすように、免震層２内に設置されている。本実施形態では、制動装置１０の軸受間距離ＬはＬ＝４，０００ｍｍで、スライドプレート３０の側方ガイド部３４が２個の制動ブロック４０間のほぼ中央に位置するように、スライドプレート３０の直線支持部３６の長さが設定されている。スライドプレート３０の側方ガイド部３４は、制動側本体プレート２０の側面から側方に突出し、その突出した部位の上下面に側方ガイド部３４と同形のガイドプレート３７が制動側本体プレート２０の側面に沿って軽く摺接するように取り付けられている。また、制動側本体プレート２０の端部には、スライドプレート３０の直線支持部３６の幅に合わせてガイドブロック２４が取り付けられている。このようにスライドプレート３０は、ガイドプレート３７とガイドブロック２４とによって制動側本体プレート２０内での幅方向へのずれが規制されることで、制動側本体プレート２０の長手方向に沿ってスムースにスライドすることができる。なお、図１に示したように、制動装置１０の両端は、装置の水平面内での変位を許容する軸受けリング２１，３１を介して支持プレート２２，３２に支持されているが、軸受けリング２１，３１に代えてボールジョイント等の自在継手を設けてもよい。

制動装置１０の制動動作について、図７～図９を参照して説明する。制動装置１０は、地震時における建物１の変位量に応じて以下のように設定された非制動区間、制動区間において異なる動作を示す。図９は、制動装置に所定の水平力が作用した時における、以下の（１）非制動区間～（４）制動区間における水平変位と水平力との関係の履歴ループの一例を模式的に示したグラフである。
（１）非制動区間（スライド区間）（図７（ａ）～（ｃ））
図７（ａ）は、常時における制動装置１０の制動側本体プレート２０とスライドプレート３０との位置関係を示した部分平面図である（各図ではスライドプレート３０の位置を示すために、制動側本体プレート２０の上側のプレートを除いて示している。）。この制動装置１０において、たとえば図７（ｂ）、（ｃ）に添えて模式的に示した応答変位が建物に生じると、制動側本体プレート２０に挟まれたスライドプレート３０は、前後位置にあるテーパ部３３、３５が制動ブロック４０のテーパ面４５に接触しない範囲で、制動側本体プレート２０の長手方向に沿ってスムースにスライドする。よって、この区間（中心位置からの往復動を考慮した場合、非制動区間の２倍がスライド区間に相当する。）では、制動装置１０は免震装置の応答変位を阻害することなく、すなわち水平力に抵抗することなく変位する（非制動区間Ｓ）。本実施形態の非制動区間Ｓは、Ｓ＝６００ｍｍに設定されている。
（２）制動区間１（図８（ａ）～（ｂ））
応答変位が非制動区間の水平変位より大きくなり、スライドプレート３０のテーパ部３３が制動ブロック４０のテーパ面４５に接触した以後、スライドプレート３０のテーパ部は、制動ブロック４０のテーパ面４５に密着した状態でクサビのように、対向する制動ブロック４０の各ブロック本体４１を外方に押し開くようにして水平変位が進行する。このとき対向位置にある２個のブロック本体４１は、制動側本体プレート２０を挟んでエネルギー吸収部材としての締め付けボルト４２で緊結されている。このため、スライドプレート３０は、スライドプレート３０のテーパ部３３と制動ブロック４０のテーパ面４５との間の接触面での摩擦に抗するとともに、作用した水平力の締め付けボルト４２の軸方向分力によってボルトの軸方向の弾性伸びを生じさせる制動力を受けながら水平変位する。
（３）制動区間２（図８（ｂ）～（ｃ））
締め付けボルト４２が弾性限界に達した以後は、最終的に制動ブロック４０とスライドプレート３０のガイドプレート３４とが接触するまでの間（本実施形態では、制動区間Ｄ＝２００ｍｍ）、締め付けボルト４２の塑性変形（エネルギー吸収）によって水平力は増加せずに水平変位のみが進行する。
（４）制動区間３（図８（ｃ）～（ｅ））
制動区間Ｄにおいて最大変位が保持された後に、地震波が逆向きになると装置の変位は反転して原点に向かう。この状態では、負荷がかけられた状態で締め付けボルト４２に介装されていた皿バネ４６の戻り力により、塑性変形後のボルトの軸部に軸方向引張力が生じている。これにより、制動ブロック４０のテーパ面４５がスライドプレート３０のテーパ部３３に押圧され、この間に所定の面摩擦が生じる。このため、スライドプレート３０は所定の水平抵抗力を受けつつ原点方向に戻り、制動ブロック４０のブロック本体４１はボルトの塑性変形後も初期位置まで復帰することができる。

以上の説明では、締め付けボルト４２の弾性変形を含む初動時の復元力特性の履歴ループでの水平力－変位関係について述べたが、締め付けボルト４２が塑性変形した以後の履歴ループでは非制動区間が増加し、制動区間が減少する。

制動装置１０を構成する各部材は、一般構造用圧延鋼（ＳＳ４００）を用いた鋼材で製作されているが、たとえばスライドプレート３０のテーパ部３３，３５と制動ブロック４０のテーパ面４５との接触、摺動動作における鋼材間のかじり等による摩擦の増大、制動動作の過負荷等を避けるために、部材間で硬度、機械的強度を適正に調整したり、耐力の異なる異種の鋼材、金属材料、焼結材、耐熱樹脂等の材料を選択したり、接触面に耐摩耗性のある各種の材料からなる薄板材を貼着したりすることも好ましい。

また、上述したスライド区間（非制動区間）では、制動側本体プレート２０とスライドプレート３０との間での摩擦がほとんど生じないスムースなスライドを想定しているが、鋼材間の摩擦をより低減するために、プレート間の接触面にフッ素樹脂板等の底摩擦材料を介装させたり、逆に初期状態から免震構造の応答変位を制御するために、プレートの接触面の摩擦力を増大させるような各種の加圧機構を設けてもよい。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、各請求項に示した範囲内での種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲内で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態も、本発明の技術的範囲に含まれる。

１建物
２免震層
３基礎（下部構造）
４建物上屋（上部構造）
５免震ゴム
１０免震構造用制動装置
２０制動側本体プレート
３０スライドプレート
３３前方側テーパ部
３４側方ガイド部
３５後方側テーパ部
４０制動ブロック
４１ブロック本体
４２締め付けボルト
４５テーパ面
４６皿バネ

Claims

建物の免震層に免震部材とともに設置される免震構造用制動装置であって、
エネルギー吸収部材を有する制動部材にスライド可能に保持されたスライド部材が、
所定変位量以下の応答変位に対して、前記エネルギー吸収部材を作動させずに水平変位する非制動区間と、
所定変位量以上の応答変位に対して、その水平変位に伴って前記制動部材と協働して前記エネルギー吸収部材を弾性変形させて水平変位する第１の制動区間と、
第１の制動区間を越えた変位量の応答変位に対して、その水平変位に伴って前記制動部材と協働して前記エネルギー吸収部材を塑性変形させて水平変位する第２の制動区間と、
の間を変位することを特徴とする免震構造用制動装置。
前記制動部材は、前記スライド部材をスライド可能に保持する本体プレートと、該本体プレートに取り付けられた制動ブロックとからなる請求項１に記載の免震構造用制動装置。
前記スライド部材は、スライド方向に向くクサビ状のテーパ部を有し、前記制動ブロックは、前記テーパ部と対向して面接触可能なテーパ面を有する請求項２に記載の免震構造用制動装置。
前記制動ブロックは、前記エネルギー吸収部材を介して前記本体プレートに取り付けられた請求項２または請求項３に記載の免震構造用制動装置。
前記スライド部材のテーパ部と前記制動ブロックのテーパ面とが前記エネルギー吸収部材の弾性変形を伴って面接触して、前記第１の制動区間での水平変位が生じる請求項３に記載の免震構造用制動装置。
前記スライド部材のテーパ部と前記制動ブロックのテーパ面とが前記エネルギー吸収部材の塑性変形を伴って面接触して、前記第２の制動区間での水平変位が生じる請求項３に記載の免震構造用制動装置。
前記エネルギー吸収部材は、締め付けボルトであり、該締め付けボルトの軸部に皿バネが介装された請求項１に記載の免震構造用制動装置。