JPH09184541A

JPH09184541A - 構造物用免震構造

Info

Publication number: JPH09184541A
Application number: JP34871695A
Authority: JP
Inventors: Motoharu Yatsuhashi; 元治八橋; Shuji Yamamoto; 修治山本; Takayuki Imai; 隆之今井; Masahiro Kawano; 昌洋川野; Osamu Kajita; 收梶田
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 1995-10-30
Filing date: 1995-12-19
Publication date: 1997-07-15

Abstract

(57)【要約】【課題】軽量構造物に適し、しかも座屈防止機能と復
元機能とを兼ね備えた免震構造を提供する。【解決手段】免震支持体３によって構造物が基礎４の
上部に支持されるとともに、構造物と基礎４との間に水
平方向に回転移動自在で、かつ構造物の重量による垂直
荷重を支えるための転動体７が構造物の底面５と前記基
礎４との間に設けられている。また、構造物の底面５ま
たは基礎４の上面の少なくとも一方に、転動体７の転動
方向において、転動体７の中心部に対向する位置から離
れるに従って、次第に他方の面に接近するように角度勾
配を持たせた凹形保持部６が備えられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、構造物の地震に
起因する振動を減衰させるための免震構造に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】建物や機械類などに対する地震の振動の
伝播を防止する免震支持体として、ゴムなどからなる弾
性層と鋼板などからなる剛性板層とを交互に多数層に積
層した支持体が知られている。この種の免震支持体は、
弾性層の水平方向への弾性変形によって構造物への振動
の伝幡を防止し、またこの免震支持体とこれによって支
えられた構造物とからなる振動系の固有周期を、地震の
水平振動の周期より長くすることにより、地震による構
造物の振動を抑制するものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来一般の弾性層と剛
性板層とが積層された免震支持体においては、構造物の
垂直荷重に充分耐え得る強度が要求されるため、垂直荷
重に充分耐え得る弾性層が使用されている。

【０００４】弾性層の弾性を高くした場合すなわち弾性
係数を大きくすると垂直荷重による変形を小さくするこ
とができるが、それと合わせて水平剛性（剪断剛性）が
大きくなるために、軽量構造物に使用した場合には、剪
断剛性が相対的に高くなってしまい、地震による振動の
伝幡を阻害し免震特性が劣る場合がある。

【０００５】これを解決するために弾性層の弾性力を弱
くすると、地震による水平荷重によって大きく変形する
ので、構造物への振動の伝幡を防止し、また固有周期の
長周期化による免震特性の向上を図ることができる。

【０００６】しかしながら、水平変形が大きくなりすぎ
ると免震支持体の座屈を生じ、地震による水平変形が生
じた場合に構造物を充分に支え得なくなるおそれが多分
にあった。そこで、座屈を防止するためには、弾性層の
弾性力を増大させれば良いが、そのようにした場合、免
震支持体と構造物とからなる振動系の固有周期が小さく
なるために免震特性が上述のように低下する不都合があ
った。

【０００７】この発明は上記の事情を背景としてなされ
たものであって、軽量構造物に適するように剪断剛性を
低くし、しかも座屈を防止できる免震構造を提供するこ
とを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段およびその作用】上記の目
的を達成するために、請求項１の発明は、基礎の上に少
なくとも水平方向に、移動自在に設置された構造物の振
動を減衰させるための構造物用免震構造において、弾性
層と剛性板層とを交互にかつ複数層に積層した免震支持
体によって、前記構造物が前記基礎の上部に支持される
とともに、構造物と基礎との間に水平方向に回転移動自
在で、かつ構造物の重量による垂直荷重を支えるための
転動体が設けられるとともに、その転動体が構造物の底
面と前記基礎との間に設けられていることを特徴とする
ものである。

【０００９】また請求項２の発明は、前記構造物の底面
または前記基礎の上面の少なくとも一方に、前記転動体
の転動方向において、前記転動体の中心部に対向する位
置から離れるに従って、次第に他方の面に接近するよう
に角度勾配を持たせた凹形保持部が備えられていること
を特徴とするものである。

【００１０】したがって、請求項１の発明によれば、地
震によって基礎が構造物に対して水平方向に変位する
と、構造物を支持している免震支持体が水平方向に剪断
変形するとともに、上下方向の力によって免震支持体の
水平変位に伴ういわゆる沈み込みが生じ、基礎と構造物
との距離が狭められ、転動体が構造物の底面と接触す
る。

【００１１】基礎がさらに水平変位することによって、
転動体が基礎と構造物とに接触した状態で転がる。この
転動体による水平方向の抵抗は実質上零に近いので、こ
の免震構造の水平剛性を高めることはない。

【００１２】また、構造物は転動体に載っているから、
構造物の垂直荷重が全て免震支持体に作用するのではな
く、転動体に垂直荷重の一部が作用し支える。その結
果、免震支持体のそれ以上の沈み込みが防止され、座屈
変形に至らない。

【００１３】よって上記免震構造では、構造物の荷重の
一部を転動体によって支持するので水平剛性も高くなら
ず、軽量構造物に対しても免震特性が優れたものとな
る。

【００１４】また請求項２の発明によれば、上記のよう
に免震支持体が水平方向に剪断変形すると、相対的に構
造物が若干沈み込み転動体に接触する。その状態で、転
動体が凹形保持部の傾斜面をさかのぼることによって、
運動エネルギーが位置エネルギーに変換される。このよ
うに変換された位置エネルギーは、中心部への復元力と
なる。また免震支持体の剪断変形によってエネルギーが
消費される。その結果、振動そのものが抑制される。す
なわち、凹形保持部の斜面があれば、水平変位に伴って
その転動体が挟み込まれて相対的に基礎と構造物との接
近に反する方向にすなわち構造物を持ち上げる方向に力
が作用する。つまり、横に動くエネルギーが全体を押し
上げるようにして変換される。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、この発明の一具体例を図面
を参照して説明する。なお、この具体例は構造物として
木造建築物などの軽量構造物を対象とした例である。図
１ないし図４に示すように、平面図上で基礎４の上部に
は、構造物９がその底面５において、弾性層１と剛性板
層２とを交互にかつ複数層に積層した積層免震ゴム３に
よって支持されている。

【００１６】一例として構造物９は重量が約５０トンで
あり、前記積層免震ゴム３には、構造物９の底面５の四
隅にそれぞれ配置されているから個々の分担荷重がそれ
ぞれ約１２．５トンとなっている。

【００１７】なお、積層免震ゴム３の弾性層１として、
一般的な円盤形状のタイプであれば、柔軟性に優れる高
減衰ゴムからなるものが好ましく、これに対してリング
形状タイプであれば、天然ゴムからなる外殻部に高減衰
ゴムを充填させたものが好ましい。

【００１８】またこの具体例では、基礎４の上面部に、
転動体７の転動方向において、前記転動体７の中心部に
対向する位置から離れるに従って、次第に構造物９の底
面５に接近するように角度勾配を持たせた凹形保持部６
が備えられている。

【００１９】なお、この凹形保持部６の斜面８の勾配角
度は、ここでは１度に設定されており、転動体７の変位
を約２００ｍｍと考えて、凹形保持部６の外径が４００
ｍｍ以上とされている。

【００２０】そして、その凹形保持部６の図２での上面
には、転動体７が構造物９の底面５と非接触状態で設け
られている。また転動体７は、一例として直径１００〜
２００ｍｍ程度の鋼球が使用されている。

【００２１】つぎに、上記のように構成された免震構造
の作用を説明する。地震等の振動より、基礎４が振動エ
ネルギーを受け、基礎４が水平方向の図３での左側に変
位すると、構造物９を支持している積層免震ゴム３の弾
性層１が水平方向に剪断変形するとともに、上下方向の
力によって沈み込むを生じる。このように、積層免震ゴ
ム３が水平変位にともなって沈み込むと、構造物９が下
降して基礎４に接近して、転動体７に構造物９の底面５
が接触する。

【００２２】構造物９は、転動体７に載っているから、
更に基礎４が変位しても積層免震ゴム３には、接触時以
上の沈み込みが生じず、転動体７に作用する垂直荷重が
増大する。一例として構造物９の垂直荷重のうち１０％
の約５トンが転動体７によって支持される。換言すれ
ば、通常時（非変位時）に、積層免震ゴム３に掛けられ
ていた約５トン分の垂直荷重が転動体７に分担されるか
ら、積層免震ゴム３の座屈が未然に防止される。

【００２３】上記基礎４の変位に伴い転動体７の底部で
は図３での左方向に移動しようとする力が作用し、転動
体７は図での時計回りに回転させられ、基礎上に備えら
れた凹形保持部６の斜面８をさかのぼる。すなわち、水
平方向に変位させようとする運動エネルギーを構造物９
と基礎４との間に設けた転動体７および凹形保持部６に
よって、位置エネルギーに変換し、また積層免震ゴム３
の剪断変形によってエネルギーを消費して、振動そのも
のが抑制される。

【００２４】換言すれば、転動体７が構造物９と凹形保
持部６の斜面８とに挟み込まれて、相対的に、基礎４と
構造物９との接近に反する方向にすなわち構造物９を押
し上げる方向に力が作用する。つまり、横に動くエネル
ギーが全体を押し上げるようにして変換される。

【００２５】ここで転動体７は、凹形保持部６上を約２
００ｍｍの範囲内で変位するが、この具体例では凹形保
持部６の勾配角度が１度に設定されていることから、仮
に転動体７が約２００ｍｍ変位したとしても、その場合
における垂直方向での変位は約４ｍｍ程度である。した
がって、過大な荷重を転動体７が支持することに起因す
る転動体７の破損等の種々の不都合が未然に防止され
る。

【００２６】なお、前述のように積層免震ゴム３の弾性
層１が水平方向に剪断変形することによって、地震によ
る起振力が１次遅れで構造物９に伝えられる。したがっ
て、構造物９の振動が減衰される。

【００２７】転動体７には、前記斜面８を移動方向に上
ったことにより位置エネルギーが蓄えられるとともに、
図４に示すように、水平面に対して垂直な方向すなわち
重力方向に、転動体７が分担する荷重Ｗが生じる。この
荷重Ｗを二方向に分解すると、斜面８の勾配の角度をθ
とすれば、斜面８と平行な方向でかつ凹形保持部６の中
心部すなわち転動体７の通常時（非変位時）の位置に向
かう方向には、力（Ｗｓｉｎθ）が作用している。これ
に対して、転動体７が斜面８と垂直な方向で該斜面８を
押す方向には力（Ｗｃｏｓθ）が作用している。

【００２８】また、転動体７が斜面８を転がり落ちる場
合には、当然、斜面８の上に摩擦が生じる。この摩擦係
数をμとすると、斜面８と平行な方向でかつ斜面８を上
る方向に摩擦力（μＷｃｏｓθ）が作用する。また、水
平方向においては、凹形保持部６の中心部に向かう方向
（図４での左方向）には、Ｗｓｉｎθｃｏｓθの力が作
用し、これに対して中心部から離隔する方向（図４での
右方向）には、μＷｃｏｓ²θの力が作用する。

【００２９】すなわち、転動体７だけで自然復元するた
めには、図４での右方向に作用する力以上に左方向に作
用する力が大きくなるように角度を設定すればよい。

【００３０】μＷｃｏｓ²θ≦Ｗｓｉｎθｃｏｓθ θ≧ｔａｎ^-1μ（自然復元の条件）したがって、一例として、転がり摩擦係数μをμ＝０．
０１とすれば、勾配角度θをθ≧０．５７とする。

【００３１】このように、構造物９の垂直荷重を各積層
免震ゴム３に替えて転動体７が分担する構成であるか
ら、水平剛性を低く設定しつつ、しかも座屈しない積層
免震ゴム３を得ることができ、ひいては、軽量構造物に
適した免震構造を得ることができる。

【００３２】なお、上記具体例では、斜面８を備えた凹
形保持部６を基礎４の上面に備えたが、この凹形保持部
６は構造物９の底面５または構造物９および基礎４の両
方に備えてもよく、さらに、斜面８を備えないフラット
なものでもよい。また、上記具体例では、平常時に構造
物９の底面５と転動体７とが接触しないよう構成した
が、転動体７を構造物９の底面５に接触させて配置し、
予め荷重を分担するように構成してもよい。

【００３３】つぎに、図５の（ａ），（ｂ）を参照して
この発明の他の具体例を説明する。なお、既に説明した
部材には同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。
図５の（ａ）に示すように、基礎４の上部には、積層免
震ゴム３によって構造物９が支持されている。なお、こ
こでは構造物９の底面５が、適宜の手段により平坦面と
されている。基礎４の上面部には、所定高さの台３０を
介して凹形保持部６が備えられている。なお、この凹形
保持部６は、ここでは上面（内面）を平坦面とし、また
外周部に垂直に立ち上がる側壁部を備えた構成となって
いる。

【００３４】凹形保持部６の上面には、複数個（４個の
みの図示）の転動体７が設けられており、各転動体７の
上部は、構造物９の底面５に接触している。したがっ
て、構造物９は、積層免震ゴム３のみならず各転動体７
によっても上下方向において支持されている。なお、転
動体７としては、それぞれが同じ径寸法とされたSUS440
1 からなる鋼球が採用されている。またこれらの転動体
７を載せる凹形保持部６としては、内部の底面を平坦面
とした受皿状の部材あるいは各転動体７毎に前述した斜
面を底面に形成した受皿状のものを使用することができ
る。

【００３５】この図５の（ａ）に示す構成においても、
地震等の振動よって基礎４が水平方向に変位すると、各
積層免震ゴム３が剪断変形するが、構造物９は複数個の
転動体７に載って上下方向において支持されているか
ら、積層免震ゴム３に沈み込みは生じない。すなわち積
層免震ゴム３の剪断変形に伴う座屈は、構造物９の荷重
の一部を転動体７が受け持つことにより回避される。な
お、その際に、各転動体７が構造物９と凹形保持部６と
の間でそれぞれ転がって自在に移動するから、積層免震
ゴム３の弾性層１の剪断変形が阻害されることがなく、
地震による起振力が１次遅れで構造物９に伝えられる。
その結果、構造物９の振動が減衰される。

【００３６】また、図５の（ｂ）に示すように、基礎４
に備えた台３０に替えて、例えば構造物９の底面５にス
ペーサ３１を設けてもよい。すなわち、平坦面に形成さ
れたスペーサ３１の図での下面を各転動体７の上部に接
触させ、このスペーサ３１と積層免震ゴム３とによって
構造物９を上下方向に支持する構成としてもよい。

【００３７】このように、構造物９の荷重を複数個の転
動体７で分担して支持するから、１個の転動体７に掛か
る荷重が上記第一の具体例に比べて小さくなり、したが
って、転動体７が押し潰されて変形したり、あるいは転
動体７を載せてある面や構造物９の底面５が窪むなどの
不都合を未然に防止することができる。

【００３８】また、上記の複数個の転動体７に替えて、
図６に示すような自在受台１０を採用することもでき
る。ここに示す自在受台１０は、いわゆるフリーベアリ
ングとして周知のものであり、基礎４側に設置するタイ
プのものである。一例としてホルダー１１の半球状の窪
みに、鋼球などの実質的な剛体からなる多数個の小球１
２を介在させて大径の鋼球からなる転動体７を嵌合・保
持させ、さらに円孔を備えた平板状の蓋部材１３をホル
ダー１１に固着して、転動体７の一部を上方に突出させ
た構成となっている。すなわち転動体７の上方への突出
部分で荷重を受け、かつ転動体７が自由に回転するよう
になっている。

【００３９】そして、この自在受台１０は、図７に示す
ように、例えば転動体７を構造物９に向けた状態でアン
カーボルトなどの締結手段によって基礎４の上部に取り
付けることができる。なお、この自在受台１０の設置個
数およびレイアウトは、対象とする構造物９の規模等に
よって適宜に設定することができる。

【００４０】したがって、地震が発生して基礎４が水平
方向に変位すると、自在受台１０で受け持つ構造物９の
重量の分担が多くなり、基礎４が更に水平変位しても、
積層免震ゴム３がそれ以上に沈み込むことがなく、その
ため、積層免震ゴム３の座屈が回避される。その場合、
転動体７が前記多数の小球１２によって支持されて極め
て円滑に回転するから、積層弾性ゴム３における弾性層
１の剪断変形が阻害されず、その結果、積層免震ゴム３
による構造物９の振動減衰特性が良好となる。

【００４１】さらに、自在受台１０の他の例として構造
物９の下部に設置するタイプのものを図示すれば、図８
の通りである。すなわち、第一ホルダー１４および第二
ホルダー１５の内部に循環した通路が形成されており、
その通路の内部には、多数個の小球１２が充填されてい
る。そして、ガイド１７と転動体７との間に送り込まれ
た小球１２は、転動体７の表面に接触して転動体７を回
転自在に支持している。例えば転動体７が時計回りに回
転すると、転動体７の表面に接触している数個の小球１
２がそれぞれ反時計回りに回転しつつ図８での右側に移
動しつつ循環する構成となっている。

【００４２】そして、この自在受台１０は、図９に示す
ように、例えば転動体７を基礎４に向けた状態で構造物
９の底面５に取り付けることができる。なお、この自在
受台１０の設置個数およびレイアウトは、対象とする構
造物９の規模等によって適宜に設定することができる。

【００４３】さらに、上記の球体からなる転動体７を備
えた自在受台１０に替えて、図１０の（ａ），（ｂ）に
示すように車輪もしくはローラを使用したキャスター１
０´を用いることもできる。ここに示すキャスター１０
´は、従来一般に知られた構造である。支持ブラケット
１９は、構造物９または基礎４に直接的あるいは間接的
に固着される取付軸２０に、中心軸線を中心として３６
０度自在に回転するようにスラストベアリング（図示せ
ず）を介して取り付けられている。そして、このキャス
ター１０´は、回転軸１９ａに対して取付軸２０の位置
が右側（図１０の（ｂ）での右側）にずらされているか
ら、水平全方向に自在に移動するようになっている。

【００４４】なお、上記具体例では、構造物９として木
造建築物のような軽量構造物を対象とする場合について
説明したが、この発明は上記の具体例に限定されるもの
ではなく、材質、重量、工法にとらわれず、他の構造物
においても適用することができる。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明によれば、
免震支持体によって、構造物を基礎の上部に支持し、か
つ転動体を備え、基礎と構造物とが水平方向に相対変位
した際の垂直荷重の一部を転動体が支持するので、免震
支持体の座屈を防止することができる。換言すれば、免
震支持体の水平剛性を軽量構造物に適するように低くす
ることができる。

【００４６】また、凹形保持部の傾斜面がある場合は、
水平変位に伴って転動体が挟み込まれて、相対的に基礎
と構造物との接近に反する方向すなわち構造物を持ち上
げる方向に力が作用し、運動エネルギーが位置エネルギ
ーに変換されるから、水平方向の復元力が増大する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の具体例における各部材の配置を示す
模式図である。

【図２】その具体例における側面図である。

【図３】この発明の具体例において、振動により転動体
が水平移動した状態を示す側面図である。

【図４】この発明の具体例において、斜面上の転動体に
生じる力およびその方向を示した模式図である。

【図５】多数個の転動体を用いた具体例を示す模式図で
ある。

【図６】自在受台の一例を示す断面図である。

【図７】図６の自在受台を基礎に取り付けた状態を示す
模式図である。

【図８】自在受台の他の例を示す断面図である。

【図９】図８の自在受台を構造物に取り付けた状態を示
す模式図である。

【図１０】自在受台に替わるキャスターの例を示す断面
図である。

【符号の説明】

１…弾性層、２…剛性板層、３…積層免震ゴム、
４…基礎、５…底面、６…凹形保持部、７…転動
体、８…斜面、９…構造物、１０…自在受台、
１０´…キャスター。

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【手続補正書】

【提出日】平成８年２月２２日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【図２】

【図３】

【図４】

【図５】

【図６】

【図７】

【図８】

【図９】

【図１０】

フロントページの続き (72)発明者川野昌洋東京都江東区木場一丁目５番１号株式会社フジクラ内 (72)発明者梶田收東京都江東区木場一丁目５番１号株式会社フジクラ内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基礎の上に少なくとも水平方向に移動自
在に設置された構造物の振動を減衰させるための構造物
用免震構造において、弾性層と剛性板層とを交互にかつ複数層に積層した免震
支持体によって、前記構造物が前記基礎の上部に支持さ
れるとともに、構造物と基礎との間に水平方向に回転移
動自在で、かつ構造物の重量による垂直荷重を支える転
動体が、構造物の底面と前記基礎との間に設けられてい
ることを特徴とする構造物用免震構造。
【請求項２】前記構造物の底面または前記基礎の上面
の少なくとも一方に、前記転動体の転動方向において、
前記転動体の中心部に対向する位置から離れるに従っ
て、次第に他方の面に接近するように角度勾配を持たせ
た凹形保持部が備えられていることを特徴とする請求項
１記載の構造物用免震構造。