JPH09507701A - 円錐内ボール収容型地震アイソレーションベアリング - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 地震アイソレーションベアリングシステム（１０）が、図示されるように、上側（１１Ａ）及び下側（１１Ｂ）の円錐形プレートの間に配置された球形ボール（１２）を用いる。基本的に一定である復原力及び緩衝力が、円錐内ボール収容型構造によって達成される。

Description

【発明の詳細な説明】 円錐内ボール収容型地震アイソレーションベアリング 発明の分野 本発明は、一般的に、建物、橋、及びその他の建築物の支持に用いられるアイ ソレーションベアリングに関する。より詳細には、本発明は、地震及びその他の 地震性活動において有効な復原能力を有する地震アイソレーションベアリングに 関する。 発明の背景 地震ベースアイソレータ（seismic base isolators）とも称される地震アイソ レーションベアリング（seismic isolation bearings）は、一般的に公知である 。地震アイソレーションベアリングは、一般的に少なくとも２つの基本的な機能 、すなわち、デカップリング（decoupling）機能及び復原（restoring）機能を 行う。 デカップリングは、運動アイソレーションとして一般的に特徴付けられ得て、 ベアリングによって支持されている建築物を、その上に建築物が支持されている 地表の動きから、少なくとも部分的にアイソレートすることを含む。典型的には 、アイソレーションベアリングのデカップリング機能は、地震性活動に反応して たわむように構成されているゴム部品を用いることによって行われる。しかし、 アイソレーションベアリングの周期（period）、大きさ、及び支持力（bearing capacity）は、ゴムの座屈及びロールオーバ容量によって制限される。実用され ているゴムベアリングは、２秒オーダの周期を示し、50％オーダのシヤー歪（シ ヤー変位のゴム高さに対する比）を示す。さらに、典型的なゴムベアリングは、 1000psi（ポンド／インチ）の範囲の支持力を示す。しかし、これらのパラメー タは、「近断層（near fault）」ゾーン、すなわち、活動中の地震断層から15マ イル以内で用いるのには、しばしば不十分である。 さらに、現在公知であるゴムベアリングは、0.02ラジアンオーダのベアリング 回転しか受容しないように構成されている。 ベアリング再センタリング（復原）機構は、横方向の力が加えられるとベアリ ングを元の基準位置に戻す緩衝ピン或いはその他のばね機構を備えている。例え ば、同一発明者によって1994年11月25日に提出された、地震アイソレーションベ アリング（「Seismic Isolation Bearing」）と題するＰＣＴ出願番号ＰＣＴ/94 /13598号を参照のこと。 より最近では、上記のパラメータを拡大して４秒オーダの周期及び3500psiの 範囲の支持圧力を有するようにした摩擦スライド或いはベアリングが提案されて いる。このような摩擦スライダベアリングは、ベアリングアセンブリ内に、裏面 がテフロンで被覆された鋼プレートをしばしば有しており、「近断層」施設に位 置する建築物にしばしば必要となる２フィートから６フィートオーダの横方向変 位を有していることが知られている。しかし、テフロンベアリングは、ベアリン グの回転を受容するためのゴムプレート下地を一般的に必要とする。さらに、摺 動ベアリングは、典型的には復原機構を有さないので、一方向のみに変位する傾 向にある。さらに、上記のゴムプレートを用いることによって、支持力が、例え ば約1000psiにまで大幅に減少する。 摩擦ベアリング或いはその他のベアリングに関するいくつかの先行特許がある 。1987年２月24日に発行されたZayasの米国特許第4,644,714号は、高分子マトリ ックスによって被覆された摩擦面を用いる摩擦振り子ベアリングを開示している 。1988年２月23日に発行されたYaghoubianの米国特許第4,726,161号は、球状皿 と共同している収納且つ潤滑されたボールベアリングを有するばね荷重テレスコ ーピングマスを利用した回転ベアリングを開示している。しかし、このようなベ アリングの制約された大きさ及びメンテナンスの必要性のために、これらの使用 は、博物館における物体のアイソレーションに限定される。 従って、先行技術の欠点を克服する地震アイソレーションベアリングアセンブ リが必要とされる。 発明の要旨 本発明は、本発明のある局面に従って上側円錐形プレートと下側円錐形プレー トとの間に配置された球形ボールを用いる、地震アイソレーションベアリングシ ステムを提供する。本発明の好ましい実施態様によると、基本的に一定の復原力 及び緩衝力が、円錐内ボール収容型（ball-in-cone）構成において達成される。 本発明の好ましい実施態様は、その上に建築物が支持されている基礎に取り付 けられる、第１の取り付けプレートを備えている。対向して配置される第２のベ アリングプレートは、支持される建築物に固定される。プレートの各々は、円錐 形のキャビティをその間に形成する、凹状の、一般的には円錐形の表面を有して いる。例えば一般的には球形の鋼ボールであるボールは、２つのプレートの間の 円錐形キャビティ領域に配置される。各々のロードプレートの円錐形表面は、緩 やかに傾斜し、好ましくは共線垂直軸を示している。 ボールは、最大横方向変位において凹部周辺部と接触するように構成され、こ の条件が最大ベアリング変位を規定する。 横方向の力がベアリングアセンブリに加えられると、上側ロードプレートが下 側ロードプレートに対して横方向に変位して、ロードプレートの間に挟持された ボールがロードプレートを横切って転がり、ボールはより高い高さに移動する。 このように、建築物に作用する重力によって、建築物をその元の位置に復原しよ うとする横方向の力の成分が生じる。 本発明のさらなる局面によると、垂直方向及び水平方向のベアリング負荷が、 一方のプレートから対向するプレートに、ボールを介して適切に伝達される。こ の垂直方向負荷の水平方向負荷に対する比は、本発明の好ましい実施態様による と、円錐表面上では基本的に一定のままである。これは、基本的に一定の復原関 数に変換される。本発明の別の実施態様によると、非線形復原法則は、対向する ロードプレートの片方或いは両方で傾斜角度が非線形である凹状表面を用いるこ とによって、達成され得る。実際に、実質的にいかなる回転面も、円錐形、球形 、及び角錐形のセグメントを組み合わせることによって近似され得る。 本発明のさらなる局面によると、ゴムシール材、発泡シール材、或いはその他 のシール材（ガスケット）が、隣接するロードプレートの周辺部の周囲に用いら れ得て、円錐形キャビティの汚染が防止され得る。 本発明のさらなる局面によると、本発明のベアリングと関連する復原力及び緩 衝力の両方は実質的に一定であり、従って、横方向変位から実質的に独立してい る。 図面の簡単な説明 以下、添付図面を参照しながら本発明を説明する。図面中、同一の参照番号は 同一の構成要素を示している。 図１は、本発明による例示的な円錐内ボール収容型地震アイソレーションベア リングの好ましい実施態様の分解斜視図である。 図２は、本発明の教示によるデュアルアイショレーションベアリングの断面図 である。 図３は、本発明による例示的なアイソレーションベアリングの複数の円錐の配 列を示す図である。 図４は、実質的に線形の傾斜を示す円錐形セグメントの部分断面図である。 図５は、非線形なベアリング表面の傾きを示す部分断面図である。 図６は、非線形なベアリング表面の別の実施態様の部分断面図である。 図７は、本発明によるモジュラーロードプレート構造の平面図である。 図８は、図７に示されるモジュラーロードプレートの断面図である。 図９は、その間にアコーディオン型ゴムガスケットを有する、接触するロード プレートの例示的な対の部分断面図である。 好ましい例示的な実施態様の詳細な説明 図１を参照すると、例示的なアイソレーションベアリングアセンブリ１０は、 上側ロードプレート１１Ａと、下側ロードプレート１１Ｂと、構成されたアンカ ーボルト１４を受容するように構成されたそれぞれのアンカーボルト孔１３と、 プレート１１Ａと１１Ｂとの間の領域に受容されるように構成されたボール１２ と、を適切に備えている。 各々のプレート１１は、例えば円形の縁や肩部などの凹部周辺部１６によって 境界づけられる凹部１５を、適切に備えている。 建物、橋、或いは他の建築物に設置されるとき、上側ベアリングプレート１１ Ａは、アンカーボルト１４を用いることによって、支持される建築物に適切に固 着される。下側ロードプレート１１Ｂは、アンカーボルト１４を用いることによ って、例えばコンクリートスラブなどの基礎に適切に取り付けられる。標準位置 において、ボール１２は、各プレート１１Ａと１１Ｂとの間で適切に中心に置か れて、プレート１１Ａ及び１１Ｂの各頂点１７の間に位置する。 地震性転位或いはその他の活動によって、一方のロードプレートに他方のロー ドプレートに対する横方向の力がかかると、プレートは互いに横方向に動く。そ の結果、ボール１２は、各ロードプレートの頂点１７から凹部周辺部１６に向か って都合良く移動する。本発明のある局面によると、アイソレーションベアリン グ１０が最大横方向変位にあるとき、ボール１２は、上側ロードプレート１１Ａ 及び下側ロードプレート１１Ｂの両方の凹部周辺部（１６）と、適切に接触する 。 プレート１１Ａ及び１１Ｂが、それらの基準位置から互いに横方向にずれると 、ベアリングによって支持される建物或いはその他の建築物の重さによって、上 側ベアリングプレート１１Ａに下向きの力がかかる。このベアリング力は、ボー ル１２を介して下側ベアリングプレート１１Ｂに伝達される。凹状表面１５の傾 斜角によって、建物或いはその他の建築物によって加えられる垂直方向の重力の 成分は、以下で図４〜図６を参照してより詳細に述べられるように、ロードプレ ートを基準位置に戻そうとする横方向の（例えば、水平方向の）復原力として現 れる。 次に図２を参照すると、デュアルキャビティベアリング２０は、上側ロードプ レート２１Ａと下側ロードプレート２１Ｂとを適切に備えている。これらのプレ ートは、頂点２５によって特徴づけられる二つの凹状円錐２３を、各々有してい る。ボール２４は、キャビティ内領域に各々配置されている。本発明の好ましい 実施態様によると、例えばゴムガスケット或いは発泡ガスケットである適切なガ スケット２２が、２つのプレートのうちの一つ或いは両方に接着（例えば、接着 剤によって接着）され得る。ガスケットは、粉塵やその他の破片がキャビティ内 領域に入るのを防ぐ。 次に図３を参照すると、４つの円錐を有するシステム４０は、各々のロードプ レート２１と、各々の円錐２３と、各々のアンカーボルト孔２６とを、適切に備 えている。このような複数の円錐を用いる実施態様においては、片側にある２つ の隣接するボール（簡単のために不図示）が、回転ベアリング応力が与えられて いる間に過負荷をかけられる傾向にあることが予期される。 複数の円錐を用いる実施態様のさらなる局面によると、本発明の発明者は、ベ アリングシステムの支持力が、用いられるボール／円錐の組み合わせの数の倍数 として増大することを観察した。例えば、同一材料及び同一寸法について、２つ の円錐を用いる構成（図２）の支持力は、単一の円錐を用いる構成の支持力の適 切に２倍の強さであり、４つの円錐を用いる構成（図３）の支持力は、単一の円 錐を用いる構成の支持力の適切に４倍の強さである。高いベアリング回転数が予 期される用途においては、ロードプレートの下に配置された補足的な弾性プレー ト或いはエラストマープレートを用いて、対象となる地震ベアリングアセンブリ を増大して、システムが受容し得るベアリング回転の程度を大きくし得る。 次に図４を参照すると、表面１５の半円錐形部分の基本的幾何学的構成が示さ れている。 標準位置では、ボール１２は、円錐の頂点２５に対応する点Ｃに適切に存在す る。この位置において、（半径ｒを有する）ボール１２と表面１５との間の接触 半径は距離ａとして示され、弧αによって特徴づけられる。横方向の力がベアリ ングに加えられると、ボール１２は、初期静止位置Ｊから、図４において最大変 位位置として示される変位位置Ｋに移動する。最大変位位置において、ボール１ ２と下側ロードプレートとの間の接触半径は、点Ｂから凹部周辺部上の点Ｄまで 延びる。この動作の間に、水平方向の距離Ｉを移動するに従って、ボール１２は 距離ｈだけ上昇する。図４に示される実施態様において、点Ａと点Ｂとの間の表 面１５の傾きは、適切に一定である。すなわち、表面１５の高さは、頂点２５か らの半径方向の距離の一次関数である。従って、底面に対する傾きの第１次導関 数は一定であり、実質的に一定の復原力が得られる。言い換えると、あらゆる変 位に対する復原力は、変位の程度から適切に独立している。 本発明の好ましい実施態様によると、表面１５の傾きは、適切に1.43°から11 2.68°のオーダであり、より好ましくは2.86°から4.28°の範囲であり、最も好 ましくは約４°である。 次に、図５を参照すると、本発明の別の実施態様は、複合復原能力を適切に有 している。より詳細には、復原表面４４は適切に三線形（trilinear）であって 、表面４４は頂点２５から凹部周辺部１６まで変化する傾きを有している。図５ に示す実施態様によると、表面４４は、頂点２５と半径ｒ及びそれを横切る弧α とによって規定される点Ａとの間に延びる第１のセグメントを適切に有している 。第２のセグメントは、点Ａから、弧βを横切る半径ｒ₁によって規定される点 Ｅまで延びる。第３の線形セグメントは、点Ｅから点Ｂまで延びる。静止位置に おいて、ボール１２は、頂点２５と点Ａとの間の表面４４の領域と接触する。横 方向変位の初期部分の間、ボール１２は、点Ａと点Ｅとの間の弧の長さに沿って 移動する。この場合、システムは、点Ａと点Ｅとの間のセグメントの傾きの関数 である非線形な復原力を示す。横方向変位が増大すると、ボール１２は点Ｅと点 Ｂとの間の領域に入り、そこではシステムは、最大横方向変位の近傍まで実質的 に一定の復原力を示す。最大横方向変位の近傍では、ボール１２は点Ｂから点Ｆ まで移動し、そこでは、点Ｂと点Ｆとの間の表面４４のセグメントの傾きの関数 である第３の復原力が、ベアリングシステムによって示される。図５に示される 実施態様において、点Ａと点Ｅとの間のセグメントの傾きと点Ｂと点Ｆとの間の セグメントの傾きとは、適切に同じである。しかし、本発明においては、どのよ うな適切な傾きも用いられ、従って、可変の復原力も用いられ得る。 次に、図６を参照すると、バルーン状複合復原面は、頂点２５（点Ｃ）と第１ の半径ｒによって特徴づけられる点Ａとの間に延びる第１のセグメントを適切に 有している。点Ａと点Ｅとの間の第２の領域は半径ｒ₁によって特徴づけられ、 点Ｅと点Ｆとの間の第３の領域は半径ｒ₂によって特徴づけられる。点Ｆと点Ｄ との間の表面４４の第４の領域は、ボール１２の半径に対応する半径ｒによって 特徴づけられることが理解される。 続けて図６を参照すると、本発明では半径或いは線形表面のいかなる適切な組 み合わせも用いられ得ることが理解される。さらに、１つを超える線形セグメン トが用いられる実施態様においては、線形セグメントが同じ傾きを有する必要は ない。 次に、図７及び図８を参照すると、複合ベアリングプレート３０は、中心プラ グ３２と、ベースプレート３１と、中心プラグ３２と、溶接線３３と、支持リン グ３４と、周辺（或いは凹状）プレート３５と、アンカーボルト孔３７と、円錐 セグメント３６と、を備えている。大きい平面サイズのアセンブリにおいては、 図７及び図８に示される組立ベアリング構造の方が、製造がより経済的且つ容易 である。円錐形表面は、性能を大幅に劣化させずに、実質的に角柱形に形成され 得る。ある場合には、角柱形表面は、より円滑な復原作用を得るために切削或い は研削され得る。図７に最もよく示されるように、プレート３０の経済的な構造 は、複数の実質的に平坦な平面プレートセグメント３９を溶接することによって 達成され得る。図７及び図８に示される実施態様によると、各表面セグメント３ ９とベースプレート３６との間の間隙領域は、例えばコンクリートなどの適切な 材料（不図示）によって充填され得る。 次に、図９を参照すると、対向配置されたロードプレート２１のうちの一つ以 上に、アコーディオン型のゴムリング２７が接着剤によって適切に接着され得る 。このようなゴムリングは、水、粉塵、破片、鳥及び虫がキャビティ内領域に入 ることを有利に防止する。 本発明のさらなる局面によると、ここに記載された各円錐形表面は、高強度の 鋼或いは高強度を示すその他の材料で適切に形成され得る。さらに、様々な表面 は、テフロン或いはその他の保護層によって被覆され得る。 本発明のさらなる局面によると、一定の復原力については、横方向のベアリン グ力は横方向のベアリング変位から実質的に独立している。復原力が本質的に保 存的であり且つ回転摩擦が散逸的な力を表す限りにおいては、復原力と摩擦力と の間の関係は、基本的に一定の関数である。これらの基本的に一定の散逸的な力 及び復原的な力は、以前には、従来技術のシステムでは達成不可能であった。 本発明のさらに別の局面によると、ロードプレートのうちの１つだけが、円錐 形の凹部を備える必要がある。すなわち、ロードプレートのうちの１つ（上側プ レート或いは下側プレートのいずれか）は、ここで述べられたタイプの円錐形の 凹部を有し得るが、それに対向して配置されたロードプレートは、基本的に平坦 な表面を有し得る。 本発明のさらに別の局面によると、ここで述べられた様々なベアリングには、 ベアリング変位を減少させるための外側ダンパが補足され得る。 下側プレートが取り付けられる基礎或いは上側プレートが取り付けられる建築 物のいずれかが、湾曲され、傾斜され、或いは斜めにされる用途においては、こ こで述べられたロードプレートと共同して基部（sole）プレート及びメーソンリ ー（masonry）プレートを用いることによって、対向するベアリングプレートを 適切に水平方向に整列させ得ることも理解される。 本発明のさらに別の局面によると、いかなる特定の用途で用いられるベアリン グアセンブリの数及び大きさも、支持される荷重の所望の支持力を有するように 構成され得る。この点において、接触圧（ヘルツ応力）は、硬化鋼ボールの耐力 （例えば80,000〜120,000psi）に近づくように設計され得る。 本発明のさらなる局面によると、ステンレススチールの円錐内ボール収容型ベ アリングアセンブリは、特に適切なガスケットによって外部環境から適切にアイ ソレートされれば、使用時にメンテナンス、検査、或いは交換を必要としない。 本発明のさらに別の局面によると、本発明のベアリングアセンブリを用いる小 規模の実験は、南北方向に与えられたベアリングの動きを、東西方向の力に変換 する能力を示した。この動的な直交性は、ピーク指向性衝撃（peak directional shocks）を好ましく平均化する。これらのおそらくはランダム且つ自動的な平 均化プロセスは、いずれの特定の適用例において経験されるであろうベアリング 寸法及びピーク応答力を、減少させる傾向にある。 本発明は、図面に記載された好ましく代替的な実施態様と関連して記載されて いるが、本発明がそれらに限定されないことが理解されるであろう。添付の請求 項に記載される本発明の精神及び範囲から逸脱せずに、構成要素及び材料の選択 及び構成に様々な改変を行い得る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．第１の下向きの剛性表面を含む、支持される建築物に固定される上側ロード プレートと、 該第１の表面に対向して設けられてその間にベアリングキャビティを規定する 第２の上向きの剛性ベアリング表面を含む、該建築物を支持する基礎に固定され る第２のロードプレートと、 該第１及び第２の表面の間に挟持された剛性ボールと、 を備える、地震アイソレーションベアリングアセンブリ。 ２．前記ボールが球形ボールを備えている、請求項１に記載のアセンブリ。 ３．前記第１及び第２の表面の少なくとも１つが、前記第１のロードプレートの 内部に円錐形キャビティを規定する凹状表面を備えている、請求項１に記載のア センブリ。 ４．前記第１の表面が、中心頂点と、凹部周辺部と、それらの間に延びる円錐形 領域と、を備えている、請求項３に記載のアセンブリ。 ５．前記円錐形表面が一定の傾きによって特徴付けられる、請求項４に記載のア センブリ。 ６．前記円錐形表面が、前記頂点と前記凹部周辺部との間に半径方向に延びる第 １の傾きによって特徴付けられる第１の部分と、該頂点と該凹部周辺部との間に 延びる第２の傾きによって特徴付けられる第２の部分と、を備えている、請求項 ４に記載のアセンブリ。 ７．前記第１及び第２の傾きの一つが線形である、請求項６に記載のアセンブリ 。 ８．前記第２の表面が、実質的に平坦なベアリング表面を備えている、請求項１ に記載のアセンブリ。 ９．前記第１及び第２のロードプレートの共通の周辺部の間に配置された、弾性 的に変形可能なガスケットをさらに備えている、請求項１に記載のアセンブリ。 １０．前記第２のベアリング表面が、前記アセンブリの横方向変位を制限するよ うに構成された凹状周辺部によって特徴付けられる、請求項１に記載のアセンブ リ。 １１．前記第１及び第２のロードプレートの間の間隔が横方向変位の関数として 増大するように、該第１及び第２のロードプレートと前記ボールとが構成されて いる、請求項１に記載のアセンブリ。 １２．前記第１及び第２のロードプレートの間の前記間隔が横方向変位の線形関 数として増大する、請求項１１に記載のアセンブリ。 １３．前記第１及び第２のロードプレートの間の前記間隔が、前記アセンブリの 横方向変位の範囲の少なくとも一部にわたって非線形関数として増大する、請求 項１１に記載のアセンブリ。 １４．前記アセンブリの横方向変位の範囲の少なくとも一部について、実質的に 一定の非線形な復原力が前記建築物によって示されるように、前記第１及び第２ のロードプレートと前記ボールとが構成されている、請求項１に記載のアセンブ リ。 １５．前記アセンブリによって示される横方向変位の範囲の少なくとも一部につ いて非線形な復原力が生成されるように、前記第１及び第２のロードプレートと 前記ボールとが構成されている、請求項１に記載のアセンブリ。 １６．前記第１の表面が実質的に平坦なベアリング表面を備えている、請求項１ に記載のアセンブリ。 １７．外部から与えられた横方向の力によって生じる前記プレートの横方向変位 に応じて、前記建築物に関連する重力が前記アセンブリをその標準位置に戻す対 応する復原力をもたらすように、該ロードプレートと前記ボールとが構成されて いる、請求項１に記載のアセンブリ。 １８．前記第１の表面及び前記第２の表面が、円錐形キャビティを規定する凹状 表面を各々有している、請求項１に記載のアセンブリ。