JPH10246281A - 免震構造物用減衰装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 これまでに実現されている免震構法の中で、
性能は優れているが大型構造物には適用が難しいとされ
ている粘性体ダンパーの問題点を解決し、大容量で且つ
許容変位に限界がなく大変位にも安定した性能を発揮で
きる粘性体ダンパーを実現する。それによって、非常に
強い地震入力にも対応できる従来にない高性能の免震構
造物を実現可能とする。 【構成】 従来の粘性体ダンパーは免震建物用・制震建
物用いずれも平面板の抵抗板を使用している。この抵抗
板を円筒型とし、径の異なる複数の円筒型抵抗板の組み
合わせとし、その間隙に粘性流体を充填する。一方の円
筒型抵抗板は基礎もしくは支持構造体側に固定し、他方
には歯車付き回転板を取付、これを免震構造物側と噛み
合わせ、構造物の相対変位により、円筒型抵抗板に回転
運動を起こさせて粘性抵抗力を発揮させる。また、免震
構造物との連結方式には、回転円盤の歯車方式の他に回
転円筒の周囲を巻いた紐状帯を利用する場合もある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】大地震時の強い地震動から構造物
を保護するために、地盤と構造物の間に、各種の免震装
置（各種の積層ゴム、すべり支承、転がり支承等）を配
置して地盤の振動が直接伝達されないようにした免震構
造物が実用化されている。本発明は、これらの免震構造
物の免震効果と安全性能を飛躍的に高めるために効果的
な高性能のエネルギー吸収装置を提案し、より高性能で
安全な免震構造物の実現を可能にするものである。

【０００２】

【従来技術】大地震時の強い地盤振動から構造物を保護
するために、地盤と構造物の間に、積層ゴム免震装置や
すべり支承、転がり支承など等のアイソレータを配置し
て構造物を支え、それにエネルギー吸収装置としてのダ
ンパーを組み合わせて地震動から構造物を保護する免震
構造が実用化されている。また、アイソレータとダンパ
ーの両機能を兼ね備えた鉛プラグ入り積層ゴムや高減衰
積層ゴム免震装置も実用化されている。

【０００３】エネルギー吸収を目的とするダンパーとし
ては、金属の塑性履歴エネルギー吸収を利用する鋼材ダ
ンパー、鉛ダンパー、摩擦を利用する摩擦ダンパー、オ
イルダンパーや粘性体ダンパーなどが実用化されてい
る。

【０００４】また、免震効果を更に高めるために、アイ
ソレータとして積層ゴムやすべり支承など下方から構造
物を支える免震装置を採用せず、上方から構造物を吊り
下げるサスペンション方式の免震構造物（特許第２５０
１６４８号）等も提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】１９９５年の阪神淡路
大震災をはじめとして、近年の地震災害では水平最大加
速度が１０００ｃｍ／ｓ^２前後、最大速度は１００ｃｍ
／ｓ前後乃至それ以上という極めて強い地震動が観測さ
れている。そのような強い地震動に対して安全な構造物
を設計することは、従来の耐震構法では極めて困難であ
り、免震構造の採用による対応が増加しつつある。

【０００６】免震構造は在来耐震構造に較べると上部構
造体に発生する応答加速度と地震力を大幅に低減させる
ことができるが、入力地震動（特に長周期成分）が強く
なるに伴い、免震装置に大きな変形が発生する。従っ
て、非常に強い地震動にも安全で免震効果の高い免震構
造物を実現するためには、非常に大きな水平変形を許容
できる免震装置を実現するか、免震装置に発生する変形
を抑制するかのいずれかが必要になる。

【０００７】免震装置に発生する変形を抑制することが
経済的観点からも最も現実的な解決方法と考えられる
が、変形を抑制するためにダンパーの降伏耐力を高めた
り、積層ゴムの水平剛性を高めるなど免震装置の抵抗力
を高める方法を採用すると免震効果（応答加速度抑制効
果）が悪くなるという矛盾点が発生する。また、履歴ダ
ンパー、オイルダンパー、粘性体ダンパーなどこれまで
の減衰装置はいずれも、積層ゴム同様大変形に対しては
その追従性能に限界がある。また、免震構造物の地震応
答特性上優れた性能を発揮できる粘性体ダンパーは、そ
の容量的限界から大型構造物への適用は困難と言われて
いる。

【０００８】以上の観点より、本発明はすべての方式の
免震構造物に採用でき、大変形時においても免震構造物
の地震時応答を引き上げることなく、効率的に大きなエ
ネルギーを吸収でき（容量に限界がない）、しかも変形
追従性能にも限界がなくいくらでも大きな相対変位に追
従できるという理想的な免震構造物用エネルギー吸収装
置を実現しようとするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】免震装置に発生する地震
時変形を抑制するためには、免震構造物に投入される地
震エネルギーを速やかに消費することが必要である。一
方、免震構造物に発生する応答加速度や地震慣性力は免
震装置全体の抵抗力に依存するため、装置全体の抵抗力
をできるだけ高めないことが望ましい。

【００１０】あらゆるタイプの免震装置の復元力特性
は、ほぼ線形性能を持つアイソレータの抵抗力とダンパ
ーの持つ非線形ループの和とみなすことができる。金属
を利用する履歴型ダンパーやすべりや摩擦を利用する摩
擦型ダンパーでは、その抵抗力（降伏後耐力）がアイソ
レータの変形に拘わらず一定に維持されるため、装置全
体の抵抗力が「アイソーレータの最大変形時抵抗力＋ダ
ンパー抵抗力」となる。一方、粘性減衰型ダンパーで
は、その抵抗力が速度に依存しているため、その最大抵
抗力はアイソレータの抵抗力ゼロ（変形ゼロ）付近で発
生し、アイソレータの最大抵抗力発生時（最大変形時）
にはダンパー抵抗力はゼロとなり、装置全体の抵抗力が
アイソレータとダンパーの各最大抵抗力の和とならず、
かなり小さい値に抑制される。また、粘性ダンパーは地
震等の振動終了時には抵抗力が消失するため、残留変形
の恐れがなく、アイソレータの抵抗力を小さく（構造物
の周期を長く）設定することができる。

【００１１】以上の観点より、本発明の減衰装置には粘
性型ダンパーを基本機構として採用する。粘性体ダンパ
ーには、これまでにオイルダンパー、平置き型粘性
ダンパー、粘性制震壁の３タイプが実用化されている
が、大変形を必要とする免震構造用減衰装置としてはい
ずれも下記のような問題点を有している。 オイルダンパー ・軸方向の一方向にしか抵抗力が発生しない。 ・そのため、平面２方向同時に大変形を許容するために
は、回転自在のピン継ぎ手を導入して２方向それぞれに
ダンパーを配置しなければならない。 ・内部圧力が発生するため、オイルの漏れを防ぐシーリ
ングが重要となり、そのピストン摺動部は、錆の発生や
ゴミが混入しないようにメンテナンス上多大の労力を必
要とする。 ・継ぎ手部分にはガタが生じるために、微小振動には性
能を発揮できない。 平置き型粘性ダンパー ・大きな抵抗板の周囲に更に可動範囲のクリアランスを
必要とするため、平面的に非常に大きな装置になってし
まう。 ・大型構造物に必要な減衰性能を実現するためには、大
容量の装置が必要となり、極めて大型の装置とするか多
数の装置を配置する必要が生じ、結局は大型構造物に採
用することは困難となる。 ・抵抗板が粘性流体中を大ストロークで動く場合、所定
の高さ（間隙）を一定に保ったままで可動することは困
難で、大型装置で大変位稼働時には、抵抗板の浮き上が
り等の問題が発生するものと考えられる。 粘性制震壁 ・抵抗板がサンドイッチ構造になっているため、前項
の装置の抵抗板の運動時の安定性の問題は解決されてい
るが、間隙を保つ為のスペーサー（通しボルト）が必須
であり、構造上数十ｃｍ以上というような大変位を許容
することは極めて難しい。 ・壁板状の装置で縦型であるので、免震層など高さの低
い空間への配置には適していない。 本発明は、免震構造物に適した粘性型ダンパーを実現す
るために、上記に示した既存の粘性ダンパーの持つ問題
点を以下のように克服したものである。

【００１２】大型構造物のダンパーとして適用し高性能
の免震構造を実現するためには、粘性体ダンパーは、大
容量の性能を持ち、大変位の運動にも安定した性能を発
揮できることが必須条件である。一方、粘性体ダンパー
の粘性抵抗力は、粘性流体の粘度、抵抗板の間隙、抵抗
板の面積によって決定されるが、粘性流体の粘度には製
造上の限界があり、抵抗板間隔には装置の精度確保上の
制約から一定値以下の隙間とすることは困難である。従
って、大容量の性能とするためには、抵抗板の面積を大
きくしなければならないが、上記の装置では平面寸法
が大きくなり、実質的に大容量を確保することは不可能
である。また、一定間隙を確保したまま大ストロークの
変位に追従することも上記のとおり極めて困難である。

【００１３】本発明は、上記の装置の平板抵抗板を円
筒形に丸めることによって、上記の２大問題を解決す
る。即ち、円筒とすることにより、直径の円周率（３．
１４）倍ｘ円筒長さｘ２（両面有効となる）の抵抗板面
積が確保でき、しかも直径の僅かに異なる円筒を何重に
も組み合わすことが容易であるので、非常に大きな抵抗
板面積を容易に確保することが可能となる。何重にも組
み合わされた円筒が回転するため、抵抗板間隙は直径大
きさに応じて常に一定に確保でき、しかも回転運動によ
るため変位追従性能には限界がなく、いくら大きな変位
が発生しても安定して追従可能である。

【００１４】本装置の円筒型抵抗板は相対面する２組に
分かれており、一方は地盤・基礎構造体もしくは地盤・
基礎に一体化された支持構造体に固定されている。もう
一方の円筒型抵抗板は構造物の水平相対移動により回転
を起こすように連結されなければならない。そのため
に、この抵抗板の一部に歯車状突起を持つ円盤を設け、
構造物側にはその歯車と噛み合うような突起付き平板を
取り付け、両者を接触させる。積層ゴムにより支持され
た免震構造物は、長期間の経年クリープにより鉛直方向
に沈み込みが発生する可能性があり、また鉛直方向剛性
の低い免震装置では上下方向の相対変位が生じる可能性
があるので、この上下変位に追従させるために、装置全
体を下側からバネ支持し上部構造物に下側から押しつけ
るように設置する。これが請求項２に示すばね圧着方式
の取付方法である。

【００１５】免震層の上下方向相対変位と水平２方向の
運動にこの装置を追従させるもう一つの方法は、回転円
筒をグルグル巻きにしたケーブルもしくはチェーンを利
用するもので、構造物側には装置からある一定以上の距
離をとって固定することにより、鉛直と直交方向水平変
位の影響を避けることができる。

【００１６】以上は、円筒型ダンパーの円筒軸を水平に
配置した請求項１の場合について説明したが、円筒軸を
鉛直方向に配置することもできる。これが請求項３であ
り、この場合には、構造物と本装置との連結はケーブル
やチェーンなどの紐状帯を利用することになる。

【００１７】請求項４・５は、本装置の適用方法を示し
たものである。請求項４は、土木・建築等の構造物を対
象とした場合で、主として以下の３とおりの使用方法が
ある。 本発明によるエネルギー吸収装置をダンパーとし、積
層ゴム、すべり支承あるいは転がり支承等をアイソレー
タとして組み合わすことにより、免震効果・安全性能共
に格段に高い優れた免震構造物を実現することができ
る。 これまでに実現されている各種の積層ゴム（天然ゴム
系積層ゴム、鉛プラグ入り積層ゴム、高減衰積層ゴム
等）、すべり支承、あるいは転がり支承などを使用する
一般的免震構造物に、本発明の減衰装置を補助的に付加
することにより、厳しい入力地震動に対する安全性向上
対策として使用することができる。 大きな水平変位を許容する必要がある特許第２５０１
６４８号等が提案しているサスペンション方式免震構造
物や吊り橋等の減衰装置としても、本装置は大変位に確
実に追従できるので適切な装置である。

【００１８】また、本装置は、変位追従性能に制限がな
いばかりでなく、装置全体の寸法および容量を小型から
大型まで容易に製作できるので、大型構造物ばかりでな
く、各種の機械、工作物、器物や床など構造物以外の免
震構造構築物や物体に適用することができる。

【実施例】以下、本発明を実施例を示す図面に基づいて
説明する。

【００２３】図１は、これまでに実用化されている免震
構造物用粘性体ダンパーである。上部免震建物（６）と
同じ水平移動をする抵抗板（１）と下側基礎に固定され
た抵抗板（２）との間で相対運動が生じると両抵抗板間
に粘性流体（４）が存在するため、その相対速度に比例
した粘性抵抗力が発生するものである。

【００２４】この装置では、抵抗板（１）の周囲に抵抗
板の可動クリアランスをとるために、可動変位を大きく
するに伴い抵抗板面積に対して極めて大きな平面寸法の
装置となるという難点がある。また、抵抗板の固定部
（５）は、積層ゴムの長期鉛直クリープ変形や地震時の
鉛直変位を逃がすためにあそびを有しているため、大き
な水平変位発生時には抵抗板（２）が浮き上がり、粘性
抵抗力が失われる恐れが高い。

【００２５】両抵抗板間の間隙を一定に保つ機構となっ
ている粘性減衰装置としては、図２に示す制震壁（粘性
減衰壁）が実用化されている。しかし、この装置では外
側壁板の間隔を一定に保つために、通しボルト（３１）
が貫通しており、その周囲に設けたルーズホール（３
２）の大きさによって可動変位が制約され、あまり大き
な可動変位を確保することは困難である。

【００２６】図３に示す装置は、特許第１８１２６１０
号および１８１２６１４号に示されているもので、図２
の制震壁の抵抗メカニズムを抵抗板の回転運動に置き換
えた減衰装置である。この装置も外側壁板間を貫通する
通しボルト（３１）のために、可動変位は周囲のルーズ
ホール（３２）の大きさによって制約される。また、抵
抗板が回転板であるため、中心に近い程相対速度が小さ
くなり、装置の外形寸法の割には大きな抵抗力が得られ
ないという難点もある。

【００２７】本発明は上記に示したこれまでの粘性体ダ
ンパーの難点を全て解決したものであり、その構成図を
図４〜図６に示す。図４が装置長手方向、図５が短手方
向の装置外観と設置要領を示している。図６が抵抗力発
生のための円筒抵抗板の構成を示す断面図である。

【００２８】図６に示すように、本装置は複数の円筒型
抵抗板が僅かな隙間をもって組み合わされた構成となっ
ており、連結板（１６）および（２６）によって２組に
分かれている。その一方の円筒抵抗板ユニット（２５）
は、地盤・基礎もしくは支持構造体側に固定されてお
り、他方の回転円筒ユニット（１５）は連結板（１６）
を介して免震構造物側に連結され、構造物の相対変位に
よって回転運動を起こす。両円筒ユニット間には粘性流
体（４）が充填されているために、両者の相対的回転運
動により、その相対速度に応じた粘性抵抗力が発生す
る。

【００２９】本装置は、抵抗板が円筒形であるため、そ
の外形寸法（直径）に対して大きな抵抗板面積が確保で
きるだけでなく、両抵抗板ユニット間の間隙が直径の差
によるため常に一定に維持される。しかも、回転運動で
あるため、変位追従性能に限界がなく、いくら大きな変
形に対しても性能を発揮することができる。

【００３０】図６の（１６）は回転円筒ユニットの内側
端部連結円盤であり、２つのユニットをボルト（１８）
によって一体化したものである。連結円盤（１６）の最
外縁（１７）部分は歯車形状になっており、免震構造物
側に設けられた波状突起平板（６７）と噛み合うように
なっている。平板（６７）は、免震構造物の直交方向の
水平変位を逃がしながら本装置に回転運動を起こせるよ
うに平面的広がりを有している。また、免震構造物と基
礎側との鉛直変位が生じた場合にも本装置の回転発生機
構が喪失しないように、本装置は基礎側にばね（７３）
を介在させて免震構造物側に押しつけた状態で設置され
ている。

【００３１】図７は、上記ばね支持とすることにより、
本装置に発生した水平抵抗力によって本装置が回転を起
こさないように安定化するための補助支持ステー（７
５）を設けた場合を示している。

【００３２】図８は、本装置と免震構造物との連結方法
の一例を示したもので、図５〜７のように歯車のかみ合
いを利用するのでなく、回転円盤（１６）もしくは回転
円筒ユニット（１５）の周りをベルト、チェーン等の紐
状帯（６８）で巻き、その両端を少し距離を離して免震
構造物側に固定する方法である。直交方向の変位によっ
てこの回転ロープのメカニズムが崩れないように、回転
円筒ユニットと固定端との間には一定の距離を確保して
おく必要がある。

【００３３】以上は、本発明の装置を回転の中心軸を水
平方向として設置した場合について説明したが、本発明
の装置は回転運動を基本とするので、請求項３に示すよ
うにその回転の中心軸は鉛直方向であっても、また傾斜
した斜め方向であってもよい。また、この装置は小さな
ものから大型の装置まで自由に製作できるので、大型の
構造物のみでなく、比較的小さな機械、工作物、器物や
床などの免震構造構築物や物体に適用することもでき、
これが請求項５に示した内容である。

【００３４】図９は、本発明のエネルギー吸収装置を免
震構造物に設置した一例を示したものである。本装置
（１０）は、積層ゴム免震装置、すべり支承、転がり支
承等により支持された免震構造物全てに適用可能である
ことは勿論、図１０に示すように吊り下げ方式を採用し
た免震構造物等にも適用することができる。特許第２５
０１６４８号等に示されている吊り下げ方式の免震構造
物においては、大きな可動変位を許容する必要があるの
で、可動変位に限界がない本発明の装置は特に効果的で
ある。また、図１１に示すように吊り橋等の長大橋梁用
の減衰装置にも適している。

【００３５】

【発明の効果】本発明による粘性体ダンパーは、これま
での粘性体ダンパーでは実現困難であった性能を達成し
ている。その第一は、減衰性能を発揮できる許容変形に
制限がなく、地盤・基礎あるいは支持構造体と免震構造
物の間に発生する相対変位がいくら大きくても確実に減
衰性能を発揮できることである。これは、アイソレータ
の許容変形量を大きくしさえすれば、免震構造物の安全
性能をいくらでも高めることが可能であることを意味し
ている。積層ゴム支承の変形性能に限界がある場合に
は、それ以外の転がり支承や吊り下げ方式と本発明の減
衰装置を組み合わせることによって、従来の免震構造物
の達成性能を遙かに超える免震構造物が実現できること
になった。

【００３６】また、本発明の減衰装置を、鉛プラグ入り
積層ゴムや高減衰積層ゴムなどを用いる従来の一般的免
震構造物に組み合わせて用いることも有効である。本装
置は、免震構造物の降伏耐力を上昇させずに、極めて厳
しい地震動が入力された場合の応答変位を抑制できるた
め、上部構造体の加速度応答を殆ど引き上げることな
く、免震装置（アイソレータ）に発生する変形を抑制す
ることができる。従って、これまでの一般的免震構造物
の安全性向上対策としても極めて有効である。この効果
は、鋼材などの塑性変形を利用する履歴型ダンパーでは
実現不可能である。

【００３７】また、本発明の減衰装置は、許容変形量に
限界がないため、特に大きな相対変位を生じる構造物に
減衰性能を付与したい場合に適している。その一例は、
サスペンション方式の長大吊り橋である。吊り橋の橋床
と橋脚の連結部では、温度変化による橋床の伸縮は逃が
し、地震時や暴風時の振動に対しては減衰性能を発揮で
きる非常に大きな変位を許容できる粘性ダンパーが求め
られている。この要求に本装置は最適であり、大きな場
所を取らずに、橋軸方向の相対運動に対して任意の減衰
力と無制限の許容変形を許すことができる。

【００３８】以上のように、許容変位に制限のない本発
明の粘性減衰ダンパーは、大地震や暴風に対する構造物
の安全対策として、従来技術の枠を超える極めて高い安
全性能実現への途を拓いたものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来の免震建物用粘性体ダンパー

【図２】 従来の制震壁（制震建築物用粘性減衰壁）

【図３】 従来の回転運動型制震壁

【図４】 本発明の回転式円筒型粘性ダンパーの長手
方向立面図

【図５】 同上装置、短手方向立面及び設置要領図

【図６】 同上装置、円筒型抵抗板部の断面構成図

【図７】 同上装置、設置要領図および短辺方向補助
ステー設置要領

【図８】 同上装置、紐状連結帯による連結要領

【図９】 免震構造物への本装置の設置要領

【図１０】 吊り下げ方式免震建物への本装置の設置
要領

【図１１】 長大吊り橋への本装置の設置要領

【符号の説明】

１：抵抗板 ２：固定側抵抗
板 ３：抵抗板間隙 ４：粘性流体 ５：抵抗板固定部 ６：免震建物 ７：地盤側基礎・支持構造体 １０：本発明装置全体 １１：内壁抵抗板 １２：内壁側突
起 １５：回転側円筒抵抗板 １６：中央回転
板 １７：回転板端部歯車 １８：中央回転
板固定ボルト ２１：外壁抵抗板 ２５：固定側円筒抵抗板 ２６：固定側端
部連結板 ２７：中央回転板保護部 ３１：制震壁間隔保持用通しボルト ３２： ルーズ
ホール ５１：内壁抵抗板回転支持部 ６０：免震建物の柱 ６１：建物上階側の床 ６２：建物上階
側の梁 ６３：スチフナー ６４：梁側固定
用突起 ６５：建物下階側の床 ６７：免震建物側連結用歯車平板 ６８：装置回転
連結用紐状帯 ６９：連結用紐状帯固定部 ７１：装置固定用上側ベースプレート ７２：装置固定
用下側ベースプレート ７３：装置圧着用バネ ７４：アンカー
ボルト ７５：装置安定用補助ステー ８０：支持構造体 ８１：吊り下げ
ロッド ８２：免震建物本体 ９０：吊り橋用主塔 ９１：橋梁ガー
ダー及び床板

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 地盤若しくは地盤に連結された支持構造
   体と構造物の間に積層ゴム免震装置、すべり支承、転が
   り支承あるいは吊り下げ部材等を配置して地盤振動が直
   接伝達されないようにした免震構造物に設置するエネル
   ギー吸収装置であり、少しずつ径の異なる２以上の円筒
   形部材が水平方向を円筒軸として僅かな隙間をもって組
   み合わされその隙間には粘性流体が充填されており、各
   円筒は一つおきに同一回転するように２組に一体化され
   ており、２組の円筒の内、一方は地盤若しくは支持構造
   体側に固定されており、他方が構造物の水平移動によっ
   て回転するように歯車、摩擦接触もしくはケーブルある
   いはチェーン等の紐状帯によって構造物と連結されてい
   ることを特徴とする構造物用減衰装置。
2. 【請求項２】 上記請求項１のエネルギー吸収装置と地
   盤もしくは支持構造体の間にばねを配置し、同装置が構
   造物に圧着されていることを特徴とする構造物用減衰装
   置の取付方法。
3. 【請求項３】 上記請求項１と同じ構造を持つエネルギ
   ー吸収装置であり、円筒軸が鉛直方向もしくは水平軸に
   対して傾斜した角度で設置されていることを特徴とする
   構造物用減衰装置。
4. 【請求項４】 積層ゴム免震装置、すべり支承、転がり
   支承等により支持された免震構造物、吊り下げ方式を採
   用した免震構造物あるいは吊り橋等の橋梁構造物におい
   て、上記請求項１〜３のエネルギー吸収装置を併用して
   いることを特徴とする土木・建築構造物。
5. 【請求項５】 上記請求項１〜３と同じ構造のエネルギ
   ー吸収装置を使用していることを特徴とする機械、工作
   物、器物や床など土木・建築構造物以外の免震構造構築
   物もしくは物体。