JPH10311163A

JPH10311163A - 免震装置

Info

Publication number: JPH10311163A
Application number: JP11993597A
Authority: JP
Inventors: Yoshio One; 義男大根; Kunitomo Narita; 国朝成田; Tetsuo Okumura; 哲夫奥村
Original assignee: ONE KIMIKO; USUI TERUAKI; YAMAZAKI KENSETSU KK; Navitas Co Ltd
Current assignee: ONE KIMIKO; USUI TERUAKI; YAMAZAKI KENSETSU KK; Navitas Co Ltd
Priority date: 1997-05-09
Filing date: 1997-05-09
Publication date: 1998-11-24

Abstract

(57)【要約】【課題】高いダンパー性能を備えると共にコンパクト
で汎用性のある免震装置を提供すること。【解決手段】上記課題を解決する本発明の免震装置
は、建築物に伝わる地震力を制御するために該建築物に
装備される免震装置であって、地震時において該建築物
に生じた振動を減衰させ得る作用部１０を備えており、
その作用部１０はゴム弾性を示す弾性部材１２から構成
されており、その弾性部材１２の内部には密閉された空
間Ｓが形成されており、ここで該密閉された空間Ｓに
は、粒状構造材Ｐが相互に摺動可能に充填されているこ
とを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は建物の免震構造に関
し、詳しくは、建物に免震効果を付与するために用いら
れる免震装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、耐震設計とは思想を異にした地震
力から建築物を防護する一手段として、建築物をいわゆ
る「免震構造」にすることが構造設計分野において広く
導入されてきている。この免震構造とは、地震力を制御
・抑制し、地震エネルギーがそのまま建築物に伝達され
るのを防止すること（即ち免震）を可能とする機構・装
置を備えた建物構造をいい、近年多くの実用事例が報告
されている。図６は、このような免震構造からなる建造
物（以下「免震建物」という。）を模式的に説明したも
のである。本図に示すように、免震建物５０では、変形
および復元可能な支持部材５２によって建築物５１を地
盤Ｇから絶縁した状態で支持しており、地震エネルギー
が地盤Ｇから建築物５１に直接伝達されるのを防いでい
る。なお、支持部材５２を設置している建築物５１と地
盤Ｇとの間の領域は、一般に免震層５０ａと呼ばれてい
る。

【０００３】ところで、上記支持部材５２の荷重支持能
力だけでは地震動によって建築物５１に生じる横滑りを
抑えることが困難なため、さらに免震層５０ａには建築
物５１の横滑りを回避するためのスプリング機構が設け
られている。すなわち、図６において模式化されている
ように、地震発生時に建築物５１が被る地震力を上記支
持部材５２とスプリング５３の復元力によって当該建築
物５１全体の振り子運動に変換することが可能となる。
このことによって、建築物５１に伝わる地震力は水平方
向への振動に変えられ、結果、当該建築物５１自体に歪
みや亀裂が生じるのを防止することができる。なお、従
来の免震構造においては、一般的に上記支持部材５２が
このようなスプリング５３の復元力に相当する機能を兼
備するように設計されている。そして、建築物５１に発
生した上記水平方向への振動は、支持部材５２あるいは
後述するダンパー部材が有する減衰力によって減衰・制
御している。このように、免震建物５０の免震性能は、
免震層５０ａにおいて建築物５１を支持している上記支
持部材５２等の免震部材（以下「免震装置」という。）
の性能に依存している。

【０００４】上記スプリング機構を兼備する支持部材５
２（免震装置）は一般にアイソレータと呼ばれており、
種々の形状のものが開発されている。アイソレータは、
本質的に、地震エネルギーの直接伝達を防止しつつ建築
物を地盤から絶縁された状態で支持する装置である。こ
のため、アイソレータには、鉛直方向への荷重支持能
力、水平方向への大変形能および復元能（地震が治まっ
た際に原形状に復帰する復元力）、ならびに、耐久性
能、成型容易性等の付加性能が要求される。このような
性能を有する典型的な材質はゴムであり、従来、一般的
に多用されているアイソレータは図７に示すような積層
ゴムアイソレータ６０である。本図に示すように、積層
ゴムアイソレータ６０は、典型的には厚みがほぼ０．５
〜１．０ｃｍ程度の薄いゴムシート６２と鋼板６４とを
両フランジ６６間に交互に積層してなる円筒形状の免震
装置である。積層ゴムアイソレータ６０は、上記構造を
有する結果、鉛直方向への圧縮剛性に加えて水平方向へ
の可逆的変形能力に優れている。

【０００５】他方、上記アイソレータ（すなわちスプリ
ング機構）の復元力に伴い建築物５１に発生した振動エ
ネルギーを減衰させて当該建築物５１の横揺れを制御し
得る減衰力を備えた免震装置は一般にダンパーと呼ばれ
ている。ダンパーには種々の形態のものが開発されてお
り、作用機構の観点から変形履歴に伴うエネルギー消費
（摩擦や塑性変形等）を利用する履歴型ダンパーと、い
わゆる粘性抵抗を利用して減衰力を得る粘性型ダンパー
とに大別されている。これらダンパーは何れも免震建物
における周期や許容変位などの条件を考慮しつつ設計さ
れ、適用する個々の免震建物（免震構造）に応じて配置
箇所やサイズ、使用数量が決定される。なお、免震建物
に適用されている従来のアイソレータやダンパーの種類
および代表的な構造等については、例えば、日本免震構
造協会編「免震構造入門」（オーム社刊・１９９５年）
に詳細に記載されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従って、免震構造を設
計する際には、一般的には、上記アイソレータと上記ダ
ンパーとの性能のバランス等を勘案し、免震層にこれら
２種類の免震装置を適当に組み合わせて設置する必要が
ある。しかしながら、上記アイソレータとダンパーとを
適宜組み合わせてなる免震設備を免震構造に採用する場
合、各々の免震装置の特性（アイソレータの水平剛性、
ダンパーの降伏せん断力係数等）を予想・解析しつつ免
震層全体における免震特性値を導きだし、その特性値を
基に使用する免震装置の設計および免震層における設置
場所の最適化を行う必要があった。このため、免震構造
設計段階の作業が繁雑であった。さらには、免震装置を
何種類か使用する場合、免震装置にかかるコストを引き
上げる要因ともなり得た。

【０００７】その一方で、上記問題点を回避させる一手
段として、上記積層ゴムアイソレータ６０にダンパー性
能を付与させ、免震層に異なる形態のダンパーを別途設
ける必要のないダンパー兼用アイソレータ（例えば、鉛
プラグ入り積層ゴム、高減衰型積層ゴム、滑り減衰免震
部材；上記文献「免震構造入門」参照）も開発されつつ
ある。しかしながら、これら従来のダンパー兼用アイソ
レータは比較的大型であるために適用範囲に制限があ
り、種々の建造物の免震構造に広く適用し得る小型で汎
用性のある免震装置の開発が要望されていた。

【０００８】本発明は、上記従来の免震装置における課
題を解決するものであり、その目的とするところは、高
いダンパー性能を備えると共にコンパクトで汎用性のあ
る免震装置を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明においては、建築物に伝わる地震力を制御す
るために当該建築物に装備される免震装置であって、そ
の免震装置は地震時において当該建築物に生じた振動を
減衰させ得る作用部を備えており、その作用部はゴム弾
性を示す弾性部材から構成されており、その弾性部材の
内部には密閉された空間が形成されており、ここで当該
密閉された空間には、粒状構造材が相互に摺動可能に充
填されていることを特徴とする免震装置（以下「本発明
の免震装置」という。）を提供する。

【００１０】本発明の免震装置においては、上記作用部
がゴム弾性を示し且つ密閉された内部空間を有する弾性
部材から構成されると共に、当該空間内部には粒状構造
材（典型的にはアルミナ等からなるセラミックスまたは
ステンレス鋼のような硬質体から形成される。）が相互
に摺動（接触した状態ですり動くこと）が可能な状態で
充填されている。この構成の結果、本発明の免震装置の
作用部（即ち、それを構成する上記弾性部材および粒状
構造材）に地震力が加わった際には、弾性部材にせん断
応力が働いていわゆるせん断変形（水平変位）が生じる
ため、地震力が建築物に直接伝達されるのを防止若しく
は低減させることができる。そして、この水平変位が弾
性部材に生じた際には、当該弾性部材の内部空間に充填
されている上記粒状構造材が相互に摺動することとな
る。而して、当該粒状構造材相互の摺動（地震力に応じ
て一の粒状構造材が他の粒状構造材を乗り越えようとし
たり他の粒状構造材に衝突したりする運動を包含す
る。）によって摩擦力が生じ、この摩擦力によって当該
粒状構造材の動きが阻止されると共に当該粒状構造材に
伝達された地震力（即ち、当該構造材に伝達された運動
エネルギー）を熱エネルギーに変換して外部に放出する
ことが可能となる。

【００１１】従って、本発明の免震装置によれば、これ
ら一連の作用によって、建築物に伝達される地震力を上
記作用部内部におけるダンパー機能によって減衰させる
ことができる。

【００１２】特に好ましい本発明の免震装置は、上記弾
性部材が、当該装置を装備する建築物の少なくとも一部
を支持し得る鉛直剛性を有するものであることを特徴と
する。本態様の免震装置では、上記積層ゴムアイソレー
タ同様、免震層において独立したアイソレータとして適
用されると共に上述のダンパー機能を発揮させることが
できるため、免震層に別途アイソレータおよびダンパー
を備えることを要せずに免震建物を建築することができ
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明は、以下のように実施され
得る。

【００１４】本発明の免震装置の上記作用部を構成する
弾性部材は、その内部に上記粒状構造材を充填するため
の空間が密閉された状態で形成されておればよく、特別
な形状、材質に限定されるものではない。本発明の免震
装置を装備する建築物の少なくとも一部（重量）を支持
し得る鉛直剛性を有するものが好ましい。本発明の免新
装置における弾性部材としては典型的には一般的な工業
用加硫ゴム材が好適であり、積層ゴムアイソレータ従来
品の積層ゴムシートに使用され得るゴム材は、荷重支持
能力の観点から特に好ましく使用し得る。

【００１５】そして、図１および図２に示すような、密
閉された内部空間Ｓを有するように成型加工された円筒
状弾性部材（本実施形態においてはゴム材）１２若しく
は角柱状弾性部材（本実施形態においてはゴム材）２２
が本発明の免震装置の作用部１０，２０に好適である。
そして、上述の積層ゴムアイソレータ６０における一般
的な製作工程と同様、上記形状の弾性部材１２，２２の
上面部および下面部に図示しないフランジ鋼板（図７参
照）を接着剤や連結ボルト等によって各々固着すること
によって、積層ゴムアイソレータ６０に類似する形状の
本発明の免震装置を作製することができる。なお、本発
明の免震装置における作用部１０，２０およびそれを構
成する弾性部材１２，２２のサイズは、適用される建築
物の規模、基礎部の形状等によって適宜決定されるもの
であり、特に限定されるものではない。例えば、積層ゴ
ムアイソレータ従来品と同等のサイズ（例えば４００〜
１２００ｍｍ）のものが免震建物の建築に広く適用し得
るがこれに限定されるものではなく、本発明において
は、より小さいサイズ（例えば弾性部材１２，２２の外
径が４０〜４００ｍｍ、好ましくは６０〜２００ｍｍの
範囲内にあるもの）の作用部を備えたものも後述する粒
状構造材Ｐの作用によって所望するダンパー機能を良好
に発揮させることができるために本発明の免震装置とし
て好適である。

【００１６】一方、上記弾性部材１２，２２の内部空間
Ｓには、当該弾性部材１２，２２のモールド成型工程
（加硫工程）において予め一定量の粒状構造材Ｐが相互
に摺動可能な状態で充填される（図１および図２参
照）。而して、図３に模式的に示すように、本発明の免
震装置に地震力が加えられて上記弾性部材１２，２２内
部空間Ｓに充填されている粒状構造材Ｐにせん断応力τ
が生じた際には、粒状構造材Ｐ相互が摺動する（図３中
の(1) と(3) との関係にみられる隣接する粒状構造材Ｐ
相互の変位を伴わない摺り動きや図３中の(1) と(2) と
の関係にみられる一の構造材Ｐが隣接する他の構造材Ｐ
を乗り越えようとする運動を包含する。以下同じ。）こ
とによって、当該弾性部材１２，２２に伝達された地震
力を当該粒状構造材Ｐに関する運動エネルギーに変換
し、次いで、その運動エネルギーを当該粒状構造材Ｐ相
互の摺動によって生じる摩擦力によって熱エネルギーに
変換し、外部に放射することによって消費することがで
きる。このことによって、本発明の免震装置において
は、免震装置の作用部１０，２０（すなわち弾性部材１
２，２２）に伝達された地震力を効率よく減衰させるこ
とができる。

【００１７】従って、本発明の免震装置において使用さ
れる上記粒状構造材Ｐとしては、硬質体であって上記弾
性部材１２，２２に設けられた密閉された内部空間Ｓ内
で摺動可能に充填され易いものが好ましい。典型的には
図１および図２に示すような凹凸のない球形の粒状構造
材Ｐが多用されるがこれに限らず、例えば図４に示すよ
うな波形粒状構造材３０（図４の（ａ））あるいは突起
を多数有する金平糖のような粒状構造材４０（図４の
（ｂ））を単独若しくは混在させて用いてもよい。ま
た、本発明における粒状構造材を形成するのに好適な材
質としては、典型的にはアルミナやシリカ等からなるセ
ラミックスあるいはステンレス鋼が挙げられるが特にこ
れらに限定されるものではない。耐磨耗性に優れたもの
が特に好ましい。なお、本発明の実施にあたっては、弾
性部材１２，２２と同様、粒状構造材Ｐのサイズに関し
て特に限定はないが、上述のとおり、本発明の免震装置
におけるダンパー機能は、弾性部材１２，２２に形成さ
れた上記内部空間Ｓに充填した粒状構造材Ｐの摺動に基
づいている。このため、地震力を受けた際に粒状構造材
Ｐ相互の摺動が好適に保たれ得るように当該粒状構造材
Ｐの形状、サイズおよび／または充填のレベル（粒状構
造材Ｐの量や充填した際の拘束圧等）を考慮することが
好ましい。

【００１８】次に、本発明の一実施形態として、本発明
の免震装置に係るダンパー機能の特性を表す指標として
一定の荷重条件下におけるせん断歪みγとせん断応力τ
あるいは減衰定数ｈとの関係を調べた。なお、本実施形
態に係る本発明の免震装置（以下「本免震装置」と略称
する。）は、天然ゴムを原料とする外径６０ｍｍ、高さ
１００ｍｍの円筒状加硫ゴム材に内径４０ｍｍ、高さ６
０ｍｍの密閉された内部空間を形成すると共に、その内
部には平均粒径約３ｍｍのアルミナ製粒状構造材を相互
に摺動可能な状態で充填し（図１参照）、次いで当該円
筒状加硫ゴム材の上面部および下面部にフランジ鋼板
（図７参照）を装着することによって作製されたもので
ある。

【００１９】而して、振動数１．０Ｈｚで最大荷重１５
０ｋｇとなるように本免震装置を鉛直方向に圧縮し、そ
のときに生じるせん断歪みγとせん断応力τとの相関関
係ならびにせん断歪みγと減衰定数ｈとの相関関係を求
めた。結果はグラフにまとめ、図５に示した。本グラフ
において、横軸の目盛りは上記圧縮に対する円筒状加硫
ゴム材の水平方向へのせん断歪みγ（％；円筒状加硫ゴ
ム材の直径が２倍となるときをせん断歪み１００％とす
る）を示し、左右縦軸の目盛りは各々せん断応力τ（ｋ
ｇｆ／ｃｍ²）および減衰定数ｈ（％）を示している。
そして、本グラフ中における黒丸●のプロットがせん断
歪みγに対するせん断応力τの値を示しており、黒四角
■のプロットがせん断歪みγに対する減衰定数ｈの値を
示している。なお、上記減衰定数ｈとは、［ｈ＝１／４
π×ΔＷ／Ｗ］で表される値である。ここでΔＷは図８
に例示するような弾性体一般に関するせん断応力（τ）
と歪み（γ）との関係に基づくループ（１回の振動）を
示した一般図における当該ループの全面積に相当し、Ｗ
は図８におけるΔＯａｅの面積に相当する。

【００２０】図５から明らかなように、本免震装置にお
いては、比較的小さいせん断歪み（小振幅）発生時から
比較的大きなせん断歪み（大振幅）発生に至るまで、せ
ん断歪み（振幅）に応じた減衰作用を発揮し得る。ま
た、減衰定数は、歪みに対してほぼ一定であった。この
ことは、本発明の免震装置におけるダンパー性能が従来
のダンパーと遜色ないことを示しており、本免震装置に
よれば、中小地震から大地震に至るまで地震の規模や地
震動の程度に応じた免震機能（すなわち地震エネルギー
の減衰力）を発揮させることができる。

【００２１】次に、本免震装置の免震性能に関する種々
の性状を表１に記す。なお、表１中の「変形毎の反力」
とは、本免震装置における円筒状加硫ゴム材を実際に鉛
直方向に変形させた際の反力の試験値である。また、表
１中の「方向性の有無」は、上段において力学的特性を
有する方向を示しており、下段において方向による力学
的特性が異なることを示している。すなわち、本免震装
置においては、上記構成の結果、ＸおよびＹ方向とＺ方
向（即ち鉛直方向）との間で力学的特性が異なる。

【００２２】

【表１】

【００２３】表１に示すように、本免震装置は、従来の
ダンパーとは異なり、鉛直（Ｚ）方向にもその力学的特
性（典型的には荷重支持能力）を発揮することができ
る。このことによって、本免震装置はダンパーとして使
用されることに加え、アイソレータとしても使用するこ
とが可能である。また、本免震装置では、ダンパー機構
に係る粒状構造材Ｐが上記弾性部材１２，２２によって
密閉状態で覆われているため、ダンパー性能がゴミや埃
によって阻害されることがない。従って、例えば従来の
改良型摩擦ダンパーにおけるような防塵対策を講じる必
要がない。また、本免震装置は、従来のダンパーや積層
ゴムアイソレータ等よりも小型であるにも関わらず、変
形時において優れた反力ならびに水平剛性および鉛直剛
性を発揮することができる。そして、本免震装置では、
上述のとおり、ゴム弾性を有する弾性部材（ここでは円
筒状加硫ゴム材）１２，２２の密閉された内部空間Ｓに
粒状構造材Ｐを相互に摺動可能に充填・封入することに
よってダンパー機能を発揮させている。このため、構造
が簡単であると共にその外径寸法や形状が限定されるこ
とがない。

【００２４】以上のとおり、本免震装置は、従来の積層
ゴムアイソレータ６０と同様、免震建物５０の免震層５
０ａ（図６参照）においてアイソレータとして使用し得
ると共に各種ダンパー従来品の代用となり得る性能を有
している。このため、所望する数量・サイズの本免震装
置を免震層５０ａに適宜装備することによって、他のア
イソレータやダンパーを使用することなく所望する免震
性能を有する免震建物５０を建設することができる。ま
た、本免震装置は、上述のとおり、従来の積層ゴムアイ
ソレータ６０同様の外形とすることができ、積層ゴムア
イソレータ６０と同様の工法によって製造され得、か
つ、建築物５１に備え付けることができる。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、高いダンパー性能を備
えると共にコンパクトで汎用性のある免震装置を提供す
ることができる。さらに、アイソレータに要求される性
能とダンパーに要求される性能とを兼ね備えた汎用免震
装置を提供することができる。本発明の免震装置におい
ては、上記弾性部材からなる作用部によって建築物を支
持し得ると共に、当該弾性部材のゴム弾性能によって地
震力が建築物に直接伝達されるのを防止する。同時に、
内部空間に充填される粒状構造材が相互に摺動すること
によって生じる摩擦力によって、本発明の免震装置に負
荷された地震エネルギーを熱エネルギーに変換して減衰
することができる。すなわち、本発明の免震装置を免震
層に装備することによって、別途ダンパーおよび／また
はアイソレータを設置することを要せずに所望する免震
性能を有する免震構造が設計され、免震建物を建築する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の免震装置における作用部の好適な一構
成を模式的に示す図であり、（ａ）および（ｂ）は各々
当該作用部の断面図および斜視図である。

【図２】本発明の免震装置における作用部の好適な一構
成を模式的に示す図であり、（ａ）および（ｂ）は各々
当該作用部の断面図および斜視図である。

【図３】本発明の免震装置における粒状構造材の摺動状
態を模式的に説明する図である。

【図４】（ａ）（ｂ）は、各々、本発明の免震装置に使
用され得る粒状構造材の一形態を模式的に示す図であ
る。

【図５】一実施形態に係る本発明の免震装置のダンパー
特性を示すグラフである。

【図６】一般的な免震建物の構造を模式的に示した説明
図である。

【図７】積層ゴムアイソレータ従来品の構造を模式的に
示した縦断面図である。

【図８】弾性体における減衰理論をせん断応力τと歪み
γとの相関ループで説明する一般的な図である。

【符号の説明】

１０，２０作用部１２，２２弾性部材３０，４０粒状構造材５０免震建物５０ａ免震層５１建築物６０積層ゴムアイソレータＳ内部空間Ｐ粒状構造材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大根義男愛知県名古屋市緑区ほら貝三丁目277番地 (72)発明者成田国朝愛知県名古屋市名東区猪子石１丁目601番エスポア名東301号 (72)発明者奥村哲夫愛知県春日井市高蔵寺町５丁目12番地の18

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】建築物に伝わる地震力を制御するために
該建築物に装備される免震装置であって、地震時において該建築物に生じた振動を減衰させ得る作
用部を備えており、その作用部はゴム弾性を示す弾性部材から構成されてお
り、その弾性部材の内部には密閉された空間が形成されてお
り、ここで該密閉された空間には、粒状構造材が相互に摺動
可能に充填されていることを特徴とする免震装置。