JPWO2007114072A1 - 負の剛性装置及び該負の剛性装置を備えた免震構造物 - Google Patents

Abstract

【課題】構造物での過大な応力の発生を防止し、免震構造物の免震周期を延長し、摩擦減衰により免震構造物の減衰効果を増加させ、静摩擦によるトリガー機能も付与でき、構成が簡単な負の剛性装置及び免震構造物を提供する。【解決手段】転動体（１４）又は摺動体の水平方向の転動又は摺動に伴って、転動体の転動面（１２）又は摺動体の摺動面を傾斜可能とした傾斜機構（１１）を備える負の剛性装置（１０）。転動体を、ローラー又は車輪（１４ｂ）とし、いずれかを上部材又は下部材に備えることができる。傾斜機構（１１）は、平面状転動板（１２）と、弾性材からなる弾性パッド（１３）とで構成したり、平面状転動板と、弾性体と薄肉鋼板とを積層した積層体とで構成できる。負の剛性装置（１０）と、復元力特性を有する装置とで免震構造物を構成し、負剛性を利用するとともに、原点復帰を容易にできる。【選択図】図４

Description

本発明は、重力の作用する方向（鉛直方向）に転動又は摺動を生じさせ、水平力と水平変位との関係において負の剛性を生じる負の剛性装置、並びに該負の剛性及び摩擦減衰を利用した建築又は土木に用いられる免震構造物に関する。

マンション等の集合住宅、事務所ビル、戸建住宅、及び橋梁等の構造物への過大な入力を防止する手段として、構造物へ付加する装置が種々提案されている。例えば、振子型の滑り摩擦装置等は、摺動曲面の円弧から求められる周期により免震させ、過大な入力が上部構造物に作用しないようにしている。しかし、各種提案されている装置のほとんどが正の剛性を有するものであり、前記振子型の滑り摩擦装置においても、その摺動メカニズムは、重力が作用する方向とは反対の方向に摺動する（水平変形に伴い上方移動する）ため、正の剛性を生じる。

また、金属材料からなる弾塑性ダンパーは加工硬化により、また、粘性体材料からなる粘性ダンパーは高速領域で生じる弾性特性からの剛性（ばね）により、正の剛性を有するものが一般的である。尚、水平面上で摺動する滑り機構を利用したダンパーは、剛性がゼロと言えるが、力の変形の増分の向きを変化させることはできない。言い換えると、構造物全体の剛性に対して制御することができない。

このような問題を解決する手段として、特許文献１には、構造部材に生ずる応力の大きさを調整したり、制震建物の減衰効果を増加させたり、免震建物における地震外力の絶縁効果を増加させることが可能な負の剛性装置と、この負の剛性装置を使用した建築構造物が開示されている。

一方、マンション等の集合住宅、事務所ビル、戸建住宅、及び橋梁等の構造物の耐震設計において、地震、風又は交通振動等の動的入力による構造物、及びその周辺の応答値のうちのいくつかを、振動エネルギ吸収装置により低減し、ある制限値以内に制御する方法が採られている。その中でも、振動エネルギ吸収装置を構造物内又は／及び構造物外に取り付け、該振動エネルギ吸収装置によって地震等の動的入力によって励起された構造物の振動応答を低減しようとする方法が最も有力な手段の一つである。

前記振動エネルギ吸収装置として用いられる従来のダンパーには、エネルギ吸収特性が優れている装置がいくつかあり、また各々特有の特徴がある。例えば、粘性系であるオイルダンパーを例に挙げると、構造物の持つ剛性にダンパーの減衰を付加した場合、このダンパーは、振動速度に比例した減衰力を概略仮定することで、減衰定数という形式で性能を設定することができる。

また、特許文献２には、抵抗力を受ける構造物、又は、抵抗力と復帰手段の復元力とを受ける免震構造物の部位の剛性を特に大きくしなくても良い上に、広い占有スペースを必要とせず、小型に構成することのできる振動エネルギ吸収装置等が開示されている。

この振動エネルギ吸収装置は、液体を収容する円筒シリンダ内を２つの室に区画する可動なピストンと、可変オリフィスを介して２室を連通させる連通手段と、ピストンの円筒シリンダに対する相対的な移動方向に基づいて可変オリフィスを選択するとともに、ピストンの円筒シリンダに対する相対的な移動位置に基づいてオリフィス径を決定する選択・決定手段とを具備している。

日本特開２００３−２８７０７９号公報 日本特開２００４−３０１３０６号公報

上述のように、特許文献１には、負の剛性を構造物へ付与する負の剛性装置が開示されているが、免震構造物として使用する場合には、構造物の剛性を調整する機能を有し効果的であるが、少なくとも減衰機能を有した別の装置が必要である。

さらには、この負の剛性装置は、ローラー材の場合は転動し易く、可動部材の場合は線接触のため摺動し易いため、安定して直立位置を保持することができない虞がある。このことは、小さい入力で作動することに他ならないため、応答性の良さを保証するものではあるが、反面小さな入力で容易に装置の設置中心位置が動いてしまうことになり、施工面での工夫が必要となる。

すなわち、特許文献１に記載の負の剛性装置は、免震構造物として小地震時や風による比較的小さな入力の場合には、免震構造物が不要な振動を生じないように、通常与えられるトリガー機能を負担することができず、該負の剛性装置を使用した場合は、別途設ける復元力（原点復帰能力）を有する装置及び／又はエネルギ吸収装置にトリガー機能を持たせる必要があった。

また、特許文献１の負の剛性装置には、負の剛性を得るための手段として、可動部材が重力の作用する方向（鉛直方向）に滑らかに摺動するための方法として、下部材の表面形状を円弧状とする加工が施されているが、加工精度が必要であり、その分装置の製造コストが上昇するという問題があった。

一方、前記振動エネルギ吸収装置として用いられるオイルダンパーは、振動速度に比例した減衰力を概略仮定することで、減衰定数という形式で性能を設定することができるが、その際に構造物の持つ剛性と変位量から求められる水平力に対し、該オイルダンパーの持つ履歴減衰分の水平力が加算され、構造物に生じる水平力が構造物の持つ耐力以上になる可能性がある。

すなわち、ダンパーを付加することによって免震・制振効果を持たせているが、ダンパーを付加することで、剛性力を見かけ上増加させる結果となり、ダンパーを設置した構造物に、より大きな負荷を与える虞がある。従って、構造物の持つ剛性力以上の負荷をダンパーが構造物に与えてしまうという問題が生じている。

また、特許文献２に記載の負の剛性を有する振動エネルギ吸収装置は、免震構造物に使用する際、全体の剛性を特に大きくすることはないという利点があり、免震構物の免震周期を伸ばし、免震効果を高めるという効果がある。その反面、構造そのものが複雑であり、さらには該負の剛性を有する振動エネルギ吸収装置の制御のために検出手段を別途設ける必要があった。

そこで、本発明は、上記従来の負の剛性装置における問題点に鑑みてなされたものであって、負の剛性により、構造物への過大な応力を防止したり、作用する応力を調整できる上に、復元力を有する装置（例えば積層ゴム体）の復元力を特に大きくする必要がないため免震構造物の免震周期を延長でき、また、一つの装置で負の剛性と摩擦減衰の両方を得ることも可能で、該摩擦減衰により免震構造物の減衰効果を増すことができ、静摩擦によるトリガー機能も付与できる装置であって、さらには加工精度を要する円弧状の部品を使用しなくとも簡単な構成で前記作用効果を具備する負の剛性装置及び該負の剛性装置を備えた免震構造物を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、負の剛性装置であって、転動体又は摺動体の水平方向の転動又は摺動に伴って、該転動体の転動面又は該摺動体の摺動面の傾斜具合が変化する傾斜機構を備えることを特徴とする。

そして、本発明によれば、前記転動体と傾斜機構とを組み合わせることにより、簡単な構成を有し、加工も容易で、製造コストを低く抑えることが可能な負の剛性装置を提供することができ、構造物への過大な応力を防止したり、作用する応力を調整することができる。また、前記摺動体と傾斜機構とを組み合わせることにより、一つの装置で負の剛性と摩擦減衰の両方を有し、摩擦減衰により免震構造物の減衰効果を増すことができ、静摩擦によるトリガー機能も付与することが可能な負の剛性装置を提供することができる。

前記負の剛性装置において、前記転動体は、ローラー又は車輪であって、該ローラー又は車輪を上部材又は下部材に備えることができる。

本発明によれば、地震等の際に、上部材又は下部材のローラー又は車輪が水平方向に転動すると、転動面が傾斜するため、負の剛性を与えることができる。これによって、例えば、複合的に使用する積層ゴム体の歪依存を考え合わせると、該積層ゴムのせん断剛性は線形でないため、詳しくは歪が大きいとハードニング現象により剛性が高くなることから、本発明にかかる負の剛性装置と組み合わせることにより、簡単な構成によって、広い範囲で線形性を得ることが可能となる。

前記負の剛性装置において、前記傾斜機構を、平面状転動板と、弾性材からなる弾性パッドとで構成することができる。傾斜機構の弾性パッドの弾性材の硬さを変更することで、弾性パッドの寸法的な変更を行わなくとも、転動体の移動時における弾性パッドの傾斜具合を任意に変更できるため、負の剛性の程度を調整することができる。

前記負の剛性装置において、前記弾性パッドの、前記転動体の転動方向の両端部側部分の弾性材の硬度と、中央側部分の弾性材の硬度とを異ならせることができる。これによって、平面状転動板の傾斜具合を任意に変更できるため、負の剛性の程度を調整できる。

前記負の剛性装置において、前記傾斜機構を、平面状転動板と、弾性体と薄肉鋼板とを積層した積層体とで構成することができる。積層体を構成する弾性体と薄肉鋼板の組み合わせを変更することによって、転動体の移動による積層体の傾斜具合を任意に変更することができ、これによって、負剛性の程度を調整することができる。

前記負の剛性装置において、前記積層体の、前記転動体の転動方向の両端部側部分の薄肉鋼板の積層数と、中央側部分の薄肉鋼板の積層数とを異ならせることができる。これによって、平面状転動板の傾斜具合を任意に変更できるため、負の剛性の程度を調整できる。

前記負の剛性装置におけるローラー又は車輪を有する上部材又は下部材と、該ローラー又は車輪との組み合わせを上下方向に２段にわたって、かつ互いに直交した状態で配置することができる。これによって、上述の特徴を有する負の剛性装置であって、上部材が下部材に対して全方向に移動可能な負の剛性装置を実現することができる。

また、本発明は、転動体の水平方向の転動に伴って、該転動体の転動面の傾斜具合が変化する傾斜機構を備える剛性装置であって、前記転動体をローラー又は車輪とし、該ローラー又は車輪を上部材又は下部材に備え、前記傾斜機構を、前記転動体の転動方向の中央部分を支点とした転動板とし、前記転動体が該転動板上を転動するに従って、該転動板の前記中央部分を支点として該転動板が撓むように構成することができる。このような構成により、転動体を介して付加される鉛直方向からの荷重と、装置中心からの変位量による生じる曲げモーメントにより転動板に撓みを生じさせ、転動体が装置中心より水平移動するに従って部材の撓み量が大きくなることを利用して負の剛性を得ることができる。また、転動板の断面形状等を変更することで、転動板の傾斜具合を任意に変更できるため、負の剛性の程度を容易に調整することができる。

前記負の剛性装置において、前記転動板の前記中央部分の支点を前記上部材又は下部材に固定することができる。これによって、転動体が装置中心位置より水平方向へ変位を生じると、該水平変位量に応じ、鉛直方向からの荷重とで生じる曲げモーメントの大きさが変化し、水平変形が大きくなるに従い、曲げモーメントも大きくなり、その結果固定部材から張り出された部分等の撓みが増加し、負の剛性を得ることができる。

前記負の剛性装置において、前記転動板の前記中央部分の支点を前記上部材又は下部材に固定せず、該転動板の端部の浮き上がりを防止する浮き上がり防止機構を備えることができる。これによって、支点部分の剛性を大きくしなくとも負の剛性を得ることができる。また、一の方向へ転動体が転動板上を転動して水平移動を生じた場合、シーソーのように他の方向の転動板の端部が浮き上がり、一定の勾配となってしまうが、浮き上がり防止機構を設けることで他の方向の浮き上がりを抑制することができるため、一の方向は一定の傾斜とはならず、転動体又は摺動体の水平方向の移動につれて、装置中央に配された支点部分の曲げモーメントが大きくなる結果、傾斜具合が変化し（具体的には、大きくなる方向に変化し）、負の剛性を得ることができる。

前記負の剛性装置において、前記転動板の転動方向の中央部分に配置される支点部材の平面寸法範囲では負の剛性を生じないように構成することができる。これによって、前記平面寸法範囲においては水平面を転動するため、負の剛性を生じさせないようにすることができ、構造物の水平変形が小さい範囲において負の剛性が不要である場合でも対応することができる。

さらに、本発明は、免震構造物であって、前記負の剛性装置と、復元力特性を有する装置と、減衰特性を有する装置とを備えることを特徴とする。これによって、前記負の剛性装置の負剛性を利用するとともに、地震等の後に構造物の原点復帰が容易となり、余震の際等に作動状況が不安定になることを防止することができる。ここで、復元力特性を有する装置には、ばね装置、積層ゴム支承装置等を用いることができ、減衰特性を有する装置には金属ダンパー、オイルダンパ、粘性ダンパー、摩擦ダンパー等を用いることができる。

前記負の剛性装置において、摺動体を、上部材又は下部材と互いに回転可能に当接し、該上部材又は下部材とともに前記摺動面に対して移動するように構成することができる。

そして、本発明によれば、地震等の際に、摺動体と摺動面との間の静摩擦力を超える水平力が作用すると、摺動体が上部材又は下部材との間で回転しながら摺動面の表面に沿って摺動するとともに、偏荷重が生じることで傾斜機構が傾くため徐々に下降していく。これにより、簡単な構成により、一つの装置で負の剛性と摩擦減衰の両方の機能を発揮することができ、負の剛性により、構造物への過大な入力を防止し、構造物に作用する応力を調整し、免震構造物の免震周期を延長し、摩擦減衰作用により、免震構造物の減衰効果を増加させ、トリガー機能も付与することができる。

前記負の剛性装置において、前記傾斜機構を、平面状滑り板と、弾性材からなる弾性パッドとで構成することができ、傾斜機構の弾性パッドの弾性材の硬さを変更することで、弾性パッドの寸法的な変更を行わなくとも、摺動体の移動時における弾性パッドの傾斜具合を任意に変更できるため、負の剛性の程度を調整することができる。

前記負の剛性装置において、前記弾性パッドの、前記摺動体の摺動方向の両端部側部分の弾性材の硬度と、中央側部分の弾性材の硬度とを異ならせることができる。これによって、平面状滑り板の傾斜具合を任意に変更できるため、負の剛性の程度を調整できる。

前記負の剛性装置において、前記弾性パッドの厚さを中央部から端部に向かうにつれて漸増するように形成し、該弾性パッドを前記平面状滑り板とで挟持する支持部材を備えることができる。これによって、弾性パッドの端部の方が中央部より変形が大きくなるとともに、弾性パッドに生ずるせん断変形を抑制することができる。

前記負の剛性装置において、前記傾斜機構を、平面状滑り板と、弾性体と薄肉鋼板とを積層した積層体とすることができ、積層体を構成する弾性体と薄肉鋼板の組み合わせを変更することによって、転動体の移動による傾斜機構の傾斜具合を任意に変更することができ、これによって、負剛性の程度を調整することができる。

前記積層体の、前記摺動体の摺動方向の両端部側部分の薄肉鋼板の積層数と、中央側部分の薄肉鋼板の積層数とを異ならせることができる。これによって、平面状滑り板の傾斜具合を任意に変更できるため、負の剛性の程度を調整できる。

前記負の剛性装置において、前記傾斜機構を、上方又は下方が開口した箱状の下沓又は上沓に収納し、該傾斜機構の平面状滑り板の端部を前記下沓又は上沓の内壁に当接させることができる。これによって、箱状の下沓又は上沓の内壁近傍で弾性パッドに局所的な応力集中が発生することを防止し、平面状滑り板の滑らかな傾斜を確保することができる。

前記負の剛性装置における摺動体と当接する上部材又は下部材と、該摺動体との組み合わせを上下方向に２段にわたって、かつ互いに直交した状態で配置することができ、上述の特徴を有する負の剛性装置であって、上部材又は下部材が傾斜機構の平面状滑り板に対して全方向に移動可能な負の剛性装置を実現することができる。

また、前記負の剛性装置において、前記摺動体を、前記傾斜機構の平面状滑り板上を全水平方向に摺動可能とすることができる。これによって、該摺動体と互いに回転可能に当接する上部材又は下部材が傾斜機構の平面状滑り板に対して全方向に移動可能な負の剛性装置を実現することができる。この場合においても、傾斜機構を上方又は下方が開口した箱状の下沓又は上沓に収納し、該傾斜機構の平面状滑り板の端部を前記下沓又は上沓の内壁に当接させ、平面状滑り板の滑らかな傾斜を確保することができる。

前記負の剛性装置において、前記弾性パッドの、周辺部分の弾性材の硬度と、中心部分の弾性材の硬度とを異ならせることができる。これによって、平面状滑り板の傾斜具合を任意に変更できるため、負の剛性の程度を調整できる。

前記負の剛性装置において、前記弾性パッドの厚さを中心部から周辺部分に向かうにつれて漸増するように形成し、該弾性パッドを前記平面状滑り板とで挟持する支持部材を備えることができる。これによって、弾性パッドの周辺部の方が中心部より変形が大きくなるとともに、弾性パッドに生ずるせん断変形を抑制することができる。

前記負の剛性装置において、前記積層体の、周辺部分の薄肉鋼板の積層数と、中心部分の薄肉鋼板の積層数とを異ならせることができる。これによって、平面状滑り板の傾斜具合を任意に変更できるため、負の剛性の程度を調整できる。

また、本発明は、摺動体の水平方向の摺動に伴って、該摺動体の摺動面の傾斜具合が変化する傾斜機構を備え、前記摺動体は、上部材又は下部材と互いに回転可能に当接し、該上部材又は下部材とともに前記摺動面に対して移動する負の剛性装置であって、前記傾斜機構を、前記摺動体の摺動方向の中央部分を支点とした滑り板とし、前記摺動体が該滑り板上を摺動するに従って、該滑り板の前記中央部分を支点として該滑り板が撓むように構成することができる。このような構成により、摺動体を介して付加される鉛直方向からの荷重と、装置中心からの変位量による生じる曲げモーメントにより滑り板に撓みを生じさせ、転動体が装置中心より水平移動するに従って滑り板の撓み量が大きくなることを利用して負の剛性を得ることができる。また、滑り板の断面形状等を変更することで、滑り板の傾斜具合を任意に変更できるため、負の剛性の程度を容易に調整することができる。

前記負の剛性装置において、前記滑り板の前記中央部分の支点を前記上部材又は下部材に固定することができる。これによって、摺動体が装置中心位置より水平方向へ変位を生じると、該水平変位量に応じ、鉛直方向からの荷重とで生じる曲げモーメントの大きさが変化し、水平変形が大きくなるに従い、曲げモーメントも大きくなり、その結果固定部材から張り出された滑り板部分等の撓みが増加し、負の剛性を得ることができる。

前記負の剛性装置において、前記滑り板の前記中央部分の支点を前記上部材又は下部材に固定せず、該滑り板の端部の浮き上がりを防止する浮き上がり防止機構を備えることができる。これによって、固定部材の剛性を大きくしなくとも負の剛性を得ることができる。また、一の方向へ摺動体が滑り板上を摺動し水平移動を生じた場合、シーソーのように他の方向の滑り板の端部が浮き上がり、一定の勾配となってしまうが、浮き上がり防止機構を設けることで他の方向の浮き上がりを抑制することができるため、一の方向は一定の傾斜とはならず、摺動体の水平方向の移動につれて、装置中央に配された支点部分の曲げモーメントが大きくなる結果、傾斜具合が変化し（具体的には、大きくなる方向に変化し）、負の剛性を得ることができる。

前記負の剛性装置において、前記摺動体は、前記傾斜機構の滑り板上を全水平方向に摺動可能とすることができる。これによって、該摺動体と互いに回転可能に当接する上部材又は下部材が傾斜機構の平面状滑り板に対して全方向に移動可能な負の剛性装置を実現することができる。

前記負の剛性装置において、前記滑り板の摺動方向の中央部分又は中心部分に配置される支点部材の平面寸法範囲では負の剛性を生じないように構成することができる。これによって、前記平面寸法範囲においては水平面を摺動するため、負の剛性を生じさせないことができ、構造物の水平変形が小さい範囲において負の剛性が不要である場合でも対応することができる。

さらに、本発明は、免震構造物であって、前記負の剛性装置と、復元力特性を有する装置とを備えることができる。これによって、前記負の剛性装置の負剛性を利用するとともに、地震等の後に構造物の原点復帰が容易となり、余震の際等に作動状況が不安定になることを防止することができる。ここで、復元力特性を有する装置には、ばね装置、積層ゴム支承装置等を用いることができる。

また、前記負の剛性装置において、負剛性を得る構成を、弾性体からなる弾性パッドを使用した場合、転動板又は滑り板の曲げ変形を利用した場合のいずれの場合でも、上部構造物の水平変位が復元する場合（原点へ戻る場合）には、転動体又は摺動体を原点へ復元する方向への力が作用するため、地震動が終了した際に、過大な残留変形を防止する効果もある。

以上のように、本発明によれば、負の剛性により、構造物への過大な応力を防止したり、作用する応力を調整することができ、免震構造物の免震周期を延長することもでき、一つの装置で負の剛性と摩擦減衰の両方を有するように構成することも可能で、該摩擦減衰により免震構造物の減衰効果を増すことができ、静摩擦によるトリガー機能も付与できる装置であって、簡単な構成で前記作用効果を具備する負の剛性装置及び該負の剛性装置を備えた免震構造物を提供することができる。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

まず、本発明にかかる負の剛性装置のうち、転動体の水平方向の転動に伴って、転動体の転動面を傾斜可能とした傾斜機構を備える負の剛性装置について説明するが、この負の剛性装置等の説明に先立ち、負の剛性装置の原理について簡単に説明する。

図１の左側のグラフは、積層ゴム等の正の剛性を有する装置（以下、「正の剛性装置」という）に地震等の外力が作用した場合の水平力と変位との関係を示し、右上がりの直線で表現される。すなわち、装置に外力が加わり、変位が増加すると、加えられた外力に対抗するため、各変位位置に対して水平力（抵抗力）が増加する。

一方、その右側のグラフは、負の剛性を有する装置（以下、「負の剛性装置」という）に地震等の外力が作用した場合の水平力と変位との関係を示し、右下がりの直線で表現される。すなわち、装置に外力が加わり、変位が増加すると、加えられた外力に対抗するのではなく、逆に加えられた外力により生じる変位位置に対して水平力（抵抗力）が減少する。

そして、上記正の剛性装置と負の剛性装置とを組み合わせた場合の挙動は、上記両グラフを組み合わせたものとなり、右側に示したように、任意の変位において水平力が０となり、剛性がゼロの装置となる。

前記負の剛性装置は、例えば、図２に示すように、かまぼこ形、すなわち板付かまぼこのように中高で彎形の下部材１と、この下部材１の上側表面１ａに沿って転動する上部材としてのローラー２とで構成することができる。尚、上側表面１ａは曲率半径Ｒを有する。

図２（ａ）に示すように、ローラー２に水平力Ｆが付加されると、図２（ｂ）に示すように、ローラー２は、上側表面１ａ上を左方向に転動し、徐々に落下していく。この際、ローラー２の変位が大きくなるに従って、ローラー２には負の負荷が加わることとなるため、図１の真ん中に示したグラフに示すような挙動を取ることとなる。尚、図２（ｃ）に示すように、ローラー２に右方向の水平力Ｆが加えられた場合も同様である。

また、前記負の剛性装置は、例えば、図３に示すように、かまぼこ形の下部材４の上側表面４ａに沿って転動する上部材としての車輪５とで構成することもできる。ここで、車輪５は上方からの鉛直力Ｗを受けている。尚、上側表面４ａは曲率半径Ｒを有する。

このような構成でも、図３（ａ）に示すように、車輪５に水平力Ｆが付加されると、車輪５は、図３（ｂ）に示すように、上側表面４ａ上を左方向に転動し、徐々に落下していく。この際、車輪５の変位が大きくなるに従って、車輪５には負の負荷が加わることとなるため、図１の真ん中に示したグラフに示すような挙動を取ることとなる。尚、図３（ｃ）に示すように、車輪５に右方向の水平力Ｆが加えられた場合も同様である。

尚、図３に示した負の剛性装置の剛性（−Ｋ）は、曲率半径Ｒと物体の重量Ｗの関係より、（−Ｋ））＝Ｗ／Ｒとして計算され、併用される積層ゴム等の正の剛性Ｋと適宜組み合わせることで、装置全体の剛性を如何様にも調整することができる。

図４は、本発明にかかる負の剛性装置の第１の実施の形態を示し、この負の剛性装置１０は、平面状転動板１２と、弾性材からなる弾性パッド１３とで構成される傾斜機構１１と、ローラー１４ｂを備えた上部材１４とで構成される。上部材１４は、ローラー１４ｂが回転可能に回転軸１４ｃに支持され、回転軸１４ｃはブラケット１４ａに固定される。

上記平面状転動板１２と上部材１４には、ステンレス鋼材、潤滑皮膜で被覆された鋼材、又はメッキを施した鋼材等を使用することができる。弾性パッド１３を形成する弾性材には、ゴム等を使用することができる。

上記構成により、図５（ａ）に示すように、上部材１４に上方から鉛直力Ｗが作用した状態で、地震等により左方向の水平力Ｆが加わると、上部材１４のローラー１４ｂが、傾斜機構１１の平面状転動板１２の表面に沿って転動し、図５（ｂ）に示すように、ローラー１４ｂが転動した位置で荷重が傾斜機構１１に加わるため、弾性パッド１３に偏荷重が作用する結果、平面状転動板１２が傾斜し、上部材１４には負の負荷が加わることとなるため、負の剛性装置として機能し、図１の真ん中に示したグラフに示すような挙動を取ることとなる。

また、本実施の形態では、傾斜機構１１の弾性パッド１３の弾性材の硬さを変更することで、弾性パッド１３の寸法的な変更を行わなくとも、上部材１４の移動時における弾性パッド１３の傾斜具合を任意に変更できるため、負の剛性の程度を調整できるという利点がある。また、弾性パッド１３の転動方向の両端部側部分の弾性材の硬度と、中央側部分の弾性材の硬度を変えることで傾斜具合を任意に変更できるため、負の剛性の程度を調整できる。

図６は、本発明にかかる負の剛性装置の第２の実施の形態を示し、この負の剛性装置２０は、第１の実施の形態における弾性パッド１３に代えて、弾性体２３ａと薄肉鋼板２３ｂとを積層した積層体２３を備え、平面状転動板２２との組み合わせで傾斜機構２１を構成する。尚、上部材１４は、第１の実施の形態と同様の構成を有する。

上記構成により、上部材１４のローラー１４ｂが、傾斜機構２１の平面状転動板２２の上側表面に沿って転動すると、平面状転動板２２が傾斜し、負剛性を付与することができる。また、本実施の形態では、積層体２３を構成するゴム等の弾性体２３ａと、薄肉鋼板２３ｂとの組み合わせを変更することによって、また、積層体２３の転動方向の両端部側部分と中央側部分とで弾性体２３ａと薄肉鋼板２３ｂの組み合わせを変更することによって、上部材１４の移動による傾斜機構の傾斜具合を任意に変更することができ、これによって、負剛性の程度を調整することができる。

尚、上記実施の形態においては、傾斜機構１１、２１と、ローラー１４ｂを備えた上部材１４とを組み合わせたが、これらを上下方向に反転し、下部材にローラーを設け、上方の傾斜構造の平面状転動板の表面に沿って転動させるようにして、上記と同様の作用効果を奏するように構成することもできる。

次に、本発明にかかる負の剛性装置の第３の実施の形態について、図７を参照しながら説明する。

この負の剛性装置３０は、平面状転動板３２と、弾性材からなる弾性パッド３３とで構成される傾斜機構３１と、平面状転動板３２上を転動するローラー３４ｂを備える中間部材３４と、中間部材３４の上側表面３４ｄを転動するローラー３５ｂを備えた上部材３５とで構成される。尚、ローラー３４ｂの軸線と、ローラー３５ｂの軸線とは互いに直交する。

中間部材３４は、ローラー３４ｂが回転可能に回転軸３４ｃに支持され、回転軸３４ｃはブラケット３４ａに固定される。上部材３５は、ローラー３５ｂが回転可能に回転軸３５ｃに支持され、回転軸３５ｃはブラケット３５ａに固定される。

上記構成により、中間部材３４のローラー３４ｂが、傾斜機構３１の平面状転動板３２の表面に沿って転動すると、平面状転動板３２が傾斜して、負剛性を与えることが可能となり、図１の真ん中に示したグラフに示すような挙動を取ることとなる。

また、本実施の形態では、中間部材３４と上部材３５とは、ともに平面状転動板３２に対して直交するように配置されているため、上部材３５は、中間部材３４に対して図７の紙面の表裏方向に移動可能であり、一方、中間部材３４は平面状転動板３２に対して図７の左右方向に移動可能となる。これによって、上部材３５は、中間部材３４を介して平面状転動板３２に対して全方向に移動することができる。

尚、上記実施の形態においては、傾斜機構３１と、ローラー３４ｂを備えた中間部材３４と、ローラー３５ｂを備えた上部材３５とを組み合わせたが、これらを上下方向に反転し、下部材及び中間部材にローラーを備えるようにし、上方に配置した傾斜機構と組み合わせるようにして、上記と同様の作用効果を奏するように構成することもできる。

次に、本発明にかかる負の剛性装置を用いた免震構造物の第１の実施の形態について、図８を参照しながら説明する。

この免震構造物４０は、構造物４１に、図４に示した負の剛性装置１０と、積層ゴム４２と、減衰器４３とを設置することにより構成される。

積層ゴム４２は、そのせん断剛性が線形ではなく、歪が大きいとハードニング現象により剛性が高くなる。そのため、本発明にかかる負の剛性装置１０と組み合わせることにより、広い範囲で線形性を得ることが可能となる。

また、地震発生後は、構造物４１を所定の位置、すなわち構造物の原点に復帰させるにあたって、負の剛性装置１０は抵抗力として作用する。そのため、復元力特性を有する積層ゴム４２によって原点復帰を行う。

次に、本発明にかかる負の剛性装置のうち、摺動体の水平方向の摺動に伴って、摺動体が摺動する面を傾斜可能とした傾斜機構を備える負の剛性装置について説明するが、この負の剛性装置等の説明に先立ち、負の剛性を有する振動エネルギ吸収装置（ダンパー）の原理について説明する。

図９は、従来例を説明するためのものであって、例えば、左側のグラフに示すような正の剛性を有する積層ゴムに、真ん中の楕円形状の挙動を示す粘性ダンパーを取り付けた場合には、免震システムとして右側に示すような挙動を示すこととなる。ここで、積層ゴムの持つ剛性と変位量から求められる水平力に対し、ダンパーの持つ減衰分の水平力が加算されるのであるが、大地震等のせん断速度が大きい場合においては、粘性ダンパーに生じるばね要素がさらに加わるため、システム全体として考えた場合、構造物に生じる水平力が増加し、構造物の持つ耐力以上になる虞がある。

そこで、図１０に示すように、左側のグラフに示すような正の剛性を有する積層ゴムに、真ん中の右下がりの直線と縦軸に平行な直線からなる平行四辺形状の挙動を示すダンパー（滑り型の負剛性ダンパー、以下、単に「負の剛性装置」という）を取り付けると、免震システムとして右側に示すような正方形状の挙動を得ることが可能となる。すなわち、積層ゴムの持つ剛性と変位量から求められる水平力に対し、負の剛性装置の持つ履歴減衰分の水平力が加算されても、システム全体として考えた場合、構造物に生じる水平力が増加することを抑制することができ、構造物の持つ耐力以上になることを防止し得る。

図１１は、本発明にかかる負の剛性装置の第４の実施の形態を示し、この負の剛性装置５０は、平面状滑り板５２と、弾性材からなる弾性パッド５３とで構成される傾斜機構５１と、傾斜機構５１の平面状滑り板５２の表面に沿って摺動する摺動体５４と、上部材５５とで構成される。

図１２に示すように、上部材５５は、下方に開口する凹曲面状溝５５ａを有する。摺動体５４は、上部材５５の凹曲面状溝５５ａと同一曲率の凸曲面状上表面５４ａを有する。これによって、上部材５５と摺動体５４とが組み合わされた状態で、摺動体５４が上部材５５との間で回転しながら平面状滑り板５２の上表面を摺動し、これに伴い上部材５５が傾斜機構５１に対して相対移動することができる。

摺動体５４の摺動表面には所望の摩擦係数に応じ、フッ素樹脂等の樹脂系材料、交織布系材料、ベアリングプレート（固体潤滑剤付きを含む）等を使用することができ、上部材５５及び平面状滑り板５２には、ステンレス鋼材、潤滑皮膜で被覆された鋼材、又はメッキを施した鋼材等を使用することができる。また、上部材５５には、構造物の重量に加え、上部材５５を上方からばね等で押圧することにより負荷を加え所望の摩擦力を得ることもできる。

上記構成により、図１２（ａ）に示すように、上部材５５が上方からの鉛直力Ｗを受けている状態で、地震等によって摺動体５４に左方向の水平力Ｆが付加され、平面状滑り板５２と摺動体５４との間の静摩擦力を超える水平力が作用すると、摺動体５４は、図１２（ｂ）に示すように、上部材５５の凹曲面状溝５５ａとの間で回転しながら上部材５５とともに平面状滑り板５２の表面に沿って左方向に摺動し、その際偏荷重が傾斜機構５１に作用するため、平面状滑り板５２が傾斜し、徐々に下降していく。この際、摺動体５４の変位が大きくなるに従って、摺動体５４には負の負荷が加わることとなるため、図１０の真ん中に示したグラフに示すような挙動を取ることとなる。

また、弾性パッド５３の弾性体の硬さを変更することで、傾斜機構５１の傾斜具合を任意に変更できるため、負の剛性の程度を調整できる。さらに、弾性パッド５３の摺動方向の両端部側部分の弾性材の硬度と、中央側部分の弾性材の硬度を変えることで、傾斜機構５１の傾斜具合を任意に変更できるため、負の剛性の程度を調整できる。

図１３は、本発明にかかる負の剛性装置の第５の実施の形態を示し、この負の剛性装置６０は、傾斜機構６１の弾性パッド６３の厚さを中央部から端部に向かうにつれて漸増するように形成し、この弾性パッド６３を平面状滑り板６２とで挟持する支持部材６４を備える。尚、摺動体５４及び上部材５５は、第４の実施の形態と同様の構成を有する。

上記構成により、摺動体５４が上部材５５とともに、傾斜機構６１の平面状滑り板６２の表面に沿って摺動すると、平面状滑り板６２が傾斜し、負剛性を付与することができる。ここで、弾性パッド６３の厚さを中央部から端部に向かうにつれて漸増するように形成しているため、弾性パッド６３の端部の方が中央部より変形が大きくなるとともに、摺動体５４が平面滑り板６２の表面に沿って摺動する際の摩擦力により生ずる弾性パッド６３のせん断変形を抑制することができる。

図１４は、本発明にかかる負の剛性装置の第６の実施の形態を示し、この負の剛性装置７０は、図１１に示した第４の実施の形態における弾性パッド５３に代えて、弾性体７３ａと薄肉鋼板７３ｂとを積層した積層体７３を備え、平面状滑り板７２との組み合わせで傾斜機構７１を構成する。尚、摺動体５４と、上部材５５とは、第４の実施の形態と同様の構成を有する。このように構成することにより、積層体７３の弾性体７３ａと薄肉鋼板７３ｂの組み合わせを変更して、摺動体５４の移動による傾斜機構の傾斜具合を任意に変更することができ、これによって、負剛性の程度を調整することができる。

図１５は、本発明にかかる負の剛性装置の第７の実施の形態を示し、この負の剛性装置８０は、平面状滑り板８２と、弾性材からなる弾性パッド８３とで構成される傾斜機構８１を、上方が開口した箱状の下沓８４に収納している。また、この際、平面状滑り板８２の端部を下沓８４の内壁に当接するように構成している

この下沓８４を設けるとともに、平面状滑り板８２との位置関係を上述のようにした理由は以下のとおりである。すなわち、図１６に示すように、下沓８４を設けただけでは、図１６（ａ）の状態で摺動体５４に鉛直力Ｗ及び左方向の水平力Ｆが加わると、図１６（ｂ）に示すように、平面状滑り板８２の左端部により、弾性パッド８３の左端部に局所的に応力が集中して弾性パッド８３の一部８３ａが盛り上がり、平面状滑り板８２の滑らかな傾斜が妨げられる。

そこで、図１７に示すように、平面状滑り板８２の端部を下沓８４の内壁に当接するように構成すると、図１７（ａ）の状態で摺動体５４に鉛直力Ｗ及び左方向の水平力Ｆが加わると、図１７（ｂ）に示すように、平面状滑り板８２の左端部が下沓８４の内壁に沿って下方に移動するため、弾性パッド８３に局所的な応力集中が発生することがなく、平面状滑り板８２が滑らかに傾斜することができる。

図１８は、本発明にかかる負の剛性装置の第８の実施の形態を示し、この負の剛性装置９０は、図１４及び図１５に示した各々の構成を組み合わせたものであり、箱状の下沓９４によって、平面状滑り板９２の滑らかな傾斜を確保するとともに、弾性体９３ａと薄肉鋼板９３ｂとを積層した積層体９３を用いて摺動体５４の移動による傾斜機構９１の傾斜を任意に変更することができる。

次に、本発明にかかる負の剛性装置の第９の実施の形態について、図１９を参照しながら説明する。

この負の剛性装置１００は、平面状滑り板１０２と、弾性材からなる弾性パッド１０３とで構成される傾斜機構１０１と、第１の摺動体１０４と、中間部材１０５と、第２の摺動体１０６と、上部材１０７とで構成される。ここで、第１の摺動体１０４は、中間部材１０５とともに平面状滑り板１０２の表面に沿って摺動し、第２の摺動体１０６は、上部材１０７とともに中間部材１０５の上表面に沿って摺動する。また、第１の摺動体１０４の軸線と、第２の摺動体１０６の軸線とは互いに直交する。

この負の剛性装置１００は、図１１に示した負の剛性装置５０における摺動体５４及び上部材５５を上下方向に２段にわたって、かつ互いに直交した状態で配置したものであって、負の剛性装置５０と同様の効果を奏するとともに、上部材１０７は、中間部材１０５に対して第１の摺動体１０４の軸線に対して垂直な方向に移動可能であり、一方、中間部材１０５は平面状滑り板１０２に対して第１の摺動体１０４の軸線に対して垂直な方向に移動可能となる。これによって、上部材１０７は、中間部材１０５を介して平面状滑り板１０２に対して全方向に移動することが可能となる。

尚、上記実施の形態においては、下方に開口する凹曲面状溝を有する上部材１０７と、下方に開口する凹曲面状溝を有する中間部材１０５と、傾斜機構１０１と、２つの摺動体１０４、１０６を組み合わせたが、これらを上下方向に反転し、上方に開口する凹曲面状溝を有する下部材と、上方に開口する凹曲面状溝を有する中間部材と、傾斜機構と、２つの摺動体を組み合わせることによって、上記の負の剛性装置と同様の作用効果を奏するように構成することもできる。

次に、本発明にかかる負の剛性装置の第１０の実施の形態について、図２０を参照しながら説明する。

この負の剛性装置１１０は、平面状滑り板１１２と、弾性材からなる弾性パッド１１３とで構成される傾斜機構１１１と、摺動体１１４と、上部材１１５とで構成される。ここで、上部材１１５は、下方に開口する球面状凹部１１５ａを有し、摺動体１１４は、上部材１１５の球面状凹部１１５ａと同一曲率の凸球面状上表面１１４ａを有する。

図２０（ｃ）に示すように、上部材１１５と、摺動体１１４と、傾斜機構１１１とを組み合わせ、上部材１１５の上方から鉛直力Ｗを付加する。そして、地震等により、摺動体１１４に右方向の水平力Ｆが付加され、摺動体１１４と傾斜機構１１１との間に静摩擦力を超える水平力が作用すると、摺動体１１４は、上部材１１５の球面状凹部１１５ａとの間で回転しながら上部材１１５とともに傾斜機構１１１の平面状滑り板１１２の表面に沿って摺動し、その際偏荷重が傾斜機構１１１に作用するため、平面状滑り板１１２が傾斜し、徐々に下降していく。この際、上部材１１５の変位が大きくなるに従って、上部材１１５には負の負荷が加わることとなるため、前述の図１０の真ん中に示したグラフに示すような挙動を取ることとなる。

また、本実施の形態においては、摺動体１１４と上部材１１５とが互いに球面で接触しているため、上部材１１５は、傾斜機構１１１に対して全方向に移動することができる。また、弾性パッド１１３の弾性体の硬さを変更することで、傾斜機構１１１の傾斜具合を任意に変更できるため、負の剛性の程度を調整できる。さらに、弾性パッド１１３の周辺部分の弾性材の硬度と、中心部分の弾性材の硬度を変えることで、傾斜機構１１１の傾斜具合を任意に変更できるため、負の剛性の程度を調整できる。

尚、傾斜機構１１１の弾性パッド１１３の厚さを中心部から周辺部分に向かうにつれて漸増するように形成し、この弾性パッド１１３を平面状滑り板１１２とで挟持する、例えば、ドーム状の支持部材（図示せず）を備えることで、弾性パッド１１３の周辺部の方が中央部より変形が大きくなるとともに、摺動体１１４が平面滑り板１１２の表面に沿って摺動する際の摩擦力により生ずる弾性パッド１１３のせん断変形を抑制できる。

尚、上記実施の形態においては、下方に開口する球面状凹部１１５ａを有する上部材１１５と、凸球面状上表面１１４ａを有する摺動体１１４と、傾斜機構１１１とを組み合わせたが、これらを上下方向に反転し、下部材に上方に開口する球面状凹部を設け、上方に傾斜機構１１１を設け、これらの間を摺動体１１４が摺動するように構成し、上記と同様の作用効果を奏することもできる。

次に、本発明にかかる負の剛性装置を用いた免震構造物の一実施の形態について、図２１を参照しながら説明する。

この免震構造物１２０は、構造物１２１に、図１５の負の剛性装置８０と、積層ゴム１２２を設置することにより構成される。

積層ゴム１２２は、そのせん断剛性が線形ではなく、歪が大きいとハードニング現象により剛性が高くなる。そのため、本発明にかかる負の剛性装置８０と組み合わせることにより、免震構造物全体の特性として広い範囲で線形性を有する剛性と、併せて減衰を得ることが可能となる。

また、地震発生後は、構造物１２１を所定の位置、すなわち構造物の原点に復帰させるにあたって、負の剛性装置８０は抵抗力として作用する。そのため、復元力特性を有する積層ゴム１２２によって原点復帰を行う。

図２２は、本発明にかかる負の剛性装置の第１１の実施の形態を示し、この負の剛性装置１３０は、図２２（ａ）及び（ｃ）に示すように、下部材１３５にボルト１３７で固定された支持部１３３及び滑り板１３２とで構成される傾斜機構１３１と、滑り板１３２の上表面を摺動する摺動体１３４と、上部材１３６とで構成される。

支持部１３３は、滑り板１３２の支点として機能する。滑り板１３２は金属板等からなり、中央部において支持部１３３に固定されている。

図２２（ｃ）に示すように、上部材１３６は、下方に開口する凹曲面状溝１３６ａを有する。摺動体１３４は、上部材１３６の凹曲面状溝１３６ａと同一曲率の凸曲面状上表面１３４ａを有する。これによって、上部材１３６と摺動体１３４とが組み合わされた状態で、摺動体１３４が上部材１３６との間で回転しながら滑り板１３２の上表面を摺動し、これに伴い上部材１３６が傾斜機構１３１に対して相対移動することができる。

上記構成により、図２２（ａ）に示すように、上部材１３６が上方からの鉛直力Ｗを受けている状態で、地震等によって右方向の水平力Ｆが付加され、滑り板１３２と摺動体１３４との間の静摩擦力を超える水平力が作用すると、摺動体１３４は、図２２（ｂ）に示すように、上部材１３６との間で回転しながら上部材１３６とともに滑り板１３２の表面に沿って右方向に摺動し、その際、偏荷重が滑り板１３２に作用するため、滑り板１３２が弾性変形して傾斜し、摺動体１３４は徐々に下降していく。この際、摺動体１３４の変位が大きくなるに従って、摺動体１３４には負の負荷が加わることとなるため、図１０の真ん中に示したグラフに示すような挙動を取ることとなる。

また、負の剛性装置１３０が実際に施工された場合に、負の剛性装置１３０の負剛性の程度が使用上好ましくなかった場合でも、滑り板１３２の厚みを加工により薄くして撓み易くしたり、滑り板１３２の下面側に適宜リブを設け、滑り板１３２の断面係数を大きくすることで撓みにくくしたりすることができ、容易に最適な負剛性を提供することが可能となる。

また、図２２（ｃ）に示すように、支持部１３３の平面寸法Ｌを任意に変化させることで、平面寸法Ｌの範囲においては、摺動体１３４が水平方向に摺動する結果、負の剛性を生じさせないようにすることができる。これにより、負の剛性装置１３０を設置する構造物の水平変形が小さい範囲において、負の剛性が不要である場合においても容易に対応することができる。

図２３は、本発明にかかる負の剛性装置の第１２の実施の形態を示し、この負の剛性装置１４０は、図２３（ａ）及び（ｃ）に示すように、図示しない下部材に固定される浮き上がり防止部材１４４と、浮き上がり防止部材１４４の内部に配置された支持部１４３及び滑り板１４２とで構成される傾斜機構１４１と、滑り板１４２の上表面を摺動する摺動体１４５と、上部材１４６とで構成される。

支持部１４３は、浮き上がり防止部材１４４の内側上面に固定され、滑り板１４２の支点として機能する。滑り板１４２は金属板等からなり、中央部において支持部１４３に支持されているが、支持部１４３に固定されていない。浮き上がり防止部材１４４は、滑り板１４２の上方に位置する曲折部１４４ａにおいて滑り板１４２の両端部を覆うように構成される。

図２３（ｃ）に示すように、上部材１４６は、下方に開口する凹曲面状溝１４６ａを有する。摺動体１４５は、上部材１４６の凹曲面状溝１４６ａと同一曲率の凸曲面状上表面１４５ａを有する。これによって、上部材１４６と摺動体１４５とが組み合わされた状態で、摺動体１４５が上部材１４６との間で回転しながら滑り板１４２の上表面を摺動し、これに伴い上部材１４６が傾斜機構１４１に対して相対移動することができる。

上記構成により、図２３（ａ）に示すように、上部材１４６が上方からの鉛直力Ｗを受けている状態で、地震等によって右方向の水平力Ｆが付加され、滑り板１４２と摺動体１４５との間の静摩擦力を超える水平力が作用すると、摺動体１４５は、図２３（ｂ）に示すように、上部材１４６との間で回転しながら上部材１４６とともに滑り板１４２の表面に沿って右方向に摺動し、その際、偏荷重が滑り板１４２に作用するため、滑り板１４２が弾性変形して傾斜し、摺動体１４５は徐々に下降していく。この際、摺動体１４５の変位が大きくなるに従って、摺動体１４５には負の負荷が加わることとなるため、図１０の真ん中に示したグラフに示すような挙動を取ることとなる。

本実施の形態では、滑り板１４２を支持部１４３に固定せずに、滑り板１４２の端部の浮き上がりを防止する浮き上がり防止部材１４４を設けているため、支持部１４３の剛性を大きくしなくとも負の剛性を得ることができる。また、摺動体１４５が滑り板１４２上を右方向に摺動し水平移動を生じた場合、滑り板１４２の左側の端部が浮き上がり、一定の勾配になろうとするが、浮き上がり防止部材１４４によって滑り板１４２の左側の端部の浮き上がりを防止することができるため、滑り板１４２は一定の傾斜とはならず、摺動体１４５の水平方向の移動につれて支持部１４３への曲げモーメントが大きくなり、滑り板１４２の傾斜具合が大きくなるような負の剛性を得ることができる。

尚、この負の剛性装置１４０においても、図２２に示した負の剛性装置１３０と同様に、滑り板１４２の断面形状を変化させたり、滑り板１４２の下面側に適宜リブを設けて断面係数を大きくすることで容易に最適な負剛性を提供することが可能となる。また、支持部１４３の平面寸法を任意に変化させることで、負の剛性を生じさせない範囲を変化させ、負の剛性が不要である場合に容易に対応することもできる。

図２４は、本発明にかかる負の剛性装置の第１３の実施の形態を示し、この負の剛性装置１５０は、図示しない下部材に固定される浮き上がり防止部材１５４（１５４ａ〜１５４ｃ）と、浮き上がり防止部材１５４の内部に配置された支持部１５３及び滑り板１５２とで構成される傾斜機構１５１と、滑り板１５２の上表面を摺動する摺動体１５５と、上部材１５６とで構成される。

支持部１５３は、浮き上がり防止部材１５４の基部１５４ａの内側上面に固定され、滑り板１５２の支点として機能する。滑り板１５２は、円形の金属板等からなり、中心部において支持部１５３に支持されているが、支持部１５３に固定されていない。浮き上がり防止部材１５４は、滑り板１５２の上方に位置する曲折部１５４ｅにおいて滑り板１５２の周辺部を覆うように構成される。

浮き上がり防止部材１５４は、中心部に支持部１５３の下部を挿入可能な穴部１５４ｆと、側面に複数の雌ねじ部１５４ｇを備えた円板状の基部１５４ａと、基部１５４ａに雄ねじ１５４ｄと雌ねじ部１５４ｇを介して固定される側壁部１５４ｂ、１５４ｃとで構成され、組み立てられた状態で、図２４（ｂ）に示すように、基部１５４ａの中心部において支持部１５３を支持するとともに、滑り板１５２の周辺部を曲折部１５４ｅによって覆うように構成される。

図２４（ｂ）に示すように、上部材１５６は、下方に開口する球面状凹部１５６ａを有する。摺動体１５５は、上部材１５６の球面状凹部１５６ａと同一曲率の凸球面状上表面１５５ａを有する。これによって、上部材１５６と摺動体１５５とが組み合わされた状態で、摺動体１５５が上部材１５６との間で回転しながら滑り板１５２の上表面を摺動し、これに伴い上部材１５６が傾斜機構１５１に対して相対移動することができる。

上記構成により、図２４（ｂ）に示すように、上部材１５６が上方からの鉛直力Ｗを受けている状態で、地震等によって右方向の水平力Ｆが付加され、滑り板１５２と摺動体１５５との間の静摩擦力を超える水平力が作用すると、摺動体１５５は、上部材１５６との間で回転しながら上部材１５６とともに滑り板１５２の表面に沿って右方向に摺動し、その際、偏荷重が滑り板１５２に作用するため、滑り板１５２が弾性変形して傾斜し、摺動体１５５は徐々に下降していく。この際、摺動体１５５の変位が大きくなるに従って、摺動体１５５には負の負荷が加わることとなるため、図１０の真ん中に示したグラフに示すような挙動を取ることとなる。

本実施の形態では、上部材１５６と摺動体１５５とを球面構造を介して回転可能に組み合わせたため、上部材１５６及び摺動体１５５が滑り板１５２上を全水平方向に移動可能となり、いずれの方向の振動に対しても対応することができる。

また、滑り板１５２の端部の浮き上がりを防止する浮き上がり防止部材１５４を設けているため、支持部１５３の剛性を大きくしなくとも負の剛性を得ることができるなどの利点があることは、図２２及び図２３に示した負の剛性装置１３０、１４０と同様であり、滑り板１５２の断面形状を変化させたり、滑り板１５２の下面側に適宜リブを設けて断面係数を大きくすることで容易に最適な負剛性を提供することも可能である。また、支持部１５３の平面寸法を任意に変化させ、負の剛性が不要である場合に容易に対応することもできる。

尚、図２２乃至図２４に示した実施の形態においては、摺動体を備えた負の剛性装置の場合を例にとって説明したが、図２乃至図６に示したような転動体を備えた負の剛性装置についても、同様に傾斜機構１３１、１４１、１５１と組み合わせることで負の剛性装置を構成することもできる。

また、図２１において、負の剛性装置８０に代えて、図２２乃至図２４に示した負の剛性装置１３０、１４０、１５０のいずれかを設置することができ、積層ゴム１２２と組み合わせて広い範囲で線形性を有する剛性と、併せて減衰を得ることができるとともに、地震発生後は、構造物１２１を所定の位置、すなわち構造物の原点に復帰させるにあたって、負の剛性装置１２０等も抵抗力として作用する。そのため、復元力特性を有する積層ゴム１２２によって原点復帰を行う。

さらに、図２２乃至図２４に示した負の剛性装置１３０、１４０、１５０の摺動体１３４、１４５、１５５に代えて、転動体を備えた負の剛性装置についても、図８において、負の剛性装置１０に代えて設置することができ、積層ゴム４２と組み合わせて広い範囲で線形性を得るとともに、地震発生後は、構造物４１を所定の位置、すなわち構造物の原点に復帰させるにあたって、負の剛性装置は抵抗力として作用するため、復元力特性を有する積層ゴム４２によって原点復帰を行う。

負の剛性装置の原理を説明するための図である。 負の剛性装置の一例を示す図である。 負の剛性装置の一例を示す図である。 本発明にかかる負の剛性装置の第１の実施の形態を示す斜視図である。 図４の負の剛性装置の動作説明図である。 本発明にかかる負の剛性装置の第２の実施の形態を示す斜視図である。 本発明にかかる負の剛性装置の第３の実施の形態を示す正面図である。 本発明にかかる負の剛性装置と、復元力特性を有する装置とを組み合わせた免震構造物の一実施の形態を示す正面図である。 従来の線形ダンパーを用いた構造物全体の水平力−変位履歴を説明するための図である。 本発明にかかる負の剛性装置を用いた構造物全体の水平力−変位履歴を説明するための図である。 本発明にかかる負の剛性装置の第４の実施の形態を示す斜視図である。 図１１の負の剛性装置の動作説明図である。 本発明にかかる負の剛性装置の第５の実施の形態を示す斜視図である。 本発明にかかる負の剛性装置の第６の実施の形態を示す斜視図である。 本発明にかかる負の剛性装置の第７の実施の形態を示す斜視図である。 図１５の負の剛性装置の作用効果を説明するための断面図である。 図１５の負の剛性装置の作用効果を説明するための断面図である。 本発明にかかる負の剛性装置の第８の実施の形態を示す斜視図である。 本発明にかかる負の剛性装置の第９の実施の形態を示す斜視図である。 本発明にかかる負の剛性装置の第１０の実施の形態を示す図であって、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は分解断面図、（ｃ）は組立断面図である。 本発明にかかる負の剛性装置と、復元力特性を有する装置とを組み合わせた免震構造物の一実施の形態を示す一部断面図である。 本発明にかかる負の剛性装置の第１１の実施の形態の構成及び動作を説明するための図であって、（ａ）は初期状態を示す斜視図、（ｂ）は振動が付加された場合の斜視図、（ｃ）は（ａ）の断面図である。 本発明にかかる負の剛性装置の第１２の実施の形態の構成及び動作を説明するための図であって、（ａ）は初期状態を示す斜視図、（ｂ）は振動が付加された場合の斜視図、（ｃ）は（ａ）の正面図である。 本発明にかかる負の剛性装置の第１３の実施の形態を示す図であって、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は断面図である。

符号の説明

１ 下部材
１ａ 上側表面
２ ローラー
４ 下部材
４ａ 上側表面
５ 車輪
１０ 負の剛性装置
１１ 傾斜機構
１２ 平面状転動板
１３ 弾性パッド
１４ 上部材
１４ａ ブラケット
１４ｂ ローラー
１４ｃ 回転軸
２０ 負の剛性装置
２１ 傾斜機構
２２ 平面状転動板
２３ 積層体
２３ａ 弾性体
２３ｂ 薄肉鋼板
３０ 負の剛性装置
３１ 傾斜機構
３２ 平面状転動板
３３ 弾性パッド
３４ 中間部材
３４ａ ブラケット
３４ｂ ローラー
３４ｃ 回転軸
３４ｄ 上側表面
３５ 上部材
３５ａ ブラケット
３５ｂ ローラー
３５ｃ 回転軸
４０ 免震構造物
４１ 構造物
４２ 積層ゴム
４３ 減衰器
５０ 負の剛性装置
５１ 傾斜機構
５２ 平面状滑り板
５３ 弾性パッド
５４ 摺動体
５４ａ 凸曲面状上表面
５５ 上部材
５５ａ 凹曲面状溝
６０ 負の剛性装置
６１ 傾斜機構
６２ 平面状滑り板
６３ 弾性パッド
６４ 支持部材
７０ 負の剛性装置
７１ 傾斜機構
７２ 平面状滑り板
７３ 積層体
７３ａ 弾性体
７３ｂ 薄肉鋼板
８０ 負の剛性装置
８１ 傾斜機構
８２ 平面状滑り板
８３ 弾性パッド
８３ａ 弾性パッドの一部（盛り上がり部）
８４ 下沓
９０ 負の剛性装置
９１ 傾斜機構
９２ 平面状滑り板
９３ 積層体
９３ａ 弾性体
９３ｂ 薄肉鋼板
９４ 下沓
１００ 負の剛性装置
１０１ 傾斜機構
１０２ 平面状滑り板
１０３ 弾性パッド
１０４ 第１の摺動体
１０５ 中間部材
１０６ 第２の摺動体
１０７ 上部材
１１０ 負の剛性装置
１１１ 傾斜機構
１１２ 平面状滑り板
１１３ 弾性パッド
１１４ 摺動体
１１４ａ 凸球面状上表面
１１５ 上部材
１１５ａ 球面状凹部
１２０ 免震構造物
１２１ 構造物
１２２ 積層ゴム
１３０ 負の剛性装置
１３１ 傾斜機構
１３２ 滑り板
１３３ 支持部
１３４ 摺動体
１３４ａ 凸曲面状上表面
１３５ 下部材
１３６ 上部材
１３６ａ 凹曲面状溝
１３７ ボルト
１４０ 負の剛性装置
１４１ 傾斜機構
１４２ 滑り板
１４３ 支持部
１４４ 浮き上がり防止部材
１４４ａ 曲折部
１４５ 摺動体
１４５ａ 凸曲面状上表面
１４６ 上部材
１４６ａ 凹曲面状溝
１５０ 負の剛性装置
１５１ 傾斜機構
１５２ 滑り板
１５３ 支持部
１５４ 浮き上がり防止部材
１５４ａ 基部
１５４ｂ 側壁部
１５４ｃ 側壁部
１５４ｄ 雄ねじ
１５４ｅ 曲折部
１５４ｆ 穴部
１５４ｇ 雌ねじ部
１５５ 摺動体
１５５ａ 凸球面状上表面
１５６ 上部材
１５６ａ 球面状凹部

【０００３】
ことになり、施工面での工夫が必要となる。
［００１２］
すなわち、特許文献１に記載の負の剛性装置は、免震構造物として小地震時や風による比較的小さな入力の場合には、免震構造物が不要な振動を生じないように、通常与えられるトリガー機能を負担することができず、該負の剛性装置を使用した場合は、別途設ける復元力（原点復帰能力）を有する装置及び／又はエネルギ吸収装置にトリガー機能を持たせる必要があった。
［００１３］
また、特許文献１の負の剛性装置には、負の剛性を得るための手段として、可動部材が重力の作用する方向（鉛直方向）に滑らかに摺動するための方法として、下部材の表面形状を円弧状とする加工が施されているが、加工精度が必要であり、その分装置の製造コストが上昇するという問題があった。
［００１４］
一方、前記振動エネルギ吸収装置として用いられるオイルダンパーは、振動速度に比例した減衰力を概略仮定することで、減衰定数という形式で性能を設定することができるが、その際に構造物の持つ剛性と変位量から求められる水平力に対し、該オイルダンパーの持つ履歴減衰分の水平力が加算され、構造物に生じる水平力が構造物の持つ耐力以上になる可能性がある。
［００１５］
すなわち、ダンパーを付加することによって免震・制振効果を持たせているが、ダンパーを付加することで、剛性力を見かけ上増加させる結果となり、ダンパーを設置した構造物に、より大きな負荷を与える虞がある。従って、構造物の持つ剛性力以上の負荷をダンパーが構造物に与えてしまうという問題が生じている。
［００１６］
また、特許文献２に記載の負の剛性を有する振動エネルギ吸収装置は、免震構造物に使用する際、全体の剛性を特に大きくすることはないという利点があり、免震構造物の免震周期を伸ばし、免震効果を高めるという効果がある。その反面、構造そのものが複雑であり、さらには該負の剛性を有する振動エネルギ吸収装置の制御のために検出手段を別途設ける必要があった。
［００１７］
そこで、本発明は、上記従来の負の剛性装置における問題点に鑑みてなされたものであって、負の剛性により、構造物への過大な応力を防止したり、作用する応力を調整できる上に、復元力を有する装置（例えば積層ゴム体）の復元力を特に大きくする必要がないため免震構造物の免震周期を延長でき、また、一つの装置で負の剛性

【０００４】
と摩擦減衰の両方を得ることも可能で、該摩擦減衰により免震構造物の減衰効果を増すことができ、静摩擦によるトリガー機能も付与できる装置であって、さらには加工精度を要する円弧状の部品を使用しなくとも簡単な構成で前記作用効果を具備する負の剛性装置及び該負の剛性装置を備えた免震構造物を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
［００１８］
上記目的を達成するため、本発明は、負の剛性装置であって、転動体又は摺動体の水平方向の転動又は摺動に伴って変形し、該転動体又は摺動体の水平変位が大きくなるほど、該転動体の転動面又は該摺動体の摺動面の下方への傾斜具合が大きくなる傾斜機構を備えることを特徴とする。
［００１９］
そして、本発明によれば、前記転動体と傾斜機構とを組み合わせることにより、簡単な構成を有し、加工も容易で、製造コストを低く抑えることが可能な負の剛性装置を提供することができ、構造物への過大な応力を防止したり、作用する応力を調整することができる。また、前記摺動体と傾斜機構とを組み合わせることにより、一つの装置で負の剛性と摩擦減衰の両方を有し、摩擦減衰により免震構造物の減衰効果を増すことができ、静摩擦によるトリガー機能も付与することが可能な負の剛性装置を提供することができる。
［００２０］
前記負の剛性装置において、前記転動体は、ローラー又は車輪であって、該ローラー又は車輪を上部材又は下部材に備えることができる。
［００２１］
本発明によれば、地震等の際に、上部材又は下部材のローラー又は車輪が水平方向に転動すると、転動面が傾斜するため、負の剛性を与えることができる。これによって、例えば、複合的に使用する積層ゴム体の歪依存を考え合わせると、該積層ゴムのせん断剛性は線形でないため、詳しくは歪が大きいとハードニング現象により剛性が高くなることから、本発明にかかる負の剛性装置と組み合わせることにより、簡単な構成によって、広い範囲で線形性を得ることが可能となる。
［００２２］
前記負の剛性装置において、前記傾斜機構を、平面状転動板と、弾性材からなる弾性パッドとで構成することができる。傾斜機構の弾性パッドの弾性材の硬さを変更することで、弾性パッドの寸法的な変更を行わなくとも、転動体の移動時における弾性パッドの傾斜具合を任意に変更できるため、負の剛性の程度を調整することができ

【００１２】
［００６１］
このような構成でも、図３（ａ）に示すように、車輪５に水平力Ｆが付加されると、車輪５は、図３（ｂ）に示すように、上側表面４ａ上を左方向に転動し、徐々に落下していく。この際、車輪５の変位が大きくなるに従って、車輪５には負の負荷が加わることとなるため、図１の真ん中に示したグラフに示すような挙動を取ることとなる。尚、図３（ｃ）に示すように、車輪５に右方向の水平力Ｆが加えられた場合も同様である。
［００６２］
尚、図３に示した負の剛性装置の剛性（−Ｋ）は、曲率半径Ｒと物体の重量Ｗの関係より、（−Ｋ）＝Ｗ／Ｒとして計算され、併用される積層ゴム等の正の剛性Ｋと適宜組み合わせることで、装置全体の剛性を如何様にも調整することができる。
［００６３］
図４は、本発明にかかる負の剛性装置の第１の実施の形態を示し、この負の剛性装置１０は、平面状転動板１２と、弾性材からなる弾性パッド１３とで構成される傾斜機構１１と、ローラー１４ｂを備えた上部材１４とで構成される。上部材１４は、ローラー１４ｂが回転可能に回転軸１４ｃに支持され、回転軸１４ｃはブラケット１４ａに固定される。
［００６４］
上記平面状転動板１２と上部材１４には、ステンレス鋼材、潤滑皮膜で被覆された鋼材、又はメッキを施した鋼材等を使用することができる。弾性パッド１３を形成する弾性材には、ゴム等を使用することができる。
［００６５］
上記構成により、図５（ａ）に示すように、上部材１４に上方から鉛直力Ｗが作用した状態で、地震等により左方向の水平力Ｆが加わると、上部材１４のローラー１４ｂが、傾斜機構１１の平面状転動板１２の表面に沿って転動し、図５（ｂ）に示すように、ローラー１４ｂが転動した位置で荷重が傾斜機構１１に加わるため、弾性パッド１３に偏荷重が作用する結果、平面状転動板１２が傾斜し、上部材１４には負の負荷が加わることとなるため、負の剛性装置として機能し、図１の真ん中に示したグラフに示すような挙動を取ることとなる。
［００６６］
また、本実施の形態では、傾斜機構１１の弾性パッド１３の弾性材の硬さを変更することで、弾性パッド１３の寸法的な変更を行わなくとも、上部材１４の移動時における弾性パッド１３の傾斜具合を任意に変更できるため、負の剛性の程度を調整できるという利点がある。また、弾性パッド１３の転動方向の両端部側部分の弾性材の硬度と、中央側部分の弾性材の硬度を変えることで傾斜具合を任意に変更できるため、負の剛性の程度を調整できる。

Claims (30)

1. 転動体又は摺動体の水平方向の転動又は摺動に伴って、該転動体の転動面又は該摺動体の摺動面の傾斜具合が変化する傾斜機構を備えることを特徴とする負の剛性装置。
2. 前記転動体は、ローラー又は車輪であって、該ローラー又は車輪を上部材又は下部材に備えることを特徴とする請求項１に記載の負の剛性装置。
3. 前記傾斜機構は、平面状転動板と、弾性材からなる弾性パッドとで構成されることを特徴とする請求項２に記載の負の剛性装置。
4. 前記弾性パッドの、前記転動体の転動方向の両端部側部分の弾性材の硬度と、中央側部分の弾性材の硬度とが異なることを特徴とする請求項３に記載の負の剛性装置。
5. 前記傾斜機構は、平面状転動板と、弾性体と薄肉鋼板とを積層した積層体とで構成されることを特徴とする請求項２に記載の負の剛性装置。
6. 前記積層体の、前記転動体の転動方向の両端部側部分の薄肉鋼板の積層数と、中央側部分の薄肉鋼板の積層数とが異なることを特徴とする請求項５に記載の負の剛性装置。
7. 請求項２乃至６のいずれかに記載の負の剛性装置におけるローラー又は車輪を有する上部材又は下部材と、該ローラー又は車輪との組み合わせを上下方向に２段にわたって、かつ互いに直交した状態で配置したことを特徴とする負の剛性装置。
8. 前記傾斜機構は、前記転動体の転動方向の中央部分を支点とした転動板であって、前記転動体が該転動板上を転動するに従って、該転動板の前記中央部分を支点として該転動板が撓むことを特徴とする請求項２に記載の負の剛性装置。
9. 前記転動板の前記中央部分の支点を前記上部材又は下部材に固定したことを特徴とする請求項８に記載の負の剛性装置。
10. 前記転動板の前記中央部分の支点を前記上部材又は下部材に固定せず、該転動板の端部の浮き上がりを防止する浮き上がり防止機構を備えたことを特徴とする請求項８に記載の負の剛性装置。
11. 前記転動板の転動方向の中央部分に配置される支点部材の平面寸法範囲では負の剛性を生じないことを特徴とする請求項８、９又は１０に記載の負の剛性装置。
12. 請求項２乃至１１のいずれかに記載の負の剛性装置と、
    復元力特性を有する装置と、減衰特性を有する装置とを備えることを特徴とする免震構造物。
13. 前記摺動体は、上部材又は下部材と互いに回転可能に当接し、該上部材又は下部材とともに前記摺動面に対して移動することを特徴とする請求項１に記載の負の剛性装置。
14. 前記傾斜機構は、平面状滑り板と、弾性材からなる弾性パッドとで構成されることを特徴とする請求項１３に記載の負の剛性装置。
15. 前記弾性パッドの、前記摺動体の摺動方向の両端部側部分の弾性材の硬度と、中央側部分の弾性材の硬度とが異なることを特徴とする請求項１４に記載の負の剛性装置。
16. 前記弾性パッドの厚さを中央部から端部に向かうにつれて漸増するように形成し、該弾性パッドを前記平面状滑り板とで挟持する支持部材を備えることを特徴とする請求項１４又は１５に記載の負の剛性装置。
17. 前記傾斜機構は、平面状滑り板と、弾性体と薄肉鋼板とを積層した積層体とで構成されることを特徴とする請求項１３に記載の負の剛性装置。
18. 前記積層体の、前記摺動体の摺動方向の両端部側部分の薄肉鋼板の積層数と、中央側部分の薄肉鋼板の積層数とが異なることを特徴とする請求項１７に記載の負の剛性装置。
19. 前記傾斜機構を、上方又は下方が開口した箱状の下沓又は上沓に収納し、該傾斜機構の平面状滑り板の端部を前記下沓又は上沓の内壁に当接させたことを特徴とする請求項１３、１４、１５、１７又は１８に記載の負の剛性装置。
20. 請求項１３乃至１９のいずれかに記載の負の剛性装置における摺動体と当接する上部材又は下部材と、該摺動体との組み合わせを上下方向に２段にわたって、かつ互いに直交した状態で配置したことを特徴とする負の剛性装置。
21. 前記摺動体は、前記傾斜機構の平面状滑り板上を全水平方向に摺動可能であることを特徴とする請求項１３乃至１９のいずれかに記載の負の剛性装置。
22. 前記弾性パッドの、周辺部分の弾性材の硬度と、中心部分の弾性材の硬度とが異なることを特徴とする請求項２１に記載の負の剛性装置。
23. 前記弾性パッドの厚さを中心部から周辺部分に向かうにつれて漸増するように形成し、該弾性パッドを前記平面状滑り板とで挟持する支持部材を備えることを特徴とする請求項２１又は２２に記載の負の剛性装置。
24. 前記積層体の、周辺部分の薄肉鋼板の積層数と、中心部分の薄肉鋼板の積層数とが異なることを特徴とする請求項２１に記載の負の剛性装置。
25. 前記傾斜機構は、前記摺動体の摺動方向の中央部分を支点とした滑り板であって、前記摺動体が該滑り板上を摺動するに従って、該滑り板の前記中央部分を支点として該滑り板が撓むことを特徴とする請求項１３に記載の負の剛性装置。
26. 前記滑り板の前記中央部分の支点を前記上部材又は下部材に固定したことを特徴とする請求項２５に記載の負の剛性装置。
27. 前記滑り板の前記中央部分の支点を前記上部材又は下部材に固定せず、該滑り板の端部の浮き上がりを防止する浮き上がり防止機構を備えたことを特徴とする請求項２５に記載の負の剛性装置。
28. 前記摺動体は、前記傾斜機構の滑り板上を全水平方向に摺動可能であることを特徴とする請求項２５、２６又は２７に記載の負の剛性装置。
29. 前記滑り板の摺動方向の中央部分又は中心部分に配置される支点部材の平面寸法範囲では負の剛性を生じないことを特徴とする請求項２５乃至２８のいずれかに記載の負の剛性装置。
30. 請求項１３乃至２９のいずれかに記載の負の剛性装置と、
    復元力特性を有する装置とを備えることを特徴とする免震構造物。

Images