(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
球体が真球でないために測定位置によって直径にばらつきがあるとき、その球体の直径の最大値と最小値を算術平均して求められる平均直径が、いずれも２５ｍｍ以上１０２ｍｍ以下の範囲にある３個以上の球体であって、平均直径が最大値を持つ球体と平均直径が最小値を持つ球体の、当該平均直径の差が、全ての球体の平均直径の１／２０００以下であるような球体群と、前記球体群に含まれる各球体を同一平面上でそれぞれ一定の位置関係に保持し、かつ、全ての球体を自転可能な状態で保持する位置保持用リテーナと、前記球体群を乗せて、各球体の転がり面を形成する下部プレートと、前記球体群上を覆い、当該球体群とともに構造物を支持する上部プレートとを備えた免震装置において、
前記上部プレートと下部プレートとの間において、前記球体群と前記位置保持用リテーナとを包囲し、包囲した空間を密封するように配置され、前記上部プレートと下部プレートに弾力によって密着する壁体と、
前記壁体により包囲された空間の前記球体群と前記位置保持用リテーナ以外の部分を満たす防錆剤とから成ることを特徴とする免震装置。
【請求項２】
球体が真球でないために測定位置によって直径にばらつきがあるとき、その球体の直径の最大値と最小値を算術平均して求められる平均直径が、いずれも２５ｍｍ以上１０２ｍｍ以下の範囲にある３個以上の球体であって、平均直径が最大値を持つ球体と平均直径が最小値を持つ球体の、当該平均直径の差が、全ての球体の平均直径の１／３０００以下であるような球体群と、前記球体群に含まれる各球体を同一平面上でそれぞれ一定の位置関係に保持し、かつ、全ての球体を自転可能な状態で保持する位置保持用リテーナと、前記球体群を乗せて、各球体の転がり面を形成する下部プレートと、前記球体群上を覆い、当該球体群とともに構造物を支持する上部プレートとを備えた免震装置において、
前記上部プレートと下部プレートとの間において、前記球体群と前記位置保持用リテーナとを包囲し、包囲した空間を密封するように配置され、前記上部プレートと下部プレートに弾力によって密着する壁体と、
前記壁体により包囲された空間の前記球体群と前記位置保持用リテーナ以外の部分を満たす防錆剤とから成ることを特徴とする免震装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の免震装置において、
前記下部プレートの外周を取り囲むように配置された、樋状の防錆剤受けを備えたことを特徴とする免震装置。
【請求項４】
請求項１または２に記載の免震装置において、
前記壁体により包囲された空間に一端を開口し、他端を上部プレートと下部プレートに挟まれた部分外に露出させた防錆剤注入機構を備えたことを特徴とする免震装置。
【請求項５】
請求項１または２に記載の免震装置において、
前記壁体により包囲された空間に一端を開口し、他端を上部プレートと下部プレートに挟まれた部分外に露出させたパイプを含む防錆剤レベル表示器を備えたことを特徴とする免震装置。
【請求項６】
請求項１または２に記載の免震装置において、
前記壁体により包囲された空間に一端を開口し、他端を上部プレートと下部プレートに挟まれた部分外に露出させたパイプとタンクを含む防錆剤貯留機構を備えたことを特徴とする免震装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】
【０００１】
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、これらの免震装置の中で、最も低い水平抵抗力を提供できると考えられている転がり免震装置に関するものである。
【従来の技術】
【０００２】
免震構造は、大地震時の強い地震動に対して構造物の揺れそのものを低減できるので、建物の構造骨組みの耐震安全性が高まるだけでなく、内部の家具や設備備品など収容物の転倒や落下・衝突の危険性が下がり、建物全体の耐震安全性を飛躍的に高めることができる。
【０００３】
従来の耐震構造に較べて優れた耐震安全性能を有する免震建物を実現可能としたものは、免震装置の出現であり、これまでに以下のような免震装置が実用化されている。即ち、アイソレータ機能とダンパー機能の両者を有する免震システムとしては、▲１▼天然ゴム系積層ゴム＋別置きダンパ、▲２▼高減衰積層ゴム、▲３▼鉛プラグ入り積層ゴムが我が国で採用されている３大システムと言われるものであり、この他に近年ＰＴＦＥ（テフロン）材とステンレス板の組み合わせによる▲４▼すべり支承系の免震装置も徐々に採用されるようになっている。
【０００４】
更に近年になって、免震構造物の免震性能を改善・向上させる方法として、特許第２６０３４２６号などによる転がり支承と積層ゴム支承等を併用する免震構造物も実現されるようになってきている。但し、転がり支承の採用は極く最近取り組まれるようになったばかりで、住宅等の軽量構造物を対象とした試行が行われている段階であり、重量構造物を支持する本格的な転がり免震支承の実現方法は確立されていないのが実状である。
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
これまでに実用化されている転がり免震装置としては、図１に示すような比較的大径の鋼球を１個だけ用いる装置（装置Ａと呼ぶ）や図２に示す多数の小径鋼球をそれを内蔵する箱形保持器内を循環運動させて直線軌道（レール）上を走行する直動システム（装置Ｂと呼ぶ）を直角２方向に組み合わせて使用する方法などがある。
【０００６】
装置Ａは、元々は床免震装置として開発されたものを住宅等の軽量構造物に応用したもので、支持荷重は１装置当たり数トン以下から高々１０トン程度以下の小重量支持を対象としており、転がり摩擦係数はμ＝０．００７程度とされている。この装置を１基あたり数百トンから千トン以上となる大型構造物に適用することは不可能であり、無理矢理適用するためには、鋼球直径を数十センチから１ｍ以上という巨大な鋼球が必要となる。これは実際には製造不可能であり、製造コストも当然現実的なものではなくなってしまう。
【０００７】
装置Ｂは各種機械の可動部分を支持する装置として実用化されているものを免震構造物用に応用したもので、この装置も殆どが住宅等の軽量構造物用装置として利用されており、その後数百トン規模の支持装置として大型化されたものが採用された事例が若干ある。この装置の転がり摩擦係数μは、通常μ＝４／１０００〜８／１０００程度、場合によってはμ＝０．０１（＝１／１００）〜０．０１５程度とされており、ＰＴＦＥ等を採用するすべり支承の摩擦係数がμ＝０．１０程度であるのに対して極めて低摩擦であるとされている。しかし、装置が複雑であるために、支持荷重数百トン規模の装置は極めて大型の装置となり、大きな設置空間を必要とし、また装置費も高価なものとなっている。
【０００８】
上記の転がり支承に対して、特許第２６０３４２６号には、複数個の転動体を上下のプレート間に配置する単純明快な転がり支承が提案されているが、単なる鋼球と鋼板の組み合わせで超低摩擦を有する優れた免震装置が実現できるわけではない。本発明は、この転がり支承を、支持荷重数トン以下の軽量構造物から千トン以上の大型構造物まで同一システムで対応可能であり、且つ転がり摩擦係数がμ≒１／１０００という超高性能（超低摩擦）を低コストで提供できる極めて優れた免震装置として実現する方法を目標課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
〈構成１〉
球体が真球でないために測定位置によって直径にばらつきがあるとき、その球体の直径の最大値と最小値を算術平均して求められる平均直径が、いずれも２５ｍｍ以上１０２ｍｍ以下の範囲にある３個以上の球体であって、平均直径が最大値を持つ球体と平均直径が最小値を持つ球体の、当該平均直径の差が、全ての球体の平均直径の１／２０００以下であるような球体群と、上記球体群に含まれる各球体を同一平面上でそれぞれ一定の位置関係に保持し、かつ、全ての球体を自転可能な状態で保持する位置保持用リテーナと、上記球体群を乗せて、各球体の転がり面を形成する下部プレートと、上記球体群上を覆い、当該球体群とともに構造物を支持する上部プレートとを備えたことを特徴とする免震装置。
【００１０】
平均直径が最大値を持つ球体と平均直径が最小値を持つ球体の平均直径の差が、全ての球体の平均直径の１／２０００以下であるような球体群を使用するのは、この範囲であれば、たとえ直径にばらつきがあっても、上部プレートと下部プレートとの間に挟まれたいずれの球体も、弾性変形によって必ず上部プレートと下部プレートに接して、荷重をほぼ均等に分担することができるからである。即ち、平均直径の差がこれ以上あると、直径の小さい球体の負担荷重が下がり、中には荷重を分担しない球体が生じるようになり、他の球体に設計値以上の荷重が加わって、転がり摩擦力を増大させる。また、平均直径の差が小さいことをあまり厳しく要求すると、球体の歩留りが悪く製造コストが高くなる。従って、平均直径の差が、全ての球体の平均直径の１／２０００以下であるといった基準により球体群を選択し、実用的かつ経済的な転がり支承式の免震装置を実現している。
リテーナが、球体群に含まれる各球体を同一平面上で保持するのは、全ての球体で平等に構造物を支持するためである。各球体を同一平面上でそれぞれ一定の位置関係に保持するのは、地震の横揺れ時、各球体が相互に接触して擦れ合わないようにするためである。３個以上の球体を含むのは、３点以上で上部プレートを水平に支持するためである。
【００１１】
本発明では、球体転がり支承に採用する鋼球の直径をある特定範囲に限定し、支持荷重に応じて必ず３個以上の複数個の鋼球を１装置として使用する。前述の装置Ａでは、１装置１個の球体としているため、支持荷重が大きくないにも拘わらず直径１００ｍｍ程度以上の大型の鋼球を必要としている。一方、装置Ｂでは直径１０ｍｍ以下、通常は数ｍｍ程度の小径の鋼球を多数使用している。そのため、プレートとの接触面積が小さくなるのを避けるために受け側を溝形状として荷重支持能力を上げ、そのためレール上の１方向にしか可動できない装置となっている。
【００１２】
これら既存の転がり支承に対して、本発明では鋼球直径５０ｍｍφを標準鋼球とし、条件によって使用する鋼球の大きさを直径２５ｍｍφ以上１０２ｍｍφ以下の範囲に限定している。標準鋼球を５０ｍｍφとするのは、小径鋼球では建築工事における基礎部や上下構造体間隙間の施工精度に無理が生じること、および小径鋼球では僅かなゴミや埃により作動が影響を受けることを考慮したためである。また２５ｍｍ未満の小径鋼球を排除することで、過大な接触面圧の発生をさけ、また１０２ｍｍφを越える大型鋼球を排除することにより、鋼球相互間の直径の差による性能低下を排除し、精度確保のための製造上の過大な労力投入を不要としている。尚、２５ｍｍφ以上１０２ｍｍφという数字は従来の転がり支承に使用されていない領域であると共に、１インチ（＝２５．４ｍｍ）以上、４インチ（＝１０１．６ｍｍ）以下に対応している。
【００１３】
本発明では、１装置に必ず３個以上の複数個の鋼球を使用するため、鋼球直径が揃っていることが重要な条件となる。現実に製造される鋼球は真球ではなく、呼び直径の等しい鋼球も直径に誤差がある。従って、本発明では、先ず鋼球の直径を「１球体の直径の最大値と最小値を算術平均した平均直径」で表示するものと定義し、「１リテーナ内に保持される鋼球直径の最大値と最小値の差を呼び直径の１／２０００以下」に制限している。これは、呼び直径２５ｍｍφの鋼球では半径誤差６μｍ以下、呼び直径５０ｍｍφの標準鋼球で半径誤差１２μｍ以下、呼び直径１００ｍｍφの最大鋼球で半径誤差２５μｍ以下の精度を確保することを意味している。この制限により、多数個を並列配置する本発明の装置で、各鋼球が必ず荷重を分担し、負担荷重が均一化されることを保証している。
【００１４】
〈構成２〉
球体が真球でないために測定位置によって直径にばらつきがあるとき、その球体の直径の最大値と最小値を算術平均して求められる平均直径が、いずれも２５ｍｍ以上１０２ｍｍ以下の範囲にある３個以上の球体であって、平均直径が最大値を持つ球体と平均直径が最小値を持つ球体の、当該平均直径の差が、全ての球体の平均直径の１／３０００以下であるような球体群と、上記球体群に含まれる各球体を同一平面上でそれぞれ一定の位置関係に保持し、かつ、全ての球体を自転可能な状態で保持する位置保持用リテーナと、上記球体群を乗せて、各球体の転がり面を形成する下部プレートと、上記球体群上を覆い、当該球体群とともに構造物を支持する上部プレートとを備えたことを特徴とする免震装置。
【００１５】
複数個の球体で構造物を支持する場合に、各球体は、それぞれ弾性変形すると共に所定の荷重を分担する。もし、最大径の球体と最小径の球体の直径の差が著しいと、径の小さい球体の分担荷重が小さくなり、径の大きい球体の分担荷重が過大になる恐れがある。後で説明するように、各球体の分担荷重のバラツキがほぼ１０％以下に納まれば、極めて良好な転がり支承が可能となる。故に、この基準で球体を選定すると一層よい。この目的のために、平均直径の差が、全ての球体の平均直径の１／３０００以下という基準で球体を選定することが好ましい。
【００１６】
〈構成３〉
構成１または２に記載の免震装置において、上記各球体は、表面硬度がロックウェル硬度（Ｃスケール）ＨＲＣ５５以上（ブリネル硬度ＨＢ≧５６０）を有する鋼材であって、上記上部プレートと下部プレートとは、いずれも、表面硬度がロックウェル硬度ＨＲＣ３６以上（ブリネル硬度ＨＢ≧３３０）の鋼板であることを特徴とする免震装置。
【００１７】
少なくとも表面硬度が一定以上の固さのものを選定することにより、球体と上部プレートや下部プレートの接触面が塑性変形しないで、転がり支承機能を長期間維持できる。
【００１８】
本発明では、従来の転がり支承（装置Ａや装置Ｂ）の性能を大きく越える摩擦係数μ≒１／１０００という超高性能（超低摩擦）を達成できる特殊な条件を規定している。即ち、鋼球とこれに接触する上下プレートの材質の組み合わせとして厳しい硬度制限を設けているが、これは理論的考察と実験による確認により導かれた結論である。鋼球とプレート（平板）の接触部分の接触圧力と変形量（弾性接近量）等は、一般にヘルツの弾性理論により推定できるとされており、これらは材料の縦弾性係数Ｅ、ポアソン比νおよび接触部の曲率ρで決定される。鋼材のＥおよびνは材質に拘わらず同一値とされているので、鋼球と鋼板を使用する場合、材質には関係なく鋼球大きさのみが影響することになるが、この誤った理解が装置Ａや装置Ｂ等従来の転がり支承が共に摩擦係数がμ＝０．００５〜０．０１５程度の性能しか達成できていない根本原因となっている。
【００１９】
本発明は、実際の転がり摩擦抵抗力は２物体（鋼球とプレート）の接触部における接触面積に依存すると考える。現実の接触面積は、球体に作用する荷重と両材質の硬さに依存すると考えられるので、本発明は議論を単純化するために、先ず第一に鋼球の変形を無視できるまで鋼球硬さを高める。現実に供給可能な範囲で、プレート以上の硬さを与える条件として、ロックウェル硬度ＣスケールでＨＲＣ≧５５（目標硬度はＨＲＣ≧６０）とする。
この条件を固定すると、接触部の変形・形状はプレート側の硬度で決定されることになり、摩擦係数は上下プレートの硬度で決定されることになる。この理論を確認するために、表面硬度の異なるプレートを用いた実験を行い、ブリネル硬度ＨＢ≒１２０（ＨＲＣ＜０）の普通鋼材（ＳＭ４９０Ａ）でμ＝８〜１５／１０００、ＨＢ＝４８０（ＨＲＣ＝５０）の特殊鋼材でμ＝０．６〜１．５／１０００が達成できることを突き止め、これらの一連の実験結果より摩擦係数μについて、μ＝（２５／（ｅ＾０．００６４ＨＢ）／１０００という予測式を得た。
【００２０】
本発明は、この結果に基づき、従来装置の性能を越える領域である摩擦係数μ≦３／１０００という高性能を達成できる条件として、鋼球に接触するプレートの表面硬度をＨＢ≧３３０（ＨＲＣ≧３６）の範囲を割り出したものである。本発明は上下プレートの表面硬度を限定することによって、従来の転がり支承を大きく上回る高性能を実現可能とした。尚、この規定においてμ≒１／１０００以下の超高性能を達成するには、プレート表面硬度をＨＢ≧５００（ＨＲＣ≧５１）とすることが望ましいことが判る。
即ち、本発明が推奨する球体転がり支承の理想的材質の組み合わせは、鋼球材質をロックウェル硬度でＨＲＣ≧６０とし、上下プレートをＨＲＣ≧５１とすることである。
【００２１】
以上の方法により、本発明は、採用する鋼球の大きさとそれに使用する材質をある特定条件内に限定することにより、これまでの転がり支承では達成できなかった転がり摩擦係数μ≒１／１０００という高性能を実現し、採用する鋼球数のみを調整するという単純な方法により、１基数トン以下の軽荷重から１基千トン以上の大荷重まで、荷重支持範囲を実質的に無制限とすることを可能としたものである。
【００２２】
〈構成４〉
構成１または２に記載の免震装置において、上記位置保持用リテーナは、上記球体群に含まれる各球体を同一平面上でそれぞれ一定の位置関係に保持するスペーサと、上記球体群を上下から挟み、上記全ての球体の球面の一部を上下面に露出させる開口を備えた一対の蓋板とから成ることを特徴とする免震装置。
【００２３】
スペーサは、球体群に含まれる各球体を同一平面上でそれぞれ一定の位置関係に保持する機能を持てばよく、格子状、網状、柱状、等に変形が可能である。蓋板は、全ての球体を一定の位置関係に保持したまま持ち運びできるように一体化するためのものである。球体の球面の一部を上下面に露出させる開口を備えたのは、全ての球体が上部プレートと下部プレートに直接接触することができるようにするためである。球体の球面の一部を露出させるだけであるから、開口から球体が脱落することがない。この構成により、地震の横揺れによってリテーナが大きく移動しても、球体群を一定の位置関係に保持したままにすることができる。
【００２４】
〈構成５〉
構成１または２に記載の免震装置において、上記上部プレートと下部プレートとの間において、上記球体群と上記位置保持用リテーナとを包囲し、包囲した空間を密封するように配置され、上記上部プレートと下部プレートに弾力によって密着する壁体と、上記壁体により包囲された空間の上記球体群と上記位置保持用リテーナ以外の部分を満たす防錆剤とから成ることを特徴とする免震装置。
【００２５】
壁体により包囲された空間の前記球体群と前記位置保持用リテーナ以外の部分に防錆剤を満たしたのは、球体が長期間を経過して錆を発生して、転がり機能が低下するのを防止するためである。防錆剤は、防錆効果があって、球体の転がりを妨げないものであればなんでもよい。従って、具体的には機械用防錆油や比較的粘度の低い粘性流体などを使用することができる。壁体を設けたのは、防錆剤が上部プレートと下部プレートとの間から溢れ出るのを防止するためである。壁体の形状は任意である。壁体が上部プレートと下部プレートに弾力によって密着するとしたのは、包囲した空間を密封する機能が長期間維持できるようにするためと、地震発生時に上部プレートと下部プレートとの相対的な変移を妨げないためである。壁体全体が弾性体であってもよいしその一部が弾性体であってもよい。
【００２６】
〈構成６〉
構成５に記載の免震装置において、上記下部プレートの外周を取り囲むように配置された、樋状の防錆剤受けを備えたことを特徴とする免震装置。
【００２７】
防錆剤受けを設けたのは、壁体と上部プレートや下部プレートの隙間から防錆剤が下部プレート外に溢れ出るのを防止するためである。樋状にしたのは、溢れた防錆剤を防錆剤受けに収容して回収し易くするためである。
【００２８】
〈構成７〉
構成５に記載の免震装置において、上記壁体により包囲された空間に一端を開口し、他端を上部プレートと下部プレートに挟まれた部分外に露出させた防錆剤注入機構を備えたことを特徴とする免震装置。
【００２９】
防錆剤注入機構を設けたのは、定期点検等の際に、防錆剤の漏出を発見したとき、防錆剤を補充する作業を容易にするためである。防錆剤注入機構は、例えば、１本のチューブでもよいし、複数のパイプを繋いだようなものでもよい。防錆剤注入機構の他端を上部プレートと下部プレートに挟まれた部分外に露出させるのは、免震装置の周囲から防錆剤注入作業をすることができるようにするためである。
【００３０】
〈構成８〉
構成５に記載の免震装置において、上記壁体により包囲された空間に一端を開口し、他端を上部プレートと下部プレートに挟まれた部分外に露出させたパイプを含む防錆剤レベル表示器を備えたことを特徴とする免震装置。
【００３１】
定期点検等の際に、壁体により包囲された空間に満たされた防錆剤の漏出を発見するのは容易ではない。そこで、例えば、貯油タンク等で広く使用されている連通管式のレベル表示器等を使用して、外部から防錆剤の量を点検できるようにした。パイプはその連通管の役割を持つ。
【００３２】
〈構成９〉
構成５に記載の免震装置において、前記壁体により包囲された空間に一端を開口し、他端を上部プレートと下部プレートに挟まれた部分外に露出させたパイプとタンクを含む防錆剤貯留機構を備えたことを特徴とする免震装置。
【００３３】
例えば、自動車のブレーキ液や冷却水等は、補助タンクから自動補充されるようになっている。こうした機構をこの免震装置に採用することで、長期間、初期の性能を確実に維持することが可能になる。タンクは一定レベルの防錆剤を入れておくことができるものであればその形状は自由である。
【発明の実施の形態】
【００３４】
以下、本発明を実施例を示す図面に基づいて説明する。
図１（１）（２）は、従来の転がり支承の代表例である上記説明の装置Ａである。この装置は、元々は床免震装置として開発されたものであり、これを軽荷重である戸建て住宅等の軽量構造物に転用したものである。鋼球には通常１２７ｍｍφ程度の直径１００ｍｍφを越える主鋼球とこれを保持する１０ｍｍφ以下の小径の鋼球が使用されている。主鋼球には大径の鋼球が使用されているが、これを保持するために小径の鋼球を使用しているために、最大接触圧と摩擦係数は小径鋼球に支配され、大径鋼球の性能が活かされず、本発明装置に比較するとその転がり摩擦係数は５倍〜１０倍程度となっている。
【００３５】
図２の（１）は従来の転がり支承の第二の例である装置Ｂの構成図である。上部建物側に固定される鋼球受け器内に直径１０ｍｍ以下の小径の鋼球を多数内蔵し、これがレール上に設けられた溝型の軌道上を回転循環しながら直線移動する仕組みになっている。小径鋼球を使用しているため、接触圧力が高くなり、また球体と軌道間の間隙が小さいために僅かの埃やゴミの浸入などにより転がり抵抗が影響される可能性が高い。
図２（２）は、この装置を免震建物に適用する方法であり、直動装置２体を＋字型に組み合わせることにより水平２方向に可動としている。図２（３）は直動装置を４体使用し、井型の組み合わせとして支持荷重を高めた例である。これら従来の転がり支承は、装置Ａ・Ｂ共にいずれも、転がり摩擦係数がμ≒１／１００程度（５〜１５／１０００）の性能となっている。
【００３６】
図３の（１）は、本発明の免震装置の基本構成要素の断面を示したもので、直径Ｄｏ＝５０ｍｍの鋼球を標準鋼球とし、条件により直径２５ｍｍφ〜１０２ｍｍφの範囲の鋼球がリテーナにより一塊の鋼球群として一定位置に保持され、上下のプレートに挟まれている。
図３（２）は、実際の免震建物に使用される場合の断面構成を示しており、図３（１）の基本要素の上下外側にアンカープレートが配置され、これが上部の建物側および下部の基礎側コンクリート基礎に固定されている。
【００３７】
図４は、支持荷重に応じた鋼球の配置例を示しており、通常は装置名称としてＳＢＢ  ＮｘＮｙと表示するとわかりやすい。図４（１）はＳＢＢ０２０２（鋼球配置ＮｘｘＮｙ＝２ｘ２＝４個）で鋼球４個を用いる場合である。支持荷重は標準鋼球（Ｄｏ＝５０ｍｍ）の場合Ｐｗ＝６〜８トン程度、（２）はＳＢＢ０５０５で鋼球数５ｘ５＝２５個、支持荷重Ｐｗ＝３５〜５０トン程度、（３）はＳＢＢ１０１０で鋼球数１０ｘ１０＝１００個、支持荷重Ｐｗ＝１５０〜２００トン程度、（４）はＳＢＢ２０２０で鋼球数２０ｘ２０＝４００個、支持荷重Ｐｗ＝６００〜８００トン程度の例である。本装置は、支持荷重に応じて鋼球数を調整すればよく、ＳＢＢ３０３０の場合には鋼球数は９００個となり、Ｐｗ＝１３５０〜１８００トンもの荷重を支持することが可能である。
【００３８】
鋼球の配置は正方形である必要はなく、条件に応じて図５（ＳＢＢ０５１０）のように任意の形状に変形することができる。図５は本発明装置の全体形状図を例示したもので、（１）が平面図、（２）（３）が断面図を示している。鋼球を保持するリテーナの周囲に距離Ｌｃの可動クリアランスが確保されており、装置の許容変位量は２Ｌｃとなる。この可動クリアランスＬｃの設定により、許容変位を任意且つ容易に調整できることも本装置の特長の一つである。
【００３９】
多数の鋼球を並列配置して使用する本発明の免震装置において、各球体が均等に荷重を負担し、円滑な回転運動をするためには各球体に直径の差がないことが理想である。しかし、それは現実には不可能であり、鋼球製造上直径差について一定限度以上の厳しい管理を要求することは製造コストの極端な上昇に繋がり、本発明装置の現実性を奪うことになる。従って、本発明装置では、転がり摩擦係数が従来装置よりも格段に優れたレベルであるμ≒１／１０００程度の高性能を実現可能であり、且つ経済的に製造できる現実的な直径製造精度の許容値を設定することが極めて重要な技術課題となる。
【００４０】
そこで本発明では、先ず呼び径Ｄｏの鋼球に鉛直荷重が作用した時の鉛直変形量（鋼球と上下プレートの両接触面における変形を全て含んだ上下プレート間の接近量）とその呼び径Ｄｏに対する比率について検討する。
変形量は当然作用荷重に応じて変化するため、作用させる荷重条件を統一する必要がある。本発明では、呼び径に応じた規準荷重として、「最大接触応力が
σｖ＝４００ｋｇ／ｍｍ２となる荷重」を呼び径毎の定格荷重Ｐｏと定義する。各呼び径毎の定格荷重Ｐｏとその１．０倍、２．０倍の荷重を作用させた時の鉛直変位量（＝球体上下の両接触面における球体と上下プレート全ての変形量の和）をヘルツの弾性理論に基づいて算定した結果を表１に示す。
ここで定義された定格荷重を作用させると、球体に発生する鉛直変位量は、球形の小さいもの程小さい値となるが、鉛直変位量の球径に対する比率は、球径に拘わらず一定値となる。本発明の装置では、球体に作用させる鉛直荷重ｗを定格荷重Ｐｏの１〜２倍、即ちＷ＝１．０Ｐｏ〜２．０Ｐｏの範囲を標準としているので、表１のとおり鉛直変位量δｖは、δｖ＝Ｄｏ／３３８〜Ｄｏ／２１３程度となる。
ここで、各球体の直径の差異を表１の鉛直変形量の１０％以下と仮定すれば、各球体の変形量の差異も１０％以内となり、負担荷重の変動範囲もほぼ１０％以下に均一化されると予想される。この仮定より球体直径の許容差として、作用荷重１Ｐｏ〜２Ｐｏに対してＤｏ／３３８０〜Ｄｏ／２１３０という目安が得られる。
【表１】
0003659567.tif 000002
【００４１】
一方、鋼球製造上の品質管理の観点からは、直径精度の呼び径Ｄｏに対する比率と同時に、直径精度の絶対寸法も重要な要因となる。即ち、現実問題として鋼球直径を１μｍ以下の精度で製造することは極めて困難であり、鋼球直径が小さくても直径精度は５μｍ以上、できれば１０μｍ程度、乃至それ以上の許容差があることが望ましい。  表１には鉛直変形量の１／１０の値を示したが、本発明の対象から除外している２５ｍｍ未満の鋼球では１／１０変形量が２〜６μｍという小さな値となり、小径鋼球を用いて本装置を製造することは、精度確保上多大な労力を要することになる。また逆に、大径の鋼球では精度の絶対値は数十μｍ以上が許されることになるが、大径鋼球を製造すること自体が大変であり、また数十μｍ以上の大きな誤差を有する球体の回転は円滑でなくなるおそれが高いことから、本発明の鋼球直径の２５ｍｍ〜１０２ｍｍという範囲が現実的に最も実用的な領域であることがわかる。
【００４２】
以上の検討は、主として変形量に着目して球体直径の精度確保について考察したものであるが、直径の異なる球体群における負担荷重のバラツキについて更に検討する。図６は、球体直径の相互差が各球体の負担荷重にどの程度の変動を及ぼすかについての検討の考え方を説明したものである。図６（１）に示すとおり、各球体の実際の直径（平均直径）はそれぞれ異なっており、その中で平均直径の最大のもをＤｍａｘ、最小のものをＤｍｉｎ、全体の平均値をＤａｖｅと表示する。本発明では、最大径と最小径の差Δφ＝Ｄｍａｘ−ＤｍｉｎをＤａｖｅの１／２０００または１／３０００以下に抑制することにしている。
【００４３】
この装置に鉛直荷重が作用すると、図６（２）に示すように、先ず最初に最大径の球体から上プレートとの接触が始まり、順次直径の大きい球体から小さい球体へと接触が進行する。もし、このとき直径の差Δφが大きい場合には、直径の小さい球体の中には上プレートに接触しないものが発生する可能性があり、その分大きな直径の球体に過大な荷重が作用することになる。
【００４４】
ここで各球体をその直径の大きさ順に並べることを考えると、図６（３）に示すように、球体直径は平均値Ｄａｖｅを中心とし、その両端をＤｍａｘおよびＤｍｉｎとする正規分布をなしているとみなすことができる。その分布範囲はΔφであり、且つ±３σ（σ：標準偏差）であるので、全球体の９０％は±１．６４５σ内に存在していることになる。従って、
▲１▼直径の許容差を  Δφ／Ｄａｖｅ≦１／２０００と仮定すると、
９０％の球体は  Δφ９０／Ｄａｖｅ≦１／３６４７（＝１／２０００ｘ１．６４５／３）  にあり、
▲２▼直径の許容差を  Δφ／Ｄａｖｅ≦１／３０００と仮定すると、
９０％の球体は  Δφ９０／Ｄａｖｅ≦１／５４７１（＝１／３０００ｘ１．６４５／３）
の範囲内にあることになる。
以上の条件より、球体が鋼球である場合、代表的な呼び直径Ｄｏの球体について、上記の１／３６４７および１／５４７１の差異を有する球体群の内の最大径球体の負担荷重Ｐｍａｘを平均径球体の負担荷重Ｐａｖｅに対する比率として弾性理論に基づいて算定することができる。その結果は、
上記▲１▼の場合  Ｐｍａｘ＝１．１４２・Ｐａｖｅ（１４．２％増）
上記▲２▼の場合  Ｐｍａｘ＝１．０９４・Ｐａｖｅ（  ９．４％増）  となる。
【００４５】
以上、▲１▼球体の鉛直変形量に対する直径誤差の比率、▲２▼球体製造上の絶対寸法精度および▲３▼球体直径群におけるバラツキの分布を考慮した負担荷重の変動という３つの観点より球体直径の精度確保について検討した。
その検討結果をまとめると、本発明（構成１）の球体直径の差を全球体の平均直径の１／２０００以下に管理することは、直径の相互差を定格荷重作用時の弾性変形量の約１／６以下に収め、また球体の負担する最大荷重増加率を１５％以下に抑制することになり、球体転がり支承として実用上充分な性能確保が図れる規定となっている。また、球体直径の絶対寸法精度としては、標準鋼球５０ｍｍで２５μｍ、直径２５ｍｍ〜１０２ｍｍの鋼球範囲で１２μｍ〜５０μｍの誤差を許容できることになり、実際の製造上現実的な規定となっている。
また、本発明（構成２）の球体直径の差を全球体の平均直径の１／３０００以下に管理することは、直径の相互差を定格荷重作用時の弾性変形量の約１／９以下に収め、球体の負担荷重の増加率を１０％以下に抑制することになり、この場合には球体直径のバラツキが無視できる領域に入り極めて良好な転がり性能を実現することが可能となる。また、この時の製造管理上の絶対寸法の許容差は、標準鋼球５０ｍｍで１６μｍ、直径２５ｍｍ〜１０２ｍｍの鋼球範囲で８μｍ〜３４μｍであり、充分現実的な範囲である。
このように、要求される品質に対応できるように平均直径のバラツキの基準を設けておけば、敢えて加工精度の高い球体を使用しなくても、充分に免震装置としての性能が確保できるという効果がある。
【００４６】
図７〜図９は、本発明装置の多数の鋼球を一定間隔に保持するためのリテーナの断面構成方法を示したものである。図７は、鋼球直径よりも僅かに大きい孔をあけた中央プレート（＝スペーサ）に鋼球を入れ、その両外側に鋼球直径の９０％以下の直径の円形穴もしくは辺長が９０％以下の正方形穴（コーナー部は隅きりがあってもよい）をあけた蓋板を配置して鋼球が外に出られないようにしたものである。
【００４７】
図８は、図７の中央プレートを省略したもので、両外側の蓋板２枚をスペーサボルトによりボルト（ビス）止めしたものである。
【００４８】
図９は、プラスチック板によりリテーナを構成したもので、断面中央部より外側に向かって徐々に孔径の小さくなる複数枚の板を重ねあわせてボルト（ビス）止めする方法である。
図７〜９のリテーナを構成する材料としては、いずれも鋼材・プラスチック板や木製（合板）等を用いることができる。
【００４９】
図１０は、球体および上下プレート内面の発錆防止方法に関するものである。図１０（１）は装置全体の断面構成を示しており、（２）（３）（４）は端部の断面詳細を示している。
図１０は、いずれも湿式防錆工法の例であり、（２）は装置周囲に鉛直方向の弾性ばね変形が容易となるようにスリットを設けたパイプを配置し、更に上部プレートとの密着をよくするために表面にゴム膜等の弾性材料を張り付けて防錆剤の漏れ防止のシールを行い、更にその外側に樋状の受溝を設けた上で、スリット付きパイプ内部に防錆油あるいは防錆用粘性流体等の防錆剤を充填する。防錆材料として粘性流体を採用した場合には、鋼球を保持したリテーナが粘性流体内で運動することによる粘性減衰効果も期待できる。
【００５０】
図１０（３）は、図１０（２）のスリット付きパイプの代わりに帯板状の壁鋼板を配置し、その上部にゴム状弾性体を取り付けて密着させ防錆剤のシールとしたものである。これら図１０の（２）（３）の場合には、上部プレート下面まで防錆剤を隙間なく充填することができる。
【００５１】
図１０（４）は、図１０（２）（３）の湿式防錆工法を簡略化したもので、装置周囲のスリット付きパイプやシール用壁板を省略し、防錆用流体は周囲壁（防液堤）高さギリギリまでの充填としている。この場合、上プレート下面は防錆流体に接触しないので、あらかじめ上プレート下面には防錆油・粘性流体あるいはグリース等の防錆材料を塗布しておく方法である。
【００５２】
以上の湿式防錆工法に対して更に単純な防錆対策として、乾式工法とすることもできる。
その場合には、図５（３）に示すように、装置周囲の防錆剤止めのパイプや壁板を省略し、その代わりに球体および上下プレート表面に二硫化モリブデンやクローム等のメッキ処理を行う。また、この場合、メッキ処理は上下プレートのみとし、球体表面は防錆油塗布とすることもできる。この場合も図５（３）に示すように装置周囲には埃の浸入を防止する防塵カバーを設けることが推奨される。
【００５３】
図１１は、構成８および９に示す防錆剤の点検・補充を容易にするための装置例を示している。即ち、上部プレートと下部プレートに挟まれた球体およびリテーナの周囲空間に充填された防錆剤を補充できるパイプを配置し、その注入口には防錆剤補充用貯留タンクを設け、またその部分に防錆剤レベル表示器を設けている。これらの方法により、防錆剤を上部プレート下面まで一定圧力をかけて常に浸漬しておくことができ、またその液面の点検確認と補充を容易に行うことができる。
【発明の効果】
【００５４】
これまでに実用化されている構造物用の転がり免震装置は、床免震装置あるいは各種の機械用転がり軸受けなどを建築物用に転用したものであり、本来数トン〜高々２０トン程度の荷重支持を想定して開発されたものであった。従って、一基数百トンあるいは千トン以上という大荷重支持を対象とすると、適用不可能であったり、装置が巨大になりすぎて経済的にも現実には成立しないという問題があったが、本発明は、１トン以下の小荷重から一基千トン以上の大荷重支持まで同じシステムで容易に適用できる経済的な転がり免震装置を実現したものである。
【００５５】
また、装置Ａや装置Ｂの従来の転がり支承の転がり摩擦係数μは、μ＝５／１０００〜１５／１０００程度、概ねμ≒１／１００の性能であったが、本発明では、μ＝１／１０００ないしそれ以下という実質的に「摩擦ゼロ」とみなせる超高性能を達成している。
図１２は、鋼球は本発明の条件硬度ＨＲＣ≧５５を満足するＨＲＣ＝６２の鋼球とし、上下プレートを本発明の条件を満たさない硬度ＨＢ＝１２０の普通鋼材の場合：図１２（１）と、本発明の条件を満たす硬度ＨＢ＝４８０の特殊鋼材の場合：図１２（２）の摩擦係数の比較実験結果を示したものである。従来装置では１／１００程度であった摩擦係数が、本発明により１／１０００以下へと１桁小さくなっていることが確認できた。
【００５６】
図１３は、図１２の両装置において、標準鋼球Ｄｏ＝５０．８ｍｍに対して単体支持荷重を変化させた場合の摩擦係数の変化を比較して示したものである。本発明により、広範囲の単体支持荷重において、従来装置よりも１桁小さい１／１０００以下の摩擦係数が達成されている。
【００５７】
図１４は、本発明の免震装置の摩擦係数が如何に小さいかを示すために、ＰＴＦＥ（テフロン）とＳＵＳ（ステンレス）板を組み合わせた従来のすべり免震支承の摩擦係数（通常μ≒０．１程度）と同スケールのグラフ上に本発明装置の履歴ループを図示したものである。μ＝１／１０００が実質上摩擦ゼロと見なせることがよく判る。尚、この実験データはＳＢＢ２４２４、即ち鋼球数２４ｘ２４＝５７６個を用いた実物装置の試験結果であり、本発明の免震装置が所要の超高性能を実現できることを証明している。
【００５８】
以上、本発明により格段に高性能の転がり免震装置が実現できたことを示したが、本発明の装置の有する特長は以下のとおりである。
▲１▼転がり摩擦係数がμ≒１／１０００乃至それ以下という極めて超低摩擦の高性能を実現することができる。
▲２▼支持荷重１トン未満の小荷重から、１基千トン以上という大荷重まで、同じシステム構成で製作することができる。
▲３▼装置構成が単純明快であるので、作動の信頼性が高く、しかも低コストで製作できる。
▲４▼標準鋼球を直径５０ｍｍとし、鋼球の使用範囲は直径２５ｍｍ〜１０２ｍｍの範囲に限定しているので、従来の装置Ｂなどのように小さなゴミや埃の浸入や咬みこみ等により装置作動が影響を受ける恐れがない。
▲５▼防錆対策として、防錆油浸漬の完全湿式防錆を標準処理としているため、
長期間にわたり発錆の恐れがなく、耐久性能に優れている。また、防錆材料に粘性流体を使用した場合には減衰効果も発揮される。
【図面の簡単な説明】
【図１】    従来の転がり免震装置の例（装置Ａ：床免震装置を戸建て住宅等の軽量構造物用に転用したもの）
（１）下部受け皿に勾配を付けて復元力を与えたもの
（２）下部受け皿を平板とし、復元力は別装置によるもの
【図２】    従来の転がり免震装置の例（装置Ｂ）
（１）小径の鋼球を多数内蔵し、その回転循環により軌道レール上を直線運動する直動転がり支承（装置Ｂ）の断面構成図
（２）免震建物に適用するために、レールを＋字型に組み合わせて水水平２方向に可動としたもの
（３）レールを井型の組み合わせとして、支持荷重能力を高めたもの
【図３】    本発明免震装置の基本構成要素
（１）鋼球・リテーナ・上下プレートの基本構成
（２）上部建物側基礎と下部コンクリート基礎に取り付けられる場合の断面構成（上下プレートの外側にアンカープレートが配置されている）
【図４】    本発明装置の鋼球配置例
（１）ＳＢＢ０２０２  （鋼球配置２ｘ  ２＝  ４個、Ｐｗ＝  ６〜８トンの場合）
（２）ＳＢＢ０５０５  （鋼球配置５ｘ  ５＝  ２５個、Ｐｗ＝  ３５〜  ５０トンの場合）
（３）ＳＢＢ１０１０  （鋼球配置１０ｘ１０＝１００個、Ｐｗ＝１５０〜２００トンの場合）
（４）ＳＢＢ２０２０  （鋼球配置２０ｘ２０＝４００個、Ｐｗ＝６００〜８００トンの場合）
但し、上記において支持荷重Ｐｗは標準鋼球Ｄｏ＝５０ｍｍの場合
【図５】    本発明装置の全体形状図
（１）平面図（リテーナと装置周壁とのクリアランスＬｃの２倍＝２Ｌｃが本免震装置の許容変位量となる）
（２）湿式防錆工法を採用した場合の断面図
（上下の斜線部分は取り付け部コンクリート基礎）
（３）乾式防錆工法とした場合の断面図
【図６】球体直径の差が作動に影響するメカニズムと直径の差を一定範囲内に制御する管理値の考え方の説明図
（１）球体直径（最大径、最小径、平均径）の定義と本発明で規定する直径差の定義
（２）直径の異なる球体に鉛直荷重が作用した場合の変形・接触状態の説明図
（３）多数の球体における実直径の分布状況と本発明で採用している直径差規定値の元になっている考え方説明図
【図７】    本発明装置のリテーナ構成例（上図：平面図、下図：断面図）スペーサとしての中央プレート＋上下２枚の蓋板で構成されている場合
【図８】    本発明装置のリテーナ構成例（上図：平面図、下図：断面図）図７の中央プレートが省略され、上下２枚の蓋板をスペーサ兼用としてボルト（ビス）止め構成とする場合
【図９】    本発明装置のリテーナ構成例（上図：平面図、下図：断面図）図７の中央プレートの外側それぞれに、孔径の異なる２枚の蓋板を配置し、合計５枚の孔付き板をボルト（ビス）止め構成とした場合
【図１０】  本装置の全体構成例と端部詳細
（１）本装置の全体断面構成図
（２）端部詳細図（装置周囲にスリット付きパイプを配置し、防錆剤（防錆油・粘性流体等）を封入し、その外側に漏れ受け用溝型樋を配置した例）
（３）端部詳細図（上図（２）においてスリット付きパイプの代わりに鋼製壁板とその上部にゴム状弾性体シールを採用した例）
（４）上記（２）（３）において防錆剤密閉シールを省略した例
【図１１】  防錆剤の点検」・補充を容易にするために、注入パイプ、防錆剤貯留タンク、同レベル表示器等を付けた例
【図１２】  本発明装置の効果確認実験結果
鋼球は直径Ｄｏ＝５０．８ｍｍ、硬度ＨＲＣ＝６２。鋼球の単体支荷重Ｐｏ＝２（ｔ）
（１）上下プレートを硬度ＨＢ＝１２０の普通鋼材（ＳＭ４９０Ａ）とした場合、摩擦係数はμ≒１０／１０００〜１３／１０００程度（従来の転がり支承と同程度）となっている。
（２）本発明による上下プレートを硬度ＨＢ＝４８０（ＨＲＣ＝５０）の特殊鋼材とした場合、
摩擦係数がμ≒０．５／１０００〜０．８／１０００程度と上記（１）の１／１０以下に低下し、実用上摩擦ゼロと見なせる超高性能が達成されている。
【図１３】  本発明装置の効果確認実験結果
鋼球は直径Ｄｏ＝５０．８ｍｍ、硬度ＨＲＣ＝６２。図１２と同じ試験体において鋼球の単体支荷重Ｐｏを変化させた場合の転がり摩擦係数
（１）上下プレートを硬度ＨＢ＝１２０の普通鋼材（ＳＭ４９０Ａ）とした場合、単体支荷重摩に応じて擦係数はμ≒５／１０００〜１５／１０００程度（従来の転がり支承と同程度）となっている。
（２）本発明による上下プレートを硬度ＨＢ＝４８０（ＨＲＣ＝５０）の特殊鋼材とした場合、
単体支荷重摩に応じて摩擦係数がμ≒０．５／１０００〜１．０／１０００程度と上記（１）＝従来装置の１／１０以下に低下し、実用上摩擦ゼロと見なせる超高性能が達成されている。
【図１４】  本発明装置の性能を判りやすく示したグラフ
ＰＴＦＥ（テフロン）材とステンレス鋼板の組み合わせによる従来のスベリ免震支承の摩擦係数と本発明装置の転がり摩擦係数を同一スケールで図示したもの。
本発明装置の摩擦係数は、ＰＴＦＥすべり系支承の１／１００であり実用上摩擦ゼロと見なせることがよく判る。
【符号の説明】
１：鋼球
１０：大径主鋼球
１１：小径主鋼球
１２：小径補助鋼球
２：リテーナ
２１：補助鋼球受け器
２２：直動装置小径主鋼球受け器
２３：スペーサ用中央プレート
２４：リテーナ蓋板
２５：蓋板止め用ブルト（ビス）
２６：蓋板連結用長ナット
２７：スペーサ用補助プレート
３：上プレート
４：下プレート
４１：主鋼球受け皿（皿型）
４２：主鋼球受け皿（平板型）
４５：直動装置レール
５１：上部アンカープレート
５２：下部アンカープレート
６１：上部コンクリート基礎
６２：下部コンクリート基礎
６３：スタッドボルト
７：周囲漏れ受け溝型樋
８：防錆剤（防錆油、粘性流体等）
８１：防錆剤シール用スリット付きパイプ
８２：防錆剤シール用弾性体付き壁鋼板
８５：防錆剤補給用パイプ
８６：補給用防錆剤貯留タンク、レベル表示器付き
８７：補給用防錆剤注入口（貯留タンクなしタイプ）
９：防塵カバー
９１：ゴムシート製防塵カバー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0003659567.tif 000010
【図９】
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【図１０】
0003659567.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
0003659567.tif 000014
【図１３】
0003659567.tif 000015
【図１４】
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