(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾塑性材料からなるＵ字状の彎曲状部材の接合部を上部構造と下部構造に夫々固定してなる減衰機構を有する塑性履歴型の免震装置において、前記Ｕ字状の彎曲部材は、上部構造と下部構造との接合部と、前記両接合部から平行に伸びる直線部と、前記両直線部を結ぶ彎曲部により構成され、Ｕ字状の彎曲状部材の幅は彎曲部先端から直線部の接合部側端部に向かって漸次広幅となるように形成され、Ｕ字状の彎曲状部材の彎曲部先端幅Ｗ１と直線部の接合部側端部幅Ｗ２の関係が１．０＜Ｗ２/Ｗ１＜２．０であり、Ｕ字状の彎曲状部材の直線部長さが、１０ｃｍ〜７０ｃｍであり、Ｕ字状の彎曲状部材の彎曲部長さの当該部材の板厚に対する比が２．５より大きいＵ字状の彎曲状部材を有することを特徴とする塑性履歴型の免震装置。
【請求項２】
前記Ｕ字状の彎曲状部材を複数配置したことを特徴とする請求項１に記載の塑性履歴型の免震装置。
【請求項３】
前記複数のＵ字状の彎曲状部材を平面的に等角度間隔をおいて配置したことを特徴とする請求項２に記載の塑性履歴型の免震装置。
【請求項４】
前記弾塑性材料が鋼材であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の塑性履歴型の免震装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、上部構造と下部構造の間に配置し、地震時における上部構造の振動を減衰させ、地震エネルギーを吸収させる塑性履歴型の免震装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、建築構造物とこの構造物を支える基礎のような、上部構造と下部構造との間に設置する塑性履歴型の免震装置として、部材の形状を変えて種々提案されている。
例えば、特公平２−６２６７１号公報には、免震装置を直棒型に成形し、各端部を上下部構造に固定した装置が開示されている。また、特公平２−５９２６２号公報には、免震装置を環状型に成形した装置について開示されている。
また、特開平２−１９４２３３号公報には、免震装置を略Ｕ字状に形成し、ダンパーの両脇に振れ止め用の板状の補助部材を突設した装置が開発されている。
地震時の構造物の揺れは、水平方向に３６０度全方向に変形するため、免震装置もそれに伴い３６０度全方向に変形する。しかし、特開平２−１９４２３３号公報では、略Ｕ字状のダンパーをキャタピラー状に一方向のみに変形させることでエネルギー吸収を行い、その他の方向、例えばキャタピラー状と直角方向の変形に対しては、両脇に突設した振れ止めによって押さえてしまい、変形方向を一方向のみに限定しており、他方向に対しては配慮がされていない。
また、特開昭６０−２２３５７６号公報においても、Ｕ字状の免震装置との記載があるが、地震時の任意方向に水平変形した場合の免震装置の性状に関する方向性についての記載がない。
【特許文献１】特公平２−６２６７１号公報
【特許文献２】特公平２−５９２６２号公報
【特許文献３】特開平２−１９４２３３号公報
【特許文献４】特開昭６０−２２３５７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明が解決しようとする課題は、以下の７点である。
（１）免震装置の形状が直棒型である場合、地震時の水平変形によって、図１のように端部の固定が両端固定及び、一端ピン他端固定の場合は、歪みが部材の端部に集中する。よって、部材のある一部分に歪みが集中してしまう場合は、水平変形が小さい時点から歪みが集中し累積されるので、部材が降伏し塑性化するのが速く、部材の履歴特性における弾性範囲が狭くなる。塑性化後も水平変形の増加と共に歪みも集中して累積し増加するため、水平変形が小さいうちに破断してしまう。しかも、予想していなかった大地震による大きな変形を受けた場合は、部材が変形に追従できず、地震エネルギーを吸収できずに破断してしまう。また、部材中の一部分に歪みが集中し部材内の塑性化する範囲が狭くなると、地震のエネルギーを吸収する部分も小さくなり、部材全体のエネルギー吸収量が少なくなる。
（２）免震装置の形状が直棒型である場合、図２のように地震時の水平変形によって端部間の距離が長くなり、それに伴って部材も引張られ伸びる。よって、水平変形量が大きくなるにつれ、部材の伸びによる歪み，引張応力が増加すると共に、曲げ変形による曲げ応力，歪みも加わるため、総合的に部材に生じる歪み，応力が増大してしまう。
（３）免震装置の形状が直棒型である場合、部材の履歴特性における弾性範囲が狭いため、地震よりも発生頻度が高い風による水平変形によって部材が降伏し、風の振動によるエネルギーを吸収してしまうため、部材の目的である地震のエネルギーを吸収できる量が減少してしまう。また、風によるエネルギーも吸収しているため、部材が持っている総吸収エネルギー量に達してしまう期間が早く、部材を点検・交換する頻度が高くなり、維持費が高くなる。
（４）免震装置の形状が直棒型である場合、地震時の水平変形による部材の伸び，引張応力を補うためと、微小変形から部材が降伏することを避けるために、免震装置の端部を機械的に複雑な構造を取る。よって免震装置を構成する部品が多くなり、製造の手間もかかり、結果として製造コストも高価になる。
（５）環状型の免震装置は、３次元的に複雑な形状であるため、成形するために熱間成形や熱間鍛造を行う等の製造の手間がかかり、製造コストが高価になる。
（６）環状型の免震装置は、平面的に広がって配置するため、免震装置の占有面積が大きく場所を取る。
（７）免震装置をＵ字状に形成した場合、地震時の任意方向への水平変形に対して免震装置の変形方向を考慮しなければ、各変形方向による免震装置の耐力、剛性等の性状に対する方向性が生じてしまう。例えば、図５に部材の方向性を考慮せず、部材断面を等断面とした場合について示す。面内０度方向における降伏せん断力と面外９０度方向における降伏せん断力とでは、面外９０度方向の方が面内０度方向よりも５０％低くなり、地震時の変形方向によって、免震装置の性状が変わってしまう問題があった。
本発明は、前記（１）〜（７）の問題点を解決した免震装置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】
【０００４】
本発明の第１の特徴は、弾塑性材料からなるＵ字状の彎曲状部材の接合部を上部構造と下部構造に夫々固定してなる減衰機構を有する塑性履歴型の免震装置であり、前記Ｕ字状の彎曲部材は、上部構造と下部構造との接合部と、前記両接合部から平行に伸びる直線部と、前記両直線部を結ぶ彎曲部により構成され、Ｕ字状の彎曲状部材の幅は彎曲部先端から直線部の接合部側端部に向かって漸次広幅となるように形成され、Ｕ字状の彎曲状部材の彎曲部先端幅Ｗ１と直線部の接合部側端部幅Ｗ２の関係が１．０＜Ｗ２/Ｗ１＜２．０であり、Ｕ字状の彎曲状部材の直線部長さが、１０ｃｍ〜７０ｃｍであり、Ｕ字状の彎曲状部材の彎曲部長さの当該部材の板厚に対する比が２．５より大きいＵ字状の彎曲状部材を有することを特徴とする免震装置である。
なお、Ｕ字状の彎曲状部材の各部名称を図６に示し、次のように定義される。
接合部：上部構造及び下部構造との接合部であり、直線部端部との連結部も含む、直線部：Ｕ字状の彎曲状部材の接合部から互いに平行に伸びる直線部分、直線部の接合部側端部：直線部と接合部との境界、直線部の彎曲部側端部：直線部と彎曲部との境界、彎曲部：２つの直線部を結ぶ曲線部、彎曲部先端：彎曲部の頂点。彎曲部長さ：直線部の彎曲部端部から彎曲部先端までの長さ。
（１）Ｕ字状の彎曲状部材の直線部の接合側端部幅Ｗ２は彎曲部先端幅Ｗ１に対し、１．０＜Ｗ２/Ｗ１＜２．０になるように形成する。
（２）Ｕ字状の彎曲状部材の直線部長さＬ（接合部は除く）は、１０ｃｍ〜７０ｃｍの長さにする。
（３）Ｕ字状の彎曲状部材の彎曲部長さＲは板厚Ｔに対し、２．５＜Ｒ/Ｔになるように形成する。
本発明の第２の特徴は、前記第１の発明において、Ｕ字状の彎曲状部材を複数配置したことを特徴とする免震装置である。
本発明の第３の特徴は、前記第２の発明において、複数のＵ字状の彎曲状部材を平面的に等角度間隔をおいて配置したことを特徴とする免震装置である。  
本発明の第４の特徴は、前記第１〜第３発明のいずれか１つの発明において、弾塑性材料を鋼材とすることを特徴とする塑性履歴型の免震装置である。
【発明の効果】
【０００５】
本発明の免震装置によれば、従来の免震装置に比べると次のような利点を有している。
（１）本発明は、弾塑性材料からなる部材をＵ字状の彎曲状に成形することによって、地震時の水平変形によるＵ字状の彎曲状部材の曲げ応力が最大になる点を、水平変形量の変化によって部材内で移動させることができる。またＵ字状の彎曲状部材の断面形状及び部材形状を変化させることによって、地震時の水平変形によってＵ字状の彎曲状部材に生じる応力、歪みを部材内のある一部分に集中し累積しないようにするができる。
これによって、部材の歪みを受ける部分を部材全体に分散することができ、塑性化範囲を広げることによって、部材全体を効果的に使用して地震によるエネルギーを吸収させることができる。
（２）地震時の水平変形によって生じる部材の端部間距離の伸長は引張応力及び歪みを生じさせるが、彎曲部が直線状に伸びる事によって低減することができる。また、水平変形による部材の伸長，引張応力を部材の形状自体で吸収しているため、端部を固定条件によって機械的に複雑な構造にする必要がなく、装置の製造が容易になり、経済的な効果もある。
（３）Ｕ字状の彎曲状部材を成形する弾塑性材料を鋼材にした場合、彎曲状の形状は３次元的に複雑ではないため、冷間成形によって精度良く彎曲部を加工し、Ｕ字状の彎曲状部材を製造することができる。これによって、Ｕ字状の彎曲状部材の製造工程が容易になり、経済的な効果がある。
（４）本発明は、前記Ｕ字状の彎曲部材は、上部構造と下部構造との接合部と、前記両接合部から平行に伸びる直線部と、前記両直線部を結ぶ彎曲部により構成され、Ｕ字状の彎曲状部材の幅は彎曲部先端から直線部の接合部側端部に向かって漸次広幅となるように形成され、前記Ｕ字状の彎曲状部材の彎曲部先端幅Ｗ１と直線部の接合部側端部幅Ｗ２の関係が、１．０＜Ｗ２/Ｗ１＜２．０であり、Ｕ字状の彎曲状部材の直線部長さが１０ｃｍ〜７０ｃｍであり、Ｕ字状の彎曲状部材の彎曲部長さの当該部材の板厚に対する比が２．５より大きいＵ字状の彎曲状部材を成形することで、これまで知られているＵ字状の彎曲状部材が地震時に任意方向への水平変形した場合の性状における方向性の差を改善し、どの方向に対しても安定した復元力特性を得ることができる。また、Ｕ字状の彎曲状部材全体を効果的に塑性変形させて、設計要求に対して無駄なく効率的にＵ字状の彎曲状部材を形成することができる。
これらのＵ字状の彎曲状部材は、１個のＵ字状の彎曲状部材のみを上部構造と下部構造に夫々固定して使用しても、複数のＵ字状の彎曲状部材を配置して使用しても効果の大きな免震装置とすることができ、複数のＵ字状の彎曲状部材を使用する場合、平面的に等角度間隔をおいて配置することによりより効果の大きな免震装置とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
弾塑性材料をＵ字状の彎曲状の部材に成形することによって、塑性変形時に歪みが最大になる点を水平変形量の変化によって部材内で移動させ、部材の歪みを局部的に集中させず分散する。これによって部材の塑性化範囲が材軸方向の全域にわたるので、部材全体を効果的に使用して地震によるエネルギーを吸収させることができる。
図３の（ａ）に小地震時のＵ字状の彎曲状部材の歪み分布、図３の（ｂ）に中地震での歪み分布、図３の（ｃ）に大地震での歪み分布を示す。Ｕ字状の彎曲状部材の彎曲部の歪みを受ける部分が、中地震では、地震力による変形δ１の１/２の分が部材７の材軸方向へ移動する。大地震では、変形δ２の１/２の分だけ歪みを受ける部分が移動する。このように、地震時の水平変形量に応じて、歪みを受ける部分を部材全域に移動させ、部材全体を塑性化させることで、部材が効果的に地震エネルギーを吸収する。
【０００７】
地震時の水平変形が生じた場合、図４のように部材を彎曲に成形しているため、彎曲部が材軸方向に伸びることなく、直線状に変形することによって補うことができる。彎曲部が直線状に変形する部分が常に移動することによって、部材に生じる歪みを彎曲部の曲率程度の歪みに低減させる効果がある。
【０００８】
Ｕ字状の彎曲状の部材を成形する弾塑性材料は、鋼材を使用する例が多い。本発明においても、Ｕ字状の彎曲状部材を成形する弾塑性材料を鋼材にした場合、Ｕ字状の彎曲状部材の形状は環状型等のように３次元的に複雑ではないため、Ｕ字状の彎曲状部材を熱間成形あるいは熱間鍛造する必要はなく、冷間成形によって精度良く彎曲部を加工し、Ｕ字状の彎曲状部材を製造することができる。これによって、Ｕ字状の彎曲状部材の製造工程が容易になり、製造単価を安くすることができる。
【０００９】
地震時には、Ｕ字状の彎曲状部材は任意方向に水平変形を受ける。本発明においては、あらゆる水平方向の変形に対しても、Ｕ字状の彎曲状部材の力学的性状が変化せず、方向性を少なくすることができる。
図５、図６に示すように、Ｕ字状の彎曲状部材の彎曲部先端から直線部の接合部側端部までの幅を一定（Ｗ１＝Ｗ２）にした場合、面内０度方向と面外９０度方向の変形とでは、面外９０度方向の降伏せん断力が５０％も低下してしまう。
これは、変形方向が面内方向に一致しない（変形方向角度が０度を越える）と彎曲部先端および直線部が捩りによる変形に変わり、面内０度方向の曲げ剛性と釣り合いが取れていないためである。
よって、Ｕ字状の彎曲状部材の捩り剛性を増加させるために、Ｕ字状の彎曲状部材の直線部の接合部側端部幅Ｗ２と彎曲部先端幅Ｗ１の比Ｗ２／ＷＩを１よりも大きくすることで、耐力・剛性の低下を防ぎ、変形方向の方向性を少なくすることができる。
【００１０】
図７に実験結果を示す。前述のＷ１：Ｗ２の比を１：１．３５にした場合、降伏せん断力は、面内０度方向が３．０ｔｏｎｆに対し面外９０度方向は２．８ｔｏｎｆであり、７％しか低下しておらず、方向性による差があまり生じていない。同様に、１次剛性も、２．０ｔｏｎｆ／ｃｍ〜１．２ｔｏｎｆ／ｃｍの範囲にあり、ほぼ同等の性能となっている。
このように、彎曲部先端幅Ｗ１の直線部の接合部側端部幅Ｗ２に対する比を１より大きくすることで、変形方向性を生じさせないようにすることができる。
この比を２よりも大きくした場合、Ｕ字状の彎曲状部材の彎曲部先端は、相対的に部材が細くなっている分弱くなっているため歪みが集中し、地震時の面内方向の変形に対して、図８（ａ）のように変形せず、図８（ｂ）のように彎曲部先端に歪みが集中し部材の変形が激しくなってしまい、疲労特性に問題が生じる。
また、Ｕ字状の彎曲状部材を成形するときに、Ｕ字状の彎曲状部材の材料の歩留まりが悪くなり経済性に劣る。
【００１１】
Ｕ字状の彎曲状部材の直線部の接合部側端部幅Ｗ２と彎曲部先端幅Ｗ１の比率を選択することにより、地震時にＵ字状の彎曲状部材が受ける任意方向への水平変形に対し、歪みがＵ字状の彎曲状部材の常に特定の部分に集中するのではなく、歪みを部材内で分散させ、Ｕ字状の彎曲状部材全体を効果的に利用し地震のエネルギーを吸収させることができる。
図９に実験結果を示す。加力方向によって破断位置が変化しており、面内０度方向においては、振幅によっても破断位置が変化している。このことは、地震時の変形に対し、部材全体で効果的にエネルギー吸収していることを示している。
【００１２】
地震時のＵ字状の彎曲状部材の変形は、Ｕ字状の彎曲状部材の曲げ変形と捩り変形によって追従するようにし、材軸方向への過剰な引張応力がかからないようにするためには、Ｕ字状の彎曲状部材の全長が地震時の変形量に対し十分な長さがなければならない。Ｕ字状の彎曲状部材の直線部の長さは、地震時の変形に追従できるためのＵ字状の彎曲状部材の長さを確保するために必要である。
また、Ｕ字状の彎曲状部材の全体に歪みを分散させてエネルギーを吸収する場合、直線部の長さは、塑性変形させてエネルギーを吸収する長さである。地震時の変形量によってＵ字状の彎曲状部材の直線部を最適な長さにすることで、無駄なく効果的にエネルギーを吸収させることができる。
【００１３】
昨今の免震装置における地震時の最大変形（レベル２：建物の耐用年限中に一度遭遇するかもしれない程度の地震動）の調査結果として、日本建築センター発行のビルデイングレター１９９８年１月号から１９９８年５月号まで掲載された、免震建築物の日本建築センター評定完了分を、図１０に示す。
結果として、１０〜５０ｃｍ位までが多く、免震建築物の変形量は、年々増加していることから、彎曲状部材の直線部長さを１０ｃｍ〜７０ｃｍまで確保することで、十分に地震時の変形に対応することができる。
【００１４】
図１１に、Ｕ字状の彎曲状部材の直線部長さをＬ＝１５０ｍｍ（ＣＡＳＥ１）とＬ＝３００ｍｍ（ＣＡＳＥ２）にした場合の疲労実験結果を示す。同一の振幅において、Ｌ＝１５０ｍｍ（ＣＡＳＥ１）の方がＬ＝３００ｍｍ（ＣＡＳＥ２）の破断回数が少ない。これは、Ｕ字状の彎曲状部材の長さを長くすることで、変形が大きくなっても追従できる長さに余裕があり、疲労特性も向上することを示している。
例えば、Ｕ字状の彎曲状部材に要求される性能として、２０回で破断する振幅が２０ｃｍで良ければ、直線部長さＬ＝１５０ｍｍ（ＣＡＳＥ１）にする。２０回で破断する振幅が３０ｃｍまで必要であれば、直線部長さＬ＝３００ｍｍ（ＣＡＳＥ２）にする。このようにして、要求される性能によって無駄なく効果的にＵ字状の彎曲状部材を成形することができる。
【００１５】
地震時の部材の変形による歪みは、板厚が厚いほど大きくなり、とくに面内０度方向に関しては、彎曲部が直線的に変形するので、彎曲部長さＲと板厚Ｔの比率つまり彎曲部の曲率半径が大きいと疲労特性が悪くなる。よって彎曲部長さＲと板厚Ｔの比率を決めることで、Ｕ字状の彎曲状部材の疲労特性の低下を防ぐことができる。
例えば、０度方向の振幅±２０ｃｍ繰り返し加力実験において、Ｒ／Ｔ＝３．１３のときの破断回数は６回、Ｒ／Ｔ＝４．１４のときの破断回数は１８回であった。Ｒ／Ｔが約１．０変わるだけでＵ字状の彎曲状部材の疲労特性に大きく影響し、破断回数は３倍に増加する。
また、彎曲部長さＲと板厚Ｔの比率Ｒ／Ｔ＝２．５よりも小さくなると、彎曲部の曲率は、１／４よりも大きくなり、面内方向の変形では、彎曲部が直線状になって板厚方向の表面の歪みが２５％の歪みを受けることとなる。例えば、Ｕ字状の彎曲状部材が鋼材の場合は、Ｕ字状の彎曲状部材が地震時に最大２５％の歪みを受けた場合、図１２に示す鋼材の疲労特性から判断して、１回の地震で破断してしまう。よって、彎曲部長さＲと板厚Ｔの比率Ｒ／Ｔは２．５よりも大きくする必要がある。
【００１６】
図１３は、複数のＵ字状の彎曲状部材を平面的に等角度間隔をおいて配置した塑性履歴型の免震装置としたことを示す。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】減衰機構を構成する部材が直棒型の場合に、地震時の水平変形によって部材に生じる曲げモーメント図及び変形図である。
【図２】減衰機構を構成する部材が直棒型の場合に、地震時の水平変形によって部材に生じる部材長手方向の伸び変形図である。
【図３】減衰機構を構成する部材が彎曲状の場合に、地震時の水平変形によって部材に生じる曲げモーメント図の一例である。
【図４】減衰機構を構成する部材が彎曲状の場合に、地震時の水平変形によって部材に生じる部材長手方向の伸び変形図である。
【図５】Ｕ字状の彎曲状部材の図および、これの変形時の復元特性を示す図である。
【図６】Ｕ字状の彎曲状部材を側面図と平面図で示し、各部に名称を付して示す図である。
【図７】本発明に係るＵ字状の彎曲状部材を用いた復元特性、加力方向と降伏せん断力および剛性に関する実験結果を示す図である。
【図８】疲労特性に影響する彎曲状部材の変形の諸状態を示す説明図である。
【図９】本発明のＵ字状の彎曲状部材における加力方向および振幅と破断位置との関係の実験結果を示す図である。
【図１０】免震建築物の地震時の最大相対変形の調査結果を示す図である。
【図１１】Ｕ字状の彎曲状部材の直線変形と疲労特性との関係の実験結果を示す図である。
【図１２】図１１の疲労実験結果における歪み振動と破断回数との関係を示す図である。
【図１３】減衰機構を構成する複数のＵ字状の彎曲状部材を組み合わせ配置した図である。
【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】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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