(57)【要約】【課題】  構造物の変位を抑制しつつ構造物に作用する地震力を軽減する。【解決手段】  水平方向に間隔をあけて配置され、構造物２を搭載して水平方向に移動可能に支持する複数の支持機構３と、該支持機構３の水平振動を長周期化する水平振動復元機構および減衰させる水平振動減衰機構４とを備えるとともに、前記構造物２を前記支持機構３に浮上可能に載置し、構造物２に加わる水平方向の振動を鉛直方向の振動に変換する免震システム１を提供する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平方向に間隔をあけて配置され、構造物を搭載して水平方向に移動可能に支持する複数の支持機構と、該支持機構の水平振動を長周期化する水平振動復元機構および減衰させる水平振動減衰機構とを備えるとともに、
前記構造物を前記支持機構に浮上可能に載置し、構造物に加わる水平方向の振動を鉛直方向の振動に変換することを特徴とする免震システム。
【請求項２】
前記支持機構に、構造物を載置可能な載置台と、該載置台に構造物が載置されている状態において構造物を上方に押圧するバネ要素とが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の免震システム。
【請求項３】
前記バネ要素による押圧力が構造物の浮上で解放されると、直ちにバネ要素の解放をロックする機構を備え、そのロック位置を調節可能であることを特徴とする請求項２に記載の免震システム。
【請求項４】
前記載置台が、その高さを調節可能であることを特徴とする請求項３に記載の免震システム。
【請求項５】
前記支持機構と前記構造物との間に、構造物の鉛直方向の振動を減衰させる鉛直振動減衰機構が設けられていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の免震システム。
【請求項６】
前記構造物の変位に応じて質量要素を回転させる回転慣性機構を備えることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の免震システム。
【請求項７】
前記構造物の水平方向の変位を拘束していて、構造物に地震力が加わったときにその拘束を解除するよう機能するトリガー機構を備えることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の免震システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は免震システムに関し、特に、変位抑制型免震システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
地震から人命や家屋、家財を守るとともに、柱や梁の配置など構造に対する制約を少なくして自由な設計を可能にした免震住宅や、地震の揺れから収納品の落下、破損を防ぎ、地震直後の機能維持を狙いとした免震ラックなどに代表される免震システムが普及しつつある。
この種の免震システムは、一般に、家屋やラックなどの構造物をボールベアリング等により水平方向にスライド可能に支持し、円錐状の皿の傾斜、コイルバネ、ゴム等を利用して地震時の揺れを長周期化することによって、構造物に作用する地震力を軽減している。また、地震時の揺れを長周期化すると、移動量が大きくなるために、摩擦ダンパーやオイルダンパー等の減衰要素を用いて移動量が過大になることを抑制している。
【０００３】
また、地震の横揺れおよび縦揺れの両方に対処するために、積層ゴムからなる水平方向の免震機構に加えて、空気バネや板バネからなる鉛直方向の免震機構を備えた免震装置も提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開平９−１９５５７３号公報（図１等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の免震住宅に備えられる免震装置は、免震性能を確保するために、水平方向に±３０ｃｍ程度の移動量が必要である。この場合に、移動領域内への立ち入りを禁止するためには片側６０ｃｍ以上のカバーを設ける必要があり、その結果、カバーの先端が移動する範囲まで含めると、建物の周囲に全周にわたって渡り幅が９０ｃｍのデッドスペースを確保する必要があるという不都合がある。このようなデッドスペースを確保することは一般には困難であり、免震装置を適用できる住宅が限定されてしまうことになる。また、このように大きく移動する建物は、本来であれば倒壊を防ぐことが必要な道路に面した建物には適用することができない。
また、このように構造物を大きく水平移動させる免震装置は、商品を陳列するラックのように、その近くまで人が近接する構造物には適用することができないという欠点がある。
【０００５】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、構造物の変位を抑制しつつ構造物に作用する地震力を軽減することができる免震システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、水平方向に間隔をあけて配置され、構造物を搭載して水平方向に移動可能に支持する複数の支持機構と、該支持機構の水平振動を長周期化する水平振動復元機構および減衰させる水平振動減衰機構とを備えるとともに、前記構造物を前記支持機構に浮上可能に載置し、構造物に加わる水平方向の振動を鉛直方向の振動に変換することを特徴とする免震システムを提供する。
【０００７】
この発明によれば、地震の際に、地面が水平方向に振動すると、支持機構の作動により、構造物が地面に対して相対的に水平移動させられる。すなわち、地面が振動しても、支持機構が作動することによって、構造物に伝達される地面の地震力が低減され、免震されることになる。
【０００８】
この場合において、地面に対する構造物の相対的な水平移動で水平振動減衰機構が作動すると、相対的な移動が抑制され、構造物にブレーキがかかる。すなわち、地震により発生した地面と構造物との相対的な変位は小さくできるが、構造物の慣性力の低減は少なくなる。
【０００９】
この慣性力に対し、支持機構は水平方向に間隔をあけて配置されているので、慣性力が大きくなると支持機構には交互に引抜力が作用する。ここで、構造物は、支持機構の上に浮上可能に載置されているので、片側端部をもう片側の支持機構に対して浮き上がらせることにより、構造物に加わる水平方向の振動を鉛直方向の振動に変換することが可能となる。
【００１０】
その結果、鉛直方向の振動に変換された分だけ、水平方向の振動が低減され、構造物が水平方向に免震されることになる。したがって、構造物の水平方向の移動量を低減して、大きな水平免震が可能となり、構造物周囲に設けられるデッドスペースの幅を小さくすることができる。
【００１１】
上記発明においては、前記支持機構に、構造物を載置可能な載置台と、該載置台に構造物が載置されている状態において構造物を上方に押圧するバネ要素とが設けられていることが好ましい。
構造物を上方に押圧するバネ要素を設けておくことにより、構造物を浮き上がらせるタイミングを早めることができる。その結果、地震発生から早期に構造物を浮上させて、水平方向の応答量をより低減することが可能となる。
【００１２】
上記発明においては、前記バネ要素の押圧力が構造物の浮上で解放されると、直ちにバネ要素の解放をロックする機構を備え、そのロック位置を調節可能であることとしてもよい。
このようにすることで、構造物の水平振動エネルギをバネ要素でほとんど吸収することなく、鉛直振動エネルギに変換することができる。また、ロック位置を調節することで、バネ要素のエネルギと鉛直振動エネルギの吸収配分を最適化し、最も効率的に水平振動エネルギを鉛直振動エネルギに変換することができる。
また、上記発明においては、前記載置台が、その高さを調節可能であることとしてもよい。載置台の高さを調節することにより、バネ要素から構造物に加える押圧力を簡易に調節することができる。このように押圧力を調整することで、構造物を浮上させるタイミングを調節することができる。また、構造物の周囲に設けることができるデッドスペースの広さに応じて調整することとしてもよい。
【００１３】
また、上記発明においては、前記支持機構と前記構造物との間に、構造物の鉛直方向の振動を減衰させる鉛直振動減衰機構が設けられていることとしてもよい。
鉛直振動減衰機構の作動により、水平方向の振動から変換された鉛直方向の振動エネルギを吸収し、着底時の衝撃を抑制することが可能となる。
【００１４】
さらに、上記発明においては、前記構造物の変位に応じて質量要素を回転させる回転慣性機構を備えることとすれば効果的である。
回転慣性機構の作動により、見かけの重量を増大させて、構造物に加わる地震力を低減することができる。
【００１５】
また、上記発明においては、前記構造物の水平方向の変位を拘束していて、構造物に地震力が加わったときにその拘束を解除するよう機能するトリガー機構を備えることにしてもよい。
トリガー機構により、地震発生前の通常状態においては、構造物が水平移動しないように固定され、安定した状態に保持される。一方、地震発生時には、トリガー機構による拘束が解放されることにより、構造物の変位が許容され、振動が抑制される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、構造物の水平方向の振動を抑制した分だけ、鉛直方向の振動に変換することにより、構造物を水平方向に免震することができる。その結果、構造物の水平方向の移動量を低減して、構造物周囲に設けられるデッドスペースの幅を小さくすることができるという効果がある。特に、水平方向の移動量を低減しつつ免震できるので、道路に面した建造物や免震ラックの免震システムに適用することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態に係る免震システム１について、図１〜図６を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る免震システム１は住宅等の建造物２に適用されるシステムであって、図１に示されるように、地面Ｅと建造物２との間に配置され、建造物２を載置して支持する支持機構３と、建造物２の水平方向の振動を復元・減衰させる水平振動復元・減衰機構４と、回転慣性機構５とから構成されている。
【００１８】
前記支持機構３は、例えば、建造物２の四隅に、水平方向に間隔をあけて配置されている。この支持機構３は、図２に示されるように、地面Ｅ上においてボール６を転がすことにより水平移動可能なボールスライダ７と、該ボールスライダ７の上部に設けられ、建造物２を載置する載置台８と、前記ボールスライダ７と建造物２との間に配置されたコイルバネ９と、同じくボールスライダ７と建造物２との間に配置された粘弾性ダンパー１０とを備えている。
【００１９】
前記載置台８は、例えば、鋼管の上下に鋼製のフランジ（図示略）を溶接することにより構成されたベース１１と、該ベース１１の上側フランジに上下に形成された雌ネジ（図示略に螺合する雄ネジ１２を有する昇降台１３とを備えている。昇降台１３は、ベース１１の雌ネジに対して雄ネジ１２を回転させることにより、上下方向に移動可能に構成されている。また、図中符号１４はナットであり、昇降台１３をベース１１に対して任意の高さ位置に固定することができるようになっている。また、図中符号１５は、昇降台１３の上面に配置されたゴムパッドある。
【００２０】
前記コイルバネ９は、建造物２が載置台８に載置されているときに圧縮状態となって、建造物２に対し上方に押圧力を加えるようになっている。また、建造物２の浮上で押圧力が解放されるとコイルバネ９の若干の戻りを許容した後に、ロック機構９′でそれ以上の解放をロックするようになっている。
また、前記粘弾性ダンパー１０は、ボールスライダ７の上部に固定された２枚一対の平行間隔をあけた平行平板１６と、これら平行平板１６の間に挿入配置され、建造物２に固定された平板部材１７と、これら平行平板１６と平板部材１７との間に充填された粘弾性体１８とから構成されている。粘弾性ダンパー１０は、図２の例では、ボールスライダ７上に２カ所設置されている。平行平板１６は、リブ１９によってボールスライダ７上において補強されており、ボールスライダ７と建造物２との水平方向の相対的な位置を固定することができるようになっている。
【００２１】
本実施形態に係る免震システム１においては、建造物２が載置台８上に浮上可能に載置されている。すなわち、建造物２と載置台８とは上下方向に切り離されている。これにより、建造物２に上向きの力が作用したときには、建造物２は載置台８から浮上することができるようになっている。
【００２２】
前記水平振動復元・減衰機構４は、複数のボールスライダ６のそれぞれに設けられ、地面Ｅに固定されたブラケット２０と、ボールスライダ７との間に設けられ、ボールスライダ７の水平方向の変位に応じてその変位と逆方向に復元する復元力を発生するバネ２１と、ボールスライダ７の水平方向の移動速度に応じて、その移動を制限する方向に減衰力を発生させるダッシュポット２２とから構成されている。地震によりボールスライダ７が水平方向に振動させられると、バネ２１およびダッシュポット２２の作動により、その振動が減衰させられるようになっている。すなわち、各ボールスライダ７の自由な水平移動が制限されるようになっている。
【００２３】
前記回転慣性機構５は、例えば、図３に示されるように、地面Ｅに固定されたブラケット２３に、任意の方向に揺動自在に取り付けられた軸受ブロック２４と、該軸受ブロック２４によってその長手軸線回りに回転自在に支持されたボールネジ２５と、建造物２に固定されたブラケット２６に、揺動自在に取り付けられ、前記ボールネジ２５に螺合するナット２７と、前記ボールネジ２５に一体的に取り付けられた鋼製の円板２８とを備えている。
【００２４】
ここで、回転慣性機構５の作用について説明する。
地震によって建造物２と地面Ｅとの間に相対変位が生ずると、地面Ｅに固定されているブラケット２３と建造物２に固定されているブラケット２６との間の距離が変化するので、ナット２７がボールネジ２５の長手方向に沿って移動させられる。これにより、ボールネジ２５はその長手軸線回りに回転させられるので、ボールネジ２５に固定されている円板２８が長手軸線回りに回転させられる。その結果、建造物２と地面Ｅとの相対変位に基づいて円板２８が回転させられることになり、円板２８の慣性量に応じて、建造物２の見かけ上の質量が増加する効果が生ずる。
【００２５】
すなわち、図１に示されるシステムを、図４に示されるように簡略化して考えると、回転慣性機構５が存在しない場合のシステムの運動方程式は、以下の通りである。
【００２６】
【数１】
2006016935.tif 000003
【００２７】
一方、回転慣性機構が存在する場合には、建造物と地面とが相対変位したときに円板が回転して、その慣性量による加速度項が発生するので、この慣性量を建造物と地面との相対変位の方向に移動する質量に換算すると、質量Δｍが付加されることになる。この質量Δｍは、円板が回転することのみによって発生するので、地震加速度項には寄与しない。したがって、システムの運動方程式は、以下の通りとなる。
【００２８】
【数２】
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【００２９】
すなわち、式（１）と式（２）とを比較すると、回転慣性機構５の作動により、地震加速度項の係数がｍ／（ｍ＋Δｍ）となり、建造物２に作用する慣性力が小さくなり、見かけ上地震加速度が低減されることがわかる。
【００３０】
このように構成された本実施形態に係る免震システム１の作用について、以下に説明する。
水平方向に振動する地震が発生すると、各支持機構３を構成しているボールスライダ７のボール６が地面Ｅに対して転がることにより、地面Ｅからの振動が直接建造物２に伝達されないように建造物２を地面Ｅに対して相対的に変位させる。すなわち、地面Ｅが振動しても、建造物２はボールスライダ７を地面Ｅに対して相対移動させることにより免震される。
【００３１】
この場合において、各支持機構３には水平振動減衰機構４が設けられているので、地面Ｅと建造物２との相対変位や相対速度が大きくなると、水平振動減衰機構４の作動によって、相対変位が抑制され建造物２にはブレーキが作用する。このため、地面Ｅに対する建造物２の水平方向に沿う相対変位は制限されるが、建造物２に作用する慣性力の低減も制限される。
【００３２】
この慣性力Ｐが大きくなると支持機構には引抜力が作用する。すなわち、図５に示されるように、支持位置から上方に距離Ｒだけ離れた重心位置には、Ｐ×Ｒの転倒モーメント力が作用する。また、各支持機構３には建造物２の重量を分配した自重Ｑが作用し、支持機構３は水平方向に間隔Ｈをあけて配置されているので、Ｑ×Ｈの復元モーメントが作用する。このため、以下の式が成立するときに建造物２が支持機構３の載置台８から浮上することになる。
Ｐ×Ｒ≧Ｑ×Ｈ          （３）
【００３３】
この場合において、本実施形態に係る免震システム１によれば、建造物２を上方に押圧するコイルバネ９が支持機構３に設けられているので、載置台８にかかる荷重Ｑが低減されている。したがって、建造物２は、比較的小さい慣性力Ｐが作用しても、上記式（３）の条件を満たすことになり、図６に示されるように載置台８から浮上する。そして、建造物２が載置台８から浮上すると、コイルバネ９は伸びるがロック機構９′で伸びが制限されることになる。また、粘弾性ダンパー１０の作動により、建造物２の浮上が抑制されるとともに、着底時の衝撃が緩和されることになる。
【００３４】
すなわち、本実施形態に係る免震システム１は、地面Ｅに対して支持機構３を水平方向に相対移動させることにより、建造物２を免震する一方で、水平振動減衰機構４を作動させることにより、建造物２の水平方向の変位を抑制し、その抑制した分、低減が制限される水平方向の慣性力で、建造物２の片側を浮上させるものである。建造物２を浮上させることで、振動に対する応答性を低下させ、水平方向の変位を抑制しつつ免震することができる。
【００３５】
また、本実施形態に係る免震システム１では、載置台８の高さを任意に調節することができるので、載置台８の高さを低くすることでコイルバネ９による押圧力を増大させて、荷重Ｑをさらに低減し、建造物２をさらに浮上しやすくすることができる。また、載置台８の高さを高くすることで、押圧力を低減させて、荷重Ｑを大きくし、浮上しにくくすることもできる。すなわち、コイルバネ９による押圧力を調節することにより、建造物２の浮上のタイミングを調節することができるので、想定される地震力や建造物２の重量に応じて設定することにより、建造物２の安定性と免震とを両立することができる。
また、回転慣性機構５の作動により、建造物２に加わる地震力自体を低減することができるので、さらに効率的に免震することができる。
【００３６】
また、粘弾性ダンパー１０およびゴムパッド１５の作動により、建造物２が載置台８に着地する際の衝撃を低減することができる。
【００３７】
なお、本実施形態に係る免震システム１においては、免震対象構造物として建造物を例に挙げて説明したが、商品を陳列するラックその他の構造物に適用することも可能である。また、支持機構３に設けたバネ要素としてコイルバネ９を例に挙げて説明したが、これに代えて、図７、図８に示されるような板バネ２９，３０や皿バネを採用してもよい。また、この場合、板バネ２９，３０は、図９に示されるように、載置台８の周囲に放射状に配置することにより、全方向の変位に対応できるので効果的である。
【００３８】
また、ボールスライダ７とこれに取り付けられるバネ２１、ダッシュポット２２とを採用したが、これに代えて、図１０に示されるように、積層ゴム３１により水平方向の変位を許容しつつ水平振動の減衰効果を発揮させることにしてもよい。また、これに代えて、図１１に示されるように、中央の窪んだ凹面を有する２枚の皿状部材３２，３３の間にボール３４を挟んで、水平方向の変位を許容しつつ、ボール３４を凹面内で転がすことにより、復元力を発揮させることにしてもよい。
【００３９】
さらに、載置台８の上面に設けたゴムパッド１５に代えて、柱状の硬質ゴムを２枚の鋼製フランジで挟んだ形態の載置台（図示略）を採用してもよい。
また、図１２に示されるようなトリガー機構３５を併設してもよい。このトリガー機構３５は、地面Ｅおよび建造物２にそれぞれ固定した筒状のブラケット３６，３７内に、シアピン３８を挿入配置したものである。地震発生前の通常時には、シアピン３８によって建造物２が地面Ｅに対して相対移動しないように固定されている。地震発生時には、シアピン３８を破断させることにより、拘束を解放して、建造物２と地面Ｅとが相対的に変位できるようにする。これにより、通常時における建造物２の変位を抑制して安定させ、地震発生時には免震機能を発揮させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】この発明の一実施形態に係る免震システムを示す概略図である。
【図２】図１の免震システムを構成する支持機構を示す正面図である。
【図３】図１の免震システムを構成する回転慣性機構を示す正面図である。
【図４】図１の免震システムの簡略モデルを示す模式図である。
【図５】図１の免震システムにおいて構造物の浮上を説明する模式図である。
【図６】図２の支持機構において構造物が浮上した状態を示す正面図である。
【図７】図２の支持機構の変形例を示す正面図である。
【図８】図７の支持機構に用いられる板バネの変形例を示す正面図である。
【図９】図７または図８の板バネの配置を示す平面図である。
【図１０】図２の支持機構の他の変形例を示す正面図である。
【図１１】図２の支持機構の他の変形例を示す正面図である。
【図１２】図１の免震システムに用いられるトリガー機構の一例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１  免震システム
２  建造物（構造物）
３  支持機構
４  水平振動復元・減衰機構（水平振動復元機構、水平振動減衰機構）
５  回転慣性機構
８  載置台
９  コイルバネ（バネ要素）
１０  粘弾性ダンパー（鉛直振動減衰機構）
２８  質量要素
２９，３０  板バネ（バネ要素）
３５  トリガー機構
【図１】
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【図２】
2006016935.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図５】
2006016935.tif 000009
【図６】
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【図７】
2006016935.tif 000011
【図８】
2006016935.tif 000012
【図９】
2006016935.tif 000013
【図１０】
2006016935.tif 000014
【図１１】
2006016935.tif 000015
【図１２】
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