(57)【要約】【課題】限られた免震空間において、大地震による構造物の応答変位を十分に抑制できる減衰装置を提供する。【解決手段】地盤と構造物（１００）との間に介在され構造物を免震支持する免震装置を構成する減衰装置（１）であって、地盤側に固定されて水平方向に延在し鉛直方向に所定間隔をおいて設けられた外側円盤（５０、５１）と、水平方向に延在し鉛直方向に所定間隔をおいて設けられ前記円盤と重なった状態で交互に配置された内側円盤（５２）、及び鉛直方向に延在する内側円筒板（５５、５６）を有し、地盤側に対して水平方向に摺動可能な移動体（７０）と、構造物側に固定されて鉛直方向に延在し前記円筒板と重なった状態で配置された外側円筒板（５８）とを備え、両円盤間及び両円筒板間にせん断抵抗力を作用するための化学的に安定した粘性を有する流体をそれぞれ介在してなる。【選択図】        図１
2004286052.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地盤と構造物との間に介在され構造物を免震支持する免震装置を構成する減衰装置であって、
前記地盤側に固定されて水平方向に延在し鉛直方向に所定間隔をおいて設けられた複数の第１水平板状部材と、
前記構造物側に固定されて水平方向に延在し鉛直方向に所定間隔をおいて設けられ前記第１水平板状部材と重なった状態で交互に配置された複数の第２水平板状部材とを備え、
第１水平板状部材と第２水平板状部材との間にせん断抵抗力を作用するための化学的に安定した粘性を有する流体を前記第１水平板状部材と前記第２水平板状部材との間隙に介在してなることを特徴とする減衰装置。
【請求項２】
地盤と構造物との間に介在され構造物を免震支持する免震装置を構成する減衰装置であって、
前記地盤側に固定されて鉛直方向に延在する第１鉛直板状部材と、
前記構造物側に固定されて鉛直方向に延在し前記第１鉛直板状部材と重なった状態で配置された第２鉛直板状部材とを備え、
第１鉛直板状部材と第２鉛直板状部材との間にせん断抵抗力を作用するための化学的に安定した粘性を有する流体を前記第１鉛直板状部材と前記第２鉛直板状部材との間隙に介在してなることを特徴とする減衰装置。
【請求項３】
地盤と構造物との間に介在され構造物を免震支持する免震装置を構成する減衰装置であって、
前記地盤側に固定されて水平方向に延在し鉛直方向に所定間隔をおいて設けられた複数の第１水平板状部材と、
水平方向に延在し鉛直方向に所定間隔をおいて設けられ前記第１水平板状部材と重なった状態で交互に配置された複数の第２水平板状部材、及び鉛直方向に延在する第１鉛直板状部材を有し、前記地盤側に対して水平方向に摺動可能な移動体と、
前記構造物側に固定されて鉛直方向に延在し前記第１鉛直板状部材と重なった状態で配置された第２鉛直板状部材とを備え、
第１水平板状部材と第２水平板状部材との間、及び第１鉛直板状部材と第２鉛直板状部材との間にせん断抵抗力をそれぞれ作用するための化学的に安定した粘性を有する流体を前記第１水平板状部材と前記第２水平板状部材との間隙、及び前記第１鉛直板状部材と前記第２鉛直板状部材との間隙にそれぞれ介在してなることを特徴とする減衰装置。
【請求項４】
前記地盤側に固定され上方が開口し、内部に前記第１水平板状部材又は前記第１鉛直板状部材が配置された第１筒状体と、
前記構造物側において下方が開口し水平方向及び鉛直方向に適宜間隔を隔てて前記第１筒状体の外周面を囲繞する第２筒状体とを備え、
前記第１筒状体の外周部と前記第２筒状体の内周部とは、前記両筒状体の内部が連通しつつ気密となるようにシート部材によって連結されてなることを特徴とする空気バネと組み合わせられる、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の減衰装置。
【請求項５】
前記移動体は、前記地盤側に対して鋼球を介在してなることを特徴とする請求項４に記載の減衰装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、粘性流体のせん断抵抗力を利用した、２次元ないしは３次元の自由度を有する減衰装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、地震は、地盤に水平な２方向、及び地盤に鉛直な１方向の３次元の自由度において発生する。従って、柔らかいバネを建物等の基礎下部に設置して建物等の固有周期を長くし、地震に対する当該建物等の応答加速度を低減させれば、作用する慣性力は小さくなり、建物等の設計上有利になる。この際、建物等の応答変位は逆に大きくなるため、これを抑制する減衰装置が適用される。柔らかいバネと減衰装置とを合わせて免震装置と称されている。
【０００３】
中小地震に対しては、建物等に作用する慣性力が小さいため、金属間の摩擦抵抗等を利用した軽微な減衰装置でも、当該建物等の応答変位に対する抑制機能は十分である（例えば、特許文献１参照。）。一方、大地震に対しては、対向する基板面の間に粘性流体を介在させて、この粘性流体の大きなせん断抵抗力によって当該建物等の応答変位を抑制させる方法が効果的である。
【０００４】
上記のような粘性流体のせん断抵抗力を利用した従来の免震方法では、地盤に対して水平方向の免震と鉛直方向の免震とに対して別々の免震装置が対応していた。水平免震においては、１枚の抵抗板が、粘性流体で充填された粘性流体容器の底面と対向する構成が用いられ、鉛直免震においては、軟塑性体ダンパや鉛押出し型ダンパといった、ピストンとシリンダとから構成されるダンパが用いられていた。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−５０３３６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、大地震に対応する場合、上記の１枚の抵抗板と粘性流体容器の底面との間の単層の粘性流体に発生するせん断抵抗力のみでは、減衰装置の設置面積当たりの減衰効率が低いという問題点があった。また、ピストン・シリンダ型ダンパの鉛直減衰装置は１基あたりの減衰力が小さいために、大地震に対応するためには多数の減衰装置を配設しなければならない。しかし、免震層の限られた空間内には十分な数の減衰装置を配設できないという問題点もある。
本発明はかかる課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、限られた免震空間において、大地震による構造物の応答変位を十分に抑制できる減衰装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は、地盤と構造物との間に介在され構造物を免震支持する免震装置を構成する減衰装置であって、前記地盤側に固定されて水平方向に延在し鉛直方向に所定間隔をおいて設けられた複数の第１水平板状部材と、前記構造物側に固定されて水平方向に延在し鉛直方向に所定間隔をおいて設けられ前記第１水平板状部材と重なった状態で交互に配置された複数の第２水平板状部材とを備え、第１水平板状部材と第２水平板状部材との間にせん断抵抗力を作用するための化学的に安定した粘性を有する流体を前記第１水平板状部材と前記第２水平板状部材との間隙に介在してなることを特徴とする。
【０００８】
このような減衰装置によれば、前記地盤が水平方向に振動すると、前記複数の第１水平板状部材に対して前記複数の第２水平板状部材が相互に面方向に沿って振動し、当該両水平板状部材の間隙に介在し複数層をなす前記流体にせん断抵抗力が発生する。当該せん断抵抗力は、当該振動によって前記構造物に作用する慣性力を相殺する向きに作用するために、当該構造物の応答変位を抑制することができる。ここで、当該せん断抵抗力は、当該流体の当該複数層分だけ足し合わされてなるため、当該両水平板状部材の数を鉛直方向に増やして当該流体の層数を増やせば、限られた設置面積における水平減衰効果を高めることができる。
【０００９】
また、本発明は、地盤と構造物との間に介在され構造物を免震支持する免震装置を構成する減衰装置であって、前記地盤側に固定されて鉛直方向に延在する第１鉛直板状部材と、前記構造物側に固定されて鉛直方向に延在し前記第１鉛直板状部材と重なった状態で配置された第２鉛直板状部材とを備え、第１鉛直板状部材と第２鉛直板状部材との間にせん断抵抗力を作用するための化学的に安定した粘性を有する流体を前記第１鉛直板状部材と前記第２鉛直板状部材との間隙に介在してなることを特徴とする。
【００１０】
このような減衰装置によれば、前記地盤が鉛直方向に振動すると、前記第１鉛直板状部材に対して前記第２鉛直板状部材が相互に面方向に沿って振動し、当該両鉛直板状部材の間隙に介在する前記流体にせん断抵抗力が発生する。当該せん断抵抗力は、当該振動によって前記構造物に作用する慣性力を相殺する向きに作用するために、当該構造物の応答変位を抑制することができる。ここで、当該せん断抵抗力は、当該両鉛直板状部材の間隙に介在する前記流体の層数だけ足し合わされてなるため、当該両鉛直板状部材の数を水平方向に増やして当該流体の層数を増やせば、限られた設置高さにおける鉛直減衰効果を高めることができる。
【００１１】
また、本発明は、地盤と構造物との間に介在され構造物を免震支持する免震装置を構成する減衰装置であって、前記地盤側に固定されて水平方向に延在し鉛直方向に所定間隔をおいて設けられた複数の第１水平板状部材と、水平方向に延在し鉛直方向に所定間隔をおいて設けられ前記第１水平板状部材と重なった状態で交互に配置された複数の第２水平板状部材、及び鉛直方向に延在する第１鉛直板状部材を有し、前記地盤側に対して水平方向に摺動可能な移動体と、前記構造物側に固定されて鉛直方向に延在し前記第１鉛直板状部材と重なった状態で配置された第２鉛直板状部材とを備え、第１水平板状部材と第２水平板状部材との間、及び第１鉛直板状部材と第２鉛直板状部材との間にせん断抵抗力をそれぞれ作用するための化学的に安定した粘性を有する流体を前記第１水平板状部材と前記第２水平板状部材との間隙、及び前記第１鉛直板状部材と前記第２鉛直板状部材との間隙にそれぞれ介在してなることを特徴とする。
このような減衰装置によれば、１基で３次元の応答変位に対する減衰ができる。
【００１２】
また、前記地盤側に固定され上方が開口し、内部に前記第１水平板状部材又は前記第１鉛直板状部材が配置された第１筒状体と、前記構造物側において下方が開口し水平方向及び鉛直方向に適宜間隔を隔てて前記第１筒状体の外周面を囲繞する第２筒状体とを備え、前記第１筒状体の外周部と前記第２筒状体の内周部とは、前記両筒状体の内部が連通しつつ気密となるようにシート部材によって連結されてなる空気バネと組み合わせられてもよい。
こうして、前記第１筒状体と第２筒状体と前記シート部材とで画成される空気が３次元的な弾性を帯びた空気バネとなり、当該空気バネは３次元免震の主要な機構を担う。
【００１３】
また、前記移動体は、前記地盤側に対して鋼球を介在してなってもよい。
このような減衰装置によれば、前記移動体と前記地盤側とに対する前記鋼球のころがり摩擦力が、地震によって前記構造物に作用する慣性力を相殺する向きに作用し、当該構造物の応答変位を抑制することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
＝＝＝減衰装置の構成＝＝＝
本実施の形態における減衰装置の構成について説明する。
減衰装置１の模式的な断面図を図１に示す。地盤上には、金属製の下部基礎板１０と上部基礎板２０とが対向するように配置され、それぞれに対して金属製で円筒形状をなす内筒３０（第１筒状体）と外筒４０（第２筒状体）とが嵌合するように鉛直方向に接合されている。即ち、水平方向及び鉛直方向に、図１に示されるような適宜間隔を隔てて、同軸に、外筒４０が内筒３０を囲繞している。
【００１５】
内筒３０の底面及び下部内周面は、それぞれ金属板３１、３２が張られている。中央部が穿孔された金属製の外側円盤５０、５１（第１水平板状部材）が、鉛直方向に等間隔で延在するように、金属板３２の内周面に接合されている。本実施の形態においては、図１に示されるように、６個の外側円盤５１は同じ厚さを有するが、最下部に延在する外側円盤５０はこれらよりも厚い。
【００１６】
外側円盤５０、５１の形成する６個の間隙に、６個の金属製の内側円盤５２（第２水平板状部材）がそれぞれ挿入されるように、中央の金属製の支柱５３に接合されている。支柱５３は金属製の底面部５４に接合して支持され、この底面部５４は鋼球６０を介して金属板３１の表面に、水平方向に摺動自在に支持されている。さらに、底面部５４の外周部上面は、外側円盤５０の穿孔部の外周部下面に対して、鋼球６０を介して、水平方向に摺動自在に保持されている。鋼球６０の表面が底面部５４下面全体及び底面部５４外周部上面と常に当接するように、底面部５４下面及び底面部５４外周部上面には不図示の鋼球ホルダが設けられている。
【００１７】
支柱５３の上端部には、内側円筒板５５を側面とする金属製の有底円筒体が接合されている。この内側では、同軸且つ等間隔に、底面から上部に向かって、３個の金属製の内側円筒板５６（第１鉛直板状部材）が延在している。内側円筒板５５の上部外周面は、これを囲繞し上部基礎板２０の下面に接合された外側円筒板５７に対して、鋼球６０を介して保持されている。これにより、外側円筒板５７は、内側円筒板５５に対して、鉛直方向に摺動自在となっている。鋼球６０の表面が内側円筒板５５の外周面及び外側円筒板５７の内周面に常に当接するように、内側円筒板５５外周面には不図示の鋼球ホルダが設けられている。また、内側円筒板５５、５６の形成する３個の間隙に、３個の外側円筒板５８（第２鉛直板状部材）がそれぞれ挿入されるように、上部基礎板２０の中央部下面に接合されて延在している。図１に示されるように、３個の内側円筒板５６は同じ厚さを有するが、最外郭の内側円筒板５５はこれらよりも厚い。また、３個の外側円筒板５８は同じ厚さを有するが、最外郭の外側円筒板５７はこれらよりも厚い。
【００１８】
以上から、下部基礎板１０には内筒３０を介して外側円盤５０、５１が固定されている。一方、内側円盤５２、支柱５３、底面部５４、及び内側円筒板５５、５６が一体となって移動体７０をなす。また、上部基礎板２０の中央部には、外側円筒板５７、５８が固定されている。移動体７０は、その内側円盤５２と下部基礎板１０の外側円盤５０、５１とを係合させて、下部基礎板１０上を水平方向に摺動自在である。また、上部基礎板２０は、その外側円筒板５７、５８と移動体７０の内側円筒板５６とを係合させて、鉛直方向に摺動自在である。
【００１９】
本実施の形態においては、金属板３１、３２で画成される領域、及び内側円筒板５５で画成される領域の内部は、化学的に安定に存在するブタン系の化合物からなる粘性流体８０でそれぞれ充たされている。これにより、相互に重なり合う外側円盤５０、５１の穿孔部の外周面と内側円盤５２の外周面との間隙に粘性流体８０が介在する。また、相互に重なり合う内側円筒板５５、５６の上部と外側円筒板５８の下部との間隙に粘性流体８０が介在する。本実施の形態においては、外側円盤５０、５１と内側円盤５２との鉛直方向における間隔はおよそ２０ｍｍであり、内側円筒板５５、５６と外側円筒板５８との水平方向における間隔もおよそ２０ｍｍである。これらの間隔は、粘性流体８０の所定のせん断抵抗力を得るために設定される値である。粘性流体８０がシリコン系化合物からなる場合は、シリコン系化合物の粘性がブタン系化合物の粘性よりも低いために、所定のせん断抵抗力を得るためには、上記の間隙を２０ｍｍよりも狭くする。
【００２０】
本実施の形態の減衰装置１には３次元空気バネ９０が組み合わされる。即ち、可撓性のローリングシート部材９１（シート部材）が、内筒３０の開口端部外周と外筒４０の底面部内周とにそれぞれ連結されて、内筒３０と外筒４０との水平方向間隙に垂れ下がるように折り返されて配置されている。これにより、内筒３０、外筒４０、及びローリングシート部材９１で画成される空間には空気が気密封入され、空気室９２が形成される。
【００２１】
上記の減衰装置１を３次元空気バネと組み合わせて３２個、地盤に配置して、構造物１００を免震する実施の形態を図２に示す。図２は、減衰装置１の平面図を示す。略長方形の構造物１００の下面に３２個の減衰装置１を略均一に配置して支持している。但し、構造物１００の底面の長手方向中央部において減衰装置１どうしの間隙をより広くして、これを減衰装置１のメンテナンス用空間１０１としている。また、構造物１００の下面の外周部には、合計２８個の油圧式ロッキング防止装置１１０を略等間隔に配置している。
【００２２】
＝＝＝減衰装置の動作＝＝＝
本実施の形態における減衰装置１の動作について説明する。
地震によって、地盤が、水平な２方向、及び鉛直な１方向の３次元の自由度において振動すると、免震されていない構造物１００には、地盤の変位する向きとは逆向きに慣性力が直接作用し、この慣性力が構造物１００の倒壊をもたらす。
【００２３】
本実施の形態においては、水平方向では、地震による慣性力は減衰装置１の移動体７０にも同様に作用する。この時、下部基礎板１０の外側円盤５０、５１の穿孔部の外周面と移動体７０の内側円盤５２の外周面とが互いに逆向きに変位し、これらの面に挟まれた粘性流体８０にせん断抵抗力が発生する。このせん断抵抗力は、上記の変位を相殺する向きに発生するため、せん断抵抗力は移動体７０に作用する慣性力を相殺する向きに作用することになる。従って、地盤の水平方向の振動に連動した移動体７０の振動は減衰する。水平方向においては、上部基礎板２０は移動体７０に対して固定されているため、移動体７０の水平変位が減衰されれば、構造物１００の水平変位も減衰される。
【００２４】
本実施の形態の減衰装置１は、水平方向において、上記のせん断抵抗力が発生する粘性流体８０の層を１２層有するため、１層の粘性流体を有するだけの従来の水平減衰装置に比べて、限られた免震空間において、およそ１２倍の減衰効果を有する。
【００２５】
また、この底面部５４と金属板３１の表面との間隙、及び底面部５４の外周部上面と外側円盤５０の穿孔部の外周部下面との間隙には、粘性流体８０のせん断抵抗力に加えて、それぞれの面に当接する鋼球６０のころがり摩擦が発生し、これも、移動体７０に対して、地震による慣性力を相殺する向きに作用する。従って、構造物１００の水平変位は減衰される。
【００２６】
移動体７０の水平方向の変位と、移動体７０に作用する水平方向の慣性力との関係はヒステリシスループをなし、このループを図３に示す。本実施の形態をモデル化した理論的な計算により得たループ（計算値）と、本実施の形態により実験的に得たループ（実測値）とはよく一致し、滑らかな楕円形のループをなすことがわかった。一般に、このような滑らかな楕円形状は、穏やかな免震に対応することがわかっている。従って、粘性流体８０のせん断抵抗力を利用する免震は、穏やかな免震であることがわかった。一方、例えば一般の固体間の摩擦力を利用して免震する場合のヒステリシスループは略長方形をなすことがわかっている。このような略長方形のループ上をたどる場合、例えば同一変位において、ある慣性力を受ける状態から、これと大きさが略等しく向きが逆である慣性力を受ける状態に急激に遷移し得るために、緩やかな免震が期待できなくなることがわかっている。
【００２７】
鉛直方向の慣性力が減衰装置１の上部基礎板２０に作用する時、上部基礎板２０の外側円筒板５８の下部と移動体７０の内側円筒板５５、５６の上部とが互いに逆向きに変位し、これらの面に挟まれた粘性流体８０にせん断抵抗力が発生する。このせん断抵抗力は、上記の変位を相殺する向きに発生するため、せん断抵抗力は上部基礎板２０に作用する慣性力を相殺する向きに作用することになる。従って、地盤の鉛直方向の振動に連動した上部基礎板２０の振動は減衰する。従って、構造物１００の鉛直変位は減衰される。
【００２８】
また、この内側円筒板５５の外周面と外側円筒板５７の内周面との間隙には、粘性流体８０のせん断抵抗力に加えて、それぞれの面に当接する鋼球６０のころがり摩擦が発生し、これも、上部基礎板２０に対して、地震による慣性力を相殺する向きに作用する。従って、構造物１００の鉛直変位は減衰される。
【００２９】
本実施の形態の減衰装置１は、鉛直方向において、上記のせん断抵抗力が発生する粘性流体８０の層を６層有するため、軟塑性体ダンパや鉛押出し型ダンパといった、ピストンとシリンダとから構成されるダンパが用いられていた従来の鉛直減衰装置に比べて、限られた免震空間において、格別に高い減衰効果を有する。
【００３０】
本実施の形態の減衰装置１は、粘性流体８０のせん断抵抗力を利用した水平減衰及び鉛直減衰を同時に行うことができるために、これらを別々の装置で行っていた従来の減衰装置に比べて、限られた免震空間において、格別に高い減衰効果を有する。
【００３１】
また、空気室９２に封じられた空気は、地盤に水平な２方向、及び地盤に鉛直な１方向の３次元の自由度において低剛性による弾性を有する、構造物１００に対する主要な免震機構を担う。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の減衰装置によれば、限られた免震空間において、大地震による構造物の応答変位を十分に抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態における減衰装置の鉛直方向に沿った断面図である。
【図２】本実施の形態における減衰装置の平面図である。
【図３】本実施の形態における減衰装置の水平方向の変位に対する、水平方向の慣性力を対応させたグラフである。
【符号の説明】
１  減衰装置
３０  内筒
４０  外筒
５０、５１  外側円盤
５２  内側円盤
５５、５６  内側円筒板
５７、５８  外側円筒板
６０  鋼球
８０  粘性流体
９０  ３次元空気バネ
【図１】
2004286052.tif 000003
【図２】
2004286052.tif 000004
【図３】
2004286052.tif 000005