(57)【要約】【課題】地震による振動を安定して吸収する。【解決手段】免震装置１０は、構造物１２と基礎１４との間に複数の空気ばね装置４０が介装された免震装置である。空気ばね装置４０は、構造物に固定されたシリンダ４４と、シリンダ４４内に摺動可能に収容され、シリンダ４４を第１空気室５０と第２空気室５２とにそれぞれ気密に画成するピストン４６と、一端側がピストン４６に連結され、他端側がシリンダ４４外部へと延びるとともに基礎に固定されるピストンロッド４８と、を備える。【選択図】図２
2007321874.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物と基礎との間に複数の空気ばね装置が介装された免震装置であって、
前記空気ばね装置は、
前記構造物に固定されたシリンダと、
前記シリンダ内に摺動可能に収容され、前記シリンダを第１空気室と第２空気室とにそれぞれ気密に画成するピストンと、
一端側が前記ピストンに連結され、他端側が前記シリンダ外部へと延びるとともに前記基礎に固定されたピストンロッドと、
を備えることを特徴とする免震装置。
【請求項２】
各空気ばね装置の前記第１空気室および前記第２空気室の空気圧を制御する空気圧制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の免震装置。
【請求項３】
前記構造物の傾きを検出する傾き検出手段をさらに備え、前記空気圧制御手段は、前記構造物の姿勢制御をするため、前記傾き検出手段が検出した情報に基づいて、前記構造物が水平状態を保つよう各空気ばね装置の空気圧制御を行うことを特徴とする請求項２に記載の免震装置。
【請求項４】
地震波情報を取得する地震情報取得手段をさらに備え、前記空気圧制御手段は、前記地震情報取得手段が地震波情報を取得した場合に、全ての空気ばね装置による前記構造物の姿勢制御を禁止することを特徴とする請求項２または３に記載の免震装置。
【請求項５】
前記基礎の加速度を検出する基礎加速度検出手段と、前記構造物の加速度を検出する構造物加速度検出手段とを備え、前記空気圧制御手段は、前記基礎加速度検出手段からの情報、前記構造物加速度検出手段からの情報および前記傾き検出手段からの情報に基づいて、前記構造物の振動を収めるよう各空気ばね装置による構造物の免震制御を行うことを特徴とする請求項３に記載の免震装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、免震装置に関し、特に、空気ばね装置を用いた免震装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、地震による構造物の振動を軽減する免震装置として、構造物とその基礎との間に空気ばねを介在させた免震装置が知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１には、袋体内に空気を圧入する方式の空気ばねを備えた免震装置が開示されている。
【特許文献１】実開昭６４−２９４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、特許文献１に記載されたような袋体内に空気を圧入する方式の空気ばねは、空気ばねが伸長される場合に、空気ばねが圧縮される場合よりもばね定数が低下する。そのため、空気ばねが伸長される場合には十分なばね力が得られず、安定して振動を吸収することができないという問題があった。
【０００４】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、安定して振動を吸収することのできる免震装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の免震装置は、構造物と基礎との間に複数の空気ばね装置が介装された免震装置であって、空気ばね装置は、構造物に固定されたシリンダと、シリンダ内に摺動可能に収容され、シリンダを第１空気室と第２空気室とにそれぞれ気密に画成するピストンと、一端側がピストンに連結され、他端側がシリンダ外部へと延びるとともに基礎に固定されたピストンロッドと、を備える。
【０００６】
この態様によると、ピストンの上側と下側とに空気室を有する空気ばね装置用いたので、空気ばね装置が圧縮される場合だけでなく、伸長される場合にも高いばね定数を得ることができる。その結果、空気ばね装置が圧縮される場合、伸長される場合ともに十分なばね力が得られ、安定して振動を吸収することができる。
【０００７】
各空気ばね装置の第１空気室および第２空気室の空気圧を制御する空気圧制御手段をさらに備えてもよい。この場合、空気ばね装置のばね力や、ばね定数を制御することができる。
【０００８】
構造物の傾きを検出する傾き検出手段をさらに備え、空気圧制御手段は、構造物の姿勢制御をするため、傾き検出手段が検出した情報に基づいて、構造物が水平状態を保つよう各空気ばね装置の空気圧制御を行う。この場合、構造物の傾きを補正することができる。
【０００９】
地震波情報を取得する地震情報取得手段をさらに備え、空気圧制御手段は、地震情報取得手段が地震波情報を取得した場合に、全ての空気ばね装置による構造物の姿勢制御を禁止してもよい。地震により大きな振動が生じているときに構造物の姿勢制御を行うと、空気ばね装置の空気室に接続された電磁弁の開閉状態によっては、構造物の姿勢が不安定になる場合がある。地震情報取得手段が地震波情報を取得した場合に、全ての空気ばね装置による構造物の姿勢制御を禁止することにより、このような事態を防止できる。
【００１０】
基礎の加速度を検出する基礎加速度検出手段と、構造物の加速度を検出する構造物加速度検出手段とを備え、空気圧制御手段は、基礎加速度検出手段からの情報、構造物加速度検出手段からの情報および傾き検出手段からの情報に基づいて、構造物の振動を収めるよう各空気ばね装置による構造物の免震制御を行ってもよい。免震制御は、たとえば、地震の揺れにより生じた構造物の荷重移動を、各空気ばね装置の上下空気室の空気圧を制御することにより抑制制御する、一種のアクティブ制御であってよい。また、地震の揺れの周波数に対して構造物の共振周波数を十分離し、構造物が揺れにくくするダイナミックダンパの原理によるパッシブな免震制御であってもよい。この場合、構造物の揺れを収束させることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、安定して振動を吸収することのできる免震装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、本実施の形態に係る免震装置１０が設けられた免震構造物１００を示す図である。図１に示すように、免震構造物１００は、構造物１２の基台である構造物基台１２ａの底面と、掘削された地面１６上に設けられた基礎１４の上面との間に、複数の空気ばね装置４０が介装されている。空気ばね装置４０は、弾性力によって構造物１２を支持すると共に、地震による垂直方向の振動を吸収する機能を有する。空気ばね装置４０の設置個数や配置位置は、構造物１２の重量や、形状に応じて決定する。例えば、構造物基台１２ａが四角形状の場合には、少なくとも構造物基台１２ａの四隅に空気ばね装置４０を設置する。
【００１３】
図１に示すように、空気ばね装置４０は、基礎１４上に設けられた水平応力逃し機構６４上に固定されている。水平応力逃し機構６４は、スライドベアリングとスライド部材とを有し、地震による水平方向の振動により、空気ばね装置４０に水平方向の応力が生じるのを防止する機能を有する。
【００１４】
また、本実施の形態に係る免震装置１０では、空気ばね装置４０の外周側にコイルばね４２が設けられる。コイルばね４２は、空気ばね装置４０と並設してもよい。コイルばね４２は、空気ばね装置４０が構造物１２を支持する力を補う補助支持手段として機能している。コイルばね４２のばね定数は、構造物１２の重量や、空気ばね装置４０の弾性力等を考慮して定められる。
【００１５】
図１に示すように、本実施の形態に係る免震装置１０では、構造物基台１２ａの側面と、基礎１４の側面との間にも、複数の空気ばね装置４１が介装されている。この空気ばね装置４１は、構造物１２の水平方向の振動を吸収する機能を有する。空気ばね装置４１の構造は、構造物基台１２ａの底面と基礎１４の上面との間に設けられた空気ばね装置４０と同様であるが、構造物１２の自重を支える必要がないため、空気ばね装置４１の外周側にはコイルばねが設けられていない。
【００１６】
図２は、免震装置１０の構成を説明するための図である。図２に示すように、免震装置１０は、空気ばね装置４０と、コイルばね４２と、水平応力逃し機構６４と、基礎加速度センサ３０と、構造物加速度センサ３２と、ピストン変位検出センサ３８と、圧力センサ２８と、電磁弁２６と、コンプレッサ２４と、制御部２２と、地震波情報取得部５６と、を備える。図２では、複数の空気ばね装置４０のうち、１つの空気ばね装置を図示している。
【００１７】
本実施の形態に係る空気ばね装置４０の構成について説明する。図２に示すように、空気ばね装置４０は、シリンダ４４と、ピストン４６と、ピストンロッド４８と、Ｏリング５４と、を備える。
【００１８】
シリンダ４４は、その上端部が構造物１２に固定されている。ピストン４６は、シリンダ４４内に摺動可能に収容され、シリンダ４４の内部空間を第１空気室５０と第２空気室５２とに画成している。第１空気室５０は、ピストン４６の上部に形成された空気室であり、第２空気室５２は、ピストン４６の下部に形成された空気室である。ピストンロッド４８は、一端側がピストン４６に連結され、他端側が第２空気室５２を通ってシリンダ４４外部へと延びるとともに水平応力逃し機構６４に固定される。ピストン４６の側面には、環状に溝部４６ａが形成されている。この溝部４６ａとシリンダ４４の内側面との間には、Ｏリング５４が狭持されており、第１空気室５０と第２空気室５２とを気密に保持している。
【００１９】
空気ばね装置４０の第１空気室５０、第２空気室５２は、電磁弁２６を介してコンプレッサ２４に接続されており、制御部２２からの指令によって電磁弁２６、コンプレッサ２４を動作させることにより、第１空気室５０、第２空気室５２の空気圧を制御できるようになっている。電磁弁２６から第１空気室５０、第２空気室５２に連通する流路には、それぞれの空気室の空気圧を検出する圧力センサ２８が設けられる。
【００２０】
制御部２２には、ピストン変位検出センサ３８、地震波情報取得部５６、基礎加速度センサ３０、構造物加速度センサ３２が接続される。
【００２１】
ピストン変位検出センサ３８は、シリンダ４４に対するピストン４６の相対変位量を検出する。本明細書においては、ピストン４６が初期位置ａ０から上方に変位した場合を正方向の変位とし、下方に変位した場合を負方向の変位とする。ピストン４６の正方向への変位は、空気ばね装置４０が圧縮される場合を意味する。ピストン４６の負方向への変位は、空気ばね装置４０が伸長される場合を意味する。
【００２２】
ピストン変位検出センサ３８は各空気ばね装置４０に設けられており、制御部２２には、各空気ばね装置４０におけるピストン４６の変位量情報が入力される。制御部２２は、入力されたピストン４６の変位量情報に基づいて、構造物１２の傾きを算出する。これにより、構造物１２の姿勢を検出することができる。算出した構造物１２の傾きがある所定値以上であった場合、制御部２２は、構造物の姿勢制御をするために、構造物１２が水平状態を保つよう各空気ばね装置４０の空気圧制御を行う。例えば、構造物基台１２ａの四隅に空気ばね装置４０を配置している場合、ある１つの空気ばね装置４０のピストン４６が初期位置ａ０から負方向に変位していれば、構造物１２はその空気ばね装置４０の方向に傾く。このとき、その空気ばね装置４０の第２空気室５２の空気を送り込み、第１空気室５０から空気を排出することによってピストン４６を初期位置ａ０まで上方させる。これにより、構造物１２を水平状態に保つよう姿勢制御を行うことができる。
【００２３】
地震波情報取得部５６は、地震が発生したときに生じる地震波であるＰ波を取得し、その情報を制御部２２に出力する。Ｐ波とは、地震が発生した場合に、大きな振動であるＳ波よりも前に到達する小さな地震波である。制御部２２は、Ｐ波を取得した場合に、全ての空気ばね装置４０において電磁弁２６を閉じ、空気ばね装置４０による構造物１２の姿勢制御を禁止する。
【００２４】
地震により大きな振動が生じているときに構造物１２の姿勢制御を行うと、空気ばね装置４０の第１空気室５０、第２空気室５２に接続された電磁弁２６の開閉状態によっては、構造物１２の姿勢が不安定になる場合がある。たとえば、姿勢制御のため、図１に示す左側の空気ばね装置４０の第２空気室５２と、右側の空気ばね装置４０の第１空気室５０とに接続された電磁弁２６を開いて、コンプレッサ２４から空気を供給していたときに地震がきて左右の揺れが加わったとすると、地震の揺れにより構造物が右に傾きやすくなることがあり得る。地震波情報取得部５６がＰ波を取得した場合に、全ての空気ばね装置４０による構造物の姿勢制御を禁止することにより、構造物１２の姿勢が不安定になる事態を防止できる。
【００２５】
基礎加速度センサ３０は、基礎１４の３軸方向の加速度を検出し、制御部２２に出力する。構造物加速度センサ３２は、構造物１２の３軸方向の加速度を検出し、制御部２２に出力する。制御部２２は、基礎加速度センサ３０からの加速度情報に基づいて、地震による基礎１４の振動が収まったか否かを判断する。そして、基礎１４の振動が収まったと判断した場合に、構造物１２の姿勢制御の禁止を解除する。
【００２６】
図３は、本実施の形態に係る空気ばね装置４０のばね特性を示す図である。図３において、縦軸は、空気ばね装置４０のばね加重Ｆｓを表す。横軸は、シリンダ４４に対するピストン４６の相対変位量ｘを表す。
【００２７】
図３では、実線で示すばね特性曲線７０と、破線で示すばね特性曲線７２の２つのばね特性曲線を図示している。ばね特性曲線７０は、本実施の形態に係る空気ばね装置４０のばね特性曲線である。ばね特性曲線７２は、ピストン４６下部の第２空気室５２を設けず、ピストン４６上部の第１空気室５０のみを形成した場合の空気ばね装置のばね特性曲線である。
【００２８】
ばね特性曲線７０、ばね特性曲線７２ともに、ピストン４６が正方向に変位する場合、つまり空気ばね装置４０が圧縮される場合には、同じようなばね特性を有する。すなわち、図３に示すように、ばね特性曲線７０、ばね特性曲線７２ともに、変位量ｘが小さい場合には、ほぼ一定のばね定数で、線形にばね加重Ｆｓが増加している。変位量ｘが大きくなると、急激にばね定数が高くなり、非線形にばね加重Ｆｓが増加している。このようなばね特性を有する場合、小さい衝撃に対しては低いばね定数で振動を吸収し、大きい衝撃に対しては高いばね定数で変位を抑えることができる。
【００２９】
これに対し、ピストン４６が負方向に変位する場合、つまり、空気ばね装置４０が伸長側される場合には、ばね特性曲線７０とばね特性曲線７２とで異なるばね特性となる。変位量ｘが小さい場合には、ばね特性曲線７０、ばね特性曲線７２ともに、ほぼ一定のばね定数で線形にばね加重Ｆｓが減少する。しかし、変位量ｘが大きくなったときに、ばね特性曲線７０は急激にばね定数が高くなり、非線形にばね加重Ｆｓが減少するが、ばね特性曲線７２は、ばね定数が変化せず、線形にばね加重Ｆｓが減少する。そのため、ばね特性曲線７２の空気ばね装置では、大きい衝撃に対して高いばね定数で変位を抑えることができない。本実施の形態に係る空気ばね装置４０によれば、空気ばね装置４０が圧縮される場合だけでなく、伸長される場合にも高いばね定数を得ることができるので、空気ばね装置が圧縮される場合、伸長される場合ともに大きい衝撃を吸収でき、安定して振動を吸収することができる。
【００３０】
図４は、本実施の形態に係る空気ばね装置４０の摩擦特性を示す図である。図４の横軸は、シリンダ４４に対するピストン４６の相対変位ｘを表す。図４の縦軸は、シリンダ４４の内側面とＯリング５４との間の摩擦力Ｆｍを示す図である。
【００３１】
図４では、実線で示す摩擦特性曲線７４と、破線で示す摩擦特性曲線７６の２つのばね特性曲線を図示している。摩擦特性曲線７４は、本実施の形態に係る空気ばね装置４０の摩擦特性曲線である。摩擦特性曲線７６は、第２空気室５２を設けず、第１空気室５０のみを形成した場合の空気ばね装置の摩擦特性曲線である。
【００３２】
摩擦特性曲線７６は、正方向にピストン４６が変位した場合に、摩擦力Ｆｍが増加している。これは、ピストン４６が正方向に変位した場合、第１空気室５０は圧縮されるので、空気圧が高まる。第１空気室５０の空気圧が高まると、その圧力によってＯリング５４が押しつぶされ、接面圧力が増加することによって摩擦力が高まるものである。一方、摩擦特性曲線７６では、負方向にピストン４６が変位した場合、摩擦力Ｆｍは略一定である。これは、負方向にピストン４６が変位する場合には、Ｏリング５４が押しつぶされることがなく、接面圧力が変化しないためである。
【００３３】
本実施の形態に係る空気ばね装置４０の摩擦特性曲線７４は、図４に示すように、ピストン４６が正方向に変位した場合だけでなく、負方向に変位した場合も、Ｏリング５４が押しつぶされるので、接面圧力が増加し、摩擦力Ｆｍは増加する。
【００３４】
このように、本実施の形態に係る空気ばね装置４０は、ピストン４６が正負両方向に変位した場合に、摩擦力Ｆｍを均等に生じさせることができる。この摩擦力Ｆｍは、ピストンの移動する向きと逆方向に作用するので、地震による振動を減衰させるダンパーとして機能させることができる。本実施の形態に係る空気ばね装置４０では、正負両方向に対して減衰力を作用させることができるので、効果的に地震による振動を減衰させることができる。
【００３５】
図５は、本実施の形態に係る免震装置１０の動作を示すフローチャートである。地震波情報取得部５６が地震波を取得した場合（Ｓ１０のＹ）、制御部２２は、電磁弁２６を閉じることにより空気ばね装置４０による構造物１２の姿勢制御を禁止する（Ｓ１２）。地震波情報がない場合、制御部２２は地震波を取得するまで待機する（Ｓ１０のＮ）。地震による振動が続いている期間、構造物１２と基礎１４との間に介装された複数の空気ばね装置４０により、構造物１２の変位が抑えられる。
【００３６】
制御部２２は、基礎加速度センサ３０から取得した基礎１４の加速度情報を基に、基礎１４の振動が収束したか否かを判断する（Ｓ１４）。例えば、ある所定の閾値を設定し、基礎１４からの加速度情報がその閾値以下になった場合に基礎１４の振動が収束したと判断する。制御部２２は、基礎１４の振動が収束したと判断するまで、空気ばね装置４０による構造物１２の姿勢制御を禁止する（Ｓ１４のＮ）。地震による揺れが継続している期間は姿勢制御が禁止されるので、構造物１２の姿勢が不安定になる事態が防止される。基礎１４の振動が収束したと判断した場合（Ｓ１４のＹ）、制御部２２は、構造物１２の姿勢制御の禁止を解除する（Ｓ１６）。これにより、通常の制御状態に復帰する。
【００３７】
以上のように、本実施の形態に係る免震構造物１００においては、図３および図４のような特性を有する空気ばね装置４０を構造物１２と基礎１４との間に介装したことにより、効果的に免震を行うことができる。図３に示したばね特性曲線のばね定数は、上下空気室の空気圧を制御することにより自在に設定できるので、地震の入力周波数、構造物の共振周波数を考慮したばね定数に設定することで、優れたダイナミックダンパ効果を得ることができる。
【００３８】
上記においては、空気ばね装置４０の有する図３および図４に示すようなばね特性を利用して、いわゆるパッシブな免震を行う実施例を示したが、空気ばね装置４０の第１空気室５０および第２空気室５２の空気圧を積極的に制御することにより、いわゆるアクティブな免震制御を行ってもよい。
【００３９】
図６は、アクティブな免震制御を行う場合のフローチャートである。地震波情報取得部５６が地震波を取得した場合（Ｓ２０のＹ）、制御部２２は、基礎加速度センサ３０、構造物加速度センサ３２、ピストン変位検出センサ３８からの情報の取得を開始する（Ｓ２２）。地震波情報がない場合、制御部２２は地震波を取得するまで待機する（Ｓ２０のＮ）。
【００４０】
制御部２２は、構造物加速度センサ３２から構造物１２の加速度情報を、ピストン変位検出センサ３８からピストン４６の変位情報を取得し、地震の振動による荷重移動を抑制するのに必要な各空気ばね装置４０のばね力を算出し（Ｓ２４）、そのばね力となるようにコンプレッサ２４、電磁弁２６に対して指令を出し、各空気ばね装置４０の空気圧を制御する（Ｓ２６）。その後、制御部２２は、構造物加速度センサ３２からの構造物１２の加速度情報を基に、構造物１２の振動が収束したか否かを判断する（Ｓ２８）。構造物１２の振動が収束していないと判断した場合（Ｓ２８のＮ）、制御部２２は再度構造物１２の加速度情報および傾き情報を取得し、地震の振動による荷重移動を抑制するよう各空気ばね装置４０の空気圧を制御する。構造物１２の振動が収束したと判断した場合、アクティブな免震制御は終了する（Ｓ２８のＹ）。
【００４１】
図６のフローチャートでは、地震の振動により生じた荷重移動を、各空気ばね装置４０のばね力で抑制するように空気圧制御を行ったが、空気ばね装置４０の第１空気室５０、第２空気室５２のばね定数を制御することにより、構造物１２の共振周波数を地震の周波数からずらし、地震の振動により構造物１２が共振しないよう空気圧制御を行ってもよい。
【００４２】
以上、実施の形態をもとに本発明を説明した。これらの実施形態は例示であり、各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本実施の形態に係る免震装置が設けられた免震構造物を示す図である。
【図２】免震装置の構成を説明するための図である。
【図３】本実施の形態に係る空気ばね装置のばね特性を示す図である。
【図４】本実施の形態に係る空気ばね装置の摩擦特性を示す図である。
【図５】本実施の形態に係る免震装置の動作を示すフローチャートである。
【図６】アクティブな免震制御を行う場合のフローチャートである。
【符号の説明】
【００４４】
１０  免震装置、  １２  構造物、  １４  基礎、  ２２  制御部、  ２４  コンプレッサ、  ２６  電磁弁、  ３０  基礎加速度センサ、  ３２  構造物加速度センサ、  ３８  ピストン変位検出センサ、  ４０  空気ばね装置、  ４２  コイルばね、  ４４  シリンダ、  ４６  ピストン、  ４８  ピストンロッド、  ５０  第１空気室、  ５２  第２空気室、  ５６  地震波情報取得部、  ６４  水平応力逃し機構、  １００  免震構造物。
【図１】
2007321874.tif 000003
【図２】
2007321874.tif 000004
【図３】
2007321874.tif 000005
【図４】
2007321874.tif 000006
【図５】
2007321874.tif 000007
【図６】
2007321874.tif 000008