(57)【要約】【課題】地震が発生した際において生じる構造物の最初の揺れを大幅に軽減させることが可能で、低メンテナンスでの使用が可能な免震構造物を提供する。【解決手段】複数のすり鉢状凹部１６が形成されたベース部１０と、複数のすり鉢状凹部内１６に転動可能に配設された複数の支持球２０と、複数の支持球上に支持された躯体３０と、躯体３０の平面重心位置の重心位置すり鉢状凹部１６Ａに、中心から放射状に埋設された第１の電磁石６０と、重心位置支持球２０Ａの中心から放射状に埋設された第2の電磁石７０と、地震センサ４０と、地震の加速度データに基づき、第１の電磁石６０と第2の電磁石７０の所要の電磁石６２，７２を励磁し、地震発生時において重心位置支持球２０Ａを自転させ、躯体３０に作用する振動を減衰する減衰動作制御部５０を具備することを特徴とする免震構造物１００である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面に複数のすり鉢状凹部が形成されたベース部と、
前記複数のすり鉢状凹部内のそれぞれに転動可能に配設された複数の支持球と、
該複数の支持球上に支持された躯体と、
前記複数のすり鉢状凹部のうち、前記躯体の平面重心位置に位置合わせして形成された重心位置すり鉢状凹部において、該重心位置すり鉢状凹部の中心から放射状に埋設された複数の電磁石からなる第１の電磁石と、
前記重心位置すり鉢状凹部に配設された重心位置支持球内において、該重心位置支持球の中心から放射状に埋設された複数の電磁石からなる第2の電磁石と、
地震の加速度を検出する地震センサと、
該地震センサにより検出された加速度データに基づいて、前記第１の電磁石と前記第２の電磁石の所要の電磁石を励磁し、該励磁した電磁石の磁極を調整することにより、地震発生時において前記重心位置すり鉢状凹部内の前記重心位置支持球を自転させて、前記躯体に作用する振動を減衰する減衰動作制御部と、を具備することを特徴とする免震構造物。
【請求項２】
前記減衰動作制御部は、
前記地震センサが検出した加速度に基づき、当該加速度により発生する前記躯体の振動の振動方向、振幅、周期をそれぞれ算出する振動情報算出手段と、
当該振動情報算出手段により算出された振動情報に基づいて、前記第１の電磁石と前記第２の電磁石への電力供給を制御する電力供給制御手段と、を有していることを特徴とする請求項１記載の免震構造物。
【請求項３】
前記複数の支持球は、コア部材と、当該コア部材の外周面を積層状態で被覆する板バネ材およびゴム材とによりなり、前記複数の支持球の外表面には複数の突起が形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の免震構造物。
【請求項４】
前記複数のすり鉢状凹部には、内底面と前記ベース部の外部とに連通する排水路が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載の免震構造物。
【請求項５】
前記ベース部は、前記ベース部の平面外周縁部分が起立する起立壁に形成されていて、
前記躯体と前記起立壁との間に形成される縁切部に鉛直方向の振動を減衰する鉛直方向減衰部材が配設されていることを特徴とする請求項１〜４のうちのいずれか一項に記載の免震構造物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は免震構造物に関する。
【背景技術】
【０００２】
日本の構造物には、地震対策として耐震構造が広く用いられている。このように構造物に耐震構造を採用することにより、地震が発生しても構造体としての損傷を大幅に減少させることができた。しかしながら、このような耐震構造は、地震による構造物の揺れの軽減は行わないため、地震時における構造物の揺れにより住宅等においては居住空間に設置されている大型家具が倒れ、居住空間（構造物の内部）に壊滅的な被害を受けることがある。また、倒れてきた大型家具の下敷きになり、居住者が大怪我や死亡してしまうという事故も実際に生じている。
【０００３】
このような構造物の耐震構造に対して、近年では、免震構造や制振構造と呼ばれる構造を有する構造物が提案されている。このような構造物として、例えば、特許文献１に示すような構成が提案されている。
特許文献１には、複数の油圧シリンダを構造物の基礎に配設することで、地震時による構造物の揺れを軽減させる構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１７６６４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示されている免震構造は、地震により発生した構造物の揺れを減衰させるための構成であるが、建物の揺れを軽減するための反力を得るためには大規模な機械装置が必要になるため、免震構造物の建設コストが高騰してしまうという課題がある。また、流体シリンダを用いているため、メンテナンスが必要になるため、メンテナンスを怠ると実際の地震時に当初の設計機能が発揮できなくなるおそれもある。
【０００６】
本発明は、地震が発生した際において生じる構造物の最初の揺れを大幅に軽減させることが可能で、低メンテナンスでの使用が可能な免震構造物の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち、本願発明は、上面に複数のすり鉢状凹部が形成されたベース部と、前記複数のすり鉢状凹部内のそれぞれに転動可能に配設された複数の支持球と、該複数の支持球上に支持された躯体と、前記複数のすり鉢状凹部のうち、前記躯体の平面重心位置に位置合わせして形成された重心位置すり鉢状凹部において、該重心位置すり鉢状凹部の中心から放射状に埋設された複数の電磁石からなる第１の電磁石と、前記重心位置すり鉢状凹部に配設された重心位置支持球内において、該重心位置支持球の中心から放射状に埋設された複数の電磁石からなる第２の電磁石と、地震の加速度を検出する地震センサと、該地震センサにより検出された加速度データに基づいて、前記第１の電磁石と前記第２の電磁石の所要の電磁石を励磁し、該励磁した電磁石の磁極を調整することにより、地震発生時において前記重心位置すり鉢状凹部内の前記重心位置支持球を自転させて、前記躯体に作用する振動を減衰する減衰動作制御部と、を具備することを特徴とする免震構造物である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明における免震構造物の構成を採用することにより、簡易な電磁石の構成により地震による水平面内のあらゆる方向に対する振動を打ち消すための反力を得ることができるため、低コストで免震構造物を提供することが可能になる。
また、反力を得るための電磁石および第２の電磁石が外表面に露出していないため、反力源となる電磁石および第２の電磁石に錆の発生がなく、低メンテナンスで信頼性の高い免震構造物の提供が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態にかかる免震構造物の概略断面図である。
【図２】本実施形態にかかる免震構造物の概略平面図である。
【図３】図１中のＡ部分の拡大説明図である。
【図４】重心位置支持球の断面図である。
【図５】他の支持球の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明にかかる免震構造物の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１〜図３に示すように、本実施形態にかかる免震構造物１００は、地中に構築されたベース部１０と、ベース部１０の上面において所要の配列で配設された複数の支持球２０Ａ，２０，・・・と、複数の支持球２０Ａ，２０，・・・上に支持される躯体３０と、を有している。また、ベース部１０および躯体３０が構築されている敷地内には、地震の発生による加速度を検出する地震センサ４０が配設されている。地震センサ４０には、地震センサ４０の検出信号に基づいて地震により発生する構造物へ振動を減衰させる減衰動作制御部５０が接続されている。また、ベース部１０および重心位置支持球２０Ａには、減衰動作制御部５０により動作制御され、地震による躯体３０の振動を減衰させるための減衰機構（第１の電磁石６０および第２の電磁石７０）が配設されている。減衰機構の詳細については後述する。
【００１１】
ベース部１０は、底板１２と底板１２の外周縁部を起立させた起立壁１４とを有する上面開口の筒状体に形成されている。底板１２の上面には、所要の配列に複数のすり鉢状凹部１６Ａ，１６，・・・が形成されている。それぞれのすり鉢状凹部１６Ａ，１６、・・・には、支持球２０Ａ，２０，・・・が収容され、これら支持球２０Ａ，２０，・・・の上に躯体３０が支持されている。躯体３０の荷重は複数の支持球２０Ａ，２０，・・・により均等に支持されている。ここでは、躯体３０として鉄筋コンクリート構造の住宅を想定している。
【００１２】
本明細書中においては、図１，２に示すように、躯体３０の平面重心位置の真下位置に形成されたすり鉢状凹部を重心位置すり鉢状凹部１６Ａと称し、重心位置すり鉢状凹部１６Ａに収容されている支持球を重心位置支持球２０Ａと称し、他の位置に形成されたすり鉢状凹部１６、およびここに収容される他の支持球２０と区別することにする。
本実施形態においては、説明を簡単するため、ベース部１０の底板１２の平面中央位置と躯体３０の平面重心位置とが一致した状態で説明を行っている。底板１２の平面中央位置（躯体３０の平面重心位置）に配設された重心位置すり鉢状凹部１６Ａには、第１の電磁石６０と位置検出センサＳが埋設されている。
【００１３】
第１の電磁石６０は、重心位置すり鉢状凹部１６Ａの傾斜面とほぼ平行となるように配設されている。本実施形態においては、第１の電磁石６０は４つの独立した電磁石６２，６２，・・・により構成した。それぞれの電磁石６２，６２，・・・は、図２に示すように、電磁石６２の軸線が東西南北方向に沿うような配列で底板１２内（重心位置すり鉢状凹部１６Ａの下方位置）に放射状配列をなすように配設した。各電磁石６２，６２，・・・への電源供給は、電磁波転送方式を採用しているので、電磁石６２，６２，・・・に電源を供給するための電線は不要である。電磁波転送による電源供給は公知技術であるため、ここでの詳細な説明は省略する。
【００１４】
重心位置支持球２０Ａは、強化ガラス材等により球体状に形成されたコア部材２２と、コア部材２２の外周面を被覆するばね性を具備する板バネ材２４とゴム材としての硬質ゴム材２６と、コア部材２２の中心位置からコア部材３２の外表面に向けて、放射状配列に埋設された複数の独立した電磁石７２，７２，・・・からなる第２の電磁石７０と位置検出センサＳと対をなす第２の位置検出センサＳＳとにより形成されている。
【００１５】
重心位置支持球２０Ａについて具体的に説明をする。
まず、球体状をなすコア部材２２に、コア部材２２の中心位置から放射状配列に第２の電磁石７０を埋設する。第２の電磁石７０内の特定の電磁石７２の外側先端部には第２の位置検出センサＳＳが予め取り付けられている。コア部材２２に内蔵された第２の電磁石７０（電磁石７２，７２，・・・）への電源供給は、第１の電磁石６０への電源供給方式と同様にして行うことができる。
【００１６】
次にコア部材２２の外周面にひも状に形成された板バネ材２４を巻き付けて被覆した後、同じくひも状に形成されたゴム材としての硬質ゴム２６を板バネ材２４による被覆面の上にさらに巻き付ける工程を繰り返し行い、コア部材２２の外表面を板バネ材２４と硬質ゴム材２６とによって交互に被覆した積層構造体を形成する。本実施形態においては、板バネ材２４、硬質ゴム２６、板バネ材２４、硬質ゴム２６、板バネ材２４の順に被覆し、５層に被覆された積層構造体とした。
コア部材２２に板バネ材２４と硬質ゴム２６を所要の層数（図４では５層）に積層させた後、最外層を被覆する板バネ材２４の外表面をモールド材料２８により被覆して重心位置支持球２０Ａを得ることができる。モールド材料２８には硬質ゴム材を用いることができるが、この材料に限定されるものではない。図４に示すように、本実施形態における重心位置支持球２０Ａは、モールド材料２８をモールド成形する際に外表面に複数の円錐体の突起部２９が形成されたいわゆる金平糖形状に形成されている。
【００１７】
このように形成された重心位置支持球２０Ａは、第１の電磁石６０と第２の電磁石７０との磁極状態の切り替え制御をすることにより、第１の電磁石６０と第２の電磁石７０との間において、磁力による吸引力や反発力を得ることができる。すなわち、重心位置支持球２０Ａは、これら磁力による吸引力および反発力によって重心位置すり鉢状凹部１６Ａの範囲内で自ら転動可能に構成されている。
本実施形態における免震構造物１００は、重心位置すり鉢状凹部１６Ａ内における重心位置支持球２０Ａの転動方向および転動量を磁力により制御することで地震により生じる躯体３０の振動を減衰している。
【００１８】
第２の電磁石７０を構成する複数の独立した電磁石７２は、それぞれの電磁石７２，７２，・・・における磁極状態を独立に切り替えすることも可能である。具体的には、コア部材２２の中心から放射状に電磁石７２を埋設する形態とし、コア部材２２の直径方向に２本の電磁石７２の磁極が交互になるように配設して、それぞれの電磁石７２の磁極を独立に切り替え制御することができる。
これとは別に、コア部材２２の外表面を所定面積ごとに区分し、それぞれの所定区分範囲に内蔵された電磁石７２の磁極が同極となるように配設し、所定区分範囲内の電磁石７２の磁極状態をまとめて切り替え制御するように電磁石７２のコイル（図示せず）の向きを揃えておくこともできる。この構成によれば、第２の電磁石７０における特定領域の電磁石７２の磁極切り替え制御を一括処理により行うことができ、減衰動作制御部５０による演算時間を大幅に短縮することができるため好都合である。
【００１９】
また、底板１２において重心位置すり鉢状凹部１６Ａの外方位置を囲むようにして配設された他のすり鉢状凹部１６（以下、単にすり鉢状凹部１６という）には他の支持球２０（以下、単に支持球２０という）が収容されている。支持球２０は、図５に示すように、重心位置支持球２０Ａの構成から第２の電磁石７０と第２の位置検出センサＳＳを省いた構成であるため、ここでの詳細な説明は省略する。
重心位置支持球２０Ａが第１および第２の電磁石６０，７０を構成する電磁石６２，７２の磁力により自転する構成であるのに対し、第２の支持球２０は重心位置支持球２０Ａにより水平移動する躯体３０の動きに合わせて従動する構成である点で重心位置支持球２０Ａと構成を異にしている。
【００２０】
本実施形態にかかる免震構造物１００には、図１および図２に示すように起立壁１４と躯体３０の外表面との間に形成された縁切部Ｚに鉛直方向における躯体３０の揺れを減衰させるための鉛直方向減衰部材９０が配設されている。このような鉛直方向減衰部材９０としては、例えば、積層ゴムにより構成された免震支承を転用することができる。第１の電磁石６０と第２の電磁石７０を有する減衰機構８０の構成に加え、鉛直方向減衰部材９０を配設することにより躯体３０に作用する振動を３次元的に減衰させることが可能になる。三次元的な地震動の減衰が不要である場合には、鉛直方向減衰部材９０の配設は省略することもできる。
【００２１】
また、本実施形態における免震建物１００においては、ベース部１０の起立壁１４と躯体３０との間には隙間が生じることになるため、雨天等によりベース部１０の底板１２上に水が浸入することが考えられる。そこで、本実施形態においては、図２に示すように、それぞれのすり鉢状凹部１６（重心位置すり鉢状凹部１６Ａも含む）の内底部とベース部１０の外部とを連通させた排水路１８を配設している。この排水路１８によりすり鉢状凹部１６の内底部への水の滞留を防止することができる。
【００２２】
先にも説明したとおり、それぞれのすり鉢状凹部１６Ａ，１６，・・・には、突起部２９を有する金平糖形状の第１および第２の支持球２０Ａ，２０，・・・が収容されているので、それぞれのすり鉢状凹部１６Ａ，１６，・・・の表面とそれぞれの支持球２０Ａ，２０，・・・とは複数の点接触により配設されることになる。このような配設状態を採用することにより、それぞれのすり鉢状凹部１６Ａ，１６，・・・の表面とそれぞれの支持球２０Ａ，２０，・・・との間に隙間を形成することができる。この隙間により、起立壁１４と躯体３０との間から水が浸入しても、それぞれのすり鉢状凹部１６Ａ，１６，・・・とそれぞれの支持球２０Ａ，２０，・・・との間に水が停滞することはない。
【００２３】
さらにそれぞれのすり鉢状凹部１６Ａ，１６，・・・には排水路１８が設けられているから、起立壁１４と躯体３０との間から水が浸入しても排水路１８を介して確実にベース部１０の外部に排水することができる。
このような構成により、室外環境にさらされた状態であってもそれぞれの支持球２０Ａ，２０，・・・の外表面に錆が発生することはなく、それぞれの支持球２０Ａ，２０，・・・の動作不良が回避できる。すなわち、低メンテナンス性を備えつつ、地震時には確実に免震性能を発揮させることが可能になり好都合である。
【００２４】
次に、本実施形態にかかる免震構造物についての具体的な動作について説明する。
地震が発生すると、地震センサ４０が地震による加速度を検出すると共に検出した加速度情報を減衰動作制御部５０に送信する。また、第１および第２の位置検出センサＳ，ＳＳは、地震センサ４０による地震の加速度の検出と同期して第１の磁石６０と第２の電磁石７０の位置情報を検出すると共に検出した位置情報を減衰動作制御部５０に送信する。
減衰動作制御部５０は、受信した地震の加速度情報と第１の磁石６０と第２の電磁石７０の位置情報に基づいて、振動情報算出手段５２に地震に関する数値情報（振動方向、振幅、周期等）と、第１の電磁石６０および第２の電磁石７０の位置状態（第２の電磁石７０の電磁石７２の配設向き）を算出させる。
【００２５】
振動情報算出手段５２が算出した地震に関する数値情報と第１の電磁石６０と第２の電磁石７０の位置状態に基づいて、電力供給制御手段５４が第１の電磁石６０と第２の電磁石７０を構成する各電磁石６２，７２への電力供給（励磁状態）を制御し、地震により躯体３０に発生する振動を減衰（振動の発生をなくす）方向に重心位置支持球２０Ａを自転させる。このように、磁力により重心位置支持球２０Ａを躯体３０の振動方向と反対側に回転させることにより、地震による躯体３０の振動の発生を軽減または防止することができる。
【００２６】
以上に説明したように、本実施形態にかかる免震構造物１００の構成においては、減衰動作制御部５０において実際に動作制御がなされる構成を第１の電磁石６０および第２の電磁石７０のみにすることができる。これにより、免震構造物１００の構成を簡略にすることができ、動作制御が簡易、迅速であるとともに、動作制御に要する消費エネルギーを可及的に少なくすることができる点で従来技術に対してきわめて有利な作用効果を得ることができる。
【００２７】
以上の実施形態においては、地震センサ４０を免震構造物１００の敷地内に配設した実施形態について説明をしたが、地震センサ４０の配設位置はこの場所に限定されるものではない。敷地内への地震センサ４０の配設に代えて、気象庁が配設している震度計の計測データを読み取り可能な構成としておくこともできる。震度計までの距離によっては敷地までの減衰データや地震波到達時間データ等により構成される補正データをさらに有していればなお好適である。
【００２８】
また、本実施形態においては、振動情報算出手段５２と電力供給制御手段５４とをそれぞれ独立させた形態について説明しているが、振動情報算出手段５２と電力供給制御手段５４とをまとめてパーソナルコンピュータのＣＰＵ等に代表される中央処理部に置き換えることもできる。
【００２９】
具体的には、一般的なパーソナルコンピュータの記憶手段に加速度データに基づいて躯体３０に作用すると予想される振動についての数値データと、第１の電磁石６０と第２の電磁石７０との位置情報に基づいて、所定の方向に重心位置支持球２０Ａを回転させるために必要な第１の電磁石６０と第２の電磁石７０への供給電力データをそれぞれ記憶させ、ＣＰＵに記憶手段内の各データを読み取らせて、第１の電磁石６０と第２の電磁石７０への電力供給を制御することも可能である。
このようなパーソナルコンピュータにより減衰動作制御部５０を構成し、パーソナルコンピュータの電力供給源として、太陽光発電により発電した電力を充電する蓄電池を用いれば、商用電力の供給がストップしてしまった場合であっても確実に減衰動作制御部５０として機能させることができるため好都合である。
【００３０】
また、本実施形態にかかる重心位置支持球２０Ａと支持球２０の突起部２９は、それぞれ円錐形状としているが、突起部２９が円柱体や円錐台等の他の形状に形成されていてもよいし、それぞれの支持球２０Ａ，２０，・・・の外表面への突起部２９の形成を省略し、通常の球体状をなした支持球２０Ａ，２０，・・・の形状を採用することも可能ではある。この形状であっても、それぞれのすり鉢状凹部１６Ａ，１６，・・・には各々排水路１８が配設されているため、水の侵入による支持球２０Ａ，２０，・・・の錆発生を抑えることが可能である。
【００３１】
さらに、以上の実施形態においては、重心位置すり鉢状凹部１６Ａと重心位置支持球２０Ａとのそれぞれに一対の位置検出センサＳ，ＳＳを配設しているが、これら一対の位置検出センサＳ，ＳＳの配設は必須ではない。一対の位置検出センサＳ，ＳＳを配設しない場合には、免震構造物１００の構築時に、第１の電磁石６０に対する重心位置支持球２０Ａの配設を精密に位置合わせした状態で配設すればよい。このように第１の電磁石６０と第２の電磁石７０を構成する各電磁石６２，７２の配設状態が把握できていれば、地震時において躯体３０に作用する振動に対する励磁状態の制御精度は本実施形態と同程度の精度で行なうことができる。
地震後には、免震構造物１００の施工者等によるアフターサービスにより、第１の電磁石６０と第２の電磁石７０を構成する各電磁石６２，７２の位置関係を地震発生前の初期状態にリセットすることも物理的には十分可能であるため問題はない。
【００３２】
さらにまた、以上の実施形態においては、免震構造物１００における躯体３０として、鉄筋コンクリート構造の住宅を用いて説明を行っているが、本願発明における躯体３０は、以上の実施形態に限定されるものではない。例えば、木造住宅や鉄骨構造による一般住宅、鉄筋コンクリート構造や鉄骨構造等からなる集合住宅および商業ビル等に代表される他の建築構造物における躯体３０や、土木構造物における躯体３０に対しても本願発明の構成を適用することができる。
【符号の説明】
【００３３】
１０  ベース部
１２  底板
１４  起立壁
１６Ａ  重心位置すり鉢状凹部
１６  すり鉢状凹部
１８  排水路
２０Ａ  重心位置支持球
２０  支持球
２２  コア部材
２４  板バネ材
２６  硬質ゴム材
２８  モールド材料
２９  突起部
３０  躯体
４０  地震センサ
５０  減衰動作制御部
５２  振動情報算出手段
５４  電力供給制御手段
６０  第１の電磁石
６２，７２  電磁石
７０  第２の電磁石
９０  鉛直方向減衰部材
１００  免震建物
Ｓ，ＳＳ  位置検出センサ
Ｚ  縁切部
【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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