(57)【要約】【課題】鉛直方向に生ずる揺れのうち、長周期の揺れに対する免震特性の向上を図ることのできる免震装置を提供する。【解決手段】建物基礎下端部５０に取り付けられるガイド１２と、空気溜まりを形成し、基礎地盤５２の鉛直方向振動を受けることでガイド１２に沿った鉛直方向へのスライド動作を成すスカート１４とを有する免震装置１０であって、スカート１４には、基礎地盤５２が振動した際に生じる前記空気溜まりの容積変化を吸収する膨縮部２６が備えられていることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
建築物の基礎下面に取り付けられるガイドと、空気溜まりを形成し、基礎地盤の鉛直方向振動を受けることで前記ガイドに沿った鉛直方向へのスライド動作を成すスカートとを有する免震装置であって、
前記スカートには、前記基礎地盤が振動した際に生じる前記空気溜まりの容積変化を吸収する膨縮部が備えられていることを特徴とする免震装置。
【請求項２】
前記膨縮部と前記ガイドとの間にリンク機構を備え、前記ガイドに対する前記スカートのスライド動作に応じて前記膨縮部の膨縮動作が成される構成としたことを特徴とする請求項１に記載の免震装置。
【請求項３】
前記スカートは、下端側に設けられた開放部と、当該開放部と前記基礎地盤との間の隙間を埋める弾性部材とを備え、
前記空気溜まりに供給される空気を前記基礎地盤と前記弾性部材との隙間から放出する構成としたことを特徴とする請求項１または２に記載の免震装置。
【請求項４】
前記スカートには、前記基礎地盤との接地を図ることで前記スカートの傾きを防止すると共に水平方向への移動を可能とする接地スライド手段を備えた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、免震装置に係り、特に振動周期の長い鉛直方向の振動に好適な免震装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
免震装置での揺れの抑制は、水平方向に対するものと鉛直方向に対するものがある。水平方向の揺れに対する免震機構としては、特許文献１に開示されているような積層ゴムや、特許文献２に開示されているようなエアベアリングなどが知られている。このような水平方向に対する免震機構は、設置するサイトの地盤特性に応じて、免震装置の剛性を比較的容易に設定することが可能であり、製品・技術が成熟しているために、多くの建物免震に適用されている。
【０００３】
一方、鉛直方向の揺れに対する免震機構としては、特許文献３や特許文献４に開示されているような空気ばねが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第２６５８０２４号公報
【特許文献２】特開昭５９−１４５８７０号公報
【特許文献３】特開２００２−１８８６８８号公報
【特許文献４】特開２００６−２９９５２４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３、４に開示されているような空気ばねを用いた鉛直方向の免震機構は、建物の重量を支えるための剛性を確保する必要があるため、地震に対する応答性を向上させるために必要な鉛直方向の固有振動数を低くすることが難しい。また、空気ばねの多段化や空気の圧力制御などにより追従させる仕組みが提案されているが、固有振動数０．５Ｈｚ、周期２秒程度が限界とされている。また、適用範囲も小規模ビルを対象としたものであり、採用数も少ないのが現状である。
【０００６】
本発明では、少なくとも、鉛直方向の揺れに対する固有振動数の低減を図り、長周期の揺れに対する免震特性の向上を図ることのできる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】
【０００７】
上記目的を達成するための本発明に係る免震装置は、建築物の基礎下面に取り付けられるガイドと、空気溜まりを形成し、基礎地盤の鉛直方向振動を受けることで前記ガイドに沿った鉛直方向へのスライド動作を成すスカートとを有する免震装置であって、前記スカートには、前記基礎地盤が振動した際に生じる前記空気溜まりの容積変化を吸収する膨縮部が備えられていることを特徴とする。
【０００８】
また、上記のような特徴を有する免震装置では、前記膨縮部と前記ガイドとの間にリンク機構を備え、前記ガイドに対する前記スカートのスライド動作に応じて前記膨縮部の膨縮動作が成される構成とすると良い。
【０００９】
このような特徴を有することにより、ガイドに対するスカートのスライド移動に応じて、強制的に膨縮部を稼働させることができる。よって、内部空間の空気の圧縮に伴う鉛直方向反発力を生じさせることなく膨縮部が稼働することとなり、免震効果を高めることができる。
【００１０】
また、上記のような特徴を有する免震装置において前記スカートは、下端側に設けられた開放部と、当該開放部と前記基礎地盤との間の隙間を埋める弾性部材とを備え、前記空気溜まりに供給される空気を前記基礎地盤と前記弾性部材との隙間から放出する構成とすることができる。
【００１１】
このような特徴を有することにより、免震装置は浮上する側の力を受けることとなり、水平方向の揺れに対する免震効果を付帯することができる。
【００１２】
さらに、上記のような特徴を有する免震装置において前記スカートには、前記基礎地盤との接地を図ることで前記スカートの傾きを防止すると共に水平方向への移動を可能とする接地スライド手段を備えるようにすると良い。
【００１３】
このような特徴を有することにより、免震装置が浮上する方向の力を受けた際のバランスを安定させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
上記のような特徴を有する免震装置によれば、鉛直方向に生じる揺れのうち、長周期の揺れに対しても、免震特性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１の実施形態に係る免震装置の構成を示す斜視図である。
【図２】第１の実施形態に係る免震装置の断面構成を示す図である。
【図３】図２に示す免震装置が鉛直方向の振動を受けた際に、膨縮部が稼働する様子を示す図である。
【図４】第１の実施形態に係る免震装置の変形例の断面構成を示す図である。
【図５】第２の実施形態に係る免震装置の構成を示す断面図である。
【図６】実施形態に係る免震装置の第１の変形例を示す斜視図である。
【図７】実施形態に係る免震装置の第２の変形例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の免震装置に係る実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。まず、図１から図３を参照して、第１の実施形態に係る免震装置について説明する。なお、図１は、第１の実施形態に係る免震装置１０の構成を示す斜視図である。また、図２は、第１の実施形態に係る免震装置１０の断面構成を示す図であるが、スライド機構１６と膨縮部２６の構成を示すために、図１の斜視図とは、構成要素の配置関係を異ならせている。図３は、図２に示す免震装置１０に鉛直方向の振動が加えられた際の稼働状態を示す図である。
【００１７】
［第１の実施形態］
本実施形態に係る免震装置１０は、建物基礎下端部５０と、基礎地盤５２との間に配置される（図２、図３参照）。免震装置１０は、ガイド１２と、スカート１４、および膨縮部２６を基本として構成されている。ガイド１２は、建物基礎下端部５０に固定される鉛直方向に対する免震機構の基礎となる要素である。これに対し、スカート１４は、基礎地盤５２とガイド１２との間に配置され、基礎地盤５２の振動に合わせてガイド１２に沿ってスライド移動することで、免震装置１０の全長を変化させて鉛直方向の振動を吸収する役割を担う要素である。本実施形態では、スカート１４がガイド１２の外周あるいは内周に位置し、いわゆるテレスコピック型の伸縮機構を構成する。
【００１８】
［ガイドとスカートとの関係］
本実施形態に係る免震装置を構成するガイド１２とスカート１４との間には、スライド機構１６と、シール部材１８、およびコイルばね２０が備えられている。スライド機構１６は、ガイド１２に対してスカート１４が鉛直方向へ正しく移動するために配置される機構であり、例えばガイドレール１６ａとスライダー１６ｂの関係を持つ機構であれば良い。本実施形態では、ガイドレール１６ａをガイド１２に配置し、スライダー１６ｂをスカート１４に配置する構成としている。
【００１９】
シール部材１８は、ガイド１２とスカート１４の内部空間に充填される流体である空気が、両者の摺動部から漏れることを防止するための要素である。シール部材１８は、可撓性を有する弾性部材により構成することで、ガイド１２に対するスカート１４のスライド移動に対し、形状変化を生じさせて密閉性を保つように構成されている。
【００２０】
また、コイルばね２０は、ガイド１２とスカート１４との鉛直方向における配置関係を保ち、かつ振動発生時にスカート１４を基礎地盤５２に押し付けておくための要素である。このため、コイルばね２０は、スカート１４に対してガイド１２を搭載した際に両者の間に予め定められたストロークが確保されるだけのばね定数を持つようにすると良い。なお、建物の重量は、ガイド１２とスカート１４の内部に充填される空気により支持する構成とすれば良い。ばね定数を必要以上に高くした場合には、振動発生時におけるガイド１２に対するスカート１４の自由ストロークを妨げ、固有振動数の低減化を図ることが困難となるからである。
【００２１】
［スカートの構成］
本実施形態におけるスカート１４は、その下部が開放されており、スカートの下端部、すなわち基礎地盤５２とスカート１４の間の外周部には、弾性部材２２が配置されている。ガイド１２とスカート１４の内部空間には、建物の重量を支持するための空気が供給、貯留されている。スカート１４の下端部は開放されているため、貯留された空気が外部へ放出される際、弾性部材２２と基礎地盤５２の間に僅かな隙間を生じさせる。これにより、免震装置１０は、基礎地盤５２に対して上昇する方向の力を受けることとなり、水平方向の振動に対する免震効果を生じさせることとなる。
【００２２】
ここで、スカート１４の下部には、上昇方向の力を受けた際の傾きを防止するための接地スライド手段２４が備えられている。接地スライド手段２４としては、例えばボールローラなどであれば良い。接地スライド手段２４をボールローラとすれば、振動の方向を問わず、スカート１４の基礎地盤５２に対する水平方向への相対的な移動が可能となるからである。
【００２３】
具体的には、コイルばね２０の、スカート１４を基礎地盤５２に常に押し付ける機能と相まって、接地スライド手段２４により弾性部材２２と基礎地盤５２との隙間が常に一定に保たれ、弾性部材２２の浮き上がりなどによる内部空間の急激な圧力低下を抑制し、鉛直方向の地震動に対して安定した性能が発揮できると同時に、水平方向地震動に対しても、その効果が保たれる。
【００２４】
［膨縮部］
スカート１４の側面には、ガイド１２に対してスカート１４がスライド移動した際に生じる内部空間の容積変化を吸収するための膨縮部２６が備えられている。本実施形態では、膨縮部２６を筐体とし、スカート１４の側面に設けた開口部１４ａに対し、水平方向へ向けた入出が可能となるように配置している。また、スカート１４と膨縮部２６との間には、スライド機構２８と、シール部材３０が設けられている。スライド機構２８は、開口部１４ａに対して膨縮部２６が傾き無く入出するための機構であり、スライド方向を決めるガイドレール２８ａと、ガイドレール２８ａ上を摺動するスライダー２８ｂとを有する構成であれば良い。なお、本実施形態では、スライダー２８ｂをスカート１４に固定し、ガイドレール２８ａを膨縮部に配置することで、ガイドレール２８ａがスライダー２８ｂを基点として移動する構成としている。
【００２５】
また、シール部材３０は、開口部１４ａと膨縮部２６との隙間から、スカート１４およびガイド１２の内部に貯留する空気が漏れることを防止するための役割を担う機能を有するものであれば良い。具体的構成の一例としては、例えば図２、図３に示すように、Ｕ字状、あるいは蛇腹状に形成され、その一方の端部を開口部１４ａ側に固定し、他方の端部を膨縮部２６側に固定する構成とすれば良い。このような構成のシール部材３０であれば、膨縮部２６の入出に伴う摺動に応じて形状を変化させ、空気の漏れを防止することができるからである。
【００２６】
膨縮部２６は、ガイド１２に対するスカート１４のスライド移動に伴って入出が成される。このため、膨縮部２６とガイド１２との間には、図２、図３に示すようなリンク機構３２が設けられている。リンク機構３２は、ガイド１２に対してスカート１４が上昇した際に、膨縮部２６をスカート１４の側面から突出させる方向へ移動させることができる構成であれば、その具体的構成を問うものでは無い。具体的な構成の一例として、例えば、ローラガイド３２ａとロッド３２ｂ、およびローラ３２ｃがあれば良い。ローラガイド３２ａは、例えばスカート１４の内側面に、膨縮部２６のスライド方向に沿って配置されるガイドである。また、ロッド３２ｂは、ガイド１２と膨縮部２６の動作を連動させるためのリンクであり、一方の端部をガイド１２に接続し、他方の端部を膨縮部２６に接続し、両端部ともに回転自在な構成とされている。そしてローラ３２ｃは、ロッド３２ｂの膨縮部２６に接続された端部をローラガイド３２ａに沿って移動させるための要素である。よって、ローラ３２ｃは、ローラガイド３２ａに設けられた溝に転動可能に配置され、ロッド３２ｂの膨縮部２６側端部に接続されている。なお、図２、図３に示す形態では、ロッド３２ｂの膨縮部２６側端部と膨縮部２６を接続する軸と、ローラ３２ｃの回転軸とを一致させている。
【００２７】
さらに複数のロッドを用いたリンク機構によって、容積変動の極小化を図ることで、より圧力変動の少ない好適な構成としても良い。
【００２８】
［作用・効果］
このような基本構成を有する免震装置１０では、図２に示すように、建物基礎下端部５０側から内部空間へ向けて流量一定の圧縮空気が連続的に供給されている。これにより、免震装置１０は、基礎地盤５２から浮上する方向の力を受けることとなり、水平方向に対する摩擦係数が極めて小さくなる。これにより、振動の周期の如何を問わず、水平方向の揺れに対する免震効果を発揮する事ができる。
【００２９】
一方、基礎地盤５２が鉛直方向の揺れを生じさせた場合には、免震装置１０のスカート１４が突き上げられることとなる。スカート１４は、ガイド１２に沿ってスライド移動する事で、ガイド１２が鉛直方向へ動く事を防ぎ、建物基礎下端部５０への振動の伝達を抑制する。ここで、ガイド１２とスカート１４を相対的な視点で見た場合、ガイド１２がスカート１４に沈み込むかたちとなり、圧縮空気で満たされたガイドとスカート１４により構成される内部空間の容積が小さくなる。この時、リンク機構３２を介して動作可能に構成された膨縮部２６は、ガイド１２の沈み込みに応じてスカート１４の側面外方へ突出することで、ガイド１２の沈み込み（スカート１４の突き上げ）によって狭められる容積を拡大するように補うこととなる。
【００３０】
これにより、圧縮空気の反発力を吸収する事ができ、固有振動数を低くすることができる。よって、周期の長い（２秒以上）鉛直方向の振動であっても、その振動エネルギーを吸収することが可能となる。なお、鉛直方向の振動によりスカート１４が引下げられた場合には、内部空間の容積が大きくなるとともにコイルばね２０の押し付け機能により、膨縮部２６がスカート１４の側面に設けられた開口部１４ａへ引き戻されることとなる。なお、図２、図３においては、圧縮空気の供給経路を建物基礎下端部５０に設けるように示しているが、ガイド１２に直接圧縮空気を供給するための配管を接続するなど、その供給形態は限定されるものでは無い。
【００３１】
本構造の特徴は、従来の空気ばねと異なり、鉛直地震動による基礎地盤５２の上下方向変位に応じて膨縮部２６が膨縮することで空気室の容積を時間遅れなく一定にし、圧力変動を抑制する。これにより、鉛直方向のばね定数（剛性）は小さくなり、建物の応答加速度も小さくできる。このため、一定の力で安定して建物を支持することができる。これまで固有振動数が０．５Ｈｚ以上（周期で２ｓ以下）の地震動帯域までしか効果が期待できなかった免震性能を、本構造によれば、免震装置１０のばね定数をより小さくすることができ、２ｓ以上の長周期地震動を含めた全振動帯域に対して効果を発揮できるようになる。
【００３２】
［第１の実施形態・変形例］
上記実施形態では、ガイド１２の外周側にスカート１４を配置する構成を例に挙げて説明した。しかしながら、本発明に係る免震装置１０は、図４に示すように、ガイド１２の内周側にスカート１４を配置する構成も含むものとする。このような構成であっても、長周期振動に対する良好な免震効果を得ることができるからである。
【００３３】
ここで、免震装置１０に作用する力の関係を検討すると、建物質量に加わる重力加速度の鉛直方向下向きの力であるＭｇは、空気圧によるガイド１２の浮上力であるＦ１と、スカート１４の下方力であるＦ２、膨縮部２６の膨張力によって生じる上向き方向分力であるＦ３ｔａｎθ、及び弾性部材２２の浮上力であるＦ４の和に吊り合うこととなる（数式１参照）。なお、各浮上力、及び下方力は、各部の空気圧とその受圧面積の積によって求められる（数式２参照）。
【数１】
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【数２】
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【００３４】
ここで、Ｐ１は免震装置１０の内部空気圧、Ｐ２は空気吐出部圧力、Ｓ１はガイド１２の受圧面積、Ｓ２はスカート１４のコーナー部（シール部材１８）の受圧面積、Ｓ３は膨縮部２６の受圧面積、Ｓ４は弾性部材２２の受圧面積とする。なお、地盤基礎５２の上面に対する建物基礎下端部５０の高さＨは、内部空間の空気圧力によって調整される。また、空気圧力は、内部空間への圧縮空気流入量と弾性部材２２によって変わる空気吐出部の圧縮空気流出量によって設定される。
【００３５】
スカート１４の重量バランスは、コイルばね２０によって鉛直下向きに押し付ける力であるｋ・ａと、スカート１４の下方力であるＦ２、スカート１４の自重であるｍ１ｇ、スカート１４に付随する膨縮部２６の自重であるｍ２ｇ、膨縮部２６の膨張力によって生じる力であるＦ３ｔａｎθ、及び弾性部材２２の浮上力であるＦ４の和が０になることで保たれる（数式３参照）。
【数３】
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無負荷時のスカート１４の上面位置（中立原点）Ｏを基点とした、負荷時のスカート１４の上面の高さ位置ａは、数式３を移項することで求めることができる（数式４参照）。
【数４】
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【００３６】
ここで、建物重量Ｍｇを５０００００ｋｇｆ、内部空気圧Ｐ１を約２ｋｇｆ／ｃｍ２、ガイド１２の受圧面積Ｓ１を２５ｍ２、コイルばね２０のばね定数ｋを約４００ｋｇｆ／ｃｍとした場合、スカート１４の上面位置高さａは、約５ｃｍとなる。この時のＰ２、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、ｍ１、ｍ２は、それぞれ、概ね次の通りである。
Ｐ２：０．２５ｋｇｆ／ｃｍ２
Ｓ２：３ｍ２
Ｓ３：１．５ｍ２
Ｓ４：０．５ｍ２
ｍ１：７４３ｋｇ
ｍ２：１１０４ｋｇ
【００３７】
このような条件下でのシミュレーションにおいて、建物の固有振動数ｆは、約０．１４Ｈｚとなり、固有周期は、約７ｓとなる。よって、長周期振動への良好な免震効果を得ることができる。
【００３８】
［第２の実施形態］
上記第１の実施形態では、鉛直方向の振動に加え、水平方向の振動へも対応した免震装置１０について説明した。これに対し、水平方向の振動に対応している種々の免震装置と組み合わせることを前提とした場合、図５に示すような鉛直方向の振動のみに対応する構成とすることもできる。
【００３９】
図５に示す第２の実施形態に係る免震装置１０Ａも、その基本的な構成は、上述した第１の実施形態に係る免震装置１０と同様に、ガイド１２とスカート１４、および膨縮部２６を基本として構成されている。第１の実施形態との相違としては、スカート１４の下端部を密閉構造としている点にある。スカート１４の下端部から圧縮空気を放出する構成は、浮上方向の力を受けて水平方向の振動を抑制するための構成である。よって、水平方向の振動を他の免震装置により補うことを前提とした場合、これを無くした簡易な構造とすることができる。
【００４０】
ガイド１２とスカート１４の間には、第１の実施形態に係る免震装置１０と同様に、スライド機構１６とコイルばね２０（図１参照）、およびシール部材１８が備えられている。また、スカート１４の側壁には、開口部１４ａが設けられると共に膨縮部２６が配置され、スライド機構２８とシール部材３０により、開口部１４ａに対して入出可能な密閉構造が構成されている。膨縮部２６は、リンク機構３２を介してガイド１２に接続されており、スカート１４がガイド１２に沿ってスライド移動することにより、開口部１４ａに対して出入りし、変化する内部空間の容積を補うように構成されている。
【００４１】
スカート１４の下端部を密閉構造とした本実施形態に係る免震装置１０Ａでは、ガイド１２とスカート１４によって構成される内部空間には、建物の重量を支持するための圧縮空気が封入されている。鉛直方向の振動が生じた場合には、ガイド１２に沿ってスカート１４がスライド移動する。スカート１４のスライド移動に伴い、リンク３２を介してガイド１２に接続されている膨縮部２６がスカート１４の側面から突出方向（または引き込み方向）へ移動し、内部空間の容積変化を吸収し、圧縮空気の反発力を抑制する。
【００４２】
このような構成の免震装置１０Ａであっても、上記第１の実施形態に係る免震装置１０と同様に、周期の長い鉛直方向の振動であっても、その振動エネルギーを吸収することが可能となる。
【００４３】
［変形例１］
また、上記実施形態ではいずれも、膨縮部２６を単体（対向する側面で２つ）として示している。しかしながら、図６に示すように膨縮部２６を分割し、単一の側面に対して複数設ける構成としても良い。４つの側面それぞれに膨縮部２６を設け、１つ当りの膨縮距離を短縮化することで、リンク機構３２の簡略化やスムーズな動作となる構成としても良い。
【００４４】
［変形例２］
さらに、上記実施形態ではいずれも、膨縮部２６について、開口部１４ａを内部空間側に配置した升状の箱型として示している。しかしながら、膨縮部２６は、入出によって内部空間の容積変化を吸収することができる要素であればく、図７に示すように密閉された箱型とし、内側側面のみを適切な剛性を持つ弾性材料２６ａで構成することにより、地震動の低周期成分の圧力変動を低減するようにしても良い。
【符号の説明】
【００４５】
１０，１０Ａ………免震装置、１２………ガイド、１４………スカート、１４ａ………開口部、１６………スライド機構、１６ａ………ガイドレール、１６ｂ………スライダー、１８………シール部材、２０………コイルばね、２２………弾性部材、２４………接地スライド手段、２６………膨縮部、２６ａ………弾性材料、２８………スライド機構、３０………シール部材、３２………リンク機構、３２ａ………ローラガイド、３２ｂ………ロッド、３２ｃ………ローラ、５０………建物基礎下端部、５２………基礎地盤。
【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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