(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基礎と構造体又はその支持基板との間に設けられ、積層ゴムおよびダンパーと併用される免震構造体の大変形を防止する免震構造体用ストッパーであって、
２５℃、１０００ｍｍ／分での引張速度条件下の引張りバネ定数Ｋが下記式（１）の範囲にある長尺体から構成され、一端が基礎に固着され、他端が構造体又はその支持基板に固着され、地震動による剪断力がかかった時の該ストッパーの伸びｒが下記式（２）の範囲にあることを特徴とする免震構造体用ストッパー。
３０≦Ｋ＜１５，０００（ｋｇ／ｍｍ）  ・・・  式（１）
５≦ｒ≦７０（ｍｍ）  ・・・  式（２）
【請求項２】
前記長尺体を構成する材料がプラスチック、合成繊維、及び天然繊維から選択されることを特徴とする請求項１に記載の免震構造体用ストッパー。
【請求項３】
前記長尺体を構成する材料がナイロンであることを特徴とする請求項１または２に記載の免震構造体用ストッパー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は免震構造体用ストッパーに係わり、詳しくは設計値以上の過大な地震力が加わった場合の免震構造体に加わる衝撃力を効果的に低減させ得る免震構造体用ストッパーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、地震から建物を守るために、鋼板等の剛性を有した硬質板と、粘弾性的性質を有したゴム等の軟質板とを複数個、交互に積層した積層ゴムを構成要素とする免震構造体がビルと基礎の間に挿入されて用いられている。ここで用いられる積層ゴムで建物を支えることにより、建物の固有振動数の長周期化を図り、地震波との共振を防いで振幅は大きいがゆっくりした振動となし、その揺れをダンパー（減震装置）を併設することにより短時間で収束させる方法を適用した免震システムが一般的に用いられている。その際、設計的にはある具体的な大きさの地震を想定し、ビルの規模や質量、地盤の強さ、求められる免震性能などを考慮して、積層ゴムのバネ剛性とダンパーの減衰能力を決定する。しかしながら想定した大きさ以上の大型地震が発生した場合、ビルの安全性はどう守られるかについては、ある程度の安全率を見て設計されてはいるものの、厳密には不明のままになっている。これは想定される地震の大きさを非常に大きなものとすることにより安全性は向上するものの、免震システム全体が大型になりコスト的にも極めて高額のものになるためである。
【０００３】
ただしビルなどのような大規模な建造物の免震の場合、強固な良好地盤上に建てることが基本設計思想となっている為、地震時における予測不可能の事態、例えば、地盤の液状化、不等沈下等が起こりにくいであろうとする見通しも上記の考え方を支持しているのである。
【０００４】
一方、戸建住宅用の免震システムも原理的には積層ゴム（又はそれに代るバネ機構）とダンパーの組合せによるシステムが採用されているが、１基当りの装置が支える荷重（支持荷重）がビルの場合に比べてケタ違いに小さいため、積層ゴムのバネ剛性としては非常に小さいものが求められ、一般的なゴム材料を用いる限り積層ゴムの形状は面積に比較して高さが大きい不安定形状にならざるをえない。このような免震住宅に、想定された以上の非常に大きな地震動が入力された場合、大きな剪断力のために免震システム全体が大変形する結果、積層ゴムが座屈し住宅全体に大きなダメージを与える危険性を持っている。
【０００５】
さらに、一方住宅を建てる地盤を考慮すれば、その住宅が市街地に近ければ近い程、軟弱な不良地盤になりがちであり、免震された住宅は長周期成分を多く含む地震波によって大きく変位する上に、不等沈下等により建物が免震システムの許容変形限界を越えて落下してしまうことも懸念される。小規模の宅地開発の場合には、住宅の価格を上昇させる要因となるため、必要な地盤改良等がなされない場合も多い。更に都市の密集した住宅事情を考えると、隣接住宅との間隔が狭く、地震時に免震住宅が大きく変位するような場合、隣接住宅と衝突する危険性がある。
【０００６】
このような特殊な事情を考慮して、戸建住宅用免震システムについては、非常に大きな地震が発生した時、何らかのストップ機能が働いて免震システム全体を設計変位以上に変位させないという考え方が提案されている。例えば、先に本発明者らが特願平８−１３００７６号において提案した、大きな剪断力を受けた建物全体をフェールセーフ上に乗りあげさせる技術、変位した住宅を予め設置した防舷材のような緩衝材に衝突させる技術、あるいは、特開平１０−２３１８８８号公報に記載の如き、金属材料等の鎖や縄等を取り付けてある大きさの変位以上には動けなくする技術等である。しかしながら、上記の変位防止機能を持つ装置（以下、適宜、ストッパーと称する）を付設した場合、そのストッパーと住宅との衝突時又はストッパーが機能し始めた時点に発生する衝撃力が、免震装置を用いず建物を直接基礎にボルトで固定した従来の建物が地震時に受ける衝撃力より大きくなる懸念もあり、そのようなストップ機構を設けた実用に適する免震システムは未だ実現されていない。
【０００７】
実際、衝突や大きな剪断力の付加時の建造物に対する衝撃を緩和する際に最も重要なことは、出来るだけ衝突時の物体(建物）の速度を落とす（つまり住宅の持つ運動量、運動エネルギーを小さくする）ことにより、一方被衝突物（例えば、壁や隣接する建物等）との接触を出来るだけソフトに（つまり衝撃力を小さく）することである。この場合接触する被衝突物が硬い剛体であればある程、建物の受ける衝撃力は大きくなり破損し易くなる。例えば、船と岸壁が衝突する場合を考えると、この衝撃力を小さくする為に、衝突物と被衝突物との間にゴム製の緩衝材を設置し、船を岸壁に直接衝突させるよりはるかに小さい衝撃力で衝突させることを可能にしている。同じような原理により建物の動きをストッパーで止めようとする場合、ストッパーにとって最も重要な因子は、衝撃力を軽減する為にストッパーが機能し始めてから停止するまでにどの程度の許容変位を考えるか、言いかえればストッパーのバネ剛性をどの程度にするかという点にある。つまりストッパーが硬すぎるとストッパーが機能し始めた時点で非常に大きな衝撃力が発生し、一方軟らかすぎるとストッパーが伸び切ってしまいストップ機能を果たさないことになる。そこでストッパーの持つ剛性性能（力〜変位曲線の勾配）が重要な設計因子となるのであるが、従来の技術においては、実用上有効なレベルのストッパーは実現されていないのが現状である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
即ち、本発明の目的は、戸建住宅のような軽量の建物などにも有効な、建物に大きな剪断力がかかった場合にも、免震システムの免震効果を損なうことなく、建物の大きな変位や免震システム全体の座屈変形を防止しうる、免震構造体用の適切なストッパーを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前述の如き有効な免震構造体用ストッパーが実現するには、ストッパーの持つべきバネ剛性の大きさを正確に設計出来ること、及び、そのストッパーが適切なストップ機能（衝撃力を非常に小さいものにしうる）を発揮出来ることを実験的に証明することが不可欠であった。
【００１０】
そこで、本発明者らは実物大の戸建住宅の振動台実験を行ない、本発明のストッパーを用いることにより大地震時における必要以上の住宅の動き（水平方向の変位）を効果的に静止させることが出来ると共に、ストップ機能が働いた時に建物に発生する衝撃力（加速度）が、同じ大きさの地震波を同じ大きさ、同じ形状の非免震住宅に入力した時に発生する衝撃力よりはるかに小さくなることを実験的に確認し本発明を完成した。
【００１１】
即ち本発明の免震構造体用ストッパーは基礎と構造体又はその支持基板との間に設けられる免震構造体の大変形を防止する免震構造体用ストッパーであって、２５℃、１０００ｍｍ／分での引張速度条件下の引張りバネ定数Ｋが下記式（１）の範囲にある長尺体から構成され、一端が基礎に固定され、他端が構造体又はその支持基板に固定されることを特徴とする。
【００１２】
３０≦Ｋ＜１５，０００（ｋｇ／ｍｍ）  ・・・  式（１）
ここで、前記免震構造体用ストッパーに地震動による引張力がかかった時の該ストッパーの伸びｒが下記式（２）の範囲にある。
５≦ｒ≦７０（ｍｍ）  ・・・  式（２）
【００１３】
また、前記長尺体を構成する材料は、プラスチック、金属、金属化合物、合成繊維、及び天然繊維から選択されることが好ましい。
【００１４】
本発明において、長尺体とは、断面積に比較して長さが大きい紐状体、縄状体、鎖状体等のものを指す。
【００１５】
本発明においては、この長尺体は前記した範囲の適切な引張バネ定数を有するものを選択したため、その抵抗力を利用して免震住宅の過度の動きを適切に防止うる。また、この長尺体として前記好適な伸びの範囲を選択することにより、その変位防止効果が向上する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明をさらに詳細に説明する。本発明の免震構造体用ストッパーにおいて、バネ機能と減衰機能を備えた免震システムにストッパー機能を付与する時の基本的な考え方は以下の通りである。
【００１７】
想定された地震に対して免震システムが（したがって免震建物全体が）水平方向に動く距離は最初の設計の段階で予測されている。したがってある大きさの地震に対して、免震システムが水平方向に距離ｒ0だけ変位しうることによって免震効果が発揮できると設計されている場合、ｒ0より小さい範囲の動きに対してはストッパーはその働きを阻害することは好ましくなく、この変位の範囲ではストッパーは機能しないよう配置されるべきである。具体的には、ストッパーに予めｒ0分のたるみが与えられているような態様が挙げられる。
【００１８】
想定された以上の規模の地震が発生し、免震システムに大きな剪断力がかかった場合、免震システムが前記想定したｒ0以上の距離を動くようになる時、ストッパーが停止機能を発現する。ストッパーの停止機能が働き始めてから建物全体が停止するまでの時間、ストッパーはある長さｒだけ伸びることになり、ｒの大きさはストッパーのバネ剛性に依存する。即ち免震住宅用ストッパーにとって最も重要な設計因子は建物の受ける加速度を適切な大きさに低減する為にこのｒの値をどのくらいの大きさに設定するかということである。つまりｒを大きく取る程建物の受ける衝撃力は小さくなるが変位が大きすぎて本来の停止機能が発揮出来ず、一方ｒを小さくする程建物を瞬時に止めることは出来るが衝撃力が大きくなる。
【００１９】
このことを図１の模式図により詳細に説明する。図１において縦軸はストッパーの受ける力、横軸はストップ機能が働き始めてからのストッパーの伸びｒ（これは建物の水平変位に等しい）を示す。変位ｒ0まではストッパーに力が加わらないのでｆ＝０である。またｒ0を越えて建物を動かそうとする力をｆ0とすればこの力を受け止める為にストッパーはｒだけ伸びるのでストッパーのバネ定数ＫはＫ＝ｆ0／ｒで与えられる。
【００２０】
ただし一般的にはストップ機能が働き始めても、ストッパー自身の剛性による伸びの他に、例えばストッパー取付治具等のゆるみによって発生する“遊び”Δｒがあり、この分だけ余分に動くことを予め考慮しておく必要がある。この“遊び”Δｒを考慮して作成したのが、図２（Ａ）に示す模式図である。図２（Ａ）ではｒに比べΔｒが非常に小さい場合を想定して示されているが、ｒに比べΔｒが無視できないほど大きい場合には、Δｒは図２（Ｂ）に示すようにｒ0 内に収まるようにしたほうがよい。
【００２１】
以下に、本発明のストッパーの特性を具体的数値を挙げて説明する。
【００２２】
本発明の免震構造体用ストッパーが適用されるのは、一般の戸建住宅を想定しており、その総重量Fとして２００ｔｏｎ以下のものに適用したとき、その効果が著しいということができる。もちろん２００ｔｏｎ以上の建物であっても原理的には本発明の考え方が適用出来る。Ｆは更に好ましくは１０≦Ｆ≦１５０（ｔｏｎ）、最も好ましいのは２０≦Ｆ≦１００（ｔｏｎ）である。
【００２３】
一般に免震された住宅が地震時に受ける最大の加速度は２階床のレベルで、重力加速度１Ｇに対しその２０％〜７０％と考えることができる。また、その時受ける力もほぼこの範囲と考えてよい。したがって建物の受ける力、言い換えればストッパーが受ける力ｆ0は２≦ｆ0≦１４０（ｔｏｎ）の範囲と想定される。更に好ましくは２≦ｆ0≦１０５（ｔｏｎ）、最も好ましいのは４≦ｆ0≦７０（ｔｏｎ）が設計値となる。
【００２４】
ストッパーの伸びｒの値は、これらの応力を受けたときに緩和する機能を考慮すれば、５≦ｒ≦７０（ｍｍ）であり、最も好ましいのは１０≦ｒ≦５０（ｍｍ）である。
【００２５】
本発明のストッパーの引張りバネ定数Ｋは、前記の制限事項を総合的に考慮して本発明者らが検討したところ、ストッパーの引張りバネ定数Ｋ（＝ｆ0／ｒ）は、好ましくは３０≦Ｋ≦１５，０００（ｋｇ／ｍｍ）、より好ましくは５０≦Ｋ≦１０，０００（ｋｇ／ｍｍ）、更に好ましいのは７０≦Ｋ≦５，０００（ｋｇ／ｍｍ）、最も望ましいものは１００≦Ｋ≦３，０００（ｋｇ／ｍｍ）である。
【００２６】
ストッパー本体は、その形状が断面積に対して長さが長い長尺体であれば、特に制限はなく、モノフィラメントのロープ状のものであってもよいが、切断強度が高いという観点からは、複数の長尺体、あるいは繊維状材料からなる紐状、縄状、鎖状等に編んだものが望ましい。
【００２７】
ストッパー本体素材は特に制限はないがプラスチック材料（例えば、ポリアミド、ポリ弗化エチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン等）ならびにその形状が繊維状をなすポリアミド繊維、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維などの合成繊維及び天然繊維（麻、絹等）、更には金属（鉄、ステンレス、銅等）、金属酸化物や金属化合物ならびにその形状が繊維状をなす金属繊維など軟らかさと必要な伸びを持つものであればよい。
【００２８】
これらの本体素材が繊維状をなす物である場合、前記したように該繊維を公知の方法で紐状、縄状、鎖状等に編んだものを好ましく使用することができる。
【００２９】
これらの材料から、好ましいバネ定数Ｋを達成するストッパーを設計するためには、素材自体の物性、繊維状の材料の編製条件、長尺体を形成したときの太さなどを考慮して適宜選択すればよい。
【００３０】
図３（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は本発明のストッパーの形状（片端）の例を示す概略図である。図３（Ａ）は前述の如き素材で形成されたストッパー本体により先端に環状の部分を形成したストッパー１０の例である。環状の部分の一端を構造体に係止し、他端を基礎に固定して用いる。図３（Ｂ）は前述の如き素材で形成されたストッパー本体１２の先端に金属製のループ１４を係止具で連結して固定した構成のストッパー１６であり、図３（Ｃ）は金属製ループ１８の連結部が内側にスリットを形成した管状をなしており、ストッパー１２本体をかしめて連結固定するようになした構成のストッパー２０である。この場合、金属製のループの一端を構造体に係止し、他端を基礎に固定して用いる。
【００３１】
図４は、このような本発明のストッパー１０を建物２２と基礎２４の間に付設した状態を示す模式図である。図４では免震構造体の設計変位ｒ0 まではストップ機能が働かないようにするため、ストッパーにその分のたるみが与えられている。
【００３２】
図４の態様では免震構造体として積層ゴム２６とダンパー（ここでは、スベリ支承）２８との組合せが建物２２の支持体３０と基礎２４の間に付設されたものを図示しているが、本発明のストッパーはどのような免震構造体、あるいは免震システムにも好適に適用できる。例えば、積層ゴムのみからなる免震構造体、あるいは、積層ゴムとオイルダンパー、摩擦ダンパーなどの組み合わせからなる免震構造体、内部の中空部に摩擦板などを封入した積層ゴムを用いる免震構造体等の公知の免震構造体用として用いるいことができる。
【００３３】
以上述べてきた数値はすべて１基のストッパーで建造物などの対象物全体の動きを止めようとする場合を想定した値である。しかし現実問題として、地震のときの揺れの方向や建造物の強度などを考慮すれば、ひとつの建造物に対して複数のストッパーを設けることが好ましい。その場合、例えば、ｎ基のストッパーを使用するなら、ストッパー１基当たりのバネ定数ＫはＫ／ｎの値となる。
【００３４】
図５は複数のストッパーを用いて住宅の免震構造体の揺れを止めようとした場合のストッパーの配置位置を示すモデル図であり、図５（Ａ）では８基のストッパー１０を建物の基礎に配置した状態を、図５（Ｂ）では１２基のストッパー１０を建物の基礎に配置した状態を示す。このように、建物の基礎面積に対して均等に配置することが好ましく、また、建物の重量や強度との関連において、配置数は、４乃至２０基程度であることが好ましい。複数のストッパーを配置する場合、本発明に規定のバネ定数Ｋは、複数のストッパーを総合したものとして求めればよい。
【００３５】
このようなストッパーを公知の免震構造体と組み合わせて用いることにより、免震構造体(免震システム）の有する免震性能を阻害することなく、一方、免震構造体に座屈を生じさせたり、建物に損傷を与えるような大きな変位を生起させるような振動が加わった場合のみ、ストッパーが機能してこれを効果的に防止するという利点を有するものである。
【００３６】
【実施例】
以下に、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに制限されるものではない。
（実施例１）
本実験は実物大の免震装置付戸建住宅を大型振動台上に設置し、これに代表的な地震波を入力して住宅の２階床の応答加速度を測定したものである。
１．免震住宅の特性
本実験に使用した免震住宅は建物の大きさが４２坪（長方形の床面積を有し、総２階建）で総重量は３８．３トンであった。この住宅に対して、１２基のスベリ支承（摩擦ダンパー）と４基の積層ゴムを配置した免震システムを採用した。その際、建物の重量はすべてスベリ支承で支え、積層ゴムは水平方向のバネ剛性と引戻し力としての役割を与えた。
【００３７】
本免震住宅には、建物周辺部８ヶ所に本発明のストッパーを配置した。
【００３８】
図６に本実施例の住宅のストッパー３２、積層ゴム２６、スベリ支承２８の配置位置を示す。
２．免震用デバイス
用いた積層ゴムの水平バネとしての周期（Ｔ）は建物の重量を考え、Ｔ＝３．０秒に設計した。
【００３９】
また用いたスベリ支承の摩擦係数（μ）はμ＝０．０４であった。
３．ストッパー
ストッパーとしてはナイロン製の３つ縄組のロープ（直径１２ｍｍ、有効長さ２５ｃｍ）を用いた。インストロン引張試験機を用い２５℃、１０００ｍｍ／ｍｉｎの引張速度で測定したロープ１本の力〜変位曲線を図７に示す。図７のグラフにおける直線近似の勾配から求めたバネ定数ＫはＫ＝４２ｋｇ／ｍｍであった。本実験の免震住宅のストッパーとしては８本のロープを使用しているのでストッパー全体としてのバネ定数は、Ｋ＝３３６ｋｇ／ｍｍとなっている。
４．加振実験
本実験において、入力された地震波は、第２種地盤の地震動を仮定して合成された模擬地震波であり、その大きさはレベル２であり、実際の加速度入力は８３０ｇａｌとなった。
５．実験結果
住宅に対する加振実験結果を下記表１に示す。なお、加振実験は、（株）間組の振動台を使用して行い、２階床部分での測定結果を記載した。
【００４０】
本実施例において、ストッパーが作動した時のストッパーの伸び（ｒ）は２９．２（ｍｍ）であった。
（比較例１）
８基のストッパーを用いず、建物と基礎をボルトで固定した非免震住宅とした以外は、実施例１と同様にして住宅を用意し、同様の条件で加振実験を行った。結果を下記表１に示す。
【００４１】
【表１】
0004156736.tif 000002
【００４２】
表１に明らかなように、建物の基礎部への入力加速度が８３０ｇａｌであったのに対し、本発明のストッパーを配置した実施例１の免震住宅の場合、応答加速度は４１９ｇａｌになっている。ストッパーが働き始めてからの移動距離は２９．２ｍｍであり、住宅の大きな変位を防止しながら、応答加速度を入力時の１／２とすることができた。即ち、この免震構造体用ストッパーは、免震住宅の免震機能をほとんど阻害することなく、住宅の大きな変位に起因するダメージを効果的に防止しうるものであった。
【００４３】
一方、比較例１の免震システムを備えないボルト固定の非免震住宅の場合の応答加速度は１０１０ｇａｌになっており、入力加速度８３０ｇａｌの１．２２倍に増幅されていることがわかった。
【００４４】
本発明の免震構造体用ストッパーを用いることで、免震効果を損なうことなしに免震住宅のストップ機能が発現出来ることが実証されたのである。
【００４５】
【発明の効果】
本発明の免震構造体用ストッパーによれば、戸建住宅のような軽量負荷用の免震構造体において、建物に大きな剪断力がかかった場合にも、免震システムの免震効果を損なうことなく、建物の大きな変位や免震システム全体の座屈変形を防止しうる、という効果を持つ。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ストッパーに掛かる応力と変位との関係を模式的に示すグラフである。
【図２】  （Ａ）、（Ｂ）はストッパーの緩みを考慮した場合のストッパーに掛かる応力と変位との関係を模式的に示すグラフである。
【図３】  （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は本発明のストッパーの形状の例を示す概略図である。
【図４】  本発明のストッパー及び免震構造体を建物と基礎の間に付設した状態を示す模式図である。
【図５】  （Ａ）、（Ｂ）は複数のストッパーを用いて住宅の免震構造体の揺れ止めとした場合のストッパーの配置位置を示すモデル図である。
【図６】  実施例１の住宅のストッパー、積層ゴム、スベリ支承の配置位置を示すモデル図である。
【図７】  実施例１に用いたストッパーを構成するロープ１本の力〜変位曲線を示すグラフである。
【符号の説明】
１０、１６、２０  免震構造体用ストッパー
１４  金属製ループ
２２  建物
２４  基礎
２６  積層ゴム
２８  ダンパー（スベリ支承）
３０  建物の支持体
【図１】
0004156736.tif 000003
【図２】
0004156736.tif 000004
【図３】
0004156736.tif 000005
【図４】
0004156736.tif 000006
【図５】
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【図６】
0004156736.tif 000008
【図７】
0004156736.tif 000009