免震システム
【課題】 構造物の変位を抑制しつつ構造物に作用する地震力を軽減する。
【解決手段】 水平方向に間隔をあけて配置され、構造物2を搭載して水平方向に移動可能に支持する複数の支持機構3と、該支持機構3の水平振動を長周期化する水平振動復元機構および減衰させる水平振動減衰機構4とを備えるとともに、前記構造物2を前記支持機構3に浮上可能に載置し、構造物2に加わる水平方向の振動を鉛直方向の振動に変換する免震システム1を提供する。
【解決手段】 水平方向に間隔をあけて配置され、構造物2を搭載して水平方向に移動可能に支持する複数の支持機構3と、該支持機構3の水平振動を長周期化する水平振動復元機構および減衰させる水平振動減衰機構4とを備えるとともに、前記構造物2を前記支持機構3に浮上可能に載置し、構造物2に加わる水平方向の振動を鉛直方向の振動に変換する免震システム1を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は免震システムに関し、特に、変位抑制型免震システムに関するものである。
【背景技術】
【0002】
地震から人命や家屋、家財を守るとともに、柱や梁の配置など構造に対する制約を少なくして自由な設計を可能にした免震住宅や、地震の揺れから収納品の落下、破損を防ぎ、地震直後の機能維持を狙いとした免震ラックなどに代表される免震システムが普及しつつある。
この種の免震システムは、一般に、家屋やラックなどの構造物をボールベアリング等により水平方向にスライド可能に支持し、円錐状の皿の傾斜、コイルバネ、ゴム等を利用して地震時の揺れを長周期化することによって、構造物に作用する地震力を軽減している。また、地震時の揺れを長周期化すると、移動量が大きくなるために、摩擦ダンパーやオイルダンパー等の減衰要素を用いて移動量が過大になることを抑制している。
【0003】
また、地震の横揺れおよび縦揺れの両方に対処するために、積層ゴムからなる水平方向の免震機構に加えて、空気バネや板バネからなる鉛直方向の免震機構を備えた免震装置も提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
【特許文献1】特開平9−195573号公報(図1等)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、従来の免震住宅に備えられる免震装置は、免震性能を確保するために、水平方向に±30cm程度の移動量が必要である。この場合に、移動領域内への立ち入りを禁止するためには片側60cm以上のカバーを設ける必要があり、その結果、カバーの先端が移動する範囲まで含めると、建物の周囲に全周にわたって渡り幅が90cmのデッドスペースを確保する必要があるという不都合がある。このようなデッドスペースを確保することは一般には困難であり、免震装置を適用できる住宅が限定されてしまうことになる。また、このように大きく移動する建物は、本来であれば倒壊を防ぐことが必要な道路に面した建物には適用することができない。
また、このように構造物を大きく水平移動させる免震装置は、商品を陳列するラックのように、その近くまで人が近接する構造物には適用することができないという欠点がある。
【0005】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、構造物の変位を抑制しつつ構造物に作用する地震力を軽減することができる免震システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、水平方向に間隔をあけて配置され、構造物を搭載して水平方向に移動可能に支持する複数の支持機構と、該支持機構の水平振動を長周期化する水平振動復元機構および減衰させる水平振動減衰機構とを備えるとともに、前記構造物を前記支持機構に浮上可能に載置し、構造物に加わる水平方向の振動を鉛直方向の振動に変換することを特徴とする免震システムを提供する。
【0007】
この発明によれば、地震の際に、地面が水平方向に振動すると、支持機構の作動により、構造物が地面に対して相対的に水平移動させられる。すなわち、地面が振動しても、支持機構が作動することによって、構造物に伝達される地面の地震力が低減され、免震されることになる。
【0008】
この場合において、地面に対する構造物の相対的な水平移動で水平振動減衰機構が作動すると、相対的な移動が抑制され、構造物にブレーキがかかる。すなわち、地震により発生した地面と構造物との相対的な変位は小さくできるが、構造物の慣性力の低減は少なくなる。
【0009】
この慣性力に対し、支持機構は水平方向に間隔をあけて配置されているので、慣性力が大きくなると支持機構には交互に引抜力が作用する。ここで、構造物は、支持機構の上に浮上可能に載置されているので、片側端部をもう片側の支持機構に対して浮き上がらせることにより、構造物に加わる水平方向の振動を鉛直方向の振動に変換することが可能となる。
【0010】
その結果、鉛直方向の振動に変換された分だけ、水平方向の振動が低減され、構造物が水平方向に免震されることになる。したがって、構造物の水平方向の移動量を低減して、大きな水平免震が可能となり、構造物周囲に設けられるデッドスペースの幅を小さくすることができる。
【0011】
上記発明においては、前記支持機構に、構造物を載置可能な載置台と、該載置台に構造物が載置されている状態において構造物を上方に押圧するバネ要素とが設けられていることが好ましい。
構造物を上方に押圧するバネ要素を設けておくことにより、構造物を浮き上がらせるタイミングを早めることができる。その結果、地震発生から早期に構造物を浮上させて、水平方向の応答量をより低減することが可能となる。
【0012】
上記発明においては、前記バネ要素の押圧力が構造物の浮上で解放されると、直ちにバネ要素の解放をロックする機構を備え、そのロック位置を調節可能であることとしてもよい。
このようにすることで、構造物の水平振動エネルギをバネ要素でほとんど吸収することなく、鉛直振動エネルギに変換することができる。また、ロック位置を調節することで、バネ要素のエネルギと鉛直振動エネルギの吸収配分を最適化し、最も効率的に水平振動エネルギを鉛直振動エネルギに変換することができる。
また、上記発明においては、前記載置台が、その高さを調節可能であることとしてもよい。載置台の高さを調節することにより、バネ要素から構造物に加える押圧力を簡易に調節することができる。このように押圧力を調整することで、構造物を浮上させるタイミングを調節することができる。また、構造物の周囲に設けることができるデッドスペースの広さに応じて調整することとしてもよい。
【0013】
また、上記発明においては、前記支持機構と前記構造物との間に、構造物の鉛直方向の振動を減衰させる鉛直振動減衰機構が設けられていることとしてもよい。
鉛直振動減衰機構の作動により、水平方向の振動から変換された鉛直方向の振動エネルギを吸収し、着底時の衝撃を抑制することが可能となる。
【0014】
さらに、上記発明においては、前記構造物の変位に応じて質量要素を回転させる回転慣性機構を備えることとすれば効果的である。
回転慣性機構の作動により、見かけの重量を増大させて、構造物に加わる地震力を低減することができる。
【0015】
また、上記発明においては、前記構造物の水平方向の変位を拘束していて、構造物に地震力が加わったときにその拘束を解除するよう機能するトリガー機構を備えることにしてもよい。
トリガー機構により、地震発生前の通常状態においては、構造物が水平移動しないように固定され、安定した状態に保持される。一方、地震発生時には、トリガー機構による拘束が解放されることにより、構造物の変位が許容され、振動が抑制される。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、構造物の水平方向の振動を抑制した分だけ、鉛直方向の振動に変換することにより、構造物を水平方向に免震することができる。その結果、構造物の水平方向の移動量を低減して、構造物周囲に設けられるデッドスペースの幅を小さくすることができるという効果がある。特に、水平方向の移動量を低減しつつ免震できるので、道路に面した建造物や免震ラックの免震システムに適用することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0017】
[第1実施形態]
本発明の第1実施形態に係る免震システム1について、図1〜図6を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る免震システム1は住宅等の建造物2に適用されるシステムであって、図1に示されるように、地面Eと建造物2との間に配置され、建造物2を載置して支持する支持機構3と、建造物2の水平方向の振動を復元・減衰させる水平振動復元・減衰機構4と、回転慣性機構5とから構成されている。
【0018】
前記支持機構3は、例えば、建造物2の四隅に、水平方向に間隔をあけて配置されている。この支持機構3は、図2に示されるように、地面E上においてボール6を転がすことにより水平移動可能なボールスライダ7と、該ボールスライダ7の上部に設けられ、建造物2を載置する載置台8と、前記ボールスライダ7と建造物2との間に配置されたコイルバネ9と、同じくボールスライダ7と建造物2との間に配置された粘弾性ダンパー10とを備えている。
【0019】
前記載置台8は、例えば、鋼管の上下に鋼製のフランジ(図示略)を溶接することにより構成されたベース11と、該ベース11の上側フランジに上下に形成された雌ネジ(図示略に螺合する雄ネジ12を有する昇降台13とを備えている。昇降台13は、ベース11の雌ネジに対して雄ネジ12を回転させることにより、上下方向に移動可能に構成されている。また、図中符号14はナットであり、昇降台13をベース11に対して任意の高さ位置に固定することができるようになっている。また、図中符号15は、昇降台13の上面に配置されたゴムパッドある。
【0020】
前記コイルバネ9は、建造物2が載置台8に載置されているときに圧縮状態となって、建造物2に対し上方に押圧力を加えるようになっている。また、建造物2の浮上で押圧力が解放されるとコイルバネ9の若干の戻りを許容した後に、ロック機構9′でそれ以上の解放をロックするようになっている。
また、前記粘弾性ダンパー10は、ボールスライダ7の上部に固定された2枚一対の平行間隔をあけた平行平板16と、これら平行平板16の間に挿入配置され、建造物2に固定された平板部材17と、これら平行平板16と平板部材17との間に充填された粘弾性体18とから構成されている。粘弾性ダンパー10は、図2の例では、ボールスライダ7上に2カ所設置されている。平行平板16は、リブ19によってボールスライダ7上において補強されており、ボールスライダ7と建造物2との水平方向の相対的な位置を固定することができるようになっている。
【0021】
本実施形態に係る免震システム1においては、建造物2が載置台8上に浮上可能に載置されている。すなわち、建造物2と載置台8とは上下方向に切り離されている。これにより、建造物2に上向きの力が作用したときには、建造物2は載置台8から浮上することができるようになっている。
【0022】
前記水平振動復元・減衰機構4は、複数のボールスライダ6のそれぞれに設けられ、地面Eに固定されたブラケット20と、ボールスライダ7との間に設けられ、ボールスライダ7の水平方向の変位に応じてその変位と逆方向に復元する復元力を発生するバネ21と、ボールスライダ7の水平方向の移動速度に応じて、その移動を制限する方向に減衰力を発生させるダッシュポット22とから構成されている。地震によりボールスライダ7が水平方向に振動させられると、バネ21およびダッシュポット22の作動により、その振動が減衰させられるようになっている。すなわち、各ボールスライダ7の自由な水平移動が制限されるようになっている。
【0023】
前記回転慣性機構5は、例えば、図3に示されるように、地面Eに固定されたブラケット23に、任意の方向に揺動自在に取り付けられた軸受ブロック24と、該軸受ブロック24によってその長手軸線回りに回転自在に支持されたボールネジ25と、建造物2に固定されたブラケット26に、揺動自在に取り付けられ、前記ボールネジ25に螺合するナット27と、前記ボールネジ25に一体的に取り付けられた鋼製の円板28とを備えている。
【0024】
ここで、回転慣性機構5の作用について説明する。
地震によって建造物2と地面Eとの間に相対変位が生ずると、地面Eに固定されているブラケット23と建造物2に固定されているブラケット26との間の距離が変化するので、ナット27がボールネジ25の長手方向に沿って移動させられる。これにより、ボールネジ25はその長手軸線回りに回転させられるので、ボールネジ25に固定されている円板28が長手軸線回りに回転させられる。その結果、建造物2と地面Eとの相対変位に基づいて円板28が回転させられることになり、円板28の慣性量に応じて、建造物2の見かけ上の質量が増加する効果が生ずる。
【0025】
すなわち、図1に示されるシステムを、図4に示されるように簡略化して考えると、回転慣性機構5が存在しない場合のシステムの運動方程式は、以下の通りである。
【0026】
【数1】
【0027】
一方、回転慣性機構が存在する場合には、建造物と地面とが相対変位したときに円板が回転して、その慣性量による加速度項が発生するので、この慣性量を建造物と地面との相対変位の方向に移動する質量に換算すると、質量Δmが付加されることになる。この質量Δmは、円板が回転することのみによって発生するので、地震加速度項には寄与しない。したがって、システムの運動方程式は、以下の通りとなる。
【0028】
【数2】
【0029】
すなわち、式(1)と式(2)とを比較すると、回転慣性機構5の作動により、地震加速度項の係数がm/(m+Δm)となり、建造物2に作用する慣性力が小さくなり、見かけ上地震加速度が低減されることがわかる。
【0030】
このように構成された本実施形態に係る免震システム1の作用について、以下に説明する。
水平方向に振動する地震が発生すると、各支持機構3を構成しているボールスライダ7のボール6が地面Eに対して転がることにより、地面Eからの振動が直接建造物2に伝達されないように建造物2を地面Eに対して相対的に変位させる。すなわち、地面Eが振動しても、建造物2はボールスライダ7を地面Eに対して相対移動させることにより免震される。
【0031】
この場合において、各支持機構3には水平振動減衰機構4が設けられているので、地面Eと建造物2との相対変位や相対速度が大きくなると、水平振動減衰機構4の作動によって、相対変位が抑制され建造物2にはブレーキが作用する。このため、地面Eに対する建造物2の水平方向に沿う相対変位は制限されるが、建造物2に作用する慣性力の低減も制限される。
【0032】
この慣性力Pが大きくなると支持機構には引抜力が作用する。すなわち、図5に示されるように、支持位置から上方に距離Rだけ離れた重心位置には、P×Rの転倒モーメント力が作用する。また、各支持機構3には建造物2の重量を分配した自重Qが作用し、支持機構3は水平方向に間隔Hをあけて配置されているので、Q×Hの復元モーメントが作用する。このため、以下の式が成立するときに建造物2が支持機構3の載置台8から浮上することになる。
P×R≧Q×H (3)
【0033】
この場合において、本実施形態に係る免震システム1によれば、建造物2を上方に押圧するコイルバネ9が支持機構3に設けられているので、載置台8にかかる荷重Qが低減されている。したがって、建造物2は、比較的小さい慣性力Pが作用しても、上記式(3)の条件を満たすことになり、図6に示されるように載置台8から浮上する。そして、建造物2が載置台8から浮上すると、コイルバネ9は伸びるがロック機構9′で伸びが制限されることになる。また、粘弾性ダンパー10の作動により、建造物2の浮上が抑制されるとともに、着底時の衝撃が緩和されることになる。
【0034】
すなわち、本実施形態に係る免震システム1は、地面Eに対して支持機構3を水平方向に相対移動させることにより、建造物2を免震する一方で、水平振動減衰機構4を作動させることにより、建造物2の水平方向の変位を抑制し、その抑制した分、低減が制限される水平方向の慣性力で、建造物2の片側を浮上させるものである。建造物2を浮上させることで、振動に対する応答性を低下させ、水平方向の変位を抑制しつつ免震することができる。
【0035】
また、本実施形態に係る免震システム1では、載置台8の高さを任意に調節することができるので、載置台8の高さを低くすることでコイルバネ9による押圧力を増大させて、荷重Qをさらに低減し、建造物2をさらに浮上しやすくすることができる。また、載置台8の高さを高くすることで、押圧力を低減させて、荷重Qを大きくし、浮上しにくくすることもできる。すなわち、コイルバネ9による押圧力を調節することにより、建造物2の浮上のタイミングを調節することができるので、想定される地震力や建造物2の重量に応じて設定することにより、建造物2の安定性と免震とを両立することができる。
また、回転慣性機構5の作動により、建造物2に加わる地震力自体を低減することができるので、さらに効率的に免震することができる。
【0036】
また、粘弾性ダンパー10およびゴムパッド15の作動により、建造物2が載置台8に着地する際の衝撃を低減することができる。
【0037】
なお、本実施形態に係る免震システム1においては、免震対象構造物として建造物を例に挙げて説明したが、商品を陳列するラックその他の構造物に適用することも可能である。また、支持機構3に設けたバネ要素としてコイルバネ9を例に挙げて説明したが、これに代えて、図7、図8に示されるような板バネ29,30や皿バネを採用してもよい。また、この場合、板バネ29,30は、図9に示されるように、載置台8の周囲に放射状に配置することにより、全方向の変位に対応できるので効果的である。
【0038】
また、ボールスライダ7とこれに取り付けられるバネ21、ダッシュポット22とを採用したが、これに代えて、図10に示されるように、積層ゴム31により水平方向の変位を許容しつつ水平振動の減衰効果を発揮させることにしてもよい。また、これに代えて、図11に示されるように、中央の窪んだ凹面を有する2枚の皿状部材32,33の間にボール34を挟んで、水平方向の変位を許容しつつ、ボール34を凹面内で転がすことにより、復元力を発揮させることにしてもよい。
【0039】
さらに、載置台8の上面に設けたゴムパッド15に代えて、柱状の硬質ゴムを2枚の鋼製フランジで挟んだ形態の載置台(図示略)を採用してもよい。
また、図12に示されるようなトリガー機構35を併設してもよい。このトリガー機構35は、地面Eおよび建造物2にそれぞれ固定した筒状のブラケット36,37内に、シアピン38を挿入配置したものである。地震発生前の通常時には、シアピン38によって建造物2が地面Eに対して相対移動しないように固定されている。地震発生時には、シアピン38を破断させることにより、拘束を解放して、建造物2と地面Eとが相対的に変位できるようにする。これにより、通常時における建造物2の変位を抑制して安定させ、地震発生時には免震機能を発揮させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0040】
【図1】この発明の一実施形態に係る免震システムを示す概略図である。
【図2】図1の免震システムを構成する支持機構を示す正面図である。
【図3】図1の免震システムを構成する回転慣性機構を示す正面図である。
【図4】図1の免震システムの簡略モデルを示す模式図である。
【図5】図1の免震システムにおいて構造物の浮上を説明する模式図である。
【図6】図2の支持機構において構造物が浮上した状態を示す正面図である。
【図7】図2の支持機構の変形例を示す正面図である。
【図8】図7の支持機構に用いられる板バネの変形例を示す正面図である。
【図9】図7または図8の板バネの配置を示す平面図である。
【図10】図2の支持機構の他の変形例を示す正面図である。
【図11】図2の支持機構の他の変形例を示す正面図である。
【図12】図1の免震システムに用いられるトリガー機構の一例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【0041】
1 免震システム
2 建造物(構造物)
3 支持機構
4 水平振動復元・減衰機構(水平振動復元機構、水平振動減衰機構)
5 回転慣性機構
8 載置台
9 コイルバネ(バネ要素)
10 粘弾性ダンパー(鉛直振動減衰機構)
28 質量要素
29,30 板バネ(バネ要素)
35 トリガー機構
【技術分野】
【0001】
この発明は免震システムに関し、特に、変位抑制型免震システムに関するものである。
【背景技術】
【0002】
地震から人命や家屋、家財を守るとともに、柱や梁の配置など構造に対する制約を少なくして自由な設計を可能にした免震住宅や、地震の揺れから収納品の落下、破損を防ぎ、地震直後の機能維持を狙いとした免震ラックなどに代表される免震システムが普及しつつある。
この種の免震システムは、一般に、家屋やラックなどの構造物をボールベアリング等により水平方向にスライド可能に支持し、円錐状の皿の傾斜、コイルバネ、ゴム等を利用して地震時の揺れを長周期化することによって、構造物に作用する地震力を軽減している。また、地震時の揺れを長周期化すると、移動量が大きくなるために、摩擦ダンパーやオイルダンパー等の減衰要素を用いて移動量が過大になることを抑制している。
【0003】
また、地震の横揺れおよび縦揺れの両方に対処するために、積層ゴムからなる水平方向の免震機構に加えて、空気バネや板バネからなる鉛直方向の免震機構を備えた免震装置も提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
【特許文献1】特開平9−195573号公報(図1等)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、従来の免震住宅に備えられる免震装置は、免震性能を確保するために、水平方向に±30cm程度の移動量が必要である。この場合に、移動領域内への立ち入りを禁止するためには片側60cm以上のカバーを設ける必要があり、その結果、カバーの先端が移動する範囲まで含めると、建物の周囲に全周にわたって渡り幅が90cmのデッドスペースを確保する必要があるという不都合がある。このようなデッドスペースを確保することは一般には困難であり、免震装置を適用できる住宅が限定されてしまうことになる。また、このように大きく移動する建物は、本来であれば倒壊を防ぐことが必要な道路に面した建物には適用することができない。
また、このように構造物を大きく水平移動させる免震装置は、商品を陳列するラックのように、その近くまで人が近接する構造物には適用することができないという欠点がある。
【0005】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、構造物の変位を抑制しつつ構造物に作用する地震力を軽減することができる免震システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、水平方向に間隔をあけて配置され、構造物を搭載して水平方向に移動可能に支持する複数の支持機構と、該支持機構の水平振動を長周期化する水平振動復元機構および減衰させる水平振動減衰機構とを備えるとともに、前記構造物を前記支持機構に浮上可能に載置し、構造物に加わる水平方向の振動を鉛直方向の振動に変換することを特徴とする免震システムを提供する。
【0007】
この発明によれば、地震の際に、地面が水平方向に振動すると、支持機構の作動により、構造物が地面に対して相対的に水平移動させられる。すなわち、地面が振動しても、支持機構が作動することによって、構造物に伝達される地面の地震力が低減され、免震されることになる。
【0008】
この場合において、地面に対する構造物の相対的な水平移動で水平振動減衰機構が作動すると、相対的な移動が抑制され、構造物にブレーキがかかる。すなわち、地震により発生した地面と構造物との相対的な変位は小さくできるが、構造物の慣性力の低減は少なくなる。
【0009】
この慣性力に対し、支持機構は水平方向に間隔をあけて配置されているので、慣性力が大きくなると支持機構には交互に引抜力が作用する。ここで、構造物は、支持機構の上に浮上可能に載置されているので、片側端部をもう片側の支持機構に対して浮き上がらせることにより、構造物に加わる水平方向の振動を鉛直方向の振動に変換することが可能となる。
【0010】
その結果、鉛直方向の振動に変換された分だけ、水平方向の振動が低減され、構造物が水平方向に免震されることになる。したがって、構造物の水平方向の移動量を低減して、大きな水平免震が可能となり、構造物周囲に設けられるデッドスペースの幅を小さくすることができる。
【0011】
上記発明においては、前記支持機構に、構造物を載置可能な載置台と、該載置台に構造物が載置されている状態において構造物を上方に押圧するバネ要素とが設けられていることが好ましい。
構造物を上方に押圧するバネ要素を設けておくことにより、構造物を浮き上がらせるタイミングを早めることができる。その結果、地震発生から早期に構造物を浮上させて、水平方向の応答量をより低減することが可能となる。
【0012】
上記発明においては、前記バネ要素の押圧力が構造物の浮上で解放されると、直ちにバネ要素の解放をロックする機構を備え、そのロック位置を調節可能であることとしてもよい。
このようにすることで、構造物の水平振動エネルギをバネ要素でほとんど吸収することなく、鉛直振動エネルギに変換することができる。また、ロック位置を調節することで、バネ要素のエネルギと鉛直振動エネルギの吸収配分を最適化し、最も効率的に水平振動エネルギを鉛直振動エネルギに変換することができる。
また、上記発明においては、前記載置台が、その高さを調節可能であることとしてもよい。載置台の高さを調節することにより、バネ要素から構造物に加える押圧力を簡易に調節することができる。このように押圧力を調整することで、構造物を浮上させるタイミングを調節することができる。また、構造物の周囲に設けることができるデッドスペースの広さに応じて調整することとしてもよい。
【0013】
また、上記発明においては、前記支持機構と前記構造物との間に、構造物の鉛直方向の振動を減衰させる鉛直振動減衰機構が設けられていることとしてもよい。
鉛直振動減衰機構の作動により、水平方向の振動から変換された鉛直方向の振動エネルギを吸収し、着底時の衝撃を抑制することが可能となる。
【0014】
さらに、上記発明においては、前記構造物の変位に応じて質量要素を回転させる回転慣性機構を備えることとすれば効果的である。
回転慣性機構の作動により、見かけの重量を増大させて、構造物に加わる地震力を低減することができる。
【0015】
また、上記発明においては、前記構造物の水平方向の変位を拘束していて、構造物に地震力が加わったときにその拘束を解除するよう機能するトリガー機構を備えることにしてもよい。
トリガー機構により、地震発生前の通常状態においては、構造物が水平移動しないように固定され、安定した状態に保持される。一方、地震発生時には、トリガー機構による拘束が解放されることにより、構造物の変位が許容され、振動が抑制される。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、構造物の水平方向の振動を抑制した分だけ、鉛直方向の振動に変換することにより、構造物を水平方向に免震することができる。その結果、構造物の水平方向の移動量を低減して、構造物周囲に設けられるデッドスペースの幅を小さくすることができるという効果がある。特に、水平方向の移動量を低減しつつ免震できるので、道路に面した建造物や免震ラックの免震システムに適用することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0017】
[第1実施形態]
本発明の第1実施形態に係る免震システム1について、図1〜図6を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る免震システム1は住宅等の建造物2に適用されるシステムであって、図1に示されるように、地面Eと建造物2との間に配置され、建造物2を載置して支持する支持機構3と、建造物2の水平方向の振動を復元・減衰させる水平振動復元・減衰機構4と、回転慣性機構5とから構成されている。
【0018】
前記支持機構3は、例えば、建造物2の四隅に、水平方向に間隔をあけて配置されている。この支持機構3は、図2に示されるように、地面E上においてボール6を転がすことにより水平移動可能なボールスライダ7と、該ボールスライダ7の上部に設けられ、建造物2を載置する載置台8と、前記ボールスライダ7と建造物2との間に配置されたコイルバネ9と、同じくボールスライダ7と建造物2との間に配置された粘弾性ダンパー10とを備えている。
【0019】
前記載置台8は、例えば、鋼管の上下に鋼製のフランジ(図示略)を溶接することにより構成されたベース11と、該ベース11の上側フランジに上下に形成された雌ネジ(図示略に螺合する雄ネジ12を有する昇降台13とを備えている。昇降台13は、ベース11の雌ネジに対して雄ネジ12を回転させることにより、上下方向に移動可能に構成されている。また、図中符号14はナットであり、昇降台13をベース11に対して任意の高さ位置に固定することができるようになっている。また、図中符号15は、昇降台13の上面に配置されたゴムパッドある。
【0020】
前記コイルバネ9は、建造物2が載置台8に載置されているときに圧縮状態となって、建造物2に対し上方に押圧力を加えるようになっている。また、建造物2の浮上で押圧力が解放されるとコイルバネ9の若干の戻りを許容した後に、ロック機構9′でそれ以上の解放をロックするようになっている。
また、前記粘弾性ダンパー10は、ボールスライダ7の上部に固定された2枚一対の平行間隔をあけた平行平板16と、これら平行平板16の間に挿入配置され、建造物2に固定された平板部材17と、これら平行平板16と平板部材17との間に充填された粘弾性体18とから構成されている。粘弾性ダンパー10は、図2の例では、ボールスライダ7上に2カ所設置されている。平行平板16は、リブ19によってボールスライダ7上において補強されており、ボールスライダ7と建造物2との水平方向の相対的な位置を固定することができるようになっている。
【0021】
本実施形態に係る免震システム1においては、建造物2が載置台8上に浮上可能に載置されている。すなわち、建造物2と載置台8とは上下方向に切り離されている。これにより、建造物2に上向きの力が作用したときには、建造物2は載置台8から浮上することができるようになっている。
【0022】
前記水平振動復元・減衰機構4は、複数のボールスライダ6のそれぞれに設けられ、地面Eに固定されたブラケット20と、ボールスライダ7との間に設けられ、ボールスライダ7の水平方向の変位に応じてその変位と逆方向に復元する復元力を発生するバネ21と、ボールスライダ7の水平方向の移動速度に応じて、その移動を制限する方向に減衰力を発生させるダッシュポット22とから構成されている。地震によりボールスライダ7が水平方向に振動させられると、バネ21およびダッシュポット22の作動により、その振動が減衰させられるようになっている。すなわち、各ボールスライダ7の自由な水平移動が制限されるようになっている。
【0023】
前記回転慣性機構5は、例えば、図3に示されるように、地面Eに固定されたブラケット23に、任意の方向に揺動自在に取り付けられた軸受ブロック24と、該軸受ブロック24によってその長手軸線回りに回転自在に支持されたボールネジ25と、建造物2に固定されたブラケット26に、揺動自在に取り付けられ、前記ボールネジ25に螺合するナット27と、前記ボールネジ25に一体的に取り付けられた鋼製の円板28とを備えている。
【0024】
ここで、回転慣性機構5の作用について説明する。
地震によって建造物2と地面Eとの間に相対変位が生ずると、地面Eに固定されているブラケット23と建造物2に固定されているブラケット26との間の距離が変化するので、ナット27がボールネジ25の長手方向に沿って移動させられる。これにより、ボールネジ25はその長手軸線回りに回転させられるので、ボールネジ25に固定されている円板28が長手軸線回りに回転させられる。その結果、建造物2と地面Eとの相対変位に基づいて円板28が回転させられることになり、円板28の慣性量に応じて、建造物2の見かけ上の質量が増加する効果が生ずる。
【0025】
すなわち、図1に示されるシステムを、図4に示されるように簡略化して考えると、回転慣性機構5が存在しない場合のシステムの運動方程式は、以下の通りである。
【0026】
【数1】
【0027】
一方、回転慣性機構が存在する場合には、建造物と地面とが相対変位したときに円板が回転して、その慣性量による加速度項が発生するので、この慣性量を建造物と地面との相対変位の方向に移動する質量に換算すると、質量Δmが付加されることになる。この質量Δmは、円板が回転することのみによって発生するので、地震加速度項には寄与しない。したがって、システムの運動方程式は、以下の通りとなる。
【0028】
【数2】
【0029】
すなわち、式(1)と式(2)とを比較すると、回転慣性機構5の作動により、地震加速度項の係数がm/(m+Δm)となり、建造物2に作用する慣性力が小さくなり、見かけ上地震加速度が低減されることがわかる。
【0030】
このように構成された本実施形態に係る免震システム1の作用について、以下に説明する。
水平方向に振動する地震が発生すると、各支持機構3を構成しているボールスライダ7のボール6が地面Eに対して転がることにより、地面Eからの振動が直接建造物2に伝達されないように建造物2を地面Eに対して相対的に変位させる。すなわち、地面Eが振動しても、建造物2はボールスライダ7を地面Eに対して相対移動させることにより免震される。
【0031】
この場合において、各支持機構3には水平振動減衰機構4が設けられているので、地面Eと建造物2との相対変位や相対速度が大きくなると、水平振動減衰機構4の作動によって、相対変位が抑制され建造物2にはブレーキが作用する。このため、地面Eに対する建造物2の水平方向に沿う相対変位は制限されるが、建造物2に作用する慣性力の低減も制限される。
【0032】
この慣性力Pが大きくなると支持機構には引抜力が作用する。すなわち、図5に示されるように、支持位置から上方に距離Rだけ離れた重心位置には、P×Rの転倒モーメント力が作用する。また、各支持機構3には建造物2の重量を分配した自重Qが作用し、支持機構3は水平方向に間隔Hをあけて配置されているので、Q×Hの復元モーメントが作用する。このため、以下の式が成立するときに建造物2が支持機構3の載置台8から浮上することになる。
P×R≧Q×H (3)
【0033】
この場合において、本実施形態に係る免震システム1によれば、建造物2を上方に押圧するコイルバネ9が支持機構3に設けられているので、載置台8にかかる荷重Qが低減されている。したがって、建造物2は、比較的小さい慣性力Pが作用しても、上記式(3)の条件を満たすことになり、図6に示されるように載置台8から浮上する。そして、建造物2が載置台8から浮上すると、コイルバネ9は伸びるがロック機構9′で伸びが制限されることになる。また、粘弾性ダンパー10の作動により、建造物2の浮上が抑制されるとともに、着底時の衝撃が緩和されることになる。
【0034】
すなわち、本実施形態に係る免震システム1は、地面Eに対して支持機構3を水平方向に相対移動させることにより、建造物2を免震する一方で、水平振動減衰機構4を作動させることにより、建造物2の水平方向の変位を抑制し、その抑制した分、低減が制限される水平方向の慣性力で、建造物2の片側を浮上させるものである。建造物2を浮上させることで、振動に対する応答性を低下させ、水平方向の変位を抑制しつつ免震することができる。
【0035】
また、本実施形態に係る免震システム1では、載置台8の高さを任意に調節することができるので、載置台8の高さを低くすることでコイルバネ9による押圧力を増大させて、荷重Qをさらに低減し、建造物2をさらに浮上しやすくすることができる。また、載置台8の高さを高くすることで、押圧力を低減させて、荷重Qを大きくし、浮上しにくくすることもできる。すなわち、コイルバネ9による押圧力を調節することにより、建造物2の浮上のタイミングを調節することができるので、想定される地震力や建造物2の重量に応じて設定することにより、建造物2の安定性と免震とを両立することができる。
また、回転慣性機構5の作動により、建造物2に加わる地震力自体を低減することができるので、さらに効率的に免震することができる。
【0036】
また、粘弾性ダンパー10およびゴムパッド15の作動により、建造物2が載置台8に着地する際の衝撃を低減することができる。
【0037】
なお、本実施形態に係る免震システム1においては、免震対象構造物として建造物を例に挙げて説明したが、商品を陳列するラックその他の構造物に適用することも可能である。また、支持機構3に設けたバネ要素としてコイルバネ9を例に挙げて説明したが、これに代えて、図7、図8に示されるような板バネ29,30や皿バネを採用してもよい。また、この場合、板バネ29,30は、図9に示されるように、載置台8の周囲に放射状に配置することにより、全方向の変位に対応できるので効果的である。
【0038】
また、ボールスライダ7とこれに取り付けられるバネ21、ダッシュポット22とを採用したが、これに代えて、図10に示されるように、積層ゴム31により水平方向の変位を許容しつつ水平振動の減衰効果を発揮させることにしてもよい。また、これに代えて、図11に示されるように、中央の窪んだ凹面を有する2枚の皿状部材32,33の間にボール34を挟んで、水平方向の変位を許容しつつ、ボール34を凹面内で転がすことにより、復元力を発揮させることにしてもよい。
【0039】
さらに、載置台8の上面に設けたゴムパッド15に代えて、柱状の硬質ゴムを2枚の鋼製フランジで挟んだ形態の載置台(図示略)を採用してもよい。
また、図12に示されるようなトリガー機構35を併設してもよい。このトリガー機構35は、地面Eおよび建造物2にそれぞれ固定した筒状のブラケット36,37内に、シアピン38を挿入配置したものである。地震発生前の通常時には、シアピン38によって建造物2が地面Eに対して相対移動しないように固定されている。地震発生時には、シアピン38を破断させることにより、拘束を解放して、建造物2と地面Eとが相対的に変位できるようにする。これにより、通常時における建造物2の変位を抑制して安定させ、地震発生時には免震機能を発揮させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0040】
【図1】この発明の一実施形態に係る免震システムを示す概略図である。
【図2】図1の免震システムを構成する支持機構を示す正面図である。
【図3】図1の免震システムを構成する回転慣性機構を示す正面図である。
【図4】図1の免震システムの簡略モデルを示す模式図である。
【図5】図1の免震システムにおいて構造物の浮上を説明する模式図である。
【図6】図2の支持機構において構造物が浮上した状態を示す正面図である。
【図7】図2の支持機構の変形例を示す正面図である。
【図8】図7の支持機構に用いられる板バネの変形例を示す正面図である。
【図9】図7または図8の板バネの配置を示す平面図である。
【図10】図2の支持機構の他の変形例を示す正面図である。
【図11】図2の支持機構の他の変形例を示す正面図である。
【図12】図1の免震システムに用いられるトリガー機構の一例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【0041】
1 免震システム
2 建造物(構造物)
3 支持機構
4 水平振動復元・減衰機構(水平振動復元機構、水平振動減衰機構)
5 回転慣性機構
8 載置台
9 コイルバネ(バネ要素)
10 粘弾性ダンパー(鉛直振動減衰機構)
28 質量要素
29,30 板バネ(バネ要素)
35 トリガー機構
【特許請求の範囲】
【請求項1】
水平方向に間隔をあけて配置され、構造物を搭載して水平方向に移動可能に支持する複数の支持機構と、該支持機構の水平振動を長周期化する水平振動復元機構および減衰させる水平振動減衰機構とを備えるとともに、
前記構造物を前記支持機構に浮上可能に載置し、構造物に加わる水平方向の振動を鉛直方向の振動に変換することを特徴とする免震システム。
【請求項2】
前記支持機構に、構造物を載置可能な載置台と、該載置台に構造物が載置されている状態において構造物を上方に押圧するバネ要素とが設けられていることを特徴とする請求項1に記載の免震システム。
【請求項3】
前記バネ要素による押圧力が構造物の浮上で解放されると、直ちにバネ要素の解放をロックする機構を備え、そのロック位置を調節可能であることを特徴とする請求項2に記載の免震システム。
【請求項4】
前記載置台が、その高さを調節可能であることを特徴とする請求項3に記載の免震システム。
【請求項5】
前記支持機構と前記構造物との間に、構造物の鉛直方向の振動を減衰させる鉛直振動減衰機構が設けられていることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれかに記載の免震システム。
【請求項6】
前記構造物の変位に応じて質量要素を回転させる回転慣性機構を備えることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれかに記載の免震システム。
【請求項7】
前記構造物の水平方向の変位を拘束していて、構造物に地震力が加わったときにその拘束を解除するよう機能するトリガー機構を備えることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれかに記載の免震システム。
【請求項1】
水平方向に間隔をあけて配置され、構造物を搭載して水平方向に移動可能に支持する複数の支持機構と、該支持機構の水平振動を長周期化する水平振動復元機構および減衰させる水平振動減衰機構とを備えるとともに、
前記構造物を前記支持機構に浮上可能に載置し、構造物に加わる水平方向の振動を鉛直方向の振動に変換することを特徴とする免震システム。
【請求項2】
前記支持機構に、構造物を載置可能な載置台と、該載置台に構造物が載置されている状態において構造物を上方に押圧するバネ要素とが設けられていることを特徴とする請求項1に記載の免震システム。
【請求項3】
前記バネ要素による押圧力が構造物の浮上で解放されると、直ちにバネ要素の解放をロックする機構を備え、そのロック位置を調節可能であることを特徴とする請求項2に記載の免震システム。
【請求項4】
前記載置台が、その高さを調節可能であることを特徴とする請求項3に記載の免震システム。
【請求項5】
前記支持機構と前記構造物との間に、構造物の鉛直方向の振動を減衰させる鉛直振動減衰機構が設けられていることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれかに記載の免震システム。
【請求項6】
前記構造物の変位に応じて質量要素を回転させる回転慣性機構を備えることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれかに記載の免震システム。
【請求項7】
前記構造物の水平方向の変位を拘束していて、構造物に地震力が加わったときにその拘束を解除するよう機能するトリガー機構を備えることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれかに記載の免震システム。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【公開番号】特開2006−16935(P2006−16935A)
【公開日】平成18年1月19日(2006.1.19)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2004−198347(P2004−198347)
【出願日】平成16年7月5日(2004.7.5)
【出願人】(000006208)三菱重工業株式会社 (10,378)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成18年1月19日(2006.1.19)
【国際特許分類】
【出願日】平成16年7月5日(2004.7.5)
【出願人】(000006208)三菱重工業株式会社 (10,378)
【Fターム(参考)】
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