JP2834980B2 - 構造物の耐震支持構造 - Google Patents

構造物の耐震支持構造

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    • E02D27/32Foundations for special purposes
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、地震による水平力を構
造物に伝えない耐震支持構造に関する。
【0002】
【従来の技術】地震によって構造物が崩壊しないという
ことは、外力としての地震エネルギーよりも大きなエネ
ルギー保有の能力が、その構造物にあることである。そ
のため外力として十分大きな地震力と、これに耐える能
力を必要保有水平耐力として構造物に求め、それらを比
較して安全を保証しており、想定した地震力まで崩壊し
ない構造物がつくられている。従って、想定より大きい
地震が起れば、構造物は壊れる可能性がある。また、想
定した範囲の地震が起り構造物が壊れなかったとして
も、例えば超高層建築物の上層階にいる人や物が、地震
の水平力を解消するように構成された建物の揺れに耐え
られるかどうかは不明である。
【0003】一方、免震構造物といわれるものも、「地
震動の性質を考慮し、その影響をできるだけ小さく抑え
るような配慮を特に施した構造物」と定義されるよう
に、スリップ方式と弾性方式の二つに代表される免震装
置を施しているが、構造物自体は地震の水平力を受ける
ことを前提としている。また、制震構造と呼ばれる新し
い構造形式が開発されつつあるが、これは地震による構
造物の動きを人為的に制御する構造で、やはり構造物自
体は地震の水平力を受けることを前提としている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】このように現在の構造
物は全て地震の水平力を受けることを前提としてつくら
れており、構造物自体に地震の水平力に対応した水平耐
力を要求している。このように、構造物に地震の水平力
を伝達しないようにする耐震支持構造は、従来まだ提案
されていない。
【0005】本発明は、前提とされてきた地震の水平力
を構造物に全く伝えず、地震の揺れによって構造物が壊
れることはなく、建物内にいる人や物が地震の水平力の
影響を受けることのない構造物の耐震支持構造を提供す
ることを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】この目的を解決するため
に、本発明による構造物の耐震支持構造は、構造物の重
量に耐え得る地耐力を有する地盤の表面に該構造物を所
要の支持位置で支持するために、各支持位置に、前記地
盤内に埋め込まれて上面が水平な仕上面となるように配
置された多数の根石と、上面と下面が互いに平行な平面
をなし前記多数の根石による前記仕上面と該下面との間
で摩擦力を生ずるように配置された礎石と、該礎石の上
面上で前記構造物を支持するように配置され該礎石の上
面と接する底面は中央部を穿って周縁部のみが該礎石の
上面に摩擦力を保持して接するような形状を有するよう
に形成された柱脚とを備えて、前記地盤内の地震による
水平方向の振動波により前記礎石は前記多数の根石の前
記仕上面上で水平方向の滑りを起すことにより前記構造
物に対する耐震機能を有せしめた構成を有している。
【0007】
【実施例】図面を参照して本発明を具体的に説明する。
図1は本発明による支持構造を示す断面略図である。地
盤1は改良地盤・人工地盤等のように構造物2を支える
地耐力を有する良好な地盤とする。礎石3の位置に根石
4を敷き地盤1に十分叩き込む。これにより各根石4の
上端は、地盤1と一体となった石による水平の仕上面を
形成する。根石4の上に上端が水平面となる礎石3を置
き、礎石3の上端面に構造物2の柱脚5を据える。礎石
3の自重と上に乗る構造物2の重量が加わって、根石4
と礎石3との接触面に十分に大きい摩擦力が生じる。柱
脚5の底面と礎石3との接触面についても同様である。
しかし、もちろん礎石3は根石4に対して、また、柱脚
5は礎石3に対して接合されている訳ではない。柱脚5
の底面は水平を保つように造られており、その底面の外
周は円又は正多角形等の円に内接する如き外形とし、さ
らに底面の中央部を穿って周縁部のみが礎石3の上面に
接するリング形状の横断面となるように形成されてい
る。
【0008】摩擦面は礎石3の上下にあるが、地盤1内
における地震による振動波の発生時に、礎石3の摩擦面
が伝達し得る最大摩擦力を越える水平方向の変位が作用
すると、根石4はその地盤1の変位とともに水平方向に
動く。このとき、礎石3と柱脚5は根石4に対しては
立しているから、慣性の法則により、共に原位置に留ま
ろうとする。即ち、礎石3と柱脚5は慣性力として作用
する地震力を受け、根石4と礎石3との間の摩擦面で両
者が水平方向の変位に沿って相対的に滑ることになる。
【0009】この滑る直前まで礎石3には根石4との接
触面に摩擦力が働いている。滑り出す直前の力を模式的
にあらわしたのが、図2である。以下、この図2を参照
して、地震発生時の地盤1の変位αに基く慣性として働
く地震力Fが作用したときに、前記の根石4上の礎石3
の滑りの外に、礎石3に図示の紙面上での回転が発生し
ないかについて検証する。βをある重量Wの物体に加わ
る地震力Fとその物体の重量Wとの比(すなわちβ=F
/W)とする。柱脚底面の外周が円であれば、任意の地
震力において、礎石3に働く力は摩擦力の伝達される
点X(実際は線である)について見れば図2に示す構造
物2の重量1礎石3の重量2 及び地震力Fのみで
ある。即ち、礎石3は地震力F=β(W 1 +W 2 によ
り左回りに回転しようとし、その左回りの回転力(モー
メント)F 1 はaβ(W1 +W2)である。ここで、a
は点Xから地震力Fの作用点までの高さである。一方こ
の回転を止めようとする右回りの力として、礎石3の
2 と柱脚5に加わる構造物2の重量W1 があり、そ
右回りの回転(モーメント)F 2
【0010】
【数1】 2 =bW 2 +(b+R)W 1 =b(W 1 +W 2 )+RW 1 である。ここで、bは点Xと礎石3の重心を通る鉛直線
との距離である。 2 −F 1 =b(W 1 +W 2 )+RW 1 −aβ(W 1 +W 2 )>0 …(1) であれば、回転を止めようとする右回りの回転力(モー
メント)F 2 が地震力Fによる左回りの回転力F 1 より
大きいことになり、礎石は回転しない。
【0011】図2に具体的な数値を想定してみる。βの
値として0.2を想定する。柱脚5に加わる構造物2の
重量W1 は通常数トンから数十トンであり、5トン=5
000kgを想定する。他の値も次のように想定する。
【0012】
【数2】 a=0.54m ,b=0.45m,R=0.235m,W1 =5000kg/ sec 2 ,W2 =400kg/sec 2 ,β=0.2 (1)式にこの値を入れると、 b(W1 +W2 )+RW1 −aβ(W1 +W2 )=0.45×(5000+ 400)+0.235×5000−0.54×0.2×(5000+400) =3021.8(kg・m/sec 2 >0
【0013】即ち、地震力によって礎石3は回転しよ
うとするが、回転を止めようとする右回りの回転 2
地震力Fによる左回りの回転力F 1 より圧倒的に大き
、地震力Fによる左回りの回転力は解消され、礎石3
は回転せず元の姿勢を安定に保持することになる。
【0014】以上の本発明の動作原理を模型を例にとっ
てさらに説明する。前記のように、(1)式のbは柱脚
5の中心軸から礎石3の回転中心点Xまでの距離であ
り、礎石3の底面の形状によって決まる。b=0は礎石
3の回転中心が柱脚5の中心軸上にあることを意味す
る。例えば、礎石3の下部が半球の場合である。このと
【0015】
【数3】 b(W1 +W2 )=0 となり、(1)式から次の式を得る。RW 1 −aβ(W 1 +W 2 )>0 ……………(2) RW1 がaβ(W1 +W2 )より大きければ、礎石は回
転しない。
【0016】先の具体的な数値でb=0としたとき
【数4】 RW1 =0.235×5000=1175(kg・m/sec 2 aβ(W1 +W2 )=0.54×0.2×(400+5000)=583.2 kg・m/sec 2 となり、(2)式は成り立っている。
【0017】以上のように地震力は根石4と礎石3の
接触面の最大摩擦力の範囲で礎石3を回転させる力とし
て働く。これに対して、礎石3の底面の形状により礎石
3の重量が加わる場合もあるが、主に構造物2の重量が
回転を止める力として働く。
【0018】柱脚5のリング形状底面は、礎石3が回転
したとき、リング形状底面が接触する礎石3の上面で最
大に変位する点Yに、構造物2の重量W1 を瞬時に移動
させる装置となっており、構造物2の重量W1 を効率よ
く利用し、礎石3を回転させないのである。
【0019】次に本発明の原理を実証する模型として球
に乗った構造物の例を図3を提示する。Aはアクリルプ
レート、BはアクリルプレートAに垂直に接着されたア
クリルパイプ、CはアクリルパイプBの下端に回転自在
にとりつけられたアクリル球、DはA上の重しである。
図4はその柱脚の1つの断面図である。アクリルパイプ
Bの内径Rの円と球Cとの接触部は線状であるが、図
2の柱脚底面を表わしている。アクリルパイプBに加わ
る重量をW1 、球Cの重量をW2 、W1 が点Yに作用す
る時の(W1 +W2 )の作用点の高さをaとする。この
とき摩擦面上の球に地震力が右から加わり、球Cは左
回りに回転する。しかし構造物の重量W1 が点Yに加わ
り、次の瞬間球は右回りに回転することを観察すること
ができる。これは地震力Fを受けた点線の礎石に加わる
力の様子を表していることになる。点Xに関する力を考
えると、左回りの回転力aβ(W1 +W2 )を、右回り
回転力RW1 が解消しているのである。提示した原理
模型は、図2において柱脚底面を水平に保ち、その底面
形状をリング状にすることが、この構造の基本であるこ
とを示している。
【0020】また、この原理模型からこの構造は免震工
法の一つである図5の如きボールベアリングの上の構造
物の一種であることは明らかである。図5の場合、構造
物2’はボールベアリング4’の中心に関して地震によ
る地盤1’の変位と対称に変位する。
【0021】しかし、図6に示す如き本発明の構造の場
合、礎石3が回転しようとして持ち上がった瞬間、礎石
と根石は点Xで接し、この最大摩擦力を越える地震
によって相対的に滑る。(礎石+構造物)は地盤の
変位分だけX点で抵抗を受けながら滑る。その結果とし
て、図6の点線の位置に来ると、礎石3は点X’を支点
にして礎石3が逆に持ち上り、反対の動きをするのであ
る。構造物2’は図5の場合、地震によって静止時
位置を中心にして地盤1’の変位と対称に変位する
しかし、図6に示す如き本発明の構造物の場合、地震力
Fによって地盤1が点線で示す礎石3と柱脚5の位置に
対して右方向に相対的に変位しているだけで、構造物2
は静止時の位置に止まる。即ち、構造物2は地震の水平
力を受けないのである。また根石4の上面の領域は地震
の地動変位分を確保する広さが必要なことが分かる。
【0022】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば礎石の回転は、図2に示した力の釣合いの原理に
適っており、礎石がフリーで、その力の作用点に球を想
定できることは、ボールベアリング上の構造物と同じ
原理にあることを示している。更に摩擦面は柱脚と礎
石との接触は面から点に変化し、同時に礎石と根石の接
触面は面から線又は点に変化することで、平常時の構造
物の安定と地震時の(礎石+構造体)の滑りを可能にし
ている。以上の三点を組み合わせることによって、地震
の水平力を構造物に伝えない工法が成り立っている。本
発明の構造は、根石,礎石,柱脚の材料については、石
・石・木,石・石・石,石・コンクリート・鉄,石・鉄
・鉄等種々可能であり、施工方法,耐候性等を加味した
産業上の有効性について広い利用分野を有している。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による支持構造を示す断面略図である。
【図2】本発明による支持構造に水平地震力が作用した
場合の力関係を示す模式図である。
【図3】本発明による支持構造の水平地震下での動作を
説明するための模式図である。
【図4】本発明による支持構造の水平地震下での動作を
説明するための模式図である。
【図5】本発明による支持構造の水平地震下での動作を
説明するための模式図である。
【図6】本発明による支持構造の水平地震下での動作を
説明するための断面図である。
【符号の説明】
1,1’ 地盤 2,2’ 建築物 3,3’ 礎石 4 根石 4’根石(ボールベアリング) 5 柱脚

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 構造物の重量に耐え得る地耐力を有する
    地盤の表面に該構造物を所要の支持位置で支持するため
    に、 各支持位置に、 前記地盤内に埋め込まれて上面が水平な仕上面となるよ
    うに配置された多数の根石と、 上面と下面が互いに平行な平面をなし前記多数の根石に
    よる前記仕上面と該下面との間で摩擦力を生ずるように
    配置された礎石と、 該礎石の上面上で前記構造物を支持するように配置され
    該礎石の上面と接する底面は中央部を穿って周縁部のみ
    が該礎石の上面に摩擦力を保持して接するような形状を
    有するように形成された柱脚とを備えて、 前記地盤内の地震による水平方向の振動波により前記礎
    石は前記多数の根石の前記仕上面上で水平方向の滑りを
    起すことにより前記構造物に対する耐震機能を有せしめ
    た構造物の耐震支持構造。
  2. 【請求項2】 前記柱脚の底面がリング状であることを
    特徴とする請求項1に記載の構造物の耐震支持構造。
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