JP4671072B2 - 免震装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に木造住宅等の比較的小規模な建物に用いて好適な免震装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、免震構造は積層ゴム等の免震装置によって建物全体を免震支持することで固有周期を長周期化し、それにより建物に伝達される地震力を大幅に低下させて地震被害を軽減することが可能であり、大規模建物においては広く普及しつつある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
近年、大規模建物のみならず、戸建て木造住宅等の小規模な建物にも免震構造を採用したいという要請があるが、従来一般の免震構造を木造住宅にそのまま適用した場合にはかなりのコストを要するものとなるし、建物の水平変位が過大となることが通常であるので、木造住宅等の小規模建物にも適用し得る有効な免震装置の開発が望まれている。
【０００４】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、従来の免震構造に比較して安価に形成でき、水平変位が過大となることのないような免震装置、および、このような免震装置を採用することにより、良好な制振性能を得ることが可能な建物を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明においては以下の手段を採用した。
すなわち、請求項１記載の発明は、建物の下部構造体と上部構造体との間に介装される免震装置であって、
前記下部構造体側に取り付けた下部取付板と、前記上部構造側に取り付けた上部取付板とが上下に対向配置され、
これら下部および上部取付板間には、これらの水平方向の相対変位を減衰させる減衰手段が設けられ、
前記下部取付板および上部取付板のいずれか一方には、同他方に向けて突出する突出部材が設けられ、
前記突出部材の先端は、前記下部取付板および上部取付板の他方の板面に対して水平移動可能に当接し、その先端には第一の転動体が前記板面に対して転動可能に保持され、
前記減衰手段は、下端が前記下部取付板に固定されるとともに、上端が前記上部取付板に固定され、なおかつ、前記突出部材および前記第一の転動体を環状に囲むように形成された粘弾性体であり、該粘弾性体は粘弾性体本体と、その粘弾性体本体の内周面および外周面を超延性材料で被覆させた被覆部とからなり、
前記板面の中央部には、凹状球面となるように湾曲加工された円形受け皿状の凹部が設けられ、
該凹部には、オイルが注入されており、前記第一の転動体が前記オイルに対して浸漬され、
前記突出部材の下面には、前記第一の転動体のうち前記突出部材下面から突出する部分を囲むようにスポンジ材が設けられ、該スポンジ材に防錆剤が含浸されていることを特徴としている。
【０００６】
請求項２記載の発明では、前記減衰手段の外周囲には、蛇腹状の保護被覆が設けられていることが好ましい。
【０００９】
請求項５記載の発明は、前記第一の転動体と前記板面との接触面に、前記第一の転動体および前記板面のうち、より降伏応力の小さい方の降伏応力以上かつ破断応力未満の応力が作用するように、前記免震装置に対して上部構造体の荷重を負担させたことが好ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて説明する。
図１から４は、本発明の一実施の形態である免震装置１を模式的に示す図であり、図１は、免震装置１の斜視半断面図、図２は、免震装置１の要部の立断面図、図３は、免震装置１の上面図、図４は、免震装置１が適用された建物２の基礎部の概略平面図である。
【００２１】
免震装置１は、図４に示すような平面形状を有する木造戸建住宅の建物２を対象として設置されたものであり、図１に示すように、この建物２の布基礎３（下部構造体）に対してその下部取付板４が固定されるとともに、その上部取付板５が免震装置１同士を連結する連結材６（図４参照）としての鋼材に対して接続された状態で用いられる。そして、連結材６の上部には、建物２のうち居住部としての上部構造体が構築されることによって、上部構造体の全体が複数の免震装置１により免震支持される構成となっている。
【００２２】
図１に示すように、免震装置１は、布基礎３上に取り付けられた平面視矩形の下部取付板４と、上部構造体側に取り付けられた平面視円形の上部取付板５とを、その中心軸を一致させて上下に対向配置した構成となっている。また、これら下部取付板４および上部取付板５の間には、上部取付板５から下方に向けて突出するとともに上部取付板５の板面８に当接するように形成された支承部９が設けられている。さらに、この支承部９を囲むように管状の粘弾性体ダンパー（減衰手段）１０が設けられている。
【００２３】
支承部９は、上部取付板５に対してボルト１１により固定されるとともに、上部取付板５から下方に向けて突出するように設けられた円柱状の突出部材１２と、突出部材１２の下端部１２ａに位置して下部取付板４の板面に当接するように設けられたメインボール１３（第一の転動体）と、メインボール１３および突出部材１２間に設けられて突出部材１２の内方に格納された小ボール受け（当接面）１４と、小ボール受け１４とメインボール１３との間に介装された多数の小ボール１５（第二の転動体）とを備えて構成される。小ボール１５は、メインボール１３と、小ボール受け１４に形成された球面状の当接面１４ａとに転動可能に当接しており、これによって、小ボール１５およびメインボール１３が、突出部材１２側から転動可能に保持され、支承部９が全体として通常のボールベアリングと同様の機能を有するものとされている。さらに、この場合、メインボール１３が下部取付板４の板面８に転動可能に当接することにより、支承部９は、上部取付板５から下部取付板４に鉛直荷重を伝達する役割を発揮するとともに、上部取付板５の下部取付板４に対する水平変位を許容するように機能する。
【００２４】
なお、ここで、メインボール１３および小ボール１５の材質としては、カーボンスチール（ＳＵＪ２あるいはＳＷＲＭ）、ステンレススチール（ＳＵＳ４４０ＣあるいはＳＵＳ３０４）などの鋼材や、ナイロン（ＰＡ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）等の樹脂材が好適に用いられる。また、小ボール受け１４および下部取付板４の板面８の材質としては、カーボンスチール（ＳＣＭ４３５，ＳＣＭ４１５，あるいはＳＫ３）や、ステンレススチール（ＳＵＳ４４０ＣあるいはＳＵＳ３０３）などが好適に用いられる。
【００２５】
一方、粘弾性体ダンパー１０は、管状の粘弾性体本体１６と、粘弾性体本体１６の内周面および外周面に形成された被覆部１７とを一体成型したものであり、その上端部１０ａが上部取付板５に、その下端部１０ｂが下部取付板４に対してそれぞれ密着固定された構成となっている。これにより、粘弾性体ダンパー１０は、上部取付板５および下部取付板４の位置を保持するとともに、上部取付板５および下部取付板４が水平方向に相対変位した際に、せん断変形して、振動エネルギーを吸収することが可能な構成となっている。なお、粘弾性体ダンパー１０のうち、上部取付板５および下部取付板４に密着する上端部１０ａおよび下端部１０ｂの厚さ寸法は、これらの間に位置する中央部１０ｃの厚さ寸法よりも拡大しており、これにより、上部取付板５および下部取付板４に対する固着性能が確保されている。また、粘弾性体ダンパー１０の被覆部１７は、超延性材料層として形成されている。ここで、超延性材料としては、ブチルゴム、シリコーンゴム、ウレタンゴム、アスファルト、スチレンゴムなどが好適に用いられる。なお、粘弾性体ダンパー１０の粘弾性体本体１６および被覆部１７を構成する材料は、双方とも、常温以上の所定温度で融解するホットメルト材料が用いられている。
また、粘弾性体ダンパー１０は、支承部９を環状に囲む構成となっているために、支承部９をゴミやほこりなどから保護する機能を有する。
【００２６】
さらに、粘弾性体ダンパー１０の外周囲には、ゴム製の蛇腹状の保護被覆１８が設けられている。この保護被覆１８は、上部取付板５および下部取付板４が水平変位した場合にこれに追随して変形することが可能となっており、粘弾性体ダンパー１０を外部から作用する衝撃等から保護するほか、粘弾性体ダンパー１０をシロアリや鼠などの被害から防ぐべく、薬剤が塗布された構成となっている。
【００２７】
図２は、免震装置１の支承部９の近傍を拡大して示したものである。図中に示すように、突出部材１２は、その上端部１２ｂが、上部取付板５に設けられた孔部２０に対して挿入されることによりその位置が決められている。また、突出部材１２の上端部１２ｂには、側方に向けて延出する鍔部２１が設けられている。この鍔部２１は、上部取付板５に対して上方から当接するとともに、孔部２０の周囲に対してボルト１１により固定される。これにより、突出部材１２が上部取付板５に対して固定されている。
【００２８】
なお、上部取付板５の孔部２０の上端縁２０ａと、鍔部２１との間には、突出部材１２に外嵌されたリング状の止水部材２２が設けられている。この止水部材２２は、上部取付板５と鍔部２１との間を封止して、上部取付板５の孔部２０と突出部材２１の間の隙間から免震装置１の内部への水の侵入を防ぐ役割を果たすものである。
【００２９】
また、メインボール１３が当接する下部取付板４の板面８の中央部は、凹状球面となるように湾曲加工された円形受け皿状の凹部２３とされている。そして、この凹部２３の中心部（最も低い位置）２３ａにメインボール１３が当接している。
【００３０】
この凹部２３には、オイル２４が注入されており、メインボール１３はこのオイル２４に対して浸漬されている。これにより、オイル２４がメインボール１３が転動する際のエネルギーを吸収できるようになっている。さらに、突出部材１２の下面には、メインボール１３のうち突出部材１２下面から突出する部分を囲むように、スポンジ材２５が設けられている。このスポンジ材２５には、防錆剤が含浸されており、これにより、メインボール１３のうち突出部材１２の外方に露出する部分に錆が生じないようにしている。
【００３１】
ボールベアリングとして機能する支承部９において、上部構造体の荷重は、メインボール１３と凹部２３の中央部２３ａとの接触面、および小ボール１５のうち、メインボール１３の直上に位置するものと小ボール受け１４の当接面１４ａの中央部との接触面に集中して作用することとなるが、この建物２においては、これらの接触面に作用する接触圧力が、板面８および小ボール受け１４を構成する材料の降伏応力以上であって、かつ、破断応力以下となるようになっている。これにより、板面８および小ボール受け１４の一部が、塑性変形した状態で用いられている。さらに、建物２においては、このように板面８および小ボール受け１４に作用すべき接触圧力に基づいて各免震装置１が負担すべき荷重が決定され、これにより、免震装置１の建物２内における位置および数が定められている。
【００３２】
これらの接触面に作用する支圧力は、弾性計算によると以下のように表すことができる。
すなわち、免震装置１全体に作用する荷重Ｗが、メインボール１３と板面８との間、または、小ボール受け１４の当接面１４ａと小ボール１５との間の一点の接触面において支持されているとすると、これら、メインボール１３、板面８、当接面１４ａ、小ボール１５がいずれも球面により構成されているので、接触面の形状は円形となり、接触面に作用する接触圧力の平均値ｐmeanは、以下のように表すことができる。
【数１】
ここに、ａは接触面の半径であり、接触面において接触する部材の一方の主曲率を１／ｒ1、他方の１／ｒ2とし、いずれの場合も凸面のとき正、凹面のとき負、平面のとき１／ｒ→０とする。また、材料の縦弾性係数をＥ、ポアソン比をνとすれば、ａは、
【数２】
によって表される。ただし、
【数３】
ここに、ｍ0は、接触面における主曲率を含む面のなす角が０である場合には、ｍ0＝１で与えられる。
また、接触面における最大接触圧力ｐmaxは、
【数４】
である（以上の各式は、機械工学便覧、新版第８刷、（1998.12.3発行）のＢ１−３０，３１に基づく）。
【００３３】
したがって、ここでは、具体的には、最大接触圧力ｐmaxが、板面８あるいは小ボール受け１４の当接面１４ａの降伏応力を超え、なおかつ、破断応力以下となるように、各免震装置に作用する荷重Ｗを調整するようにする。
【００３４】
また、この場合、板面８および小ボール受け１４の当接面１４ａは、ブリンネル硬度において２００〜５００となっているのが好適であり、より好ましくは、ブリンネル硬度３５０程度とされていることが望ましい。一方、メインボール１３および小ボール１５は、十分硬いものである（例えば、ブリンネル硬度で５５０〜９００程度の材料である）ことが望ましい。これにより、小ボール受け１４および板面８に小ボール１５あるいはメインボール１２が一定の支圧力をもって当接することにより、塑性変形が生じやすいようにしている。さらに、このように板面８を塑性変形させることによって、メインボール１２が板面８に微小に食い込んだ状態が実現されることとなり、これにより、メインボール１２と板面８との摩擦係数、すなわち、メインボール１２および板面８間に作用する支圧力と、メインボール１２が側方に転動しようとするとき作用する抵抗力との比が、所望の値に確保されるようにしている。この場合、具体的には、上記摩擦係数が、３〜１０％であることが望ましい。
【００３５】
また、凹部２３は、メインボール１３が板面８の中心から転がり移動した際に、その傾斜によりメインボール１３に復元力を与えるように機能するように形成されている。これは、上部構造体に風荷重が作用した際に、上部構造体を所定位置から容易に移動させないことを目的としたものであり、具体的には、後述するように、例えば０．１５ｇ相当の風圧にも抵抗できるような傾きをもって凹部２３が形成されている。さらに、凹部２３の径寸法は、地震によって上部構造体と布基礎３との相対位置が変位した後に残留変形が生じないように、あらかじめ中心からの残留変形が所定確率（例えば９８％）で一定範囲内に収まるような範囲の大きさを求めておき、この範囲に基づいて決定されている。したがって、この凹部２３の径寸法は、図２のように、メインボール１３よりも大きくてもよいが、メインボール１３の径寸法と同程度の直径であってもよい。
【００３６】
例えば、図８に示すように、凹部２３の全体の直径をＢとし、凹部の中心軸からＢ／４の範囲内で凹部２３が所定曲率半径Ｒの凹面を形成するようにし、さらに、その外側のＢ／４の平面視環状の範囲内では、曲率半径Ｒで凸面が形成されるようにする（すなわち、曲率半径：−Ｒとする）ことで、凹部２３の外周縁が板面８に滑らかにすり付くような構成を採用するとする。
さらに、図９のように、メインボール１３に荷重Ｗが作用するとし、メインボール１３と凹部２３の接触面の法線と鉛直軸とのなす角度をθ、メインボール１３の中心Ｏと凹部２３の中心軸ＣＡとの間の水平方向距離をδ、メインボール１３に作用する荷重Ｗのうち凹部２３との接触面と平行な方向の成分をＱとすると、
Ｑ＝Ｗ・sinθ＝Ｗ・δ／Ｒ …（５）
であるから、Ｑとδとの関係は、図１０のようになる。
【００３７】
ここで、Ｂ＝４０mm、風荷重によるベースシアー係数：Ｃｗ＝0.15、摩擦係数：μ＝0.05とすると、風荷重が上部構造体に作用した場合に、中心軸ＣＡからメインボール１３の中心Ｏがδ＝Ｂ／４だけ離間した位置での力の釣り合いは、
Ｗ／Ｒ×１０＋0.05Ｗ＝0.15Ｗ …（６）
となり、これより、Ｒ＝１００ｍｍ、必要な最小くぼみ量：ｄ＝１ｍｍと算定される。
したがって、0.15ｇの風圧に耐え得るようにするためには、最低限この程度の径寸法、曲率、および、くぼみ量を凹部２３に持たせるようにすればよい。
【００３８】
次に免震装置１の製造方法について説明する。
上述のような免震装置１を製造するには、図５に示すように、ともに鉛直に、かつ、中心軸ＣＡを一致させて対向配置した下部取付板４および上部取付板５の間に、周方向に複数に分割可能とされた管状型枠２７を挟み込む。この場合、上部取付板５および下部取付板４の中心軸ＣＡを一致させておく。
【００３９】
そして、この管状型枠２７の内部に対して、上部取付板５の孔部２０を介して、粘弾性体ダンパー１０の材料を供給するためのホース２８を挿入する。
次に、上部取付板５、下部取付板４、および管状型枠２７を、中心軸ＣＡ周りに回転させつつ、ホース２８から材料を注入する。これには、まず、ホース２８から所定温度以上に熱して融解させた超延性材料を注入する。この場合、融解させた超延性材料は遠心力が付与された状態とされるために、管状型枠２７の内周面に沿って展開する。
【００４０】
そして、このように管状型枠２７を回転させた状態で放熱冷却させることにより、融解した超延性材料を固化させ、管状型枠に沿って超延性材料層（被覆部１７）を形成する。
次に、管状型枠２７を中心軸周りに回転させて遠心力を付与した状態で、所定温度以上に熱して融解させた粘弾性体を管状型枠２７の内周面に沿って展開させる。そして、この状態で管状型枠２７を冷却することにより、超延性材料層の内周面に粘弾性体を固化させて粘弾性体本体１６を管状に形成する。
【００４１】
さらに、この後、管状型枠２７を回転させつつ、再び融解させた超延性材料を管状の粘弾性体本体１６の内周面に注入して、粘弾性体本体１６の内周面に管状の超延性材料層（被覆部１７）を再度形成する。さらに、この超延性材料が冷却固化した後に、管状型枠２７を分解して脱型する。これによって、内周面および外周面が超延性材料（被覆部１７）によって被覆された粘弾性体本体１６からなる粘弾性体ダンパー１０が、上部取付板５および下部取付板４の双方に固着した状態で形成される。
【００４２】
次に、このように、上部取付板５、下部取付板４、および粘弾性体ダンパー１０が一体化されたものを、水平に載置し、下部取付板４の凹部２３にオイルを注入する。そしてあらかじめ組み立てておいた支承部９に止水部材２２としてのＯリングを外嵌させたものを、上部取付板５の孔部２０に挿通するとともに、突出部材１２の鍔部２１を上部取付板５に対してボルト１１により固定する。さらに、粘弾性体ダンパー１０の周囲を保護被覆１８により被覆することによって図１から３に示したような免震装置１の構造を得る。
【００４３】
上述の免震装置１においては、メインボール１３が板面８に対して３〜１０％の摩擦係数をもって転動可能に当接している。これにより、上部構造体の加速度を適切な値に保ちつつ、上部構造体の応答変位を所定値以内に抑制することができる。
【００４４】
メインボール１３と板面８との摩擦係数を変化させて、この免震装置１によって支持された上部構造体に地震動を与え、この場合に上部構造体に作用する水平加速度および上部構造体に生じる水平変位を計測した実験の結果を、以下の表１から表３に示す。なお、この場合の地震動としては、El Centoro(1940)が用いられている。
【表１】
【表２】
【表３】
これらの表において粘弾性体の断面積とは、建物２の上部構造体を支持するのに用いられた全ての免震装置１における粘弾性体の平面断面積の総和を示す。
【００４５】
これらの結果から明らかなように、摩擦係数５％あるいは３％の場合においては、上部構造体の加速度および水平変位の双方とも、１５０gal以下、および１５ｃｍ以下の範囲に収まっている。しかしながら、摩擦係数を１％とした場合においては、加速度の値は１５０gal以下となっているものの、粘弾性体の断面積をかなり大きくしても水平変位が１５ｃｍを上回っている。このように応答変位が大きくなると、敷地周囲で２０ｃｍ以上のセットバックが必要となり、一般住宅としてはかなり深刻な問題となる。
【００４６】
しかしながら、メインボール１３と板面８との摩擦係数をある程度（３％以上）確保することによって、水平変位を抑制して必要とされるセットバックを最小限にし、これによって、住宅敷地の有効利用を図ることが可能となる。
【００４７】
また、ここでは計算結果を示していないが、摩擦係数をある程度（１０％以上）とすると、上部構造体に作用する水平加速度が１５０Galを大きく上回ることが予想される。水平加速度が１５０Galを越えるか否かは、地震時において家具が転倒するかしないかの目安であるといわれており、このため、上部構造体内部の安全性を確保するためには、メインボール１３と板面８との摩擦係数が７％以下であることが望ましい。以上のような事情に鑑みて、本実施の形態においては、メインボール１３と板面８との摩擦係数を３〜１０％としたのである。
【００４８】
また、上述の免震装置１においては、メインボール１３に接する板面８および小ボール１５に当接する小ボール受け１４の当接面１４ａが塑性変形した状態で用いられている。これは、ボールベアリングの通常の許容荷重の５倍以上の荷重条件下で用いることに相当している。すなわち、上述のように免震装置１を建物２内に設置しても、その稼働は年に数回程度であり、一般の機械類において用いられるボールベアリングに対して想定される繰り返し荷重に比較すると、遥かにその稼働回数は少ない。したがって、支承部９の各部に要求される使用条件を精密機械なみの許容値に準じる必要はなく、必ずしも各部がすべて弾性変形内に収まるような使い方をする必要がない。そこで、本実施の形態においては、板面８および小ボール受け１４の当接面１４ａを塑性変形した状態で利用することとし、これにより、支承部９の簡素化を図り、大幅なコストダウンの実現を可能としている。
【００４９】
また、上述の免震装置１においては、摩擦係数を所定の値以上とするために板面８の硬度をブリンネル硬度で２００〜５００に、メインボール１３の硬度をブリンネル硬度で５５０〜９００程度に設定している。このような硬度を有する板面８およびメインボール１３を利用することによって、板面８に塑性変形を良好に生じさせ、適度な摩擦係数を得ることができる。
【００５０】
図６は、ボール３０と板面３１との摩擦係数と板面３１の硬度との関係を調べた実験装置３２の例である。この図に示すように、この実験装置３２は、一対のボール３０，３０が板状体３３を上下に挟まれた構成となっており、上下のボール３０，３０からは板状体３３に対して抗力Ｎを作用させているとする。そして、上下のボール３０，３０により挟まれた板状体３３を側方に引き抜き、これに要した力ＱをＮと比較することにより、板面３１の摩擦係数を求めることができるものである。
【００５１】
このような実験装置３２を利用して、様々な硬度の板面３１を有する板状体３３について、摩擦係数を調べた結果が表４であり、表４において得られた実験結果をグラフにプロットしたものが図７である。なお、この実験においてＮの値は１〜３tonとされているが、これは、通常の戸建て住宅において免震装置１を用いた場合の免震装置１に作用する荷重の範囲内であると考えられる。
【表４】
なお、表４においてはボール３０，３０の硬度を示していないが、ボール３０，３０としては、十分硬い、すなわち、ブリンネル硬度５５０以上の硬度を有するものが用いられている。
【００５２】
これらの実験結果から理解されるように、摩擦係数を３〜１０％得るには、抗力Ｎの大きさにかかわらず、板面３１のブリンネル硬度が２００〜５００程度、より好ましくは３５０前後であることが好適であり、したがって、本実施の形態においては、このような範囲の硬度を有する板面８をもつ下部取付板４を利用することによって、メインボール１３と板面８との間に適度な（３〜１０％の）摩擦係数を実現させているのである。
【００５３】
また、上述の建物２においては、メインボール１３と板面８との接触面、あるいは、小ボール１５と小ボール受け１４との接触面に、これらを構成する材料の降伏応力以上破断応力以下の応力が作用するようになっている。これによって、これらを確実に塑性変形させた状態で用いることができ、免震装置１の製作コストを低減することが可能であるとともに、摩擦係数を適度に向上させて、上部構造体の安全性の確保や敷地の有効利用を実現することができる。
【００５４】
また、上述の免震装置１においては、粘弾性体ダンパー１０がリング状に形成されているために、この粘弾性体ダンパー１０が、支承部９をほこりやゴミなどから保護する役割を果たすことができ、これにより、免震装置１が安定した性能を発揮できるようになっている。さらに、この粘弾性体ダンパー１０は、地震時に上部取付板５と下部取付板４との水平方向の相対変位が過大となった場合に、突出部材９に当接するストッパの役割、および、この場合の衝撃を緩和するショックアブソーバの役割を果たすことが可能であり、これによって、上部構造体の安全性を確保することが可能となる。
【００５５】
さらに、粘弾性体ダンパー１０の内周面および外周面が超延性材料層によって被覆されているために、これら超延性材料層が粘弾性体本体１６の耐久性能を確保するための保護膜として機能し、免震装置１の耐久性を向上させることができる。
【００５６】
また、免震装置１は、粘弾性体ダンパーを１０構成する粘弾性体および超延性材料が常温以上の所定温度で融解するホットメルト材料によって形成されているために、これらを融解させた状態で容易に所定の形状に形成することができ、製作性に優れている。特に、上述のような製造方法により、粘弾性体および超延性材料を融解させた状態で、遠心力を付与することによって、容易に均一なリング状粘弾性体ダンパー１０を製造するができ、さらに、この粘弾性体ダンパー１０を上部取付板４および下部取付板５に固着させた状態で形成することも容易である。
【００５７】
以上において、本発明の一実施の形態を説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、必要に応じて、他の構成を採用することも可能である。
例えば、上記実施の形態においては、突出部１２が、その下端１２ａに設けられたメインボール１３を介して下部取付板５の板面８に当接する構成となっていたが、これに代えて、突出部１２の下端部１２ａに四フッ化エチレン樹脂などを配置し、これを下部取付板５の板面８に接触させることによって、突出部１２を所定の摩擦係数（３〜１０％）をもって下部取付板５の板面８に対して水平方向に滑動可能に当接させるようにしても、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００５８】
また、粘弾性体ダンパー１０は支承部９を囲むリング状に一体成型されていたが、これに限らず、複数の粘弾性体部材を、支承部を平面視四角形、八角形状、あるいは、その他の多角形状に囲むように設けてもよい。また、減衰手段としての粘弾性ダンパーは、必ずしも支承部９を囲む必要はなく、図１１に示す免震装置１’のように、上部取付板５’を下部取付板４と同様に平面視矩形に形成するとともに、円筒状の粘弾性体ダンパー３５を上部取付板５’および下部取付板４間の四隅に配置した構成を採用するようにしてもよい。
【００５９】
また、上記実施の形態においては、メインボール１３と板面８との間に所望の摩擦係数を確保するために、板面８を塑性変形させていたが、これに代えて、図１２のように、板面８をメインボール１３の材料より降伏応力が小さく塑性変形しやすい材料３６によってメッキして被覆するようにしてもよい。この場合メッキ材料としては、亜鉛、真鍮、鉛などが好適である。
【００６０】
また、板面８または板面８にメッキした材料３６を塑性変形させる代わりに、図１３に示すように、粘着材等を用いて微小な粉体３７を板面に分散状態に付着させ、これによりメインボール１３と板面８との間の摩擦係数を確保するようにしてもよい。この場合、粉体３７としては、砂、金剛砂、コランダム等を好適に用いることができる。またこの場合、粘着材等を用いずに粉体３７を板面８上に載置するのみの構成であってもよい。
【００６１】
また、上記実施の形態において、免震装置１に作用する荷重をさらに大きくして、小ボール１２内に塑性変形が生じる状態とするようにしてもよい。メインボール１３についても、同様に、その内部等に部分的に塑性変形を生じさせるようにしてもよい。
また、上記実施の形態において、下部取付板４側に支承部９を固定し、メインボール１３を上部取付板５の下面に当接させることによって、上部取付板５の荷重を下部取付板側に伝達させるようにしてもよい。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る免震装置および請求項４に係る建物においては、減衰手段である粘弾性体が、突出部材と板面との当接部をリング状に囲んでこれらをほこりやゴミなどから保護する役割を果たすことができ、これにより、安定した性能を発揮できるようになっている。また、この粘弾性体が、突出部材に当接するストッパの役割、および、この場合の衝撃を緩和するショックアブソーバの役割を果たすことが可能であり、これによって、上部構造体の安全性を確保することが可能となる。また、ストッパやショックアブソーバを別途設ける必要が無く、収まりがよい。
また、粘弾性体の内周面および外周面が超延性材料によって被覆されているために、これら超延性材料層が粘弾性体本体の耐久性能を確保するための保護膜として機能し、耐久性を向上させることができる。
【００７１】
請求項３に係る免震装置においては、第一の転動体およびそれに接する板面のいずれか一方または双方が塑性変形した状態で用いられているため、第一の転動体または板面に要求される弾性変形性能を大幅に低減し、コストダウンを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施の形態である免震装置の斜視半断面図である。
【図２】 同、要部立断面図である。
【図３】 同、要部上面図である。
【図４】 建物における免震装置の配置例を示す平面図である。
【図５】 図１から３に示した免震装置において用いられる粘弾性体ダンパーの製造方法を説明するための斜視半断面図である。
【図６】 図１から３に示した免震装置の下部取付板の板面に付与すべき硬度を検討するための実験装置の模式図である。
【図７】 図６に示した装置による実験結果を示すための図であって、板面の硬度（横軸）−ボールと板面との間の摩擦係数（縦軸）のグラフである。
【図８】 図１から３に示した免震装置の下部取付板に形成された凹部のくぼみ深さを検討するための模式図である。
【図９】 図１から３に示した免震装置の下部取付板に形成された凹部のくぼみ深さを検討するために、メインボールに作用する力の方向を示した模式図である。
【図１０】 同、メインボールの中心と凹部の中心軸との距離（横軸）とメインボールに作用する接触面と平行な方向の力（縦軸）の関係を示すグラフである。
【図１１】 本発明の他の実施の形態を示す図であって、免震装置の斜視半断面図である。
【図１２】 本発明のさらに他の実施の形態を示す図であって、下部取付板の板面にメッキを施した場合の免震装置の立断面図である。
【図１３】 本発明のさらに他の実施の形態を示す図であって、下部取付板の板面に粉体を付着させた場合の免震装置の立断面図である。
【符号の説明】
１ 免震装置
２ 建物
３ 布基礎（下部構造体）
４ 下部取付板
５ 上部取付板
８ 板面
１０ 粘弾性体ダンパー（減衰手段）
１２ 突出部材
１３ メインボール（第一の転動体）
１４ 小ボール受け
１４ａ 当接面
１５ 小ボール（第二の転動体）
１６ 粘弾性体本体
１７ 被覆部（超延性材料層）
２７ 管状型枠
３６ 塑性変形しやすい材料
３７ 粉体
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に木造住宅等の比較的小規模な建物に用いて好適な免震装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、免震構造は積層ゴム等の免震装置によって建物全体を免震支持することで固有周期を長周期化し、それにより建物に伝達される地震力を大幅に低下させて地震被害を軽減することが可能であり、大規模建物においては広く普及しつつある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
近年、大規模建物のみならず、戸建て木造住宅等の小規模な建物にも免震構造を採用したいという要請があるが、従来一般の免震構造を木造住宅にそのまま適用した場合にはかなりのコストを要するものとなるし、建物の水平変位が過大となることが通常であるので、木造住宅等の小規模建物にも適用し得る有効な免震装置の開発が望まれている。
【０００４】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、従来の免震構造に比較して安価に形成でき、水平変位が過大となることのないような免震装置、および、このような免震装置を採用することにより、良好な制振性能を得ることが可能な建物を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明においては以下の手段を採用した。
すなわち、請求項１記載の発明は、建物の下部構造体と上部構造体との間に介装される免震装置であって、
前記下部構造体側に取り付けた下部取付板と、前記上部構造側に取り付けた上部取付板とが上下に対向配置され、
これら下部および上部取付板間には、これらの水平方向の相対変位を減衰させる減衰手段が設けられ、
前記下部取付板および上部取付板のいずれか一方には、同他方に向けて突出する突出部材が設けられ、
前記突出部材の先端は、前記下部取付板および上部取付板の他方の板面に対して水平移動可能に当接し、その先端には第一の転動体が前記板面に対して転動可能に保持され、
前記減衰手段は、下端が前記下部取付板に固定されるとともに、上端が前記上部取付板に固定され、なおかつ、前記突出部材および前記第一の転動体を環状に囲むように形成された粘弾性体であり、該粘弾性体は粘弾性体本体と、その粘弾性体本体の内周面および外周面を超延性材料で被覆させた被覆部とからなり、
前記板面の中央部には、凹状球面となるように湾曲加工された円形受け皿状の凹部が設けられ、
該凹部には、オイルが注入されており、前記第一の転動体が前記オイルに対して浸漬され、
前記突出部材の下面には、前記第一の転動体のうち前記突出部材下面から突出する部分を囲むようにスポンジ材が設けられ、該スポンジ材に防錆剤が含浸されていることを特徴としている。
【０００６】
請求項２記載の発明では、前記減衰手段の外周囲には、蛇腹状の保護被覆が設けられていることが好ましい。
【０００９】
請求項５記載の発明は、前記第一の転動体と前記板面との接触面に、前記第一の転動体および前記板面のうち、より降伏応力の小さい方の降伏応力以上かつ破断応力未満の応力が作用するように、前記免震装置に対して上部構造体の荷重を負担させたことが好ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて説明する。
図１から４は、本発明の一実施の形態である免震装置１を模式的に示す図であり、図１は、免震装置１の斜視半断面図、図２は、免震装置１の要部の立断面図、図３は、免震装置１の上面図、図４は、免震装置１が適用された建物２の基礎部の概略平面図である。
【００２１】
免震装置１は、図４に示すような平面形状を有する木造戸建住宅の建物２を対象として設置されたものであり、図１に示すように、この建物２の布基礎３（下部構造体）に対してその下部取付板４が固定されるとともに、その上部取付板５が免震装置１同士を連結する連結材６（図４参照）としての鋼材に対して接続された状態で用いられる。そして、連結材６の上部には、建物２のうち居住部としての上部構造体が構築されることによって、上部構造体の全体が複数の免震装置１により免震支持される構成となっている。
【００２２】
図１に示すように、免震装置１は、布基礎３上に取り付けられた平面視矩形の下部取付板４と、上部構造体側に取り付けられた平面視円形の上部取付板５とを、その中心軸を一致させて上下に対向配置した構成となっている。また、これら下部取付板４および上部取付板５の間には、上部取付板５から下方に向けて突出するとともに上部取付板５の板面８に当接するように形成された支承部９が設けられている。さらに、この支承部９を囲むように管状の粘弾性体ダンパー（減衰手段）１０が設けられている。
【００２３】
支承部９は、上部取付板５に対してボルト１１により固定されるとともに、上部取付板５から下方に向けて突出するように設けられた円柱状の突出部材１２と、突出部材１２の下端部１２ａに位置して下部取付板４の板面に当接するように設けられたメインボール１３（第一の転動体）と、メインボール１３および突出部材１２間に設けられて突出部材１２の内方に格納された小ボール受け（当接面）１４と、小ボール受け１４とメインボール１３との間に介装された多数の小ボール１５（第二の転動体）とを備えて構成される。小ボール１５は、メインボール１３と、小ボール受け１４に形成された球面状の当接面１４ａとに転動可能に当接しており、これによって、小ボール１５およびメインボール１３が、突出部材１２側から転動可能に保持され、支承部９が全体として通常のボールベアリングと同様の機能を有するものとされている。さらに、この場合、メインボール１３が下部取付板４の板面８に転動可能に当接することにより、支承部９は、上部取付板５から下部取付板４に鉛直荷重を伝達する役割を発揮するとともに、上部取付板５の下部取付板４に対する水平変位を許容するように機能する。
【００２４】
なお、ここで、メインボール１３および小ボール１５の材質としては、カーボンスチール（ＳＵＪ２あるいはＳＷＲＭ）、ステンレススチール（ＳＵＳ４４０ＣあるいはＳＵＳ３０４）などの鋼材や、ナイロン（ＰＡ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）等の樹脂材が好適に用いられる。また、小ボール受け１４および下部取付板４の板面８の材質としては、カーボンスチール（ＳＣＭ４３５，ＳＣＭ４１５，あるいはＳＫ３）や、ステンレススチール（ＳＵＳ４４０ＣあるいはＳＵＳ３０３）などが好適に用いられる。
【００２５】
一方、粘弾性体ダンパー１０は、管状の粘弾性体本体１６と、粘弾性体本体１６の内周面および外周面に形成された被覆部１７とを一体成型したものであり、その上端部１０ａが上部取付板５に、その下端部１０ｂが下部取付板４に対してそれぞれ密着固定された構成となっている。これにより、粘弾性体ダンパー１０は、上部取付板５および下部取付板４の位置を保持するとともに、上部取付板５および下部取付板４が水平方向に相対変位した際に、せん断変形して、振動エネルギーを吸収することが可能な構成となっている。なお、粘弾性体ダンパー１０のうち、上部取付板５および下部取付板４に密着する上端部１０ａおよび下端部１０ｂの厚さ寸法は、これらの間に位置する中央部１０ｃの厚さ寸法よりも拡大しており、これにより、上部取付板５および下部取付板４に対する固着性能が確保されている。また、粘弾性体ダンパー１０の被覆部１７は、超延性材料層として形成されている。ここで、超延性材料としては、ブチルゴム、シリコーンゴム、ウレタンゴム、アスファルト、スチレンゴムなどが好適に用いられる。なお、粘弾性体ダンパー１０の粘弾性体本体１６および被覆部１７を構成する材料は、双方とも、常温以上の所定温度で融解するホットメルト材料が用いられている。
また、粘弾性体ダンパー１０は、支承部９を環状に囲む構成となっているために、支承部９をゴミやほこりなどから保護する機能を有する。
【００２６】
さらに、粘弾性体ダンパー１０の外周囲には、ゴム製の蛇腹状の保護被覆１８が設けられている。この保護被覆１８は、上部取付板５および下部取付板４が水平変位した場合にこれに追随して変形することが可能となっており、粘弾性体ダンパー１０を外部から作用する衝撃等から保護するほか、粘弾性体ダンパー１０をシロアリや鼠などの被害から防ぐべく、薬剤が塗布された構成となっている。
【００２７】
図２は、免震装置１の支承部９の近傍を拡大して示したものである。図中に示すように、突出部材１２は、その上端部１２ｂが、上部取付板５に設けられた孔部２０に対して挿入されることによりその位置が決められている。また、突出部材１２の上端部１２ｂには、側方に向けて延出する鍔部２１が設けられている。この鍔部２１は、上部取付板５に対して上方から当接するとともに、孔部２０の周囲に対してボルト１１により固定される。これにより、突出部材１２が上部取付板５に対して固定されている。
【００２８】
なお、上部取付板５の孔部２０の上端縁２０ａと、鍔部２１との間には、突出部材１２に外嵌されたリング状の止水部材２２が設けられている。この止水部材２２は、上部取付板５と鍔部２１との間を封止して、上部取付板５の孔部２０と突出部材２１の間の隙間から免震装置１の内部への水の侵入を防ぐ役割を果たすものである。
【００２９】
また、メインボール１３が当接する下部取付板４の板面８の中央部は、凹状球面となるように湾曲加工された円形受け皿状の凹部２３とされている。そして、この凹部２３の中心部（最も低い位置）２３ａにメインボール１３が当接している。
【００３０】
この凹部２３には、オイル２４が注入されており、メインボール１３はこのオイル２４に対して浸漬されている。これにより、オイル２４がメインボール１３が転動する際のエネルギーを吸収できるようになっている。さらに、突出部材１２の下面には、メインボール１３のうち突出部材１２下面から突出する部分を囲むように、スポンジ材２５が設けられている。このスポンジ材２５には、防錆剤が含浸されており、これにより、メインボール１３のうち突出部材１２の外方に露出する部分に錆が生じないようにしている。
【００３１】
ボールベアリングとして機能する支承部９において、上部構造体の荷重は、メインボール１３と凹部２３の中央部２３ａとの接触面、および小ボール１５のうち、メインボール１３の直上に位置するものと小ボール受け１４の当接面１４ａの中央部との接触面に集中して作用することとなるが、この建物２においては、これらの接触面に作用する接触圧力が、板面８および小ボール受け１４を構成する材料の降伏応力以上であって、かつ、破断応力以下となるようになっている。これにより、板面８および小ボール受け１４の一部が、塑性変形した状態で用いられている。さらに、建物２においては、このように板面８および小ボール受け１４に作用すべき接触圧力に基づいて各免震装置１が負担すべき荷重が決定され、これにより、免震装置１の建物２内における位置および数が定められている。
【００３２】
これらの接触面に作用する支圧力は、弾性計算によると以下のように表すことができる。
すなわち、免震装置１全体に作用する荷重Ｗが、メインボール１３と板面８との間、または、小ボール受け１４の当接面１４ａと小ボール１５との間の一点の接触面において支持されているとすると、これら、メインボール１３、板面８、当接面１４ａ、小ボール１５がいずれも球面により構成されているので、接触面の形状は円形となり、接触面に作用する接触圧力の平均値ｐmeanは、以下のように表すことができる。
【数１】
【数２】
【数３】
また、接触面における最大接触圧力ｐmaxは、
【数４】
【００３３】
したがって、ここでは、具体的には、最大接触圧力ｐmaxが、板面８あるいは小ボール受け１４の当接面１４ａの降伏応力を超え、なおかつ、破断応力以下となるように、各免震装置に作用する荷重Ｗを調整するようにする。
【００３４】
また、この場合、板面８および小ボール受け１４の当接面１４ａは、ブリンネル硬度において２００〜５００となっているのが好適であり、より好ましくは、ブリンネル硬度３５０程度とされていることが望ましい。一方、メインボール１３および小ボール１５は、十分硬いものである（例えば、ブリンネル硬度で５５０〜９００程度の材料である）ことが望ましい。これにより、小ボール受け１４および板面８に小ボール１５あるいはメインボール１２が一定の支圧力をもって当接することにより、塑性変形が生じやすいようにしている。さらに、このように板面８を塑性変形させることによって、メインボール１２が板面８に微小に食い込んだ状態が実現されることとなり、これにより、メインボール１２と板面８との摩擦係数、すなわち、メインボール１２および板面８間に作用する支圧力と、メインボール１２が側方に転動しようとするとき作用する抵抗力との比が、所望の値に確保されるようにしている。この場合、具体的には、上記摩擦係数が、３〜１０％であることが望ましい。
【００３５】
また、凹部２３は、メインボール１３が板面８の中心から転がり移動した際に、その傾斜によりメインボール１３に復元力を与えるように機能するように形成されている。これは、上部構造体に風荷重が作用した際に、上部構造体を所定位置から容易に移動させないことを目的としたものであり、具体的には、後述するように、例えば０．１５ｇ相当の風圧にも抵抗できるような傾きをもって凹部２３が形成されている。さらに、凹部２３の径寸法は、地震によって上部構造体と布基礎３との相対位置が変位した後に残留変形が生じないように、あらかじめ中心からの残留変形が所定確率（例えば９８％）で一定範囲内に収まるような範囲の大きさを求めておき、この範囲に基づいて決定されている。したがって、この凹部２３の径寸法は、図２のように、メインボール１３よりも大きくてもよいが、メインボール１３の径寸法と同程度の直径であってもよい。
【００３６】
例えば、図８に示すように、凹部２３の全体の直径をＢとし、凹部の中心軸からＢ／４の範囲内で凹部２３が所定曲率半径Ｒの凹面を形成するようにし、さらに、その外側のＢ／４の平面視環状の範囲内では、曲率半径Ｒで凸面が形成されるようにする（すなわち、曲率半径：−Ｒとする）ことで、凹部２３の外周縁が板面８に滑らかにすり付くような構成を採用するとする。
さらに、図９のように、メインボール１３に荷重Ｗが作用するとし、メインボール１３と凹部２３の接触面の法線と鉛直軸とのなす角度をθ、メインボール１３の中心Ｏと凹部２３の中心軸ＣＡとの間の水平方向距離をδ、メインボール１３に作用する荷重Ｗのうち凹部２３との接触面と平行な方向の成分をＱとすると、
Ｑ＝Ｗ・sinθ＝Ｗ・δ／Ｒ …（５）
であるから、Ｑとδとの関係は、図１０のようになる。
【００３７】
ここで、Ｂ＝４０mm、風荷重によるベースシアー係数：Ｃｗ＝0.15、摩擦係数：μ＝0.05とすると、風荷重が上部構造体に作用した場合に、中心軸ＣＡからメインボール１３の中心Ｏがδ＝Ｂ／４だけ離間した位置での力の釣り合いは、
Ｗ／Ｒ×１０＋0.05Ｗ＝0.15Ｗ …（６）
となり、これより、Ｒ＝１００ｍｍ、必要な最小くぼみ量：ｄ＝１ｍｍと算定される。
したがって、0.15ｇの風圧に耐え得るようにするためには、最低限この程度の径寸法、曲率、および、くぼみ量を凹部２３に持たせるようにすればよい。
【００３８】
次に免震装置１の製造方法について説明する。
上述のような免震装置１を製造するには、図５に示すように、ともに鉛直に、かつ、中心軸ＣＡを一致させて対向配置した下部取付板４および上部取付板５の間に、周方向に複数に分割可能とされた管状型枠２７を挟み込む。この場合、上部取付板５および下部取付板４の中心軸ＣＡを一致させておく。
【００３９】
そして、この管状型枠２７の内部に対して、上部取付板５の孔部２０を介して、粘弾性体ダンパー１０の材料を供給するためのホース２８を挿入する。
次に、上部取付板５、下部取付板４、および管状型枠２７を、中心軸ＣＡ周りに回転させつつ、ホース２８から材料を注入する。これには、まず、ホース２８から所定温度以上に熱して融解させた超延性材料を注入する。この場合、融解させた超延性材料は遠心力が付与された状態とされるために、管状型枠２７の内周面に沿って展開する。
【００４０】
そして、このように管状型枠２７を回転させた状態で放熱冷却させることにより、融解した超延性材料を固化させ、管状型枠に沿って超延性材料層（被覆部１７）を形成する。
次に、管状型枠２７を中心軸周りに回転させて遠心力を付与した状態で、所定温度以上に熱して融解させた粘弾性体を管状型枠２７の内周面に沿って展開させる。そして、この状態で管状型枠２７を冷却することにより、超延性材料層の内周面に粘弾性体を固化させて粘弾性体本体１６を管状に形成する。
【００４１】
さらに、この後、管状型枠２７を回転させつつ、再び融解させた超延性材料を管状の粘弾性体本体１６の内周面に注入して、粘弾性体本体１６の内周面に管状の超延性材料層（被覆部１７）を再度形成する。さらに、この超延性材料が冷却固化した後に、管状型枠２７を分解して脱型する。これによって、内周面および外周面が超延性材料（被覆部１７）によって被覆された粘弾性体本体１６からなる粘弾性体ダンパー１０が、上部取付板５および下部取付板４の双方に固着した状態で形成される。
【００４２】
次に、このように、上部取付板５、下部取付板４、および粘弾性体ダンパー１０が一体化されたものを、水平に載置し、下部取付板４の凹部２３にオイルを注入する。そしてあらかじめ組み立てておいた支承部９に止水部材２２としてのＯリングを外嵌させたものを、上部取付板５の孔部２０に挿通するとともに、突出部材１２の鍔部２１を上部取付板５に対してボルト１１により固定する。さらに、粘弾性体ダンパー１０の周囲を保護被覆１８により被覆することによって図１から３に示したような免震装置１の構造を得る。
【００４３】
上述の免震装置１においては、メインボール１３が板面８に対して３〜１０％の摩擦係数をもって転動可能に当接している。これにより、上部構造体の加速度を適切な値に保ちつつ、上部構造体の応答変位を所定値以内に抑制することができる。
【００４４】
メインボール１３と板面８との摩擦係数を変化させて、この免震装置１によって支持された上部構造体に地震動を与え、この場合に上部構造体に作用する水平加速度および上部構造体に生じる水平変位を計測した実験の結果を、以下の表１から表３に示す。なお、この場合の地震動としては、El Centoro(1940)が用いられている。
【表１】
【００４５】
これらの結果から明らかなように、摩擦係数５％あるいは３％の場合においては、上部構造体の加速度および水平変位の双方とも、１５０gal以下、および１５ｃｍ以下の範囲に収まっている。しかしながら、摩擦係数を１％とした場合においては、加速度の値は１５０gal以下となっているものの、粘弾性体の断面積をかなり大きくしても水平変位が１５ｃｍを上回っている。このように応答変位が大きくなると、敷地周囲で２０ｃｍ以上のセットバックが必要となり、一般住宅としてはかなり深刻な問題となる。
【００４６】
しかしながら、メインボール１３と板面８との摩擦係数をある程度（３％以上）確保することによって、水平変位を抑制して必要とされるセットバックを最小限にし、これによって、住宅敷地の有効利用を図ることが可能となる。
【００４７】
また、ここでは計算結果を示していないが、摩擦係数をある程度（１０％以上）とすると、上部構造体に作用する水平加速度が１５０Galを大きく上回ることが予想される。水平加速度が１５０Galを越えるか否かは、地震時において家具が転倒するかしないかの目安であるといわれており、このため、上部構造体内部の安全性を確保するためには、メインボール１３と板面８との摩擦係数が７％以下であることが望ましい。以上のような事情に鑑みて、本実施の形態においては、メインボール１３と板面８との摩擦係数を３〜１０％としたのである。
【００４８】
また、上述の免震装置１においては、メインボール１３に接する板面８および小ボール１５に当接する小ボール受け１４の当接面１４ａが塑性変形した状態で用いられている。これは、ボールベアリングの通常の許容荷重の５倍以上の荷重条件下で用いることに相当している。すなわち、上述のように免震装置１を建物２内に設置しても、その稼働は年に数回程度であり、一般の機械類において用いられるボールベアリングに対して想定される繰り返し荷重に比較すると、遥かにその稼働回数は少ない。したがって、支承部９の各部に要求される使用条件を精密機械なみの許容値に準じる必要はなく、必ずしも各部がすべて弾性変形内に収まるような使い方をする必要がない。そこで、本実施の形態においては、板面８および小ボール受け１４の当接面１４ａを塑性変形した状態で利用することとし、これにより、支承部９の簡素化を図り、大幅なコストダウンの実現を可能としている。
【００４９】
また、上述の免震装置１においては、摩擦係数を所定の値以上とするために板面８の硬度をブリンネル硬度で２００〜５００に、メインボール１３の硬度をブリンネル硬度で５５０〜９００程度に設定している。このような硬度を有する板面８およびメインボール１３を利用することによって、板面８に塑性変形を良好に生じさせ、適度な摩擦係数を得ることができる。
【００５０】
図６は、ボール３０と板面３１との摩擦係数と板面３１の硬度との関係を調べた実験装置３２の例である。この図に示すように、この実験装置３２は、一対のボール３０，３０が板状体３３を上下に挟まれた構成となっており、上下のボール３０，３０からは板状体３３に対して抗力Ｎを作用させているとする。そして、上下のボール３０，３０により挟まれた板状体３３を側方に引き抜き、これに要した力ＱをＮと比較することにより、板面３１の摩擦係数を求めることができるものである。
【００５１】
このような実験装置３２を利用して、様々な硬度の板面３１を有する板状体３３について、摩擦係数を調べた結果が表４であり、表４において得られた実験結果をグラフにプロットしたものが図７である。なお、この実験においてＮの値は１〜３tonとされているが、これは、通常の戸建て住宅において免震装置１を用いた場合の免震装置１に作用する荷重の範囲内であると考えられる。
【表４】
【００５２】
これらの実験結果から理解されるように、摩擦係数を３〜１０％得るには、抗力Ｎの大きさにかかわらず、板面３１のブリンネル硬度が２００〜５００程度、より好ましくは３５０前後であることが好適であり、したがって、本実施の形態においては、このような範囲の硬度を有する板面８をもつ下部取付板４を利用することによって、メインボール１３と板面８との間に適度な（３〜１０％の）摩擦係数を実現させているのである。
【００５３】
また、上述の建物２においては、メインボール１３と板面８との接触面、あるいは、小ボール１５と小ボール受け１４との接触面に、これらを構成する材料の降伏応力以上破断応力以下の応力が作用するようになっている。これによって、これらを確実に塑性変形させた状態で用いることができ、免震装置１の製作コストを低減することが可能であるとともに、摩擦係数を適度に向上させて、上部構造体の安全性の確保や敷地の有効利用を実現することができる。
【００５４】
また、上述の免震装置１においては、粘弾性体ダンパー１０がリング状に形成されているために、この粘弾性体ダンパー１０が、支承部９をほこりやゴミなどから保護する役割を果たすことができ、これにより、免震装置１が安定した性能を発揮できるようになっている。さらに、この粘弾性体ダンパー１０は、地震時に上部取付板５と下部取付板４との水平方向の相対変位が過大となった場合に、突出部材９に当接するストッパの役割、および、この場合の衝撃を緩和するショックアブソーバの役割を果たすことが可能であり、これによって、上部構造体の安全性を確保することが可能となる。
【００５５】
さらに、粘弾性体ダンパー１０の内周面および外周面が超延性材料層によって被覆されているために、これら超延性材料層が粘弾性体本体１６の耐久性能を確保するための保護膜として機能し、免震装置１の耐久性を向上させることができる。
【００５６】
また、免震装置１は、粘弾性体ダンパーを１０構成する粘弾性体および超延性材料が常温以上の所定温度で融解するホットメルト材料によって形成されているために、これらを融解させた状態で容易に所定の形状に形成することができ、製作性に優れている。特に、上述のような製造方法により、粘弾性体および超延性材料を融解させた状態で、遠心力を付与することによって、容易に均一なリング状粘弾性体ダンパー１０を製造するができ、さらに、この粘弾性体ダンパー１０を上部取付板４および下部取付板５に固着させた状態で形成することも容易である。
【００５７】
以上において、本発明の一実施の形態を説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、必要に応じて、他の構成を採用することも可能である。
例えば、上記実施の形態においては、突出部１２が、その下端１２ａに設けられたメインボール１３を介して下部取付板５の板面８に当接する構成となっていたが、これに代えて、突出部１２の下端部１２ａに四フッ化エチレン樹脂などを配置し、これを下部取付板５の板面８に接触させることによって、突出部１２を所定の摩擦係数（３〜１０％）をもって下部取付板５の板面８に対して水平方向に滑動可能に当接させるようにしても、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００５８】
また、粘弾性体ダンパー１０は支承部９を囲むリング状に一体成型されていたが、これに限らず、複数の粘弾性体部材を、支承部を平面視四角形、八角形状、あるいは、その他の多角形状に囲むように設けてもよい。また、減衰手段としての粘弾性ダンパーは、必ずしも支承部９を囲む必要はなく、図１１に示す免震装置１’のように、上部取付板５’を下部取付板４と同様に平面視矩形に形成するとともに、円筒状の粘弾性体ダンパー３５を上部取付板５’および下部取付板４間の四隅に配置した構成を採用するようにしてもよい。
【００５９】
また、上記実施の形態においては、メインボール１３と板面８との間に所望の摩擦係数を確保するために、板面８を塑性変形させていたが、これに代えて、図１２のように、板面８をメインボール１３の材料より降伏応力が小さく塑性変形しやすい材料３６によってメッキして被覆するようにしてもよい。この場合メッキ材料としては、亜鉛、真鍮、鉛などが好適である。
【００６０】
また、板面８または板面８にメッキした材料３６を塑性変形させる代わりに、図１３に示すように、粘着材等を用いて微小な粉体３７を板面に分散状態に付着させ、これによりメインボール１３と板面８との間の摩擦係数を確保するようにしてもよい。この場合、粉体３７としては、砂、金剛砂、コランダム等を好適に用いることができる。またこの場合、粘着材等を用いずに粉体３７を板面８上に載置するのみの構成であってもよい。
【００６１】
また、上記実施の形態において、免震装置１に作用する荷重をさらに大きくして、小ボール１２内に塑性変形が生じる状態とするようにしてもよい。メインボール１３についても、同様に、その内部等に部分的に塑性変形を生じさせるようにしてもよい。
また、上記実施の形態において、下部取付板４側に支承部９を固定し、メインボール１３を上部取付板５の下面に当接させることによって、上部取付板５の荷重を下部取付板側に伝達させるようにしてもよい。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る免震装置および請求項４に係る建物においては、減衰手段である粘弾性体が、突出部材と板面との当接部をリング状に囲んでこれらをほこりやゴミなどから保護する役割を果たすことができ、これにより、安定した性能を発揮できるようになっている。また、この粘弾性体が、突出部材に当接するストッパの役割、および、この場合の衝撃を緩和するショックアブソーバの役割を果たすことが可能であり、これによって、上部構造体の安全性を確保することが可能となる。また、ストッパやショックアブソーバを別途設ける必要が無く、収まりがよい。
また、粘弾性体の内周面および外周面が超延性材料によって被覆されているために、これら超延性材料層が粘弾性体本体の耐久性能を確保するための保護膜として機能し、耐久性を向上させることができる。
【００７１】
請求項３に係る免震装置においては、第一の転動体およびそれに接する板面のいずれか一方または双方が塑性変形した状態で用いられているため、第一の転動体または板面に要求される弾性変形性能を大幅に低減し、コストダウンを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施の形態である免震装置の斜視半断面図である。
【図２】 同、要部立断面図である。
【図３】 同、要部上面図である。
【図４】 建物における免震装置の配置例を示す平面図である。
【図５】 図１から３に示した免震装置において用いられる粘弾性体ダンパーの製造方法を説明するための斜視半断面図である。
【図６】 図１から３に示した免震装置の下部取付板の板面に付与すべき硬度を検討するための実験装置の模式図である。
【図７】 図６に示した装置による実験結果を示すための図であって、板面の硬度（横軸）−ボールと板面との間の摩擦係数（縦軸）のグラフである。
【図８】 図１から３に示した免震装置の下部取付板に形成された凹部のくぼみ深さを検討するための模式図である。
【図９】 図１から３に示した免震装置の下部取付板に形成された凹部のくぼみ深さを検討するために、メインボールに作用する力の方向を示した模式図である。
【図１０】 同、メインボールの中心と凹部の中心軸との距離（横軸）とメインボールに作用する接触面と平行な方向の力（縦軸）の関係を示すグラフである。
【図１１】 本発明の他の実施の形態を示す図であって、免震装置の斜視半断面図である。
【図１２】 本発明のさらに他の実施の形態を示す図であって、下部取付板の板面にメッキを施した場合の免震装置の立断面図である。
【図１３】 本発明のさらに他の実施の形態を示す図であって、下部取付板の板面に粉体を付着させた場合の免震装置の立断面図である。
【符号の説明】
１ 免震装置
２ 建物
３ 布基礎（下部構造体）
４ 下部取付板
５ 上部取付板
８ 板面
１０ 粘弾性体ダンパー（減衰手段）
１２ 突出部材
１３ メインボール（第一の転動体）
１４ 小ボール受け
１４ａ 当接面
１５ 小ボール（第二の転動体）
１６ 粘弾性体本体
１７ 被覆部（超延性材料層）
２７ 管状型枠
３６ 塑性変形しやすい材料
３７ 粉体
Claims (2)
- 建物の下部構造体と上部構造体との間に介装される免震装置であって、
前記下部構造体側に取り付けた下部取付板と、前記上部構造側に取り付けた上部取付板とが上下に対向配置され、
これら下部および上部取付板間には、これらの水平方向の相対変位を減衰させる減衰手段が設けられ、
前記下部取付板および上部取付板のいずれか一方には、同他方に向けて突出する突出部材が設けられ、
前記突出部材の先端は、前記下部取付板および上部取付板の他方の板面に対して水平移動可能に当接し、その先端には第一の転動体が前記板面に対して転動可能に保持され、
前記減衰手段は、下端が前記下部取付板に固定されるとともに、上端が前記上部取付板に固定され、なおかつ、前記突出部材および前記第一の転動体を環状に囲むように形成された粘弾性体であり、該粘弾性体は粘弾性体本体と、その粘弾性体本体の内周面および外周面を超延性材料で被覆させた被覆部とからなり、
前記板面の中央部には、凹状球面となるように湾曲加工された円形受け皿状の凹部が設けられ、
該凹部には、オイルが注入されており、前記第一の転動体が前記オイルに対して浸漬され、
前記突出部材の下面には、前記第一の転動体のうち前記突出部材下面から突出する部分を囲むようにスポンジ材が設けられ、該スポンジ材に防錆剤が含浸されていることを特徴とする免震装置。 - 前記減衰手段の外周囲には、蛇腹状の保護被覆が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の免震装置。
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