JP5945889B2

JP5945889B2 - 免震構造

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Publication number: JP5945889B2
Application number: JP2012162756A
Authority: JP
Inventors: 杉本　浩一; 浩一杉本; 福喜多　輝; 輝福喜多; 磯田　和彦; 和彦磯田
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2012-07-23
Filing date: 2012-07-23
Publication date: 2016-07-05
Anticipated expiration: 2032-07-23
Also published as: JP2014020534A

Description

本発明は、建物などの上部構造物の地震時応答を低減させるための免震構造に関する。

従来から、建物などの上部構造物と地盤（固定端）の間の免震層に免震構造を設け、この免震構造によって上部構造物の地震時応答を低減させるようにした免震建物が広く知られている。この一方で、巨大地震が発生し、また、長周期地震動が作用し、免震層の変形が過大となって、上部構造物が擁壁等に衝突したり、免震構造を構成する積層ゴム（構造体バネ）に破損が生じることなどが懸念されている。

これに対し、上部構造物を構造体バネと構造体減衰で免震支持するとともに、別途応答低減機構を水平剛性（構造体バネのバネ剛性）と並列に設置してなる免震構造が提案、実用化されている（例えば、特許文献１参照）。また、この免震構造の応答低減機構は、慣性質量ダンパーと付加バネを直列に接続するとともに、オイルダンパーなどの第１の付加減衰を慣性質量ダンパーと並列に接続し、さらに、オイルダンパーなどの第２の付加減衰を慣性質量ダンパーと直列に接続し、さらに、第２の付加減衰と並列に復元バネを接続して構成されている。

そして、このように構成した応答低減機構では、慣性質量ダンパーによる慣性質量と復元バネのバネ剛性で応答低減機構の固有周期を上部構造物の固有周期と同調させることで、共振時の応答を大幅に改善することが可能になる。

特開２０１１−２３６９６８号公報

しかしながら、上記の応答低減機構（免震構造）においては、復元バネのバネ剛性と慣性質量ダンパーの慣性質量で応答低減機構の固有周期を上部構造物の固有周期と同調させ、変位を出すようにすることで、オイルダンパーの第１の付加減衰と第２の付加減衰によって確実にエネルギー減衰効果が発揮されるように、すなわち、２つのオイルダンパーの制震要素で確実にエネルギー減衰効果が得られるようにしている。

上記のような同調型減衰というのは、元々減衰が少ない制震建物において有効な機構であり、免震建物は、免震機構に元々大きな減衰が含まれているため、建物周期に同調させるための非常に軟らかい復元バネを設置することで得られる減衰というものの効果は薄れてしまう。すなわち、免震建物に同調型の復元バネを設置することの利点は非常に少ない。

また、上記の応答低減機構においては、オイルダンパーの第１の付加減衰と第２の付加減衰、慣性質量ダンパー、復元バネを備えてなり、部材点数が多く、高コストになるという問題もあった。

そして、このようなことから、高価なオイルダンパーを用いずに応答低減機構を構成するようにし、確実に免震機能を発揮して上部構造物の地震時応答を低減させる免震構造が強く望まれていた。

本発明の免震構造は、上部構造物と固定端の間の免震層に設けられ、前記上部構造物を構造体バネと構造体減衰を介して前記固定端に接続するとともに、前記上部構造物の地震時応答を低減させるための応答低減機構を前記構造体バネと並列に設けてなる免震構造であって、前記応答低減機構が、第１の慣性質量ダンパーと、前記第１の慣性質量ダンパーと並列に設けられた第２の慣性質量ダンパーと、前記第１の慣性質量ダンパーと直列に設けられ、摩擦要素の滑りによって前記第１の慣性質量ダンパーに作用する負荷を制限する過負荷防止機構とを備え、且つ、慣性質量比を０．２〜０．５にして構成されていることを特徴とする。

本発明の免震構造は、上部構造物と固定端の間の免震層に設けられ、前記上部構造物を構造体バネと構造体減衰を介して前記固定端に接続するとともに、前記上部構造物の地震時応答を低減させるための応答低減機構を前記構造体バネと並列に設けてなる免震構造であって、前記応答低減機構が、第１の慣性質量ダンパーと、前記第１の慣性質量ダンパーと並列に設けられた第２の慣性質量ダンパーと、前記第１の慣性質量ダンパーと直列に設けられ、摩擦要素の滑りによって前記第１の慣性質量ダンパーに作用する負荷を制限する過負荷防止機構とを備え、且つ、前記摩擦要素に滑りが生じる制限負荷を、慣性質量×重力加速度×（１／１０）以下にして構成されていることを特徴とする。

本発明の免震構造においては、応答低減機構が第１の慣性質量ダンパーと第２の慣性質量ダンパーを備えることにより、上部構造物を構造体バネと構造体減衰で免震支持してなる免震構造（応答低減機構を備えていない免震構造）と比較し、免震層変位を例えば最大で４０％程度低減することが可能になる。また、応答低減機構が過負荷防止機構を備えることにより、免震層の変位低減効果を保ちつつ、上部構造物の応答加速度や層間変形角の増加量を抑制することが可能になる。

よって、本発明の免震構造によれば、高価なオイルダンパーを用いず、部材点数を少なくして応答低減機構を構成し、確実に免震機能を発揮して上部構造物の地震時応答を低減させることが可能になる。

また、本発明の免震構造においては、慣性質量比を０．２〜０．５にすることで、免震層の変位低減効果と上部構造物の応答加速度や層間変形角の抑制効果をバランスよく活用することが可能になる。

また、本発明の免震構造においては、摩擦要素に滑りが生じる制限負荷を、慣性質量×重力加速度×（１／１０）以下にすることによっても、免震層の変位低減効果と上部構造物の応答加速度や層間変形角の抑制効果をバランスよく活用することが可能になる。

本発明の一実施形態に係る免震構造を示す図である。地震応答解析で用いた本発明のモデルを示す図である。地震応答解析における上部構造の骨格曲線の設定を示す図である。摩擦要素の復元力特性を示す図である。地震応答解析で用いた入力地震動の速度応答スペクトルを示す図である。告示波を入力した際の地震応答解析の結果を示す図である。地震応答解析の結果を示す図であり、モデルＣ（本発明）に各地震波を入力した際の慣性質量比と免震層変位比の関係を示す図である。地震応答解析の結果を示す図であり、モデルＣ（本発明）に各地震波を入力した際の慣性質量比と最大加速度の関係を示す図である。地震応答解析の結果を示す図であり、制限負荷ｆ_０＝慣性質量ｍｉ×重力加速度ｇ×（１／４０）としたモデルＣ（本発明）に、ＥｌＣｅｎｔｏｒｏ波を入力した際の各種応答値を示す図である。地震応答解析の結果を示す図であり、ｆ_０＝ｍｉ×ｇ×（１／２０）としたモデルＣに、ＥｌＣｅｎｔｏｒｏ波を入力した際の各種応答値を示す図である。地震応答解析の結果を示す図であり、ｆ_０＝ｍｉ×ｇ×（１／１０）としたモデルＣに、ＥｌＣｅｎｔｏｒｏ波を入力した際の各種応答値を示す図である。地震応答解析の結果を示す図であり、制限負荷ｆ_０＝慣性質量ｍｉ×重力加速度ｇ×（１／４０）としたモデルＣ（本発明）に、八戸波を入力した際の各種応答値を示す図である。地震応答解析の結果を示す図であり、ｆ_０＝ｍｉ×ｇ×（１／２０）としたモデルＣに、八戸波を入力した際の各種応答値を示す図である。地震応答解析の結果を示す図であり、ｆ_０＝ｍｉ×ｇ×（１／１０）としたモデルＣに、八戸波を入力した際の各種応答値を示す図である。地震応答解析の結果を示す図であり、制限負荷ｆ_０＝慣性質量ｍｉ×重力加速度ｇ×（１／４０）としたモデルＣ（本発明）に、Ｔａｆｔ波を入力した際の各種応答値を示す図である。地震応答解析の結果を示す図であり、ｆ_０＝ｍｉ×ｇ×（１／２０）としたモデルＣに、Ｔａｆｔ波を入力した際の各種応答値を示す図である。地震応答解析の結果を示す図であり、ｆ_０＝ｍｉ×ｇ×（１／１０）としたモデルＣに、Ｔａｆｔ波を入力した際の各種応答値を示す図である。地震応答解析の結果を示す図であり、制限負荷ｆ_０＝慣性質量ｍｉ×重力加速度ｇ×（１／４０）としたモデルＣ（本発明）に、告示波を入力した際の各種応答値を示す図である。地震応答解析の結果を示す図であり、ｆ_０＝ｍｉ×ｇ×（１／２０）としたモデルＣに、告示波を入力した際の各種応答値を示す図である。地震応答解析の結果を示す図であり、ｆ_０＝ｍｉ×ｇ×（１／１０）としたモデルＣに、告示波を入力した際の各種応答値を示す図である。地震応答解析の結果を示す図であり、制限負荷ｆ_０＝慣性質量ｍｉ×重力加速度ｇ×（１／４０）としたモデルＣ（本発明）に、三の丸波を入力した際の各種応答値を示す図である。地震応答解析の結果を示す図であり、ｆ_０＝ｍｉ×ｇ×（１／２０）としたモデルＣに、三の丸波を入力した際の各種応答値を示す図である。地震応答解析の結果を示す図であり、ｆ_０＝ｍｉ×ｇ×（１／１０）としたモデルＣに、三の丸波を入力した際の各種応答値を示す図である。

以下、図１から図２３を参照し、本発明の一実施形態に係る免震構造について説明する。

本実施形態の免震構造１は、図１に示すように、建物などの上部構造物２と地盤などの固定端３の間の免震層４に設けられている。また、この免震構造１は、上部構造物２を構造体バネ５と構造体減衰６を介して固定端３に接続するとともに、上部構造物２の地震動入力に対する応答（地震時応答）を低減させるための応答低減機構７を構造体バネ５と並列に設置して構成されている。

本実施形態の応答低減機構７は、第１の慣性質量ダンパー８と、この第１の慣性質量ダンパー８と並列に配設された第２の慣性質量ダンパー９とを備え、さらに、第１の慣性質量ダンパー８と直列に配設され、摩擦要素１０の滑りによって第１の慣性質量ダンパー８に作用する負荷を制限する過負荷防止機構１１を備えて構成されている。

また、慣性質量ダンパー８、９としては、例えばボールネジ機構と回転錘（フライホイール）を組み合わせたものが採用可能であり、この種の慣性質量ダンパーでは、回転錘の実際の質量の数百倍以上もの大きな質量効果を得ることができる。そして、本実施形態の応答低減機構７では、第１の慣性質量ダンパー８が、過負荷防止機構１１が作動することで（すなわち、摩擦要素１０が滑ることで）回転が止まる回転錘とされ、第２の慣性質量ダンパー９が、過負荷防止機構１１が作動しても回転し続けるボールネジやボールナットのボールネジ機構とされている。また、このとき、例えば、第１の慣性質量ダンパー８の慣性質量ｍｉの負担割合が８５％、第２の慣性質量ダンパー９の慣性質量ｍｉの負担割合が１５％となるように構成されている。

さらに、本実施形態の免震構造１において、応答低減機構７は、慣性質量比（慣性質量ｍｉ／上部構造物全重量Ｍ）が０．２〜０．５となるようにして構成されている。あるいは、応答低減機構７は、摩擦要素１０に滑りが生じる制限負荷（滑り出し荷重、頭打ち負担反力）ｆ_０を、慣性質量ｍｉ×重力加速度ｇ×（１／１０）以下にして構成されている。

〔実施例１〕
次に、本実施形態の免震構造１の優位性を確認するために行なった地震応答解析について説明する。ここでは、５質点の免震建物モデルを作成し、慣性質量ダンパー８、９の有無、過負荷防止機構１１の有無、慣性質量ｍｉの大小、入力地震動の特性をパラメータとしてそれぞれ地震応答解析を行い、その結果を比較することにより、本実施形態の免震構造１の優位性を確認・評価するようにしている。

具体的に、まず、解析モデルは、図２に示すように、５質点の等価せん断型モデルを使用した。

この５質点の等価せん断型モデルにおける主構造（上部構造物２）の諸条件は次のように設定した。
各質点の質量は一様に１０００ｔｏｎとし、合計５０００ｔｏｎとした。また、上部構造物２の各層（各階）の剛性は、最上層と最下層の剛性比が０．５７：１．０の台形分布となるようにして与えた。基礎固定時の１次固有周期は０．４３ｓｅｃとした。また、ベースシア係数Ｃｂ＝０．１５とし、Ａｉ分布で各層の層せん断力を求めて図３のように各層の骨格曲線を設定し、復元力モデルに武田モデルを使用した。さらに、上部構造物２の減衰は、歪エネルギー比例型で５次まで３％とした。

次に、免震層４の諸条件は次のように設定した。
構造体バネ５にはゴム総厚が２０ｃｍの積層ゴムを用い、免震層４を含めた１次固有周期を５．０ｓｅｃとした。また、免震層４の構造体減衰６には鋼材ダンパーを用い、負担率αを０．０４として耐力を設定し、降伏変位が２０ｍｍのバイリニアでモデル化した。

そして、この地震応答解析では、以下の４つの検討解析モデルを設定した。
〔モデルＡ〕：従来免震モデル（積層ゴムと鋼材ダンパーのみ（構造体バネ５と構造体減衰６のみ）のモデル）
〔モデルＢ〕：慣性質量ダンパーを免震層４に並列に付加したモデル（慣性質量ダンパー８、９のみの（過負荷防止機構１１がない）モデル）
〔モデルＣ〕：慣性質量ダンパー８、９に過負荷防止機構１１を付加したモデル（本発明）
〔モデルＤ〕：モデルＡの構造体減衰６を十分に大きくした変位抑制型免震モデル
なお、本発明にかかるモデルＣは、慣性質量ダンパー（第１の慣性質量ダンパー８）と、図４に示す復元力特性をもつ摩擦要素１０を直列に接続している。また、慣性質量ダンパー８の負担力が滑り出し荷重（制限負荷、頭打ち負担反力）ｆ_０を超えると摩擦要素１０が滑り、この滑り出し荷重ｆ_０以上の過大な荷重が慣性質量ダンパー８に入力されないモデルとなっている。また、モデル上、摩擦要素１０が接続する第１の慣性質量ダンパー８と、接続しない第２の慣性質量ダンパー９の質量比を８５：１５としている。

そして、上記の４つのモデルに対し、慣性質量ダンパー８、９の慣性質量ｍｉと入力地震動の特性をパラメータとして地震応答解析を行なった。また、各解析ケースにおける慣性質量ｍｉ（慣性質量比）と摩擦要素１０の滑り出し荷重ｆ_０は表１に示す通りとした。さらに、慣性質量ｍｉは、上部構造物の全重量Ｍに対して５〜８０％の大きさに設定し、摩擦要素１０の滑り出し荷重ｆ_０は、各ケースにおける慣性質量ｍｉ×重力加速度ｇ×（１／２０）とした。

また、表２に、解析に使用した入力地震動と、その最大加速度の値を示す。さらに、図５に、速度応答スペクトル（減衰５％）を示す。このうち、ＥｌＣｅｎｔｒｏ、八戸、Ｔａｆｔの各入力地震動の波については、最大加速度を５０ｃｍ／ｓに基準化して用いた。また、各入力地震動の入力方向を１方向にして解析を行なった。

次に、地震応答解析の結果について説明する。
はじめに、図６は、告示波レベル２を入力した際の各モデルの慣性質量比と応答値の関係を示している。また、応答値は、免震層変位（図６（ａ））、ダンパーの反力（図６（ｂ））、各階の応答加速度（図６（ｃ））、各階（層）の層間変形角（図６（ｄ））であり、ここでは、慣性質量比を０．２と０．５にした場合の解析結果を示している。さらに、図７は、モデルＣ（本発明）に各地震波を入力した際のモデルＡ（従来免震モデル）との免震層変位比と慣性質量比の関係を示し、図８は、モデルＣ（本発明）に各地震波を入力した際の全階における最大加速度と慣性質量比の関係を示している。

まず、図６（ｂ）に示すように、モデルＢ（過負荷防止機構がないモデル）、モデルＣ（本発明）ともに、慣性質量比が大きくなるほどダンパー反力が増加するが、モデルＣでは、過負荷防止機構１１の効果により、モデルＢに比べて最大６０％程度、ダンパー反力が低減することが確認された。また、図６（ａ）に示すように、モデルＢ、モデルＣともに、モデルＡ（従来免震モデル）と比べ、慣性質量比を大きくするほど免震層４の変位が小さくなることが確認された。また、モデルＢとモデルＣの変位には大きな差異が認められなかった。

そして、これらの結果から、応答低減機構７が慣性質量ダンパー８、９だけでなく過負荷防止機構１１を備えていることにより、変位低減効果を維持したまま、ダンパー反力を大幅に低減できることが実証された。但し、慣性質量比が小さすぎると、免震層４の変位の抑制効果は小さくなり、図７に示すように、慣性質量比を０．２以上にすると免震層４の変位を１５％程度低減できることが確認された。これにより、モデルＣ（本発明）のように応答低減機構７（免震構造１）を構成する場合において、慣性質量比を０．２以上にすることで、確実且つ効果的に免震層４の変位を抑制できることが実証された。

ここで、構造体バネ５として適用する積層ゴムは、市販されている大型のものでその最大許容変位が７０ｃｍ程度であるが、モデルＡに対し、例えば上町断層帯を震源とする大阪地区の想定地震動を入力すると免震層４の変位が８０ｃｍ程度になってしまう。これに基づき、免震層４の変位をモデルＡに対して１５％程度低減させることが必要とされている。

一方、各階の応答加速度や層間変形角の解析結果を示す図６（ｃ）及び図６（ｄ）から、慣性質量ダンパー８、９を付加することにより、モデルＢとモデルＣの各応答値は、モデルＡに比べ、慣性質量比が大きくなると増加する傾向が認められた。しかしながら、このとき、モデルＣはモデルＢと比べるとその増加量が小さく、層間変形角においては全てのケースで１／２００を大幅に下回る結果となった。

但し、慣性質量比を大きくし過ぎると、各階の応答加速度が増加する傾向が認められた。ここで、「非構造部材の耐震設計施工指針・同解説および耐震設計施工要領：日本建築学会」には、免震建物の場合、床の加速度が２００〜２５０（ｇａｌ（＝ｃｍ／ｓ^２））を超えると、例えば書棚や食器戸棚、システム家具などのアスペクト比が０．２前後の細い家具や置物が転倒する危険性が高まることが示されている。このため、免震構造１を備えることで、全ての階の最大加速度を２００ｇａｌ程度以下に抑えることが求められる。

そして、図８に示すように、モデルＣにおいては、慣性質量比が０．５を超えると上部構造物２の最大加速度が２００ｇａｌを超えることが確認された。これにより、モデルＣ（本発明）のように応答低減機構７（免震構造１）を構成する場合において、慣性質量比を０．５以下にすることで、確実且つ効果的に上部構造物２の最大加速度を抑制できることが実証された。

なお、図６（ｃ）、図６（ｄ）に示すモデルＤ（免震層４の減衰を十分に大きくした従来免震モデル）の応答値は、モデルＣの慣性質量比を０．５としたときの免震層変位と同じ変位となるように減衰量を調整したモデルの応答値である。そして、このモデルＤの結果と慣性質量比０．５のモデルＣの結果を比較すると、全ての階の応答加速度と全層の層間変形角がモデルＣの応答値を大きく上回ることが確認された。このことから、モデルＤでは減衰量を大きくすることにより免震層変位を低減することは可能であるが、応答加速度と層間変形角を抑える免震効果が低くなってしまうことが確認された。

〔実施例２〕
次に、モデルＣ（本発明）に対し、過負荷防止機構１１の頭打ち負担反力ｆ_０を慣性質量ｍｉ×重力加速度ｇ×（１／１０）、ｍｉ×ｇ×（１／２０）、ｍｉ×ｇ×（１／４０）に変化させて地震応答解析を行なった結果について説明する。ここでは、過負荷防止機構１１の頭打ち負担反力ｆ_０を変化させた各ケースのモデルＣに対し、ＥｌＣｅｎｔｒｏ、八戸、Ｔａｆｔ、告示、三の丸の各入力地震動の波を入力し、応答加速度、免震層変位、ダンパー応力、層間変形角を求めた。

また、図９〜図１１は、ＥｌＣｅｎｔｒｏ波を入力し、順に、ｍｉ×ｇ×（１／１０）、ｍｉ×ｇ×（１／２０）、ｍｉ×ｇ×（１／４０）のときの応答値（応答加速度、免震層変位、ダンパー応力、層間変形角）を求めた結果を示している。同様に、図１２〜図１４が八戸波、図１５〜図１７がＴａｆｔ波、図１８〜図２０が告示波、図２１〜図２３が三の丸波をそれぞれ入力した結果を示している。

そして、これらの結果から、変位を１５％程度低減し、加速度を２００ｇａｌ程度に抑制できる慣性質量比の範囲は、ｍｉ×ｇ×（１／４０）で「０．３〜０．７」、ｍｉ×ｇ×（１／２０）で「０．２〜０．５」、ｍｉ×ｇ×（１／１０）で「０．２のみ」となることが確認された。これにより、過負荷防止機構１１の頭打ち負担反力ｆ_０をｍｉ×ｇ×（１／１０）以下に設定すれば、確実且つ効果的に、免震層４の変位を１５％程度低減させつつ、応答加速度を２００ｇａｌ程度に抑制できることが実証された。

したがって、本実施形態の免震構造１においては、応答低減機構７が第１の慣性質量ダンパー８と第２の慣性質量ダンパー９を備えることにより、上部構造物２を構造体バネ５と構造体減衰６で免震支持してなる免震構造（応答低減機構７を備えていない免震構造：モデルＡ）と比較し、免震層変位を例えば最大で４０％程度低減することが可能になる。また、応答低減機構７が過負荷防止機構１１を備えることにより、免震層４の変位低減効果を保ちつつ、上部構造物２の応答加速度や層間変形角の増加量を抑制することが可能になる。

よって、本実施形態の免震構造１によれば、オイルダンパーの第１の付加減衰と第２の付加減衰、慣性質量ダンパー、復元バネを備えた従来の応答低減機構と比較し、高価なオイルダンパーを用いず、部材点数を少なくして応答低減機構７を構成し、確実に免震機能を発揮して上部構造物２の地震時応答を低減させることが可能になる。

また、本実施形態の免震構造１においては、慣性質量比を０．２〜０．５にすることで、免震層４の変位低減効果と上部構造物２の応答加速度や層間変形角の抑制効果をバランスよく活用することが可能になる。

また、摩擦要素１０に滑りが生じる制限負荷ｆ_０を、慣性質量ｍｉ×重力加速度ｇ×（１／１０）以下にすることによっても、免震層４の変位低減効果と上部構造物２の応答加速度や層間変形角の抑制効果をバランスよく活用することが可能になる。

以上、本発明に係る免震構造の一実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１免震構造
２上部構造物
３固定端
４免震層
５構造体バネ
６構造体減衰
７応答低減機構
８第１の慣性質量ダンパー
９第２の慣性質量ダンパー
１０摩擦要素
１１過負荷防止機構

Claims

上部構造物と固定端の間の免震層に設けられ、前記上部構造物を構造体バネと構造体減衰を介して前記固定端に接続するとともに、前記上部構造物の地震時応答を低減させるための応答低減機構を前記構造体バネと並列に設けてなる免震構造であって、
前記応答低減機構が、第１の慣性質量ダンパーと、前記第１の慣性質量ダンパーと並列に設けられた第２の慣性質量ダンパーと、前記第１の慣性質量ダンパーと直列に設けられ、摩擦要素の滑りによって前記第１の慣性質量ダンパーに作用する負荷を制限する過負荷防止機構とを備え、且つ、慣性質量比を０．２〜０．５にして構成されていることを特徴とする免震構造。
上部構造物と固定端の間の免震層に設けられ、前記上部構造物を構造体バネと構造体減衰を介して前記固定端に接続するとともに、前記上部構造物の地震時応答を低減させるための応答低減機構を前記構造体バネと並列に設けてなる免震構造であって、
前記応答低減機構が、第１の慣性質量ダンパーと、前記第１の慣性質量ダンパーと並列に設けられた第２の慣性質量ダンパーと、前記第１の慣性質量ダンパーと直列に設けられ、摩擦要素の滑りによって前記第１の慣性質量ダンパーに作用する負荷を制限する過負荷防止機構とを備え、且つ、前記摩擦要素に滑りが生じる制限負荷を、慣性質量×重力加速度×（１／１０）以下にして構成されていることを特徴とする免震構造。