JP6567265B2

JP6567265B2 - 免震装置および免震方法

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Publication number: JP6567265B2
Application number: JP2014217146A
Authority: JP
Inventors: 片山　洋; 洋片山; 和渡邉; 岳仲村; 佳孝仁平; 田上　哲治; 哲治田上
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2014-10-24
Filing date: 2014-10-24
Publication date: 2019-08-28
Anticipated expiration: 2034-10-24
Also published as: JP2016084845A; US9574364B2; US20160115703A1

Description

本発明の実施形態は、構造物の免震装置および免震方法に関する。

従来から建築物や機器等の構造物の地震対策として免震装置の導入が進められている。一般的に免震装置は構造物への地震加速度の伝達を抑制するため、積層ゴム等のような柔軟な部材と、オイルダンパーなどのような減衰部材とにより構成されているが、このような構成では短周期の変位応答には有効であるが、長周期の大変位応答に対しては免震設計等が困難であるという課題がある。

すなわち、想定外の大きな長周期地震動を受けた場合には、免震装置が装備された構造物は設計許容値を超えて積層ゴムなどの部材を破損する可能性がある。

例えば、図１３、図１４に示すように、積層ゴム等の弾性体１００の破損に対応するために、構造物１０１と基礎１０２との間に、弾性体１００、構造物１０１に固定したすべり板１０３、大変位があった場合にすべり板１０３に接触する上部支持体１０４、上部支持体１０４を弾性的に支持するゴム板等の層構成からなる下部支持体１０６等を備え、弾性体１００が積層面に垂直な方向に縮小する特性を利用して、弾性体１００が破損する前に上部支持体１０４と下部支持体１０６との弾発、緩衝作用を利用して構造物１０１を着地させることにより、構造物１０１の落下による衝撃力を抑制するものが提案されている（特許文献１）。

また、図１５に示すように、構造物１０１と基礎１０２との間に、積層ゴム１００の周辺を取り囲むように、滑り面を設けた上部滑り部材１０４および下部滑り部材１０６を設け、積層ゴム１００が破断した場合、上部滑り部材１０４および下部滑り部材１０６が互いに接触して滑るとともに構造物１０１の自重を支持するものが提案されている（特許文献２）。

さらに、図１６に示すように、構造物１０１と基礎１０２との間に設けた積層ゴム１００が破断しないようにするため、積層ゴム１００の取り付け面が所定の荷重を受けると積層ゴム１００が基礎１０２に対し滑る構造のものが提案されている（特許文献３）。

特開平３−２７５８７３号公報特開２００９−２６４０２７号公報特開２０１１−９９４６２号公報

上記特許文献１に記載の方法では、下部支持体１０６がゴム板等からなっているため、構造物１０１の落下によるエネルギーを弾性変形のエネルギーに変換し、それを振動エネルギーとして構造物１０１にそのまま戻してしまうため、落下によるエネルギーが吸収、消費されず、構造物１０１には鉛直方向に衝撃的な振動が生じる問題があった。また、多数配置されている弾性体１００が不均一に破壊するなど、構造物１０１に僅かでも傾きが生じた場合には、傾き角に応じた落下が発生し、衝撃力を吸収することは困難であるという問題があった。

また、上記特許文献２、３に記載の積層ゴム１００を滑らせる方法では、左右方向の変位に対しては有効であるが、上下、左右方向の３次元の変位に対しては困難であり、構造物１０１による衝撃力を吸収できない問題があった。

さらに、上記特許文献１〜３の方法では、積層ゴム１００の破断時、構造物１０１の上下挙動によっては、構造物１０１が上部支持体や上部滑り部材１０４、あるいは下部支持体や下部滑り部材１０６等に激しく衝突する恐れがあり、これらの部材１０４、１０６や構造物１０１が破損する恐れがあった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、構造物に対して想定外の大きな長周期地震動を受けた場合、構造物の落下衝撃力を吸収できるとともに、構造物等が破損する恐れのない免震装置および免震方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明の実施形態に係る免震装置は、構造物と基礎床との間に設置される免震装置において、前記構造物と所定の間隔を設けて対面する支持プレートと、前記基礎床に固定されるベースプレートと、前記支持プレートと前記ベースプレートとの間に設置され、前記支持プレートおよび前記ベースプレートに固定される弾塑性ダンパーとを備え、前記弾塑性ダンパーは、互いに摺動する内筒および外筒と、前記内筒内部に設けられた弾塑性部材とを備えたものである。

また、本発明の実施形態に係る免震方法は、上記免震装置を用いた免震方法であって、弾塑性ダンパーの内筒および外筒の相互摺動および前記内筒内部に設けられた弾塑性部材の塑性変形により構造物に対する地震動を吸収するものである。

本発明の免震装置および免震方法によれば、構造物に対して想定外の大きな長周期地震動を受けた場合、構造物の落下衝撃力を吸収できる。

本発明の第１の実施形態に係る免震装置の断面図。本発明の第１の実施形態に係る免震装置を発電機に適用した側面図。本発明の第１の実施形態に係る免震装置の動作説明（１）側面図。本発明の第１の実施形態に係る免震装置の動作説明（２）側面図。本発明の第１の実施形態に係る免震装置の動作説明（３）側面図。本発明の第２の実施形態に係る免震装置の断面図。本発明の第３の実施形態に係る免震装置の断面図。本発明の第４の実施形態に係る免震装置の断面図。本発明の第４の実施形態に係る免震装置を発電機に適用した側面図。本発明の第４の実施形態に係る免震装置の動作フロー説明図。本発明の第４の実施形態に係る免震装置の動作説明（１）側面図。本発明の第４の実施形態に係る免震装置の動作説明（２）側面図。従来例１に係る免震装置の断面図。従来例１に係る免震装置の拡大断面図。従来例２に係る免震装置の断面図。従来例３に係る免震装置の断面図。

［第１の実施形態］
以下、本発明の第１の実施形態に係る免震装置および免震方法について、図１〜図５を参照して説明する。

（構成）
図１に示すように、免震装置３は支持プレート６、ベースプレート４、弾塑性ダンパー８からなっている。
支持プレート６は構造物下面２と所定の間隔を設けて対面するように設けられている。ベースプレート４は、基礎１５上に設置された基礎床１に取付けられている。支持プレート６は構造物下面２と所定の距離を確保し、免震装置３が破壊せずに動作する場合には、互いに接触しないように設けられている。

弾塑性ダンパー８は、支持プレート６の下面に取付けられた外筒７、ベースプレート４の上面に取付けられた内筒５、および内筒５内部に設けられた弾塑性部材１４からなっている。

外筒７および内筒５を設ける位置はそれぞれ支持プレート６、ベースプレート４のいずれか一方で、また両筒５、７の高さは互いに重なり合う高さがあればよく、ここでは内筒５が外筒７より高い寸法としている。また、外筒７の側壁の断面形状は逆三角形としている。

弾塑性部材１４は、支持プレート６のほぼ中央部下面に取付けられる垂直梁部材１０と、一対の補強板１１を介して内筒５と垂直梁部材１０の下端部に取付けられる水平梁部材９とからなっている。補強板１１は内筒５の変形を防止するためのものであるが、これを省略して水平梁部材９を直接内筒５に取付けてもよい。
弾塑性部材１４の材質は、弾塑性機能を発揮できるものであればよく、金属、コンクリート、樹脂等が好適である。

図２は、免震装置３を構造物１２として発電機に適用した例を示すもので、複数の積層ゴム１３と複数の免震装置３とが交互に設置されている。

（作用）
次に、図３〜図５により、免震装置３の動作説明をする。
通常時には図３に示すように、構造物下面２は積層ゴム１３によって上下方向に支えられ、構造物下面２と免震装置３には所定の間隔が設けられている。

想定外の大きな長周期地震動を受けた時、図４に示すように構造物下面２が大きく水平変形（図４の右方向の矢印）して積層ゴム１３が破損すると、積層ゴム１３は構造物下面２を支えることができなくなり、落下（図４の下方向の矢印）して免震装置３がその落下衝撃と構造物１２の自重を支持することとなる。

すなわち、巨大な想定外の地震によって積層ゴム１３が破壊され、構造物下面２が落下して、支持プレート６に接触して支持プレート６を下方に押し下げる。この時、外筒７は内筒５に対してガイドされて摺動する。

支持プレート６は垂直梁部材１０を押し下げ、水平梁部材９の中央部を押し下げる。この結果、図５に示すように水平梁部材９に塑性変形が発生し、構造物１２の落下エネルギーを吸収、消費することができる。これによって、構造物１２が落下しても、鉛直方向に衝撃的な振動が発生することを防ぐことができる。

（効果）
以上、本実施形態によれば、積層ゴム１３の破損に伴い構造物１２の落下が発生しても、落下によるエネルギーを、弾塑性ダンパー８を構成する金属材料からなる弾塑性部材１４の塑性変形により吸収、消費するため、構造物１２を跳ね返すような振動、挙動を抑止することにより落下衝撃を吸収することができる。

また、本実施形態では、内筒５が上下面で接触、着座するように、内筒５の高さを外筒７より高く設定することによって、構造物１２の自重を支持し、過大な落下を防止することとしたが、逆に、外筒７の下端がベースプレート４の上面と接触させるように、外筒７の高さを内筒５より高く設定することによって、免震装置３の上下変位を拘束し構造物１２の自重を支えることが可能であり、この自重を支える力によって、支持プレート６を構造物下面２に押し当て、構造物１２の水平方向の変位に対して摩擦力を作用させることができ、構造物１２の水平方向の変位を抑制させる効果がある。

弾塑性部材１４を設計する場合、免震装置３と構造物下面２との距離や、想定される構造物１２の傾斜などから、積層ゴム１３が破損する終局状態での構造物１２の落下速度、落下エネルギーを計算し、免震装置３の弾塑性ダンパー８の塑性変形エネルギーと余裕をもって釣り合うようにすればよい。

弾塑性ダンパー８を構成する弾塑性部材１４は、金属の塑性変形を利用したものに限らず、コンクリートを用いてコンクリートの破砕によってエネルギーを吸収する構造としてもよい。この場合、弾塑性部材１４は内筒５と外筒７によって封入されているため、コンクリートは落下衝撃を吸収し破砕しても免震装置３の内部に留まって、破損することはなく、構造物１２の自重を支持し続けることができる。

さらには、上下方向の振動に対しても適用でき、免震装置３の損傷による構造物１２の落下衝撃を吸収することが可能となる。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態に係る免震装置について、図６を参照して説明する。

（構成）
本実施形態は、図６に示すように、弾塑性部材１４をステンレス鋼等の棒状体１７とした点、内筒５と外筒７の高さをほぼ同じ高さとした点、内筒５と支持プレート６および外筒７とベースプレート４に渡って断面三角形状の複数の補強板１１を設けた点、内筒５内部に棒状体１７が貫通するとともに、端部が内筒５に固定された連結板１６を設けた点以外は第１の実施形態と同様の構成である。棒状体１７は金属製の中空、中実の円管状のもの、あるいは角管やハニカム構造として、鉛直荷重による鉛直変位に対して塑性変形する構造とする。また、補強板１１は内筒５と支持プレート６および外筒７とベースプレート４との接合強度を向上させるとともに、内筒５、外筒７の変形を防止するためのものであるが、これを省略してもよい。

（作用）
本実施形態においても第１の実施形態と同様に、積層ゴム１３の破損に伴い構造物下面２が落下して支持プレート６に衝突すると、棒状体１７が座屈して塑性変形し、構造物下面２を支えることができ、また、棒状体１７は外筒７と内筒５によって封入されているため、棒状体１７は落下衝撃を吸収し変形しても内筒５の内部に留まり、構造物１２の自重を支え続けることができる。さらに、自重を支える力によって、支持プレート６を構造物下面２に押し当て、構造物１２の水平方向の変位に対して摩擦力を作用させることができ、構造物１２の水平方向の変位を抑制させることができる。

（効果）
以上、本実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を奏するほか、内筒５と外筒７の高さをほぼ同じ高さとしているので、内筒５とベースプレート４、および外筒７と支持プレート６とが同時に接触、着座することが可能であり、より強力に構造物１２の自重を支持することができる。

［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態に係る免震装置について、図７を参照して説明する。

（構成）
本実施形態は図７に示すように、第２の実施形態における弾塑性部材１４を構成する棒状体１７と支持板１６に代えて、シリンダー２１とピストンロッド２２からなる複数の粘性ダンパー２０とした点以外は第２の実施形態と同様の構成である。

粘性ダンパー２０はシリンダー２１の内圧によってピストンロッド２２を支持プレート６の下面に押し当て、支持プレート６は構造物下面２と所定の間隔を確保し、免震装置３が定格範囲内で動作する場合には、互いに接触しないように設定されている。

（作用）
本実施形態では、構造物下面２が落下して支持プレート６に衝突すると、ピストンロッド２２がシリンダー２１の内部に押し込まれ、シリンダー２１の内部粘性流体の流れによって衝突時のエネルギーが吸収される。またこのとき、ピストンロッド２２がシリンダー２１の内部の密閉空間に押し込まれることになり、シリンダー２１の内部粘性流体が圧縮され体積変動する。このためピストンロッド２２をシリンダー２１の外部へ押し戻すばね力が発生し、支持プレート６が構造物下面２に押し当てられる。

（効果）
以上、本実施形態によれば、実施形態１と同様に、弾塑性部材１４によって積層ゴム１３の破損に伴う構造物１２の落下衝撃を吸収することができる。また粘性ダンパー２０は、上下方向にばね力を発生することができるため、構造物１２の自重を支え続けることが可能である。さらに、支持プレート６を構造物下面２に押し当てることによって、構造物１２の水平方向の変位に対して摩擦力を作用させることができ、構造物１２の水平方向の変位を抑制させることが可能となる。

［第４の実施形態］
次に、本発明の第４の実施形態に係る免震装置について、図８〜図１２を参照して説明する。

（構成）
本実施形態は図８に示すように、第３の実施形態における弾塑性部材１４を構成する粘性ダンパー２０に代えて、油圧ジャッキ２３、およびアキュムレータ２５等とした点以外は第３の実施形態と同様の構成である。

本実施形態において、油圧ジャッキ２３はシリンダー２１とピストンロッド２２からなり、シリンダー２１の内部に作動油を送る配管２４、油圧を蓄圧するアキュムレータ２５、作動油を送り込む蓄圧流出弁２６、蓄圧流出弁２６の開閉を制御する図示しない制御システム、制御システムへの入力信号となる構造物１２の水平変位を計測する変位計測計２７を備えている。変位計測計２７は構造物１２の変位を基礎床１上で計測できるように構成されている。なお、比較的軽量な構造物１２に対しては油圧ジャッキ２３をエアージャッキまたはエアーバッグにより構成してもよい。

（作用）
本実施形態では、図１０の制御システムの作動フローに示すように、地震が発生し、構造物１２の変位が所定の変位、例えば積層ゴム１３が破壊を開始する許容変位を越えたことを変位計測計２７の計測信号によって制御システムが判断し、蓄圧流出弁２６を開放し、アキュムレータ２５内に蓄圧した作動油をシリンダー２１の内部に送り込み、ピストンロッド２２を押し上げることによって、図１１に示すように支持プレート６が構造物下面２に押し当てられる。

（効果）
以上、本実施形態によれば、実施形態１と同様に、弾塑性部材１４によって積層ゴム１３の破損に伴う構造物１２の落下衝撃をシリンダー２１の作動油によるクッション効果により吸収することができ、油圧により構造物１２の自重を支え続けることが可能である。また、支持プレート６を構造物下面２に押し当てることによって、構造物１２の水平方向の変位に対して摩擦力を作用させることができ、構造物１２の水平方向の変位を抑制させることが可能となる。

また、変位計測計２７を構造物下面２の落下検知計（図示せず）として構成し、制御システムへの計測信号として油圧ジャッキ２３を作動させてもよい。

なお、上記したいずれの実施形態においても図１２のように支持プレート６の上面に突起物２８を配置することによって、構造物１２の水平方向の変位に対してより大きな摩擦力を作用させることができ、構造物１２の水平方向の変位をより抑制し、免震の変位を拘束させることが可能となる。

以上、本発明を説明したが、上述した実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、当業者の技術常識を加味して種々の省略、置き換え、変更、組合せを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…基礎床、２…構造物下面、３…免震装置、４…ベースプレート、５…内筒、６… 支持プレート、７…外筒、８…弾塑性ダンパー、９…水平梁部材、１０…垂直梁部材、１１…補強板、１２…構造物（発電装置）、１３…積層ゴム、１４…弾塑性部材、１５…基礎、１６…連結板、１７…棒状体、２０…粘性ダンパー、２１…シリンダー、２２…ピストンロッド、２３…油圧ジャッキ、２４…配管、２５…アキュムレータ、２６…蓄圧流出弁、２７…変位計測計、２８…突起

Claims

構造物と基礎床との間に設置される免震装置において、
前記構造物と所定の間隔を設けて対面する支持プレートと、前記基礎床に固定されるベースプレートと、前記支持プレートと前記ベースプレートとの間に設置され、前記支持プレートおよび前記ベースプレートに固定される弾塑性ダンパーとを備え、
前記弾塑性ダンパーは、互いに摺動する内筒および外筒と、前記内筒内部に設けられた弾塑性部材とを備えていることを特徴とする免震装置。
前記弾塑性部材は、前記支持プレートの下面に取付けられる垂直梁部材と、前記垂直梁部材に連結されるとともに、両端部が前記内筒に取付けられる水平梁部材とからなることを特徴とする請求項１に記載の免震装置。
前記弾塑性部材は金属、コンクリート、樹脂のいずれかにより形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の免震装置。
前記弾塑性部材は、前記支持プレートの下面と前記ベースプレートとの間に取付けられる金属製の棒状体であることを特徴とする請求項３に記載の免震装置。
構造物と基礎床との間に設置される免震装置において、
前記構造物と所定の間隔を設けて対面する支持プレートと、前記基礎床に固定されるベースプレートと、前記支持プレートと前記ベースプレートとの間に設置され、前記支持プレートおよび前記ベースプレートに固定されるダンパーとを備え、
前記ダンパーは、互いに摺動する内筒および外筒と、前記内筒内部に設けられた粘性ダンパーとを備えていることを特徴とする免震装置。
構造物と基礎床との間に設置され、前記基礎床に設置された積層ゴムによって前記構造物を支持する免震装置において、
前記構造物と所定の間隔を設けて対面する支持プレートと、前記基礎床に固定されるベースプレートと、前記支持プレートと前記ベースプレートとの間に設置され、前記支持プレートおよび前記ベースプレートに固定されるダンパーとを備え、
前記ダンパーは、互いに摺動する内筒および外筒と、前記内筒内部に設けられた油圧ジャッキとを備え、
前記構造物の変位を計測する変位計測計をさらに備え、少なくとも前記変位計測計が、前記積層ゴムが破壊を開始する許容変位を超える変位を検出した場合に、前記油圧ジャッキが前記支持プレートを押し上げて前記支持プレートが前記構造物の下面に押し当てることを特徴とする免震装置。
前記支持プレートの上面に突起を設けたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の免震装置。
請求項１乃至４のいずれかに記載の免震装置を用いた免震方法であって、
前記弾塑性ダンパーの内筒および外筒の相互摺動および前記内筒内部に設けられた弾塑性部材の塑性変形により前記構造物に対する地震動を吸収することを特徴とする免震方法。