JP7487041B2

JP7487041B2 - 防振床構造

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Publication number: JP7487041B2
Application number: JP2020133812A
Authority: JP
Inventors: 和彦磯田
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2020-08-06
Filing date: 2020-08-06
Publication date: 2024-05-20
Anticipated expiration: 2040-08-06
Also published as: JP2022030067A

Description

本発明は、防振床構造に関するものである。

従来から、音楽ライブホールやダンススタジオ等の施設では、多人数客の屈伸運動による鉛直振動が問題視されることがある（いわゆるタテノリ振動）。これに対応するために、当該部分の床を構造躯体と絶縁した浮き床として設計することが知られている（例えば、下記の特許文献１参照）。

このような防振浮き床の構成を、図７に示す。図７に示す防振浮き床は、構造体（基礎マット）１を部分的に凹ませて、構造体１の凹ませた部分の上に支持ばね４を介して浮き床２を設けたものがある。

浮き床２は構造体１に対して鉛直方向に相対変位する必要があり、支持ばね４の変位で対応している。防振効果を高めるためには支持ばね４が柔らかいほど良いが、柔らかすぎると所謂ふかふかばね状態となり使いづらくなってしまうため、一般的には浮き床の鉛直固有振動数を１Ｈｚ程度以上とし、通常使用時の鉛直変位が１～２ｃｍ程度以下となるようにしている。

このように、浮き床２が構造体１に対して円滑に相対変位できるよう、両者の間には隙間ｓを設けられ絶縁されている。

また、下記の特許文献２では、防振床（浮き床）の水平方向の横滑りを拘束する水平拘束材を備えた構成が提案されている。ばね（防振材）で支持されたデッキ床形式の浮き床をフラットバーなど可撓性のある水平拘束材を介して下部構造床（床スラブ）に固定して、浮き床を水平拘束したものである。

また、浮き床はコンクリート造とする場合が多いが、コンクリートは収縮する特性がある。一般的なコンクリートの乾燥収縮は４００μ（４×１０^－４）程度あるため、長さ２５ｍの浮き床は１０ｍｍ程度収縮することになる。このため、下記の特許文献１のように単に浮き床と構造体とを水平方向に固定するのではなく、乾燥収縮や温度応力による伸縮のような緩慢な変形では浮き床を拘束せず、観客等による加振や地震時の変位では浮き床を拘束する機構が必要であった。

そこで、下記の特許文献３では、巨大な浮き床の水平移動を拘束する機構として、積層ゴムとリニアガイドを直列した変位制御装置によって、巨大な浮き床の水平移動を拘束した構成が提案されている。

特開２００８－８２５４１号公報特開２００９－２０３６１３号公報特開２０１９－１７８５５５号公報

しかし、図７に示す防振浮き床のように、完全に離間したままでは浮き床２が水平方向に勝手に移動してしまい都合が悪い。また、地震時に作用する水平力によって浮き床２が構造体１に衝突して損傷する虞れがある。

また、特許文献２に記載の防振浮き床では、水平拘束材の上方に位置する浮き床の厚さは数ｃｍのコンクリート版であり、厚さが厚い床材を対象としたものではない。特許文献３に記載の防振浮き床では、コストが嵩むため、実施するためには他の構成が望まれている。

そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、浮き床の防振性能を阻害することなく、水平移動を拘束することができる防振床構造を提供する。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。
すなわち、本発明に係る防振床構造は、底部と、該底部の外縁から立設された側壁部と、を有する構造体と、ばね軸を鉛直方向に向け、前記底部に設けられた支持ばねと、該支持ばねに支持された浮き床と、前記側壁部と前記浮き床の外縁との間に配置され、前記浮き床を前記構造体に対して鉛直方向の変位を阻害することなく水平方向に拘束する変位制御装置と、を備え、該変位制御装置は、ビンガムダンパーまたは粘性ダンパーを有することを特徴とする。

このように構成された防振床構造では、浮き床と構造体の側壁部との間にビンガムダンパーまたは粘性ダンパーを設置することで、浮き床を構成するコンクリートの乾燥収縮や温度による伸縮には抵抗なく追従する。また、例えば浮き床上の観客のタテノリ加振による水平力や中小地震時の水平力に対しては、鉛直方向への変位を阻害することなく、水平方向の変位を効果的に拘束することができる。

また、本発明に係る防振床構造は、前記変位制御装置は、前記ビンガムダンパーと、該ビンガムダンパーと同軸上に配置され、予め圧縮力が付与されたダンパーばねと、を有していてもよい。

一般的に、ビンガムダンパーは静的な剛性をもたないため、浮き床が乾燥収縮した場合に、浮き床が構造体の側壁部の内面から等間隔の位置（中央部）に保持されるとは限らない。上記のように構成された防振床構造では、ビンガムダンパーと同軸上にダンパーばねが設けられているため、浮き床を常に側壁部で囲まれた構造体の凹部の中央部に保持することができる。

また、本発明に係る防振床構造は、前記浮き床における前記構造体の前記側壁部側を向く面には、緩衝ゴムが設けられていてもよい。

このように構成された防振床構造では、大地震時にはビンガムダンパーまたは粘性ダンパーの制御力を超える水平力が作用するが、浮き床に設けられた緩衝ゴムが構造体の側壁部と衝突するため、衝撃が緩和し、浮き床や構造体の側壁部の損傷を防止することができる。

本発明に係る防振床構造によれば、浮き床の防振性能を阻害することなく、水平移動を拘束することができる。

本発明の一実施形態に係る防振床構造を示す模式的な図である。本発明の一実施形態に係る防振床構造を示す模式的な平面図である。本発明の一実施形態に係る防振床構造の要部の縦断面図である。本発明の一実施形態に係る防振床構造の緩衝ゴム装置を示す図であって、（ａ）は鉛直断面図、（ｂ）は緩衝ゴム装置を正面視した図、（ｃ）は水平断面図である。本発明の一実施形態に係る防振床構造のビンガムダンパーの特性を示す図である。本発明の一実施形態に係る防振床構造のビンガムダンパーの変位を説明する図であり、（ａ）は変位前、（ｂ）は変位後を示す。従来の防振浮き床の構成を示す図である。

本発明の一実施形態に係る防振床構造について、図面を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る防振床構造を示す模式的な図である。図２は、本発明の一実施形態に係る防振床構造を示す模式的な平面図である。
図１及び図２に示すように、本実施形態に係る防振床構造１０は、構造体１と、浮き床２と、変位制御装置３と、支持ばね４と、を備えている。

構造体１は、平面視の中央部分が下方に凹んだ形状をしている。構造体１は、底壁部（底部）１１と、側壁部１２と、を有している。

底壁部１１は、板状に形成されている。本実施形態では、底壁部１１は、平面視略長方形をしている。なお、底壁部１１の形状は、適宜設定可能である。

ここで、図２に示すように、水平方向のうち、底壁部１１の長手方向をＸ方向とし、底壁部１１の短手方向をＹ方向とする。図１に示すように、鉛直方向をＺ方向とする。

側壁部１２は、底壁部１１の外縁の全周から立設されている。底壁部１１及び側壁部１２によって、構造体１には中央部分が下方に凹んだ凹部１ａが形成されている。

浮き床２は、構造体１の凹部１ａに配置されている。浮き床２は、基部２１と、上部張出し部２２と、を有している。浮き床２は、鉄筋コンクリート造等で構成されている。なお、浮き床２の構造は、適宜設定可能である。

基部２１は、板状に形成されている。本実施形態では、基部２１は、平面視略長方形をしている。なお、基部２１の形状は、適宜設定可能である。基部２１は、構造体１の底壁部１１の上方に間隔を有して配置されている。

図３は、防振床構造１０の要部の縦断面図である。なお、図３では、防振床構造１０のＸ方向及びＺ方向に沿う断面図を示しているが、Ｙ方向及びＺ方向に沿う断面図も同様の構成である。
図３に示すように、基部２１の外面（構造体１の側壁部１２側を向く面）２１ｓと構造体１の側壁部１２の内面（基部２１側を向く面）１２ｓとの間には、隙間ｓ１が形成されている。

図１及び図２に示すように、上部張出し部２２は、基部２１の上部の外縁の全周から外側（平面視で基部２１の中央と反対側）に延出している。

図３に示すように、上部張出し部２２の外面２２ｓと構造体１の側壁部１２の内面１２ｓとの間には、隙間ｓ２が形成されている。隙間ｓ２の長さは、隙間ｓ１の長さよりも短い。本実施形態では、隙間ｓ２は、２５ｍｍ程度とされている。

上部張出し部２２の外面（浮き床２における構造体１の側壁部１２側を向く面）２２ｓには、緩衝ゴム装置２５が設けられている。

図２に示すように、緩衝ゴム装置２５は、上部張出し部２２の外面２２ｓに沿って、主方向に間隔を有して複数箇所に設けられている。本実施形態では、緩衝ゴム装置２５は、上部張出し部２２のＸ方向に沿う外面２２ｓに２箇所、Ｙ方向に沿う外面２２ｓに２箇所ずつ設けられている。なお、緩衝ゴム装置２５の設置位置及び個数は、適宜設定可能である。

図４は、緩衝ゴム装置２５を示す図であって、（ａ）は鉛直断面図、（ｂ）は後述するベースプレート２７及び緩衝ゴム本体２８を正面視した図、（ｃ）は水平断面図である。
図４に示すように、緩衝ゴム装置２５は、枠体２６と、ベースプレート２７と、緩衝ゴム本体（緩衝ゴム）２８と、上蓋２９と、を有している。

浮き床２の上部張出し部２２の外面２２ｓには、内方に凹む取付凹部２２ｔが形成されている。枠体２６は、取付凹部２２ｔに固定されている。

枠体２６は、鉛直面に沿う底部２６ａと、底部２６ａの下端部に設けられた下部壁部２６ｂと、底部２６ａの両側部にそれぞれ設けられた側壁部２６ｃと、を有している。換言すると、枠体２６の上端部は開放された形状をしている。各側壁部２６ｃには、もう一方の側壁部２６ｃ側に延びる折返し部２６ｄが設けられている。

ベースプレート２７は、枠体２６の底部２６ａに沿って配置されている。本実施形態では、ベースプレート２７の厚みは１２ｍｍ程度とされている。

緩衝ゴム本体２８は、ベースプレート２７における構造体１の側壁部１２側を向く面に固定（接着）されている。本実施形態では、緩衝ゴム本体２８は、厚みが５０ｍｍ程度、高さが３００ｍｍ程度、幅が９００ｍｍ程度（分割されていても可能）とされ、圧縮耐力が５４００ｋＮ（面圧２０ＭＰａ）とされている。

緩衝ゴム本体２８は、構造体１の側壁部１２の内面１２ｓとの間に隙間ｓ３を有して配置されている。本実施形態では、隙間ｓ３は、１０ｍｍ程度とされている。また、緩衝ゴム本体２８は、浮き床２の上部張出し部２２の外面２２ｓから緩衝ゴム本体２８のゴム厚の１／２程度突出している。

浮き床２の上部張出し部２２の上面２２ｕには、下方に凹む蓋用凹部２２ｖが形成されている。蓋用凹部２２ｖの下部は、取付凹部２２ｔに連続している。上蓋２９は、蓋用凹部２２ｖに配置されている。上蓋２９の上面２９ｕは、上部張出し部２２の上面２２ｕと面一とされている。

上蓋２９は、枠体２６の底部２６ａの上端部、ベースプレート２７の上端部及び緩衝ゴム本体２８の上端部に当接またはわずかに隙間を有して配置されている。上蓋２９は、枠体２６の底部２６ａ、ベースプレート２７及び緩衝ゴム本体２８が上方に飛び出さないようにこれらを覆いつつ、浮き床２の上部張出し部２２にボルト等の固定手段２９ａで固定されている。

緩衝ゴム装置２５は、浮き床２の上部張出し部２２と構造体１の側壁部１２とが衝突する前に、緩衝ゴム本体２８と構造体１の側壁部１２とが衝突するために設けられている。

レベル２地震時には、後述するビンガムダンパー３０の制御力を上回る力が作用するため、浮き床２の水平変位を拘束するものがなくなる。この場合のフェールセーフ機構として、緩衝ゴム本体２８が構造体１の側壁部１２と衝突する。緩衝ゴム本体２８として、例えば、免震層に擁壁と衝突する際の緩衝材として用いているゴム材（例えば住友理工株式会社製のゴムチップ等）を採用することができる。

緩衝ゴム装置２５を設置する際には、浮き床２の上部張出し部２２の取付凹部２２ｔに枠体２６を埋込み、ベースプレート２７に接着した緩衝ゴム本体２８を上部張出し部２２の上方から挿入する。上蓋２９を乗せた後に、上蓋２９を浮き床２の上部張出し部２２に固定手段２９ａで固定する。

図３に示すように、変位制御装置３は、構造体１の側壁部１２の内面１２ｓと浮き床２の基部２１の外面２１ｓとの隙間ｓ１に設置されている。変位制御装置３は、浮き床２を構造体１に対して鉛直方向の変位を阻害することなく水平方向に拘束するものである。本実施形態では、変位制御装置３として、与圧ばね付きビンガムダンパー（以下、ビンガムダンパー装置３と称する）が採用されている。

図２に示すように、本実施形態では、ビンガムダンパー装置３は、上部張出し部２２のＸ方向に沿う外面２２ｓに２箇所、Ｙ方向に沿う外面２２ｓに２箇所ずつ設けられている。なお、緩衝ゴム装置２５の設置位置及び個数は、適宜設定可能である。また、ビンガムダンパー装置３は、緩衝ゴム装置２５の鉛直上方に配置されていてもよく、あるいは緩衝ゴム装置２５と水平方向に位置をずらして配置されていてもよい。

図３に示すように、ビンガムダンパー装置３は、ビンガムダンパー３０と、ダンパーばね３６と、を有している。

ビンガムダンパー３０は、水平方向に沿って配置されている。ビンガムダンパー３０は、シリンダー３１内に充填された充填材（ビンガム流体、不図示）及びピストンロッド３２で構成されている。ビンガムダンパー３０は、地震時の激しい動きには摩擦ダンパーのような大きな抵抗力をもつ履歴特性を有し、温度やコンクリート収縮等のような緩慢な動きには僅かな抵抗力しか有さない特徴を有している。

本実施形態では、ビンガムダンパー３０は、制御力が３００ｋＮ、ストロークが１００ｍｍとされている。

ビンガムダンパー３０は、オイルダンパーや慣性質量ダンパーと同様に復元機能をもたない。このため、ビンガムダンパー３０にダンパーばね３６を並列することで復元機能をもたせるようにしている。ダンパーばね３６は、ビンガムダンパー３０と同軸上に配置されている。

ダンパーばね３６は、ビンガムダンパー３０のシリンダー３１とクレビス３３との間に、ピストンロッド３２と並列に配置されている。

ビンガムダンパー装置３を隙間ｓ１に設置しただけだと、各ビンガムダンパー装置３の特性のばらつきによって、浮き床２が水平方向にドリフト（構造体１の凹部１ａの中心位置からずれて変位）してしまう懸念がある。そこで、ビンガムダンパー装置３を設置する前に予めダンパーばね３６を縮めて圧縮力を与え、浮き床２が水平変位すると各ビンガムダンパー装置３のダンパーばね３６のばね反力に差が生じることで現位置（中央）に復元するようにしている。なお、ビンガムダンパー３０の両端にはクレビスやボールジョイント等の自在継手３３を設けることで、ビンガムダンパー３０には軸力のみが作用するようにしている。

ビンガムダンパー３０は、両端を回転自在継手とし、ほぼ水平に設置しているため、鉛直方向の微小な変位（タテノリ振動だと数ミリ以下）では装置反力を生じず、鉛直方向変位は拘束しない。

ビンガムダンパー３０は、コンクリートの収縮などのゆっくりした変形にはほとんど抵抗なく追従し、タテノリ振動時の横揺れや地震時水平動のような急激な動きには摩擦ダンパーのように抵抗する。制御力以下の力に対しては変位せず、これ以上の力を加えようとすると反力一定のまま変位する。

ビンガムダンパー３０として、例えば、オイレス工業株式会社製のビンガムダンパー等が好適に採用可能である。

図５は、ビンガムダンパー３０の特性を示す図である。
図５に示すように、ビンガムダンパー３０は、減衰力と変位との関係を表す履歴曲線が長方形の摩擦減衰型で表され、エネルギー吸収効率が極めて高いダンパーである。ビンガムダンパー３０は、構造解析上でモデル化が容易である。ビンガムダンパー３０では、温度変化などのゆっくりとした変位に対する抵抗力が、地震時の抵抗力に比べて約１／５以下まで低下する。

レベル１地震時に作用する水平力１２００ｋＮを、Ｘ方向及びＹ方向にそれぞれ例えば４台のビンガムダンパー３０で処理するため、1台当たり３００ｋＮとなる。ただし、ダンパーばね３６（ばね剛性１０ｋＮ／ｍｍ、縮み３０ｍｍ時）からの最大反力１０×３０＝３００ｋＮが作用するため、クレビス（自在継手）３３は６００ｋＮまで対応可能なものとする。なお、地震時水平力がさらに大きい場合には、処理能力が５００ｋＮのビンガムダンパー３０を使用する。

レベル２地震時に作用する水平力４８００ｋＮには対抗できないため、フェールセーフの緩衝ゴム装置２５で対処する。

なお、レベル１地震は、その構造物の耐用年数にて一度以上は受ける可能性が高い大きさの地震動である。レベル２地震は、その構造物が受けるであろう、過去、将来にわたって最強と考えられる大きさの地震動である。

常時（タテノリ振動）の水平力は３００ｋＮと小さく、ビンガムダンパー３０は変形せず、浮き床２の水平変位は拘束される。

浮き床２を構成するコンクリートの収縮に対してビンガムダンパー３０は伸びるが、このときの抵抗力は３００ｋＮタイプで６０ｋＮであり、５００ｋＮタイプで１００ｋＮ以下であり、ダンパーばね３６で１００ｋＮ以上を付勢しておけば、浮き床２を構造体１の凹部１ａの中央部に保持しておくことが可能である。

ダンパーばね３６のストロークは、構造体１の側壁部１２の内面１２ｓと上部張出し部２２の外面２２ｓとの隙間ｓ２に応じて設定し、本実施形態では３０ｍｍに設定されている。ダンパーばね３６の最大反力を、ビンガムダンパー３０のダンパー制御力以下にするために、ダンパーばね３６のばね剛性は１０ｋＮ／ｍｍとされている。

浮き床２を構成するコンクリートの収縮量を片側５ｍｍとすると、収縮後にもばね反力を１００ｋＮ以上確保するためには、ビンガムダンパー３０設置時に予めばねを圧縮しておく与荷重（プレロード）を１５０ｋＮとする。

与荷重を得るため、ダンパーばね３６は治具により圧縮して設置した後、圧縮治具を解除する。なお、ビンガムダンパー３０の両端に回転自在継手３３を設けているためビンガムダンパー３０には曲げが生じず、ダンパーばね３６にも軸力のみ作用することとなる。

図１に示すように、支持ばね４は、ばね軸を鉛直方向に向け、鉛直方向に伸長可能とされている。支持ばね４は、浮き床２に鉛直方向に付勢力を付与可能とされている。支持ばね４は、Ｘ方向及びＹ方向に間隔を有して複数設置されている。

支持ばね４の上端部４ｕは、浮き床２の基部２１の下面２１ｄに接続されている。支持ばね４の下端部４ｄは、構造体１の底壁部１１の上面１１ｕに接続されている。

このように構成された防振床構造１０では、浮き床２と構造体１の側壁部１２との間にビンガムダンパー装置３を設置することで、浮き床２を構成するコンクリートの乾燥収縮や温度による伸縮には大きな抵抗なく追従する。また、観客のタテノリ加振による水平力や中小地震時の水平力に対しては、鉛直方向への変位を阻害することなく、水平方向の変位を効果的に拘束することができる。浮き床は厚さ１ｍ程度の巨大なＲＣ床版であっても対応可能である。

また、ビンガムダンパー３０は静的な剛性をもたないため、浮き床２が乾燥収縮した場合に、浮き床２が構造体１の側壁部１２の各内面１２ｓから等間隔の位置（中央部）に保持されるとは限らない。そこで、ビンガムダンパー３０と並列にダンパーばね３６を追加することにより、浮き床２を常に側壁部１２で囲まれた凹部１ａの中央部に保持することができる。

また、大地震時にはビンガムダンパー３０の制御力を超える水平力が作用するが、浮き床２に設けられた緩衝ゴム本体２８が構造体１の側壁部１２と衝突するため、衝撃が緩和し、浮き床２や構造体１の側壁部１２の損傷を防止することができる。

また、タテノリ加振時に浮き床２が鉛直変位を生じてもビンガムダンパー３０の変位
はわずかとなり、ダンパー反力もわずかとなるため、浮き床２の鉛直変位を拘束しない。例えば、図６に示すように、水平配置するダンパー長を１２００ｍｍ、タテノリ時の浮き床の鉛直変位振幅を１０ｍとすると、ダンパー変位量は０．０４ｍｍでビンガムダンパー３０の両端にあるクレビス３３のガタ（遊び）以下となり、ダンパー軸力はほとんど生じず、浮き床２の鉛直変位（揺れ）を拘束することもない。ダンパー変位ｘは、（１２００＋ｘ）^２＝１２００^２＋１０^２から算定する。また、ダンパー反力が１０ｋＮであった場合の鉛直方向分力は０．０８３ｋＮにすぎず、浮き床２の上下振動に影響を及ぼさない。このように、ビンガムダンパー３０を水平配置すれば水平変位のみを拘束できる。

また、浮き床２の水平拘束機構として防振床構造１０は、シンプルな構成のため施工性も良くローコストとなる。また、メンテナンスフリーにできる。

なお、上述した実施の形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記に示す実施形態では、変位制御装置の一部として、ビンガムダンパー３０を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限られない。ビンガムダンパー３０の代わりに、３ｍｍ以下の微小変位時における減衰係数が８００ｋＮ／ｋｉｎｅ程度と減衰係数の大きい粘性ダンパーを用いても良い。例えばダンパー変位によりシリンダー（外筒）内の内筒が回転し、シリンダーと内筒の隙間にある粘性体のせん断変形により粘性減衰を生じる「減衰こま」であってもよい。

また、上記に示す実施形態では緩衝ゴム装置２５は緩衝ゴム本体２８とベースプレート２７とを一体化した形態としたが、緩衝ゴムのみでベースプレート部分を含む形状を構成するようにしてもよい。

また、上記に示す実施形態では変位制御装置３としてビンガムダンパー３０とダンパーばね３６とを併用した形態としたが、ビンガムダンパーを設けず、両端に回転自在継手を設けたダンパーばね３６（予め圧縮力が付与されたばね部材）のみで構成するようにしてもよい。

１…構造体
２…浮き床
３…変位制御装置
４…支持ばね
１０…防振床構造
１１…底壁部（底部）
１２…側壁部
２５…緩衝ゴム装置
２８…緩衝ゴム本体（緩衝ゴム）
３０…ビンガムダンパー
３６…ダンパーばね

Claims

底部と、該底部の外縁から立設された側壁部と、を有する構造体と、
ばね軸を鉛直方向に向け、前記底部に設けられた支持ばねと、
該支持ばねに支持された浮き床と、
前記側壁部と前記浮き床の外縁との間に配置され、前記浮き床を前記構造体に対して鉛直方向の変位を阻害することなく水平方向に拘束する変位制御装置と、を備え、
該変位制御装置は、
ビンガムダンパーと、
該ビンガムダンパーと同軸上に配置され、予め圧縮力が付与されたダンパーばねと、を有することを特徴とする防振床構造。
前記浮き床における前記構造体の前記側壁部側を向く面には、緩衝ゴムが設けられている請求項１に記載の防振床構造。