JP7732965B2 - 制動装置及び建物の免震構造 - Google Patents

Description

本発明は、外力により生じるエネルギーを吸収させるための制動装置、及びそれが設置された建物の免震構造に関するものである。

地震の揺れの伝達を抑えるために、建物と基礎との間に免震装置が配置された建物の免震構造が知られている。こうした免震構造では、構造設計時に想定するレベルを上回る想定外の大地震が発生した場合に、免震装置が配置された免震層に過大変形が生じ、建物が周囲の擁壁に衝突したり、免震装置が過大変形することで免震層が損傷することが懸念される。また、擁壁衝突時の衝撃力によって、上部建物が損傷する可能性もある。

そこで、特許文献１に開示されているように、緩衝材となるゴム製ブロックを、大地震時の過大変形によって衝突が起きうる箇所に予め設置しておくことで、衝撃を緩和させることが行われている。ここで、ゴム製ブロックは、大きな力が作用すると、塑性変形することでエネルギーを吸収することも知られている。

一方、特許文献２には、外力の作用方向に複数の皿バネを並べたバネ機構を備えた振動抑制装置が開示されている。この振動抑制装置では、所定値より大きい変位が生じた際に可動するバネ量を増やすことで、変位が大きいときほど剛性が低くなるようにしている。こうした振動抑制装置は、免震装置に復元力を生じさせるためのバネ材として使用したり、減衰材などを付与することでダンパー材として使用したりすることができる。

さらに、特許文献３，４には、建物などの構造物の制振機構として、複数の皿バネを並べたバネ部材を使用することが開示されている。この皿バネを要素としたバネ部材は、圧縮力と引張力の双方に対応し得る構成となっている。

特開２０１８－７１６５１号公報 特開２０１７－７８４３２号公報 特開２０１２－１６３１３４号公報 特開２０１２－１０２７９３号公報

しかしながら、特許文献１に開示されたようなエネルギーを吸収するために塑性化させる装置は、塑性化によって性能が低下したときに交換する必要があるが、大地震後などでは早急な対応が難しいうえに、交換費用が必要になる。

また、特許文献２－４に開示されたような複数の皿バネを並べる構成では、皿バネの１枚当たりの変形量が少ないので、制振機構のように外力の作用方向に一定以上の変位をさせることが条件となる場合は、多くの皿バネを組み込む必要があり、装置の長さが長くなって大型化することになる。免震装置が配置される免震ピットは、多数の配管などが敷設されていて、利用できる空間に制約があるため、装置はなるべく小さい方が望ましい。

そこで本発明は、エネルギー吸収性能に優れ、かつ繰り返しの使用が可能であるうえに、外力の作用方向の長さを短くすることが可能な制動装置、及びそれが設置された建物の免震構造を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の制動装置は、外力により生じるエネルギーを吸収させるための制動装置であって、円盤状に形成されて周面が作用面となる可動プレートと、前記可動プレートの前記周面に直交する第１面に重ねられる第１プレートと、前記可動プレートの前記周面に直交する第２面に重ねられる第２プレートと、重ねられた前記第１プレート、前記可動プレート及び前記第２プレートを貫通するとともに、前記第１プレート及び前記第２プレートの拘束穴に嵌合される芯材部と、前記第１プレート及び前記第２プレートの少なくとも一方から突出された前記芯材部の端部に、前記芯材部の軸方向が伸縮方向となるように装着されるバネ部とを備え、前記可動プレートには、前記芯材部の軸直交方向の相対的な移動を許容する大きさの通過穴が設けられるとともに、前記第１プレート及び前記第２プレートの少なくとも一方と前記可動プレートとは、前記軸直交方向の摺動がいずれの方向に対しても同じ力の大きさで起きるように形成された凹凸の嵌め合わせがされた状態で前記バネ部による復元力を受けていることを特徴とする。

ここで、前記バネ部は、剛性が異なる皿バネ材又はコイルバネ材を組み合わせることで形成することができる。また、前記凹凸は、前記通過穴を中心とする円錐状に形成されている構成とすることができる。さらに、前記凹凸は、前記可動プレート側が截頭円錐状の凹部となって、前記第１プレート又は前記第２プレート側が截頭円錐状の凸部になることが好ましい。

また、前記芯材部は、複数本が配置される構成とすることができる。さらに、前記凹凸の嵌め合わせは、前記第１プレート側と前記第２プレート側との両方に設けられる構成とすることができる。そして、前記バネ部は、前記第１プレート又は前記第２プレートの一方から突出された前記芯材部の端部に装着され、前記芯材部の他方の端部は前記第２プレート又は前記第１プレートの前記拘束穴に固定されている構成であってもよい。

また、建物の免震構造の発明は、免震装置が配置される建物の免震構造であって、前記免震装置が配置される免震層に設置される上記いずれかに記載の制動装置と、前記免震層に所定以上の変形が生じる前に前記制動装置を作動させるための反力部とを備えていることを特徴とする。

ここで、前記免震層の上部側又は下部側に前記制動装置が設置されるとともに、前記可動プレートの前記周面に対向する位置に、前記反力部となる円筒状の内周面が設けられる構成とすることができる。

このように構成された本発明の制動装置は、外力の作用方向と略直交する方向が伸縮方向となるバネ部を備えている。そして、可動プレートの周面に外力が作用して移動すると、第１プレート又は第２プレートと可動プレートとの間の凹凸の嵌め合わせの解除の際にバネ部が収縮するとともに、これらの間において摺動によるエネルギー吸収が行われる。

このため、面内のいずれの方向から作用する外力に対してもエネルギー吸収性能に優れている。また、バネ部を伸縮させる機構のため、復元性能に優れ、繰り返しの使用が可能である。さらに、バネ部の伸縮方向が外力の作用方向と略直交する方向となっているので、制動装置の外力の作用方向の長さを短くすることができる。

また、バネ部を、剛性が異なる皿バネ材又はコイルバネ材を組み合わせることで形成するのであれば、剛性増加型の復元力特性となるように設定して、緩やかな制動を行わせることができる。

また、建物の免震構造の発明は、免震装置が配置される免震層に制動装置が設置されるとともに、免震層に所定以上の変形が生じる前に制動装置を作動させるための反力部を備えている。このため、設計時の想定以上の大地震が発生しても、建物が周囲の擁壁に衝突したり、免震装置が過大変形することで免震層が損傷したりすることを防ぐことができる。

本実施の形態の制動装置の内部構造を説明する図であって、（ａ）は平常時の状態を示す破断斜視図、（ｂ）は大地震時の状態を示す破断斜視図である。 本実施の形態の建物の免震構造を説明する図であって、（ａ）は平常時の状態を示す模式図、（ｂ）は大地震時の状態を示す模式図である。 本実施の形態の制動装置の構成を説明するための斜視図である。 本実施の形態の制動装置の構成を説明するための分解斜視図である。 本実施の形態の制動装置の構成を説明するための断面図である。 バネ部の構成を例示した説明図である。 バネ部の復元力特性を説明する図であって、（ａ）はバネ部の剛性増加型の復元力特性を説明するためのグラフ、（ｂ）は摩擦を含めた制動装置の復元力特性を説明するためのグラフである。 制動装置の動作を説明する図であって、（ａ）は初期状態を説明するための断面図、（ｂ）は作動時の状態を説明するための断面図である。 本実施の形態の建物の免震構造における制動装置の設置例を示した図であって、（ａ）はターゲットの一部を破断した斜視図、（ｂ）はターゲットと可動プレートとの配置関係を説明する平面図である。 本実施の形態の建物の免震構造における制動装置の作動範囲を示した説明図である。 実施例１の制動装置の構成を説明する図であって、（ａ）は上側のプレートが平板である場合を示す断面図、（ｂ）は下側のプレートが平板である場合を示す断面図である。 実施例２の制動装置の構成を説明する図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。 実施例２の別の制動装置の構成を説明する図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。 制動装置の軸数及び他の諸元と安定度との関係を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１、図３－図５は、本実施の形態の制動装置１の構成を説明するための図である。また、図２は、本実施の形態の建物の免震構造を模式的に示した説明図である。

本実施の形態の制動装置１は、外力により生じるエネルギーを吸収させるための装置である。本実施の形態の制動装置１は、免震構造の建物と組み合わせて使用することができる。また、フォークリフトなどの重機のバンパ、人工知能（ＡＩ）によって制御される移動機器などにも、本実施の形態の制動装置１を取り付けることができる。

以下、本実施の形態では、図２（ａ）に示すように、免震装置Ｅが配置された建物Ｍに対して制動装置１を設置する場合について、主に説明する。地震の揺れの伝達を抑えるために、建物Ｍと基礎Ｂとの間に免震装置Ｅが配置された建物Ｍでは、地震時に、免震装置Ｅが配置された免震層において変形が生じる（図２（ｂ）参照）。

免震構造の建物Ｍでは、構造設計時に想定したレベルを上回る想定外の大地震が発生した場合に、図２（ｂ）に示すように免震層において過大な変形が生じ、建物Ｍが周囲の擁壁Ｍ４に衝突したり、免震装置Ｅが過大変形することで免震層が損傷することが懸念される。そこで、こうした免震層の過大変形を抑えるために、本実施の形態の制動装置１を設置する。

本実施の形態の制動装置１は、図１及び図３に示すように、円盤状に形成されて周面５４が作用面となる可動プレート５と、可動プレート５の周面５４に直交する第１面に重ねられる第１プレート２１と、同じく周面５４に直交する第２面に重ねられる第２プレート２２と、重ねられたプレート（２１，５，２２）を貫通する芯材部４と、芯材部４の端部に装着されるバネ部３とを備えている。ここで、図１は、制動装置１を芯材部４が並んだ位置で破断して内部構造を示した破断斜視図であり、図３は、制動装置１の外観を下から仰ぎ見た斜視図である。

図４に示すように、可動プレート５は、厚みのある円盤状に形成されていて、円筒状の周面５４が外部から押される作用面となる。この図では、可動プレート５の上面が周面５４に直交する第１面となり、可動プレート５の下面が周面５４に直交する第２面となる。そして、可動プレート５の第１面に重ねられる第１プレート２１と第２面に重ねられる第２プレート２２は、可動プレート５よりも直径が小さい円盤状にそれぞれ形成される。

可動プレート５には、芯材部４を通す芯材部４の直径より大きな内径となる通過穴５３が穿孔される。図４では、可動プレート５に貫通させる４本の芯材部４の数に合わせて、４個の通過穴５３が設けられている。

通過穴５３の内径は、図５に示すように、芯材部４の外径より充分に大きく、この芯材部４の外周面と通過穴５３の内周面との離隔が、芯材部４の軸直交方向の相対的な移動を許容する大きさと言える。また、第１プレート２１又は第２プレート２２よりも可動プレート５が側方に突出する長さによっても、可動プレート５が水平方向に移動できる範囲が規定される。

さらに、通過穴５３の周縁には、図４に示すように、截頭円錐状の凹部５１の勾配のある周面が形成される。すなわち、通過穴５３を中心とする円錐状の凹部５１は、通過穴５３によって截頭されるため、截頭円錐形になる。

可動プレート５の下面側にも、上面側と同様に截頭円錐状の凹部５２が形成されている。一方、可動プレート５の下面側の凹部５２と対向する第２プレート２２の上面には、截頭円錐状の凸部２２２が形成される。この可動プレート５の下面側の凹部５２と第２プレート２２の上面側の凸部２２２とが、凹凸に嵌め合わされた状態になる。

同様に、第１プレート２１の下面側にも截頭円錐状の凸部２１２が形成され、可動プレート５の上面側の凹部５１と第１プレート２１の下面側の凸部２１２とが、凹凸に嵌め合わされた状態になる。図５は、可動プレート５の上下において、それぞれに対向する第１プレート２１と第２プレート２２との間で、凹凸の嵌め合わせがされた状態を示している。

この凹凸の嵌め合わせの関係は、可動プレート５側と第１プレート２１又は第２プレート２２側との関係が逆になっていてもよい。すなわち、可動プレートに設けられるのが凸部で、第１プレート又は第２プレート側に設けられるのが凹部となっていてもよい。

截頭円錐状の凹凸の嵌め合わせは、芯材部４の軸直交方向（水平方向）となるいずれの方向（360°）に対しても拘束力が同じになるので、水平方向のいずれの方向から力を受けても、同じ力の大きさで同じ状態の摺動が生じることになる。

芯材部４は、可動プレート５の通過穴５３を貫通するだけでなく、第１プレート２１及び第２プレート２２の拘束穴２１１，２２１も貫通する。ここで、拘束穴２１１，２２１の「拘束」の意味は、芯材部４の軸直交方向（水平方向）の相対的な移動を制限するという意味である。

本実施の形態の制動装置１は、バネ部３が芯材部４の下側の端部にのみ装着されるので、芯材部４の上側の端部は、第１プレート２１の拘束穴２１１に固定されることになる。例えば、拘束穴２１１の内周面に雌ネジを設けておき、芯材部４の上端の雄ネジをねじ込むことで、第１プレート２１に対して芯材部４の軸方向の移動が起きないように固定させる。

これに対して第２プレート２２の拘束穴２２１と芯材部４との関係は、芯材部４の軸直交方向の相対的な移動は制限することになるが、芯材部４の軸方向の相対的な移動は制限されない関係となる。すなわち、バネ部３の伸縮量によって第２プレート２２は上下動することになるので、芯材部４に沿った第２プレート２２の上下動が制限されないようにする。

本実施の形態の制動装置１では、第２プレート２２の下方から突出された芯材部４の端部に、芯材部４の軸方向が伸縮方向となるようにバネ部３が装着される。すなわち、可動プレート５の周面５４に対して入力される外力の作用方向は、芯材部４の軸直交方向であり、その作用方向と略直交する芯材部４の軸方向がバネ部３の伸縮方向となるように、円筒状のバネ部３が配置される。

要するに、バネ部３の円柱状の中空部に対して、円柱状の芯材部４が挿入される。芯材部４は、バネ部３のガイド機能も発揮することになる。また、バネ部３の下側には、ワッシャ３４とナット３５が取り付けられて、バネ部３の下端の位置は芯材部４の所定の位置に固定されることになる。

バネ部３は、図１（ａ）に示すように、制動装置１が作動していない平常時において最も伸びた状態になる。要するに、可動プレート５の上下において第１プレート２１と第２プレート２２との間で凹凸の嵌め合わせがされた状態が維持される程度にナット３５を締め上げてワッシャ３４の位置を固定し、ワッシャ３４に載せられたバネ部３の復元力によって第２プレート２２及び可動プレート５を第１プレート２１側に押し付けるような設定にする。

一方、図１（ｂ）に示すように、大地震時などにおいて、可動プレート５の周面５４に外力が作用して可動プレート５が芯材部４の軸直交方向（水平方向）に移動すると、可動プレート５と第１プレート２１及び第２プレート２２との凹凸の嵌め合わせが解除されるような摺動が起きる。

そして、凸部２１２，２２２が凹部５１，５２をせり上がって第１プレート２１と第２プレート２２との離隔が広がると、バネ部３が収縮することになる。なお、第１プレート２１の上面が構造物などに固定されている場合は、可動プレート５が斜めに下がっていくとともに、第２プレート２２は芯材部４に沿って真っすぐ下がり、それに押されてバネ部３が収縮することになる。

このバネ部３を収縮させるような可動プレート５の移動が起きたときに、可動プレート５と第１プレート２１との間、及び可動プレート５と第２プレート２２との間で、摩擦抵抗のある摺動が起きてエネルギーの吸収が行われる。

続いて、図６及び図７を参照しながら、バネ部３の構成及び復元力特性について説明する。本実施の形態の制動装置１に配置されるバネ部３は、剛性が異なる複数の皿バネ材を組み合わせることによって形成される。

図６では、３種類の剛性が異なる皿バネ材が重ねられた構成を示している。詳細には、下から４枚の第１皿バネ材３１と、４枚の第２皿バネ材３２と、６枚の第３皿バネ材３３とが重ねられている。

第１皿バネ材３１と第２皿バネ材３２と第３皿バネ材３３は、材厚や材質を変えることによって、異なる剛性になっている。ここでは、剛性が高い順に、第１皿バネ材３１、第２皿バネ材３２、第３皿バネ材３３となる。また、バネ部３全体の剛性については、皿バネ材（３１，３２，３３）を重ねる枚数によっても、調整することができる。

図７（ａ）は、バネ部３の剛性増加型の復元力特性を説明するためのグラフである。上述したように構成されたバネ部３は、変形の増大に伴って剛性を増加させることができるので、例えば免震層の変形の増加に従って、徐々にブレーキを効かせることができるようになる。

図７（ａ）のバネ部３に作用する荷重が0(kN)で変形が0(mm)のＡ点は、図６に示すような初期状態を示している。そして、バネ部３を収縮（圧縮）させる荷重が作用すると、Ｂ点までは剛性が最も低い第３皿バネ材３３が主に変形する。

Ｂ点を超えて、さらにバネ部３に作用する荷重が増加すると、Ｃ点までは第２皿バネ材３２が主に変形し、Ｃ点を超えると、最も剛性が高い第１皿バネ材３１が主に変形することになる。このように、変形の増加に伴って段階的に系全体の剛性が増加するバネ部３の復元力特性を、剛性増加型という。

本実施の形態の制動装置１は、このようなバネ部３の収縮時の復元力特性を利用した制動を行う。さらに、本実施の形態の制動装置１では、可動プレート５と第１プレート２１との間、及び可動プレート５と第２プレート２２との間で起きる摺動によっても、エネルギーの吸収が行われる。

上述したように、可動プレート５の作用面となる周面５４が押されて移動が始まると、可動プレート５と第１プレート２１及び第２プレート２２との凹凸の嵌め合わせが解除され、摩擦抵抗を伴った摺動が起きる。

この際の摩擦抵抗（摩擦係数）の大きさは、凸部２１２，２２２と凹部５１，５２の周面の勾配や接触面の処理などによって、任意に設定することができる。また、圧縮したバネ部３の復元力で第１プレート２１と可動プレート５と第２プレート２２とを押し付けあわせていることによって、摩擦力が増加することにもなる。

特に、凸部２１２，２２２と凹部５１，５２の周面の勾配（角度θ）によって、摩擦力の大きさを調整することができる。角度θが小さい（緩勾配）ほどバネ部３の必要変形量を抑えるとともに、摩擦力を大きくできる。ただし、角度θを小さくしすぎると装置の復元力を摩擦力が上回り復元できなくなる。このため、安定して復元する程度に角度θを大きくする必要がある。この角度θは、45°以下、例えば20°から30°程度に設定する。

図７（ｂ）は、摩擦を含めた制動装置１の復元力特性を説明するためのグラフである。グラフの破線は、図７（ａ）で説明したバネ部３のみの復元力特性を示している。そこに、第１プレート２１と可動プレート５と第２プレート２２との間の摺動面間に生じる摩擦力を加えると、実線で示したような復元力特性に設定することができる。

摩擦を含めた制動装置１の復元力特性では、可動プレート５の周面５４が押されて移動が始まると、摺動面間の摩擦力と第３皿バネ材３３の収縮によって、バネ部３のみの場合と比べて、剛性の高い挙動を示す。

このバネ部３のみの場合よりも剛性が上回る挙動は、変形が増加している間は続く。また、変形が大きくなるほど、バネ部３の収縮量が増えて復元力も大きくなるので、摺動面間の摩擦力も大きくなる。

そして、外力が減少してバネ部３が復元（伸長）し始めると、摺動面間に摩擦力がある分だけ、制動装置１の復元力が小さくなり、エネルギー吸収量を増やすことができる。さらに摩擦を大きくして、建物Ｍに比べて制動装置１が遅れて復元する場合は、圧縮時の破線で囲まれた範囲のすべてがエネルギー吸収量となり、より大きなエネルギーを吸収することができる。

次に、図８を参照しながら、本実施の形態の制動装置１の動作について説明する。図８（ａ）は、制動装置１の初期状態を説明するための断面図である。制動装置１は、例えば図２（ａ）に示すように、基礎梁や床梁などの梁部材Ｍ１の下面から、免震装置Ｅが配置された免震層に垂下させた垂下部Ｍ２に取り付けられる。

ここで、第１プレート２１は、制動装置１内の相対的な位置関係では、固定部となる。また、性能を安定させるために、バネ部３には初期圧縮力が加えられて、少し圧縮された状態となっている。この初期圧縮力は、制動装置１の作動開始時に、大きな衝撃力が発生しない程度に調整される。

図８（ｂ）は、制動装置１の作動時の状態を説明するための断面図である。図２（ｂ）に示すように、地震が起きて基礎Ｂの揺れが大きくなると、基礎Ｂから免震層に突出するように設けられた反力部となるターゲット６に、制動装置１が接触する状況が起きる。

例えば、図８（ｂ）の左側でターゲット６への接触が起きれば、可動プレート５の周面５４が右側に向けて押されることになる。要するに図８（ｂ）の周面５４に隣接して示した矢印は、ターゲット６から受ける外力の作用方向を示している。外力によって押し込まれた可動プレート５は、外力の作用方向に移動することになる。

この際、芯材部４は第１プレート２１から吊り下げられた状態で移動せず、凹凸の嵌め合わせが解除されて、摺動を伴いながら凸部２１２，２２２が凹部５１，５２をせり上がることで、可動プレート５と第２プレート２２は下方に向けて移動することになる。すなわち、芯材部４は、この移動量よりも大きな通過穴５３に通されているので、通過穴５３の内周面に当たるまでは、可動プレート５は制限なく移動することができる。なお、可動プレート５の移動は、第１プレート２１又は第２プレート２２の周縁によって制限されることもある。

可動プレート５の移動に伴って第２プレート２２が下方に移動すると、第２プレート２２の下面とワッシャ３４との間隔が狭くなって、バネ部３が収縮することになる。芯材部４が通過穴５３の内周面に当たって可動プレート５の移動が止まると、バネ部３もそれ以上に圧縮されることはないので、図８（ｂ）に示した状態が、バネ部３の最大変形量（収縮量）となる。

一方、可動プレート５の周面５４を押し込む外力の作用がなくなると、バネ部３の復元力によってバネ部３が伸長し、第２プレート２２が上方に移動して第２プレート２２の下面とワッシャ３４との間隔が広くなり、可動プレート５、第２プレート２２及びバネ部３は、図８（ａ）に示すような初期状態に戻ることになる。

次に、本実施の形態の制動装置１及び建物の免震構造の作用について説明する。
このように構成された本実施の形態の制動装置１は、外力の作用方向（例えば図８（ｂ）の矢印参照）と略直交する方向が伸縮方向となるバネ部３を備えている。

そして、可動プレート５の周面５４に外力が作用して移動すると、第１プレート２１及び第２プレート２２と可動プレート５との間の凹凸の嵌め合わせの解除の際にバネ部３が収縮するとともに、これらの間において摩擦抵抗を伴った摺動によるエネルギー吸収が行われる。

この摺動は、バネ部３による復元力が作用した状態で行われるので、凸部２１２，２２２と凹部５１，５２との間の押し付けあいによって、より効率的にエネルギーを吸収させることができる。

このため、エネルギー吸収性能に優れている。また、バネ部３を伸縮させる機構のため、復元性能に優れ、繰り返しの使用が可能である。特に、皿バネ材（３１，３２，３３）は、変形後も塑性化しにくいので、大地震によって制動装置１が稼動した後も、塑性化による性能低下が生じることなく、そのまま繰り返し使用することができる。

また、摺動時は、可動プレート５と上下プレート（２１，２２）とが常に３点以上で接しているので、可動プレート５が回転するなどの不安定な挙動が防止され、想定した復元力特性を得ることができる。

また、バネ部３の伸縮方向が外力の作用方向と略直交する方向となっているので、制動装置１の外力の作用方向の長さを短くすることができる。例えば、１枚当たりの変形量が少ない皿バネ材を使用する場合、一定以上の変位をさせようとすると多くの皿バネ材（３１，３２，３３）を組み込むことになるが、外力の作用方向（水平方向）と略直交する上下方向に積み重ねるだけなので、制動装置１の外力の作用方向の長大化を抑えることができる。このため、配管などによって設置範囲の制限を受けることが多い免震層となる免震ピットにも、小型な制動装置１であれば様々な位置に設置することができる。

さらに、バネ部３を、剛性が異なる皿バネ材（３１，３２，３３）を組み合わせることで形成するのであれば、剛性増加型の復元力特性となるように設定して、緩やかな制動を行わせることができる。すなわち、変形の増加に伴って系全体の剛性が段階的に増加するバネ部３を利用するのであれば、初期の衝撃力の発生を抑えられるうえに、過大な変形に対しても制動を行うことができる。

本実施の形態の建物Ｍの免震構造は、免震装置Ｅが配置される免震層に制動装置１が設置されるとともに、免震層や免震装置Ｅに所定以上の変形が生じる前に制動装置１を作動させるための反力部を備えている。

図９及び図１０は、本実施の形態の建物Ｍの免震構造における制動装置１の設置例と作動範囲を説明する図である。図９（ａ），（ｂ）に示すように、ターゲット６は、基礎Ｂに下端部を固定させた鋼管や円筒状の鉄筋コンクリート部材などによって設けることができる。

例えば、免震装置Ｅで支持される梁部材Ｍ１の長手方向の中央に、制動装置１を設置することができる。制動装置１は、図９（ａ）に示すように、例えば梁部材Ｍ１の下面から垂下させた垂下部Ｍ２の下面に、第１プレート２１の上面を接合させることで取り付けられる。設置される制動装置１の最外径（可動プレート５の直径）は、例えば1100mm程度になる。

図９（ｂ）の平面図に示すように、水平面内の全方向に向いた可動プレート５の周面５４に対しては、それを外側から囲むように、円筒状のターゲット６の内周面が設けられる。この制動装置１の周面５４とターゲット６の内周面との距離L1は、免震装置Ｅの機能を充分に発揮させるためには、設計時に想定した規模の地震による免震層の変形の範囲では、接触が起きないようにする必要がある。

図１０は、本実施の形態の建物の免震構造における制動装置１の作動範囲を説明するための図である。制動装置１は、基礎Ｂから上方に向けて立ち上げられた円筒状のターゲット６に当接させることで作動する。

ここで、建物Ｍの梁部材Ｍ１の端面と、建物Ｍの周囲に設けられた擁壁Ｍ４（図２参照）との離隔をL2とすると、免震層にL2以上の変形が起きる前に制動装置１を作動させて、大地震によるエネルギーを吸収させる必要がある。そこで、制動装置１の周面５４とターゲット６との距離L1（図９（ｂ）参照）を、L2よりも小さくする。

詳細には、距離L1に制動装置１の最大変形量を加えた値が、L2よりも小さくなるように距離L1を設定することになる。このような設定にすることで、設計時の想定以上の大地震が発生しても、建物Ｍが周囲の擁壁Ｍ４に衝突したり、免震装置Ｅやダンパー材などが過大変形することで引張破断や座屈などが起きて損傷したりするのを防ぐことができる。

また、制動装置１が作動することで、免震層の剛性が徐々に増加していくことになり、上部に設けられる建物Ｍの応答加速度の増幅を抑えつつ、免震層の変形を抑制することができるようになる。

こうした制動装置１の配置箇所、制動装置１の凸部２１２，２２２と凹部５１，５２の周面の勾配（角度θ）、摺動面間の摩擦抵抗（摩擦係数）及びバネ部３の復元力特性などは、免震層全体の復元力特性に基づいて適宜設定することができる。

そして、本実施の形態の制動装置１は、水平面内の360°のあらゆる方向からの外力に対して作動させることができるので、１方向や２方向の外力に対してしか作用させることができない装置と比べて、設置数を大幅に削減することができる。

以下、前記した実施の形態の制動装置１とは別の実施形態の制動装置１Ａ，１Ｂについて、図１１を参照しながら説明する。なお、前記実施の形態で説明した内容と同一乃至均等な部分の説明については、同一用語又は同一符号を付して説明する。

前記実施の形態では、第１プレート２１及び第２プレート２２の両方に、可動プレート５に対して凹凸の嵌め合わせをさせる凸部２１２，２２２がある場合について説明したが、実施例１では、いずれか一方においてのみ凹凸の嵌め合わせがある構成について説明する。

図１１（ａ）に示した制動装置１Ａは、可動プレート５Ａの上側の第１プレート２１Ａが平面視円形の平板となる構成を示している。すなわち、第１プレート２１Ａには凸部が設けられておらず、第１プレート２１Ａに対向する可動プレート５Ａの上面も平面に形成される。

これに対して図１１（ｂ）に示した制動装置１Ｂは、可動プレート５Ｂの下側の第２プレート２２Ｂが平面視円形の平板となる構成を示している。すなわち、第２プレート２２Ｂには凸部が設けられておらず、第２プレート２２Ｂに対向する可動プレート５Ｂの下面も平面に形成される。

このように可動プレート５Ａ（５Ｂ）に対向させる片側の第２プレート２２（第１プレート２１）との間でだけ凹凸の嵌め合わせ状態にする場合は、凸部２２２（２１２）の周面の勾配（角度θ）を、例えば20°から30°程度に設定する。

図１１（ａ）に示した上側の第１プレート２１Ａを平板にした制動装置１Ａは、可動プレート５Ａの移動方向が水平方向のみとなることで、動作と性能の安定性を向上させることができる。また、凸部を設けないので、第１プレート２１Ａの外径を通過穴５３が覆われる程度まで、小さくすることができる。

なお、他の構成及び作用効果については、前記実施の形態又は他の実施例と略同様であるので説明を省略する。

以下、前記した実施の形態及び実施例１の制動装置１，１Ａ，１Ｂとは別の実施形態の制動装置１Ｃ，１Ｄについて、図１２及び図１３を参照しながら説明する。なお、前記実施の形態又は実施例１で説明した内容と同一乃至均等な部分の説明については、同一用語又は同一符号を付して説明する。

前記実施の形態及び実施例１で説明した制動装置１，１Ａ，１Ｂは、複数本（例示では４本）の芯材部４を備えた構成となっていたが、実施例２では、１本の芯材部４によって構成される制動装置１Ｃ，１Ｄについて説明する。

図１２（ａ）には、１本の芯材部４が中央に配置された制動装置１Ｃの平面図を示し、図１２（ｂ）には、図１２（ａ）の一点鎖線の位置で切断した制動装置１Ｃの断面図を示した。この制動装置１Ｃは、図１２（ｂ）に示すように、第１プレート２１Ｃの中央にのみ１つの截頭円錐状の凸部２１２が設けられており、第２プレート２２Ｃは平面視円形の平板に形成されている。

このため、可動プレート５Ｃについても、上面にのみ通過穴５３の周縁に截頭円錐状の凹部５１が設けられ、下面は平面に形成されている。こうした１軸で凸部２１２が１山の制動装置１Ｃは、例えば最外径（可動プレート５Ｃの直径）を600mmと、４軸の制動装置１の半分程度の大きさに製作することができる。

これに対して図１３に示した制動装置１Ｄは、芯材部４が１本ではあるが、凸部の構成が図１２で示した制動装置１Ｃとは異なっている。ここで、図１３（ａ）は平面図を示し、図１３（ｂ）は断面図を示している。

図１３に示した制動装置１Ｄは、第１プレート２１Ｄに設けられる凸部２１２Ｄが、通過穴５３の周縁に沿って環状に設けられる。すなわち図１３（ｂ）の断面図に示したように、芯材部４を挟んだ両側の截頭円錐状の２山が凸部２１２Ｄの断面になる。そして、凸部２１２Ｄに嵌め合わされる可動プレート５Ｄの凹部５１Ｄも、通過穴５３の周縁に沿って環状に設けられる。一方、第２プレート２２Ｄは平面視円形の平板に形成されている。

このように凹凸の嵌め合わせは、必ずしも芯材部４が中心となる凸部にする必要はなく、芯材部４を中心にして、それを囲むように環状の凸部２１２Ｄを設けた場合であっても、可動プレート５Ｄをいずれの方向に対しても同じ力の大きさで摺動させることができる。ここで、凸部２１２Ｄが２山に形成された制動装置１Ｄは、１山の制動装置１Ｃに比べて少し大きい、例えば最外径（可動プレート５Ｄの直径）が700mm程度となるように製作することができる。

以上に説明したように、制動装置に配置する芯材部４の数や、凸部の形状は、所望される荷重容量などに応じて、任意に設定することができる。図１４は、制動装置の軸数及び他の諸元と安定度との関係を説明する図表である。

図１４の表に示すように、制動装置に配置する芯材部４の数（軸数）は、１本から５本以上と任意に設定することができる。そして、配置される芯材部４の数に応じて、バネ部３の長さ（ばね全長）、バネ部３の直径（ばね外径）、制動装置（可動プレート）の直径（装置外径）の傾向が変化することになる。

芯材部４の軸数が少ない方が装置外径を小さくできる、芯材部４の軸数が多い方がバネ部３を小さくできるなど、それぞれの構成によって利点がある。また、制動装置の作動時の安定性で言えば、芯材部４の配置本数が３本以上の方が、安定して可動プレートを移動させることができるようになる。

なお、他の構成及び作用効果については、前記実施の形態又は他の実施例と略同様であるので説明を省略する。

以上、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施の形態及び実施例に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。

例えば、前記実施の形態では、免震構造の建物Ｍに制動装置１を設置する場合について主に説明したが、これに限定されるものではなく、ロボットなどの接触部のダンパー材などにも、本実施の形態又は実施例の制動装置１，１Ａ－１Ｄを使用することができる。

また、前記実施の形態では、３種類の剛性が異なる皿バネ材（３１，３２，３３）を組み合わせることによってバネ部３を構成する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、複数の剛性が異なるコイルバネ材、角バネ材、ゴム材又はそれらに準ずる材料などを組み合わせることによってバネ部を形成することもできる。

また、前記実施の形態では、円筒状のターゲット６を例にして反力部について説明したが、これに限定されるものではなく、四角筒状や六角筒状など多角形状の反力部とすることもできる。

さらに、前記実施の形態では、免震層の上部側に制動装置１を設置して、下部側（基礎Ｂ側）にターゲット６を設ける場合について説明したが、これに限定されるものではなく、免震層の下部側に制動装置１を設置して、上部側に反力部を設けることもできる。なお、前記実施の形態で下部側を基礎Ｂにしたのは例示であって、建物の中間層に設けられる免震層にも、制動装置１を設置することができる。

また、前記実施の形態及び実施例では、第２プレート２２，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄ側から突出された芯材部４の端部にのみバネ部３を装着する構成について説明したが、これに限定されるものではなく、第１プレート側に芯材部の端部を突出させてバネ部３を装着する構成であってもよいし、両方のプレートから芯材部の端部を突出させてそれぞれにバネ部３を装着する構成としてもよい。

１，１Ａ－１Ｄ：制動装置
２１，２１Ａ，２１Ｃ，２１Ｄ：第１プレート
２１１ ：拘束穴
２１２，２１２Ｄ：凸部
２２，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄ：第２プレート
２２１ ：拘束穴
２２２ ：凸部
３ ：バネ部
３１ ：第１皿バネ材（皿バネ材）
３２ ：第２皿バネ材（皿バネ材）
３３ ：第３皿バネ材（皿バネ材）
４ ：芯材部
５，５Ａ－５Ｄ：可動プレート
５１，５１Ｄ：凹部
５２ ：凹部
５３ ：通過穴
５４ ：周面
６ ：ターゲット（反力部）
Ｍ ：建物
Ｅ ：免震装置

Claims (9)

1. 外力により生じるエネルギーを吸収させるための制動装置であって、
   円盤状に形成されて周面が作用面となる可動プレートと、
   前記可動プレートの前記周面に直交する第１面に重ねられる第１プレートと、
   前記可動プレートの前記周面に直交する第２面に重ねられる第２プレートと、
   重ねられた前記第１プレート、前記可動プレート及び前記第２プレートを貫通するとともに、前記第１プレート及び前記第２プレートの拘束穴に嵌合される芯材部と、
   前記第１プレート及び前記第２プレートの少なくとも一方から突出された前記芯材部の端部に、前記芯材部の軸方向が伸縮方向となるように装着されるバネ部とを備え、
   前記可動プレートには、前記芯材部の軸直交方向の相対的な移動を許容する大きさの通過穴が設けられるとともに、
   前記第１プレート及び前記第２プレートの少なくとも一方と前記可動プレートとは、前記軸直交方向の摺動がいずれの方向に対しても同じ力の大きさで起きるように形成された凹凸の嵌め合わせがされた状態で前記バネ部による復元力を受けていることを特徴とする制動装置。
2. 前記バネ部は、剛性が異なる皿バネ材又はコイルバネ材を組み合わせることで形成されることを特徴とする請求項１に記載の制動装置。
3. 前記凹凸は、前記通過穴を中心とする円錐状に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の制動装置。
4. 前記凹凸は、前記可動プレート側が截頭円錐状の凹部となって、前記第１プレート又は前記第２プレート側が截頭円錐状の凸部になることを特徴とする請求項３に記載の制動装置。
5. 前記芯材部は、複数本が配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の制動装置。
6. 前記凹凸の嵌め合わせは、前記第１プレート側と前記第２プレート側との両方に設けられることを特徴とする請求項１又は２に記載の制動装置。
7. 前記バネ部は、前記第１プレート又は前記第２プレートの一方から突出された前記芯材部の端部に装着され、前記芯材部の他方の端部は前記第２プレート又は前記第１プレートの前記拘束穴に固定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の制動装置。
8. 免震装置が配置される建物の免震構造であって、
   前記免震装置が配置される免震層に設置される請求項１又は２に記載の制動装置と、
   前記免震層に所定以上の変形が生じる前に前記制動装置を作動させるための反力部とを備えていることを特徴とする建物の免震構造。
9. 前記免震層の上部側又は下部側に前記制動装置が設置されるとともに、
   前記可動プレートの前記周面に対向する位置に、前記反力部となる円筒状の内周面が設けられることを特徴とする請求項８に記載の建物の免震構造。