JPH0742744B2 - 免震装置用減衰機構 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 この発明は、建築物とその基礎のような上部構造と下部
構造間に介在され、下部構造から上部構造に伝わる地震
エネルギーを減少させる免震装置用減衰機構に関する。

〈従来の技術〉 建物の耐震構造の一つとしては、第８図に示すように、
複数個の免震装置であるアイソレータ51,51を上部構造5
2と下部構造53との間に挟み込み、上部構造52を支持す
るようにしたものがある。このアイソレータ51はゴムの
大きな鉛直載荷能力とゴムのせん断変形による小さな水
平バネ剛性を持っている。したがって、重量物である上
部構造を安定性良く支え、水平方向の動きを弱いバネで
規制したことになる。このように支持すると、構造物の
系全体の水平方向の振動周期を増大させ、それを地震の
最大エネルギー成分の周期よりも大きくする。したがっ
て、地震発生時の地震からの入力に対する建物の応答加
速度を減少させることができる。

しかしながら、上記アイソレータ51のみによって上部構
造52を支持すると、アイソレータ51の水平方向のバネ力
が小さいため次の問題が生じる。

第１の問題は、地震動の作用によって一旦上部構造52が
振動し始めると、その振動振幅がアイソレータ51を用い
ず直接下部構造53に上部構造52を支持させた場合に比べ
て大きくなると共に、その揺れが静まるまで時間がかか
ることである。すなわち物理的に安全が保障されたとし
ても、居住者にとって心理的に不安な状態が長く続くこ
とになり、建築物の免震構造としては不適当である。

第２の問題は、台風の風荷重等の横方向荷重が建物に加
わった場合、その方向に上部構造52が位置ずれするおそ
れがあり、上部構造52の安定性が保障されないことであ
る。

これらの問題点を解決するために、最近、建築物の上部
構造と下部構造との間にヒステリシス特性を持っている
弾塑性部材からなる減衰機構を介在させ、そのヒステリ
シス特性をもって振動エネルギーを吸収させるようにし
たものが提案されている（特開昭60−258344号公報）。

〈発明が解決しようとする課題〉 ところで、上記従来の弾塑性部材からなる減衰機構の設
計において、その可能な最大変形量が、建築物に作用す
る地震のうち最大の地震の振幅（変形量約250mm）以上
になるように設計する。これがため、最も多く発生する
振幅（変形量約30mm以下）の小さい地震が発生したとき
には、減衰機構は、弾性変形の範囲で変形するにとどま
り、ヒステリシス特性を発揮して振動エネルギーを吸収
することができない。そのため、振幅の小さい地震が発
生したとき、建築物は長時間揺れる。居住者は心理的に
不安になる。

そこで、この発明は、弾性領域の異なる弾塑性部材を複
数組合せることにより、小さい振幅の振動時にも、大き
な振幅の振動時にも塑性域の変形を行なって振動エネル
ギーを吸収できる免震装置用減衰機構を提供することを
目的としている。

〈問題点を解決するための手段〉 上記目的を達成するため、請求項１に係る発明の免震装
置用減衰機構は、一端が上部構造に、他端が下部構造に
揺動不可に取り付けられ、弾塑性部材からなる第１弾塑
性部材と、一端が上部構造に、他端が下部構造に揺動不
可に取り付けられ、弾塑性部材からなり、上記第１弾塑
性部材が弾性領域内で変形している状態で塑性変形する
第２弾塑性部材とを備えたことを特徴としている。

また、請求項２に係る発明の免震装置用減衰機構は、円
柱形を有すると共に、その一端が上部構造に揺動不可に
取り付けられる一方他端が下部構造に揺動不可に取り付
けられた弾塑性部材からなる第２弾塑性部材と、螺旋状
を成すと共に、上記第２弾塑性部材の周囲に配列され
て、その一端が上記上部構造に揺動不可に取り付けられ
る一方他端が上記下部構造に揺動不可に取り付けられた
弾塑性部材からなる複数の第１弾塑性部材を備えて、上
記第２弾塑性部材は、上記第１弾塑性部材が弾性領域内
で変形している状態で塑性変形する弾塑性特性を有する
ことを特徴としている。

また、請求項３に係る発明の免震装置用減衰機構は、螺
旋状を成すと共に、その一端が上部構造に揺動不可に取
り付けられる一方他端が下部構造に揺動不可に取り付け
られ、弾塑性部材からなる第２弾塑性部材と、螺旋状を
成すと共に、軸心に沿った長さが上記第２弾塑性部材よ
り長く、上記第２弾塑性部材の周囲に配列されて、その
一端が上記上部構造に揺動不可に取り付けられる一方他
端が上記下部構造に揺動不可に取り付けられた弾塑性部
材からなる複数の第１弾塑性部材を備えて、上記第２弾
塑性部材は、上記第１弾塑性部材が弾性領域内で変形し
ている状態で塑性変形する弾塑性特性を有することを特
徴としている。

〈作用〉 小さい地震により、上部構造が小さく振動したときに
は、第１弾塑性部材は弾性領域内で変形するからエネル
ギーを吸収し得ないが、第２弾塑性部材は塑性領域で変
形するため、小さな振動エネルギーはこの第２弾塑性部
材のヒステリシス効果により吸収される。したがって、
振幅の小さい地震が発生しても、上部構造の振動は極め
て短時間に減衰し、居住者が地震の発生後、その振動を
感じなくなるまでの時間が極めて短縮される。

一方、大きい地震により、上部構造が大きく振動したと
きには、第１弾塑性部材が塑性変形し、ヒステリシス効
果により、振動エネルギーが吸収され、上部構造の振動
は速やかに減衰される。なお、このとき、第２弾塑性部
材は塑性破壊するが、このような大きな振動を起こす地
震は極めて少ないから実用上問題はない。

〈実施例〉 以下、この発明を図示の実施例により詳細に説明する。

第１図において、１は下部構造、２は上部構造、３は下
部構造１にアンカー４により固定したプレート、５はプ
レート３に固定した円柱状の下取付部材、６は上部構造
２にアンカー７により固定したプレート、８はプレート
６に下取付部材５と同軸に固定した円柱状の上取付部材
である。

上記下取付部材５および上取付部材８の側面には、第１
弾塑性部材としての鋼棒を螺旋状に曲成してなるリング
状弾塑性部材11,11,…の各々の端部を溶接等で固定して
いる。上記リング状弾塑性部材11,11,…は、第1,2図に
示すように、勾配方向を一致させてプロペラの端縁形状
をなすように、すなわち花弁状に配置して、全ての方向
に均等に制動力を与えるようにしている。

一方、上記下取付部材５の上端面および上取付部材８の
下端面には、取付具12,12を固定している。上記取付具1
2は、フランジ部13と円筒部14とからなり、円筒部14の
先端は内周面より末広がりに拡大して、後記する棒状弾
塑性部材を挿入し易くしている。上記フランジ部13,13
はボルト15により上，下取付部材5,8に固定している。
上記取付具備12,12の円筒部14,14には、第２弾塑性部材
としての鉛で形成した太くて真直な棒状弾塑性部材17の
両端を挿入して、棒状弾塑性部材17をその両端が揺動不
可に取り付けている。

弾塑性材料からなる棒体の物性は、弾性領域では、長さ
l,伸び（変形量）Δl,歪ε，応力σ，弾性定数E,断面積
A,作用する力Ｐとすると、 との関係があり、変形量Δｌは から、断面積Ａに反比例し、長さｌに比例する。そし
て、この関係は塑性領域でも指数が変わるだけで成り立
つ。そのため、大きな振幅に対応するために、すなわち
変形量を大きくする性能（変形能）を大きくするために
は、棒体を長くすればよい。

また、大きな外力に耐えるようにするには、断面積Ａを
大きくすればよい。すなわち、太く長い棒体が、大きな
外力に耐え、変形量を大きくすることができる。

このことから、狭い空間に収められるように、長さｌの
長い棒体をリング状にしているリング状弾塑性部材11
は、変形能が大きいことが分かる。一方、棒状弾塑性部
材17は鉛で製作されている。鉛は弾性領域が狭く、塑性
領域が大きい。しかも、棒状弾塑性部材17の形状は断面
積が大きく長さが短いから変形能が小さく、大きな外力
に耐えることができる。

上記構成の免震装置用減衰機構によれば、小さな振幅
（30mm以下）の地震に対しては、リング状弾塑性部材1
1,11,…は弾性領域内の変形をしてエネルギーを吸収す
ることはできないが、棒状弾塑性部材17は塑性域の変形
を行なって、ヒステリシス特性でエネルギーを吸収す
る。したがって、振幅の小さな地震の発生したとき、速
やかに減衰が行なわれ、上部構造２の揺れは速やかに停
止する。したがって、居住者に心理的不安感を与えるこ
とは少ない。なお、棒状弾塑性部材17は、断面積が大き
く、長さが短いため、小さな揺れに対して大きな制動力
を与える。

一方、大きな振幅の地震に対しては、リング状弾塑性部
材11,11,…は鋼棒で製作され、長さが長いため、変形能
が大きく、塑性領域の変形によるヒステリシス特性で大
きな振動エネルギーを吸収できる。したがって、振幅の
大きな地震が発生したとき、速やかに減衰が行なわれ、
上部構造２の揺れは速やかに停止する。なお、この大き
な振幅の振動の場合には、棒状弾塑性部材17は変形能が
小さいため、破壊する。しかし、このような大きな振幅
の地震が発生する頻度は、極めて少ないから、大きな地
震の場合に棒表弾塑性部材17が破壊するようにしても実
際上問題はない。

第３図は上記実施例のリング状弾塑性部材11,棒状弾塑
性部材17およびそれらを組み合わせたものの変形量と水
平力の関係を示す図である。

第４図，第５図は、この実施例の棒状弾塑性部材11を使
った場合と使わない場合との免震ビルの振動特性を示す
ものである。第４図，第５図の実験データは、鋼板等の
剛性板と天然ゴムやネオプレンゴム等の薄い弾性板とを
交互に垂直方向に重ね合わせてなるアイソレータを下部
構造１と上部構造２との間に介設し、リング状弾塑性部
材11のみの減衰機構と、リング状弾塑性部材11と棒状弾
塑性部材17とを有する減衰機構とを大きい地震と小さい
地震との両方について比較したものである。

第４図から、棒状弾塑性部材17を有する場合は、それが
無い場合よりも、大きい地震のときにも小さい地震のと
きにも、加速度が小さくなることが分かる。また、第５
図から棒状弾塑性部材17を有する場合は、それが無い場
合よりも大きい地震のときにも小さい地震のときにも変
位が小さくなることが分かる。

上記実施例の減衰機構では、リング状弾塑性部材11と棒
状弾塑性部材17の端部を夫々取付部材5,8に取り付け、
この取付部材5,8を下部構造１および上部構造に取り付
けるようにしているので、減衰機構の取り付け、取り外
しが容易に行なえる。

第6,7図は第２実施例を示し、この第２実施例は第１弾
塑性部材としてのリング径の大きい大径リング状弾塑性
部材21と第２弾塑性部材としてのリング径の小さい小径
リング状弾塑性部材22を用いたものである。大径リング
状弾塑性部材21の両端の輪環部21a,21aは同一鉛直線上
に配置し上，下の取付部材25,27にボルト31により固定
している。また、小径リング状弾塑性部材22も上下の輪
環部22a,22aを同一直線上に配置して、取付部材25,27の
台部26,28にボルト32,32で固定している。

小径リング状弾塑性部材22は長さが短いため変形能が小
さく、弾性領域が小さく、小さな振幅の振動に対しても
塑性変形して振動エネルギーを吸収する。一方、大径リ
ング状弾塑性部材21は長さが長いため変形能が大きく、
大きい振幅の振動に対し塑性変形して振動エネルギーを
吸収する。

このようにリング径の異なるリング状弾塑性部材21,22
を組み合わせることによって、小さい振動時にも、大き
な振動時にも塑性域の変形を行なって振動エネルギーを
吸収することができる。

上記実施例では第1,第２弾塑性部材を取付部材に連結す
るようにしているが、第1,第２弾塑性部材を別々に分離
して、上，下部構造に取り付けるようにしてもよい。

〈発明の効果〉 以上より明らかなように、この発明の免震装置用減衰機
構は、第１弾塑性部材と第２弾塑性部材とを備え、第１
弾塑性部材が弾性変形している状態で第２弾塑性部材が
塑性変形するようにしているので、小さい振幅の振動に
対しては第２弾塑性部材が塑性変形して振動エネルギー
を吸収でき、大きい振幅の振動に対しては第１弾塑性部
材が塑性変形して振動エネルギーを吸収でき、したがっ
て、大きい地震に対して小さな地震に対しても、速やか
に上部構造を静止させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１実施例の免震装置用減衰機構の
正面図、第２図は第１図のII−II線矢視図、第３図は上
記実施例の変形量−水平力特性図、第４図は地震時の免
震ビルの加速度応答を示す図、第５図は免震ビルの地震
時の変位応答を示す図、第６図はこの発明の第２実施例
の免震装置用減衰機構の正面図、第７図は第６図のVII
−VII線矢視図、第８図は建物の免震構造を示す図であ
る。 11,12…第１弾塑性部材、17,22…第２弾塑性部材、5,8,
25,27…取付部材。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 安倍 勇 大阪府寝屋川市寝屋727―２ (72)発明者 大塚 将 茨城県新治郡桜村吾妻４―16―４ (72)発明者 杉本 博史 茨城県新治郡桜村吾妻４―16―４ (72)発明者 早川 邦夫 茨城県つくば市千現１―18―５ (56)参考文献 特開 昭61−14338（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一端が上部構造に、他端が下部構造に揺動
   不可に取り付けられ、弾塑性部材からなる第１弾塑性部
   材と、 一端が上部構造に、他端が下部構造に揺動不可に取り付
   けられ、弾塑性部材からなり、上記第１弾塑性部材が弾
   性領域内で変形している状態で塑性変形する第２弾塑性
   部材とを備えた免震装置用減衰機構。
2. 【請求項２】円柱形を有すると共に、その一端が上部構
   造に揺動不可に取り付けられる一方他端が下部構造に揺
   動不可に取り付けられた弾塑性部材からなる第２弾塑性
   部材と、 螺旋状を成すと共に、上記第２弾塑性部材の周囲に配列
   されて、その一端が上記上部構造に揺動不可に取り付け
   られる一方他端が上記下部構造に揺動不可に取り付けら
   れた弾塑性部材からなる複数の第１弾塑性部材を備え
   て、 上記第２弾性塑性部材は、上記第１弾塑性部材が弾性領
   域内で変形している状態で塑性変形する弾塑性特性を有
   することを特徴とする免震装置用減衰機構。
3. 【請求項３】螺旋状を成すと共に、その一端が上部構造
   に揺動不可に取り付けられる一方他端が下部構造に揺動
   不可に取り付けられ、弾塑性部材からなる第２弾塑性部
   材と、 螺旋状を成すと共に、軸心に沿った長さが上記第２弾塑
   性部材より長く、上記第２弾塑性部材の周囲に配列され
   て、その一端が上記上部構造に揺動不可に取り付けられ
   る一方他端が上記下部構造に揺動不可に取り付けられた
   弾塑性部材からなる複数の第１弾塑性部材を備えて、 上記第２弾塑性部材は、上記第１弾塑性部材が弾性領域
   内で変形している状態で塑性変形する弾塑性特性を有す
   ることを特徴とする免震装置用減衰機構。