特許 6853713 風ロック機構

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6853713

(24)【登録日】2021年3月16日

(45)【発行日】2021年3月31日

(54)【発明の名称】風ロック機構

(51)【国際特許分類】

   F16F 15/02 20060101AFI20210322BHJP

   F16F 15/04 20060101ALI20210322BHJP

   E04H 9/14 20060101ALI20210322BHJP

   E04H 9/02 20060101ALI20210322BHJP

【ＦＩ】

   F16F15/02 Z

   F16F15/04 P

   E04H9/14 F

   E04H9/02 331A

【請求項の数】1

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2017-65430(P2017-65430)

(22)【出願日】2017年3月29日

(65)【公開番号】特開2018-168897(P2018-168897A)

(43)【公開日】2018年11月1日

【審査請求日】2020年2月27日

(73)【特許権者】

【識別番号】000002299

【氏名又は名称】清水建設株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100149548

【弁理士】

【氏名又は名称】松沼 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100161506

【弁理士】

【氏名又は名称】川渕 健一

(74)【代理人】

【識別番号】100161207

【弁理士】

【氏名又は名称】西澤 和純

(74)【代理人】

【識別番号】100064908

【弁理士】

【氏名又は名称】志賀 正武

(74)【代理人】

【識別番号】100108578

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 詔男

(74)【代理人】

【識別番号】100146835

【弁理士】

【氏名又は名称】佐伯 義文

(72)【発明者】

【氏名】牛坂 伸也

【審査官】 鵜飼 博人

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−１７２５１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６１−２３７７７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開平０１−０５０５４９（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２００４−０６８４５３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ１６Ｆ １５／００− １５／３６

Ｅ０４Ｈ ９／００− ９／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

上部構造と下部構造の間の免震層に免震装置と並列に設けられる風ロック機構であって、
前記上部構造と前記下部構造の間に直列配置される風ロック機構本体部と弾性バネ部を備えて構成されるとともに、
前記風ロック機構本体部が、上下方向に伸縮するバネを有する軸バネ装置と、
軸線方向を上下方向に配し、下端部側を前記軸バネ装置を介して前記下部構造に接続しつつ前記軸バネ装置によって上方に付勢して配設される軸材と、
下端部が前記軸材の上端部にピン結合され、前記軸バネ装置の圧縮状態とされたバネの付勢力が前記軸材を通じて作用することで上端部を前記弾性バネ部を介して前記上部構造に押圧して配設される束材とを備えて構成され、
前記弾性バネ部に前記束材の上端部が嵌合する嵌合凹部が設けられ、
前記下部構造に対して前記上部構造が相対変位し、前記上部構造に従動して前記束材が前記軸材に対して所定の角度で傾動するとともに前記束材の上端部の嵌合状態が解除されるように構成されていることを特徴とする風ロック機構。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、例えば、建物の免震層に免震装置とともに設けられ、風荷重の作用時に免震装置を不動制御するための風ロック機構に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば中高層建物が巨大地震を受けると、建物の最弱層に損傷が生じて耐力が低下し始め、この層に地震エネルギー（振動エネルギー）が集中して層崩壊が生じ、他の層は健全性が確保されているにもかかわらず、層崩壊モードによって建物が崩壊に至るという現象が発生する。また、崩壊に至らない場合においても、最弱層の被害が甚大となり、補修による復旧が困難になる。

【0003】

これに対し、周知の通り、オフィスビルや公共施設、集合住宅などの建物には、建物本体と基礎の間など、上部構造体と下部構造体の間の免震層に積層ゴムなどの免震装置を介設し、地震時に、上部構造体の固有周期を地震動の卓越周期帯域から長周期側にずらし、応答加速度を小さくして揺れを抑えるようにしたものがある。

【0004】

一方、免震層を備えた免震建物は、免震層の剛性を限りなく小さくして長周期化するほど、大きな地震時応答低減効果を得られるが、免震層の剛性が小さすぎると（免震層が柔らかすぎると）、強風時など、風荷重によって建物が揺れ易くなってしまう。

【0005】

このため、通常の免震建物／免震設計では、鉛プラグ入り積層ゴムの免震装置を用いたり、鉛ダンパーや鋼材系ダンパーなどを天然ゴム系積層ゴムの免震装置と併用するなどし、その降伏耐力を免震層に作用する風荷重よりも大きくすることによって、強風時の揺れを回避するようにしている。

【0006】

しかしながら、鉛プラグ入り積層ゴムを用いたり、ダンパーを免震装置と併用することにより免震層の降伏耐力を大きくする対策は、当然、その等価剛性を大きくすることを意味し、免震建物の長周期化に相反するため、地震時応答低減効果の低減を招く。

【0007】

これに対し、強風（または中小地震）時に免震層を変形させないようにし、且つ、等価剛性を大きくし過ぎず、長周期化による大地震時の応答低減効果を阻害しないようにするための風ロック機構が提案、実用化されている（例えば、特許文献１参照）。

【0008】

具体的に、風荷重よりも大きな設定荷重が作用すると、せん断力で破断するシアピンによって免震建物の下部構造と上部構造を締結し、風荷重作用時に上部構造の移動を拘束する機構（シアピンによる風ロック機構）や、風や地震などの外力をセンサーで検知し、外力の大きさに応じてオイルダンパーの減衰係数をアクティブ制御するもの（アクティブ制御型風ロック機構付きオイルダンパー）、台風の接近／通過等に応じて手動で抜き差しするシアピン（ロックピン）をオイルダンパーに設けたもの（パッシブ型風ロック機構付きオイルダンパー）などが提案、実用化されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特開２００４−１７６５２５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

しかしながら、シアピンによる風ロック機構（及びパッシブ型風ロック機構付きオイルダンパー）においては、ロック荷重に達するまでは極めて剛に近い初期剛性を有している。

【0011】

このため、ロック荷重以下、すなわちロックが解除されない範囲で作用する中小地震などの地動入力加速度については、機構を介して上部建物側へ加速度が直接伝わってしまい、風ロック機構が無い場合と比べて応答を増加させてしまうケースがあった。また、大地震においてもロックが解除されるまでの間は同様に加速度を直接伝えてしまうため、特に装置を設置した直上階及びその上部数層では応答が増加する傾向にあった。

【0012】

さらに、シアピンによる風ロック機構においては、シアピンのせん断破壊によるロック解除時に、瞬間的に荷重が解放されることから、その荷重が建物の上部構造側に衝撃荷重として伝わり、応答加速度が瞬間的に大きくなるという問題がある。

【0013】

また、パッシブ型風ロック機構付きオイルダンパーにおいても同様に、手動でロック機能のオン・オフ切替が必要であり、この作業を状況に応じて必ず行えるかという点で疑問が残る。

【0014】

アクティブ制御型風ロック機構付きオイルダンパーにおいては、万が一故障した場合に風ロック機能が全く発揮されない。このため、電気部品の長期耐久性や信頼性等の観点から万が一故障した場合を想定し、それが作動しないフェールセーフ状態で設計することが必要になる。

【0015】

上記事情に鑑み、本発明は、風荷重時には下部構造と上部構造とを移動を好適に制御し、地震時には移動制御状態を解除して免震効果を、従来より確実且つ効果的に発揮させることを可能にする風ロック機構を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0016】

上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。

【0017】

本発明の風ロック機構は、上部構造と下部構造の間の免震層に免震装置と並列に設けられる風ロック機構であって、前記上部構造と前記下部構造の間に直列配置される風ロック機構本体部と弾性バネ部を備えて構成されるとともに、前記風ロック機構本体部が、上下方向に伸縮するバネを有する軸バネ装置と、軸線方向を上下方向に配し、下端部側を前記軸バネ装置を介して前記下部構造に接続しつつ前記軸バネ装置によって上方に付勢して配設される軸材と、下端部が前記軸材の上端部にピン結合され、前記軸バネ装置の圧縮状態とされたバネの付勢力が前記軸材を通じて作用することで上端部を前記弾性バネ部を介して前記上部構造に押圧して配設される束材とを備えて構成され、前記弾性バネ部に前記束材の上端部が嵌合する嵌合凹部が設けられ、前記下部構造に対して前記上部構造が相対変位し、前記上部構造に従動して前記束材が前記軸材に対して所定の角度で傾動するとともに前記束材の上端部の嵌合状態が解除されるように構成されていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0019】

本発明の風ロック機構によれば、上部構造と下部構造の間の免震層に設けることにより、外部電力を使わずに上部構造の拘束や解除を自動的に行うことができ、風荷重時には上部構造と下部構造を移動を好適に制御し、地震時には移動制御状態を好適に解除して上部構造に対する免震効果を、従来より確実且つ効果的に発揮させることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明の一実施形態に係る風ロック機構を示す図である。

【図2】本発明の一実施形態に係る風ロック機構の動作の説明で用いた図である。

【図3】本発明の一実施形態に係る風ロック機構の要素モデルを示す図である。

【図4】各要素モデルの荷重変形関係を示す図である。

【図5】各風揺れ抑制要素を含む免震層の荷重変形関係を示す図である。

【図6】各風ロック機構の荷重変形関係を示す図である。

【図7】各風ロック機構を備えた場合の絶対加速度応答値を示す図である。

【図8】各風ロック機構を備えた場合の免震層直上階加速度時刻歴波形を示す図である。

【図9】各風ロック機構を備えた場合の免震層の層間変形時刻歴波形を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、図１から図９を参照し、本発明の一実施形態に係る風ロック機構について説明する。

【0022】

本実施形態の風ロック機構（風ロック装置）Ａは、図１に示すように、建物本体と基礎の間など、上部構造１と下部構造２の間の免震層３に積層ゴムなどの免震装置（不図示）と並列に設けられている。

【0023】

そして、この風ロック機構Ａは、強風時または中小地震時に、免震層３を変形させないようにし、すなわち、強風時または中小地震時に下部構造２に対して上部構造１を相対変位させないように移動拘束し、大地震時に、移動拘束を解除して免震装置による上部構造１の免震性能を発揮させるように、すなわち、大地震時に長周期化による上部構造１の応答低減効果を発揮させるように構成されている。

【0024】

具体的に、本実施形態の風ロック機構Ａは、風ロック機構本体部４と弾性バネ部５とを直列に連結して構成されている。また、本実施形態の弾性バネ部４は、免震装置などとして多用される積層ゴム体が採用されている。なお、弾性バネ部４は後述の作用効果を得ることが可能であれば、必ずしも積層ゴム体でなくてもよい。

【0025】

そして、本実施形態の風ロック機構Ａは、上端部を上部構造１の下面に強固に固着して弾性バネ部５が配設され、この弾性バネ部５の下面と下部構造２の上面の間に風ロック機構本体部４を配設して構成されている。

【0026】

風ロック機構本体部４は、上下方向に伸縮するバネ６ａを備えた軸バネ装置６と、軸線方向を上下方向に配し、下端部側を軸バネ装置６を介して下部構造２に接続しつつ軸バネ装置６によって上方に付勢して配設される軸材７、下端部が軸材７の上端部にピン結合部８を介してピン結合され、軸バネ装置６の圧縮状態とされたバネ６ａの付勢力が軸材７を通じて作用することで上端部を弾性バネ部５を介して上部構造１に接続するように配設される束材９とが主な構成要素とされている。

【0027】

本実施形態では、軸材７及び束材９がそれぞれ鋼製の柱状部材とされ、ピン結合部８がボールジョイント（球面軸受及び球面座）によって構成されている。なお、ピン結合部８は、軸材７の上下方向に延びる軸線に対して束材９の軸線が所定の角度（本実施形態では４５°程度）で自在に回動／傾斜可能に軸材７と束材９を接続できれば、特にその構成を限定する必要はない。例えば、ボールジョイントに替えて、自在継手をピン結合部８に採用してもよい。

【0028】

また、弾性バネ部５の積層ゴム体の下面には、図１及び図２に示すように、束材９がその軸線を軸材７の軸線と同軸上に配した状態、すなわち、束材９が傾斜せずに軸材７の上方に軸線方向を上下方向に配して設けられている状態で、軸バネ装置６の付勢力によって弾性バネ部５の下面側に押圧される束材９の上端部９ａが嵌合し、束材９を保持する嵌合凹部１０が設けられている。

【0029】

この嵌合凹部１０は、下部構造２に対して上部構造１が相対変位し、束材９が軸材７に対して所定の角度で傾動するとともに束材９の上端部９ａの嵌合状態が解除されるように形成されている。

【0030】

また、嵌合凹部１０は、下部構造２に対する上部構造１の相対変位量が所定の量以下の範囲にある場合に、軸バネ装置６の付勢力によって束材９の上端部９ａが嵌合凹部１０を、弾性バネ部５の積層ゴム体の変形を制御しつつ下部構造２に対して上部構造１を元の位置に戻す方向に押圧するように（言い換えれば、原点復帰させるように）形成されている。

【0031】

そして、下部構造２に対する上部構造１の相対変位量（免震層３の変形量）が、束材の径と積層ゴム体の変形量から決まる所定量を超えると、完全に束材８の傾斜復元力が失われ、この段階で風ロック機構Ａの作用が解除されるように構成されている。

【0032】

これにより、本実施形態の風ロック機構Ａは、免震層３の変形に依存したパッシブ型のロック解除機構を備えたものとなり、免震層３の変形が上記の所定量を超えない範囲においては常に復元力が生じる非線形弾性としての復元力特性を有し、それ以下の変形では原位置に戻るように押圧され、残留変形が生じないように構成されることになる。

【0033】

より具体的に、まず、図２（ａ）から図２（ｄ）は本実施形態の風ロック機構Ａの作動原理を示している。図２（ａ）は初期状態、図２（ｂ）は小変形の状態（積層ゴム体５のみが変形した状態）、図２（ｃ）は中変形の状態（積層ゴム体５の変形と束材９の傾斜変形が生じた状態）、図２（ｄ）は大変形の状態（ロック解除に至った状態）を示している。

【0034】

ここで、弾性バネ部（積層ゴム体）５がない傾斜復元風ロック機構の初期状態におけるロック荷重Ｐ_ｈはＰ_ｈ＝Ｐ_ｖ×ｂ／ｈで表すことができる。なお、Ｐ_ｈはロック荷重、ｂは束材９の半径（１／２幅）、ｈは束材９の高さ、Ｐ_ｖは束材９の鉛直方向の押圧力である。

【0035】

図３は、本実施形態の弾性バネ付き傾斜復元風ロック機構Ａの簡易要素モデルを示している。ここで、Ｋ_ｇは弾性バネ部（積層ゴム体）５の剛性、Ｋ_ｖは束材９に押圧力を与えるバネ６ａ（皿バネ）剛性を表している。

【0036】

このモデル及び表１のパラメータを用いて風ロック機構Ａの荷重変形関係を求めた結果が図４である。
このとき、バネ６ａは線形バネとしている（線形皿バネ６ａ＋積層ゴム体５）。また、比較として、弾性バネ部５がない傾斜復元風ロック機構において、非線形領域で皿バネを使用することにより軸力を一定とした場合（軸力一定皿バネ）、及び線形領域で皿バネを使用した場合（線形皿バネ）の荷重変形関係についても併せて示している。

【0037】

【表1】

【0038】

さらに、この例での弾性バネ部５として作用する積層ゴム体の剛性は、免震層３の他の天然ゴム系積層ゴム支承よりも高剛性となるよう、ゴム径φ５００、せん断弾性率Ｇ８（０．８Ｎ／ｍｍ^２）で、ゴム層厚１５ｍｍ程度を想定した。

【0039】

表１、図２、図４に示すように、軸力一定皿バネ、及び線形皿バネを使用した傾斜復元風ロック機構の荷重変形関係が初期状態から最大の水平抵抗力（３９０ｋＮ）を発揮するのに対して、本実施形態の弾性バネ付き傾斜復元力風ロック機構Ａの荷重変形は、図２（ａ）の初期状態からロック荷重に達するまでは図２（ｂ）の積層ゴム体５の弾性変形が先行する。そこから図２（ｃ）のように束材９が傾斜することで水平抵抗力が減少して行く。このとき、線形皿バネを使用している場合は弧を描くように減少する。最終的に図２（ｄ）でロック解除となり水平抵抗力（復元力）を失う。

【0040】

ここで、図５は、天然ゴム系積層ゴムからなる免震層３に風揺れを抑制する目的で４種（鉛プラグ、シアピン、傾斜復元風ロック機構、本実施形態の弾性バネ付傾斜復元風ロック機構Ａ）の要素を付加した各ケースの免震層３の荷重変形関係を示している。なお、鉛プラグ及びシアピンの降伏荷重は４０００ｋＮとし、傾斜復元風ロック機構及び弾性バネ付傾斜復元風ロックＡのロック解除荷重は３９００ｋＮ（表１の１０台分）としている。

【0041】

天然ゴムのみからなる免震層剛性Ｋ_ｅ（＝４０ｋＮ／ｍｍ）に対する本発明の弾性ゴム付傾斜復元風ロック機構Ａを付加したケースの免震層初期剛性Ｋ_ｂ（＝１４０ｋＮ／ｍｍ）は３．５倍である。

【0042】

すなわち、ロック荷重の範囲内であれば、同一の風荷重に対して免震層３の変形（揺れ幅）を１／３．５に低減できることになる。なお、勿論、弾性バネ部５の剛性の選定によって任意の初期剛性Ｋ_ｂを得ることが可能である。設計者がより風荷重による変形を抑制したい場合にはこれを硬く設定し、風変形抑制は程々で地震力をより低減したい場合は柔らかく設定することで対応できる。

【0043】

次に、本実施形態の風ロック機構Ａの優位性を検証するために、ケース１：風ロック機構なし、ケース２：傾斜復元風ロック（軸力一定皿バネ）、ケース３：本発明に係る積層ゴム付き傾斜復元風ロック機構（軸力一定皿バネ）Ａの３ケースについて多質点系の等価せん断バネモデル（表２）を対象に地震応答解析を行い、応答加速度及び免震層変形を比較した。

【0044】

【表2】

【0045】

図６は、応答解析結果であり、ケース２及びケース３の風ロック機構の荷重変形関係を示している。これにより、本発明の風ロック機構Ａであるケース３の初期剛性はケース２と比較して低くなることが確認された。

【0046】

次に、図７は、最大の絶対加速度応答値を示している。
ケース１の風ロック機構なしと比較し、ケース２の傾斜復元風ロック機構は免震層３の直上より数層で加速度が２．０ｍ／ｓ^２を超えており、全層にわたってケース１よりも応答加速度が大きく、概ね１．５倍に応答が増加している。これに対し、ケース３の積層ゴム付き傾斜復元風ロック機構（本発明）Ａにおいては、数パーセントの応答増加はあるものの風ロック機構が無い状態とほぼ同等の応答加速度となることが確認された。

【0047】

次に、図８は、免震層３の直上（頂部）の加速度時刻歴波形を示している。
この図８から、本発明に係るケース３はロック解除までに応答の増加が無いことが確認された。

【0048】

次に、図９は免震層３の層間変形時刻歴波形を示している。
ケース１の風ロック機構なしと比べ、ケース２及びケース３はロック解除まで変形が抑制されることが確認された。特に、２〜６秒の間で顕著な変形抑制効果が確認された。

【0049】

また、ケース２と本発明のケース３を比較すると、弾性バネ部５を直列に接続した場合でも優れた変形抑制効果が得られることが確認された。

【0050】

これにより、弾性バネ部５を傾斜復元風ロック機構本体部４に直列接続することにより、応答加速度の増加抑制に効果的であることに加え、免震層３の変形抑制にも効果を発揮することが実証された。

【0051】

したがって、本実施形態の風ロック機構Ａにおいては、風荷重などの外力に対して免震層３の変形抑制効果を保持しながら、中小地震ならびに大地震時の応答加速度の増加を、従来より効果的に抑制することが可能になる。

【0052】

よって、本実施形態の風ロック機構Ａによれば、上部構造１と下部構造２の間の免震層３に設けることにより、外部電力を使わずに上部構造１の拘束や解除を自動的に行うことができ、風荷重時には上部構造１と下部構造２を移動好適に制御し、地震時には移動制御状態を解除し上部構造に対する免震効果を、従来より確実且つ効果的に発揮させることが可能になる。

【0053】

以上、本発明に係る風ロック機構の一実施形態について説明したが、本発明は上記の一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。

【符号の説明】

【0054】

１ 上部構造
２ 下部構造
３ 免震層
４ 風ロック機構本体部
５ 弾性バネ部（積層ゴム体）
６ 軸バネ装置
６ａ バネ
７ 軸材
８ ピン結合部
９ 束材
９ａ 上端部
１０ 嵌合凹部
Ａ 風ロック機構

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】