(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】
(24)【登録日】2023-10-18
(45)【発行日】2023-10-26
(54)【発明の名称】免震建物およびその設計方法
(51)【国際特許分類】
E04H 9/02 20060101AFI20231019BHJP
F16F 15/04 20060101ALI20231019BHJP
F16F 1/40 20060101ALI20231019BHJP
【ＦＩ】
E04H9/02 331A
E04H9/02 331E
F16F15/04 P
F16F1/40
【請求項の数】
3
(21)【出願番号】P 2020117013
(22)【出願日】2020-07-07
(65)【公開番号】P2022014608
(43)【公開日】2022-01-20
【審査請求日】2022-08-30
(73)【特許権者】
【識別番号】000206211
【氏名又は名称】大成建設株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100124084
【弁理士】
【氏名又は名称】黒岩 久人
(72)【発明者】
【氏名】金井 佳吾
(72)【発明者】
【氏名】木村 雄一
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 涼平
(72)【発明者】
【氏名】欄木 龍大
(72)【発明者】
【氏名】大和 伸行
【審査官】沖原 有里奈
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１７－００９０６３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－２０３２９７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０８－１２０９７３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０００－３１００５８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－２１０３０８（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｅ０４Ｈ ９／００－９／１６
Ｆ１６Ｆ １５／００－１５／３６
Ｆ１６Ｆ １／００－６／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
積層ゴムを用いた積層ゴム支承および／または弾性すべり支承で支持される免震建物の設計方法であって、前記積層ゴムの圧縮軸力と圧縮変位との関係を非線形関数として前記免震建物の解析モデルを生成し、前記解析モデルを用いて振動解析を行うことで、前記免震建物を設計することを特徴とする免震建物の設計方法。
【請求項2】
積層ゴムを用いた積層ゴム支承および／または弾性すべり支承で支持される免震建物の設計方法であって、前記免震建物は、下部構造体と、前記下部構造体の上に設けられた前記積層ゴム支承または前記弾性すべり支承を含む免震層と、前記免震層の上に設けられた上部構造体と、を備え、
前記免震建物の解析モデルを生成し、前記積層ゴムの圧縮軸力と圧縮変位との関係を非線形関数として、前記解析モデルに水平方向および上下方向の地震力を入力して応答を求める解析工程と、
前記下部構造体および前記上部構造体の応答加速度および応答変位量が、それぞれ、所定の閾値を下回るか否かを判定し、この判定が肯定的である場合には、次の工程に移り、否定的である場合には、前記免震建物の設計を変更して前記解析工程に戻る第１の検証工程と、
前記免震層を構成する積層ゴムのせん断変形量、上下変形量、および免震支承の面圧のうち少なくとも１つの応答値が、それぞれ、所定の閾値を下回るか否かを判定し、この判定が肯定的である場合には、設計を終了し、否定的である場合には、前記免震建物の設計を変更して前記解析工程に戻る第２の検証工程と、を備えることを特徴とする免震建物の設計方法。
【請求項3】
積層ゴムを用いた積層ゴム支承および／または弾性すべり支承で支持される免震建物であって、
前記積層ゴムの圧縮剛性が非線形関数で決定されて、前記積層ゴム支承および／または前記弾性すべり支承の浮き上がりが許容されていることを特徴とする免震建物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、積層ゴム支承や弾性すべり支承で支持される免震建物およびその設計方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来より、弾性すべり支承を免震支承として用いた免震建物がある。この弾性すべり支承は、すべり板の上を積層ゴムが水平方向に摺動する構造であり、柱の軸力によって生じる積層ゴムとすべり板との摩擦力により地震エネルギーを吸収する。この弾性すべり支承は、軸力変動の小さい中柱の直下に配置されることが多く、従来では、弾性すべり支承の浮き上がりは許容されていなかった。また、免震建物を設計する際、弾性すべり支承の積層ゴムの圧縮剛性（圧縮軸力と圧縮変位との関係）は、直線で近似して用いていた。
ところで、近年、板状のマンションのような平面視で所定方向に長い建物にも、弾性すべり支承を設ける場合がある。また、想定される地震力が増大傾向にあり、水平方向の揺れに加えて、上下方向の揺れが想定されている。このような場合、弾性すべり支承に大きな引き抜き力が作用して、実際の免震建物の挙動が設計と大きく異なるおそれがあった。
ところで、近年、板状のマンションのような平面視で所定方向に長い建物にも、弾性すべり支承を設ける場合がある。また、想定される地震力が増大傾向にあり、水平方向の揺れに加えて、上下方向の揺れが想定されている。このような場合、弾性すべり支承に大きな引き抜き力が作用して、実際の免震建物の挙動が設計と大きく異なるおそれがあった。
【0003】
特許文献１には、建物に適用される免震構造を設計する方法が示されている。建物は、上部構造物、下部構造物、および免震構造を備えている。上部構造物は、第１の質量要素、第２の質量要素、および上部弾性要素を含んでいる。免震構造は、下部弾性要素、慣性質量要素、および粘弾性要素を含んでいる。この免震構造の設計方法は、下部弾性要素の弾性係数、連結弾性要素の弾性係数、および上部構造物の第１の質量要素の質量を含む第１の関数を利用して、連結減衰要素の減衰係数を得るステップと、下部弾性要素の弾性係数および連結弾性要素の弾性係数を利用して、第１の等価弾性係数を得るステップと、第１の質量要素の質量、第２の質量要素の質量、第１の等価弾性係数、および上部弾性要素の弾性係数を含む第２の関数を利用して、慣性質量要素の質量を得るステップと、を有する。
特許文献２には、上下部構造の一方に固定された帯板状のすべり板と、上下部構造の他方に固定された積層ゴム支承部材とを備えた免震装置が示されている。積層ゴム支承部材とすべり板との間には、すべり材が介装されている。
特許文献２には、上下部構造の一方に固定された帯板状のすべり板と、上下部構造の他方に固定された積層ゴム支承部材とを備えた免震装置が示されている。積層ゴム支承部材とすべり板との間には、すべり材が介装されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２０１７－２０３２９７号公報
【文献】特許第３９４１２５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明は、信頼性の高い免震建物の設計方法、および、この設計方法で設計された免震建物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】
【0006】
本発明者らは、信頼性の高い免震建物の設計方法として、免震建物の解析モデルを生成する際、積層ゴム支承や弾性すべり支承を構成する積層ゴムの圧縮剛性を実大試験体の実験結果に基づいた非線形関数とし、この解析モデルを用いて振動解析を行って、建物および積層ゴムのそれぞれの応答値が閾値を下回るようにすることで、積層ゴム支承や弾性すべり支承の浮き上がりを許容した免震建物が構築可能となる点に着眼して、本発明に至った。
第１の発明の免震建物の設計方法は、積層ゴム（例えば、後述の積層ゴム２２）を用いた積層ゴム支承（例えば、後述の積層ゴム支承２０）および／または弾性すべり支承（例えば、後述の弾性すべり支承２１）で支持される免震建物（例えば、後述の免震建物１）の設計方法であって、前記積層ゴムの圧縮軸力と圧縮変位との関係を非線形関数として前記免震建物の解析モデルを生成し、前記解析モデルを用いて振動解析を行うことで、前記免震建物を設計することを特徴とする。
第１の発明の免震建物の設計方法は、積層ゴム（例えば、後述の積層ゴム２２）を用いた積層ゴム支承（例えば、後述の積層ゴム支承２０）および／または弾性すべり支承（例えば、後述の弾性すべり支承２１）で支持される免震建物（例えば、後述の免震建物１）の設計方法であって、前記積層ゴムの圧縮軸力と圧縮変位との関係を非線形関数として前記免震建物の解析モデルを生成し、前記解析モデルを用いて振動解析を行うことで、前記免震建物を設計することを特徴とする。
【0007】
第２の発明の免震建物の設計方法は、積層ゴム（例えば、後述の積層ゴム２２）を用いた積層ゴム支承（例えば、後述の積層ゴム支承２０）および／または弾性すべり支承（例えば、後述の弾性すべり支承２１）で支持される免震建物（例えば、後述の免震建物１）の設計方法であって、前記免震建物は、下部構造体（例えば、後述の下部構造体１０）と、前記下部構造体の上に設けられた前記積層ゴム支承または前記弾性すべり支承を含む免震層（例えば、後述の免震層１１）と、前記免震層の上に設けられた上部構造体（例えば、後述の上部構造体１２）と、を備え、前記免震建物の解析モデル（多質点系モデル、立体骨組モデル）を生成し、前記積層ゴムの圧縮軸力と圧縮変位との関係を非線形関数として、前記解析モデルに水平方向および上下方向の地震力を入力して応答を求める解析工程（例えば、後述のステップＳ１、Ｓ２）と、前記下部構造体および前記上部構造体の応答加速度および応答変位量が、それぞれ、所定の閾値を下回るか否かを判定し、この判定が肯定的である場合には、次の工程に移り、否定的である場合には、前記免震建物の設計を変更して前記解析工程に戻る第１の検証工程（例えば、後述のステップＳ３、Ｓ５）と、前記免震層を構成する積層ゴムのせん断変形量、上下変形量、および免震支承の面圧のうち少なくとも１つの応答値が、それぞれ、所定の閾値を下回るか否かを判定し、この判定が肯定的である場合には、設計を終了し、否定的である場合には、前記免震建物の設計を変更して前記解析工程に戻る第２の検証工程（例えば、後述のステップＳ４、Ｓ６）と、を備えることを特徴とする。
【0008】
免震建物を設計する際には、この免震建物に設置される積層ゴム支承や弾性すべり支承などの免震支承をモデル化して、振動解析を行っている。従来では、この振動解析において、免震支承の積層ゴムの圧縮軸力と圧縮変位との関係を表わす圧縮剛性（勾配）を、積層ゴムの加力試験で得られる圧縮剛性よりも大きく設定していた（例えば、日本建築学会：免震構造設計指針、ｐｐ．２５～ｐｐ．３１、２００１年９月１０日、第３版）。つまり、実際の弾性すべり支承では、地震発生前の建物自重のみが作用している状態で、積層ゴムの圧縮変位量が従来の設計方法による想定値よりも大きく、一定量沈下した状態となっている（つまり、柱の軸力により大きく潰れている）。よって、実際は、弾性すべり支承に浮き上がりが作用した際、振動解析による想定値以上沈下しているため、浮き上がり現象は起きないが、振動解析上では大きく浮き上がることとなっている場合があった。そのため、従来では、免震支承が浮き上がる場合は、免震計画を検討し直す必要があった。具体的には、免震支承に引張力が作用する場合には、引き抜き力を緩和するために引き抜き対応型免震支承を設けていた。
そこで、第１および第２の発明によれば、振動解析において、免震層を構成する積層ゴムの圧縮剛性を非線形関数とした。これにより、地震時の免震支承の挙動について、浮き上がりも考慮した実態に近い解析を行うことができ、免震支承の個数を適正化して、信頼性の高い免震建物を設計できる。
そこで、第１および第２の発明によれば、振動解析において、免震層を構成する積層ゴムの圧縮剛性を非線形関数とした。これにより、地震時の免震支承の挙動について、浮き上がりも考慮した実態に近い解析を行うことができ、免震支承の個数を適正化して、信頼性の高い免震建物を設計できる。
【0009】
第３の発明の免震建物の設計方法は、前記積層ゴムの圧縮軸力と圧縮変位との関係を示す非線形関数は、実大試験体を用いた試験結果あるいはシミュレーション解析の解析結果に近似した多折れ線または曲線であることを特徴とする。
【0010】
この発明によれば、積層ゴムの圧縮軸力と圧縮変位との関係を示す非線形関数を、積層ゴムの実大試験体の試験結果あるいはシミュレーション解析の解析結果に近似した多折れ線または曲線としたので、免震建物の設計における信頼性をより向上できる。
【0011】
第４の発明の免震建物は、上述の免震建物の設計方法により設計されたことを特徴とする。
この発明によれば、信頼性の高い免震建物を構築できる。
この発明によれば、信頼性の高い免震建物を構築できる。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、信頼性の高い免震建物の設計方法、および、この設計方法で設計された免震建物を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】本発明の一実施形態に係る免震支承の設計方法により設計される免震建物の縦断面図である。
【図2】免震建物に用いられる積層ゴム支承および弾性すべり支承の側面図である。
【図3】免震建物の設計方法のフローチャートである。
【図4】積層ゴム支承および弾性すべり支承を構成する積層ゴムの解析モデルに設定した圧縮剛性を示す図である。
【図5】本発明の実施例である免震建物の軸組および免震支承の配置を示す図である。
【図6】実施例の弾性すべり支承をモデル化した図である。
【図7】実施例の弾性すべり支承の解析モデルのせん断ばねに設定した面圧と摩擦係数との関係を示す図である。
【図8】実施例の弾性すべり支承の解析モデルのせん断ばねに設定した面圧とせん断力との関係を示す図である。
【図9】実施例の弾性すべり支承の解析モデルの非線形鉛直ばねに設定した圧縮剛性を示す図である。
【図10】実施例の積層ゴム支承（φ１２００）の解析モデルに設定した圧縮剛性を示す図である。
【図11】実施例の積層ゴム支承（φ１１００）の解析モデルに設定した圧縮剛性を示す図である。
【図12】実施例の弾性すべり支承および積層ゴム支承の圧縮剛性を比較した図である。
【図13】実施例の免震建物の振動解析結果（弾性すべり支承の圧縮変位および面圧の時刻歴応答結果）を示す図（その１）である。
【図14】実施例の免震建物の振動解析結果（弾性すべり支承の圧縮変位および面圧の時刻歴応答結果）を示す図（その２）である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
本発明は、積層ゴムの圧縮剛性を実大試験体の実験結果に基づいた非線形関数として、免震建物の解析モデルを生成し、この解析モデルを用いて振動解析を行う、免震建物の設計方法、およびその設計方法により設計した免震建物である。
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る免震建物の設計方法により設計される免震建物１の縦断面図である。
免震建物１は、下部構造体１０と、下部構造体１０の上に設けられた積層ゴム支承２０および弾性すべり支承２１を含む免震層１１と、免震層１１の上に設けられた上部構造体１２と、を備える。積層ゴム支承２０は、免震建物１の外周部の柱１３の直下に配置され、弾性すべり支承２１は、免震建物１の内周部の柱１３の直下に配置されている（図２（ａ）、（ｂ）参照）。以降、積層ゴム支承２０および弾性すべり支承２１を、まとめて免震支承と呼ぶ。
図２（ａ）は、積層ゴム支承２０の側面図であり、図２（ｂ）は、弾性すべり支承２１の側面図である。
積層ゴム支承２０は、積層ゴム２２単体で構成されている。積層ゴム２２は、下部構造体１０の上に固定された下フランジ３０と、この下フランジ３０の上に設けられてゴムと鋼板とを交互に積層して構成された積層ゴム本体３１と、積層ゴム本体３１の上に設けられて上部構造体１２に固定された上フランジ３２と、を備える。
弾性すべり支承２１は、下部構造体１０の上に固定されたすべり板２３と、このすべり板２３の上に摺動可能に設けられて上部構造体１２を支持する積層ゴム２２と、を備える。この弾性すべり支承２１では、柱１３の軸力を受ける積層ゴム２２がすべり板２３上を摺動することで、地震エネルギーを吸収する。
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る免震建物の設計方法により設計される免震建物１の縦断面図である。
免震建物１は、下部構造体１０と、下部構造体１０の上に設けられた積層ゴム支承２０および弾性すべり支承２１を含む免震層１１と、免震層１１の上に設けられた上部構造体１２と、を備える。積層ゴム支承２０は、免震建物１の外周部の柱１３の直下に配置され、弾性すべり支承２１は、免震建物１の内周部の柱１３の直下に配置されている（図２（ａ）、（ｂ）参照）。以降、積層ゴム支承２０および弾性すべり支承２１を、まとめて免震支承と呼ぶ。
図２（ａ）は、積層ゴム支承２０の側面図であり、図２（ｂ）は、弾性すべり支承２１の側面図である。
積層ゴム支承２０は、積層ゴム２２単体で構成されている。積層ゴム２２は、下部構造体１０の上に固定された下フランジ３０と、この下フランジ３０の上に設けられてゴムと鋼板とを交互に積層して構成された積層ゴム本体３１と、積層ゴム本体３１の上に設けられて上部構造体１２に固定された上フランジ３２と、を備える。
弾性すべり支承２１は、下部構造体１０の上に固定されたすべり板２３と、このすべり板２３の上に摺動可能に設けられて上部構造体１２を支持する積層ゴム２２と、を備える。この弾性すべり支承２１では、柱１３の軸力を受ける積層ゴム２２がすべり板２３上を摺動することで、地震エネルギーを吸収する。
【0015】
図３は、免震建物１の設計方法のフローチャートである。
ステップＳ１では、三次元仮想空間上に免震建物１の解析モデル（多質点系モデル、立体骨組モデル）を生成する。
ステップＳ２では、生成した解析モデルに水平方向および上下方向の地震力を入力して応答を求める。このとき、図４に示すように、従来の設計方法では、積層ゴム支承２０および弾性すべり支承２１の積層ゴム２２の圧縮剛性（圧縮軸力と圧縮変位との関係）が線形であったが、本発明では非線形とする。
ステップＳ３では、下部構造体１０および上部構造体１２の応答加速度および応答変位量が、それぞれ、所定の閾値を下回るか否かを判定する。この判定がＹｅｓ（肯定的）である場合には、次のステップＳ４に移り、Ｎｏ（否定的）である場合には、ステップＳ５に移る。
ステップＳ１では、三次元仮想空間上に免震建物１の解析モデル（多質点系モデル、立体骨組モデル）を生成する。
ステップＳ２では、生成した解析モデルに水平方向および上下方向の地震力を入力して応答を求める。このとき、図４に示すように、従来の設計方法では、積層ゴム支承２０および弾性すべり支承２１の積層ゴム２２の圧縮剛性（圧縮軸力と圧縮変位との関係）が線形であったが、本発明では非線形とする。
ステップＳ３では、下部構造体１０および上部構造体１２の応答加速度および応答変位量が、それぞれ、所定の閾値を下回るか否かを判定する。この判定がＹｅｓ（肯定的）である場合には、次のステップＳ４に移り、Ｎｏ（否定的）である場合には、ステップＳ５に移る。
【0016】
ステップＳ５では、免震建物１の設計を変更して、ステップＳ１に戻る。
ステップＳ４では、積層ゴム支承２０および弾性すべり支承２１の積層ゴム２２のせん断変形量、上下変形量、および免震支承（積層ゴム支承２０および弾性すべり支承２１）の面圧の応答値が、それぞれ、所定の閾値を下回るか否かを判定する。この判定がＹｅｓ（肯定的）である場合には、設計を終了し、Ｎｏ（否定的）である場合には、ステップＳ６に移る。
ステップＳ６では、免震建物１の設計を変更して、ステップＳ１に戻る。
ステップＳ４では、積層ゴム支承２０および弾性すべり支承２１の積層ゴム２２のせん断変形量、上下変形量、および免震支承（積層ゴム支承２０および弾性すべり支承２１）の面圧の応答値が、それぞれ、所定の閾値を下回るか否かを判定する。この判定がＹｅｓ（肯定的）である場合には、設計を終了し、Ｎｏ（否定的）である場合には、ステップＳ６に移る。
ステップＳ６では、免震建物１の設計を変更して、ステップＳ１に戻る。
【0017】
〔実施例〕
以下、本発明の免震建物の設計方法を適用した実施例について説明する。本実施例では、免震建物をモデル化して振動解析（三次元有限要素解析）を行った。
〔１．免震建物の構造〕
図５（ａ）は、本実施例の設計対象となる免震建物の軸組を示す正面図および側面図である。図５（ｂ）は、免震建物における免震支承の配置を示す平面図である。この免震建物の構造は、以下の通りである。
階数： １９階
建物高さ： 約６０ｍ
階高： ３．１ｍ
構造種別： 基礎免震の鉄筋コンクリート造
架構形式： 桁方向がラーメン構造、梁間方向が連層耐震壁
アスペクト比：最高部分で４．９
以下、本発明の免震建物の設計方法を適用した実施例について説明する。本実施例では、免震建物をモデル化して振動解析（三次元有限要素解析）を行った。
〔１．免震建物の構造〕
図５（ａ）は、本実施例の設計対象となる免震建物の軸組を示す正面図および側面図である。図５（ｂ）は、免震建物における免震支承の配置を示す平面図である。この免震建物の構造は、以下の通りである。
階数： １９階
建物高さ： 約６０ｍ
階高： ３．１ｍ
構造種別： 基礎免震の鉄筋コンクリート造
架構形式： 桁方向がラーメン構造、梁間方向が連層耐震壁
アスペクト比：最高部分で４．９
【0018】
ここで、免震建物の中央部（Ｙ５～Ｙ８通り）には、φ１２００ｍｍの弾性すべり支承（ＳＡ８０－１２００－８．０×３）が配置されている。一方、免震建物の端部（Ｙ１～Ｙ４通り、Ｙ９～Ｙ１２通り）には、φ１２００ｍｍの積層ゴム支承（Ｒ４０－１２００－９．０×２６）またはφ１１００ｍｍの積層ゴム支承（Ｒ４０－１１００－８．３×２６）が配置されている。
【0019】
〔２．弾性すべり支承のモデル化〕
免震建物の下部構造体と上部構造体との間のギャップ要素である弾性すべり支承を、図６のようにモデル化した。すなわち、弾性すべり支承を、鉛直方向に直列に配置された２つの鉛直ばねと、せん断方向（水平方向）でかつ互いに交差するＸ方向およびＹ方向に伸縮する２つのせん断ばねと、を組み合わせて表わした。
せん断ばねについては、初期剛性および摩擦係数を設定することで、弾性すべり支承のスリップ特性を表わした。本実施例では、摩擦係数の面圧依存性を考慮することで、弾性すべり支承の水平方向の特性を高精度で解析できるようにした。
また、詳しくは後述するが、上側の弾性鉛直ばねは剛とし、下側の非線形鉛直ばねの圧縮剛性を非線形として浮き上がりを考慮できるようにした。本実施例では、このように２つの鉛直ばねを直列に配置することで、面圧依存性を保持したまま圧縮方向の変形特性を表現した。
免震建物の下部構造体と上部構造体との間のギャップ要素である弾性すべり支承を、図６のようにモデル化した。すなわち、弾性すべり支承を、鉛直方向に直列に配置された２つの鉛直ばねと、せん断方向（水平方向）でかつ互いに交差するＸ方向およびＹ方向に伸縮する２つのせん断ばねと、を組み合わせて表わした。
せん断ばねについては、初期剛性および摩擦係数を設定することで、弾性すべり支承のスリップ特性を表わした。本実施例では、摩擦係数の面圧依存性を考慮することで、弾性すべり支承の水平方向の特性を高精度で解析できるようにした。
また、詳しくは後述するが、上側の弾性鉛直ばねは剛とし、下側の非線形鉛直ばねの圧縮剛性を非線形として浮き上がりを考慮できるようにした。本実施例では、このように２つの鉛直ばねを直列に配置することで、面圧依存性を保持したまま圧縮方向の変形特性を表現した。
【0020】
せん断ばねの摩擦係数μは、一定値とすることなく、面圧に応じて変動するように設定する。具体的には、図７に示すように、１０Ｎ／ｍｍ２から３０Ｎ／ｍｍ２までの範囲で、メーカーの評価式に近似した直線を設定する。すると、面圧とせん断力との関係は、図８に示すようになる。
【0021】
下側の非線形鉛直ばねについて、引張剛性をゼロとすることで、弾性すべり支承の浮き上がりを表現した。
また、下側の非線形鉛直ばねの圧縮剛性を、図９に示すように、３本の直線からなるトリリニアの非線形関数で表わした。
従来では、弾性すべり支承をモデル化する際、ゴムの縦弾性係数、全ゴムの層厚さ、断面積に基づいて、圧縮剛性を線形としていた（例えば、日本建築学会：免震構造設計指針、ｐｐ．２５～ｐｐ．３１、２００１年９月１０日、第３版）。以下、この圧縮剛性を線形とした解析モデルを圧縮線形モデルと呼ぶ。
また、下側の非線形鉛直ばねの圧縮剛性を、図９に示すように、３本の直線からなるトリリニアの非線形関数で表わした。
従来では、弾性すべり支承をモデル化する際、ゴムの縦弾性係数、全ゴムの層厚さ、断面積に基づいて、圧縮剛性を線形としていた（例えば、日本建築学会：免震構造設計指針、ｐｐ．２５～ｐｐ．３１、２００１年９月１０日、第３版）。以下、この圧縮剛性を線形とした解析モデルを圧縮線形モデルと呼ぶ。
【0022】
これに対し、本発明では、弾性すべり支承をモデル化する際、圧縮剛性をトリリニア型の非線形とした。以下、この圧縮剛性を非線形とした解析モデルを圧縮非線形モデルと呼ぶ。具体的には、まず、弾性すべり支承の加力実験を行った。この加力実験では、基準面圧を２０Ｎ／ｍｍ２とし、基準面圧＋３０％まで載荷し(実験データＰ)、その後、基準面圧＋３０％から－３０％の間で３サイクル載荷した後、除荷した(実験データＱ)。実験データＰ、Ｑに示すように、最初に載荷したときは積層ゴムが硬いが、一度力を加えることによってゴム物性が馴染んで剛性が低下している。
次に、弾性すべり支承の実験データの面圧２．０Ｎ／ｍｍ２の点を第１折れ点ａとし、基準面圧－３０％の点を第２折れ点ｂとし、基準面圧＋３０％となる点を終点ｃとする。次に、原点と第１折れ点ａとを結ぶ直線を第１勾配Ａとし、第１折れ点ａと第２折れ点ｂとを結ぶ直線を第２勾配Ｂとし、第２折れ点ｂと終点ｃとを結ぶ直線を第３勾配Ｃとする。これら第１勾配Ａ、第２勾配Ｂ、第３勾配Ｃの比率を求めて、第３勾配Ｃが従来の線形のデータと一致するように、非線形関数を設定した。
また、上側の弾性鉛直ばねの圧縮剛性を、第３勾配Ｃの１０００倍とした。
次に、弾性すべり支承の実験データの面圧２．０Ｎ／ｍｍ２の点を第１折れ点ａとし、基準面圧－３０％の点を第２折れ点ｂとし、基準面圧＋３０％となる点を終点ｃとする。次に、原点と第１折れ点ａとを結ぶ直線を第１勾配Ａとし、第１折れ点ａと第２折れ点ｂとを結ぶ直線を第２勾配Ｂとし、第２折れ点ｂと終点ｃとを結ぶ直線を第３勾配Ｃとする。これら第１勾配Ａ、第２勾配Ｂ、第３勾配Ｃの比率を求めて、第３勾配Ｃが従来の線形のデータと一致するように、非線形関数を設定した。
また、上側の弾性鉛直ばねの圧縮剛性を、第３勾配Ｃの１０００倍とした。
【0023】
〔３．積層ゴム支承のモデル化〕
積層ゴム支承の圧縮剛性についても、支承の種類や径によって異なり、基準面圧も弾性すべり支承とは異なるものの、弾性すべり支承と同様に、加力実験の結果に基づいてモデル化した。すなわち、積層ゴム支承を単一の鉛直ばねでモデル化し、以下のように設定した。この積層ゴム支承の鉛直ばねについては、基準面圧を１５Ｎ／ｍｍ２とし、上述の弾性すべり支承と同様の手順で圧縮剛性を決定した。これにより、積層ゴム支承の鉛直ばねは、図１０および図１１に示すように、３本の直線からなるトリリニアの非線形関数となった。また、積層ゴム支承の鉛直ばねの引張剛性を、例えば第３勾配の１／１０とした。
以上の実施例で用いた、φ１２００ｍｍの弾性すべり支承（ＳＡ８０－１２００－８．０×３）、φ１２００ｍｍの積層ゴム支承（Ｒ４０－１２００－９．０×２６）、およびφ１１００ｍｍの積層ゴム支承（Ｒ４０－１１００－８．３×２６）について、積層ゴムの圧縮剛性をまとめると、図１２のようになった。
積層ゴム支承の圧縮剛性についても、支承の種類や径によって異なり、基準面圧も弾性すべり支承とは異なるものの、弾性すべり支承と同様に、加力実験の結果に基づいてモデル化した。すなわち、積層ゴム支承を単一の鉛直ばねでモデル化し、以下のように設定した。この積層ゴム支承の鉛直ばねについては、基準面圧を１５Ｎ／ｍｍ２とし、上述の弾性すべり支承と同様の手順で圧縮剛性を決定した。これにより、積層ゴム支承の鉛直ばねは、図１０および図１１に示すように、３本の直線からなるトリリニアの非線形関数となった。また、積層ゴム支承の鉛直ばねの引張剛性を、例えば第３勾配の１／１０とした。
以上の実施例で用いた、φ１２００ｍｍの弾性すべり支承（ＳＡ８０－１２００－８．０×３）、φ１２００ｍｍの積層ゴム支承（Ｒ４０－１２００－９．０×２６）、およびφ１１００ｍｍの積層ゴム支承（Ｒ４０－１１００－８．３×２６）について、積層ゴムの圧縮剛性をまとめると、図１２のようになった。
【0024】
〔４．振動解析〕
以上の免震建物の解析モデルに、告示ｊＭＡ－Ｋｏｂｅ（レベル２）のＮＳ位相およびＵＤ位相に対して、所定の倍率をかけたものを入力し、免震建物の解析モデルでのＸ２通り、Ｙ５通りにおける弾性すべり支承の鉛直変位および面圧の時刻歴応答を求めた。
図１３は、入力地震動としてＨ１.５－Ｖ１.５（水平動１.５ 倍、上下動１.５倍）を用いた場合であり、図１４は、入力地震動としてＨ１.５－Ｖ３．０（水平動１.５ 倍、上下動３．０倍）を用いた場合である。
図１３に示すＨ１.５－Ｖ１.５の場合、圧縮線形モデルの最大浮き上がり量は０.０７１ｃｍであるのに対し、圧縮非線形モデルの最大浮き上がり量は０.００２ｃｍである。どちらの圧縮モデルとも、極微量の浮き上がりが生じているものの、圧縮非線形モデルの方が全体的に浮き上がり量は抑制されていることが判る。
図１４に示すＨ１.５－Ｖ３.０の場合、１５～１７秒付近ではＨ１.５－Ｖ１.５の場合と同様に、浮き上がりが顕著に生じている。鉛直変位については、圧縮線形モデルで最大０.２３０ｃｍ、圧縮非線形モデルでは０.１１９ｃｍであり、図１３に示すＨ１.５－Ｖ１.５と同様に、圧縮非線形モデルの方が圧縮線型モデルよりも抑えられている。これは、弾性すべり支承の圧縮剛性をトリリニア型で模擬したことで、長期軸力による圧縮方向のひずみが増大して、支承の浮き上がり量が減少したと考えられる。最大浮き上がり発生（１６.６秒）後の支承着座時の最大面圧は、Ｈ１.５－Ｖ１.５で圧縮線形モデルの場合は１６.８Ｎ/ｍｍ２で、圧縮非線形の場合は１７.５Ｎ/ｍｍ２であり、 共に基準面圧相当である。Ｈ１.５－Ｖ３.０では圧縮線形で２３.７Ｎ/ｍｍ２、圧縮非線形では２３.３Ｎ/ｍｍ２であり、短期許容面圧以下である。圧縮剛性の線形、非線形特性の違いに関わらず、両モデル共に同程度の面圧を受けることから浮き上がり量の違いによる着座時面圧への影響は僅かであった。
上述のように、弾性すべり支承の鉛直加力試験に基づき、圧縮剛性の非線形特性を考慮し、上下動に対する支承の浮き上がり挙動を検討した。実施例では、従来に比べて、弾性すべり支承の浮き上がりが小さくなるか、あるいは、なくなることが確認された。
以上の免震建物の解析モデルに、告示ｊＭＡ－Ｋｏｂｅ（レベル２）のＮＳ位相およびＵＤ位相に対して、所定の倍率をかけたものを入力し、免震建物の解析モデルでのＸ２通り、Ｙ５通りにおける弾性すべり支承の鉛直変位および面圧の時刻歴応答を求めた。
図１３は、入力地震動としてＨ１.５－Ｖ１.５（水平動１.５ 倍、上下動１.５倍）を用いた場合であり、図１４は、入力地震動としてＨ１.５－Ｖ３．０（水平動１.５ 倍、上下動３．０倍）を用いた場合である。
図１３に示すＨ１.５－Ｖ１.５の場合、圧縮線形モデルの最大浮き上がり量は０.０７１ｃｍであるのに対し、圧縮非線形モデルの最大浮き上がり量は０.００２ｃｍである。どちらの圧縮モデルとも、極微量の浮き上がりが生じているものの、圧縮非線形モデルの方が全体的に浮き上がり量は抑制されていることが判る。
図１４に示すＨ１.５－Ｖ３.０の場合、１５～１７秒付近ではＨ１.５－Ｖ１.５の場合と同様に、浮き上がりが顕著に生じている。鉛直変位については、圧縮線形モデルで最大０.２３０ｃｍ、圧縮非線形モデルでは０.１１９ｃｍであり、図１３に示すＨ１.５－Ｖ１.５と同様に、圧縮非線形モデルの方が圧縮線型モデルよりも抑えられている。これは、弾性すべり支承の圧縮剛性をトリリニア型で模擬したことで、長期軸力による圧縮方向のひずみが増大して、支承の浮き上がり量が減少したと考えられる。最大浮き上がり発生（１６.６秒）後の支承着座時の最大面圧は、Ｈ１.５－Ｖ１.５で圧縮線形モデルの場合は１６.８Ｎ/ｍｍ２で、圧縮非線形の場合は１７.５Ｎ/ｍｍ２であり、 共に基準面圧相当である。Ｈ１.５－Ｖ３.０では圧縮線形で２３.７Ｎ/ｍｍ２、圧縮非線形では２３.３Ｎ/ｍｍ２であり、短期許容面圧以下である。圧縮剛性の線形、非線形特性の違いに関わらず、両モデル共に同程度の面圧を受けることから浮き上がり量の違いによる着座時面圧への影響は僅かであった。
上述のように、弾性すべり支承の鉛直加力試験に基づき、圧縮剛性の非線形特性を考慮し、上下動に対する支承の浮き上がり挙動を検討した。実施例では、従来に比べて、弾性すべり支承の浮き上がりが小さくなるか、あるいは、なくなることが確認された。
【0025】
本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）免震層１１を構成する積層ゴム支承２０および弾性すべり支承２１の積層ゴム２２について、圧縮軸力と圧縮変位との関係を非線形関数とした。これにより、地震時の免震支承の挙動について、浮き上がりも考慮した実態に近い解析を行うことができ、信頼性の高い免震建物１を設計できる。
（２）積層ゴム２２の圧縮軸力と圧縮変位との関係を示す非線形関数を、シミュレーション解析の解析結果に近似したトリリニア（多折れ線）としたので、免震建物１の設計における信頼性をより向上できる。
（１）免震層１１を構成する積層ゴム支承２０および弾性すべり支承２１の積層ゴム２２について、圧縮軸力と圧縮変位との関係を非線形関数とした。これにより、地震時の免震支承の挙動について、浮き上がりも考慮した実態に近い解析を行うことができ、信頼性の高い免震建物１を設計できる。
（２）積層ゴム２２の圧縮軸力と圧縮変位との関係を示す非線形関数を、シミュレーション解析の解析結果に近似したトリリニア（多折れ線）としたので、免震建物１の設計における信頼性をより向上できる。
【0026】
（３）本発明の免震建物の設計方法では、免震支承をモデル化する際、圧縮剛性を低剛性かつ非線形とした。これにより、地震発生前の長期軸力のみが作用した状態における沈下変位量を、実状と整合するように大きく評価することができ、沈み込みによるポテンシャルエネルギー量も大きくなるため、振動解析によっても、実際の観測記録のように浮き上がり現象が発生しなくなる。したがって、免震支承の解析モデルの圧縮剛性を、非線形かつ低く設定することで、実験結果を裏付けるように歪エネルギーを大きくモデル化できる。
【0027】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【0028】
１…免震建物 １０…下部構造体 １１…免震層 １２…上部構造体 １３…柱
２０…積層ゴム支承 ２１…弾性すべり支承 ２２…積層ゴム ２３…すべり板
３０…下フランジ ３１…積層ゴム本体 ３２…上フランジ
Ｐ、Ｑ…実験データ ａ…第１折れ点 ｂ…第２折れ点 ｃ…終点
Ａ…第１勾配 Ｂ…第２勾配 Ｃ…第３勾配
２０…積層ゴム支承 ２１…弾性すべり支承 ２２…積層ゴム ２３…すべり板
３０…下フランジ ３１…積層ゴム本体 ３２…上フランジ
Ｐ、Ｑ…実験データ ａ…第１折れ点 ｂ…第２折れ点 ｃ…終点
Ａ…第１勾配 Ｂ…第２勾配 Ｃ…第３勾配
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】