JP4936161B2 - 3D seismic isolation device - Google Patents
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Description
本発明は、建屋の水平方向と鉛直方向の双方の振動に対する免震効果を得る3次元免震装置に関する。 The present invention relates to a three-dimensional seismic isolation device that obtains a seismic isolation effect for both horizontal and vertical vibrations of a building.
この種の3次元免震装置としては、たとえば特許文献1〜3に示すように、水平免震機構としての積層ゴムと鉛直免震機構としての空気バネとを上下方向に直列に連結して一体化した構造のものが一般的である。
特に特許文献3に示される3次元免震装置は鉛直免震機構としてローリングシール型の空気バネを用いたものであって、ダイヤフラムにより画成される空気室にオリフィスを介して補助タンクを連通させた構成により振動時におけるオリフィスでの空気流通抵抗によって鉛直方向の減衰効果を得るものであり、たとえば原子力発電所等の大規模な建屋全体を免震支持するものとして好適である。
In particular, the three-dimensional seismic isolation device disclosed in
しかし、一般に空気バネの単位面積当たりの支持能力は積層ゴムの1/10以下と低いことから、それらを単に直列に組み合わせている従来一般の3次元免震装置では水平免震機構としての積層ゴムと鉛直免震機構としての空気バネの支持能力に大きな差が生じることが不可避であって装置規模がアンバランスであるという問題がある。
そのようなアンバランスを改善するためには空気バネの使用圧力を充分に高めるか、あるいは空気バネを充分に大型化することが必要であるが、高圧化によることでは高圧ガス規制を受けることから自ずと限界があり、大型化によることでは設置スペースの確保や施工性の点で難があり、またいずれにしてもそのような特殊仕様の空気バネは汎用のものに比べて格段に高価となるので大幅なコスト増は不可避である。
以上のことから、この種の3次元免震装置における水平方向と鉛直方向の支持力のアンバランスを解消させ得る有効適切な改善策が望まれていた。
However, since the support capacity per unit area of the air spring is generally as low as 1/10 or less of the laminated rubber, in the conventional general three-dimensional seismic isolation device that simply combines them in series, the laminated rubber as a horizontal seismic isolation mechanism There is a problem that a large difference in the support capacity of the air spring as a vertical seismic isolation mechanism is unavoidable and the device scale is unbalanced.
In order to improve such an imbalance, it is necessary to sufficiently increase the operating pressure of the air spring, or to sufficiently increase the size of the air spring. Naturally, there is a limit, and due to the increase in size, there are difficulties in securing installation space and workability, and in any case, such special specification air springs are much more expensive than general-purpose ones. Significant cost increases are inevitable.
From the above, there has been a demand for an effective and appropriate improvement measure that can eliminate the imbalance between the horizontal and vertical bearing forces in this type of three-dimensional seismic isolation device.
請求項1記載の発明は、水平免震機構と鉛直免震機構とが上下方向に直列に配置され、上部構造としての建屋とそれを支持する下部構造との間に介装されて建屋の水平方向および鉛直方向の振動に対する免震効果を得る構成の3次元免震装置であって、水平免震機構と鉛直免震機構の間に高剛性のフレームが配置されて該フレームを介して水平免震機構と鉛直免震機構とが一体化され、前記フレームは鋼材を十字形に組み合わせた構成とされ、前記水平免震機構はフレームの中心位置に固定された単一の積層ゴムからなり、前記鉛直免震機構はフレームの中心位置の周囲に均等配置されて該フレームを構成している各鋼材の先端部にそれぞれ設置された4台の空気バネからなることを特徴とするものである。 According to the first aspect of the present invention, the horizontal seismic isolation mechanism and the vertical seismic isolation mechanism are arranged in series in the vertical direction, and are interposed between the building as the upper structure and the lower structure that supports it, so that the horizontal of the building A three-dimensional seismic isolation device configured to obtain a seismic isolation effect against vibration in the vertical direction and the vertical direction, and a high-rigidity frame is disposed between the horizontal seismic isolation mechanism and the vertical seismic isolation mechanism, and the horizontal The seismic mechanism and the vertical seismic isolation mechanism are integrated, the frame is configured by combining steel materials in a cross shape, the horizontal seismic isolation mechanism is composed of a single laminated rubber fixed at the center position of the frame, The vertical seismic isolation mechanism is composed of four air springs that are arranged evenly around the center position of the frame and are respectively installed at the tip of each steel material constituting the frame .
請求項2記載の発明は、請求項1記載の発明の3次元免震装置において、鉛直免震機構としての空気バネには空気室が画成されているとともに該空気室には補助タンクが付設され、それら空気室と補助タンクとはオリフィスを介して連通されていることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the three-dimensional seismic isolation device of the first aspect, an air chamber is defined in the air spring as a vertical seismic isolation mechanism, and an auxiliary tank is attached to the air chamber. The air chamber and the auxiliary tank communicate with each other through an orifice.
請求項3記載の発明は、請求項1または2記載の発明の3次元免震装置において、鉛直免震機構としての空気バネの鉛直方向の振動を減衰させる鉛直振動減衰機構が空気バネと並列に設けられ、該鉛直振動減衰機構の一端部がフレームに連結されていることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the three-dimensional seismic isolation device according to the first or second aspect, the vertical vibration damping mechanism for damping the vertical vibration of the air spring as the vertical seismic isolation mechanism is in parallel with the air spring. Provided, and one end of the vertical vibration damping mechanism is connected to a frame.
請求項4記載の発明は、請求項1〜3のいずれかに記載の発明の3次元免震装置において、鉛直免震機構としての空気バネの鉛直方向の振動を許容しつつ水平方向の変形を拘束する水平変形拘束機構が空気バネと並列に設けられ、該水平変形拘束機構の一端部がフレームに対して鉛直方向に変位可能かつ水平方向に変位不能に係合せしめられていることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the three-dimensional seismic isolation device according to any one of the first to third aspects, the horizontal deformation is allowed while allowing the vertical vibration of the air spring as the vertical seismic isolation mechanism. A horizontal deformation restraining mechanism for restraining is provided in parallel with the air spring, and one end of the horizontal deformation restraining mechanism is engaged with the frame so as to be displaceable in the vertical direction but not in the horizontal direction. To do.
請求項1記載の発明によれば、鉛直免震機構として4台の空気バネを用いて、それら4台の空気バネと、水平免震機構としての単一の積層ゴムとをフレームを介して一体に組み合わせた構成とし、特にフレームの形態を鋼材を十字形に組み合わせた構成として、その中心位置に単一の積層ゴムを固定するとともに、フレームを構成している各鋼材の先端部に4台の空気バネを均等配置したことから、個々の空気バネによる支持力が不充分であっても4台の空気バネの全体で充分な支持力を確保することが可能であり、したがって鉛直免震機構の支持力を水平免震機構の支持力と適正にバランスさせることが可能である。その結果、従来一般のこの種の3次元免震装置において問題とされていた積層ゴムと空気バネとの支持力のアンバランスを容易に解消できるし、そのために高圧あるいは大型の特殊仕様の空気バネを用いるような必要もなく、ローコストで充分な改善効果が得られる。 According to the first aspect of the present invention, four air springs are used as the vertical seismic isolation mechanism, and the four air springs and the single laminated rubber as the horizontal seismic isolation mechanism are integrated through the frame. In particular, the structure of the frame is a structure in which steel materials are combined in a cross shape, and a single laminated rubber is fixed at the center position, and at the tip of each steel material constituting the frame, four units are provided. Since the air springs are evenly arranged, it is possible to secure a sufficient support force with the four air springs even if the support force of each air spring is insufficient. It is possible to properly balance the bearing capacity with the bearing capacity of the horizontal seismic isolation mechanism. As a result, it is possible to easily eliminate the imbalance between the support force of the laminated rubber and the air spring, which has been a problem in this type of general three-dimensional seismic isolation device. Therefore, a sufficient improvement effect can be obtained at low cost.
請求項2記載の発明によれば、空気バネが補助タンクとオリフィスとによる振動減衰機能を有するものであるので、空気バネ自身で鉛直方向の振動減衰機能が自ずとかつ充分に得られる。 According to the second aspect of the invention, since the air spring has a vibration damping function by the auxiliary tank and the orifice, the vibration damping function in the vertical direction is naturally and sufficiently obtained by the air spring itself.
請求項3記載の発明によれば、空気バネと並列に鉛直振動減衰機構を備えるので、空気バネ自身による振動減衰機能が充分でない場合にも鉛直方向の振動減衰効果が充分に得られる。 According to the third aspect of the present invention, since the vertical vibration damping mechanism is provided in parallel with the air spring, the vibration damping effect in the vertical direction can be sufficiently obtained even when the vibration damping function by the air spring itself is not sufficient.
請求項4記載の発明によれば、空気バネの水平変形を拘束する水平変形拘束機構を備えるので、空気バネに無用な水平力が作用することを防止できて空気バネによる鉛直免震効果を確実に得られ、また空気バネの座屈や損傷を確実に防止することができる。
According to the invention described in
図1〜図2は本発明の実施形態である3次元免震装置を示すものである。これは、上部構造としての建屋1の底面と、それを支持する下部構造としての基礎2の上面との間に介装されて建屋1全体を免震支持することにより、建屋1の水平方向と鉛直方向の双方の振動に対する免震効果を得るためのものである。
1 to 2 show a three-dimensional seismic isolation device according to an embodiment of the present invention. This is interposed between the bottom surface of the building 1 as the upper structure and the upper surface of the
本実施形態の3次元免震装置は、従来一般のこの種の3次元免震装置と同様に、水平免震機構としての積層ゴム3と、鉛直免震機構としての空気バネ4とを組み合わせたことを基本とするが、従来においては単一の積層ゴムと単一の空気バネとを単に直結した構成であることが通常であるのに対し、本実施形態では高剛性のフレーム5を挟んでその上下に単一の積層ゴム3と4台の空気バネ4を配置してそれら積層ゴム3および空気バネ4をそれぞれフレーム5に対して固定することによって、フレーム5を介して積層ゴム3と各空気バネ4とを一体化したものとしている。
The three-dimensional seismic isolation device of the present embodiment combines a laminated
本実施形態におけるフレーム5は、図1(a)に示すように小断面のH形鋼等の鋼材5aを十字形に交差させるとともにその上下に補強鋼板5bを一体に溶接してなるもので、全体として四隅部が隅切りされた略正方形状の盤状をなし、積層ゴム3および各空気バネ4とともに建屋1を支持するに充分な剛性を有するものとされている。
As shown in FIG. 1 (a), the
そして、図1(b)に示すように、そのフレーム5の上面中央位置つまり双方の鋼材5aの交差部の位置に上記の積層ゴム3が配置されてそのベースプレートがフレーム5に対してアンカーボルト等により固定されており、積層ゴム3のトッププレートが建屋1の底面に対して固定されるようになっている。
Then, as shown in FIG. 1B, the laminated
また、フレーム5の下面側には、各鋼材5aの端部の位置にそれぞれ上記の空気バネ4が配置されている。各空気バネ4は、図1(b)に示すように、内部空間が空気室として画成されているゴムベローズ4aと、そのゴムベローズ4aの下部に一体に連結された補助タンク4bから構成されていて、ゴムベローズ4aの上部がフレーム5の下面に固定されており、補助タンク4bの下部が基礎2に対してアンカーボルト等により固定されるようになっている。
Further, the
空気バネ4を構成しているゴムベローズ4aの空気室と補助タンク4bの内部空間とはオリフィス4cを介して連通しており、ゴムベローズ4aが鉛直方向に振動して弾性変形した際にはその内部空間である空気室と補助タンク4bの間でオリフィス4cを通して空気が流通し、その際に生じる流通抵抗によってゴムベローズ4aの振動が速やかに減衰させられるものとなっている。つまり、この空気バネ4はそれ自身が振動減衰機能を有するものであって、鉛直方向の免震効果のみならず優れた減衰効果も併せて発揮し得るものである。
The air chamber of the
また、フレーム5の下面側の中心位置にはオイルダンパー等の鉛直振動減衰機構6が空気バネ4と並列に設置され、その上端部がフレーム5に対して連結されており、下端部は基礎2に対して連結されるようになっている。その鉛直振動減衰機構6は、空気バネ4自身が有する上記のような振動減衰機能では不充分な場合に所望の減衰量を確保するべく補助的に付加すれば良く、空気バネ4自身で充分な振動減衰機能が確保できる場合は省略して差し支えない、勿論、必要とされる減衰性能によっては鉛直振動減衰機構6としてオイルダンパーに限らず適宜の形式のダンパーを採用しても良く、その設置数も任意である。
In addition, a vertical
さらに、フレーム5の下面側には、その中心位置の周囲に複数(図示例では4つ)の水平変形拘束機構7が空気バネ4と並列に設けられている。これら水平変形拘束機構7は、基礎2に対するフレーム5の鉛直方向の相対変位は許容しつつ水平方向の相対変位を拘束し、以て、空気バネ4を支障なく作動させて鉛直方向の免震効果を確保しつつ、空気バネ4に無用な水平力を作用させないように設置されたものである。
つまり、このような水平変形拘束機構7がない場合には、建屋1が水平方向に振動した際にはその水平力が積層ゴム3、フレーム5を介して空気バネ4にそのまま伝達されてしまうことから、空気バネ4に無用な水平力が作用して横方向に無用な変形を生じ、本来の鉛直方向への免震効果に悪影響を及ぼすばかりでなく、ゴムベローズ4aが座屈したり損傷を受けることも懸念されることから、水平変形拘束機構7の設置によってそのような事態を回避するようにしたものである。
Further, on the lower surface side of the
That is, in the absence of such a horizontal
具体的には、本実施形態における水平変形拘束機構7は、高剛性の鋼棒からなる支柱7aがベース部材7bにより基礎2上に立設され、その支柱7aの上端部に円筒状のスリーブ部材7cが鉛直方向に摺動自在に装着されるようになっており、スリーブ部材7cの内側には支柱7aに対する摺動抵抗を軽減するためのリング状のベアリング7dが取り付けられた構成とされている。そして、スリーブ部材7cをフレーム5の中心位置の周囲(鋼材5aの交差部の周囲)に固定して支柱7aに装着することにより、支柱7aに対するフレーム5の鉛直方向の相対変位は支障なく許容されるが、フレーム5の水平方向の相対変位は支柱7aによって確実に拘束され、これにより空気バネ4を支障なく作動させつつ空気バネ4に無用な水平力が作用することを確実に防止できるものとなっている。
Specifically, in the horizontal
以上の構成に基づき、本実施形態の3次元免震装置によれば、水平免震機構としての積層ゴム3と鉛直免震機構としての空気バネ4とにより水平振動と上下振動の双方に対して優れた免震効果が得られ、大規模な建屋全体を免震支持する3次元免震装置として有効なものである。
Based on the above configuration, according to the three-dimensional seismic isolation device of the present embodiment, the
そして、特に本実施形態の3次元免震装置は、鉛直免震機構として4台の空気バネ4を用いて、それら4台の空気バネ4と水平免震機構としての単一の積層ゴム3とを組み合わせた構成としたことから、個々の空気バネ4の支持力が充分でない場合であっても4台の空気バネ4の全体で充分な支持力を確保することが可能であり、したがって空気バネ4全体の支持力を単一の積層ゴム3の支持力と適正にバランスさせることが可能である。
その結果、従来一般のこの種の3次元免震装置において問題とされていた積層ゴムと空気バネとの支持力のアンバランスを容易に解消できるし、そのために高圧あるいは大型の特殊仕様の空気バネを用いるような必要もないから、個々の空気バネ4としては小型の汎用製品を用いることで充分であり、さしたるコストアップとなることなく3次元免震装置全体として所望の支持能力を確保することが可能となる。
Then, in particular 3-dimensional seismic isolation device of this embodiment uses an
As a result, it is possible to easily eliminate the imbalance between the support force of the laminated rubber and the air spring, which has been a problem in this type of general three-dimensional seismic isolation device. Therefore, it is sufficient to use small general-purpose products as the individual air springs 4, and to ensure the desired support capacity for the entire three-dimensional seismic isolation device without any significant cost increase. Is possible.
以上で本発明の一実施形態について説明したが、上記実施形態はあくまで好適な一例であって本発明は上記実施形態に限定されるものでは勿論なく、たとえば以下に列挙するような様々な設計的変形や応用が可能である。 Although one embodiment of the present invention has been described above, the above embodiment is merely a preferred example, and the present invention is not limited to the above embodiment, and various design examples such as those listed below are included. Variations and applications are possible.
本発明では、上記実施形態のように十字形のフレーム5を構成している各鋼材5aの端部に4台の空気バネ4を設置するのであるが、3次元免震装置全体に対して偏心モーメントが生じることは好ましくなく、したがって空気バネ4の配置はフレーム5中心に対して点対称となるようにその周囲に可及的に均等配置することとし、かつその全体としての重心位置と積層ゴム3の重心位置とを可及的に合致させるような配置とする必要がある。
勿論、フレーム5は鋼材5aを十字形に組み合わせた構成とする必要はあるが、その限りにおいてフレーム5の具体的な構成や形状、寸法は、このフレーム5に要求される剛性はもとより、積層ゴム3や空気バネ4の寸法に対応させて適宜設計すれば良い。
In the present invention, four
Of course, the
上記実施形態では鉛直免震機構としての空気バネ4としてゴムベローズ4aによるベローズ型のものを用いたが、空気バネ4の形式は特に限定すべきものではなく、たとえば特許文献3に示されるようなローリングシール型の空気バネをはじめとして各種形式の空気バネを任意に採用可能である。
また、空気バネ4としては上記実施形態のように補助タンク4bとオリフィス4cとによる振動減衰機能を有するものが好ましいが、上述したように空気バネ3と並列に鉛直振動減衰機構6を付加することを前提とする場合、あるいは建屋1と基礎2との間に適宜の減衰機構を別途設けるような場合には、必ずしもそのような形式の空気バネとする必要はない。
In the above embodiment, the bellows type by the rubber bellows 4a is used as the
The
同様に、水平免震機構としての積層ゴム3は、たとえば鉛プラグを組み込んだものや高減衰ゴムを用いたもののようにそれ自身で減衰機能を有するものが好適に採用可能であるが、水平方向の減衰機構を別途設置する場合にはその必要もない。
いずれにしても、水平免震機構としては上記実施形態のように単一の積層ゴム3を用いるので、その水平免震機構の支持力と、4台の空気バネによる鉛直免震機構全体の支持力を可及的にバランスさせることが好ましい。
Similarly, as the
In any case, since the horizontal seismic isolation mechanism using a single
上記実施形態のように空気バネ4の水平変形を拘束するための水平変形拘束機構7を設置することが好ましいが、その具体的な構成は任意であるし、建屋1の水平変位が他の手段によって自ずと拘束されるような場合には省略しても良い。
Although it is preferable to install the horizontal
上記実施形態では、フレーム5の上部に単一の積層ゴム3を配置し、下部に4台の空気バネ4を配置したが、その天地は逆にしても構造的には同様に挙動し同様に機能する。つまり、フレーム5の上部に4台の空気バネ4を配置し、下部に単一の積層ゴム3を配置しても良い。なお、その場合において上記実施形態のような鉛直振動減衰機構6や水平変形拘束機構7を設ける場合には、当然にそれらも空気バネ4と並列にしてフレーム5と建屋1との間に設置することになるが、その場合にはいずれも天地を逆にしてそれらの一端部(この場合は下端部)をフレーム5に連結あるいは係合し他端部(同、上端部)を建屋1に対して固定すれば良い。
さらに、本発明の3次元免震装置は、上記実施形態のように基礎免震として基礎2と建屋1との間に設置するみならず、中間免震として建屋1の中間階に設置することも可能である。
In the above embodiment, the single
Furthermore, the three-dimensional seismic isolation device of the present invention is not only installed between the
1 建屋(上部構造)
2 基礎(下部構造)
3 積層ゴム(水平免震機構)
4 空気バネ(鉛直免震機構)
4a ゴムベローズ
4b 補助タンク
4c オリフィス
5 フレーム
5a 鋼材
5b 補強鋼板
6 鉛直振動減衰機構
7 水平変形拘束機構
7a 支柱
7b ベース部材
7c スリーブ部材
7d ベアリング
1 building (superstructure)
2 Foundation (substructure)
3 Laminated rubber (horizontal seismic isolation mechanism)
4 Air spring (vertical seismic isolation mechanism)
4a Rubber bellows 4b
Claims (4)
水平免震機構と鉛直免震機構の間に高剛性のフレームが配置されて該フレームを介して水平免震機構と鉛直免震機構とが一体化され、
前記フレームは鋼材を十字形に組み合わせた構成とされ、
前記水平免震機構はフレームの中心位置に固定された単一の積層ゴムからなり、
前記鉛直免震機構はフレームの中心位置の周囲に均等配置されて該フレームを構成している各鋼材の先端部にそれぞれ設置された4台の空気バネからなることを特徴とする3次元免震装置。 A horizontal seismic isolation mechanism and a vertical seismic isolation mechanism are arranged in series in the vertical direction, and are interposed between the building as the upper structure and the lower structure that supports it. A three-dimensional seismic isolation device configured to obtain a seismic effect,
A highly rigid frame is arranged between the horizontal seismic isolation mechanism and the vertical seismic isolation mechanism, and the horizontal seismic isolation mechanism and the vertical seismic isolation mechanism are integrated through the frame,
The frame is configured by combining steel materials in a cross shape,
The horizontal seismic isolation mechanism is composed of a single laminated rubber fixed at the center position of the frame,
The vertical seismic isolation mechanism is composed of four air springs that are equally arranged around the center position of the frame and are respectively installed at the tip of each steel material constituting the frame. apparatus.
鉛直免震機構としての空気バネには空気室が画成されているとともに該空気室には補助タンクが付設され、それら空気室と補助タンクとはオリフィスを介して連通されていることを特徴とする3次元免震装置。 The three-dimensional seismic isolation device according to claim 1,
The air spring as a vertical seismic isolation mechanism has an air chamber and an auxiliary tank attached to the air chamber, and the air chamber and the auxiliary tank communicate with each other through an orifice. 3D seismic isolation device.
鉛直免震機構としての空気バネの鉛直方向の振動を減衰させる鉛直振動減衰機構が空気バネと並列に設けられ、該鉛直振動減衰機構の一端部がフレームに連結されていることを特徴とする3次元免震装置。 The three-dimensional seismic isolation device according to claim 1 or 2,
A vertical vibration damping mechanism for attenuating vertical vibrations of an air spring as a vertical seismic isolation mechanism is provided in parallel with the air spring, and one end of the vertical vibration damping mechanism is connected to a frame. Dimensional seismic isolation device.
鉛直免震機構としての空気バネの鉛直方向の振動を許容しつつ水平方向の変形を拘束する水平変形拘束機構が空気バネと並列に設けられ、該水平変形拘束機構の一端部がフレームに対して鉛直方向に変位可能かつ水平方向に変位不能に係合せしめられていることを特徴とする3次元免震装置。 The three-dimensional seismic isolation device according to any one of claims 1 to 3,
Vertical while permitting vibration in the vertical direction of the air spring as aseismatic means horizontal deformation restraining mechanism for restraining the horizontal deformation is provided in parallel with the air spring, with respect to one end portion of the horizontal deformation restriction mechanism frame A three-dimensional seismic isolation device that is engaged in a vertically displaceable and horizontally undisplaceable manner.
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