加圧液体による浮体式免震構造
【課題】従来のプール状の免震ピットの代わりに、液体を閉じ込める形態をした免震層を設けることにより、従来の浮体式免震構造に比し同等以上の機能をもたせつつ、コンパクトで経済的な免震機構を提供することを目的とする。
【解決手段】浮体構造物本体と地盤の間に、免震装置を備え、シール材で囲まれ液体を閉じ込める免震層を設ける。免震層側面等に弾性機能を持たせ、免震層に注入される加圧液体と、その液体を加圧調整するための液体加圧機構を設けて部分浮体式免震構造とする。免震層の上部等に空気層と液体層からなり抵抗体を備える流体室を設ける。さらに流体室に圧搾空気を送り込むための圧搾空気機構を設けて完全浮体式免震構造への移行を可能とする。また鉛直方向の免震性能向上等において浮体構造物本体外部に空気室を設ける。
【解決手段】浮体構造物本体と地盤の間に、免震装置を備え、シール材で囲まれ液体を閉じ込める免震層を設ける。免震層側面等に弾性機能を持たせ、免震層に注入される加圧液体と、その液体を加圧調整するための液体加圧機構を設けて部分浮体式免震構造とする。免震層の上部等に空気層と液体層からなり抵抗体を備える流体室を設ける。さらに流体室に圧搾空気を送り込むための圧搾空気機構を設けて完全浮体式免震構造への移行を可能とする。また鉛直方向の免震性能向上等において浮体構造物本体外部に空気室を設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加圧液体による浮体式免震構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、図８に示すように、浮体構造物本体１２を免震ピット１３中に浮かべ、大地と絶縁することによって水平地震動に対し高い免震効果を得るものとして、完全浮体構造の浮体式免震構造物１１は一般に広く知られている（非特許文献１参照）。
しかしこのような完全浮体式免震構造物では、浮体構造物本体１２に生じる変動荷重により構造物が容易に傾いたり、液面の変動に追随して浮体構造物本体１２が鉛直方向に変動するなど、居住性及び使用性の面から課題が生じていた。
そこで図９に示すように、浮体構造物本体の変動荷重と固定荷重の一部を免震装置などの低せん断構造体１７を介して地盤１６で支持する部分浮体式免震構造も提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
この部分浮体式免震構造の場合、図９に示すように浮体構造物本体１２の荷重Ｗは、浮体構造物本体１２の固定荷重Ｗ１と鉛直下方向に作用する正値の変動荷重Ｗ２とを足しあわせたもの（Ｗ＝Ｗ１＋Ｗ２）である。荷重Ｗから変動荷重Ｗ２と浮力Ｂを除
としている。
【０００４】
なお、液体を水、浮体構造物本体１２の浮体底面は水平でその面積をＡ、底面から喫水線までの高さをｄとすると、排水量はＡｄであり、浮力ＢはＡｄｇ（ｇは重力加速度）となる。
【０００５】
上記の浮体式免震構造では水平地震動に対する免震性を有しているものの、鉛直（上下）地震動に対する免震性は有していなかったことから、浮体底部に空気室を設け、浮体式のみでは得られない鉛直地震動に対する免震性をエアークッション効果で得るという提案がされている。
また、浮体底部の一方向に対して空気室を少なくとも４つに等分割することにより静的安定性の維持と復元力を得るという、空気室を有する浮体式免震構造も提案されている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【０００６】
【非特許文献１】大山巧他、「浮体式免震工法に関する研究−水平免震性能と風外力に対する安定性−」、日本建築学会大会学術講演概集、ｐ７６５−７６６、１９９９年９月
【特許文献１】特開２００４−２７７３２
【特許文献２】特開２０００−１１０４０２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の浮体式免震構造における免震ピットは、所望の深さまで地盤を掘り下げることにより形成され、土圧に耐える強度をもった側壁と床底面を備えている。
また、浮体構造物本体の側壁と免震ピットの側壁との間に所定の幅のクリアランスを全周に亘って設けなければならない。
従来の浮体式免震構造の小規模な建築物や一般住宅等への導入は、その規模の割合において大掛かりな免震ピットを必要とし、合理性、経済性に欠けるものであった。
【０００８】
本発明は、従来のプール状の免震ピットの代わりに、液体を閉じ込める形態をした免震層を設けることにより、従来の浮体式免震構造に比し同等以上の機能を持たせつつ、コンパクトで経済的な免震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】
【０００９】
本発明では、液体を閉じ込める手段として、浮体構造物本体と地盤の間に例えば弾性機能を併せ持つシール材で囲まれた免震層を設けることを特徴とする。
浮体式免震構造は先ずは部分浮体として、免震層と、免震層内に注入される加圧液体と、加圧液体を加圧調整するための液体加圧機構を設け、変動荷重と固定荷重の一部を支持し浮体構造物本体と地盤との水平挙動を絶縁する免震装置を備える。
液体加圧機構は、例えば浮体構造物本体の底部に接している免震層上部面から浮体構造物本体に設置されている貯液タンクの液面までの高さによる圧力を利用し、液体加圧機構により加圧調整された加圧液体は、免震層に注入され免震層上部面を鉛直上方向に押し上げる浮力Ｂとして作用させることが可能となる。
例えば通常時または中小規模の地震時において、浮体構造物本体は液体加圧機構により部分浮体しており、部分浮体式免震構造として機能させることが可能となる。
【００１０】
本発明では、浮体構造物本体の底部および免震層の上部に形成された凹部内に空気層と液体層からなる流体室と、流体室内に圧搾空気を送り込むための圧搾空気機構を設けることを特徴とする。
例えば大規模の地震時において、圧搾空気機構が作動し圧搾空気が流体室に注入され圧搾空気により浮体構造物本体は部分浮体から完全浮体へ瞬時に移行することになり、完全浮体式免震構造として機能させることが可能となる。
【００１１】
本発明では、流体室に隔壁と、抵抗板と、延出片と、透水減衰材等の抵抗体を備えることを特徴とする。これらの抵抗体により、減衰効果等を発揮させ免震性能を向上させることが可能となる。
【００１２】
本発明では、流体室の各一辺を隔壁で少なくとも四つに分割し流体室を１６以上の小室に分割することを特徴とする。完全浮体式免震構造の静的安定性を維持させ復元力を得させることを可能とする。
【００１３】
本発明では、浮体構造物本体の下方の地下等に空気室を設けることを特徴とする。浮体構造物本体の重心を低く保ちつつ十分な容積量の空気層を確保することにより鉛直地震動に対し高い免震効果を得させることを可能とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、浮体構造物本体と地盤の間にシール材で囲まれた免震層と液体を加圧調整するための液体加圧機構を設け、免震層に加圧液体を注入し、免震層の側面のシール材にゴム等の弾性機能を併せ持たせるかまたは弾性機能をもった部材をシール材の内ないし外に配置するかし、また変動荷重と固定荷重の一部を支持し浮体構造物本体と地盤との水平挙動を絶縁する免震装置を備えることにより、浮体構造物本体を部分浮体から完全浮体まで浮体程度を自在に調整でき得る。部分浮体式免震構造においては水平方向の免震効果を発揮させ得る。
【００１５】
本発明によれば、浮体構造物本体の底部および免震層の上部に形成された凹部内に隔壁で囲われ空気層と液体層からなる流体室を設け、また圧搾空気機構を設けることにより、例えば大地震時に圧搾空気を流体室内に注入することができ、浮体構造物本体を部分浮体から完全浮体へ瞬時に移行させることが可能となる。
完全浮体式免震構造においては水平方向の免震効果を一層高めることができるとともに、流体室の空気層のエアークッション効果により鉛直方向の免震効果を発揮させ得る。
【００１６】
本発明によれば、流体室の液体層中に透水減衰材を備えることにより、減衰効果を発揮させ得る。
【００１７】
本発明によれば、流体室を分割する隔壁と、隔壁に平行して配置される抵抗板と、隔壁端および抵抗板端に直交する延出片等を備えることにより、これらが免震層および液体層の液体中を運動するとき、速度の二乗に比例する液体の抵抗力を受け、減衰効果を発揮させ得る。
【００１８】
本発明によれば、前項同様に隔壁と抵抗板と延出片等を備えることにより、これらが免震層および液体層の液体中を運動するとき、加速度に比例する液体の抵抗力も受け、質量が増加したような挙動をとる付加質量効果が生じることになる。
即ち浮体構造物本体の重量が見掛け上増加することになり、免震周期を長期化させ免震性能を向上させ得る。
【００１９】
本発明によれば、流体室の各一辺を隔壁で少なくとも四つに分割し流体室を１６以上に分割したそれぞれの小室に、独立し高さの異なる空気層を設けることにより、完全浮体時における静的安定性を維持し復元力を得るとともに、地震動の卓越振動数等との共振を防ぐ効果を持たせ得る。
【００２０】
本発明によれば、浮体構造物本体の下部の地下等に容積の異なる複数の空気室を設けることにより、浮体構造物本体の重心を低く保ちつつ十分な容積量の空気層を確保し鉛直方向の免震性能を向上させ共振を防ぐ効果を持たせ得る。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の第一の実施形態の加圧液体による浮体式免震構造について、図１に基づいて以下に説明する。
図１は本発明における第一の実施形態の加圧液体による浮体式免震構造に関する部分浮体式免震構造の概要を示す図である。
【００２２】
図１に示すように、第一の実施形態の加圧液体による浮体式免震構造１は、液体４を閉じ込める手段として浮体構造物本体２と地盤６の間にシール材５で囲まれた免震層３を設け、例えば免震層３の側面のシール材５にゴム等の弾性機能を併せ持たせ、免震層３内に注入される加圧された液体４と、液体４を加圧調整するための液体加圧機構８と、部分浮体時に浮体構造物本体２と地盤６の水平挙動を絶縁する免震装置７を備えて構成される。
ここでは、側面のシール材５にゴム等の弾性機能を併せ持たせるとしているが、同様な弾性機能をもった部材を側面のシール材５の内側ないし外側に配置しても構わない。
なお、図１では免震装置７として弾性滑り支承を用いており、浮体構造物本体２に生じる鉛直方向の変動荷重と、加圧液体４による浮力で相殺された残りの固定荷重は、該弾性滑り支承を介し地盤６で支持される。
【００２３】
図１の液体加圧機構８は高さによる圧力を利用する概要を示す図である。免震層３への加圧液体注入は液体加圧機構８により行う。
なお、本発明においては液体４が加圧されればよいのでアクティブな機械式の液体加圧機構でも構わない。
また液体加圧機構８は、水用の装置や機器等により代替可能としている。
図１に示すように、例えば液体加圧機構８は、貯液タンク８ａと、貯液タンク８ａから排液する配液管８ｂと、貯液タンク８ａに液体４を供給する配液管８ｂおよびその配液管８ｂに取り付ける配液管バルブ８ｃと、貯液タンク８ａと免震層３を連結する配液管８ｂおよびその配液管８ｂに取り付ける配液管バルブ８ｃと、貯液タンク８ａ内の液面の水平位置を調整するための水位調整スライダー８ｄからなる。
【００２４】
図１の液体加圧機構８において、免震層３内の圧力調整は、免震層３上部面から貯液タンク８ａ内の液面までの高さｄをコントロールすることにより行う。
浮体構造物本体２の荷重Ｗ＝Ｍｇ・・・▲１▼ ただし Ｍ：浮体構造物本体２の重量浮体構造物本体２底面に接する免震層３上部面の有効受圧面積をＡとすると、免震層３上部面は加圧液体による浮力Ｂを受ける。
浮力Ｂは、
Ｂ＝ρＡｄｇ・・・・・・・・・・▲２▼ ただし ρ：液体４の密度（ｇ／ｃｍ３）
▲１▼▲２▼において、ρ＝１ｇ／ｃｍ３、Ｍを２０×１０３ｋｇ、Ａを２０×１０４（ｃｍ２）とすると、
Ｍｇ＝２０×１０３×１０３（ｇ）×ｇ（ｃｍ／ｓｅｃ２）
Ｂ ＝１（ｇ／ｃｍ３）×２０×１０４（ｃｍ２）×ｄ（ｃｍ）×ｇ（ｃｍ／ｓｅｃ２）
地盤６から免震装置７の弾性滑り支承が浮き上がる場合、▲１▼＝▲２▼であるから、ｄ＝１００ｃｍとなる。
ただし、鉛直方向の力は荷重Ｗと浮力Ｂのみとし、側面シール材５のゴム等の力は小さいことから考慮しない。
即ち、貯液タンク８ａ内の液面を、免震層３上部面から１００ｃｍの高さになるよう水位調整スライダー８ｄを設定しその高さまで液体４を注入すると、貯液タンク８ａ内の液面が喫水となり浮体構造物本体２は完全浮体となる。
その場合、浮力を受ける免震層３上部面のゲージ圧力は０．１ａｔ（工学気圧）であり、絶対圧力は１．１ａｔである。
なお、０ｃｍ＜ｄ＜１００ｃｍの範囲で浮体構造物本体２は部分浮体となっている。貯液タンク８ａ内の液面の高さを、免震層３上部面から０ｃｍ〜１００ｃｍまでコントロールすることにより、免震層３上部面の絶対圧力を１．０ａｔから１．１ａｔまで比例的に調整することが可能である。
即ち、貯液タンク８ａ内の液面の高さを水位調整スライダー８ｄで操作することにより、浮体構造物本体２を部分浮体から完全浮体まで、浮体程度を自在に調整することが可能である。
【００２５】
図４は、免震層３の側面シール材５にゴム等の弾性体を用いた場合の断面概要を示した図である。免震層３が空気で満たされている初期状態から抜気しつつ免震層３へ液体４を注入する。液面が免震層３上部面に達したとき（ｄ＝０）、免震層３の高さがｈでありその底面の圧力をＨとしており、全てのリークバルブを閉じさらに液体４を注入し続けて液体加圧機構８の貯液タンク８ａ内の液面の高さがｄに達したとき、免震層３上部面のゲージ圧力をＤとしている。
液面の高さが０のとき、側面シール材５は図４（ａ）のとおり下方に下がるにつれ液体圧がかかる形状となり、さらに液体４を注入し所定の高さがｄに達したときには、図４（ｂ）のとおり円弧に近い形状になる。
即ち、側面シール材５の断面におけるゴム等の弾性体が伸びた長さ分が、液面の高さ０からｄまでさらに注入された液体４の圧力分Ｄに相当する。また液面の高さ０からｄまでさらに注入された液体４の容積は、図４（ａ）から図４（ｂ）に増えた円弧の面積Ｓａｒｃに免震層３の側面全周の長さを乗じたものである。
なお、側面シール材５のゴム等の弾性体が液体圧で伸びた分だけ収縮力が鉛直下方に生じるものの、浮体構造物本体２の荷重Ｗに比し小さいことから考慮しない。
【００２６】
免震層３の側面シール材５にゴム等の弾性体を用いた場合、側面シール材５は水平変形量を制御する水平バネ材としても機能する。
よって、免震層３は加圧液体４で浮力Ｂを発生させることにより浮体構造物本体２を支持する機能をもち、また免震層３の側面全周が水平バネ材となり水平変形能力と復元性能をもつことから、免震層３全体が巨大な免震装置として機能することになる。
【００２７】
免震装置７は例えば弾性滑り支承で、地盤６上に所定の距離を持って複数配置され、上部に浮体構造物本体２が配設される。該弾性滑り支承は積層ゴムを直列につないだ滑り支承である。
なお、本発明で免震装置７は弾性滑り支承に限るものではない。
このように配置された免震装置７は、部分浮体時において浮体構造物本体２の荷重から免震層３上部面より受ける浮力Ｂを除いた荷重（＝変動荷重＋固定荷重の一部）を支持する機能と、浮体構造物本体２と地盤６との水平挙動を絶縁する機能を有する。
また、図１および図２では、免震装置７は免震層３の外側に配置されているが、免震層３の内側に配置されても構わない。
【００２８】
本発明の第一の実施形態は、例えばここでは中小規模の地震への対応を目的としている。また第一の実施形態は、例えば大規模の地震に対し第二の実施形態へ瞬時に移行するための待機形態としている。
第一の実施形態において免震層３の側面シール材５にゴム等の弾性体を免震装置７に弾性滑り支承を用いた場合、例えば小規模の地震時には滑り支承の滑りが生じないものとすると、弾性滑り支承の積層ゴムと側面シール材５の水平バネとが並列に構成される状態であることから、それらの水平剛性の和が該免震層部における全ての剛性となる。
例えば中規模以上の地震時には該弾性滑り支承が滑動するものとすると、積層ゴムは地盤６から絶縁され、剛性は水平バネのみとなる。
【００２９】
本発明の第二の実施形態の加圧液体による浮体式免震構造について、図２に基づいて以下に説明する。
図２は本発明における第二の実施形態の加圧液体による浮体式免震構造に関する完全浮体式免震構造の概要を示す図である。
図２に示すように、第二の実施形態は図１の第一の実施形態の加圧液体による浮体式免震構造１に加え、流体室９と、流体室９に圧搾空気を送り込むための圧搾空気機構１０を設けて構成されている。
【００３０】
図２に示すように、流体室９は浮体構造物本体２の底部および免震層３の上部に形成された凹部内に隔壁で囲われて設置される。さらに流体室９は各一辺を隔壁で少なくとも四つに分割され１６以上の小室に分割される。
流体室９は圧搾空気が注入され圧搾空気が溜まる上部の空気層９ａと、下部に液体４が溜まる液体層９ｂからなる。
また、流体室９は、流体室９を囲い分割する隔壁９ｃと、隔壁９ｃに平行して配置される抵抗板９ｄと、液体層９ｂ部に配置された透水減衰材９ｅと、隔壁９ｃ端および抵抗板９ｄ端に直交して配置された延出片９ｆからなる。
流体室９はその形状によりダンバーとして強い減衰機能を有する。抵抗板９ｄの配列数は流体室９の大きさに応じ効果的に配置する。
なお、浮力を受ける面は、流体室９の各空気層９ａと液体層９ｂの境界面と、流体室９の部分を除く免震層３上部面であり、流体室が設けられることによっても有効受圧面積は変わらない。この流体室９の各境界面と流体室９部分を除く免震層３上部面の平均水平面が浮力を受ける面の高さとなる。
従って、液体加圧機構８において、この平均水平面から貯液タンク８ａ内の液面までが液体４を加圧する高さとなる。
【００３１】
図２に示すように、例えば圧搾空気機構１０は圧搾空気を貯えるエアータンク１０ｅと、エアータンク１０ｅと流体室９等を結ぶエアーパイプ１０ａと、圧搾空気を一方向だけに流す逆流防止のためのチェックバルブ１０ｂと、エアーパイプ１０ａに取り付けた地震感知器付エアーバルブ１０ｃと、流体室９等の圧搾空気抜き弁と安全弁を並列して備えるリーク＆リリーフバルブ１０ｄと、エアータンク１０ｅに圧搾空気を供給するためのエアーコンプレッサー１０ｆからなる。
【００３２】
通常時において浮体構造物本体２は部分浮体として備えているが、例えば大規模の地震動を感知したときに地震感知器付エアーバルブ１０ｃが開き、エアータンク１０ｅからエアーパイプ１０ａを通し空気層９ａに圧搾空気が注入され、その圧力により浮体構造物本体２は瞬時に完全浮体となる。
ただし、鉛直方向に十分な免震効果を発揮するには空気層９ａをかなり大きな容積とする必要がある。そのままでは地震時に注入する圧搾空気量が膨大な量になり、注入に時間がかかり浮体構造物本体２を瞬時に完全浮体させることができない恐れがある。
従って、予め空気層９ａに適切な量の圧搾空気を注入しておくものとする。
なお、完全浮体させた形態を静的に維持するには、液体加圧機構８の配液管バルブ８ｃを閉じるか、若しくは水位調整スライダー８ｄを調整し完全浮体に必要な液体４の加圧を図る等による。
【００３３】
浮体式免震構造１のシミュレーションモデルとして、図７のとおり諸元値を定め、以下に固有周期等を解析する。
【００３４】
図２に示すように、圧搾空気が注入された完全浮体においては免震装置７の弾性滑り支承は地盤６から離れ浮揚している状態となる。
免震層３の側面シール材５にゴムの弾性体を用いた場合、側面シール材５が水平変形量を制御する水平バネ材となる。
図４（ｃ）は、側面シール材５にゴムを使用した場合において、ゴム面は便宜上曲面ではなく平面としてその断面を表し、初期値よりｘｃｍだけ水平に浮体構造物本体２が変位したときの水平剛性を図解したものである。以下に、浮体構造物本体２の完全浮体時の水平方向の運動方程式を立て固有の免震周期を求める。
は、次のとおり、
従って、液体４の水平剛性、抵抗、付加質量効果、その他一切の減衰効果を考慮しなければ、完全浮体時の水平方向の運動方程式は近似的に次のようになる。
Ｍ＊ｘ″＝−ｓｉｇｎ（ｘ）＊ＫＧ＊（（ｘ２＋ｈ２）０．５−ｈ）・・▲３▼
ただし、Ｍは浮体構造物本体２の重量を、またプライムに関しｘ″（ｘ′）はｘを時間ｔについて微分した２階（１階）の導関数を、ｓｉｇｎ（ｘ）はｘの正負符号を表す。
ＫＧは免震層３の側面シール材５のゴムの水平剛性の総和である。
Ｇ：ゴムせん断弾性率、Ｅ：ゴム断面積とすると、
ＫＧ＝Ｇ＊Ｅ／ｈ ・・・・・・・・・・・・・・・・▲４▼
浮体式免震構造１の諸元値を図７より参照し、ゴム断面積Ｅ＝３６０ｃｍ２を得る。
Ｇは２、３、４ｋｇｆ／ｃｍ２の３種とする。▲４▼からＫＧ＝２４、３６、４８（ｋｇｆ／ｃｍ）
初速値は総エネルギー入力の速度換算値ＶＥとして、１２０、１５０、２００ｃｍ／ｓｅｃの３種とする。
▲３▼の二階微分方程式に上記の数値を設定し、０．００２秒刻みで数値計算して得られた解を、Ｇ別、ＶＥ別にグラフ化し図示したものが図５（ａ）（ｂ）におけるＯＲＧ線である。
結論として、せん断弾性率、初速値が小さい程、免震周期が長期化する。
浮体構造物本体２の完全浮体時の免震周期ＴＩは、Ｇ＝４ｋｇｆ／ｃｍ２、ＶＥ＝２００ｃｍ／ｓｅｃの場合、次の数値が得られる。
ＴＩ＝４．６ｓｅｃ ・・・・・・・・・・・・・・・・▲５▼
【００３５】
前項において、免震層３および液体層９ｂの液体４の中を隔壁９ｃ、抵抗板９ｄおよび延出片９ｆ等が運動をするとき、形状抵抗（圧力または慣性抵抗）、造波抵抗、造渦抵抗等を受ける。その抗力Ｒは次の式で表される。
Ｒ＝１／２＊ρ＊Ｃｄ＊Ｓ＊Ｖ２
ρ ：液体の密度 Ｃｄ：抵抗係数 Ｖ２：速度の二乗
Ｓ ：運動方向からの投射断面積（造波抵抗等のとき、Ｓ→▽２／３ ▽：排水容量）
また、緩やかな運動における速度に比例する粘性抵抗は小さいので考慮しない。
従って、▲３▼の運動方程式に上記抗力Ｒを付加すると次の式のようになる。
Ｍ＊ｘ″＝−ｓｉｇｎ（ｘ）＊ＫＧ＊（（ｘ２＋ｈ２）０．５−ｈ）−ｓｉｇｎ（ｘ′）＊ρ／２＊Ｃｄ＊Ｓ＊（ｘ′）２ ・・・▲６▼
ここで、抗力のうち形状抵抗のみを考慮する。ρ＝１ｇ／ｃｍ３、Ｃｄ＝１．２とする。
また水平運動における隔壁９ｃおよび抵抗板９ｄの運動方向からの投射断面積について、Ｓ＝１０、１３、１６×１０４ｃｍ２とする。
延出片９ｆも抵抗体であるが、ここでは形状抵抗体として考慮しない。
前項と同様に数値計算してＧ別、ＶＥ別にグラフ化し図示したものが図５（ａ）（ｂ）におけるＲ線であり、投射断面積別に図示したものが図５（ｃ）である。
結論として、せん断弾性率、初速値が小さい程、免震周期が長期化する。また投射断面積が大きいほど、減衰効果が大きく免震周期が長期化する。
【００３６】
前項同様に、免震層３および液体層９ｂの液体４の中を隔壁９ｃ、抵抗板９ｄおよび延出片９ｆが運動をするとき、加速度に比例する抵抗も受ける。
係数をＭｒとすると▲６▼の運動方程式の右辺に−Ｍｒ＊ｘ″の項が加わることになる。これを左辺に移項し整理すると、（Ｍ＋Ｍｒ）＊ｘ″となり、慣性力に対する付加質量効果が生じることがわかる。
即ち付加質量効果は、見掛け上の質量を増大させることにより免震周期を長期化し免震性能を向上させる。
【００３７】
リーク＆リリーフバルブ１０ｄにより流体室９から空気が抜かれる状況で液体４を注入し流体室９を液体４で満たしたのち加圧液体４だけで浮体構造物本体２を完全浮体させた場合の浮体構造物本体２のローリング運動を解析する。
流体室９に空気層９ａが存在しないため浮体構造物本体２は上下運動をせずローリング運動のみ生じるものとし、また免震層３による抵抗、付加慣性モーメントも考慮しないものとする。諸元値は図６を参照し、ゴムのせん断弾性率Ｇ＝４ｋｇｆ／ｃｍ２とする。
浮体構造物本体２のローリング運動の概要は図６（ａ）（ｂ）のとおりとする。
免震層３の上部面の浮力の中心であるＢを原点とするｙ’軸の軸を中心にローリングし、ｚ’軸がθだけ傾いた場合を想定する。
θは小さいことよりｓｉｎθ＝θとし、またθだけ傾いても免震装置７の弾性滑り支承は地盤６から離れて浮揚している状態とする。
ローリング運動におけるゴムによるモーメントは次のとおり
Ｎｙ面のゴムの力ｆｙ ＝Ｋｙ＊Ｌｘ／２＊θ（ｋｇｆ）
Ｎｘ面のゴムの力ｆｘ ＝Ｋｘ＊ｘ＊θ＝０．０２６７＊θ＊ｘ２（ｋｇｆ）
重心Ｇの慣性モーメントをＩＧ、ＧからＬｚ／２だけ鉛直下方にあるＢの慣性モーメントをＩＢとすると、
慣性モーメントＩＧ ＝ １／１２＊Ｍ＊（Ｌｚ２＋Ｌｘ２）
慣性モーメントＩＢ ＝ ＩＧ＋Ｍ＊（Ｌｚ／２）２＝Ｍ／１２＊（４Ｌｚ２＋Ｌｘ２）
＝ ２．６７×１０９（ｋｇ・ｃｍ）・・・・・・・・・・▲９▼
Ｂを原点とし、ｚ’軸がθだけ傾いたときの運動方程式は図６（ａ）（ｂ）より次のとおり、
ＩＢ＊θ″＝−Ｍ＊ｇ＊（Ｌｚ／２）＊θ＋２Ｎｙ＋４Ｎｘ
▲７▼▲８▼▲９▼より、また１ｋｇｆ＝９８０ｋｇ・ｃｍ／ｓｅｃ２とすると、
２．６７×１０９＊θ″＝−４．５６×１０９＊θ
上記運動方程式の周期Ｔｒは次のとおり、
∴周期Ｔｒ＝２π（２．６７／４．５６）０．５＝４．８（ｓｅｃ）
図７の諸元表の条件等で浮体構造物本体２は４．８秒程度の固有ローリング周期をもつ。
大規模地震時の水平免震周期ＴＩにほぼ一致することより共振への注意が必要である。
【００３８】
圧搾空気が注入された完全浮体においては、例えば免震装置７の弾性滑り支承は地盤６から離れ浮揚しており、浮体構造物本体２の重量Ｍは直列的に流体室９の空気層９ａを介して免震層３により支持されている状態である。
即ち、空気層９ａの空気の剛性によりエアークッション効果で鉛直方向に対する免震効果を得ることが期待できる。
【００３９】
空気層９ａのバネ定数Ｋａは近似的に次のように求められる。
Ｋａ＝（γ＊Ｐａ＊Ａａ２）／（Ｖａ＋Ｖｔ）・・・・・・・・・・▲１０▼
ただし、γ ：ポリトロピック数で動１．４、静１．０ Ｐａ：絶対圧力（Ｐ＋１）
Ａａ：空気層９ａの有効受圧面積
Ｖａ：空気層９ａの容積 Ｖｔ：エアータンク１０ｅの容積
γ＝１．４、Ｐａ＝１．１ｋｇｆ／ｃｍ２、ここではチェックバルブ１０ｂは備えていないものとし、地震感知器付エアーバルブ１０ｃは圧搾空気注入後に閉鎖されるとして容積Ｖｔは考慮しない。免震層３側面シール材５の剛性に影響されないものとする。
▲１０▼式と上記および図７の諸元値より、Ｋａは次のとおり、
Ｋａ＝１．５４×１０３（ｋｇｆ／ｃｍ） ・・・・・・・・・・▲１１▼
空気層９ａの固有振動数ｆａは次のとおり求められる。
ｆａ＝（Ｋａ／Ｍ）０．５／２π＝０．９８Ｈｚ（＝１／ｓｅｃ）・・・▲１２▼
固有振動数ｆａが１Ｈｚ以下であれば十分な免震効果が得られることが知られている。
ここでは空気層９ａの高さが１２０ｃｍ以上であれば、ｆａは１Ｈｚ以下となる。
また、流体室９において空気層９ａの固有振動に応じて液体層９ｂも相対的に上下運動するが、延出片９ｆ等が抵抗体となり振動周期に対する付加質量効果が生じることにより、固有振動数低下に貢献する。
【００４０】
図７の諸元表の条件で免震層３と空気層９ａの共振への配慮は必要ない。
しかし、固有振動数ｆａが地震動の卓越振動数と同程度であることより共振を防ぐ配慮が必要である。
地震動との共振を防ぐには、例えば流体室９の小室の各空気層９ａの高さを変えることによる。
それには、流体室９に予め圧搾空気を注入した後リーク＆リリーフバルブ１０ｄで各空気層９ａの容積量を調整することによる方法が可能である。
また、図２のとおり二組の地震感知付エアーバルブ１０ｃを備え作動時間等を変えることにより２系統の各空気層９ａの容積量を設定することによる方法によっても可能である。
なお、図７の諸元表の条件で空気バネによる十分な免震効果を得るには、空気層９ａの高さを１２０ｃｍ以上にする必要がある。空気層９ａの容積Ｖａを圧搾空気で満たすには大容量の圧搾空気を注入することになり、注入に時間がかかり浮体構造物本体２を瞬時に完全浮体させることができない恐れがある。
従って、共振を防ぐことだけではなく注入量への対応から、流体室９の空気層９ａに予め圧搾空気を必要な高さまで注入しておく。
【００４１】
免震層を設けることを特徴とする本発明においても流体室９に圧搾空気が注入された場合、特許文献２同様に浮体構造物本体２の静的安定性を維持し復元力を得るために、流体室９の各一辺を隔壁９ｃにより少なくとも四つに分割し流体室を１６以上の小室に分割する必要がある。
分割の際は浮力中心点で対称になることや等間隔となることが望ましい。
なお図２のとおり、流体室９の小室間でエアーパイプ１０ａを通じ圧搾空気が相互に流れ込まないよう例えばチェックバルブ１０ｂを備えることにより流体室９の各小室の独立性を確保する。
【００４２】
本発明の第三の実施形態の加圧液体による浮体式免震構造について、図３に基づいて以下に説明する。
図３は本発明における第三の実施形態の加圧液体による浮体式免震構造に関する完全浮体式免震構造の概要を示す図である。
図３に示すように、第三の実施形態は図２の第二の実施形態の加圧液体による浮体式免震構造１に加え、空気室９ｇを設けて構成される。
【００４３】
第二の実施形態における空気層９ａにおいては、空気バネによる有効な免震効果を得るには十分な容積、即ち十分な高さを浮体構造物本体２の底部に確保する必要がある。そのままでは軽い空気層が底部に位置するため浮体構造物本体２の重心位置が高くなりバランスの悪い構造となる。
そこで図３に示すように、例えば浮体構造物本体２の下方の地下に容積量の異なる複数の独立した空気室９ｇを設置することにより、擬似的に十分な高さをもった空気層を確保できる。
各空気室９ｇは予め圧搾空気が注入されており、各空気層９ａとフレキシブルなエアーパイプ等で連通されていれば浮体構造物本体２外部のどこに設置しても構わない。
空気室９ｇにより、浮体構造物本体２の重心を低く保ちつつ、十分な容積量の空気層９ａを確保し鉛直方向の免震性能を向上させ地震動の卓越振動数等との共振を防ぎ得る。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明における第一の実施形態の加圧液体による浮体式免震構造（部分浮体時）と液体加圧機構の概要を示す図
【図２】本発明における第二の実施形態の加圧液体による浮体式免震構造（完全浮体時）と流体室および圧搾空気機構の概要を示す図
【図３】本発明における第三の実施形態の加圧液体による浮体式免震構造（完全浮体時）と空気室の概要を示す図
【図４】本発明における免震層側面の加圧液体による形状と地震動による変位を示す図
【図５】本発明における完全浮体式免震構造の水平運動の免震周期解析を示す図
【図６】本発明における免震層のローリング運動の概要を示す図
【図７】シミュレーションモデルにおける浮体式免震構造の諸元値表
【図８】従来の完全浮体式免震構造の概要を示す図
【図９】従来の部分浮体式免震構造の概要を示す図
【符号の説明】
【００４５】
１ 浮体式免震構造
２ 浮体構造物本体
３ 免震層
４ 液体
５ シール材
６ 地盤
７ 免震装置
８ 液体加圧機構
８ａ 貯液タンク
８ｂ 配液管
８ｃ 配液管バルブ
８ｄ 水位調整スライダー
９ 流体室
９ａ 空気層
９ｂ 液体層
９ｃ 隔壁
９ｄ 抵抗板
９ｅ 透水減衰材
９ｆ 延出片
９ｇ 空気室
１０ 圧搾空気機構
１０ａ エアーパイプ
１０ｂ チェックバルブ
１０ｃ 地震感知器付エアーバルブ
１０ｄ リーク＆リリーフバルブ
１０ｅ エアータンク
１０ｆ エアーコンプレッサー
１１ 浮体式免震構造物
１２ 浮体構造物本体
１３ 免震ピット
１４ 液体
１５ 掘削底面
１６ 地盤
１７ 免震装置（低せん断剛性構造体）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加圧液体による浮体式免震構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、図８に示すように、浮体構造物本体１２を免震ピット１３中に浮かべ、大地と絶縁することによって水平地震動に対し高い免震効果を得るものとして、完全浮体構造の浮体式免震構造物１１は一般に広く知られている（非特許文献１参照）。
しかしこのような完全浮体式免震構造物では、浮体構造物本体１２に生じる変動荷重により構造物が容易に傾いたり、液面の変動に追随して浮体構造物本体１２が鉛直方向に変動するなど、居住性及び使用性の面から課題が生じていた。
そこで図９に示すように、浮体構造物本体の変動荷重と固定荷重の一部を免震装置などの低せん断構造体１７を介して地盤１６で支持する部分浮体式免震構造も提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
この部分浮体式免震構造の場合、図９に示すように浮体構造物本体１２の荷重Ｗは、浮体構造物本体１２の固定荷重Ｗ１と鉛直下方向に作用する正値の変動荷重Ｗ２とを足しあわせたもの（Ｗ＝Ｗ１＋Ｗ２）である。荷重Ｗから変動荷重Ｗ２と浮力Ｂを除
としている。
【０００４】
なお、液体を水、浮体構造物本体１２の浮体底面は水平でその面積をＡ、底面から喫水線までの高さをｄとすると、排水量はＡｄであり、浮力ＢはＡｄｇ（ｇは重力加速度）となる。
【０００５】
上記の浮体式免震構造では水平地震動に対する免震性を有しているものの、鉛直（上下）地震動に対する免震性は有していなかったことから、浮体底部に空気室を設け、浮体式のみでは得られない鉛直地震動に対する免震性をエアークッション効果で得るという提案がされている。
また、浮体底部の一方向に対して空気室を少なくとも４つに等分割することにより静的安定性の維持と復元力を得るという、空気室を有する浮体式免震構造も提案されている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【０００６】
【非特許文献１】大山巧他、「浮体式免震工法に関する研究−水平免震性能と風外力に対する安定性−」、日本建築学会大会学術講演概集、ｐ７６５−７６６、１９９９年９月
【特許文献１】特開２００４−２７７３２
【特許文献２】特開２０００−１１０４０２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の浮体式免震構造における免震ピットは、所望の深さまで地盤を掘り下げることにより形成され、土圧に耐える強度をもった側壁と床底面を備えている。
また、浮体構造物本体の側壁と免震ピットの側壁との間に所定の幅のクリアランスを全周に亘って設けなければならない。
従来の浮体式免震構造の小規模な建築物や一般住宅等への導入は、その規模の割合において大掛かりな免震ピットを必要とし、合理性、経済性に欠けるものであった。
【０００８】
本発明は、従来のプール状の免震ピットの代わりに、液体を閉じ込める形態をした免震層を設けることにより、従来の浮体式免震構造に比し同等以上の機能を持たせつつ、コンパクトで経済的な免震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】
【０００９】
本発明では、液体を閉じ込める手段として、浮体構造物本体と地盤の間に例えば弾性機能を併せ持つシール材で囲まれた免震層を設けることを特徴とする。
浮体式免震構造は先ずは部分浮体として、免震層と、免震層内に注入される加圧液体と、加圧液体を加圧調整するための液体加圧機構を設け、変動荷重と固定荷重の一部を支持し浮体構造物本体と地盤との水平挙動を絶縁する免震装置を備える。
液体加圧機構は、例えば浮体構造物本体の底部に接している免震層上部面から浮体構造物本体に設置されている貯液タンクの液面までの高さによる圧力を利用し、液体加圧機構により加圧調整された加圧液体は、免震層に注入され免震層上部面を鉛直上方向に押し上げる浮力Ｂとして作用させることが可能となる。
例えば通常時または中小規模の地震時において、浮体構造物本体は液体加圧機構により部分浮体しており、部分浮体式免震構造として機能させることが可能となる。
【００１０】
本発明では、浮体構造物本体の底部および免震層の上部に形成された凹部内に空気層と液体層からなる流体室と、流体室内に圧搾空気を送り込むための圧搾空気機構を設けることを特徴とする。
例えば大規模の地震時において、圧搾空気機構が作動し圧搾空気が流体室に注入され圧搾空気により浮体構造物本体は部分浮体から完全浮体へ瞬時に移行することになり、完全浮体式免震構造として機能させることが可能となる。
【００１１】
本発明では、流体室に隔壁と、抵抗板と、延出片と、透水減衰材等の抵抗体を備えることを特徴とする。これらの抵抗体により、減衰効果等を発揮させ免震性能を向上させることが可能となる。
【００１２】
本発明では、流体室の各一辺を隔壁で少なくとも四つに分割し流体室を１６以上の小室に分割することを特徴とする。完全浮体式免震構造の静的安定性を維持させ復元力を得させることを可能とする。
【００１３】
本発明では、浮体構造物本体の下方の地下等に空気室を設けることを特徴とする。浮体構造物本体の重心を低く保ちつつ十分な容積量の空気層を確保することにより鉛直地震動に対し高い免震効果を得させることを可能とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、浮体構造物本体と地盤の間にシール材で囲まれた免震層と液体を加圧調整するための液体加圧機構を設け、免震層に加圧液体を注入し、免震層の側面のシール材にゴム等の弾性機能を併せ持たせるかまたは弾性機能をもった部材をシール材の内ないし外に配置するかし、また変動荷重と固定荷重の一部を支持し浮体構造物本体と地盤との水平挙動を絶縁する免震装置を備えることにより、浮体構造物本体を部分浮体から完全浮体まで浮体程度を自在に調整でき得る。部分浮体式免震構造においては水平方向の免震効果を発揮させ得る。
【００１５】
本発明によれば、浮体構造物本体の底部および免震層の上部に形成された凹部内に隔壁で囲われ空気層と液体層からなる流体室を設け、また圧搾空気機構を設けることにより、例えば大地震時に圧搾空気を流体室内に注入することができ、浮体構造物本体を部分浮体から完全浮体へ瞬時に移行させることが可能となる。
完全浮体式免震構造においては水平方向の免震効果を一層高めることができるとともに、流体室の空気層のエアークッション効果により鉛直方向の免震効果を発揮させ得る。
【００１６】
本発明によれば、流体室の液体層中に透水減衰材を備えることにより、減衰効果を発揮させ得る。
【００１７】
本発明によれば、流体室を分割する隔壁と、隔壁に平行して配置される抵抗板と、隔壁端および抵抗板端に直交する延出片等を備えることにより、これらが免震層および液体層の液体中を運動するとき、速度の二乗に比例する液体の抵抗力を受け、減衰効果を発揮させ得る。
【００１８】
本発明によれば、前項同様に隔壁と抵抗板と延出片等を備えることにより、これらが免震層および液体層の液体中を運動するとき、加速度に比例する液体の抵抗力も受け、質量が増加したような挙動をとる付加質量効果が生じることになる。
即ち浮体構造物本体の重量が見掛け上増加することになり、免震周期を長期化させ免震性能を向上させ得る。
【００１９】
本発明によれば、流体室の各一辺を隔壁で少なくとも四つに分割し流体室を１６以上に分割したそれぞれの小室に、独立し高さの異なる空気層を設けることにより、完全浮体時における静的安定性を維持し復元力を得るとともに、地震動の卓越振動数等との共振を防ぐ効果を持たせ得る。
【００２０】
本発明によれば、浮体構造物本体の下部の地下等に容積の異なる複数の空気室を設けることにより、浮体構造物本体の重心を低く保ちつつ十分な容積量の空気層を確保し鉛直方向の免震性能を向上させ共振を防ぐ効果を持たせ得る。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の第一の実施形態の加圧液体による浮体式免震構造について、図１に基づいて以下に説明する。
図１は本発明における第一の実施形態の加圧液体による浮体式免震構造に関する部分浮体式免震構造の概要を示す図である。
【００２２】
図１に示すように、第一の実施形態の加圧液体による浮体式免震構造１は、液体４を閉じ込める手段として浮体構造物本体２と地盤６の間にシール材５で囲まれた免震層３を設け、例えば免震層３の側面のシール材５にゴム等の弾性機能を併せ持たせ、免震層３内に注入される加圧された液体４と、液体４を加圧調整するための液体加圧機構８と、部分浮体時に浮体構造物本体２と地盤６の水平挙動を絶縁する免震装置７を備えて構成される。
ここでは、側面のシール材５にゴム等の弾性機能を併せ持たせるとしているが、同様な弾性機能をもった部材を側面のシール材５の内側ないし外側に配置しても構わない。
なお、図１では免震装置７として弾性滑り支承を用いており、浮体構造物本体２に生じる鉛直方向の変動荷重と、加圧液体４による浮力で相殺された残りの固定荷重は、該弾性滑り支承を介し地盤６で支持される。
【００２３】
図１の液体加圧機構８は高さによる圧力を利用する概要を示す図である。免震層３への加圧液体注入は液体加圧機構８により行う。
なお、本発明においては液体４が加圧されればよいのでアクティブな機械式の液体加圧機構でも構わない。
また液体加圧機構８は、水用の装置や機器等により代替可能としている。
図１に示すように、例えば液体加圧機構８は、貯液タンク８ａと、貯液タンク８ａから排液する配液管８ｂと、貯液タンク８ａに液体４を供給する配液管８ｂおよびその配液管８ｂに取り付ける配液管バルブ８ｃと、貯液タンク８ａと免震層３を連結する配液管８ｂおよびその配液管８ｂに取り付ける配液管バルブ８ｃと、貯液タンク８ａ内の液面の水平位置を調整するための水位調整スライダー８ｄからなる。
【００２４】
図１の液体加圧機構８において、免震層３内の圧力調整は、免震層３上部面から貯液タンク８ａ内の液面までの高さｄをコントロールすることにより行う。
浮体構造物本体２の荷重Ｗ＝Ｍｇ・・・▲１▼ ただし Ｍ：浮体構造物本体２の重量浮体構造物本体２底面に接する免震層３上部面の有効受圧面積をＡとすると、免震層３上部面は加圧液体による浮力Ｂを受ける。
浮力Ｂは、
Ｂ＝ρＡｄｇ・・・・・・・・・・▲２▼ ただし ρ：液体４の密度（ｇ／ｃｍ３）
▲１▼▲２▼において、ρ＝１ｇ／ｃｍ３、Ｍを２０×１０３ｋｇ、Ａを２０×１０４（ｃｍ２）とすると、
Ｍｇ＝２０×１０３×１０３（ｇ）×ｇ（ｃｍ／ｓｅｃ２）
Ｂ ＝１（ｇ／ｃｍ３）×２０×１０４（ｃｍ２）×ｄ（ｃｍ）×ｇ（ｃｍ／ｓｅｃ２）
地盤６から免震装置７の弾性滑り支承が浮き上がる場合、▲１▼＝▲２▼であるから、ｄ＝１００ｃｍとなる。
ただし、鉛直方向の力は荷重Ｗと浮力Ｂのみとし、側面シール材５のゴム等の力は小さいことから考慮しない。
即ち、貯液タンク８ａ内の液面を、免震層３上部面から１００ｃｍの高さになるよう水位調整スライダー８ｄを設定しその高さまで液体４を注入すると、貯液タンク８ａ内の液面が喫水となり浮体構造物本体２は完全浮体となる。
その場合、浮力を受ける免震層３上部面のゲージ圧力は０．１ａｔ（工学気圧）であり、絶対圧力は１．１ａｔである。
なお、０ｃｍ＜ｄ＜１００ｃｍの範囲で浮体構造物本体２は部分浮体となっている。貯液タンク８ａ内の液面の高さを、免震層３上部面から０ｃｍ〜１００ｃｍまでコントロールすることにより、免震層３上部面の絶対圧力を１．０ａｔから１．１ａｔまで比例的に調整することが可能である。
即ち、貯液タンク８ａ内の液面の高さを水位調整スライダー８ｄで操作することにより、浮体構造物本体２を部分浮体から完全浮体まで、浮体程度を自在に調整することが可能である。
【００２５】
図４は、免震層３の側面シール材５にゴム等の弾性体を用いた場合の断面概要を示した図である。免震層３が空気で満たされている初期状態から抜気しつつ免震層３へ液体４を注入する。液面が免震層３上部面に達したとき（ｄ＝０）、免震層３の高さがｈでありその底面の圧力をＨとしており、全てのリークバルブを閉じさらに液体４を注入し続けて液体加圧機構８の貯液タンク８ａ内の液面の高さがｄに達したとき、免震層３上部面のゲージ圧力をＤとしている。
液面の高さが０のとき、側面シール材５は図４（ａ）のとおり下方に下がるにつれ液体圧がかかる形状となり、さらに液体４を注入し所定の高さがｄに達したときには、図４（ｂ）のとおり円弧に近い形状になる。
即ち、側面シール材５の断面におけるゴム等の弾性体が伸びた長さ分が、液面の高さ０からｄまでさらに注入された液体４の圧力分Ｄに相当する。また液面の高さ０からｄまでさらに注入された液体４の容積は、図４（ａ）から図４（ｂ）に増えた円弧の面積Ｓａｒｃに免震層３の側面全周の長さを乗じたものである。
なお、側面シール材５のゴム等の弾性体が液体圧で伸びた分だけ収縮力が鉛直下方に生じるものの、浮体構造物本体２の荷重Ｗに比し小さいことから考慮しない。
【００２６】
免震層３の側面シール材５にゴム等の弾性体を用いた場合、側面シール材５は水平変形量を制御する水平バネ材としても機能する。
よって、免震層３は加圧液体４で浮力Ｂを発生させることにより浮体構造物本体２を支持する機能をもち、また免震層３の側面全周が水平バネ材となり水平変形能力と復元性能をもつことから、免震層３全体が巨大な免震装置として機能することになる。
【００２７】
免震装置７は例えば弾性滑り支承で、地盤６上に所定の距離を持って複数配置され、上部に浮体構造物本体２が配設される。該弾性滑り支承は積層ゴムを直列につないだ滑り支承である。
なお、本発明で免震装置７は弾性滑り支承に限るものではない。
このように配置された免震装置７は、部分浮体時において浮体構造物本体２の荷重から免震層３上部面より受ける浮力Ｂを除いた荷重（＝変動荷重＋固定荷重の一部）を支持する機能と、浮体構造物本体２と地盤６との水平挙動を絶縁する機能を有する。
また、図１および図２では、免震装置７は免震層３の外側に配置されているが、免震層３の内側に配置されても構わない。
【００２８】
本発明の第一の実施形態は、例えばここでは中小規模の地震への対応を目的としている。また第一の実施形態は、例えば大規模の地震に対し第二の実施形態へ瞬時に移行するための待機形態としている。
第一の実施形態において免震層３の側面シール材５にゴム等の弾性体を免震装置７に弾性滑り支承を用いた場合、例えば小規模の地震時には滑り支承の滑りが生じないものとすると、弾性滑り支承の積層ゴムと側面シール材５の水平バネとが並列に構成される状態であることから、それらの水平剛性の和が該免震層部における全ての剛性となる。
例えば中規模以上の地震時には該弾性滑り支承が滑動するものとすると、積層ゴムは地盤６から絶縁され、剛性は水平バネのみとなる。
【００２９】
本発明の第二の実施形態の加圧液体による浮体式免震構造について、図２に基づいて以下に説明する。
図２は本発明における第二の実施形態の加圧液体による浮体式免震構造に関する完全浮体式免震構造の概要を示す図である。
図２に示すように、第二の実施形態は図１の第一の実施形態の加圧液体による浮体式免震構造１に加え、流体室９と、流体室９に圧搾空気を送り込むための圧搾空気機構１０を設けて構成されている。
【００３０】
図２に示すように、流体室９は浮体構造物本体２の底部および免震層３の上部に形成された凹部内に隔壁で囲われて設置される。さらに流体室９は各一辺を隔壁で少なくとも四つに分割され１６以上の小室に分割される。
流体室９は圧搾空気が注入され圧搾空気が溜まる上部の空気層９ａと、下部に液体４が溜まる液体層９ｂからなる。
また、流体室９は、流体室９を囲い分割する隔壁９ｃと、隔壁９ｃに平行して配置される抵抗板９ｄと、液体層９ｂ部に配置された透水減衰材９ｅと、隔壁９ｃ端および抵抗板９ｄ端に直交して配置された延出片９ｆからなる。
流体室９はその形状によりダンバーとして強い減衰機能を有する。抵抗板９ｄの配列数は流体室９の大きさに応じ効果的に配置する。
なお、浮力を受ける面は、流体室９の各空気層９ａと液体層９ｂの境界面と、流体室９の部分を除く免震層３上部面であり、流体室が設けられることによっても有効受圧面積は変わらない。この流体室９の各境界面と流体室９部分を除く免震層３上部面の平均水平面が浮力を受ける面の高さとなる。
従って、液体加圧機構８において、この平均水平面から貯液タンク８ａ内の液面までが液体４を加圧する高さとなる。
【００３１】
図２に示すように、例えば圧搾空気機構１０は圧搾空気を貯えるエアータンク１０ｅと、エアータンク１０ｅと流体室９等を結ぶエアーパイプ１０ａと、圧搾空気を一方向だけに流す逆流防止のためのチェックバルブ１０ｂと、エアーパイプ１０ａに取り付けた地震感知器付エアーバルブ１０ｃと、流体室９等の圧搾空気抜き弁と安全弁を並列して備えるリーク＆リリーフバルブ１０ｄと、エアータンク１０ｅに圧搾空気を供給するためのエアーコンプレッサー１０ｆからなる。
【００３２】
通常時において浮体構造物本体２は部分浮体として備えているが、例えば大規模の地震動を感知したときに地震感知器付エアーバルブ１０ｃが開き、エアータンク１０ｅからエアーパイプ１０ａを通し空気層９ａに圧搾空気が注入され、その圧力により浮体構造物本体２は瞬時に完全浮体となる。
ただし、鉛直方向に十分な免震効果を発揮するには空気層９ａをかなり大きな容積とする必要がある。そのままでは地震時に注入する圧搾空気量が膨大な量になり、注入に時間がかかり浮体構造物本体２を瞬時に完全浮体させることができない恐れがある。
従って、予め空気層９ａに適切な量の圧搾空気を注入しておくものとする。
なお、完全浮体させた形態を静的に維持するには、液体加圧機構８の配液管バルブ８ｃを閉じるか、若しくは水位調整スライダー８ｄを調整し完全浮体に必要な液体４の加圧を図る等による。
【００３３】
浮体式免震構造１のシミュレーションモデルとして、図７のとおり諸元値を定め、以下に固有周期等を解析する。
【００３４】
図２に示すように、圧搾空気が注入された完全浮体においては免震装置７の弾性滑り支承は地盤６から離れ浮揚している状態となる。
免震層３の側面シール材５にゴムの弾性体を用いた場合、側面シール材５が水平変形量を制御する水平バネ材となる。
図４（ｃ）は、側面シール材５にゴムを使用した場合において、ゴム面は便宜上曲面ではなく平面としてその断面を表し、初期値よりｘｃｍだけ水平に浮体構造物本体２が変位したときの水平剛性を図解したものである。以下に、浮体構造物本体２の完全浮体時の水平方向の運動方程式を立て固有の免震周期を求める。
は、次のとおり、
従って、液体４の水平剛性、抵抗、付加質量効果、その他一切の減衰効果を考慮しなければ、完全浮体時の水平方向の運動方程式は近似的に次のようになる。
Ｍ＊ｘ″＝−ｓｉｇｎ（ｘ）＊ＫＧ＊（（ｘ２＋ｈ２）０．５−ｈ）・・▲３▼
ただし、Ｍは浮体構造物本体２の重量を、またプライムに関しｘ″（ｘ′）はｘを時間ｔについて微分した２階（１階）の導関数を、ｓｉｇｎ（ｘ）はｘの正負符号を表す。
ＫＧは免震層３の側面シール材５のゴムの水平剛性の総和である。
Ｇ：ゴムせん断弾性率、Ｅ：ゴム断面積とすると、
ＫＧ＝Ｇ＊Ｅ／ｈ ・・・・・・・・・・・・・・・・▲４▼
浮体式免震構造１の諸元値を図７より参照し、ゴム断面積Ｅ＝３６０ｃｍ２を得る。
Ｇは２、３、４ｋｇｆ／ｃｍ２の３種とする。▲４▼からＫＧ＝２４、３６、４８（ｋｇｆ／ｃｍ）
初速値は総エネルギー入力の速度換算値ＶＥとして、１２０、１５０、２００ｃｍ／ｓｅｃの３種とする。
▲３▼の二階微分方程式に上記の数値を設定し、０．００２秒刻みで数値計算して得られた解を、Ｇ別、ＶＥ別にグラフ化し図示したものが図５（ａ）（ｂ）におけるＯＲＧ線である。
結論として、せん断弾性率、初速値が小さい程、免震周期が長期化する。
浮体構造物本体２の完全浮体時の免震周期ＴＩは、Ｇ＝４ｋｇｆ／ｃｍ２、ＶＥ＝２００ｃｍ／ｓｅｃの場合、次の数値が得られる。
ＴＩ＝４．６ｓｅｃ ・・・・・・・・・・・・・・・・▲５▼
【００３５】
前項において、免震層３および液体層９ｂの液体４の中を隔壁９ｃ、抵抗板９ｄおよび延出片９ｆ等が運動をするとき、形状抵抗（圧力または慣性抵抗）、造波抵抗、造渦抵抗等を受ける。その抗力Ｒは次の式で表される。
Ｒ＝１／２＊ρ＊Ｃｄ＊Ｓ＊Ｖ２
ρ ：液体の密度 Ｃｄ：抵抗係数 Ｖ２：速度の二乗
Ｓ ：運動方向からの投射断面積（造波抵抗等のとき、Ｓ→▽２／３ ▽：排水容量）
また、緩やかな運動における速度に比例する粘性抵抗は小さいので考慮しない。
従って、▲３▼の運動方程式に上記抗力Ｒを付加すると次の式のようになる。
Ｍ＊ｘ″＝−ｓｉｇｎ（ｘ）＊ＫＧ＊（（ｘ２＋ｈ２）０．５−ｈ）−ｓｉｇｎ（ｘ′）＊ρ／２＊Ｃｄ＊Ｓ＊（ｘ′）２ ・・・▲６▼
ここで、抗力のうち形状抵抗のみを考慮する。ρ＝１ｇ／ｃｍ３、Ｃｄ＝１．２とする。
また水平運動における隔壁９ｃおよび抵抗板９ｄの運動方向からの投射断面積について、Ｓ＝１０、１３、１６×１０４ｃｍ２とする。
延出片９ｆも抵抗体であるが、ここでは形状抵抗体として考慮しない。
前項と同様に数値計算してＧ別、ＶＥ別にグラフ化し図示したものが図５（ａ）（ｂ）におけるＲ線であり、投射断面積別に図示したものが図５（ｃ）である。
結論として、せん断弾性率、初速値が小さい程、免震周期が長期化する。また投射断面積が大きいほど、減衰効果が大きく免震周期が長期化する。
【００３６】
前項同様に、免震層３および液体層９ｂの液体４の中を隔壁９ｃ、抵抗板９ｄおよび延出片９ｆが運動をするとき、加速度に比例する抵抗も受ける。
係数をＭｒとすると▲６▼の運動方程式の右辺に−Ｍｒ＊ｘ″の項が加わることになる。これを左辺に移項し整理すると、（Ｍ＋Ｍｒ）＊ｘ″となり、慣性力に対する付加質量効果が生じることがわかる。
即ち付加質量効果は、見掛け上の質量を増大させることにより免震周期を長期化し免震性能を向上させる。
【００３７】
リーク＆リリーフバルブ１０ｄにより流体室９から空気が抜かれる状況で液体４を注入し流体室９を液体４で満たしたのち加圧液体４だけで浮体構造物本体２を完全浮体させた場合の浮体構造物本体２のローリング運動を解析する。
流体室９に空気層９ａが存在しないため浮体構造物本体２は上下運動をせずローリング運動のみ生じるものとし、また免震層３による抵抗、付加慣性モーメントも考慮しないものとする。諸元値は図６を参照し、ゴムのせん断弾性率Ｇ＝４ｋｇｆ／ｃｍ２とする。
浮体構造物本体２のローリング運動の概要は図６（ａ）（ｂ）のとおりとする。
免震層３の上部面の浮力の中心であるＢを原点とするｙ’軸の軸を中心にローリングし、ｚ’軸がθだけ傾いた場合を想定する。
θは小さいことよりｓｉｎθ＝θとし、またθだけ傾いても免震装置７の弾性滑り支承は地盤６から離れて浮揚している状態とする。
ローリング運動におけるゴムによるモーメントは次のとおり
Ｎｙ面のゴムの力ｆｙ ＝Ｋｙ＊Ｌｘ／２＊θ（ｋｇｆ）
Ｎｘ面のゴムの力ｆｘ ＝Ｋｘ＊ｘ＊θ＝０．０２６７＊θ＊ｘ２（ｋｇｆ）
重心Ｇの慣性モーメントをＩＧ、ＧからＬｚ／２だけ鉛直下方にあるＢの慣性モーメントをＩＢとすると、
慣性モーメントＩＧ ＝ １／１２＊Ｍ＊（Ｌｚ２＋Ｌｘ２）
慣性モーメントＩＢ ＝ ＩＧ＋Ｍ＊（Ｌｚ／２）２＝Ｍ／１２＊（４Ｌｚ２＋Ｌｘ２）
＝ ２．６７×１０９（ｋｇ・ｃｍ）・・・・・・・・・・▲９▼
Ｂを原点とし、ｚ’軸がθだけ傾いたときの運動方程式は図６（ａ）（ｂ）より次のとおり、
ＩＢ＊θ″＝−Ｍ＊ｇ＊（Ｌｚ／２）＊θ＋２Ｎｙ＋４Ｎｘ
▲７▼▲８▼▲９▼より、また１ｋｇｆ＝９８０ｋｇ・ｃｍ／ｓｅｃ２とすると、
２．６７×１０９＊θ″＝−４．５６×１０９＊θ
上記運動方程式の周期Ｔｒは次のとおり、
∴周期Ｔｒ＝２π（２．６７／４．５６）０．５＝４．８（ｓｅｃ）
図７の諸元表の条件等で浮体構造物本体２は４．８秒程度の固有ローリング周期をもつ。
大規模地震時の水平免震周期ＴＩにほぼ一致することより共振への注意が必要である。
【００３８】
圧搾空気が注入された完全浮体においては、例えば免震装置７の弾性滑り支承は地盤６から離れ浮揚しており、浮体構造物本体２の重量Ｍは直列的に流体室９の空気層９ａを介して免震層３により支持されている状態である。
即ち、空気層９ａの空気の剛性によりエアークッション効果で鉛直方向に対する免震効果を得ることが期待できる。
【００３９】
空気層９ａのバネ定数Ｋａは近似的に次のように求められる。
Ｋａ＝（γ＊Ｐａ＊Ａａ２）／（Ｖａ＋Ｖｔ）・・・・・・・・・・▲１０▼
ただし、γ ：ポリトロピック数で動１．４、静１．０ Ｐａ：絶対圧力（Ｐ＋１）
Ａａ：空気層９ａの有効受圧面積
Ｖａ：空気層９ａの容積 Ｖｔ：エアータンク１０ｅの容積
γ＝１．４、Ｐａ＝１．１ｋｇｆ／ｃｍ２、ここではチェックバルブ１０ｂは備えていないものとし、地震感知器付エアーバルブ１０ｃは圧搾空気注入後に閉鎖されるとして容積Ｖｔは考慮しない。免震層３側面シール材５の剛性に影響されないものとする。
▲１０▼式と上記および図７の諸元値より、Ｋａは次のとおり、
Ｋａ＝１．５４×１０３（ｋｇｆ／ｃｍ） ・・・・・・・・・・▲１１▼
空気層９ａの固有振動数ｆａは次のとおり求められる。
ｆａ＝（Ｋａ／Ｍ）０．５／２π＝０．９８Ｈｚ（＝１／ｓｅｃ）・・・▲１２▼
固有振動数ｆａが１Ｈｚ以下であれば十分な免震効果が得られることが知られている。
ここでは空気層９ａの高さが１２０ｃｍ以上であれば、ｆａは１Ｈｚ以下となる。
また、流体室９において空気層９ａの固有振動に応じて液体層９ｂも相対的に上下運動するが、延出片９ｆ等が抵抗体となり振動周期に対する付加質量効果が生じることにより、固有振動数低下に貢献する。
【００４０】
図７の諸元表の条件で免震層３と空気層９ａの共振への配慮は必要ない。
しかし、固有振動数ｆａが地震動の卓越振動数と同程度であることより共振を防ぐ配慮が必要である。
地震動との共振を防ぐには、例えば流体室９の小室の各空気層９ａの高さを変えることによる。
それには、流体室９に予め圧搾空気を注入した後リーク＆リリーフバルブ１０ｄで各空気層９ａの容積量を調整することによる方法が可能である。
また、図２のとおり二組の地震感知付エアーバルブ１０ｃを備え作動時間等を変えることにより２系統の各空気層９ａの容積量を設定することによる方法によっても可能である。
なお、図７の諸元表の条件で空気バネによる十分な免震効果を得るには、空気層９ａの高さを１２０ｃｍ以上にする必要がある。空気層９ａの容積Ｖａを圧搾空気で満たすには大容量の圧搾空気を注入することになり、注入に時間がかかり浮体構造物本体２を瞬時に完全浮体させることができない恐れがある。
従って、共振を防ぐことだけではなく注入量への対応から、流体室９の空気層９ａに予め圧搾空気を必要な高さまで注入しておく。
【００４１】
免震層を設けることを特徴とする本発明においても流体室９に圧搾空気が注入された場合、特許文献２同様に浮体構造物本体２の静的安定性を維持し復元力を得るために、流体室９の各一辺を隔壁９ｃにより少なくとも四つに分割し流体室を１６以上の小室に分割する必要がある。
分割の際は浮力中心点で対称になることや等間隔となることが望ましい。
なお図２のとおり、流体室９の小室間でエアーパイプ１０ａを通じ圧搾空気が相互に流れ込まないよう例えばチェックバルブ１０ｂを備えることにより流体室９の各小室の独立性を確保する。
【００４２】
本発明の第三の実施形態の加圧液体による浮体式免震構造について、図３に基づいて以下に説明する。
図３は本発明における第三の実施形態の加圧液体による浮体式免震構造に関する完全浮体式免震構造の概要を示す図である。
図３に示すように、第三の実施形態は図２の第二の実施形態の加圧液体による浮体式免震構造１に加え、空気室９ｇを設けて構成される。
【００４３】
第二の実施形態における空気層９ａにおいては、空気バネによる有効な免震効果を得るには十分な容積、即ち十分な高さを浮体構造物本体２の底部に確保する必要がある。そのままでは軽い空気層が底部に位置するため浮体構造物本体２の重心位置が高くなりバランスの悪い構造となる。
そこで図３に示すように、例えば浮体構造物本体２の下方の地下に容積量の異なる複数の独立した空気室９ｇを設置することにより、擬似的に十分な高さをもった空気層を確保できる。
各空気室９ｇは予め圧搾空気が注入されており、各空気層９ａとフレキシブルなエアーパイプ等で連通されていれば浮体構造物本体２外部のどこに設置しても構わない。
空気室９ｇにより、浮体構造物本体２の重心を低く保ちつつ、十分な容積量の空気層９ａを確保し鉛直方向の免震性能を向上させ地震動の卓越振動数等との共振を防ぎ得る。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明における第一の実施形態の加圧液体による浮体式免震構造（部分浮体時）と液体加圧機構の概要を示す図
【図２】本発明における第二の実施形態の加圧液体による浮体式免震構造（完全浮体時）と流体室および圧搾空気機構の概要を示す図
【図３】本発明における第三の実施形態の加圧液体による浮体式免震構造（完全浮体時）と空気室の概要を示す図
【図４】本発明における免震層側面の加圧液体による形状と地震動による変位を示す図
【図５】本発明における完全浮体式免震構造の水平運動の免震周期解析を示す図
【図６】本発明における免震層のローリング運動の概要を示す図
【図７】シミュレーションモデルにおける浮体式免震構造の諸元値表
【図８】従来の完全浮体式免震構造の概要を示す図
【図９】従来の部分浮体式免震構造の概要を示す図
【符号の説明】
【００４５】
１ 浮体式免震構造
２ 浮体構造物本体
３ 免震層
４ 液体
５ シール材
６ 地盤
７ 免震装置
８ 液体加圧機構
８ａ 貯液タンク
８ｂ 配液管
８ｃ 配液管バルブ
８ｄ 水位調整スライダー
９ 流体室
９ａ 空気層
９ｂ 液体層
９ｃ 隔壁
９ｄ 抵抗板
９ｅ 透水減衰材
９ｆ 延出片
９ｇ 空気室
１０ 圧搾空気機構
１０ａ エアーパイプ
１０ｂ チェックバルブ
１０ｃ 地震感知器付エアーバルブ
１０ｄ リーク＆リリーフバルブ
１０ｅ エアータンク
１０ｆ エアーコンプレッサー
１１ 浮体式免震構造物
１２ 浮体構造物本体
１３ 免震ピット
１４ 液体
１５ 掘削底面
１６ 地盤
１７ 免震装置（低せん断剛性構造体）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
浮体構造物本体と地盤の間に、シール材で囲まれた免震層を設け、シール材に弾性機能を併せ持たせるかまたは弾性機能を持った部材をシール材の内ないし外に配置し、免震層に加圧された液体を注入することにより、浮体構造物本体を部分または完全に浮体させ水平方向の免震性能を得ることを基本的特徴とする浮体式免震構造。
【請求項２】
請求項１の部分浮体式免震構造において、免震層の加圧液体で浮体相殺しない固定荷重を支持する鉛直剛性を有し、免震層の内ないし外に浮体構造物本体と地盤との水平挙動を絶縁する免震装置を備えることを特徴とする浮体式免震構造。
【請求項３】
請求項１の部分または完全浮体式免震構造において、免震層に注入する液体を加圧調整するための液体加圧機構を設けることを特徴とする浮体式免震構造。
【請求項４】
請求項３の部分または完全浮体式免震構造において、浮体構造物本体底部と免震層上部に形成された凹部内に空気層と液体層からなる流体室を設けることを特徴とする浮体式免震構造。
【請求項５】
請求項４の部分または完全浮体式免震構造において、流体室に圧搾空気を送り込むための圧搾空気機構を設けることを特徴とする浮体式免震構造。
【請求項６】
請求項５の部分または完全浮体式免震構造において、流体室に透水性減衰材と、隔壁と、抵抗板と、延出片等を配置し抵抗体として備えることを特徴とする浮体式免震構造。
【請求項７】
請求項６の完全浮体式免震構造において、流体室の各一辺を隔壁により少なくとも四つに分割し流体室を１６以上の小室に分割することにより、浮体構造物本体の静的安定性を維持し復元力を持たせることを特徴とする浮体式免震構造。
【請求項８】
請求項７の完全浮体式免震構造において、流体室の各空気層の圧搾空気容量を変えることにより、地震動の卓越振動数等との共振を防ぐことを特徴とする浮体式免震構造。
【請求項９】
請求項７の完全浮体式免震構造において、浮体構造物本体の重心を低く保ちつつ、十分な容積量の空気層を確保し鉛直方向の免震性能を向上させ共振を防ぐため、浮体構造物本体外部の地下等に容積量の異なる複数の空気室を設けることを特徴とする浮体式免震構造。
【請求項１】
浮体構造物本体と地盤の間に、シール材で囲まれた免震層を設け、シール材に弾性機能を併せ持たせるかまたは弾性機能を持った部材をシール材の内ないし外に配置し、免震層に加圧された液体を注入することにより、浮体構造物本体を部分または完全に浮体させ水平方向の免震性能を得ることを基本的特徴とする浮体式免震構造。
【請求項２】
請求項１の部分浮体式免震構造において、免震層の加圧液体で浮体相殺しない固定荷重を支持する鉛直剛性を有し、免震層の内ないし外に浮体構造物本体と地盤との水平挙動を絶縁する免震装置を備えることを特徴とする浮体式免震構造。
【請求項３】
請求項１の部分または完全浮体式免震構造において、免震層に注入する液体を加圧調整するための液体加圧機構を設けることを特徴とする浮体式免震構造。
【請求項４】
請求項３の部分または完全浮体式免震構造において、浮体構造物本体底部と免震層上部に形成された凹部内に空気層と液体層からなる流体室を設けることを特徴とする浮体式免震構造。
【請求項５】
請求項４の部分または完全浮体式免震構造において、流体室に圧搾空気を送り込むための圧搾空気機構を設けることを特徴とする浮体式免震構造。
【請求項６】
請求項５の部分または完全浮体式免震構造において、流体室に透水性減衰材と、隔壁と、抵抗板と、延出片等を配置し抵抗体として備えることを特徴とする浮体式免震構造。
【請求項７】
請求項６の完全浮体式免震構造において、流体室の各一辺を隔壁により少なくとも四つに分割し流体室を１６以上の小室に分割することにより、浮体構造物本体の静的安定性を維持し復元力を持たせることを特徴とする浮体式免震構造。
【請求項８】
請求項７の完全浮体式免震構造において、流体室の各空気層の圧搾空気容量を変えることにより、地震動の卓越振動数等との共振を防ぐことを特徴とする浮体式免震構造。
【請求項９】
請求項７の完全浮体式免震構造において、浮体構造物本体の重心を低く保ちつつ、十分な容積量の空気層を確保し鉛直方向の免震性能を向上させ共振を防ぐため、浮体構造物本体外部の地下等に容積量の異なる複数の空気室を設けることを特徴とする浮体式免震構造。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−１０２８６１（Ｐ２０１２−１０２８６１Ａ）
【公開日】平成２４年５月３１日（２０１２．５．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６７６０４（Ｐ２０１０−２６７６０４）
【出願日】平成２２年１１月１２日（２０１０．１１．１２）
【出願人】（５１０３１６４９７）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月３１日（２０１２．５．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月１２日（２０１０．１１．１２）
【出願人】（５１０３１６４９７）
【Ｆターム（参考）】
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