JP7097183B2 - 防振基礎 - Google Patents

Description

本発明は、振動発生源が設置される防振基礎に関する。

従来より、振動発生源である機械を基礎の上に設置する場合、この機械による振動を低減するため、以下のような構造が提案されている（特許文献１～３参照）。
特許文献１には、中空の杭体と、この杭体内に進退自在に配置された重錘と、この重錘と杭体との間に設けられた弾性体と、を備える制振杭が示されている。この制振杭を地盤に打ち込んで構造物を支持することで、構造物と地盤との間で伝達される振動により、重錘に反力を生じさせて振動を低減させる。

特許文献２には、地盤中に打ち込まれた杭と、この杭の頭部に構築された矩形ブロック状の基礎と、基礎の四隅に立設された支柱と、支柱に上下方向へ位置調整可能に取り付けられた重錘と、を備える基礎制振装置が示されている。基礎上に据え付けた振動機器を運転し、振動機器と基礎側とが共振した場合に、支柱に対する重錘の取り付け高さを変更する。

特許文献３には、杭と、この杭の上に構築されたマット基礎増厚部と、マット基礎増厚部の上に防振材を介して構築されて機器が載置される機器基礎と、を備える基礎構造が示されている。機器の荷重は、マット基礎増厚部から杭に伝達されるので、マット基礎の厚さを薄くできる。

特許２６９０３５７号公報 特開２００１－２９５３００号公報 特開２００２－１６７７７９号公報

本発明は、基礎上に振動発生源を設置した後であっても、基礎の固有周期を振動発生機械の固有周期から外れるように容易に調整可能な防振基礎を提供することを課題とする。

本発明者らは、振動発生機械の振動を低減させる防振基礎として、振動発生機械が設置された浮き基礎体をばね材が設置された杭で支持することで、防振基礎を大型化することなく、杭やばね材が負担する鉛直荷重を増大できるとともに、浮き基礎体を支えるばね材を調整または交換することで、防振基礎の固有周期を振動発生機械の固有周期帯から外れるように容易に調整できる点に着眼して、本発明に至った。
第１の発明の防振基礎（例えば、後述の防振基礎１）は、振動発生源（例えば、後述の振動発生機械３）から地盤（例えば、後述の地盤２）に伝わる振動を低減させる防振基礎であって、前記地盤に埋設された杭（例えば、後述の杭１０）と、当該杭の上面に設けられたばね（例えば、後述のばね２０）と、当該ばねの上に設けられたコンクリート製の浮き基礎体（例えば、後述の浮き基礎体３０）と、当該浮き基礎体に固定されて前記ばねを上下に貫通して前記杭の内部に挿入された連結部材（例えば、後述の連結部材４０）と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、杭、ばね、浮き基礎体を直列に配置したので、浮き基礎体の上に振動発生機械を設置した後であっても、ばねの構成を適宜変更することで、防振基礎の固有周期が振動発生源の固有周期から外れるように容易に調整可能である。よって、振動発生源と防振基礎との共振現象を抑制して、振動発生源から周辺地盤に伝播する振動を低減できる。

また、従来では、地盤上に厚くて重くどっしりしたマッシブな基礎を設け、その基礎上にばねを介して浮き基礎体を設ける場合や、地盤上にコンクリート基礎を設け、そのコンクリート基礎上にばねを介して浮き基礎体を設ける場合があった。しかしながら、本発明によれば、地盤に杭を埋設し、この杭でばねを介して浮き基礎体を支持したので、各杭に加わる基礎の重量が大きくなるため、従来の二重基礎構造のように、基礎や底板コンクリートを大型化して重量を増大させる必要はなく、防振基礎の建設コストを低減できる。

第２の発明の防振基礎は、前記ばねは、皿ばね（例えば、後述の皿ばね２１）であることを特徴とする。
この発明によれば、浮き基礎体を皿ばねを介して杭で支持した。この皿ばねは、浮き基礎体と杭上面との間の僅かな高さ空間であっても設置可能である。また、皿ばねの高さ方向と水平方向との寸法比を変えたり、皿ばねを複数枚重ねたりすることで、様々なばね特性を得ることができる。よって、浮き基礎型式の防振基礎の固有周期を容易に調整できる。

第３の発明の防振基礎は、前記浮き基礎体の壁面と前記杭との間の地盤上または底板コンクリート上には、前記浮き基礎体の水平移動を規制する水平移動規制部材（例えば、後述の水平移動規制部材５０）が設けられていることを特徴とする。

この発明によれば、水平移動規制部材を浮き基礎体の壁面と杭との間の地盤上または底板コンクリート上に設けた。よって、地震により大きな水平力が浮き基礎体に作用した際には、浮き基礎体が水平移動規制部材に当接することで、浮き基礎体の水平移動を抑制できる。また、水平移動規制部材を浮き基礎体の内側に設置したので、振動発生源の配置の自由度を確保できる。

第４の発明の防振基礎は、前記ばねは、前記浮き基礎体の上面および下面のそれぞれに設けられ、前記連結部材は、当該各ばねを上下に貫通して前記杭の内部に挿入されることを特徴とする。

この発明によれば、浮き基礎体の上面および下面のそれぞれにばねを設けたので、振動発生源の挙動は、振動発生源と浮き基礎体とを併せて１つの質点として、直列ばね形式による１質点系の振動系とみなすことができる。よって、既に防振基礎を構築し、浮き基礎体の上に振動発生源を設置した後であっても、浮き基礎体の上面のばねを適宜調整あるいは交換することで、防振基礎の固有周期を容易に変更できる。

本発明によれば、基礎の上に振動発生源を設置した後であっても、基礎の固有周期を振動発生源の固有周期から外れるように容易に調整できる防振基礎を提供できる。

本発明の第１実施形態に係る防振基礎の側面図である。 図１に示す防振基礎のＡ－Ａ断面図である。 図１に示す防振基礎の破線Ｃで囲んだ部分の拡大断面図である。 防振基礎を構成する皿ばねによる振動低減効果に関するパラメータ解析結果を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る防振基礎の部分拡大断面図である。 本発明の第３実施形態に係る防振基礎の平面図および部分拡大断面図である。 本発明の第４実施形態に係る防振基礎の部分拡大断面図である。

本発明は、振動発生機械の振動を低減させるための浮き基礎型式の防振基礎構造である。第１実施形態は、振動発生機械が設置された浮き基礎体の下面周縁に切り欠き部を設け、その切り欠き部をばねを介して杭で支持した浮き基礎型式（図１～図３）である。第２実施形態は、浮き基礎体の上面および下面のそれぞれにばねを配置し、これら上下のばねを介して浮き基礎体と杭とを連結した浮き基礎型式（図５）である。第３、４実施形態は、浮き基礎体に切り欠き部を設けず、ばねを介して浮き基礎体と杭とを連結した浮き基礎型式（図６、図７）である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の実施形態の説明にあたって、同一構成要件については同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。
〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態に係る防振基礎１の側面図である。図２は、図１の防振基礎１のＡ－Ａ断面図である。
防振基礎１は、振動発生機械３から地盤２に伝わる振動を低減させるものであり、地盤２上に構築されている。この防振基礎１の上には、振動発生源としての振動発生機械３が設置されている。

防振基礎１は、地盤２の表面に打設された底板コンクリート４と、底板コンクリート４を貫通して地盤２に埋設された複数本の筒状の杭１０と、これら杭１０の上面に設けられたばね２０と、ばね２０の上に設けられた浮き基礎体３０と、浮き基礎体３０に固定されてばね２０を上下に貫通し杭１０の内部に上下動可能に挿入された連結部材４０と、底板コンクリート４上に設けられて浮き基礎体３０の水平移動を規制する水平移動規制部材５０と、を備える。振動発生機械３は、浮き基礎体３０の上に設置されている。

図３は、図１の防振基礎１の破線Ｃで囲んだ部分の拡大断面図である。
浮き基礎体３０は、鉄筋コンクリート造の略直方体形状であり、底板コンクリート４の上に僅かな隙間７０を空けて配置されている。浮き基礎体３０と底板コンクリート４との隙間７０は、ばね２０が縮んで浮き基礎体３０が沈み込んだ場合であっても、浮き基礎体３０が底板コンクリート４に衝突しない程度の幅となっている。
また、この浮き基礎体３０の下面周縁部には、切り欠き部３１が形成されている。この切り欠き部３１は、壁面３１Ａと天井面３１Ｂとで構成される。浮き基礎体３０のうち杭１０の直上となる位置には、上下に延びる貫通孔３２が形成され、この貫通孔３２には、円筒形状のスリーブ３３が取り付けられている。

杭１０は、浮き基礎体３０の周縁部に沿って配置されている。具体的には、浮き基礎体３０の切り欠き部３１の天井面３１Ｂの下に配置されている、この杭１０は、円筒形状のＰＨＣ杭（Pretensioned Spun High Strength Concrete Piles）などの既製コンクリート杭である。この杭１０の上端部には、図３に示すように、鋼製のパイルキャップ１１が取り付けられている。パイルキャップ１１は、杭１０の内部を塞ぐ閉塞部１２と、閉塞部１２の周縁部から杭１０の内壁面に沿って延びる筒状の壁部１３と、壁部１３の上端に設けられて杭１０の上端面に係止する円環状の係止部１４と、を備える。
ばね２０は、円環状の鋼製の皿ばね２１が複数枚積層されて構成されている。このばね２０は、杭１０の上端面に係止されたパイルキャップ１１の係止部１４の上に設けられている。なお、ばね２０を構成する皿ばね２１の枚数は、振動発生機械３により発生する振動の周波数や目標とする振動の減衰率に基づいて、適宜決定されてよい。

連結部材４０は、図３に示すように、上下方向に延びる円柱形状のガイド部４１と、このガイド部４１の上端に鍔状に形成された係止部４２と、を備える。連結部材４０のガイド部４１は、浮き基礎体３０のスリーブ３３に上から挿入され、このスリーブ３３および皿ばね２１の内部を貫通して、杭１０に取り付けたパイルキャップ１１の内部まで延びている。

連結部材４０の係止部４２は、ボルト４３で浮き基礎体３０に固定されている。これにより、振動発生機械３により振動が発生した際に、連結部材４０ががたつくのを防止している。なお、このボルト４３は、不要である場合には省略することができる。
また、連結部材４０のガイド部４１の外周面には、表面処理または注油を行うことにより、スリーブ３３、皿ばね２１、およびパイルキャップ１１の壁部１３に対する摩擦抵抗が低減されている。ガイド部４１の外周面とスリーブ３３との間には、地震発生時に浮き基礎体３０に水平変位が生じた場合であっても、スリーブ３３の内周面がガイド部４１に衝突しない程度に、隙間７１が形成されている。
また、ガイド部４１をパイルキャップ１１の内部に挿入した状態では、ガイド部４１の先端とパイルキャップ１１の閉塞部１２との間に隙間７２が形成されるようになっている。ガイド部４１の先端とパイルキャップ１１の閉塞部１２との隙間７２の幅は、浮き基礎体３０と底板コンクリート４との隙間７０の幅と同程度であり、ばね２０が縮んでガイド部４１が沈み込んだ場合であっても、ガイド部４１の先端とパイルキャップ１１の閉塞部１２とが衝突しないようになっている。

水平移動規制部材５０は、切り欠き部３１の壁面３１Ａと杭１０との間に設けられており、浮き基礎体３０の四辺に沿って直線状に延びる壁である。この水平移動規制部材５０は、底板コンクリート４にボルト５１で固定されている。浮き基礎体３０の外壁面と水平移動規制部材５０との間の隙間７３の幅は、上述のスリーブ３３の内周面とガイド部４１との隙間７１の幅よりも狭くなっている。これにより、地震発生時に浮き基礎体３０に水平移動した場合、浮き基礎体３０の水平移動を水平移動規制部材５０が規制するため、スリーブ３３の内周面がガイド部４１に衝突しないようになっている。
防振基礎１は、以下のように動作する。振動発生機械３を運転すると、振動が発生するが、この振動は、ばね２０で減衰されて杭１０に伝達される。このとき、連結部材４０のガイド部４１が杭１０に取り付けたパイルキャップ１１の内部を上下動することにより、浮き基礎体３０は上下に振動する。また、連結部材４０のガイド部４１および水平移動規制部材５０は、想定を上回る地震荷重が加わった際に、浮き基礎体３０が杭１０から落下するのを防止するフェールセーフ機構として機能するとともに、浮き基礎体３０が水平方向に移動するのを規制する。

また、浮き基礎体３０の切り欠き部３１の直下で杭１０の外側近傍には、図示しないジャッキを取り付けるためのジャッキスペース６０が設けられている。ばね２０のメンテナンスを行う際には、このジャッキスペース６０にジャッキを配置し、底板コンクリート４に反力をとって浮き基礎体３０を支持する。底板コンクリート４を設けることで、ジャッキで浮き基礎体３０を支持した際に、ジャッキが沈み込むのを防止している。

次に、上述の防振基礎の実施例について説明する。
杭およびばねの構造について、以下のように設定する。
杭：φ３００ｍｍのＰＨＣ杭を用いる。埋め込み杭とし、先端支持力のみで支持するものとする。
杭の支持地盤：Ｎ（値）＝５０
ばね：皿ばね１枚（外径２５０ｍｍ、内径１２７ｍｍ、厚さ１０ｍｍ、高さ７ｍｍ）
杭の先端面の面積Ａ_ｐは、以下の式（１）により求められる。

したがって、杭の長期許容支持力Ｒ_ｐは、以下の式（２）により求められる。

皿ばねが５０％撓んだ場合の荷重をｆ_ｓ５０とし、このときの撓み量をｔ_ｓ５０とすると、ｆ_ｓ５０は、９３．６ｋＮつまり９．５５ｔとなる。よって、ｆ_ｓ５０＜Ｒｐとなり、例えば、皿ばねが５０％撓んだ場合でも杭が沈下しないと判断される。
また、この場合、皿ばねのばね定数ｋ_ｓは、以下の式（３）により求められる。

次に、杭１本当りにかかる荷重Ｗ_ｐを求める。振動発生機械および浮き基礎体について、以下のように設定する。
浮き基礎体の高さｈ_ｂ：２ｍ
単位面積当りの振動発生機械の重量ｍ：２ｔ／ｍ^２
杭１本の負担面積Ａ_ｌ：１．４ｍ^２
杭１本にかかる荷重Ｗ_ｐは、鉄筋コンクリートの比重Ｓ_ｃを２．４として、以下の式（４）で求められる。

以上より、皿ばね１枚の防振振動数（固有振動数）ｆ_１は、重力加速度Ｇを９８０（ｃｍ／Ｓ^２）として、以下の式（５）により求められる。

同様に、皿ばね２枚を上下に直列に配置した場合の防振振動数（固有振動数）ｆ_２は、以下の式（６）により求められる。

同様に、皿ばね３枚を上下に直列に配置した場合の防振振動数（固有振動数）ｆ_３は、以下の式（７）により求められる。

図４は、皿ばねによる振動低減効果に関するパラメータ解析結果であり、皿ばねを１枚単体で配置した場合、２枚直列に配置した場合、３枚直列に配置した場合における共振曲線を比較した図である。図４中、横軸は振動発生機械の振動数（Ｈｚ）であり、縦軸は振動低減効果（ｄＢ）である。図４より、振動発生機械の振動数が皿ばねの防振振動数から離れるに従って、振動低減効果が大きくなることが判る。例えば、振動発生機械の振動数が２５Ｈｚの場合、皿ばねを１枚単体で用いると、杭に伝わる振動を１５．１ｄＢ低減でき、皿ばねを２枚直列で用いると、杭に伝わる振動を２１．８ｄＢ低減でき、皿ばねを３枚直列で用いると、杭に伝わる振動を２５．５ｄＢ低減できると推定される。

本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）杭１０、ばね２０、浮き基礎体３０を直列に配置したので、浮き基礎体３０の上に振動発生機械３を設置した後であっても、ばね１０の構成を適宜変更することで、防振基礎の固有周期が振動発生機械３の固有周期から外れるように容易に調整できる。
また、浮き基礎体３０の切り欠き部３１の下に杭１０を設けたので、切り欠き部を設けない場合に比べて、振動発生機械３の重心高さを低くできるため、振動発生機械３の重心から地盤までの距離が短くなるため、杭１０に作用するロッキング力（モーメント力）を低減できる。その結果、振動発生機械３から発生する加振力の周辺地盤２に伝播する振動伝達率を低く抑えることができる。
また、地盤２に杭１０を設け、この杭１０でばね２０を介して浮き基礎体３０を支持したので、従来の二重基礎構造のように、地盤に基礎を設ける必要がなく、コストを低減できる。

（２）水平移動規制部材５０を浮き基礎体３０の切り欠き部３１の壁面３１Ａと杭１０との間の地盤２に設けた。よって、地震により大きな水平力が浮き基礎体３０に作用した場合に、浮き基礎体３０が水平移動規制部材５０に当接することで、浮き基礎体３０の水平移動を抑制できる。また、水平移動規制部材５０を浮き基礎体３０の内側に設置したので、振動発生機械３の配置の自由度を確保できる。
（３）浮き基礎体３０の切り欠き部３１の直下で杭１０の外側近傍にジャッキスペース６０が設けたので、このジャッキスペース６０にジャッキを配置し、浮き基礎体３０を支持することで、ばね２０を構成する皿ばね２１の交換や増減を容易にできる。
（４）ばね２０として複数枚の皿ばね２１を用いた。よって、皿ばね２１として既製品を利用できるので、コストを削減できる。また、皿ばね２１は厚み（高さ）が小さいので、防振基礎１の高さを低く抑えることができる。また、皿ばね２１の枚数を変更するだけで、ばね２０の特性を容易に調整できるので、防振基礎１の設計の自由度が高くなる。

〔第２実施形態〕
図５は、本発明の第２実施形態に係る防振基礎１Ａの部分拡大断面図である。
本実施形態では、ばね２０Ａ、２０Ｂを浮き基礎体３０の上面および下面のそれぞれに設けた点が、第１実施形態と異なる。
すなわち、杭１０の中間高さ位置には、段差部１５が形成されている。杭１０の段差部１５には、ばね２０Ａが配置され、杭１０の上端面には、ばね２０Ｂが配置されている。ばね２０Ａは、浮き基礎体３０の下面に配置されており、ばね２０Ｂは、浮き基礎体３０の上面に配置されている。

本実施形態によれば、上述の（１）～（４）に加えて、以下のような効果がある。
（５）浮き基礎体３０の上面および下面のそれぞれにばね２０Ａ、２０Ｂを設けたので、振動発生機械３の挙動は、振動発生機械３と浮き基礎体３０とを併せて１つの質点として、直列ばね形式による１質点系の振動系とみなすことができる。よって、既に防振基礎１を構築し、浮き基礎体３０の上に振動発生機械３を設置した後であっても、浮き基礎体３０の上面のばね２０Ｂを適宜調整あるいは交換することで、防振基礎１の固有周期を容易に変更できる。

〔第３実施形態〕
図６は、本発明の第３実施形態に係る防振基礎１Ｂの平面図および部分拡大断面図である。
本実施形態では、浮き基礎体３０Ｂおよび水平移動規制部材５０Ｂの構造が、第１実施形態と異なる。
すなわち、浮き基礎体３０Ｂは、切り欠き部が設けられておらず、一様な厚さとなっている。
杭１０は、上端面の高さ位置が底板コンクリート４の上面と面一となるように配置されている。
水平移動規制部材５０Ｂは、平面視で略Ｌ字形状であり、防振基礎１Ｂの対角線上の出隅部に一対設けられている。この一対の水平移動規制部材５０Ｂは、浮き基礎体３０Ｂの外側の底板コンクリート４上に設けられている。各水平移動規制部材５０Ｂは、それぞれ、浮き基礎体３０Ｂの隣り合う２側面を覆っており、各水平移動規制部材５０Ｂと浮き基礎体３０Ｂとの間には、隙間７３が確保されている。

本実施形態によれば、上述の（１）、（４）に加えて、以下のような効果がある。
（６）略Ｌ字形状の水平移動規制部材５０Ｂを浮き基礎体３０Ｂの出隅部に一対設置することで、１つの水平移動規制部材５０Ｂで浮き基礎体３０Ｂの２方向の移動を規制可能である。
（７）浮き基礎体３０Ｂに切り欠き部を設けないので、浮き基礎体３０Ｂの建設コストを低減できる。

〔第４実施形態〕
図７は、本発明の第４実施形態に係る防振基礎１Ｃ部分拡大断面図である。
本実施形態では、杭１０の上端面の高さ位置が底板コンクリート４の上面より下方となっている点が、第３実施形態と異なる。
本実施形態によれば、上述の（１）、（４）、（６）、（７）に加えて、以下のような効果がある。
（８）杭１０の上端面の高さ位置が底板コンクリート４の上面より下方としたので、底板コンクリート４の上面と浮き基礎体３０Ｂとの隙間７０の幅を小さくできる。よって、浮き基礎体３０Ｂの上面の高さ位置を限りなく低くでき、浮き基礎体３０Ｂの上面に設置される振動発生機械３の操作性を向上できる。また、浮き基礎体３０Ｂおよび振動発生機械３の高さ位置を低くできるので、地震発生時に作用する水平荷重を低減でき、優れた構造安全性を確保できる。

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。
例えば、ばね２０に風雨が当たらないように、ばね２０をカバーで覆ってもよい。
また、上述の各実施形態では、ばね２０として皿ばね２１を用いたが、これに限らず、ばね高さを低くする必要がない場合は、コイルスプリングを用いてもよい。
また、第１、２実施形態では、ジャッキスペース６０を杭１０の近傍に設けたが、これに限らず、杭１０の近傍に設けなくてもよい。
また、第３実施形態では、図６に示すように、水平移動規制部材５０Ｂを防振基礎１Ｂの対角線上の出隅部に一対設けたが、これに限らず、水平移動規制部材５０Ｂを防振基礎１Ｂの全ての出隅部に合計４つ設けてもよい。
また、上述の各実施形態では、水平移動規制部材５０、５０Ｂを底板コンクリート４上に設けたが、これに限らず、地盤２上に設けてもよい。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ…防振基礎 ２…地盤 ３…振動発生機械（振動発生源）
４…底板コンクリート
１０…杭 １１…パイルキャップ １２…閉塞部 １３…壁部 １４…係止部
１５…段差部 ２０、２０Ａ、２０Ｂ…ばね ２１…皿ばね
３０、３０Ｂ…浮き基礎体 ３１…切り欠き部 ３１Ａ…壁面 ３１Ｂ…天井面
３２…貫通孔 ３３…スリーブ
４０…連結部材 ４１…ガイド部 ４２…係止部 ４３…ボルト
５０、５０Ｂ…水平移動規制部材 ５１…ボルト ６０…ジャッキスペース
７０…浮き基礎体と底板コンクリートとの隙間 ７１…スリーブとガイド部との隙間
７２…ガイド部とパイルキャップの閉塞部との隙間
７３…浮き基礎体と水平移動規制部材との隙間

Claims (3)

1. 振動発生源から地盤に伝わる振動を低減させる防振基礎であって、
   前記地盤上に設けられた底板コンクリートと、
   前記地盤に埋設されて前記底板コンクリートを貫通して上方に延びる複数の杭と、
   当該杭の上面に設けられて上下に伸縮可能な皿ばねと、
   当該皿ばねの上に設けられて前記底板コンクリートから離れた上方に位置するコンクリート製の浮き基礎体と、
   前記皿ばねの内部を上下に貫通して前記杭の内部に上下動可能に挿入された円柱形状のガイド部と、当該ガイド部の上端に鍔状に形成されて前記浮き基礎体に固定された係止部と、有する連結部材と、を備え、
   前記複数の杭は、平面視で、前記浮き基礎体の周縁部に沿って設けられることを特徴とする防振基礎。
2. 前記浮き基礎体は、略直方体形状であり、
   当該浮き基礎体の下面周縁部には、切り欠き部が形成され、
   前記皿ばねは、前記切り欠き部の天井面と前記杭の上面との間に設けられることを特徴とする請求項１に記載の防振基礎。
3. 前記浮き基礎体の壁面と前記杭との間の地盤上または前記底板コンクリート上には、前記浮き基礎体の水平移動を規制する水平移動規制部材が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の防振基礎。

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