JP2004132527A

JP2004132527A - すべり免震装置

Info

Publication number: JP2004132527A
Application number: JP2002300238A
Authority: JP
Inventors: Takuya Ishii; 石井　卓哉
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2002-10-15
Filing date: 2002-10-15
Publication date: 2004-04-30

Abstract

【課題】単層ゴム材を用いたすべり免震装置の繰り返し疲労特性を改善し、かつ、安価に製造できるすべり免震装置を提供する。
【解決手段】平滑板とこの平滑板に一方の面が摺接するすべり材とからなるすべり支承と、上記すべり材の他方の面に直接または中板を介して直列に配置される単層ゴム材と、該単層ゴム材を上記すべり材または中板との間で挟み込み接着固定する上板とを備えてなるすべり免震装置であって、上記単層ゴム材は、鉛直荷重非載荷時においてその外周面直径方向断面が凹形状である。
【選択図】　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はビル、タワー等の高層構造体から一戸建てなどの低層構造体に至る建築構造体、道路・鉄道などの橋梁に至る土木構造体を支持し、地震外力を低減するすベリ免震装置に関し、特に単層ゴム材を備えたすべり免震装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
免震とは、建物に加わる地震力を何らかの方法で減少させることである。現在は、下部躯体、例えば基礎と、上部躯体、例えば建物との間に免震装置を入れて、建物ヘの地震入力の減少を図る「基礎絶縁型」が免震工法の主流となっている。　免震装置としては、鋼板とゴム材とを交互に積層した弾性免震装置（積層ゴム免震装置）が知られているが、この弾性免震装置は、減衰性能に乏しいという問題がある。そのため、水平方向の剛性に対する固有振動数近傍の成分が卓越した入力に対しては共振を起こし、過大な変形に至り積層ゴム材が破断する場合も生じる。これに対して、ゴム材を高減衰ゴムにする手法などが考慮されたが、支持荷重と設計免震周期に限界が多かった。また、上記積層ゴム材の破断および鋼板間での接着剥がれなどを防止するため、積層ゴムの鋼板接着面端部に湾曲段差部を設けた免震用積層ゴムなどがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
他の免震装置としては、例えば、積層ゴム材などの端面にすべり支承を設けたすペリ免震装置などが提案されている。すべり免震装置は、上部躯体に固定するための上板と、この上板に固定され、鋼板とゴム材とを交互に積層した積層ゴムと、この積層ゴムの下端面に設けられたすベリ材と、このすべり材が摺動する金属板などの平滑板とから構成されている。このようなすべり免震装置を用いた免震構造は大地震での大変形に対して、すベりによってエネルギーが消費される利点がある。また、これらすべり支承を備えた免震装置において、積層ゴム材の代わりに単層ゴム材を用いることにより、装置の小型化および製造工程の簡略化を図ったものがある（例えば、特許文献２参照）。
ここで、すべり免震装置とは少なくともすべり支承を有する免震装置をいう。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１４７５２７号公報　（特許請求の範囲）
【特許文献２】
特開２０００−１７０８２８号公報　（特許請求の範囲）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ビル、タワー等の高層構造体では地震以外に風などによる小さな揺れが発生するため、免震を考慮する必要があり、該高層構造体にすべり免震装置を配設した場合、このような小規模な揺れに対しては、通常すベリが起こらず、ゴム材の変形のみとなるため、ゴム材の繰り返し疲労により水平剛性・鉛直剛性が低下するという問題がある。これは、一般的に積層ゴム材・単層ゴム材などのゴム材は圧縮特性よりも引張り特性に劣るため、表面層が引張状態で水平方向へ繰り返し変形させると、外周面の上下接合板との接合部分には疲労によりその表層に亀裂が入り、さらに繰り返し変形させると亀裂が広く・深く進行してしまうためである。また、更に疲労が進行するとゴム材が破壊し、建造物の荷重支持ができなくなる可能性もある。
【０００６】
特に、ゴム材として単層ゴム材を用いた場合では、鉛直荷重を加えた際に積層ゴム材と比較して、ゴム材の弾性変形による外周面へのはみ出しが大きく、ゴムの表面層には引張力が発生し、外周面の上下接合板との接合部分に極端に応力が集中した状態となるため、上記繰り返し疲労による剛性低下の問題が起こりやすい。また、上記積層ゴム材の場合のように鋼板接着面端部に湾曲段差部を設けるだけでは、その弾性変形量が多いため十分にゴム材の破断や剥離を防止することができないという問題がある。
これに対し積層ゴム材は、単層ゴム材と比較して１層のゴム厚みが小さい為、はみ出しが小さく、繰り返し疲労特性では優位であるが、内部鋼板などの部品点数が多く、これを何層にも重ねるため製造に手間がかかり高コストとなるという問題がある。
また、静的せん断弾性率が低いゴム材の場合、もしくはゴム厚みが厚い場合には、はみ出したゴムの表面層と上下接合板が接触する。このため、水平方向への変形の際には摩擦、摩耗が起こり、亀裂発生・水平剛性の低下の要因となる。
【０００７】
本発明は、このような問題に対処するためになされたもので、従来の単層ゴム材を用いたすべり免震装置の繰り返し疲労特性を改善し、かつ、安価に製造できるすべり免震装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のすべり免震装置は、平滑板とこの平滑板に一方の面が摺接するすべり材とからなるすべり支承と、上記すべり材の他方の面に直接または中板を介して直列に配置される単層ゴム材と、該単層ゴム材を上記すべり材または中板との間で挟み込み接着固定する上板とを備えてなるすべり免震装置であって、上記単層ゴム材は、鉛直荷重非載荷時においてその外周面直径方向断面が凹形状であることを特徴とする。
また、上記凹形状が単層ゴム材層厚の中心線で上下対称であることを特徴とする。また、上記凹形状がＲ形状であることを特徴とする。
【０００９】
単層ゴム材の外周面直径方向断面（以下「外周面断面」という。）を凹形状とすることにより、鉛直荷重を載荷した場合でも、上板、中板などの各接合板との接合部分への応力集中が軽減され、繰り返し変形に対する表面亀裂の発生、水平・鉛直剛性の低下を抑制することができる。また、外周面を上下対称のＲ形状とすることにより、外周面上における応力ひずみを軽減でき、ゴム材の亀裂の発生などが抑制される。
なお、本発明において単層ゴム材とは、水平力に対して免震装置を弾性変形可能とする役割を果たすものをいい、単なる防錆等を目的とするゴム被覆材は含まない。また、鉛直荷重を載荷するとは、ゴム材に所定の荷重を載荷することをいう。
【００１０】
上記単層ゴム材は、鉛直荷重を載荷した際にその外周面が、上板とすべり材の少なくとも一方、または、上板と中板の少なくとも一方と接触しないことを特徴とする。
また、鉛直荷重を載荷した際の上板面、すべり材面、および中板面と単層ゴム材の接合部外周面とで形成する単層ゴム材直径方向断面の角度が　４５°〜　１３５°の範囲内であることを特徴とする。
【００１１】
水平方向への変形時において、単層ゴム材外周面の上下接合板との接触を避けることにより、接触による摩耗および亀裂の発生を防止することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明に係るすべり免震装置の一例を図１により説明する。図１（ａ）は下部躯体と上部躯体との間に設けられたすべり免震装置の断面図、図１（ｂ）はＡ部拡大断面図である。
すべり免震装置１は、下部躯体７に固定される平滑板２と、下端面３ｂで平滑板２と摺動するすべり材３と、すべり材３の上端面３ａに固定される中板５と、中板５の上端面５ａに接着固定される単層ゴム材４と、単層ゴム材４を中板５との間で挟み込んでその下端面６ｂが単層ゴム材４の上端面４ａと接着固定され、上端面６ａで上部躯体８に固定される上板６とから構成されている。なお、上記平滑板２とすべり材３とをすべり支承という。
非荷重時において単層ゴム材４の外周面断面形状を凹形状とすることにより、図１（ｂ）に示すようにすべり免震装置設置時においては、上下躯体間で鉛直荷重が載荷され単層ゴム材４の外周面断面形状は鉛直方向で略ストレート形状に弾性変形する。
免震用ゴムとして単層ゴム材４を採用することにより、従来の積層ゴム材と比較して、製造工程数を少なくすることができ、すべり免震装置の製造コストを低減することができる。例えば、積層ゴム材の製造工程に比較して、内部鋼板の作製、ゴムと鋼板の積層工程を省略することができる。
【００１３】
図１（ａ）に示すように単層ゴム材４とすべり材３との間に中板５を挟持することにより、すべり材の受容面積を任意に変化させることができる。特に単層ゴム材４の受容面積よりすべり材３の受容面積を小さく設定することで、すべり材３の面圧を大きくすることができる。また、平滑板２とすべり材３との摩擦係数は、面圧が大きくなると小さくなるので、すべり材３の受容面積を小さくすることにより摩擦係数をより小さくすることができる。なお、装置の小型化および部品点数の削減のため、中板５を用いないで単層ゴム材４はすべり材３上に直接配置することも可能である。
【００１４】
単層ゴム材４の外周面断面の凹形状を図２を参照して説明する。図２は、図１に示す中板を備えたすべり免震装置において、非荷重時の単層ゴム材の形状を示す模式断面図であり、図２（ａ）は円弧状（Ｒ_１＝Ｒ_２）のＲ形状を、図２（ｂ）は図２は曲率の異なる放物線状（Ｒ_１≠Ｒ_２）のＲ形状を有する単層ゴム材をそれぞれ示す。
上板６と中板５との間に挟持される単層ゴム材４の外周面断面形状は、Ｒ形状、台形状、または直線部同士が丸みをもって結合した形状などとすることができる。長期使用の鉛直荷重を載荷した際の外周表面の応力ひずみ、上板・中板との接合部分への応力集中などを軽減できることから、図２（ａ）、図２（ｂ）などに示すＲ形状とすることが好ましい。Ｒ形状の曲率については、単層ゴム材の圧縮変形特性などを考慮し、鉛直荷重を載荷した際にこの外周面断面形状が略ストレート形状となるように決定する。
【００１５】
単層ゴム材の材質としては、天然ゴム、および合成ゴムまたはこれらのブレンドを用いることができる。天然ゴムは、振動による発熱が小さいなど汎用合成ゴムより優れた機械的性質を有し、また、合成ゴムは天然ゴムにない耐油性、耐老化性、耐熱性などの有するため、免震装置の要求性能によってこれらを使い分けることが好ましい。上記合成ゴムの具体例としては、クロロプレンゴム、エチレン−プロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、アクリロニトリル−ブタジエンゴム（ＮＢＲ）、シリコーンゴムなどが挙げられる。
【００１６】
鉛直荷重を載荷した際の単層ゴム材の形状変化を図３を参照して説明する。図３（ａ）は、図２（ａ）で示す単層ゴム材の外周面断面がＲ状の凹形状である場合、図３（ｂ）は図３（ａ）におけるＢ部拡大図をそれぞれ示す。
図３（ａ）に示すように、鉛直荷重を載荷すると、単層ゴム材４が弾性変形し、その外周面断面形状が鉛直方向に略ストレート形状となる。上板、中板などとの接触を防ぎ、また、接合部分へ引張り応力の集中を軽減するため、鉛直荷重を載荷した際の上板面、中板面などの各接合板面と単層ゴム部材の接合部外周面とのなす角度αは　４５°〜　１３５°の範囲となることが好ましい（図３（ｂ）参照）。より好ましい上記角度αは　７０°〜　１１０°であり、この範囲とすることにより疲労特性のさらなる向上が期待できる。
また、鉛直荷重を載荷した状態で角度αが　９０°以下の範囲、すなわち、外周面断面形状が凹形状の場合でも、ゴム材は圧縮特性に優れているため、繰り返し疲労特性を低下させることはない。なお、一般的な単層ゴムの長期荷重は、１０　〜　１５ＭＰａ程度である。
【００１７】
図４に図３の比較例として従来のストレート形状の場合を示す。この場合では、鉛直荷重を載荷すると、単層ゴム材４が弾性変形し、その外周面が凸状に膨らんだ形状となる。この状態において鉛直荷重や水平方向の負荷が掛かると、接合部分に引張り応力が集中するため、該箇所でゴム材の剥離などが発生しやすくなる。
【００１８】
本発明のすべり免震装置を構成する単層ゴム材以外の部材について説明する。
平滑板２の材質としては、ステンレス板、その他の金属鋼板を用いることができる。また、平滑板２の摺動面には、低摩擦とするための樹脂製の潤滑性被膜を形成してもよく、この潤滑性被膜は、平均分子量　５０，０００以下、好ましくは　１０，０００以下の含フッ素重合体およびポリシロキサンを、ポリアミドイミド樹脂あるいはエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、フラン樹脂などのマトリクス材に混合させた被膜であることが好ましい。
すベリ材３は樹脂組成物、例えば四フッ化エチレン系樹脂、ポリエチレン系樹脂などを主成分とする樹脂組成物で形成されており、低摩擦・低摩耗を目的とした固体、液体（オイルなど）など種々の充填材を配合してもよい。
また、中板４および上板６の材質としては、表面平滑な金属鋼板などの鋼材を用いることができる。
【００１９】
【実施例】
実施例１
図２（ａ）に示す外周面断面が円弧状のＲ形状を有するφ４００　ｍｍ（単層ゴム材直径）×１１　ｍｍ（単層ゴム材層厚）の単層ゴム材（ゴム材の静的せん断弾性率０．５４ＭＰａ）を作製した。なお、曲率半径は　５．５　ｍｍとした。作製した単層ゴム材について、以下の条件で水平方向の２軸試験機を用いて繰り返し回数１万回までの疲労試験を行ない、表層に亀裂が入った繰り返し回数を確認した。結果を表１に示す。
（疲労試験条件）
加振波：正弦波
鉛直荷重：１８４３ｋＮ
面圧：１５ＭＰａ
水平振幅：±１１ｍｍ（歪み率１００％＝振幅÷単層ゴム材層厚×１００）
振動数：１Ｈｚ
【００２０】
実施例２
図２（ｂ）に示す外周面断面が上下対象の放物線形状を有するφ４００×１１　ｍｍの単層ゴム材（ゴム材の静的せん断弾性率０．５４ＭＰａ）を作製した。なお、放物線状凹部の溝深さは　１６ｍｍ　とした。作製した単層ゴム材について、実施例１と同様の疲労試験を行なった。結果を表１に示す。
【００２１】
比較例１
図４に示す外周面断面が鉛直方向にストレート形状であるφ４００×１１　ｍｍの単層ゴム材（ゴム材の静的せん断弾性率０．５４ＭＰａ）を作製した。作製した単層ゴム材について、実施例１と同様の疲労試験を行なった。結果を表１に示す。
【００２２】
【表１】

【００２３】
比較例１は　１５　ＭＰａの鉛直荷重を載荷すると外周面断面が凸形状で、上下鋼材とゴムが接触した状態となり、４３００　回の繰り返し変形後に表層亀裂が発生した。一方、実施例１および実施例２では鉛直荷重を載荷しても凸形状にはならず、１００００　万回の繰り返し変形を与えても、表層亀裂は起こらなかった。
【００２４】
【発明の効果】
本発明のすべり免震装置は、平滑板とこの平滑板に一方の面が摺接するすべり材とからなるすべり支承と、上記すべり材の他方の面に直接または中板を介して直列に配置される単層ゴム材と、該単層ゴム材を上記すべり材または中板との間で挟み込み接着固定する上板とを備えてなるすべり免震装置であって、上記単層ゴム材は、鉛直荷重非載荷時においてその外周面直径方向断面が凹形状であるので、長期使用の鉛直荷重を載荷した場合でも、上板、中板などの各接合板との接合部分への応力集中が軽減され、繰り返し変形に対する表面亀裂の発生、水平・鉛直剛性の低下を抑制することができる。
また、上記凹形状を単層ゴム材層厚の中心線で上下対称のＲ形状とすることにより、外周面における応力ひずみを軽減でき、亀裂の発生などが抑制される。
【００２５】
上記単層ゴム材は、鉛直荷重を載荷した際にその外周面が、上板とすべり材の少なくとも一方、または、上板と中板の少なくとも一方と接触せず、上板面、前記すべり材面、および前記中板面と該単層ゴム材の接合部外周面とで形成する単層ゴム材直径方向断面の角度が　４５°〜　１３５°の範囲内とすることにより、接触による摩耗および亀裂の発生などを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るすべり免震装置の断面図である
【図２】すべり免震装置における単層ゴム材の形状を示す模式断面図である。
【図３】鉛直荷重を載荷した際の本発明の単層ゴム材の形状変化を示す図である。
【図４】鉛直荷重を載荷した際の従来の単層ゴム材の形状変化を示す図である。
【符号の説明】
１　　すベリ免震装置
２　　平滑板
３　　すベリ材
４　　単層ゴム材
５　　中板
６　　上板
７　　下部躯体
８　　上部躯体

Claims

平滑板とこの平滑板に一方の面が摺接するすべり材とからなるすべり支承と、前記すべり材の他方の面に直接または中板を介して直列に配置される単層ゴム材と、該単層ゴム材を前記すべり材または中板との間で挟み込み接着固定する上板とを備えてなるすべり免震装置であって、
前記単層ゴム材は、鉛直荷重非載荷時においてその外周面直径方向断面が凹形状であることを特徴とするすべり免震装置。
前記凹形状が単層ゴム材層厚の中心線で上下対称であることを特徴とする請求項１記載のすベリ免震装置。
前記凹形状がＲ形状であることを特徴とする請求項１または請求項２記載のすべり免震装置。
前記単層ゴム材は、鉛直荷重を載荷した際にその外周面が、前記上板と前記すべり材の少なくとも一方、または、前記上板と前記中板の少なくとも一方と接触しないことを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３記載のすべり免震装置。
前記単層ゴム材は、鉛直荷重を載荷した際の前記上板面、前記すべり材面、および前記中板面と該単層ゴム材の接合部外周面とで形成する単層ゴム材直径方向断面の角度が　４５°〜　１３５°の範囲内であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項記載のすべり免震装置。