JP2005264954A - 免震構造体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】橋梁や建造物などの部材間に取り付けられる免震構造体において、鉛直方向の支持力および微振動時の吸震性能を高める。
【解決手段】免震構造体１は、硬質層２１と軟質層２２とが交互に積層された本体２を備えている。軟質層２２は、高減衰ゴム層２２ｂを軟質ゴム層２２ａで取り囲んだものであり、高減衰ゴム層２２ｂは、軟質層２２内の複数か所（例えば、４か所）に設けられている。これにより、軟質層２２において、鉛直荷重に強い軟質ゴム層２２ａが、せん断弾性係数の低い高減衰ゴム層２２ｂを囲んで拘束する構造となる。そのため、高荷重への耐力と大きなせん断変形にも破断することなく追随して耐え、かつ安定した減衰特性を得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、橋梁や建造物などの部材間に取り付け、これらの部材間の相対的な変位による運動エネルギーを吸収して振動や地震力を減衰する免震構造体であって、免震効果とダンピング効果を備え、上部構造体を地震動等から保護するための免震構造体およびその製造方法に関するものである。

従来、この種の免震構造体としては、剛性を有する鋼板などの硬質層とゴム材質などの粘弾性的性能を持った軟質層とを交互に積層し加圧、加硫接着させた構造体が防振・吸震および歪吸収と併せ地震時には大きな外力を吸収する目的で免震構造体が古くから使用されている。この免震構造体は、剛体構造物や道路などの構造物と基礎、橋梁と橋脚の間に取り付けることにより地震による構造物への入力加速度は減衰され、また道路等においては、ばねとしての弾性特性から通過車両の振動吸収や偏荷重の緩和、温度変化による歪の吸収など多くの作用効果を奏する。

しかしながら、大きな地震に際しては構造物や橋梁等へのゆっくりした横揺れはそのまま残るため、横揺れが大きいと他の構造物との衝突や付帯設備を破損したり落下させたりする。

そこで、こうした横揺れ変位を小さくするため、本体の中央部に鉛直方向に貫通孔を設け、この貫通孔に鉛栓（鉛プラグ）を入れることにより、鉛栓の塑性変形を利用してダンピング効果を付与したものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−９０７７８号公報

しかし、鉛栓は、主としてダンパーとしての機能を果たし、せん断方向の振動エネルギーの吸収能力を高めるものの、鉛直方向の支持力や微振動時の吸震性能が必ずしも良好でないという不都合があった。

そこで、鉛栓を使用せず、軟質層だけのゴム材料として高減衰性の各種ゴムや樹脂類を混合した組成物、すなわち高減衰ゴムを用いた免震構造体もあるが、高減衰ゴムが上部構造物の大きな荷重を直接支持するため、クリープ量が大きく、永久構造物としての用途には耐久性および実績面で劣るという欠点がある。

また、鉛栓の代替材料として高減衰性の組成物（例えば、各種ゴム材料とその他のゴム材料とのブレンド混合物、各種樹脂類、繊維類、金属の線材、ロープなど）を採用することも提案がされているが、依然としてクリープによる永久歪や性能劣化が生じるばかりか、貫通孔の存在によって硬質層が分断され、荷重を支える支持面が狭くなるため、この支持面を広くして大型化しない限り、長期間にわたって荷重を支えることができず、経済性に劣るという欠点がある。

本発明は、このような種々の欠点を伴うことなく、鉛直方向の支持力および微振動時の吸震性能を高めることが可能な免震構造体およびその製造方法を提供することを目的とする。

まず、請求項１に係る発明は、硬質層と軟質層とが交互に積層された本体を備えた免震構造体であって、前記軟質層は、高減衰ゴム層を軟質ゴム層で取り囲んだものであることを特徴とする。
また、請求項２に係る発明は、前記軟質層は、前記硬質層のうち最上部と最下部を除く硬質層を前記高減衰ゴム層が貫通していることを特徴とする。
また、請求項３に係る発明は、前記高減衰ゴム層は、前記軟質層内の複数か所に設けられていることを特徴とする。
また、請求項４に係る発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の免震構造体の製造方法であって、前記高減衰ゴム層を圧密成型して半加硫または加硫状態にしてから前記軟質ゴム層に内蔵し、これらの高減衰ゴム層および軟質ゴム層をそれぞれの組成物の配合内容の差から生じる適正加硫時間差を調整しつつ本加硫することを特徴とする。

本発明に係る免震構造体によれば、軟質層において、鉛直荷重に強い軟質ゴム層が、せん断弾性係数の低い高減衰ゴム層を囲んで拘束する構造となっているため、高荷重への耐力と大きなせん断変形にも破断することなく追随して耐え、かつ安定した減衰特性を得ることができる。その結果、鉛直方向の支持力および微振動時の吸震性能を高めることが可能な免震構造体を提供することができる。しかも、上述した従来技術と異なり、耐久性や実績面、経済性に劣るという欠点を伴うことはない。

また、本発明に係る免震構造体の製造方法によれば、高減衰ゴム層と軟質ゴム層の双方の形状の乱れを防ぐことができるため、上述した免震構造体の機能を十全に発揮させることが可能となる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

免震構造体１は、図１および図２に示すように、直方体状の外観形状を備えており、本体２および被覆ゴム５から構成されている。本体２は、５層の平板状の硬質層２１と４層の平板状の軟質層２２とが交互に積層され、堅固に加硫接着されて一体化した構造を有している。各軟質層２２は、図２に示すように、２行２列で配置された４個の円盤状の高減衰ゴム層２２ｂを軟質ゴム層２２ａで取り囲んだものである。なお、軟質ゴム層２２ａと高減衰ゴム層２２ｂの合計の面積比は、荷重に対する耐圧力と減衰性を勘案して決定された比率となっており、５０：５０〜８０：２０が目安となる。

ここで、硬質層２１としては、汎用の各種鋼板を使用することができる。例えば、一般構造用鋼板、冷間圧延鋼板、ステンレス鋼板、硬質樹脂板、繊維入り硬質ゴム板などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。

また、軟質層２２の高減衰ゴム層２２ｂの材料としては、免震構造体の免震機能を発揮しつつも、特に地震時のせん断方向の振動入力加速度を緩和するため、ヒステリシス損失の大きいゴム組成物を使用することができる。こうしたゴム組成物としては、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭまたはＥＰＭ）、ブチルゴム（ＩＩＲ）、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、イソプレンゴム（ＩＲ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、天然ゴム（ＮＲ）などの原材料ゴムを１種類又は２種類以上をブレンドし、充填剤（例えば、カーボンブラックに加え、シリカ、クレーなどの鱗片状無機充填剤、或いはクマロン樹脂などの石油系樹脂）、可塑剤（例えば、フタル酸など各種の酸誘導体）、加硫剤、加硫促進剤など種々の添加剤を配合・混練したものが挙げられる。

一方、軟質層２２の軟質ゴム層２２ａの材料としては、物性値の高い高品質の天然ゴム（ＮＲ）を用いることが好ましい。天然ゴム（ＮＲ）を用いることにより、物理的性能に優れ、高い荷重に耐える強度、大きな地震時のせん断変位にも追随でき、長期使用に際しても永久歪・クリープ性に優れた軟質ゴム層を得ることができる。天然ゴム（ＮＲ）以外のゴム材料としては、イソプレンゴム（ＩＲ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、ポリブタジエンゴム（ＢＲ）、ブチルゴム（ＩＩＲ）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭまたはＥＰＭ）などを挙げることができる。必要に応じて、充填剤、可塑剤、老化防止剤、加硫剤、加硫促進剤など種々の添加材を配合・混練してもよい。これらの原材料ゴムは１種類でもよく、また２種類以上のゴム材料をブレンドして使用することもできる。また、補強材、加硫剤の種類、量を調整することにより、物性等を調整することができる。さらに、長期間の使用後も物性変化を小さく抑えるために、各種老化防止剤、安定剤、難燃剤等を混練すれば、機能を高めることができる。

また、被覆ゴム５は、免震構造体１の長期使用時の耐候性を高めるべく、本体２を包囲するように周設されている。この被覆ゴム５としては、耐候性、耐外傷性、難燃性に優れたものを用いるのが好ましい。例えば、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭまたはＥＰＭ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、ブチルゴム（ＩＩＲ）に、必要に応じて充填剤、可塑剤、老化防止剤、加硫剤、加硫促進剤を混練したものを採用することができる。

免震構造体１は以上のような構成を有するので、その本体２の軟質層２２は、鉛直荷重に強い軟質ゴム層２２ａが、せん断弾性係数の低い高減衰ゴム層２２ｂを囲んで拘束する構造を備えている。したがって、高荷重への耐力と大きなせん断変形にも破断することなく追随して耐え、かつ安定した減衰特性を発現する。その結果、免震構造体１では、鉛直方向の支持力および微振動時の吸震性能を高めることが可能となる。しかも、この免震構造体１では、上述した従来技術と異なり、耐久性や実績面、経済性に劣るという欠点を伴うことはない。

また、この免震構造体１を製造する際には、高減衰ゴム層２２ｂを予め予備成型用金型などで加圧して圧密成型した後、半加硫または加硫状態にして軟質ゴム層２２ａに内蔵し、軟質ゴム層２２ａと同時に本加硫を行う。このとき、高減衰ゴム層２２ｂと軟質ゴム層２２ａの組成物の配合内容の差から生じる適正加硫時間差を調整する。

具体的に述べれば、次のとおりである。すなわち、硬質層２１に鋼板を使用する場合、まず、鋼板を洗浄して表面の油類、防錆剤、汚れを落とした後、鋼板表面の酸化皮膜などをショットブラストで除去して表面処理し、加硫接着させるための接着剤を塗布する。また、軟質層２２の軟質ゴム層２２ａと高減衰ゴム層２２ｂについては、選択された原材料ゴムに所定の配合剤、添加剤を計量して混練機で混練を行う。その物性を確認した後、所定の厚みに圧延する。軟質ゴム層２２ａに内蔵する高減衰ゴム層２２ｂ部分の空間と外郭部を型抜きして、未加硫シートを準備する。他方、高減衰ゴム層２２ｂは、同様な工程を経てシート状にした後、高減衰ゴムを所定の形状に打ち抜いて張り合わせる。これを別途用意した成型金型に挿入し、加圧して形状を整える。次に、軟質ゴム層２２ａに比較して高減衰ゴム層２２ｂの適正加硫時間が遅い場合には、同一加硫条件にするため、高減衰ゴム層２２ｂを予め加硫プレスで半加硫状態にしてから軟質ゴム層２２ａに挿入して加硫する。このとき、高減衰ゴム層２２ｂが硬質層２１に接する面はゴムセメント等の接着剤で接着する。なお、軟質ゴム層２２ａと高減衰ゴム層２２ｂが接する面は、必ずしも接着させる必要はない。

このようにして免震構造体１を製造すると、軟質ゴム層２２ａと高減衰ゴム層２２ｂの加硫条件が同一となるため、双方の形状の乱れを防ぐことができる。したがって、上述した免震構造体１の機能を十全に発揮させることが可能となる。

なお、上述の実施形態においては、すべての硬質層２１が平板状である場合について説明した。しかし、図３に示すように、５層の硬質層２１のうち最上部と最下部を除く硬質層２１（図３では、第２層目と第４層目の硬質層２１）において、高減衰ゴム層２２ｂが当接する部分に１個以上（図３では、２個）の貫通孔２１ａを鉛直方向に形成し、各貫通孔２１ａに高減衰ゴム層２２ｂが嵌合して当該硬質層２１を貫通するようにしてもよい。このとき、硬質層２１を１層から数層にわたって貫通させることもできる。この場合も、上述の実施形態と同じ作用効果を奏する。

また、上述の実施形態においては、直方体状の外観形状を備えた免震構造体１について説明したが、免震構造体１の外観形状は必ずしもこれに限定されない。例えば、建築構造物に免震構造体１を組み込む場合などに、円柱形の免震構造体１を採用しても構わない。

また、上述の実施形態においては、５層の硬質層２１と４層の軟質層２２からなる本体２について説明したが、これら硬質層２１、軟質層２２の積層数は使用条件や設計条件に応じて適宜決定すればよい。

また、上述の実施形態においては、図２に示すように、円盤状（つまり、円形断面）の高減衰ゴム層２２ｂを２行２列で配置した場合について説明したが、高減衰ゴム層２２ｂの断面形状や配置方法は必ずしもこれに限定されない。例えば、図４に示すように、軟質層２２の中央に菱形断面の高減衰ゴム層２２ｂを配置し、この高減衰ゴム層２２ｂの周囲に４個の円形断面の高減衰ゴム層２２ｂを配置することも可能であり、また、矩形断面、多角形断面、楕円断面、長円形断面の高減衰ゴム層２２ｂを採用することもできる。

また、上述の実施形態においては、図２に示すように、本体２の軟質層２２の４か所に高減衰ゴム層２２ｂを配設した場合について説明したが、高減衰ゴム層２２ｂの個数については、要求されるせん断性能に応じて適宜決定すればよい。例えば、図５、図４に示すように、軟質層２２の１か所または５か所に高減衰ゴム層２２ｂを設けてもよい。そして、高減衰ゴム層２２ｂの総断面積を増減させない条件下では、高減衰ゴム層２２ｂの個数が増えるほど、その平方根に比例して高減衰ゴム層２２ｂと軟質ゴム層２２ａとの接触面積が増大し、軟質ゴム層２２ａが高減衰ゴム層２２ｂをその周囲から拘束する力が増すため、免震構造体１の水平ばね定数などの低下が抑制される。例えば、高減衰ゴム層２２ｂが１個の場合（図５）と比べると、高減衰ゴム層２２ｂが４個の場合（つまり、各高減衰ゴム層２２ｂの断面直径が１／２に減少した場合）は高減衰ゴム層２２ｂと軟質ゴム層２２ａとの接触面積は２倍となり、高減衰ゴム層２２ｂが９個の場合（つまり、各高減衰ゴム層２２ｂの断面直径が１／３に減少した場合）は高減衰ゴム層２２ｂと軟質ゴム層２２ａとの接触面積は３倍となる。

本発明に係る免震構造体の第１の実施形態を示す縦断面図である。 図１に示す免震構造体のＢ−Ｂ線による断面図である。 本発明に係る免震構造体の第２の実施形態を示す縦断面図である。 図３に示す免震構造体のＣ−Ｃ線による断面図である。 本発明に係る免震構造体の第３の実施形態を示す水平断面図である。

符号の説明

１……免震構造体
２……本体
５……被覆ゴム
２１……硬質層
２２……軟質層
２２ａ……軟質ゴム層
２２ｂ……高減衰ゴム層

Claims (4)

1. 硬質層と軟質層とが交互に積層された本体を備えた免震構造体であって、
   前記軟質層は、高減衰ゴム層を軟質ゴム層で取り囲んだものであることを特徴とする免震構造体。
2. 前記軟質層は、前記硬質層のうち最上部と最下部を除く硬質層を前記高減衰ゴム層が貫通していることを特徴とする請求項１に記載の免震構造体。
3. 前記高減衰ゴム層は、前記軟質層内の複数か所に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の免震構造体。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の免震構造体の製造方法であって、
   前記高減衰ゴム層を圧密成型して半加硫または加硫状態にしてから前記軟質ゴム層に内蔵し、これらの高減衰ゴム層および軟質ゴム層をそれぞれの組成物の配合内容の差から生じる適正加硫時間差を調整しつつ本加硫することを特徴とする、免震構造体の製造方法。
   

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