JP2006009852A - 積層ゴム支承体の製造方法および積層ゴム支承体 - Google Patents

Abstract

【課題】鉛以外の振動エネルギ吸収材料を積層体の中空部内に確実に、しかも低圧力で充填できる積層ゴム支承体の製造方法および積層ゴム支承体を提供する。
【解決手段】複数のゴム板１１と複数の金属板１２とを上下方向に交互に積層してなる積層体１０に、少なくとも１つの中空部１３を上下方向に形成し、中空部１３に、プラスチック材料からなる潤滑層を介して非鉛金属プラグ２０を圧入する。非鉛金属プラグとは、錫、銅、アルミニウム、亜鉛、これらの合金等の鉛以外の、振動エネルギを吸収しうる金属からなる円柱体である。潤滑層は、例えば、ＰＴＦＥのようなフッ素系樹脂製のシート３０を、中空部内壁又は非鉛金属プラグ外壁に沿わせたものである。非鉛金属プラグを中空部に圧入する前に、非鉛金属プラグの外周面に潤滑油又はグリースを塗布し、その上にシート３０を設けてもよい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、構造物の免震等に用いられる積層ゴム支承体の製造方法および積層ゴム支承体に関する。

従来から、建築物、土木構造物、機器等を免震するために、図４に示すような鉛プラグ入り免震装置が知られている。すなわち、図４において、複数のゴム板１１と複数の鋼板１２とを交互に積層して積層体１０を構成し、この積層体１０の中心には上下方向に貫通する円柱状の中空部１３を設け、この中空部１３に、鉛からなる円柱体、すなわち鉛プラグ１４を挿入している。この積層体１０を基礎や構造物に取付けるために、積層体１０の上下両端部に連結鋼板１５、１６が固着され、これらの連結鋼板１５、１６を介してそれぞれフランジ金具１７、１８を複数の締付ボルト１９により固定している。

このような鉛プラグ入りの免震装置は、建物等を安定に支持しながら地震発生時には水平方向に変形して地震エネルギを低減するという、従来の積層ゴムとダンパの両機能を併せ持っている。さらに、設置スペースを削減することができると共に、施工性も向上するという特色がある（特許文献１参照）。
特公昭６１−１７９８４号公報 特許第３３６０８２８号公報 特開平１１−１９０３９２号公報

ところで、上記の技術には、次のような解決すべき課題があった。
鉛プラグ入り免震装置は、有害物質である鉛を使用していることから、環境破壊の懸念が指摘されている。製造時の鉛の取扱いのみでなく、今後、建物解体時に生じる鉛入り免震装置の廃棄方法等で問題が生じる惧れがあり、鉛に替わる材料の要求が高まっている。

鉛の代替材料として、錫、アルミニウム等の幾つかの振動エネルギ吸収材料が挙げられるが（特許文献２参照）、実際には従来から鉛以外の材料を使って鉛と同等以上の減衰効果を奏するエネルギ吸収体を備えた免震装置が本格的に製造された例はない。したがって、鉛以外のエネルギ吸収材料を使った免震装置の製造方法も確立されていない。

鉛プラグの場合、６０ＭＰａ程度の圧力を加えれば積層体の中空部への圧入が可能であるが、それでも鉛プラグ圧入時に鉛プラグや積層体の中空部が損傷したり、鉛プラグ自体が曲がってしまうことがあった（特許文献３参照）。

図５は各種金属の機械的性質を示すものである。図５に示すように、錫、アルミニウム等の、鉛以外の金属プラグは、鉛に比べて硬質である。このため、鉛以外の金属プラグは、鉛プラグを積層体の中空部に圧入しうる圧力では充分な圧入ができず圧入作業が困難であり、所定の位置まで充填を行うには相当の加圧力が必要である。

図６は、錫プラグ（錫からなる円柱体）２０を積層体２１等の中空部２２内に圧入する実験での錫プラグ２０の挙動を示している。図６（ａ）に示すように中空部２１内に置かれた錫プラグ２０の上端面を油圧装置等で矢印方向に加圧したとき、図６（ｂ）に示すように錫プラグ２０の側部が曲がってその一部２３が中空部２２の内壁面に擦りつけられながら圧縮される。さらに錫プラグ２０が加圧されると、図６（ｃ）に示すように錫プラグ２０の側部の各所２４、２５が中空部２２の内壁面に擦りつけられながら圧縮される。このため、錫プラグ２０を所望の充填状態になるまで圧縮しようとしても中空部２２の一部が空隙２２ａ、２２ｂとして残留し易く、また錫プラグ２０が不均一に変形したり亀裂が生じ易いという課題があった。

本発明は、振動エネルギ吸収材料を積層体の中空部内に確実に、しかも低圧力で充填できる積層ゴム支承体の製造方法および積層ゴム支承体を提供することを目的とする。

本発明は以上の点を解決するため次の構成を採用する。

〈構成１〉
複数のゴム板と複数の金属板とを上下方向に交互に積層してなる積層体に、少なくとも１つの中空部を上下方向に形成し、上記中空部に、潤滑層を介して金属プラグを圧入することを特徴とする積層ゴム支承体の製造方法。

上記構成は、積層ゴム支承体の製造方法において、潤滑層を介して金属プラグを圧入することを特徴とする。この潤滑層は、積層ゴム支承体の製造時に金属プラグを積層体の中空部に圧入する際に摩擦抵抗を低減して圧入を容易にするだけではなく、中空部に空隙を残すことなく充填が確実に行われる。また、金属プラグの不均一な圧縮変形や同プラグに亀裂が発生することを防止し振動エネルギ吸収効果の低減、すなわち免震特性の品質保持を図ることができる。

〈構成２〉
構成１に記載の積層ゴム支承体の製造方法において、上記潤滑層は、プラスチック材料からなることを特徴とする積層ゴム支承体の製造方法。

〈構成３〉
構成１に記載の積層ゴム支承体の製造方法において、上記潤滑層は、潤滑油又はグリースからなることを特徴とする積層ゴム支承体の製造方法。

潤滑層に適したものとして、プラスチック材料のシートやコーティングを介在させたり、潤滑油又はグリースを良好に用いることができる。ここで使用される潤滑油は、一般機械類の潤滑に常用されている油でよい。また、所望により黒鉛粉末、モリブデン粉末などの固体潤滑剤を使用することもできる。

〈構成４〉
構成１に記載の積層ゴム支承体の製造方法において、上記潤滑層は、フッ素系樹脂シートを、上記中空部内壁又は上記金属プラグ外壁に沿わせたものであることを特徴とする積層ゴム支承体の製造方法。

潤滑層を構成するプラスチック材料としてフッ素系樹脂シートが良好に使用できる。フッ素系樹脂シートとしては、摩擦係数が小さく、入手容易なＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）製のシートを用いることが好ましい。

〈構成５〉
構成１に記載の積層ゴム支承体の製造方法において、上記潤滑層は、上記金属プラグを上記中空部に圧入する前に、上記金属プラグの外周面に潤滑油又はグリースを塗布し、その上にフッ素系樹脂シートを沿わせたものであることを特徴とする積層ゴム支承体の製造方法。

潤滑油又はグリースと、フッ素系樹脂シートを組み合わせて用いることも可能である。金属プラグを中空部に圧入する際に摩擦抵抗を低減でき、金属プラグをより均一に圧縮変形できる。

〈構成６〉
構成１ないし５のいずれかに記載の積層ゴム支承体の製造方法において、上記金属プラグが鉛以外の常温で塑性変形可能な金属からなる非鉛金属プラグであることを特徴とする積層ゴム支承体の製造方法。

〈構成７〉
構成１ないし５のいずれかに記載の積層ゴム支承体の製造方法において、上記金属プラグが錫、銅、アルミニウム、亜鉛、これらを基とする合金から選択された少なくとも１つからなることを特徴とする積層ゴム支承体の製造方法。

金属プラグとして、常温で塑性変形可能で振動エネルギを効率良く吸収しうる非鉛金属プラグを用いることができる。具体的には、錫、銅、アルミニウム、亜鉛や、これらを基とする合金が良好に使用できる。これら非鉛金属プラグは鉛に比べて硬質であることから、積層体の中空部に圧入するには、鉛プラグを圧入するときと比べ大きな圧力が必要となり、中空部内壁との摩擦の影響も大きくなる。そこで、構成１ないし５のような潤滑層を用いることで摩擦の影響を低減する。非鉛金属プラグを用いた積層ゴム支承体の製造方法を実用化レベルにおいて確立する上で、重要な意味を持つ。

〈構成８〉
複数のゴム板と複数の金属板とを上下方向に交互に積層してなる積層体と、上記積層体の上下方向に形成された、少なくとも１つの中空部と、上記中空部に圧入された金属プラグと、上記中空部と上記金属プラグとの間に配設された潤滑層とを備えたことを特徴とする積層ゴム支承体。

〈構成９〉
構成８に記載の積層ゴム支承体において、上記金属プラグは、錫、銅、アルミニウム、亜鉛、これらを基とする合金から選択された少なくとも１つからなる非鉛金属プラグであることを特徴とする積層ゴム支承体。

〈構成１０〉
構成８に記載の積層ゴム支承体において、上記潤滑層は、フッ素系樹脂シートであることを特徴とする積層ゴム支承体。

上述の積層ゴム支承体の製造方法の発明に対応する、物としての積層ゴム支承体を規定する。本願に係る積層ゴム支承体は、物としてもその特徴を有するものである。

以下、本発明の実施の形態を具体例を用いて説明する。

この実施例では、図１に示すようにして積層ゴム支承体を製造する。図１に示すように、先ず、複数のゴム板１１と複数の金属板１２とが上下方向に交互に積層され、上下方向に貫通する円柱状の中空部１３を有する積層体１０を形成する。この積層体１０を、図示のように中空部１３が上下方向に向くように配置し、中空部１３の上開口の周りに、抑え筒３２を介してガイド筒３３を配設する。

次に、中空部１３に錫プラグ２０を圧入するが、この錫プラグ圧入前に、錫プラグ２０の外周面に、プラスチック材料からなる潤滑層を設ける。このために、次の処理を行っておく。すなわち、錫プラグ２０外周面に、例えば、ＰＴＦＥシート３０を巻き付けておく。あるいは、錫プラグ２０の外周面に、潤滑油又はグリースを塗布して、この上にＰＴＦＥシート３０を巻き付けておくようにする。

このようにされた錫プラグ２０の上端面を、プレス機のピストン３５により加圧する。ピストン３５は油圧機構により上下方向に往復駆動されるものである。
錫プラグ２０を、その上端面が中空部１３の上開口面とほぼ同一面になるまで圧縮したとき、ピストン３５による加圧を停止し、抑え筒３２、ガイド筒３３を取り外す。錫プラグ２０は中空部１３内に隙間なく圧入され、径方向に膨張して中空部１３の内壁に密着している。そして、連結鋼板１５の上に、図４に示すようなフランジ金具１７を複数の締付ボルト１９により固定することにより、積層ゴム支承体を製造するものである。

錫プラグ２０の他に、銅、アルミニウム、亜鉛、又はこれらを基とする合金、すなわち錫合金、銅合金、アルミニウム合金、亜鉛合金のいずれかからなるプラグが使用されてもよい。
また、プラスチック材料からなる潤滑層を設けるものとして、ＰＴＦＥシート３０を用いたが、その他のフッ素系樹脂、ポリアミド樹脂、ポリオレフィン樹脂等の摩擦係数の小さいプラスチック材料からなるシートが使用されてもよい。

〔検討〕
ここで、本発明者等は、鉛プラグの代替材料として、錫プラグについて適切な性能が得られる製造条件を、予備試験と本試験により検討したので、その説明をする。

〔予備試験〕
初めに、図２に示すように鉛プラグ１４と錫プラグ２０の２種類の金属プラグ（純度９９．９９％）の試験体を用意し、これらの試験体を、これより内径の大きな有底鋼管４０内に圧入する予備試験を実施した。

金属プラグを有底鋼管４０内に入れた状態では図示のように金属プラグと有底鋼管４０との間に大きな空隙４３が存在するが、金属プラグをプレス機のピストン４１で圧縮していくと、この空隙４３が次第に減少する。
ここで、金属プラグを有底鋼管４０内に入れて圧縮し金属プラグと鋼管４０との空隙４３が殆どなくなったときを充填率１００％と定義し、また、圧縮荷重を、鋼管４０内径の断面積で除した値を圧力（ＭＰａ）と定義した。

この予備試験では、充填率１００％の値は金属プラグの体積が圧縮によっても変化しないものとして、充填率１００％までの圧縮を行った。また、金属プラグの、有底鋼管４０との摩擦の影響を把握するため、金属プラグの外周面に、潤滑油やグリースを塗布したり、ＰＴＦＥシートを巻き付ける処理（摩擦低減処理）を施した金属プラグと、摩擦低減処理を全く施さない金属プラグを用いた。

図３に上記予備試験により得られた、６種類の試験体の各充填率１００％時の圧力（ＭＰａ）を示す。図３の横軸はＡ〜Ｆの６種類の試験体を示している。Ａは摩擦低減処理を施さない鉛プラグ、Ｂは外周面上に潤滑油を塗布しＰＴＦＥシートを巻き付けた鉛プラグ、Ｃは摩擦低減処理を施さない錫プラグ、Ｄは外周面上にグリースを塗した錫プラグ、Ｅは外周面上に潤滑油を塗布しＰＴＦＥシートを巻き付けた錫プラグ、Ｆは外周面上にＰＴＦＥシートを巻き付けた錫プラグをそれぞれ示している。
図３において同一金属で充填率１００％時の圧力が大きいのは、金属プラグと有底鋼管４０との摩擦が大きいためである。効率的な充填を考えると、摩擦が小さいほどよい。

予備試験の結果、無処理の錫プラグを鉛プラグと同様な圧力で圧入するのは不可能であること、錫プラグの外周面にグリースを塗布すれば圧力低減の効果がみられるが、鉛プラグと同様な圧力で圧入するのは不可能であること、錫プラグと鋼管４０内との間にＰＴＦＥシートを配置すると摩擦力が低減し押圧力を低く抑えながら圧入できること等が分った。

〔本試験〕
次に、図１に示したと同様の状態で、潤滑層としてＰＴＦＥシートを使用して実際の積層ゴムへの錫プラグの圧入を試みた。
使用した錫プラグは、９９．９９％の純錫で、外径９８ｍｍ、長さ３００ｍｍである。
使用したＰＴＦＥシートの厚さは０．１ｍｍである。
使用した積層ゴムの仕様は、次の通りである。
ゴム板外径；φ５００ｍｍ
ゴム板内径；φ１００ｍｍ
ゴム板厚さ；３．７５ｍｍ
ゴム板積層数；３３層
ゴム板材質；せん断弾性率０．４４Ｎ／ｍｍ２

錫プラグの外周面に潤滑油を塗布し、ＰＴＦＥシートを錫プラグと積層ゴムの中空部との間に配置した状態で、２００ＭＰａの圧力で錫プラグを押圧して積層ゴムの中空部内に充填した。
この後、積層ゴムの両端部に、図４に示すような連結鋼板１５、１６、フランジ金具１７、１８を複数の締付ボルト１９により固定して積層ゴム支承体を製造した。

このようにして得られた積層ゴム支承体を、有効受圧面積に対して２０ＭＰａ相当の鉛直荷重を加えた状態で、せん断力を加えてゴム板の総肉厚の±１００％のせん断ひずみを生じさせた。これを４サイクル実施した。このときの荷重・変位の関係を図７に示す。

図７から分るように、従来の鉛プラグ入り積層ゴム支承体の履歴特性（参考例として図８に示す）と遜色ない履歴特性が得られた。なお、図８は、鉛プラグ入り積層ゴム支承体に、その両端部の受圧面に１０ＭＰａの鉛直荷重を加えた状態で、せん断力を加えてゴム板の総肉厚の±１００％のせん断ひずみを生じさせ、これを４サイクル実施したときの荷重・変位の関係を示すものである。

図７、図８に示される各荷重・変位関係は、変位ゼロ点付近でも荷重が低下せず、直線状の形状を示している。荷重・変位関係が変位ゼロ点付近でも荷重が低下せず、直線状の形状を示すということは、安定した免震特性を備えていることと考えられる。

本試験により、鉛プラグ入り積層ゴム支承体の鉛の代替材料として錫をプラグとして使用するためには、プラグの適正な充填が必要であり、そのためには錫プラグの側面の摩擦を下げる施策が必要であることが分った。
また、鉛プラグ入り積層ゴム支承体において複数回のせん断ひずみを与えた場合、ときに鉛プラグのくびれなどの異常変形や破断が生じることがある。これは、鉛プラグの側面と積層ゴム支承体の中空部内壁との摩擦による鉛プラグの不均一変形が、主な原因であると考えられている。

本発明の副次的効果として、プラグ側面の摩擦が軽減されることにより、プラグの異常変形や破断のおそれが軽減される。鉛の代替材料として錫をプラグに用いる場合、錫は鉛より弾性率、引張力が大きいため、プラグをより細いものとすることができる。このようにプラグを細くした場合、体積に対する側面積の割合が大きくなりプラグ側面の摩擦による影響が増すことから、本発明による摩擦低減はより大きな意義を持つ。

本試験では錫について試験を行っているが、これと同様に、鉛よりも弾性率、引張力の大きな銅、アルミニウム、亜鉛、これらの合金から選択された少なくとも１つからなる非鉛金属プラグについても、本発明の製造条件を適用することで安定した特性を有する製品が製造可能となる。

なお、本発明は、錫、銅、アルミニウム、亜鉛等に限定されるものではなく、上記条件で挿入可能なあらゆる材料に適用可能である。

実施例１の積層ゴム支承体の製造方法の説明図である。 実施例１の予備試験の説明図である。 同予備試験の結果を示す線図である。 従来の金属プラグ入り積層ゴム支承体を示す断面図である。 各種金属の諸特性を示す図である。 錫プラグを、従来法により積層体等の中空部内に圧入したときの錫プラグの挙動を示す説明図である。 錫プラグ入り積層ゴム支承体の荷重・変位関係を示す特性図である。 鉛プラグ入り積層ゴム支承体の荷重・変位関係を示す特性図である。

符号の説明

１０ 積層体
１１ ゴム板
１２ 金属板
１３ 中空部
１４ 金属プラグ
１５、１６ 連結鋼板
１７、１８ フランジ金具
２０ 錫プラグ
３０ ＰＴＦＥシート
３２ 抑え筒
３３ ガイド筒
３５ 押圧棒

Claims (10)

1. 複数のゴム板と複数の金属板とを上下方向に交互に積層してなる積層体に、少なくとも１つの中空部を上下方向に形成し、
   前記中空部に、潤滑層を介して金属プラグを圧入することを特徴とする積層ゴム支承体の製造方法。
2. 請求項１に記載の積層ゴム支承体の製造方法において、
   前記潤滑層は、プラスチック材料からなることを特徴とする積層ゴム支承体の製造方法。
3. 請求項１に記載の積層ゴム支承体の製造方法において、
   前記潤滑層は、潤滑油又はグリースからなることを特徴とする積層ゴム支承体の製造方法。
4. 請求項１に記載の積層ゴム支承体の製造方法において、
   前記潤滑層は、フッ素系樹脂シートを、前記中空部内壁又は前記金属プラグ外壁に沿わせたものであることを特徴とする積層ゴム支承体の製造方法。
5. 請求項１に記載の積層ゴム支承体の製造方法において、
   前記潤滑層は、前記金属プラグを前記中空部に圧入する前に、前記金属プラグの外周面に潤滑油又はグリースを塗布し、その上にフッ素系樹脂シートを沿わせたものであることを特徴とする積層ゴム支承体の製造方法。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の積層ゴム支承体の製造方法において、
   前記金属プラグが鉛以外の常温で塑性変形可能な金属からなる非鉛金属プラグであることを特徴とする積層ゴム支承体の製造方法。
7. 請求項１ないし５のいずれかに記載の積層ゴム支承体の製造方法において、
   前記金属プラグが錫、銅、アルミニウム、亜鉛、これらを基とする合金から選択された少なくとも１つからなることを特徴とする積層ゴム支承体の製造方法。
8. 複数のゴム板と複数の金属板とを上下方向に交互に積層してなる積層体と、
   前記積層体の上下方向に形成された、少なくとも１つの中空部と、
   前記中空部に圧入された金属プラグと、
   前記中空部と前記金属プラグとの間に配設された潤滑層とを備えたことを特徴とする積層ゴム支承体。
9. 請求項８に記載の積層ゴム支承体において、
   前記金属プラグは、錫、銅、アルミニウム、亜鉛、これらを基とする合金から選択された少なくとも１つからなる非鉛金属プラグであることを特徴とする積層ゴム支承体。
10. 請求項８に記載の積層ゴム支承体において、
    前記潤滑層は、フッ素系樹脂シートであることを特徴とする積層ゴム支承体。

Images