JP2008121822A - 免震構造体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鉛を用いずに、繰返し耐久性が高く、かつ、適度な減衰能力を発揮することができる免震構造体及びその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】上下の面板１２，１４の間に剛性板２０と弾性板２２とが交互に積層されており、積層方向に中空部２７が形成されている積層弾性体２８と、前記中空部内に封入された減衰部材２４とを有し、前記減衰部材が、粒状又は粉状の低降伏点材料を加圧して成形したものであることを特徴とする免震構造体１０。
【選択図】図１

Description

本発明は、免震構造体及びその製造方法に関する。

ビルや橋梁などの建造物において地震の際の揺れを抑制するため、免震構造体が使用される場合がある。図５は、免震構造体の一例を示している。この免震構造体４０は、金属などの剛性板５０とゴムなどの弾性板５２とを交互に積層した積層弾性体５４を有し、中心に設けられた円筒状の中空部には、減衰部材として円柱状の鉛体（鉛プラグ）４６が嵌め込まれている（特許文献１参照）。
このような構造の免震構造体４０は、積層されたゴム等の弾性体５４のせん断変形時には内部の鉛プラグ４６の塑性変形によりエネルギーを吸収することができる。従って、この免震構造体４０を建造物と基礎との間に配置しておくことで、地震の際、積層されたゴム等により建造物の固有周期を地震の周期からずらすとともに、減衰部材４６により縦揺れや横揺れのエネルギーが吸収され、建造物の破壊を防ぐ効果が得られる。

近年、上記のような免震構造体の減衰部材に関しては、環境負荷の観点から鉛以外の代替材料が望まれる傾向にある。鉛以外の減衰部材として、錫などの降伏点の低い材料からなる減衰部材を用いた免震構造体が提案されている（特許文献２参照）。
しかし、錫などの低降伏点材料により連続体として作製した減衰部材を用いた場合、図６に示すように、繰返し変形に対して減衰部材５６に多数の亀裂５８が発生し易く、繰り返し耐久性が低いという問題がある。また、図７は、鉛、錫、アルミニウムのそれぞれについて荷重と変位量との関係を概略的に示している。錫やアルミニウムあるいはそれらの合金は、鉛よりは硬く降伏点が高いため、過大な減衰能力を付与する傾向がある。

一方、中空部にガラスビーズ、鉄等の硬質粒状物を最密充填した免震構造体が提案されている（特許文献３参照）。このような免震構造体では、中空部に最密充填された硬質粒状物同士の摩擦力により減衰効果が発揮される。
しかし、ガラスビーズ等の硬質粒状物は地震等の際に粒状物同士が摩擦し合うことにより破壊され易く、減衰効果が大きく低下して次の地震発生時に十分なエネルギー吸収を発揮できないおそれがある。

特開平１１−１９０３９１号公報 特開２００４−１６９８９４号公報 特開平９−１７７３６７号公報

本発明は上記のような問題点に鑑み、鉛を用いずに、繰返し耐久性が高く、かつ、適度な減衰能力を発揮することができる免震構造体及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では以下の免震構造体とその製造方法が提供される。
＜１＞ 上下の面板の間に剛性板と弾性板とが交互に積層されており、積層方向に中空部が形成されている積層弾性体と、前記中空部内に封入された減衰部材とを有し、前記減衰部材が、粒状又は粉状の低降伏点材料を加圧して成形したものであることを特徴とする免震構造体。
このような免震構造体であれば、鉛が使用されないにも関わらず、繰り返し変形に対して減衰部材に亀裂が発生しにくく、繰り返し耐久性に優れ、また、減衰部材の降伏点が見かけ上低く、適度な減衰能力を発揮することができる。

＜２＞ 前記低降伏点材料が、錫、アルミニウム、又はこれらの金属のいずれかを主成分とする合金であることを特徴とする＜１＞に記載の免震構造体。
上記のような降伏点の低い金属又は合金の粒状体等により加圧成形した減衰部材を備えていれば、繰り返し耐久性に確実に優れるとともに、鉛プラグを備えた免震構造体に近い、より適切な減衰能力を発揮することができる。

＜３＞ 前記低降伏点材料が、低降伏点樹脂を主成分とするものであることを特徴とする＜１＞に記載の免震構造体。
上記のような降伏点の低い樹脂の粒状体等により加圧成形した減衰部材を備えていれば、繰り返し耐久性に確実に優れるとともに、鉛プラグを備えた免震構造体に近い、より適切な減衰能力を発揮することができる。

＜４＞ 剛性板と弾性板とが交互に積層されており、積層方向に中空部が形成されている積層弾性体を用意する工程と、
粒状又は粉状の低降伏点材料を加圧して成形した減衰部材を、前記積層弾性体の中空部に封入する工程と、
前記積層弾性体に上下の面板を取り付ける工程とを含むことを特徴とする免震構造体の製造方法。
上記のような低降伏点材料の粒状体等により加圧成形した減衰部材を用いれば、鉛を使用しなくても、繰り返し耐久性に優れるとともに、鉛プラグを備えたものに近い、適切な減衰能力を発揮する免震構造体を製造することができる。

＜５＞ 前記低降伏点材料として、錫、アルミニウム、又はこれらの金属のいずれかを主成分とする合金を用いることを特徴とする＜４＞に記載の免震構造体の製造方法。
上記のような降伏点の低い金属又は合金の粒状体等により加圧成形した減衰部材を用いれば、繰り返し耐久性に確実に優れるとともに、鉛プラグを備えたものに近い、より適切な減衰能力を発揮する免震構造体を製造することができる。

＜６＞ 前記低降伏点材料として、低降伏点樹脂を主成分とするものを用いることを特徴とする＜４＞に記載の免震構造体の製造方法。
上記のような降伏点の低い樹脂の粒状体等により加圧成形した減衰部材を用いても、繰り返し耐久性に確実に優れるとともに、鉛プラグを備えたものに近い、より適切な減衰能力を発揮する免震構造体を製造することができる。

本発明によれば、鉛を用いずに、繰返し耐久性が高く、かつ、適度な減衰能力を発揮することができる免震構造体及びその製造方法が提供される。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る免震構造体について説明する。
図１は、本発明に係る免震構造体の一例を概略的に示している。この免震構造体１０は、上下の面板１２，１４間に、複数枚の円盤状の金属板２０と、同じく複数枚の円盤状のゴム板２２とを厚み方向に交互に積層した積層弾性体２８が設けられている。そして、積層弾性体２８の中央には積層方向に円筒状の貫通孔（中空部）２７が形成されており、この中空部２７内に粒状又は粉状の低降伏点材料を加圧して円柱状に成形した減衰部材２４が封入されている。なお、本発明における「低降伏点材料」とは、具体的には、引張降伏応力（又は０．２％耐力）σ_ｙが、１０ＭＰａ≦σ_ｙ≦１００ＭＰａとなる材料が好ましく、１０ＭＰａ≦σ_ｙ≦４０ＭＰａとなる材料がより好ましい。

この減衰部材２４は、錫等の低降伏点材料からなる粒状体又は粉状体が三次元的に密着した状態で成形されており、多数の不連続部が集合しているため、予め一体もの（連続体）として形成された減衰部材のように繰り返し変形に対する亀裂が発生しにくい。また、この減衰部材２４は、不連続部を多数有しているため、せん断変形したときに応力が緩和され、本来鉛よりも硬い材料であっても見かけ上柔らかくなり、鉛と同等の減衰能力を発揮することができる。

以下、本発明に係る免震構造体１０について、その製造方法とともに詳細に説明する。
＜積層弾性体＞
剛性板２０と弾性板２２とが交互に積層されており、積層方向に中空部２７が形成されている積層弾性体２８を用意する。
剛性板２０の材質としては、後述の弾性板２２に用いる材質よりも剛性が高いもの、例えば、金属、セラミックス、プラスチック、ＦＲＰ、ポリウレタン、木材、紙板、スレート板、化粧板などを用いることができる。弾性板２２との接着性、硬度等の点から、金属板、特に鋼板を好適に用いることができ、ニッケル板、銅板、黄銅板またはニッケルメッキ、銅メッキ、黄銅メッキを施した鋼板も好適に使用することができる。
剛性板２０の大きさ（直径、厚さ等）については、特に限定されるものではなく、免震構造体１０の使用目的（例えば支持する建造物の重量）等に応じて適宜選択すればよい。

弾性板２２の材質としては、各種の加硫ゴム、未加硫ゴム、プラスチックなどの有機材料、これらの発泡体、アスファルト、粘土等の無機材質、これらの混合材料を用いることができる。粘弾性、剛性板２０との接着性等の点から、ゴム板が好適である。例えば、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＲ、ＥＰＤＭ）、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、ブチルゴム、ハロゲン化ブチルゴム、クロロプレンゴム（ＣＲ）、天然ゴム（ＮＲ）、イソプレンゴム（ＩＲ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ブタジエンゴム（ＢＲ）等が挙げられる。これらのうち、特にハロゲン化ブチルゴム、ＥＰＲ、ＥＰＤＭ、ＣＲ、ＮＲ、ＩＲ、ＢＲ、ＳＢＲが好ましく、これらを２種以上ブレンドして用いてもよい。
弾性板２２の大きさ（直径、厚さ等）についても特に限定されるものではなく、免震構造体１０の使用目的等に応じて適宜選択すればよい。

例えば、金属板（剛性板）２０とゴム板（弾性板）２２を交互に積層させて積層弾性体２８を作製する場合には、金属板２０とゴム板２２は、これらが不用意に分離したり位置ズレしたりしないように、加硫接着により（あるいは接着剤により）強固に接合させる。このように金属板２０とゴム板２２とを交互に積層して強固に接合させた積層弾性体２８とすることにより、地震等の際、水平方向のせん断力を受けると、積層弾性体２８も弾性的にせん断変形することができる。したがって、基礎と建造物とが水平方向に相対移動（振動）すると、積層弾性体２８が全体として弾性的にせん断変形し、この振動のエネルギーを吸収する。また、上記のように、金属板２０とゴム板２２とを交互に積層したことで、積層方向に荷重が作用しても、積層弾性体２８の圧縮（すなわちゴム板２２の圧縮）が抑制されている。したがって、ゴム板２２に十分にせん断変形させてエネルギーを吸収すると共に、復元力を発揮することが可能となる。

積層弾性体２８の中心には、減衰部材２４を配置するため、積層方向に貫通する中空部２７を設ける。このような中空部２７を形成する方法は特に限定されず、例えば、剛性板２０と弾性板２２とを交互に積層して接合した後、その積層弾性体２８の中心部をくり貫いて所定の径の貫通孔を形成することができる。あるいは、予め中心部に貫通孔が形成された剛性板２０と弾性板２２とを交互に積層して接合することにより、中空部２７を有する積層弾性体２８を作製することもできる。

積層弾性体２８の大きさと中空部２７の大きさは特に限定されるものではなく、免震構造体１０の使用目的等に応じて適宜選択すればよい。例えば、中空部２７の直径Ｄ２と積層弾性体２８の直径Ｄ１との比Ｄ２／Ｄ１が０．１〜０．３であれば、地震等の際、積層弾性体２８によるせん断変形と減衰部材２４による塑性変形により揺れを極めて効果的に抑制することができる。
なお、本発明に係る積層弾性体２８の形状は、円柱状（ドーナツ状）に限定されず、免震効果を発揮することができればどのような形状でもよく、例えば角柱状の積層弾性体とするともできる。

＜減衰部材＞
減衰部材２４については、粒状又は粉状の低降伏点材料を加圧して成形したものを用意する。
減衰部材２４を構成する低降伏点材料としては、前記したような降伏点の低い材料から選択することができ、特に、錫、アルミニウム、又はこれらの金属のいずれかを主成分とする合金が好ましい。錫又はアルミニウムを主成分とする合金としては、例えば、錫−亜鉛（Ｓｎ−Ｚｎ）系合金、錫−銅（Ｓｎ−Ｃｕ）系合金、錫−銀（Ｓｎ−Ａｇ）系合金、アルミニウム−亜鉛（Ａｌ−Ｚｎ）系合金等が挙げられる。なお、錫又はアルミニウムを主成分とする合金とは、錫又はアルミニウムの割合（質量比）が他の金属の割合よりも高い合金を意味するが、降伏点がより低い材料とするため、錫又はアルミニウムの割合は、９０質量％以上であることが好ましく、９５質量％以上であることがより好ましい。

また、本発明に係る減衰部材２４を構成する低降伏点材料として、低降伏点樹脂を主成分とするものを用いることもできる。そのような低降伏点樹脂としては、例えば、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリイミド、フッ素樹脂が挙げられる。フッ素樹脂としては、降伏応力や伸びについての物性値からポリ四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）及びフッ化エチレン−プロピレン共重合樹脂（ＦＥＰ）が好適である。このような粒状又は粉状の低降伏点樹脂により本発明に係る減衰部材を加圧成形する場合は、各粒状体（粉状体）が化学的な結合をしないように成形する。
また、硬質プラスチックス（以下「高硬度プラスチックス」と称す場合がある。）Ａよりなる海相と、この海相内に分散する硬質プラスチックスＡよりも低硬度のプラスチックス（以下「低硬度プラスチックス」と称す場合がある。）Ｂよりなる島相とを有する海島構造を持つプラスチック材料も好適である。高硬度プラスチックスＡとしては、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリアミド（ナイロン）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリカーボネート（ＰＣ）等が挙げられ、一方、低硬度プラスチックスＢとしては、ポリエチレン、ポリブテン、エチレン酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。高硬度プラスチックスＡ、低硬度プラスチックスＢは、上述のものをそれぞれ１種ずつ用いても良く、いずれか一方又は双方を２種以上混合して用いても良い。例えば、ＰＥＴを主成分とし、プラスチックと金属両方の特徴を備えたプラスチック材料ＡＳＵＷＡＮ（登録商標）を好適に使用することができる。

本発明に係る減衰部材２４は、粒状又は粉状の低降伏点材料を加圧して積層弾性体２８の中空部２７に挿入することができる形状に成形すればよい。例えば、積層弾性体２８の中空部２７が円筒状の貫通孔であれば、粒状又は粉状の低降伏点材料を加圧して、中空部２７の貫通孔と同等の径を有する円柱状に成形する。

例えば、錫等の金属又は合金の粒状体（粉状体）を用いる場合には、図２（Ａ）に示すように、積層弾性体２８の中空部２７と同じか、少し細い径の穴３２を有する金型（圧力容器）３０を用意し、この穴３２に粒状又は粉状の低降伏点材料３４を投入する。次いで、図２（Ｂ）に示すように、油圧装置等の加圧手段３６によって粒状体（粉状体）が３次元的に密着した状態となるように加圧する。このように粒状又は粉状の低降伏点材料を金型３０の穴３２に充填して加圧成形することで、図３に示すような円柱状の減衰部材２４を作製することができる。このように粒状体（粉状体）を用いて加圧成形した減衰部材２４は、粒状体（粉状体）同士は金属結合はしていないが、粒状体（粉状体）間に空隙がほとんど存在せず（好ましくは空隙率１％以下）、見かけ上の密度が金属結合したものと同等であることが好ましい。

減衰部材２４の作製に使用する粒状又は粉状の低降伏点材料の大きさ（径）は、その材質等にもよるが、粒状又は粉状の低降伏点材料の大きさ（径）が、０．１〜２０ｍｍの範囲内、より好ましくは１〜１０ｍｍの範囲内であれば、加圧成形により空隙率が極めて小さい減衰部材２４を作製することができ、好ましい。
そして、粒状体（粉状体）から加圧成形した減衰部材２４には不連続部が多数存在するため、応力を分散することができる。すなわち、本発明に係る減衰部材２４は、変形時に応力集中が生じ難く、見かけ上の降伏点が低下し、鉛プラグに近い、適度な減衰能力が付与されたものとなる。
なお、減衰部材２４の形状は、円柱状に限定されず、例えば角柱状でもよいし、柱状以外のブロック形状とすることもできる。

上記のように粒状又は粉状の低降伏点材料を加圧成形して作製した減衰部材２４を、図４に示すように積層弾性体２８の中空部２７に封入する。なお、積層弾性体２８には下面板１４を予め取り付けておく。下面板１４は、鋼板等の硬い金属板を用い、積層弾性体２８を構成する剛性板２０よりも厚い金属板を用いることが好ましい。このような下面板１４の中央付近に例えば同心円状にボルト孔を設けておくことで、ボルトを介して下面板１４を積層弾性体２８に強固に固定することができる。

減衰部材２４の体積Ｖ１と、減衰部材２４を挿入する前の積層弾性体２８の中空部２７の容積Ｖ２との比Ｖ１／Ｖ２は、例えば、１．０〜１．１０とすることができる。減衰部材２４を中空部２７と同じ高さ及び同じ径に成形して中空部２７内に嵌め込んでもよいし、あるいは、減衰部材２４の径を中空部２７の径よりも少し細く成形し、この減衰部材２４を中空部２７内に挿入後、油圧装置等により中空部２７の高さＨにまで圧縮することで減衰部材２４を中空部２７内に密着させてもよい。これにより減衰部材２４が中空部２７内に隙間なく封入され、良好な減衰特性を得ることができる。

減衰部材２４を積層弾性体２８の中空部２７内に配置した後、上面板１２を取り付ける。上面板１２も下面板１４と同様、積層弾性体２８を構成する剛性板２０よりも厚い鋼板等の金属板を用いることが好ましい。なお、上下面板１２，１４はそれぞれ側方に張り出すフランジ部１３，１５を有し、建造物、土台等に固定するための複数のボルト孔１６が形成されているものを用いる。

本発明に係る免震構造体１０は、その耐候性等の向上を目的として、外表面部を耐候性に優れたゴム材料で被覆するなどの改良を加えることもできる。被覆材２６により積層弾性体２８を被覆すれば、金属板２０及びゴム板２２に外部からの雨や光の作用を防ぎ、酸素やオゾン、紫外線などによる劣化を防止することができる。このような被覆材２６は、例えば弾性板２２に用いる前記したゴムと同じものを用いることができ、加硫接着等によってゴム板等と一体化させるか、接着剤等で接着してもよい。

上記のような工程により図１に示されるような免震構造体１０を製造することができる。施工時には、上下面板１２，１４のフランジ部１３，１５のボルト孔１６にボルトを通して、免震構造体１０を、基礎土台や地盤等の支持体とビル等の建造物（被支持体）に固定する。これにより、建造物が免震構造体１０を介して基礎土台等に支持されることになる。

そして、本発明に係る免震構造体１０において、その中心部に封入されている減衰部材２４は、それを構成する低降伏点材料が細分されており、減衰部材２４に不連続部が多数存在する。このような減衰部材２４は、地震等による変形時に応力集中が生じ難いため、亀裂が生じにくいとともに、見かけ上の降伏点が低下し、鉛と同等の適切な減衰能力を与えることができる。また、低降伏点材料の粒状体（粉状体）は、ほとんど空隙が存在しない高密度に加圧成形されているため、最密充填した場合のように粒状体（粉状体）間の摩擦により破壊されることもない。従って、このような減衰部材２４を備えた免震構造体１０は、繰返し耐久性が高く、かつ、適度な減衰能力を発揮する免震構造体となる。また、減衰部材２４には鉛が使用されていないため、環境負荷が小さく、廃棄後の処分も容易である。

以上、本発明に係る免震構造体とその製造方法について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
減衰部材として使用する低降伏点材料は、その粒状体（粉状体）を加圧成形した減衰部材が、繰返し耐久性が高く、かつ適度な減衰能力を発揮することができれば特に限定されず、例えば銅なども使用することができる。

また、免震構造体に配置する減衰部材の位置や数は特に限定されるものではない。例えば、剛性板と弾性板との積層弾性体の積層方向に複数の貫通孔を形成し、全ての貫通孔に、粒状又は粉状の低降伏点材料を加圧して成形した減衰部材を封入して免震構造体を製造することもできる。
さらに、本発明に係る免震構造体を製造する方法も実施形態で説明した方法に限定されない。例えば、粒状又は粉状の低降伏点材料を加圧して予め成形した円柱状の減衰部材に、中央に貫通孔を有する剛性板と弾性板とを交互にはめ込んでこれを共加硫して一体化することもできる。

本発明に係る免震構造体の一例を示す概略断面図である。 本発明に係る免震構造体に使用する減衰部材を加圧成形する方法の一例を示す概略図である。（Ａ）加圧成形前 （Ｂ）加圧成形後 本発明に係る免震構造体に使用する減衰部材の一例を示す概略図であり、（Ａ）は減衰部材全体を、（Ｂ）は減衰部材を構成する粒状体（粉状体）の密着状態を示す。 減衰部材を積層弾性体の中空部に挿入する状態を示す概略図である。 従来の免震構造体の一例を示す概略断面図である。 錫製の減衰部材に亀裂が入った状態を示す概略図である。 鉛、錫、アルミニウムにおける荷重と変位との関係を示す図である。

符号の説明

１０ 免震構造体
１２ 上面板
１３ フランジ部
１４ 下面板
１５ フランジ部
１６ ボルト孔
２０ 剛性板
２２ 弾性板
２４ 減衰部材
２７ 中空部（貫通孔）
２８ 積層弾性体
３０ 金型
３２ 穴
３６ 加圧手段

Claims (6)

1. 上下の面板の間に剛性板と弾性板とが交互に積層されており、積層方向に中空部が形成されている積層弾性体と、前記中空部内に封入された減衰部材とを有し、前記減衰部材が、粒状又は粉状の低降伏点材料を加圧して成形したものであることを特徴とする免震構造体。
2. 前記低降伏点材料が、錫、アルミニウム、又はこれらの金属のいずれかを主成分とする合金であることを特徴とする請求項１に記載の免震構造体。
3. 前記低降伏点材料が、低降伏点樹脂を主成分とするものであることを特徴とする請求項１に記載の免震構造体。
4. 剛性板と弾性板とが交互に積層されており、積層方向に中空部が形成されている積層弾性体を用意する工程と、
   粒状又は粉状の低降伏点材料を加圧して成形した減衰部材を、前記積層弾性体の中空部に封入する工程と、
   前記積層弾性体に上下の面板を取り付ける工程とを含むことを特徴とする免震構造体の製造方法。
5. 前記低降伏点材料として、錫、アルミニウム、又はこれらの金属のいずれかを主成分とする合金を用いることを特徴とする請求項４に記載の免震構造体の製造方法。
6. 前記低降伏点材料として、低降伏点樹脂を主成分とするものを用いることを特徴とする請求項４に記載の免震構造体の製造方法。

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