JP2018189204A - 滑り免震装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】高耐久でより一層の低摩擦性を実現することのできる滑り免震装置を提供すること。
【解決手段】曲率を有する摺動面1c,2cを備えた上沓1および下沓2と、上沓1と下沓2の間で、それぞれの沓1,2と接して曲率を有する上面3aおよび下面3bを備えた柱状で鋼製の摺動体3と、から構成され、摺動体3の上面3aと下面3bには接着層4を介して二重織物層5が取り付けられ、二重織物層5はPTFE繊維5a,5bとPTFE繊維5a,5bよりも引張強度の高い繊維5c,5dからなり、PTFE繊維5a,5bが上沓1および下沓2の摺動面1c,2c側に位置している滑り免震装置10であって、二重織物層5の表面にフッ素コート層6があり、フッ素コート層6の表面に潤滑油層7がある。
【選択図】図1

Description

本発明は、上下沓とそれらの間に介在する摺動体とから構成される滑り免震装置に関するものである。
地震国であるわが国においては、ビルや橋梁、高架道路、戸建の住宅といった様々な構造物に対して、地震力に抗する技術、構造物に入る地震力を低減する技術など、様々な耐震技術、免震技術、制震技術が開発され、各種構造物に適用されている。
中でも免震技術は、構造物に入る地震力そのものを低減する技術であることから、地震時の構造物の振動は効果的に低減される。この免震技術を概説するに、下部構造物である基礎と上部構造物との間に免震装置を介在させ、地震による基礎の振動の上部構造物への伝達を低減し、上部構造物の振動を低減して構造安定性を保証するものである。なお、この免震装置は、地震時のみならず、構造物に対して常時作用する交通振動の上部構造物への影響低減にも効果を発揮するものである。
免震装置には、鉛プラグ入り積層ゴム支承装置や高減衰積層ゴム支承装置、積層ゴム支承とダンパーを組み合わせた装置、滑り免震装置など、様々な形態の装置が存在している。その中で滑り免震装置を取り上げてその一般的な構成を説明すると、曲率を有する摺動面を備えた上沓および下沓と、上沓と下沓の間で、それぞれの沓と接して同じ曲率を有する上面および下面を備えた柱状の摺動体と、から構成されており、上下球面滑りタイプの免震装置、あるいはダブルコンケイブ式の免震装置などと称されることもある。
この種の免震装置では、上下の沓の動作性能が、それらの間に介在する摺動体との間の摩擦係数やこれに重量が乗じられた摩擦力に支配される。ところで、従来の滑り免震装置では、摺動体の基準面圧が20MPa以下であり、そのために構造物の高層化等で重量が重くなった場合にはこの荷重に見合う平面寸法の滑り免震装置とするために装置が大規模化せざるを得ず、積層ゴム免震装置等の異種の免震装置に比してコスト競争力が低くなってしまうといった課題を有していた。
そこで、特許文献1では、面圧60MPaを実現する摺動体を備えた高性能な滑り免震装置を開示している。具体的には、柱状で鋼製の摺動体を備え、この摺動体の上面と下面には二重織物層が取り付けられ、この二重織物層はPTFE繊維とPTFE繊維よりも引張強度の高い繊維から構成され、PTFE繊維が上沓および下沓の摺動面側に位置するように配設されている滑り免震装置である。
特許第5521096号明細書
特許文献1に開示の滑り免震装置によれば、鋼製の摺動体とすることでその高い面圧を確保しながら、上下の沓の摺動面と接する摺動体の上下面に二重織物層を配設したこと、より具体的には、PTFE繊維とPTFE繊維よりも引張強度の高い繊維からなる二重織物層をPTFE繊維が摺動面側に配設されるようにして摺動体の本体に固定したことにより、60MPaの面圧を確保しながら、高い免震性能を備えた滑り免震装置を提供することができる。
ところで、本発明者等によれば、上記する特許文献1に開示の滑り免震装置の摩擦係数はおよそ4%程度であることが特定されている。滑り免震装置としてその摩擦係数が4%程度であるのは免震性能の観点から十分に優れていると言えるものの、昨今、病院や福祉施設等のように地震時の建物応答を可及的に小さくしたい建物においては摩擦係数4%程度に起因する地震時応答加速度は依然として大きく、特にこのような施設では応答加速度のより一層の低減が要請されている。
このような要請を満たす滑り免震装置の摩擦係数としては、3%以下、より好ましくは2%以下であることが本発明者等によって特定されている。なお、摩擦係数3%以下の場合、レベル2地震動に対する建物の応答加速度を300gal以下に抑えられることもまた本発明者等によって特定されている。
本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、高耐久でより一層の低摩擦性を実現することのできる滑り免震装置を提供することを目的としている。
前記目的を達成すべく、本発明による滑り免震装置は、曲率を有する摺動面を備えた上沓および下沓と、上沓と下沓の間で、それぞれの沓と接して曲率を有する上面および下面を備えた柱状で鋼製の摺動体と、から構成され、該摺動体の該上面と該下面には接着層を介して二重織物層が取り付けられ、該二重織物層はPTFE繊維と該PTFE繊維よりも引張強度の高い繊維からなり、該PTFE繊維が前記上沓および下沓の摺動面側に位置している滑り免震装置であって、前記二重織物層の表面にフッ素コート層があり、該フッ素コート層の表面に潤滑油層を有しているものである。
本発明の滑り免震装置は、その構成要素である鋼製の摺動体(スライダーとも言う)の上下面に接着層を介してPTFE繊維を含む二重織物層が取り付けられている滑り免震装置に関し、二重織物層の表面にフッ素コート層が設けられ、フッ素コート層の表面に潤滑油層が設けられている点に特徴を有するものであり、二重織物層の表面にフッ素コート層を介して潤滑油層が設けられていることにより、より一層の低摩擦性を実現でき、かつ、摺動体に対する二重織物層の接着性が潤滑油で阻害されないことに起因して高い耐久性を実現できるものである。
滑り免震装置のより一層の低摩擦性を実現する方策として、二重織物層の表面に潤滑油が直接塗布された構成が想起できる。しかしながら、単に二重織物層の表面に潤滑油を直接塗布した構成(二重織物層の表面に潤滑油層が直接設けられた構成)では、塗布された潤滑油が二重織物層と接着層の界面に浸潤していき、当該界面に浸潤した潤滑油によって二重織物層の摺動体への接着強度が低下する結果、接着層から二重織物層が剥離し易くなり、二重織物層の早期破損に至り得ることが本発明者等によって特定されている。
ここで、フッ素コート層の形成は、フッ素樹脂を不燃性のフッ素系溶剤や有機溶剤に溶解して生成された溶液を使用し、この溶液を二重織物層の表面に塗布および乾燥させたり、溶液に二重織物層の表面を浸漬および乾燥させたり、溶液を二重織物層の表面に噴霧および乾燥させる等することで形成できる。
本発明の滑り免震装置は、二重織物層の表面に形成されたフッ素コート層の表面に潤滑油層を設ける構成を適用しているが、撥水性の良好なフッ素コート層の表面に潤滑油層を設けてもフッ素コート層によって撥水され、双方の層が良好な積層構造を維持できないことが容易に考えられる。すなわち、従来一般の知見に基づけば、フッ素コート層の表面に潤滑油層を設ける構成は通常では想起できない組合せと言える。
しかしながら、本発明の滑り免震装置では、フッ素コート層が二重織物層の表面に設けられている。この二重織物層は織物故にその表面には凹凸が存在しており、したがって、この凹凸の表面にフッ素コート層を設けると、フッ素コート層の一部は二重織物層の表面の凹凸に入り込み、フッ素コート層自体も凹凸を有する状態となる。そして、このように凹凸状のフッ素コート層に対して潤滑油層を設けると、潤滑油層の一部がフッ素コート層の凹凸内に入り込み、いわゆるアンカー効果にてフッ素コート層に対する潤滑油層の固定維持を実現することができる。また、このことに相俟って、実際には建物重量にて潤滑油層とフッ素コート層が高面圧を受けていることから、双方の層の強固な固定が実現される。このように、フッ素コート層の表面に潤滑油層を設けるといった斬新な構成を適用することで、潤滑油が二重織物層と接着層の界面に浸潤するのを効果的に解消しながら、潤滑油層による滑り免震装置のより一層の低摩擦性を実現することができる。
ここで、前記潤滑油層としてシリコーンオイル層を適用できる。本発明者等は、潤滑油層として種々のシリコーンオイルやシリコーングリースを用いて滑り免震装置の繰り返し耐久試験をおこなった結果、潤滑油層としてシリコーンオイルが好ましく、さらに、その25℃動粘度が1000mm2/sec以下の場合に二重織物層が破損し難く、高耐久な滑り免震装置を実現できることを実証している。なお、25℃動粘度が1000mm2/secを超えて大きくなるにつれて二重織物層に作用するせん断力も大きくなり、二重織物層の耐久性が低下する傾向にあることもまた本発明者等によって確認されている。
なお、本発明の滑り免震装置では、鋼製の摺動体とすることでその高い面圧を確保しながら、上下の沓の摺動面と接する摺動体の上下面に、PTFE繊維と該PTFE繊維よりも引張強度の高い繊維からなる二重織物層を該PTFE繊維が上沓および下沓の摺動面側に位置するように配設されている。この構成により、60MPaの面圧を確保しながら、高い免震性能を備えた滑り免震装置となっている。すなわち、摺動体の上下面における上下沓の摺動面側にPTFE繊維を配したことにより、60MPa程度の高面圧下での摺動性が良好になる。しかも、PTFE繊維を含む二重織物層を適用したことで、引張強度が比較的低く、したがって荷重を受けた際の耐つぶれ性の低いPTFE繊維は加圧状態での繰り返し振動(加圧摺動力)を受けた際に潰れ易い。しかし、潰れたPTFE繊維は、それよりも引張強度が高く、したがって耐つぶれ性の高い繊維内に留まることで、少なくともその一部は上下沓の摺動面に臨むことができるため、PTFE繊維の良好な摺動性を享受することができる。そしてこのことは、所望の免震性能を有する滑り免震装置の耐久性の向上にも繋がるものである。
なお、「PTFE繊維よりも引張強度の高い繊維」としては、ナイロン6やポリエチレンテレフタレート(PET)など、多様な樹脂繊維が挙げられる。その中でも、耐薬品性、耐加水分解性に優れ、引張強度の極めて高いPPS繊維が望ましい。鋼製の摺動体の本体と二重織物層は接着層を介して接着固定されているが、たとえば、PTFE繊維よりも引張強度の高い繊維にPPS繊維を適用した場合は、鋼製の摺動体の本体表面との接着性がPTFE繊維に比して格段に良好であることからも、二重織物層を適用してPTFE繊維を沓の摺動面側に配し、PPS繊維等を摺動体の本体側に配する構成の利点がある。
以上の説明から理解できるように、本発明の滑り免震装置によれば、鋼製の摺動体の上下面に接着層を介してPTFE繊維を含む二重織物層が取り付けられている滑り免震装置に関し、二重織物層の表面にフッ素コート層を介して潤滑油層が設けられている構成を適用したことでより一層の低摩擦性を実現でき、かつ、潤滑油が二重織物層と接着層の界面に浸潤するのを抑止でき、二重織物層の摺動体に対する接着強度の低下抑止に起因して高い耐久性を実現することができる。
本発明の滑り免震装置の実施の形態の縦断面図である。 滑り免震装置の上沓を取り除いて斜め上から見た斜視図である。 潤滑油層、フッ素コート層、二重織物層、および接着層を拡大した図であって、二重織物層の構造を説明した模式図である。 繰り返し耐久試験結果に関し、フッ素コート層を変化させた際の試験結果を示した図である。 繰り返し耐久試験結果に関し、潤滑油層の塗布量を変化させた際の摩擦係数の特定結果を示した図であり、(a)は摺動体の摺動速度が400mm/secの場合の試験結果であり、(b)は摺動体の摺動速度が20mm/secの場合の試験結果である。
以下、図面を参照して本発明の滑り免震装置の実施の形態を説明する。なお、図示例の滑り免震装置は潤滑油層としてシリコーンオイル層を備えたものであるが、25℃動粘度がシリコーンオイル層と同程度の物性を有していればシリコーンオイル以外の素材からなる層であってもよい。
(滑り免震装置の実施の形態)
図1は本発明の滑り免震装置の実施の形態の縦断面図であり、図2は滑り免震装置の上沓を取り除いて斜め上から見た斜視図であり、図3は潤滑油層、フッ素コート層、二重織物層、および接着層を拡大した図であって、二重織物層の構造を説明した模式図である。
図示する滑り免震装置10は、曲率を有するSUS製の下摺動面1cをその下面1aの内側に備えた上沓1と、曲率を有するSUS製の上摺動面2cをその上面2aの内側に備えた下沓2と、上沓1と下沓2の間で、上沓1および下沓2と接して曲率を有する上面3aおよび下面3bを備えた柱状で鋼製(SUS製を含む)の摺動体3(スライダー)と、から大略構成されている。
上沓1の下面1aのうち、下摺動面1cの周囲には環状のストッパー1bが配設されており、下沓2の上面2aのうち、上摺動面2cの周囲にも環状の第二のストッパー2bが配設されている。これらの環状のストッパー1b、2bにより、摺動体3の摺動範囲が規定され、摺動体3の脱落等が抑止される。
上下の沓1,2と摺動体3はいずれも、溶接鋼材用圧延鋼材(SM490A,B,C、もしくはSN490B,C、もしくはS45C)から形成され、面圧60MPaの耐荷強度を有している。
摺動体3の上面3aと下面3bにはそれぞれ、エポキシ樹脂系接着剤からなる接着層4を介して二重織物層5が接着固定されている。
図3で詳細に示すように、二重織物層5は、PTFE繊維5a,5bとPTFE繊維よりも引張強度の高いPPS繊維5c,5dからなる二重織物層であり、PTFE繊維5a,5bが上沓1および下沓2の摺動面1a,2a側に位置するようにして各二重織物層5が摺動体3に固定されている。
ここで、図示例では「PTFE繊維よりも引張強度の高い繊維」としてPPS繊維5c,5dを挙げているが、それ以外にも、ナイロン6・6、ナイロン6、ナイロン4・6などのポリアミドやポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリトリメチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレートなどのポリエステルやパラアラミド、メタアラミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ガラス、カーボン、LCP、ポリイミド、PEEKなどの繊維を挙げることができ、またさらに、熱融着繊維や綿、ウールなどの繊維を適用してもよい。その中でも、耐薬品性、耐加水分解性に優れ、引張強度の極めて高いPPS繊維が望ましいことから図示例ではPPS繊維5c,5dを適用している。
図3で示す二重織物層5の構成は、摺動体3側にPPS繊維の緯糸5cが配設され、これを巻き込むようにしてPPS繊維の経糸5dが編み込まれており、これらの上方(沓側の位置)にはPTFE繊維の緯糸5aが配され、PTFE繊維の経糸5bがPTFE繊維の緯糸5aを巻き込むようにして編み込まれるとともに、PTFE繊維の経糸5bはさらに下方のPPS繊維の緯糸5cも巻き込むようにして編み込まれて、PTFE繊維が上沓1および下沓2の摺動面1a,2a側に位置するように配設されて上下の二重織物層5が形成されている。
PPS繊維5c,5dは鋼製の摺動体3の表面との接着性がPTFE繊維5a,5bに比して格段に良好であることから、二重織物層5を適用してPTFE繊維5a,5bを上沓1および下沓2の摺動面1a,2a側に位置するように配し、PPS繊維5c,5dを摺動体3側に配するメリットがある。
また、PTFE繊維5a,5bは引張強度が比較的低いことから、二重織物層5が加圧状態での繰り返し振動(加圧摺動力)を受けた際に潰れ易い。しかし、潰れたPTFE繊維5a,5bは、それよりも引張強度が高く、したがって耐つぶれ性の高いPPS繊維5c,5d内に留まることで、少なくともその一部は上下沓1,2の摺動面1a,2aに臨むことができるため、PTFE繊維5a,5bの良好な摺動性を享受することができる。
摺動体3の上面3aと下面3bに接着層4を介して取り付けられた二重織物層5のさらに表面には、フッ素コート層6が設けられ、フッ素コート層6の表面にはさらに潤滑油層7が設けられている。
フッ素コート層6は、フッ素樹脂を不燃性のフッ素系溶剤等に溶解して生成された溶液を二重織物層5の表面に噴霧し、乾燥させることで形成できる。
一方、潤滑油層7はシリコーンオイル層であり、このシリコーンオイルとしては、信越化学工業株式会社製の「KF-96」を適用できる。このKF-96は、ジメチルシリコーンオイルであり、その種類も多様に存在し、25℃動粘度が1000mm2/sec未満〜30000mm2/sec以上と広範囲の25℃動粘度をカバーしている。フッ素コート層6に対し、所定量の潤滑油をヘラにて塗布し、乾燥させることで潤滑油層7が形成される。
以下で記載する本発明者等による実験によれば、25℃動粘度が1000mm2/sec以下のシリコーンオイル層7を適用することにより、二重織物層5の破損が抑制され、極めて高耐久な滑り免震装置10となることが実証されており、したがって、25℃動粘度1000mm2/sec以下のシリコーンオイル層7を備えた滑り免震装置10を望ましい実施例として挙げることができる。
二重織物層5の表面に形成されたフッ素コート層6の表面に潤滑油層7を設ける構成に関し、撥水性の良好なフッ素コート層6の表面に潤滑油層7を設けてもフッ素コート層6によって撥水され、双方の層が良好な積層構造を維持できないことが容易に考えられる。
しかしながら、図示する滑り免震装置10では、フッ素コート層6が二重織物層5の表面に設けられている。この二重織物層5は織物故にその表面には図3で示すように凹凸5eが存在しており、したがって、この凹凸5eの表面にフッ素コート層6を設けると、フッ素コート層6の一部は二重織物層5の表面の凹凸5eに入り込み、フッ素コート層6自体も凹凸6aを有する状態となる。そして、このように凹凸状のフッ素コート層6に対して潤滑油層7を設けると、潤滑油層7の一部がフッ素コート層6の凹凸6a内に入り込み、いわゆるアンカー効果にてフッ素コート層6に対する潤滑油層7の固定維持を実現することができる。尤も、このことに相俟って、実際には不図示の建物の重量にて潤滑油層7とフッ素コート層6が高面圧を受けることから、フッ素コート層6と潤滑油層7双方の強固な固定が実現される。
二重織物層5の表面にフッ素コート層6を介して潤滑油層7が設けられていることにより、滑り免震装置10はより一層の低摩擦性を実現することができる。この低摩擦性に関しては、面圧60MPaが作用した状況下、摺動体3の摺動距離が連続120mにおいて(一度の大地震(レベル2地震)では連続摺動距離は一般に20m程度である)、摩擦係数約1%程度が実現される。
さらに、二重織物層5と潤滑油層7の間にフッ素コート層6を介在させたことで、二重織物層の表面に潤滑油を塗布等する際の課題を解消することができる。すなわち、二重織物層の表面に潤滑油を直接塗布した構成(二重織物層の表面に潤滑油層が直接設けられた構成)では、塗布された潤滑油が二重織物層と接着層の界面に浸潤していき、当該界面に浸潤した潤滑油によって二重織物層の摺動体への接着強度が低下する。その結果、接着層から二重織物層が剥離し易くなり、二重織物層の早期破損に至り得る。これに対して滑り免震装置10では、二重織物層5と潤滑油層7の間にフッ素コート層6が介在していることで潤滑油の当該界面への浸潤が抑止される結果、摺動体3に対する二重織物層5の強固な接着性が保証され、滑り免震装置10の高い耐久性を実現することができる。
(動粘度の異なるフッ素コート層を備えた装置に対する繰り返し耐久試験とその結果)
本発明者等は、25℃動粘度の異なる種々の素材からなるフッ素コート層を備えた複数の滑り免震装置を製作し、各滑り免震装置に面圧60MPaを作用させた状況下において、摺動体を左右に連続120m摺動させる繰り返し耐久試験をおこなった。試験後、摺動体の表面の二重織物層の損傷の有無や、損傷がある場合の具体的な状態について観察した。
本実験において、実施例にかかる装置は25℃動粘度が1000mm2/secのフッ素コート層を有しており、比較例1にかかる装置は25℃動粘度が5000mm2/secのフッ素コート層を有しており、比較例2にかかる装置は25℃動粘度が30000mm2/secのフッ素コート層を有しており、比較例3にかかる装置はシリコーンオイルではなくてシリコーングリースで25℃動粘度が不明(30000mm2/sec以上であることは明らか)を有している。実験結果を図4に示す。
図4より、実施例の摺動体表面の二重織物層には損傷が一切確認されず、面圧60MPa作用下で摺動体の連続摺動距離120m後においても滑り免震装置を継続使用できることが確認されている。
対して、比較例1では、摺動体表面の二重織物層の端部において破れが確認され、滑り免震装置のさらなる継続使用は不可能であった。実施例と比較例1の結果より、フッ素コート層の25℃動粘度としては、1000mm2/sec以下が望ましいことが実証されている。
また、比較例2では、摺動体表面の二重織物層において摺動体の摺動方向に破れが確認され、滑り免震装置のさらなる継続使用は不可能であった。フッ素コート層の25℃動粘度30000mm2/secは、粘性として高過ぎることが実証されている。
実施例と比較例1、2の結果より、フッ素コート層の25℃動粘度としては、1000mm2/sec以下が望ましく、5000mm2/secを超える範囲は不可であることが実証されている。
一方、比較例3では、フッ素コート層がシリコーングリースから形成されていることから25℃動粘度は30000mm2/sec以上であり、したがって、連続摺動距離が120mに満たない早期の段階で摺動体表面の二重織物層において破れが確認された。
(塗布量の異なる潤滑油層を備えた装置に対する繰り返し耐久試験とその結果)
本発明者等はさらに、塗布量の異なる潤滑油層を備えた複数の滑り免震装置を製作し(三種の塗布量で、68g/m2、136g/m2、272g/m2)、各滑り免震装置に面圧60MPaを作用させた状況下において、雰囲気温度を21〜24℃とし、摺動体を左右に連続120m摺動させる繰り返し耐久試験をおこない、各滑り免震装置の摩擦係数を特定した。なお、本試験では、摺動体の摺動速度を400mm/sec、20mm/secの二種でおこなった。図5(a)は摺動体の摺動速度が400mm/secの際の試験結果であり、図5(b)は摺動体の摺動速度が20mm/secの際の試験結果である。
図5(a)、(b)より、いずれの塗布量の潤滑油層を備えた滑り免震装置であっても、装置の摩擦係数は0.4%〜1%と極めて低摩擦となっており、潤滑油層を備えている効果が確認されている。
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
1…上沓(沓)、1a…下面、1b…ストッパー、1c…下摺動面(摺動面)、2…下沓(沓)、2a…上面、2b…ストッパー、2c…上摺動面(摺動面)、3…摺動体(スライダー)、3a…上面、3b…下面、4…接着層、5…二重織物層、5a…PTFE繊維の緯糸(PTFE繊維)、5b…PTFE繊維の経糸(PTFE繊維)、5c…PPS繊維の緯糸(PPS繊維)、5d…PPS繊維の経糸(PPS繊維)、5e…凹凸、6…フッ素コート層、6a…凹凸、7…潤滑油層(シリコーンオイル層)、10…滑り免震装置

Claims (4)

  1. 曲率を有する摺動面を備えた上沓および下沓と、
    上沓と下沓の間で、それぞれの沓と接して曲率を有する上面および下面を備えた柱状で鋼製の摺動体と、から構成され、該摺動体の該上面と該下面には接着層を介して二重織物層が取り付けられ、該二重織物層はPTFE繊維と該PTFE繊維よりも引張強度の高い繊維からなり、該PTFE繊維が前記上沓および下沓の摺動面側に位置している滑り免震装置であって、
    前記二重織物層の表面にフッ素コート層があり、該フッ素コート層の表面に潤滑油層がある滑り免震装置。
  2. 前記潤滑油層がシリコーンオイル層である請求項1に記載の滑り免震装置。
  3. 前記潤滑油層の25℃動粘度が1000mm2/sec以下である請求項1または2に記載の滑り免震装置。
  4. 前記PTFE繊維よりも引張強度の高い繊維がPPS繊維である請求項1〜3のいずれか一項に記載の滑り免震装置。
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