JP2019120345A - 滑り免震装置用のスライダーと滑り免震装置 - Google Patents

Abstract

【課題】所定の面圧を確保して摩擦係数の増加を抑制し、滑り免震装置による免震効果を得るとともに、スライダーに生じる曲げ応力を可及的に抑制して、滑り材の早期摩耗や摩擦係数のばらつきを抑制することのできる、滑り免震装置用のスライダーと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を備えた上沓２０Ａと下沓２０Ｂの間に配設され、曲率を有する上面１ａと下面１ｂを備えている、鋼製の滑り免震装置用のスライダー１０であって、上面１ａと下面１ｂが凹部２ａ，２ｂを備えている。この凹部２ａ，２ｂは、座ぐり孔の形態と、貫通孔２ｅの形態がある。【選択図】図４

Description

本発明は、滑り免震装置用のスライダーと滑り免震装置に関する。

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と、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、上沓と下沓の間に配設されてそれぞれの沓の摺動面と接し、それぞれの沓と同一の曲率を有する上面および下面を備えたスライダーと、から構成されている。滑り免震装置は、上下球面滑りタイプの免震装置と称されたり、ダブルコンケイブ式の免震装置と称されることもある。滑り免震装置では、上沓と下沓の動作性能が、それらの間に介在するスライダーとの間の摩擦係数や、摩擦係数に載荷重量（軸力）が乗じられてなる摩擦力に支配される。

ところで、テフロン（登録商標）を介した滑り免震装置では、テフロン（登録商標）の基準面圧が２０Ｎ／ｍｍ^２（２０ＭＰａ）であり、そのために、構造物の高層化等に起因して載荷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べく、滑り免震装置を大規模化せざるを得ない。そのため、積層ゴム免震装置等の異種の免震装置に比べてコスト競争力が低くなってしまい、結果として使用頻度が低くなっていた。

滑り免震装置の摩擦係数は、その面圧が小さくなるほど大きくなっていく。摩擦係数が大きくなると、滑り免震装置による免震効果が得られ難くなることから、スライダーの半径は、軸力に応じて面圧が高くなるように設計される。例えば、面圧６０Ｎ／ｍｍ^２（６０ＭＰａ）を実現するスライダーを備えた、高性能な滑り免震装置が提案されている。具体的には、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スライダーと、から構成される滑り免震装置である。スライダーの上面と下面には、ＰＴＦＥ繊維とＰＴＦＥ繊維よりも引張強度の高い繊維とからなる二重織物層が備えられている（例えば、特許文献１参照）。

特許第５５２１０９６号公報

特許文献１に記載の滑り免震装置によれば、６０Ｎ／ｍｍ^２程度の面圧に対抗して、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、軽量構造物に対して例えば特許文献１に記載の滑り免震装置を適用した場合、６０Ｎ／ｍｍ^２の面圧まで耐えることができるため、スライダーの面積を小さくすることが可能である。一方、スライダーがスライドしている際の当該スライダーに作用する面圧（もしくは曲げ応力）は、スライダーに作用する軸力をスライダーの面積で除してなる平均応力と、スライダーが上沓及び下沓の間でスライドした際に生じる曲げモーメントに起因する増加応力の合計値となる。スライダーの外径を小さくしていくと、スライダーの断面係数も小さくなることから、曲げモーメントに起因する増加応力は逆に大きくなり、平均応力と増加応力を合計した曲げ応力（特に、スライダーの上面及び下面における端部応力）が大きくなる。そして、曲げ応力（特に端部応力）が大きくなると、スライダーの上面及び下面に接着等されている滑り材の早期摩耗といった問題や、スライダーの面圧が一定にならないことに起因する摩擦係数のばらつきといった問題が懸念される。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、所定の面圧を確保して摩擦係数の増加を抑制し、滑り免震装置による免震効果を得るとともに、スライダーに生じる曲げ応力を可及的に抑制して、滑り材の早期摩耗や摩擦係数のばらつきを抑制することのできる、滑り免震装置用のスライダーと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用のスライダーの一態様は、曲率を有する摺動面を備えた上沓と下沓の間に配設され、曲率を有する上面と下面を備えている、鋼製の滑り免震装置用のスライダーであって、
前記上面と前記下面が凹部を備えていることを特徴とする。

本態様によれば、スライダーの上面及び下面がともに凹部を備えていることにより、例えばスライダーの外径を小さくすることなく、スライダーの上面及び下面の面積を所望に小さくすることができる。従って、スライダーに作用する軸力が小さい場合でも、凹部の面積を調整することにより、スライダーの上面及び下面の外径を維持しながら、スライダーの面圧を所定の面圧に調整することができる。そして、この面圧の調整に当たり、例えばスライダーの外径を小さくしなくてよいことから、スライダーの外径を小さくする場合と比べて、スライダーの断面係数の低下を抑制することができる。このスライダーの断面定数の低下抑制により、曲げモーメントに起因する増加応力を抑制でき、スライダー表面に滑り材が固定されている場合の当該滑り材の早期摩耗を抑制でき、滑り免震装置の摩擦係数のばらつきを抑制できる。また、スライダーが鋼製であることにより、６０Ｎ／ｍｍ^２程度の面圧に十分に対抗することができ、摩擦係数を所定の低い値に維持して優れた免震効果を発揮することができる。

また、本発明による滑り免震装置用のスライダーの他の態様は、前記上面と前記下面の平面視形状が円形であり、双方の面積が同じであり、双方の備える前記凹部の面積が同じであることを特徴とする。

本態様によれば、スライダーの上面と下面の面積のうち、凹部の面積を除いた残りの面積をともに同じ面積に設定することができる。ここで、「双方の面積が同じ」である構成に関し、スライダーの上面及び下面は曲率を有していることから、上面や下面の面積は、平面視における面積が同じであること、言い換えれば、平面に対する投影面積が同じであることを意味している。また、凹部の平面視形状は特に限定しないが、上面および下面と同様の円形であることの他、正方形、矩形等の多角形などであってもよい。ただし、上沓及び下沓の間で、スライダーが３６０度方向に自在にスライドしながら、曲げモーメントによる増加応力に対してスライダーのどの端部部位も同程度に対抗できるように、平面視円形の凹部がスライダーの上面及び下面の中心に設けられているのが好ましい。

また、本発明による滑り免震装置用のスライダーの他の態様において、前記凹部が座ぐり孔であることを特徴とする。

本態様によれば、スライダーが上面及び下面に凹部を有しながらも、この凹部が座ぐり孔であることから、上下の座ぐり孔の間にはスライダーの中実部が存在している。従って、この中実部により、凹部によるスライダーの剛性の低下を抑制することができる。

また、本発明による滑り免震装置用のスライダーの他の態様において、前記凹部が、前記上面から前記下面に亘る貫通孔であることを特徴とする。

本態様によれば、凹部が貫通孔であることにより、スライダーの形成材料を可及的に低減でき、スライダーの重量を可及的に軽量化できる。また、貫通孔はスライダーの上面から下面に亘るものであることから、上面と下面の同じ位置に凹部（貫通孔）を有することになる。既述するように、貫通孔の軸心とスライダーの軸心が同軸となるように、スライダーの中央位置に貫通孔が設けられるのが好ましい。

また、本発明による滑り免震装置用のスライダーの他の態様において、前記上面と前記下面の平面視形状と前記凹部の平面視形状がいずれも円形であり、以下の式（Ａ）を満たすことを特徴とする。

本態様によれば、スライダーの高さに応じて式（Ａ）に基づいて凹部の孔径を設定することにより、曲げモーメントに起因するスライダーの端部応力を可及的に抑制することができる。既述するように、スライダーがスライドしている際にスライダーの特に端部に生じる端部応力σ_Ｖは、スライダーに作用する軸力に起因して常時生じている平均応力σ_Ｏと、曲げモーメントに起因する増加応力σ_Bの合計値となる。本発明者等によれば、スライダー本体の摩耗やスライダーの上面及び下面に接着等されている滑り材の摩耗を防止するには、σ_Ｖ／σ_Ｏを１．１に抑えることが重要であるとの知見が得られている。上式（Ａ）は、σ_Ｖ／σ_Ｏ≦１．１を充足する式となっている。スライダーの設計としては、まず、構造物の規模や高さ制限等からスライダーの高さが設定されるのが一般的である。従って、スライダーの高さＨが設定され、次にスライダーの外径Ｄ１が設定されてスライダーの寸法が設定された後、上式（Ａ）を充足するＤ２を設定することにより、スライダーの摩耗を抑制しながら、所定の面圧を確保して摩擦係数の増加を抑制し、滑り免震装置による免震効果を得ることができる。

また、本発明による滑り免震装置用のスライダーの他の態様において、前記スライダーの前記上面と前記下面には、ＰＴＦＥ繊維と、該ＰＴＦＥ繊維よりも引張強度の高い繊維とからなる二重織物からなる滑り材が固定されており、
前記滑り材において、前記ＰＴＦＥ繊維が前記上沓および前記下沓の前記摺動面側に配設されていることを特徴とする。

本態様によれば、スライダーの上面及び下面に二重織物からなる滑り材が固定され、滑り材においてＰＴＦＥ繊維が上沓および下沓の摺動面側に配設されていることにより、６０Ｎ／ｍｍ^２程度の高面圧下での滑り免震装置の摺動性が良好になる。しかも、ＰＴＦＥ繊維を含む二重織物からなる滑り材を適用したことにより、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。しかしながら、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により、少なくともその一部は上沓及び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繋がる。

また、本発明による滑り免震装置の一態様は、曲率を有する摺動面を備えた上沓及び下沓と、
曲率を有する上面と下面を備えている前記スライダーと、を有することを特徴とする。

本態様によれば、滑り免震装置が本発明のスライダーを有していることにより、スライダーに作用する軸力が小さい場合でも、所定の面圧を確保して高い免震性能を発揮できるとともに、スライダーの特に端部に生じる曲げ応力（端部応力）を可及的に抑制して、スライダーの摩耗等を抑制することができる。

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用のスライダーと滑り免震装置によれば、所定の高い面圧に対抗して摩擦係数の増加を抑制し、優れた免震効果を得ることができる。また、スライダーに生じる曲げ応力を可及的に抑制して、スライダーの早期摩耗や滑り免震装置の摩擦係数のばらつきを抑制することができる。

第１の実施形態に係るスライダーを形成するスライダー本体の斜視図である。 図１のII−II矢視図であって、スライダー本体の縦断面図である。 図１のIII方向の矢視図であって、スライダー本体の平面図である。 第１の実施形態に係るスライダーの斜視図である。 スライダー本体の変形例の平面図である。 スライダー本体の変形例の平面図である。 第２の実施形態に係るスライダーを形成するスライダー本体の斜視図である。 図６のVII−VII矢視図であって、スライダー本体の縦断面図である。 第２の実施形態に係るスライダーの斜視図である。 実施形態に係る滑り免震装置の分解斜視図である。 滑り免震装置の縦断面図である。 スライダーの高さの算出方法を説明する図である。 滑り免震装置の摩擦係数の面圧依存性に関する実験結果を示す図である。 凹部の孔径を変化させた際の、スライダーの面積変化率とスライダーの断面係数変化率に関する算定結果を示す図である。 一つの設計例を説明する図である。 一つの設計例を説明する図である。 最適な凹部の孔径とスライダーの外径の比率範囲を特定するための算定結果を示す図である。 最適な凹部の孔径とスライダーの外径の比率範囲を示す図である。

以下、実施形態に係る滑り免震装置用のスライダーと滑り免震装置について添付の図面を参照しながら説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く。

［第１の実施形態に係るスライダー］
はじめに、図１乃至図３を用いて、第１の実施形態に係るスライダーを形成するスライダー本体の一例を説明し、図４を用いて、第１の実施形態に係るスライダーの一例を説明する。ここで、図１は、第１の実施形態に係るスライダーを形成するスライダー本体の斜視図であり、図２は、図１のII−II矢視図であって、スライダー本体の縦断面図であり、図３は、図１のIII方向の矢視図であって、スライダー本体の平面図である。また、図４は、第１の実施形態に係るスライダーの斜視図である。

図示するスライダー本体１は、滑り免震装置を形成する、曲率を有する摺動面を備えた上沓と下沓の間に配設されるスライダーの前駆体である。スライダー本体１は、曲率を有する上面１ａと下面１ｂを備え、略円柱状を呈している。また、スライダー本体１は、溶接鋼材用圧延鋼材（ＳＭ４９０Ａ、Ｂ、Ｃ、もしくはＳＮ４９０Ｂ、Ｃ、もしくはＳ４５Ｃ）等から形成され、面圧６０Ｎ／ｍｍ^２（６０ＭＰａ）程度の耐荷強度を有している。

スライダー本体１の上面１ａと下面１ｂには、スライダー本体１の軸心Ｌと同軸の凹部２ａと凹部２ｂがそれぞれ形成されている。凹部２ａ、２ｂはともに、平面視円形で面積が等しい座ぐり孔であり、図２に示すように、双方の座ぐり孔２ａ，２ｂの間には中実部が介在している。

図２，３に示すように、スライダー本体１の直径はＤ１であり、上下の座ぐり孔２ａ、２ｂの直径はＤ２である。また、スライダー本体１の高さ（凹部２ａ，２ｂがないとした場合の上面１ａと下面１ｂの各中心点間の距離）はＨである。

凹部２ａ、２ｂは、スライダー本体１の外径を小さくすることなく、上面１ａと下面１ｂの面積を所望に小さくするために設けられる溝である。図３に示すように、上面１ａ全体の面積（平面への投影面積）をＡ１とし、凹部２ａの面積（平面への投影面積）をＡ２とすると、凹部２ａの面積を除く上面１ａの有効面積（平面への投影面積）であるＡは、Ａ１−Ａ２となる。これらの投影面積は、スライダー本体１の上面１ａ及び下面１ｂの外径Ｄ１と、凹部２ａ，２ｂの孔径Ｄ２によって設定される。従って、建物の規模等により、Ａ１が予め設定されている場合は、Ａ２を変化させることにより、有効面積Ａを所望に調整することができる。

スライダー本体１は、上面１ａと下面１ｂの双方に座ぐり孔２ａ、２ｂを有しながらも、上下の座ぐり孔２ａ，２ｂの間にスライダー本体１の中実部が存在していることから、座ぐり孔２ａ，２ｂによるスライダー本体１の剛性の低下が可及的に抑制されている。なお、座ぐり孔２ａ、２ｂの深さに関しては、深さを浅くすることにより、スライダー本体１の中実部の範囲が大きくなり、スライダー本体１の剛性が高まることから、スライダー本体１が所望の剛性を有するように座ぐり孔２ａ、２ｂの深さが設定される。

図４に示すように、スライダー本体１の上面１ａと下面１ｂには、二重織物からなる滑り材３ａ，３ｂが装着されてスライダー１０が形成される。二重織物からなる滑り材３ａ，３ｂは、ＰＴＦＥ繊維（polytetrafluoroethylene、ポリテトラフルオロエチレン）と、ＰＴＦＥ繊維よりも引張強度の高い繊維とからなる二重織物層である。上沓と下沓の間にスライダー１０が配設された際に、ＰＴＦＥ繊維が上沓および下沓の摺動面側に配設されるようにして、スライダー本体１の上面１ａと下面１ｂに各滑り材３ａ，３ｂが固定されている。

「ＰＴＦＥ繊維よりも引張強度の高い繊維」としては、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などの繊維を挙げることができる。また、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、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ＬＣＰ、ポリイミド、ＰＥＥＫなどの繊維を挙げることができる。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。そこで、以下、二重織物からなる滑り材３ａ、３ｂが、ＰＴＦＥ繊維とＰＰＳ繊維から形成される形態を取り上げて説明する。

二重織物の構成は、スライダー本体１側にＰＰＳ繊維の緯糸が配設され、これを巻き込むようにしてＰＰＳ繊維の経糸が編み込まれている。また、これらの上方（各沓側の位置）にはＰＴＦＥ繊維の緯糸が配され、ＰＴＦＥ繊維の経糸がＰＴＦＥ繊維の緯糸を巻き込むようにして編み込まれるとともに、ＰＴＦＥ繊維の経糸はさらに下方のＰＰＳ繊維の緯糸も巻き込むようにして編み込まれている。そして、ＰＴＦＥ繊維が上沓および下沓の摺動面側に配設されるようにして、二重織物からなる滑り材３ａ，３ｂがスライダー本体１の上面１ａと下面１ｂに固定される。ここで、スライダー本体１に滑り材３ａ，３ｂを固定する方法としては、エポキシ樹脂系接着剤等による接着が適用できる。ＰＰＳ繊維は、鋼製のスライダー本体１の表面との接着性がＰＴＦＥ繊維に比べて格段に良好であることから、二重織物からなる滑り材３ａ，３ｂを適用して、ＰＴＦＥ繊維を各沓の摺動面側に配し、ＰＰＳ繊維をスライダー本体１側に配した状態でスライダー本体１に固定するのが好ましい。

また、ＰＴＦＥ繊維は引張強度が比較的低いことから、二重織物からなる滑り材３ａ、３ｂ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。しかしながら、潰れたＰＴＦＥ繊維は、それよりも引張強度が高く、従って耐つぶれ性の高いＰＰＳ繊維内に留まることにより、少なくともその一部は上沓と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。

図４に示すように、滑り材３ａ、３ｂは、座ぐり孔２ａ、２ｂを覆うように、スライダー本体１の上面１ａと下面１ｂの表面に太鼓状に接着されている。従って、スライダー本体１に対する滑り材３ａ、３ｂの接着加工に際して、加工手間がかからない。なお、加工手間はかかるが、座ぐり孔２ａ、２ｂの壁面に沿うようにして、滑り材３ａ、３ｂをスライダー本体１の上面１ａと下面１ｂの表面に接着してもよい。

次に、図５Ａ，５Ｂを用いて、スライダー本体の変形例を説明する。図５Ａ，５Ｂはともに、スライダー本体の変形例の平面図である。まず、図５Ａに示すスライダー本体１Ａを説明すると、図示するスライダー本体１Ａは、上面１ａに平面視正方形の座ぐり孔２ｃを有している。なお、図示を省略するが、下面１ｂにも、座ぐり孔２ｃと同形状でかつ同寸法の平面視正方形の座ぐり孔を有している。

一方、図５Ｂに示すスライダー本体１Ｂは、上面１ａに平面視正六角形の座ぐり孔２ｄを有している。なお、図示を省略するが、下面１ｂにも、座ぐり孔２ｄと同形状でかつ同寸法の平面視正六角形の座ぐり孔を有している。このように、座ぐり孔は平面視円形に限らず、様々な形状の座ぐり孔が適用できる。ただし、有効面積の調整の容易さや、上面１ａと下面１ｂの中心から３６０度方向に均等に凹部が設けられること等を勘案すると、平面視円形の座ぐり孔２ａ，２ｂが好ましい。

［第２の実施形態に係るスライダー］
次に、図６と図７を用いて、第２の実施形態に係るスライダーを形成するスライダー本体の一例を説明し、図８を用いて、第２の実施形態に係るスライダーの一例を説明する。ここで、図６は、第２の実施形態に係るスライダーを形成するスライダー本体の斜視図であり、図７は、図６のVII−VII矢視図であって、スライダー本体の縦断面図である。また、図８は、第２の実施形態に係るスライダーの斜視図である。

図示するスライダー本体１Ｃは、上面１ａと下面１ｂに亘る貫通孔２ｅをスライダー本体１Ｃの軸心Ｌに備えている。すなわち、上面１ａと下面１ｂの有する双方の凹部が連通した、円筒状のスライダー本体である。

図７に示すように、貫通孔２ｅの直径がＤ２となり、貫通孔２ｅの高さはスライダー本体１Ｃの高さと同じＨとなる。

図示するスライダー本体１Ｃは、上面１ａから下面１ｂに亘って、例えば打抜き加工や穴抜き加工を実行することにより、短時間に製作できるという製作上の利点を有している。また、スライダー本体１Ｃが所定の剛性を有していることを前提として、スライダー本体１Ｃの重量が可及的に軽量となり、スライダー本体１Ｃを備える滑り免震装置の軽量化にも繋がる。

図８に示すように、スライダー本体１Ｃの上面１ａと下面１ｂには、二重織物からなる滑り材３ａ，３ｂが装着されてスライダー１０Ａが形成される。スライダー１０と同様、滑り材３ａ、３ｂは、貫通孔２ｅを覆うように、スライダー本体１Ｃの上面１ａと下面１ｂの表面に太鼓状に接着されている。

［実施形態に係る滑り免震装置］
次に、図９と図１０を用いて、実施形態に係る滑り免震装置の一例を説明する。ここで、図９は、滑り免震装置の分解斜視図であり、図１０は、滑り免震装置の縦断面図である。なお、図示する滑り免震装置を構成するスライダーとして、スライダー１０Ａを取り上げて説明する。図示するように、滑り免震装置１００は、上沓２０Ａと、下沓２０Ｂと、上沓２０Ａと下沓２０Ｂの間に介在するスライダー１０Ａとを有する。

上沓２０Ａと下沓２０Ｂはともに、平面視正方形の板材であり、スライダー本体１Ｃと同様に、溶接鋼材用圧延鋼材（ＳＭ４９０Ａ、Ｂ、Ｃ、もしくはＳＮ４９０Ｂ、Ｃ、もしくはＳ４５Ｃ）等から形成されている。上沓２０Ａと下沓２０Ｂはともに、スライダー１０Ａ側の側面に曲率を有する摺動面を有しており、この摺動面には、ステンレス製の滑り板２０ａ，２０ｂが固定されている。また、上沓２０Ａと下沓２０Ｂでは、滑り板２０ａ，２０ｂの外周において、スライダー１０Ａの脱落を防止するためのストッパーリング２０ｃが固定されている。

スライダー１０Ａの上面と下面にある滑り材３ａ、３ｂは低摩擦係数を実現でき、上沓２０Ａと下沓２０Ｂの滑り板２０ａ，２０ｂと接触して、スライダー１０Ａが上沓２０Ａと下沓２０Ｂの間で摺動する。滑り免震装置１００は、凹部２ｅを備えたスライダー１０Ａを有していることにより、仮に滑り免震装置１００に作用する鉛直荷重（軸力）が小さい場合でも、スライダー１０Ａの外径を小さくすることなく、上下面の有効面積を調整することができる。このことにより、所定の面圧を確保して摩擦係数の増加を抑制し、所望の免震効果を得ることができる。また、スライダー１０Ａの外径を小さくしないことから、スライダー１０Ａが作動した際にスライダー１０Ａに生じる曲げ応力を可及的に抑制することができ、滑り材３ａ、３ｂ等の早期摩耗や滑り免震装置１００の摩擦係数のばらつきを抑制することができる。なお、この曲げ応力の抑制については、後で詳説する。

［スライダーの高さの算出方法について］
次に、図１１を用いて、スライダーの高さの算出方法について説明する。図１１は、スライダーの高さを算出するための模式図である。図１１において、上沓２０Ａと下沓２０Ｂの曲率半径をＲとし、上沓２０Ａ及び下沓２０Ｂの中心軸を通る鉛直方向の曲率半径Ｒと、曲率中心と端部を通る曲率半径Ｒと、の間の角度をθとする。また、滑り免震装置１００において、スライダー１０Ａの高さをＨとし、上沓２０Ａと下沓２０Ｂの摺動面の曲率による深さをｈとし、上沓２０Ａと下沓２０Ｂのクリアランスを１０ｍｍとする。

幾何学的形状より、以下の式（１）、式（２）および式（３）に基づいて、スライダー１０Ａの高さＨは式（４）となる。

上式（４）により、スライダー１０Ａの高さＨを算定できる。

［滑り免震装置の摩擦係数の面圧依存性に関する実験とその結果］
本発明者等は、上面および下面の外径が３５０ｍｍの実大のスライダーを有する滑り免震装置を用いて、振幅±２００ｍｍ、速度２０ｍｍ／秒で滑り免震装置を作動させ、スライダーに作用する面圧を測定する実験を行った。そして、基準面圧を６０Ｎ／ｍｍ^２とし、基準面圧での摩擦係数に対する測定面圧での摩擦係数の変化率を求めた。図１２に、面圧ごとの摩擦係数の変化率を示す。

図１２において、摩擦係数の変化率の式は、計測結果に基づく近似式である。図１２より、面圧が小さくなるにつれて摩擦係数が増加し、３０Ｎ／ｍｍ^２以下の面圧では摩擦係数の増加傾向が顕著になることが分かる。一方、６０Ｎ／ｍｍ^２を超える面圧範囲では、摩擦係数が基準面圧の際の摩擦係数の０．８倍程度に収束することが分かる。

［凹部の孔径を変化させた際の、スライダーの面積変化率とスライダーの断面係数変化率に関する算定結果］
本発明者等は、凹部の孔径を変化させた際の、スライダーの面積変化率とスライダーの断面係数変化率をそれぞれ算定し、双方の変化率を比較する検証を行った。以下、凹部を備えていない従来のスライダー（平面視円形で、略円柱状）の面積（平面への投影面積）をＡ_０、断面係数をＺ_０として、式（５）、（６）にそれぞれ示す。また、図７に示す凹部（貫通孔）を有するスライダーの面積（平面への投影面積）をＡ_１、断面係数をＺ_１として、式（７）、（８）にそれぞれ示す。なお、スライダーの直径と貫通孔の直径はそれぞれ、Ｄ１、Ｄ２である。

式（７）を式（５）で除してスライダーの面積変化率とし、式（８）を式（６）で除してスライダーの断面係数変化率とする。スライダーの面積変化率を以下の式（９）に示し、スライダーの断面係数変化率を以下の式（１０）に示す。

式（９）より、スライダーの面積変化率は、Ｄ２／Ｄ１の二乗で低下することが分かり、式（１０）より、スライダーの断面係数変化率は、Ｄ２／Ｄ１の四乗で低下することが分かる。式（９）、（１０）を図１３に示す。

図１３より、凹部の孔径が大きくなり、Ｄ２／Ｄ１が増加するにつれて、スライダーの面積変化率と断面係数変化率はともに曲線的に低下するが、面積の変化率（低下率）に比べて、断面係数の変化率（低下率）が少ないことが分かる。従って、スライダーの上面および下面に凹部を設けることによってスライダーの面積を低減させるに当たり、面積の低下する割合ほど断面係数の低下する割合は少ない。ここで、スライダーの端部応力を以下に記載する。スライダーに軸力Ｐが作用し、スライダーに曲げモーメントＭ（＝μＰＨ／２）が作用するとする。軸力Ｐによる平均応力をσ_Ｏとし、曲げモーメントによる増加応力をσ_B（Ｍ／Ｚ）とした際に、端部応力σ_Ｖ＝σ_Ｏ＋σ_Bとなる。上面及び下面に凹部を有するスライダーにおいて、σ_Ｏとσ_Ｖは上式（７）、（８）を用いて、以下の式（１１）、（１２）となる。

凹部の面積を調整することにより、スライダーの外径を小さくすることなく、スライダーの面積を調整することができ、スライダーの面積の低下割合に比べてスライダーの断面係数の低下割合が低いことから、スライダーが作動した際にスライダーの特に上面及び下面の端部に生じる曲げ応力（端部応力）を可及的に抑制することができる。

［設計例］
図１４と図１５を用いて、本発明者等による一つの設計例を示す。この設計例では、スライダーの直径をＤ１、高さをＨとした際に、Ｄ１／Ｈ＝０．５の円筒状のスライダーを有する滑り免震装置において、スライダーの面圧を５倍にし、かつ、曲げモーメントによる応力増加が軸力による応力の１０％以下となるケースを想定する。ここで、通常の軸力のみが作用する平均応力に対して、曲げモーメントが作用した際の曲げ応力、特にスライダーの端部の端部応力を平均応力の１０％増以下に抑制することは、スライダー表面に装着された滑り材の早期摩耗を抑制し、さらには、滑り免震装置の摩擦係数のばらつきを抑制する観点から重要である。

ここで、図１４と図１５はともに、横軸をスライダーの外径変化率としている。この外径変化率は、基準となる当初のスライダーの外径をＤ１（基準）とし、この基準となる外径に対してスライダーの外径を変化させた際の比率である。一方、縦軸をスライダーの面積変化率としている。これは、既述の通り、スライダーの外径による平面への投影面積と、この投影面積から凹部の面積を除いた有効面積の比率である。そして、グラフ中には、Ｄ２／Ｄ１＝０、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．８５、０．８９の８ケースのグラフを示している。

面圧を５倍にすることは、言い換えると、スライダーの面積を当初の１．０から０．２にすることを意味する。そこで、図１４には、スライダーの面積変化率が０．２である横軸に平行な閾値ラインを引き、この閾値ラインと各グラフが交わる点のスライダーの外径変化率を特定した。

図１４には、代表の４ケースを抽出している。ケース０は、Ｄ２／Ｄ１＝０のグラフを示しており、これは凹部のない従来のスライダーに対応しており、これを、面圧を５倍にする前の縦軸及び横軸の基準である１．０としている。

ケース１は、Ｄ２／Ｄ１＝０の従来のスライダーの面圧を５倍にした場合を示しており、スライダーの外径変化率は０．４５であること、すなわち、スライダーの当初の基準となる外径に対してスライダーの外径を半分以下に小さくする必要があることを示している。

これに対して、ケース２は、Ｄ２／Ｄ１＝０．８のグラフを示しており、これは凹部の直径がスライダーの外径の０．８倍である本発明のスライダーに対応している。このケースでは、スライダーの外径を基準となる外径の０．７５倍とするだけで面圧５倍を達成することができる。すなわち、従来のスライダーに比べてスライダーの外径を小さくする割合を格段に低減できる。

また、ケース３は、Ｄ２／Ｄ１＝０．８９のグラフを示しており、これは凹部の直径がスライダーの外径の０．８９倍である本発明のスライダーに対応している。このケースでは、スライダーの外径を基準となる外径に維持しながら、すなわちスライダーの外径を小さくすることなく、面圧５倍を達成することができる。

図１５は、縦軸を曲げモーメントによる増力増加係数としている。この応力増加係数は、既述するσ_Ｖとσ_Ｏの比率である。図１４の各ケース０，１，２，３をグラフ中にプロットしている。まず、ケース０を、スライダーの外径変化率を１．０（変化なし）とした際にσ_Ｖ／σ_Ｏが１．１（σ_Ｖがσ_Ｏの１０％増）とし、ケース１，２，３が、図１４と同じ横軸の値の際のσ_Ｖ／σ_Ｏを特定した。

図１５より、ケース１では、外径変化率０．４５の際のσ_Ｖ／σ_Ｏは１．２２程度となり、σ_Ｖがσ_Ｏの２０％以上増加する結果を示している。

これに対して、ケース２では、外径変化率０．７５の際のσ_Ｖ／σ_Ｏは１．０８となり、σ_Ｖをσ_Ｏの１０％増以下に抑制できることを示している。

また、ケース３では、外径変化率がない場合のσ_Ｖ／σ_Ｏは１．０６となり、σ_Ｖをσ_Ｏの１０％増以下に抑制できることを示している。

図１４，１５の設計例より、スライダーの上面及び下面において、スライダーの外径の０．８倍程度の孔径の凹部を設けることにより、スライダーの外径を可及的に小さくしないようにしながら、高い面圧を確保し、かつ曲げモーメントに起因する応力増加を可及的に低減できることが分かる。また、凹部の孔径をスライダーの外径の０．８９倍程度にすることにより、スライダーの外径を小さくすることなく、高い面圧を確保でき、曲げモーメントに起因する応力増加をより一層低減できることが分かる。

［最適な凹部の孔径とスライダーの外径の比率範囲について］
本発明者等は、最適な凹部の孔径とスライダーの外径の比率範囲について検証した。ここで、スライダーの外径をＤ１，凹部（貫通孔）の孔径をＤ２、スライダーの高さをＨとし、スライダーにおける軸力による平均応力をσ_Ｏ、曲げモーメントが作用した際のスライダーの上面及び下面の端部応力をσ_Ｖとする。上記設計例で記載するように、σ_Ｖ／σ_Ｏを１．１以下に抑制すること、すなわち、曲げモーメントによる増加応力を１０％以下に抑制することは、スライダー表面に装着された滑り材の早期摩耗を抑制し、さらには、滑り免震装置の摩擦係数のばらつきを抑制する観点から重要であることに鑑み、σ_Ｖ／σ_Ｏ＝１．１を閾値とした。ここで、図１６は、横軸にＤ２／Ｄ１をとり、縦軸にσ_Ｖ／σ_Ｏをとった。Ｄ１／Ｈを１．０乃至１０まで変化させた際のそれぞれのグラフを記載し、各グラフがσ_Ｖ／σ_Ｏ＝１．１の閾値ラインと交わるＤ２／Ｄ１の値を読み取った。この読み取った値をもとに、図１７に示すグラフを作成した。これは、横軸にＤ１／Ｈをとり、縦軸にＤ２／Ｄ１をとり、図１６で読み取った値をプロットし、各プロットを繋ぐ近似曲線を作成したものである。図１７において、近似曲線は、以下の式（１３）となる。

図１７に示すように、式（１３）よりもＤ２／Ｄ１が大きくなる領域では、σ_Ｖ／σ_Ｏが１．１以下となり、応力増加を十分に抑制することができる。

通常のスライダーの設計では、建物規模等に応じて、まず、スライダーの高さが設定される。従って、スライダーの外径Ｄ１を任意に設定した際に、図１７を用いて、グラフの上方範囲にくるように凹部の孔径を設定することにより、滑り材の早期摩耗を抑制でき、摩擦係数のばらつきを抑制できるスライダーを備えた滑り免震装置を設計することが可能になる。

なお、上記実施形態に挙げた構成等に対し、その他の構成要素が組み合わされるなどした他の実施形態であってもよく、ここで示した構成に本発明が何等限定されるものではない。この点に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更することが可能であり、その応用形態に応じて適切に定めることができる。

１，１Ａ ：スライダー本体
１Ｂ，１Ｃ ：スライダー本体
１ａ ：上面
１ｂ ：下面
２ａ、２ｂ ：凹部（座ぐり孔）
２ｃ、２ｄ ：凹部（座ぐり孔）
２ｅ ：凹部（貫通孔）
３ａ、３ｂ ：滑り材（二重織物）
１０、１０Ａ ：スライダー
２０Ａ ：上沓
２０Ｂ ：下沓
２０ａ、２０ｂ ：滑り板
２０ｃ ：ストッパーリング
１００ ：滑り免震装置

Claims (7)

1. 曲率を有する摺動面を備えた上沓と下沓の間に配設され、曲率を有する上面と下面を備えている、鋼製の滑り免震装置用のスライダーであって、
   前記上面と前記下面が凹部を備えていることを特徴とする、滑り免震装置用のスライダー。
2. 前記上面と前記下面の平面視形状が円形であり、双方の面積が同じであり、双方の備える前記凹部の面積が同じであることを特徴とする、請求項１に記載の滑り免震装置用のスライダー。
3. 前記凹部が座ぐり孔であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の滑り免震装置用のスライダー。
4. 前記凹部が、前記上面から前記下面に亘る貫通孔であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の滑り免震装置用のスライダー。
5. 前記上面と前記下面の平面視形状と前記凹部の平面視形状がいずれも円形であり、以下の式（Ａ）を満たすことを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の滑り免震装置用のスライダー。
   

   
6. 前記スライダーの前記上面と前記下面には、ＰＴＦＥ繊維と、該ＰＴＦＥ繊維よりも引張強度の高い繊維とからなる二重織物からなる滑り材が固定されており、
   前記滑り材において、前記ＰＴＦＥ繊維が前記上沓および前記下沓の前記摺動面側に配設されていることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の滑り免震装置用のスライダー。
7. 曲率を有する摺動面を備えた上沓及び下沓と、
   曲率を有する上面と下面を備えている、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のスライダーと、を有することを特徴とする、滑り免震装置。

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