JP3734248B2 - 免震システム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、戸建て住宅、低層、軽量建物等の構造物用免震システムに好適に使用される免震システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
軽量建築物用免震システムには、地盤等の基礎部と低層建物等の構造物との間に、構造物の剛性に比べて遙かに低い水平剛性を有する免震部材が使用されている。この種の免震部材としては、すべり始めてからの剛性がほぼゼロのすべり支承(転がり支承を含む)と、積層ゴム又は防振ゴムからなり、すべり支承を原点復元させる機能を有する復元ゴムとを組み合わせて設置した免震システムがある。
当該免震システムには、構造物のほぼ全荷重をすべり支承で支承するようにして復元ゴムには殆ど荷重をかけないようにするものと、すべり支承と復元ゴムの両方に荷重支承機能を持たせるようにするものがある。
【0003】
すべり支承にはゴム状弾性体と金属板を交互に積層してなる積層ゴムを直列に配してなる弾性すべり支承と、すべり材のみ又は薄いゴム状弾性体を直列に配してなる剛すべり支承がある。いずれのすべり支承も地盤、床面等の基礎部と戸建て住宅、低層、軽量建物等の構造物とに、互いに摺動可能に設けられたすべり板及びすべり材を備えている。
【0004】
当該免震システムは、通常時にはすべり材が構造物荷重を支え、地震時にはすべり材がすべり板上を摺動し、動摩擦係数により発生した水平力(鉛直荷重×動摩擦係数)により地震エネルギーを熱エネルギーとして吸収する。地震時に水平移動した構造物は復元ゴムによってほぼ原点(通常時の構造物位置)に復帰される。
【0005】
すべり材は静止摩擦係数を超えた水平力が加わるとすべり板上を摺動する。すべり始めてからのすべり支承の剛性は、ほぼゼロになるため、復元ゴムの剛性を任意に設定することで免震層の長周期化が可能となる。
現在、免震層を長周期化することにより、例えば、軟弱地盤や軟らかい上部構造物の免震化が可能であることが分かっている。
【0006】
なお、すべり材としては古くから四フッ化エチレン樹脂(PTFE)が用いられているが、近年、PTFEよりも高強度で摩耗性に優れ、経済的なナイロン等のポリアミド系樹脂が用いられるようになった。すべり材はステンレス鋼板やフッ素樹脂等がコーティングされたステンレス鋼板が用いられている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
中低層建物や戸建住宅など鉛直荷重が小さな軽量建築物は、従来の積層ゴムとダンパまたはダンパ一体型積層ゴムからなる復元ゴムでは、水平方向の剛性が高く長周期化が困難であり、剛性を低くすると荷重を支承する積層ゴムの直径が小さく背が高いものになり、水平変形時に座屈し破損する傾向がある。
【0008】
よって、主となる構造物の荷重をすべり支承で支える免震システムでは、より軟らかい剛性をもつ復元ゴムが必要となってくる。
一般的に復元ゴムは、構造物の鉛直荷重の負担は小さく、ゴムの直径を超えるようなせん断変形に追従するように、低い水平剛性で設計される。
【0009】
しかしながら、復元ゴムの剛性を単に低くしただけでは、復元ゴムの水平方向のせん断変形量が大きくなるにつれて、防振ゴムのようにゴム単層の復元ゴムは、ゴム中央部が細くなり、安定した水平剛性が得られなかったり、復元ゴムに加わる引張力により、上下の剛性板、特にそれらの端部に応力が集中して復元ゴムが損傷する等の問題が発生する。
【0010】
すべり支承の重要な機能は、鉛直荷重を支承することにある。すべり支承のすべり材に加わる鉛直応力(面圧)をより大きくすることで、すべり材直径を小さくすることが可能であり、すべり支承やすべり板のコンパクト化により経済的な免震部材を提供することができる。
【0011】
しかしながら、多くのすべり材を構成する樹脂材料は、鉛直方向の荷重が大きくなると樹脂が直径方向に拡がるコールドフローという現象が発生する。
【0012】
このような問題点を解消するために、本発明者は従来技術と比較して復元ゴムのせん断変形時に安定した剛性および変形能力を得られるように、復元ゴムの構造、形状、設置時の面圧およびせん断弾性係数を検討した。
この検討において、復元ゴムを以下の構造、形状、面圧およびゴム材料のせん断弾性係数の範囲で使用することにより、安定した特性を得ることが確認された。
【0013】
さらに、本発明者は従来技術と比較してポリアミド系樹脂製のすべり材を大きな面圧で支持できるように、すべり材の固定方法と直径と厚さの比を検討した。
この検討において、すべり材をホルダに設けた凹部に所定量嵌合すると共に、すべり材の、ホルダからの突出部分の一次形状係数を所定値として使用することにより、すべり材が鉛直荷重を安定に支持し、かつ破損を防止することが確認された。
【0014】
本発明は、かかる点にかんがみてなされたもので、免震性能が安定し、免震部材の破損を防止し得る免震システムを提供することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明は以上の目的を達成するため、次の構成を採用する。
〈構成1〉
軽量建築物及びその基礎部の間に、すべり板とホルダに固設されたすべり材とを互いに摺動自在に設置してなり、上記すべり材の全肉厚の少なくとも1/3を上記ホルダに設けた凹部に嵌入し、上記すべり材の、上記ホルダから突出した部分の一次形状係数Sが、S≧1.4 である剛すべり支承と、剛性体を介して2層以上のゴム層を有する積層ゴム体からなり、復元ゴムの一次形状係数をS1、二次形状係数をS2としたとき、S1≦7、S2≦3である復元ゴムとを設置した軽量建築物用免震システムであって、上記剛すべり支承を、軽量建築物の基礎部の四隅と出入り口の下部にそれぞれ設置すると共に、上記復元ゴムを、上記四隅のうち、少なくとも2箇所に設置したことを特徴とする免震システム。
【0016】
〈構成2〉
構成1記載の免震システムにおいて、上記すべり板は上記基礎部に固設されるベースプレート上に固着され、上記すべり材は上記構造物に固設されたホルダの上記凹部に、1/3〜2/3が嵌入されたことを特徴とする免震システム。
【0017】
〈構成3〉
構成1又は2に記載の免震システムにおいて、上記すべり材の、上記ホルダから突出した部分の一次形状係数Sを、S≧3 としたことを特徴とする免震システム。
【0018】
〈構成4〉
構成1〜3のいずれか1項記載の免震システムにおいて、上記すべり材はポリアミド系樹脂により成形されたことを特徴とする免震システム。
【0019】
〈構成5〉
構成1〜4のいずれか1項記載の免震システムにおいて、上記復元ゴムのゴム層のせん断弾性係数Gを、G≦0.44N/mm2としたことを特徴とする免震システム。
【0020】
〈構成6〉
構成1〜5のいずれか1項記載の免震システムにおいて、上記復元ゴムのゴム層の初期設定面圧を0.2N/mm2以下とし、かつ鉛直ひずみを上記ゴム層の総厚さの2%以下としたことを特徴とする免震システム。
【0021】
〈構成7〉
構成1〜6のいずれか1項記載の免震システムにおいて、上記積層ゴム体は本体ゴム内に複数枚の剛性体が適当間隔で積層配置され、上記本体ゴムの両端にそれぞれフランジが配置され、これらが一体に成形されていることを特徴とする免震システム。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の免震システムにおける実施の形態例について図面を参照して説明する。
図1は本発明の一実施例の概要を示す図であり、図2は同実施例で使用する剛すべり支承を示し、図3は復元ゴムを示す図である。
【0023】
図1において、軽量建築物である戸建住宅の基礎部1の四隅と、玄関等の出入り口の下部2にそれぞれ剛すべり支承3を設置し、同戸建住宅の基礎部1の四隅のうち、少なくとも2箇所に復元ゴム4を設置している。
剛すべり支承3と復元ゴム4は、互いに近傍に位置するように配置されるが、それらの具体的構成は以下のようにされている。
【0024】
図2に剛すべり支承3を示している。図2において、地盤等の基礎部1に固設されるベースプレート上10に、すべり板11がボルト止め等により固着されている。すべり板11上に摺動自在に載置されるすべり材12は、板状のホルダ13に固設されている。ホルダ13上には傾き吸収材、緩衝材としてのゴムシート14を介して高さ調整用形鋼(束材)15の下フランジ16が載置されている。下フランジ16とホルダ13とは複数のボルト17により固定されている。高さ調整用形鋼15の上部には上フランジ18が複数のボルト19により固定されている。高さ調整用形鋼15は、この上に載置固定される建造物(図示せず)とすべり材12との間隔(高さ)を調整するものであり、横断面が十字状とされ、且つ上部に向かって広がるテーパが設けられて構成され、必要に応じて設けられる。
【0025】
なお、すべり材12は、通常用いられているPTFEに比べて機械的強度、耐摩耗性に優れ、しかも安価なナイロン等のポリアミド樹脂を主剤として円柱形に成型されている。また、すべり板11はステンレス鋼板のみ、あるいはフッ素樹脂等がコーティングされたステンレス鋼板が用いられている。ホルダ13及び高さ調整用形鋼15の下フランジ16等はすべり支承の性能を変えない適度な機械的強度を有する寸法とされる。
【0026】
ホルダ13の上面及び下面に、それぞれ凹部20、21が設けられている。凹部20にはゴムシート14の一部が嵌入され、凹部21にはすべり材12の一部が嵌入されている。すべり材12の全肉厚の1/3〜2/3、好ましくはほぼ1/2が、ホルダ13の凹部21に嵌入されている。
【0027】
すべり材12をホルダ13の凹部21に嵌合した状態で、すべり材12の、凹部21から突出した部分の一次形状係数Sが S≧1.4 、好ましくは S≧3とされている。
【0028】
ここで、すべり材12が円柱形の場合、S=D/(4×t)であり、Dはすべり材12の直径、tはすべり材12の突出した部分の肉厚である(図2参照)。
また、すべり材12が直方体の場合、S=A/{2×(a+b)×t}であり、Aはすべり材の受圧面積、a、bは直方体受圧面の長辺、短辺の各長さである。
【0029】
現実のすべり支承に使用されるすべり材(外径30〜1500mm、肉厚3〜7mm)に比べて、より厚肉で、鉛直荷重に対して不安定な外径30mm、肉厚5.5mmの2つの縮小試験体と、外径300mm、肉厚5.5mmの1つの縮小試験体とをそれぞれ圧縮載荷試験を行ったところ、外径30mmの試験体の降伏応力値は、68N/mm2、74N/mm2、また外径300mmの試験体の降伏応力値は150 N/mm2の結果がそれぞれ得られた。
【0030】
免震建築物及び免震材料に関する技術的基準の平成12年度建設省告示第2009号(免震建築物の構造方法に関する安全上必要な技術的基準を定める件)では、支承材の鉛直基準強度は、圧縮限界強度(降伏応力)を0.9倍した数値以下の値であり、同支承材の水平基準変形は、圧縮基準強度の1/3の面圧で水平方向に変形させた場合の限界の変形であることが定められている。
【0031】
この基準に、上記3つの試験体のうち、降伏応力値が最小の68 N/mm2の試験体を当てはめてみると、S=1.36、圧縮方向の許容応力度は68×0.9/3≒20N/mm2となる。
【0032】
したがって、S≧1.4にすることにより、コールドフロー発生応力を68N/mm2以上にすることができる。平成12年度建設省告示第2009号に基づき圧縮方向の許容応力度は20N/mm2となるから、常用面圧20N/mm2(通常15N/mm2)での従来同等以上の高い面圧での使用が可能となる。
【0033】
また、例えば各種S≧1.4のポリアミド系樹脂製すべり材の降伏応力試験を行い、その結果より横軸に形状係数S、縦軸に降伏応力の線図を作成すれば、すべり材に使用するポリアミド系樹脂の形状係数と降伏応力との関係が容易に分かり、安全な設計をすることができる。
【0034】
また、すべり材12の全肉厚の1/3〜2/3が、ホルダ13に設けた凹部21に嵌入されていることにより、すべり支承に水平力が加わってすべり材12がせん断変形したときに生じる応力集中が緩和されるから、すべり材12の、ホルダ13への強固な接着が必要なくなり、ゴム切れや接着破壊が防止される。
【0035】
図3は本発明の一実施例の復元ゴムを示している。
図3において、復元ゴム4は、図示しないが地盤等の基礎部と中低層建物や戸建住宅など鉛直荷重が小さな軽量建築物との間にすべり支承と共に設置されるものであって、複数の剛性体23を介して2層以上のゴム層24を有する積層ゴム体25を、2段に重ね合わせたものである。
すなわち、円柱形のゴム層24内に複数枚の剛性体である中間鋼板23が適当な間隔で積層配置され、円柱形のゴム層24の両端にそれぞれフランジ26が配置され、これらが一体に成形されている。ゴム層24の軸心にそって中心孔27が設けられている。
【0036】
復元ゴム4の、鉛直剛性の指標となる一次形状係数をS1としたとき、以下のようにされている。
S1≦7
ここで、復元ゴム4が円柱形の場合、S1=(D−d)/(4×t) で表され、Dは復元ゴム直径(中間鋼板23の外周面がゴム被覆されている場合は、中間鋼板23の直径)、dはゴム層24の中心孔27の内径(中間鋼板23の内周面がゴム被覆されている場合は、中間鋼板23の内径)、tはゴム層24の1層厚さを示す。
【0037】
また、復元ゴム4が長方体の場合、S1=A/{2×(a+b)×t}で表され、Aは積層ゴム体25の受圧面積、a,bは長方体の積層ゴム体25の一辺の長さを示す。
一次形状係数S1を7以下とすることで、復元ゴムに発生する引張応力を緩和し、安定したせん断変形が可能となる。
【0038】
また、復元ゴム4の、ゴム安定性の指標となる二次形状係数をS2としたときは、以下のようにされている。
S2≦3
ここで、復元ゴム4が円柱形の場合、S2=D/(n×t) で表され、nは復元ゴム層数を示す。
また、復元ゴム4が長方体の場合、S2=b/(n×t) で表され、bは長方体の一辺の長さ(a≧b)を示す。
二次形状係数を3以下とすることで水平変形に追従することが可能となる。
上記したように、復元ゴム4は剛性ができるだけ低いものが望ましく、より軽量の構造物の免震化が可能となる。
復元ゴム4のゴム材料のせん断弾性係数Gは、G≦0.44N/mm2とする。
【0039】
次に、直径150mm、内径10mm、厚さ13mm×10層のせん断弾性係数G0.29N/mm2の天然ゴムを用いた復元ゴムのせん断試験を行ったところ、以下の結果が得られた。
試験結果は、鉛直荷重無載荷(面圧0N/mm2)でせん断ひずみ400%(520mm:ゴム直径の約3.5倍)まで実施したが、ゴム中央部体積の著しい減少,剛性の低下や試験体の損傷は認められなかった。また、引張応力により発生するゴム内部のボイドも認められなかった。
【0040】
このとき、復元ゴムに発生した引張応力は約1.6N/mm2であり、従来の積層ゴムではボイドが発生しはじめる領域である。通常の積層ゴム(一次形状係数20〜40)では引張破断応力が3〜4N/mm2に対し、積層のない防振ゴム形状(一次形状係数1.0前後)の引張破断応力は6〜8N/mm2であり、復元ゴムの形状が引張耐力に起因していると言える。
【0041】
また、復元ゴムのゴム材料のせん断弾性係数をG≦0.44N/mm2、一次形状係数をS1≦7および二次形状係数をS2≦3としたときの、復元ゴムの設置時の面圧について検討した。
【0042】
この結果、復元ゴムに載荷する面圧については以下のことが分かった。
▲1▼復元ゴムの鉛直変位±5mm(鉛直ひずみ約±4%)での水平剛性は±10%程度であり、変化が少ない。但し鉛直ひずみが大きくなると、水平変位が小さいときに剛性が小さくなり、復元ゴムも座屈状態となるので好ましくない。
▲2▼復元ゴムに軟らかいゴムを用いたとき、面圧0.2N/mm2時の鉛直ひずみは、約1〜2%である。
▲3▼一般的に復元ゴムは構造物の梁下に設置されるが、特に軽量建築物の場合は、鉛直荷重により梁がたわむことがあるため、梁のたわみを考慮する必要がある。また、併用されるすべり支承もわずかであるがクリープするため、前記梁たわみと併せてたわみを考慮する必要がある。
従って、復元ゴムの初期設定面圧を0.2N/mm2以下または復元ゴムのゴム総厚さの1〜2%程度とすることで、復元ゴムの剛性および変形能力を長期にわたり安定にすることができる。
【0043】
【発明の効果】
本発明によれば、すべり板とホルダに固設されたすべり材とを互いに摺動自在に配置してなり、すべり材の全肉厚の少なくとも1/3をホルダに設けた凹部に嵌入すると共に、すべり材の、ホルダから突出した部分の一次形状係数Sを、S≧1.4 とした剛すべり支承を、軽量建築物の基礎部の四隅と出入り口の下部にそれぞれ設置すると共に、一次形状係数をS1≦7 、二次形状係数をS2≦3とし、さらに剛性体を介して2層以上のゴム層を有する積層ゴム体とした復元ゴムを、軽量建築物の基礎部の四隅のうち、少なくとも2箇所に設置したことにより、安定した免震性能を発揮し、部材の破損が防止されるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係わる免震システムの一実施例を示す概略図である。
【図2】同実施例において使用する剛すべり支承を示す図で、(a)は平面図、(b)は一部縦断正面図である。
【図3】同実施例において使用する復元ゴムを示す図で、(a)は平面図、(b)は一部縦断正面図である。
【符号の説明】
1 戸建住宅の基礎部
2 出入り口の下部
3 剛すべり支承
4 復元ゴム
10 ベースプレート
11 すべり板
12 すべり材
13 ホルダ
14 ゴムシート
15 高さ調整用形鋼(束材)
16 下フランジ
17 ボルト
18 上フランジ
19 ボルト
20、21 凹部
23 剛性体
24 ゴム層
25 積層ゴム体
26 フランジ
27 中心孔
Claims (7)
- 平面四辺形建物本体の一部に、外方に突出した形状の出入り口を有する軽量建築物及びその基礎部の間に、
すべり板とホルダに固設されたすべり材とを互いに摺動自在に設置してなり、前記すべり材の全肉厚の少なくとも1/3を前記ホルダに設けた凹部に嵌入し、前記すべり材の、前記ホルダから突出した部分の一次形状係数Sが、S≧1.4 である剛すべり支承と、
剛性体を介して2層以上のゴム層を有する積層ゴム体からなり、復元ゴムの一次形状係数をS1、二次形状係数をS2としたとき、S1≦7、S2≦3である復元ゴムと
を設置した軽量建築物用免震システムであって、
前記剛すべり支承を、軽量建築物の基礎部の四隅と出入り口の下部にそれぞれ設置すると共に、前記復元ゴムを、前記四隅のうち、少なくとも2箇所で、かつ前記剛すべり支承の近傍に位置するように設置したことを特徴とする免震システム。 - 請求項1記載の免震システムにおいて、
前記すべり板は前記基礎部に固設されるベースプレート上に固着され、前記すべり材は前記構造物に固設されたホルダの前記凹部に、1/3〜2/3が嵌入されたことを特徴とする免震システム。 - 請求項1又は2に記載の免震システムにおいて、
前記すべり材の、前記ホルダから突出した部分の一次形状係数Sを、S≧3 としたことを特徴とする免震システム。 - 請求項1〜3のいずれか1項記載の免震システムにおいて、
前記すべり材はポリアミド系樹脂により成形されたことを特徴とする免震システム。 - 請求項1〜4のいずれか1項記載の免震システムにおいて、
前記復元ゴムのゴム層のせん断弾性係数Gを、G≦0.44N/mm2としたことを特徴とする免震システム。 - 請求項1〜5のいずれか1項記載の免震システムにおいて、
前記復元ゴムのゴム層の初期設定面圧を0.2N/mm2以下とし、かつ鉛直ひずみを前記ゴム層の総厚さの2%以下としたことを特徴とする免震システム。 - 請求項1〜6のいずれか1項記載の免震システムにおいて、
前記積層ゴム体は本体ゴム内に複数枚の剛性体が適当間隔で積層配置され、前記本体ゴムの両端にそれぞれフランジが配置され、これらが一体に成形されていることを特徴とする免震システム。
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