JP3734248B2

JP3734248B2 - 免震システム

Info

Publication number: JP3734248B2
Application number: JP2002108737A
Authority: JP
Inventors: 直樹加藤
Original assignee: 昭和電線電纜株式会社
Priority date: 2002-04-11
Filing date: 2002-04-11
Publication date: 2006-01-11
Anticipated expiration: 2022-04-11
Also published as: JP2003301625A

Description

【０００１】
【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

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。