JP4061818B2

JP4061818B2 - 免震装置

Info

Publication number: JP4061818B2
Application number: JP2000133462A
Authority: JP
Inventors: 司岸園; 郁夫下田; ヘンリーロビンソンウイリアム
Original assignee: Oiles Corp
Current assignee: Oiles Corp
Priority date: 1995-08-04
Filing date: 2000-05-02
Publication date: 2008-03-19
Anticipated expiration: 2016-07-30
Also published as: JPH09105440A; JP3114624B2; JP2000346132A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二つの構造物間に配されて両構造物間の相対的な水平振動のエネルギを吸収し、構造物への振動加速度を低減するための装置、特に地震エネルギを減衰して地震入力加速度を低減し、建築物、橋梁等の構造物の損壊を防止する免震装置に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
振動エネルギ吸収体としては、例えば、特公昭６１−１７９８４号公報に記載のものが知られており、この振動エネルギ吸収体は、二つの構造物間に固定されていて剪断力を加えることによって塑性変形する鉛部材を有している。このような振動エネルギ吸収体の鉛部材は、疲労等を生じることなしにその塑性変形において振動エネルギを好ましく吸収するが、変形後も、通常のばねと異なり吸収したエネルギを構造物に戻さず、その変形した状態を維持し、構造物の元の位置への復帰を行わせ難いものである。
【０００３】
弾性材料層を構成するゴム等からなる弾性板と剛性材料層を構成する金属板とを交互に積層し、これらを互いに加硫接着等して相互に固着してなる免震装置としての弾性体は、地震入力加速度を低減し、構造物を地震の破壊力から一応保護するが、振動エネルギ吸収能力が低く、これを単独で免震装置として用いた場合には、上記の鉛部材と比較して、地震動を受けた構造物の地震後の振動が鎮まるまでに長時間を要する等の地震工学及び振動工学の観点から実用上種々の問題がある。
【０００４】
そこで、鉛部材の塑性変形における振動エネルギ吸収能と、弾性体の地震入力加速度の低減能及び復元能とを合せ持つべく、弾性体と、この弾性体を貫通して配された柱状鉛とを具備した免震装置も前記公報に提案されている。
【０００５】
図１及び図２に示す免震装置５は、弾性材料層を構成するゴム等からなる弾性板１と剛性材料層を構成する環状の剛性板２とを交互に積層して相互に固定してなる環状の弾性体３と、弾性体３の円筒状の内周面９で規定される中空部１２に配された円柱状鉛４と、円柱状鉛４の下面及び上面にそれぞれ当接して弾性体３の下面及び上面のそれぞれにボルト等により取り付けられたフランジプレート１８及び１９とを具備し、例えば、フランジプレート１８側が基礎等の一方の構造物に固定されて、フランジプレート１９側に建築物等の他方の構造物が載置されて、フランジプレート１９を介して建築物等から鉛直荷重Ｘ、すなわち弾性板１と剛性板２との積層方向の荷重Ｘを受けるように、用いられる。
【０００６】
このような免震装置５において、中空部１２に配された円柱状鉛４が弾性体３に隙間なく拘束されていないと、地震による横方向力（水平方向力）Ｆが生じた場合、弾性体３の内周面９と、これに接する円柱状鉛４の円筒状の外周面との間に隙間が生じて、図３に示す横方向力（水平方向力）Ｆと横変位（水平方向変位）δとの関係において、履歴曲線２１で示すような弾性体３による効果が主となり、円柱状鉛４による効果をほとんど得ることができず、所望の免震効果を得ることが困難となる。一方、弾性体３により必要以上に円柱状鉛４を拘束すると、地震による横方向力Ｆでの円柱状鉛４の塑性変形において、弾性体３の弾性材料層が過度に圧縮され、これによっても弾性体３の弾性材料層の早期の劣化を招来し、耐久性に問題が生じる。また、円柱状鉛４を形成するために、弾性体３の中空部１２に圧入する鉛の量には限度があり、一定量以上の鉛を弾性体３の中空部１２に圧入することは困難であり、無理にこれを行うと弾性体３自体が損壊してしまう虞がある。
【０００７】
そして、図１及び図２に示す免震装置５では、数度の地震により繰り返して横方向変位が生じると、円柱状鉛４の上下面の周縁部が丸み付けされて、当該周縁部と弾性体３との間に環状間隙が生じる虞もある。
【０００８】
本発明は、前記諸点に鑑みてなされたものであって、弾性体の中空部に配された柱状鉛を所定に隙間なしに拘束し得る結果、安定な免震特性を得ることができ、加えて弾性体の弾性材料層及び柱状鉛の疲労、損壊を回避することができ、耐久性及び免震効果並びに製造性に特に優れた免震装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば前記目的は、柱状鉛と、弾性材料層及び剛性材料層が交互に積層されてなる弾性体と、少なくともこの弾性体の内周面で規定された中空部とを具備しており、剛性材料層は、弾性体におけるその各端面側にそれぞれ配された厚肉剛性板を具備しており、厚肉剛性板の夫々にはフランジプレートが連結されている免震装置であって、柱状鉛の体積Ｖｐと、柱状鉛が未挿入であって、弾性体に積層方向の荷重が加えられた状態での中空部の容積Ｖｅとの比Ｖｐ／Ｖｅが１．０２〜１．１２であるようにして柱状鉛が中空部に密に配されてなり、前記積層方向の荷重を支持するようにした免震装置によって達成される。
【００１０】
本発明は、中空部に配された柱状鉛の体積Ｖｐと、弾性体の内周面で規定される中空部の容積、具体的には、柱状鉛を配する前、換言すれば柱状鉛を形成するための鉛を圧入する前であって、弾性体に積層方向の荷重を加えた状態での中空部（以下、縮小中空部という）の容積Ｖｅとが一定の関係にある免震装置では、耐久性及び免震効果並びに製造性に特に優れているという知見に基づいてなされたものである。
【００１１】
すなわち本発明の免震装置では、中空部に配された柱状鉛の体積Ｖｐと、縮小中空部の容積Ｖｅとの比Ｖｐ／Ｖｅが１．０２〜１．１２である。縮小中空部の容積Ｖｅは、弾性体に加えられる鉛直方向荷重である弾性材料層と剛性材料層との積層方向の荷重によって、換言すれば免震装置が支持する構造物の重量によって増減し、また縮小中空部の容積Ｖｅに対して１．００倍を越える体積の柱状鉛が配された状態における中空部の容積とも異なる。縮小中空部の容積Ｖｅに対して１．００倍を十分越える体積の柱状鉛を中空部に配してなる免震装置では、図４に示す例のように、中空部１２を規定する弾性体３の内周面９は、円柱状鉛４が弾性体３の弾性材料層を構成するゴム等からなる弾性板１に食い込んで、当該弾性板１の位置では環状の凹面３１になり、剛性材料層を構成する環状の剛性板２の位置では環状の凸面３２になる。
【００１２】
ところで円柱状鉛４を縮小中空部の容積の１．００倍（比Ｖｐ／Ｖｅ＝１．００）よりも少なく配した場合には、弾性体３の内周面９と、内周面９に対面してこれに接する円柱状鉛４の外周面との間に隙間が生じ易くなり、したがって免震装置５の作動中に、すなわち免震装置５に繰り返し横方向力Ｆが加わっている間に、容易に弾性体３の内周面９と円柱状鉛４の外周面との間に隙間が生じ、履歴曲線２１で示すような不安定な免震特性を示すことになる。これは、円柱状鉛４が弾性体３に少なくとも剪断方向において隙間なく拘束されず、剪断変形以外の変形を生じ、円柱状鉛４が設計剪断降伏応力（通常、純度９９．９％以上の純粋度の鉛の場合には、設計値として８５ｋｇ／ｃｍ^２）を現出しないことにもよる、と推測される。
【００１３】
一方、円柱状鉛４を縮小中空部の容積の１．１２倍（比Ｖｐ／Ｖｅ＝１．１２）よりも多く配した場合には、円柱状鉛４が大きく弾性板１に食い込んで、図４の符号４１で示すように、弾性体３の内周面９が過度に凹面になり、この部位の近傍での弾性板１と剛性板２との間の剪断応力が大きくなり過ぎることとなる。このように過度に応力が生じた状態であると、弾性板１の劣化を早め、耐久性が劣ることになる。また、免震装置５の製造において、中空部１２に円柱状鉛４を形成するために、鉛を縮小中空部の容積の１．１２倍より多く圧入することは、その圧入力を極めて大きくしなければならない上に、圧入により弾性体３を損壊してしまう虞があり、困難であることも判った。
【００１４】
なお、以下の実施例からも明らかであるように、小さな振動入力では、高い剛性を示し、大きな振動入力では、低い剛性を示す機能、いわゆるトリガ機能が特に要求され、かつ大振幅の地震動に特に好ましく対応し得るためには、比Ｖｐ／Ｖｅが１．０２以上であることがよい。また、比Ｖｐ／Ｖｅが１．０２〜１．０７の範囲内であると、製造性に極めて優れる。
【００１５】
本発明ではまた、剛性材料層は、弾性体におけるその各端面側にそれぞれ配された厚肉剛性板を具備しており、柱状鉛の一端部は、一方の厚肉剛性板の内周面によって規定された中空部の一端部に密に配されており、柱状鉛の他端部は、他方の厚肉剛性板の内周面によって規定された中空部の他端部に密に配されている。図２に示す免震装置５では、前述のとおり、数度の地震が加わることにより、円柱状鉛４の上下面の周縁部と弾性体３との間に環状の隙間が生じ、長期の使用によりこの環状隙間により免震特性が不安定となるが、本発明は、上記のように、柱状鉛の両端部のそれぞれを、各厚肉剛性板の内周面で規定される中空部の各端部に密に配して、環状隙間の発生を防止し、免震特性の劣化を防止しようとするものである。
【００１６】
本発明において、弾性材料層の素材としては、天然ゴム、シリコンゴム、高減衰ゴム、ウレタンゴム又はクロロプレンゴム等を挙げることができるが、好ましくは天然ゴムである。弾性材料層の各層の厚みとしては、無負荷状態において１ｍｍ〜３０ｍｍ程度のものが好ましいが、これに限定されない。また、剛性材料層の素材としては、鋼板、炭素繊維、ガラス繊維若しくはアラミド繊維等の繊維補強合成樹脂板又は繊維補強硬質ゴム板等を挙げることができ、その厚みは、各厚肉剛性板には１０ｍｍ〜５０ｍｍ程度、それ以外の各層には１ｍｍ〜６ｍｍ程度のものが好ましいが、これに限定されず、更にその枚数においても特に限定されない。弾性体及び柱状鉛は、円環状体及び円柱状体が好ましいが、他の形状のもの、例えば楕円若しくは方形体及び楕円若しくは方形体のものであってもよい。柱状鉛は、一つでもよいが、これに代えて、一つの弾性体に複数の中空部を形成し、この複数の中空部にそれぞれ柱状鉛を配して免震装置を構成してもよい。なお、これら複数の中空部の各柱状鉛を比Ｖｐ／Ｖｅに関して同一の上記条件下で配する必要はなく、それぞれ異なる条件下で配してもよく、また、各柱状鉛が比Ｖｐ／Ｖｅに関して上記条件を満足しているのが好ましいが、複数個の柱状鉛の内の一部の柱状鉛を、比Ｖｐ／Ｖｅに関して上記条件を満足しないようにして配してもよい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明及び本発明の実施の形態を、好ましい実施例に基づいて更に説明する。
【００１８】
【実施例】
図５に示す本例の免震装置５は、環状の弾性板１からなる弾性材料層並びに環状の薄肉剛性鋼板２及び厚肉剛性鋼板１５、１６からなる剛性材料層とが交互に積層されてなる環状の弾性体３と、少なくとも弾性体３の内周面９で規定される中空部１２に密に配された円柱状鉛４と、鋼板１５及び１６にそれぞれボルト１７を介して連結されたフランジプレート１８及び１９と、円柱状鉛４の下面及び上面においてフランジプレート１８及び１９と鋼板１５及び１６とを互いに剪断方向（Ｆ方向）に固定する剪断キー２０とを具備しており、円柱状鉛４が密に配された中空部１２は、内周面９に加えて、下方の剪断キー２０の上面２１と上方の剪断キー２０の下面２２とによって規定されている。免震装置５において、鋼板１５及び１６は、弾性体３の上下端面側の弾性材料層に埋め込まれて配されており、円柱状鉛４の下端部２３は、鋼板１５の内周面によって規定される中空部１２の下端部に密に配されており、円柱状鉛４の上端部２４は、鋼板１６の内周面によって規定される中空部１２の上端部に密に配されている。本免震装置５は、フランジプレート１８側が基礎１０に、フランジプレート１９側が構造物１１にそれぞれ連結されて用いられる。本例においては、弾性材料層を形成するために、厚さ５ｍｍの天然ゴム製の環状の弾性板１を２５枚使用し、剛性材料層を形成するために、厚さ２．３ｍｍの環状の鋼板２を２２枚と、厚さ３１ｍｍの環状の鋼板１５及び１６とを使用した。
【００１９】
本発明の免震装置５を製造する場合には、まず、環状の弾性板１と鋼板２とを交互に積層して、その下面及び上面に環状の鋼板１５及び１６を配置し、型内における加圧下での加硫接着等によりこれらを相互に固定してなる環状の弾性体３を準備し、その後、円柱状鉛４を中空部１２に形成すべく、弾性体３の中空部１２に鉛を圧入する。鉛の圧入は、円柱状鉛４が弾性体３により中空部１２において隙間なしに拘束されるように、鉛を中空部１２に油圧ラム等により押し込んで行う。鉛の圧入後、剪断キー２０並びにフランジプレート１８及び１９を取り付ける。なお、型内における加圧下での加硫接着による弾性体３の形成において、鋼板２、１５及び１６の外周面を覆って、円筒状被覆層２５が形成されるようにするとよい。本例の被覆層の厚みは、１０ｍｍであった。また上記形成において、弾性板１の内周側の一部が流動して、鋼板２、１５及び１６の内周面を覆って、円筒状被覆層２５と同様であるがそれよりも極めて薄い円筒状被覆層が形成されてもよい。
【００２０】
図５に示すような無負荷状態における弾性体３の高さが２４０ｍｍの免震装置５であって、鋼板２、１５及び１６の外径を５００ｍｍ、内径を９０ｍｍとした免震装置５に対して、鉛直荷重５７ｔｏｎｆ（面圧３０ｋｇｆ／ｃｍ^２）〜３４２ｔｏｎｆ（面圧１８０ｋｇｆ／ｃｍ^２）を加えて、水平方向の変位と水平方向力との関係を実験により求めた。これを図６〜図９に示す。図６〜図９において、（ａ）は、免震装置５の全弾性板１自体の横変位（水平方向変位）が１０％の場合、（ｂ）及び（ｃ）は、同じく５０％及び１００％の場合である。図６に示す鉛直荷重５７ｔｏｎｆ（面圧３０ｋｇｆ／ｃｍ^２）を加えた場合における比Ｖｐ／Ｖｅは１．０３、図７に示す鉛直荷重１１４ｔｏｎｆ（面圧６０ｋｇｆ／ｃｍ^２）を加えた場合における比Ｖｐ／Ｖｅは１．００、図８に示す鉛直荷重２２８ｔｏｎｆ（面圧１２０ｋｇｆ／ｃｍ^２）を加えた場合における比Ｖｐ／Ｖｅは１．０２及び図９に示す鉛直荷重３４２ｔｏｎｆ（面圧１８０ｋｇｆ／ｃｍ^２）を加えた場合における比Ｖｐ／Ｖｅは１．１１であった。
【００２１】
図６、図８及び図９から明らかであるように、比Ｖｐ／Ｖｅが１．０２以上では、トリガ機能が特に要求され、大振幅の地震に対して好ましく対応し得ることが判る。また、図７から明らかであるように、比Ｖｐ／Ｖｅが１．００〜１．０２未満の場合には、トリガ機能を好ましく得ることができないといえる。なお、比Ｖｐ／Ｖｅが１．０７以下であれば、製造において中空部１２への鉛の圧入が容易であり、それほど困難を伴わないことが判明した。また、比Ｖｐ／Ｖｅが１．１２以上になるように、中空部１２へ鉛を圧入しようとしたが、弾性体３の損壊なしに、これを行うことは困難であることが判明した。
【００２２】
なお、免震装置５では、鋼板１５及び１６とフランジプレート１８及び１９とを別体で形成したが、フランジプレート１８及び１９に、厚肉剛性板を一体に形成して、免震装置を具体化してもよい。
【００２３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、弾性体の中空部に配された柱状鉛を所望に拘束し得る結果、安定な免震特性を得ることができ、しかも、トリガ機能を有して、大振幅の地震動に好ましく対応し得、加えて弾性体の弾性材料層及び柱状鉛の劣化を回避することができ、耐久性及び免震効果並びに製造性に特に優れた免震装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る免震装置の斜視図である。
【図２】図１に示す免震装置の断面図である。
【図３】免震装置の動作説明図である。
【図４】図１に示す免震装置の一部拡大断面図である。
【図５】本発明の好ましい一実施例の断面図である。
【図６】図５に示す実施例の効果を示す図である。
【図７】図５に示す実施例の効果を示す図である。
【図８】図５に示す実施例の効果を示す図である。
【図９】図５に示す実施例の効果を示す図である。
【符号の説明】
１弾性板
２剛性鋼板
３弾性体
４円柱状鉛
５免震装置
１２中空部

Claims

柱状鉛と、弾性材料層及び剛性材料層が交互に積層されてなる弾性体と、少なくともこの弾性体の内周面で規定された中空部とを具備しており、剛性材料層は、弾性体におけるその各端面側にそれぞれ配された厚肉剛性板を具備しており、厚肉剛性板の夫々にはフランジプレートが連結されている免震装置であって、柱状鉛の体積Ｖｐと、柱状鉛が未挿入であって、弾性体に積層方向の荷重が加えられた状態での中空部の容積Ｖｅとの比Ｖｐ／Ｖｅが１．０２〜１．１２であるようにして柱状鉛が中空部に密に配されてなり、前記積層方向の荷重を支持するようにした免震装置。
比Ｖｐ／Ｖｅが、１．０２〜１．０７である請求項１に記載の免震装置。
中空部を規定する弾性体の内周面は、柱状鉛が弾性体の弾性材料層に食い込んで、当該弾性材料層の位置で凹面になっている請求項１又は２に記載の免震装置。
中空部を規定する弾性体の内周面は、柱状鉛が弾性体の弾性材料層に食い込んで、剛性材料層の位置で凸面になっている請求項１から３のいずれか一項に記載の免震装置。
柱状鉛の一端部は、一方の厚肉剛性板の内周面によって規定された中空部の一端部に密に配されており、柱状鉛の他端部は、他方の厚肉剛性板の内周面によって規定された中空部の他端部に密に配されている請求項１から４のいずれか一項に記載の免震装置。
円柱状鉛の下面及び上面においてフランジプレートの夫々と厚肉剛性板の夫々とを互いに剪断方向に固定する剪断キーを具備している請求項１から５のいずれか一項に記載の免震装置。
厚肉剛性板の夫々にはボルトを介して各フランジプレートが連結されている請求項１から６のいずれか一項に記載の免震装置。
厚肉剛性板の夫々とフランジプレートの夫々とは別体である請求項１から７のいずれか一項に記載の免震装置。
厚肉剛性板の夫々とフランジプレートの夫々とは一体に形成されている請求項１から５のいずれか一項に記載の免震装置。