JP4959618B2

JP4959618B2 - 積層支持体

Info

Publication number: JP4959618B2
Application number: JP2008087350A
Authority: JP
Inventors: 伸夫室田; 隆志菊地; 宣幸奥津; 重信鈴木
Original assignee: Bridgestone Corp
Current assignee: Bridgestone Corp
Priority date: 2008-03-28
Filing date: 2008-03-28
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2028-03-28
Also published as: JP2009243486A

Description

本発明は、建物等の構造物を支持するための積層支持体に関する。

地震等によって建物等の構造物に作用する加振力を低減するため、この構造物をにゴム層と剛性板とを積層してなる積層支持体で支持することが行われており、図１は、このような積層支持体を、水平方向の加振力が作用して大きく剪断変形した状態において示す断面図であり、図において、符号９１はゴム層を、符号９２は剛性板を、そして、符号９０は積層体全体を表していて、このような積層支持体９０は、垂直荷重を支持するとともに、水平方向の加振力に対してゴム層９１の有する弾性力で加振力が構造物へ伝達するのを抑えるよう機能するが、このような機能に加えて、ゴム層９１の有する減衰特性によって加振エネルギを熱に変換して減衰させることが求められていて、そのため、昨今、ゴム層９１に用いられるゴム材料として、極めて高い減衰特性を有するものが種々開発されている（例えば特許文献１参照。）

一方、積層支持体９０は、水平方向の加振力を受けて、図１に示すように大きく剪断変形するが、同時に大きな垂直荷重も支持しており、このように大きく剪断変形した状態において垂直荷重が作用すると、下向きの垂直荷重Ｆの作用点が上フランジの中心Ｃであるのに対して、この反力としての上向きの垂直荷重Ｆは、点Ｃから水平方向にずれた、下フランジの中心Ｄに作用するので、積層支持体９０の各点には大きな曲げモーメントが作用し、この曲げモーメントの高さ方向分布は、図２に示すように、高さ方向中心でゼロであるが両端にゆくほど増加し、両端で最大となる。

したがって、両端近傍に位置するゴム層９１には大きな曲げモーメントが作用し、このような状態において、ゴム層の弾性率が低いとゴム層９１が座屈し荷重を支えることができなくなってしまうため、ゴム層９１のゴム特性が求められている。
特開２００７−１２６５６０号公報

しかしながら、先ほど説明した高減衰特性を有するゴム材料は、伸長結晶性の小さい合成ゴムを主成分とし、かつ高減衰性を発現させるために樹脂系充填剤を多く用いているため、ハードニング特性は低く、座屈しないように積層支持体を構成しようとすると減衰特性を高めることができないという問題があった。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、ゴム層が有する超高減衰性能を損なわせることなく、大変形時においてもゴム層が座屈しないで荷重を支持できるようにすることのできる積層支持体を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、ゴム層および剛性板を交互に積層してなる積層支持体において、
前記ゴム層のゴム材料は、剪断歪み片振幅がγmaxとなるような振動を入力したときの３サイクル目の、剪断歪−剪断応力曲線図における＋γmaxの歪みに対応する点と、−γmaxの歪みに対応する点とを結んだ直線の勾配を等価剪断弾性率G(γmax)としたとき、G(γmax)が、100%の剪断歪み片振幅に対応するG(100%)と等しくなる剪断歪片振幅γmaxは、100%を越える領域には存在しないか、もしくは、存在したとしても250%を越える領域にあり、
片方もしくは両方の高さ方向端側に位置する剛性板の厚さTaは、これらの剛性板より高さ方向中央側に位置する剛性板の厚さTbより大きいことを特徴とする積層支持体である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載したところにおいて、ｍを、前記剛体板の全枚数を5で除した整数（除した値が整数でない場合は小数点以下を切り上げる）とするとき、前記高さ方向端側の剛性板の枚数は、片側当たり1枚以上ｍ枚以下であり、これらの剛性板の厚さは、式（１）を満足することを特徴とする積層支持体である。

1.3≦Ta/Tb≦3.0 （１）

請求項３に記載の発明は、請求項１もしくは２に記載したところにおいて、前記剛性板を鋼板製としてなる積層支持体である。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載したところにおいて、ゴム層の総厚さに対する剛性板の直径が5.0未満であることを特徴とする積層支持体である。

請求項１に記載の積層支持体によれば、ゴム層のゴム材料は、G(γmax)が100%の剪断歪み片振幅に対応するG(100%)と等しくなる剪断歪片振幅γmaxは、100%を越える領域には存在しないか、もしくは、存在したとしても250%を越える領域にあるという要件を満たすので、極めて高い減衰特性を保持することができ、しかも、この特性と引き替えにハードニングが低く座屈しやすいという弱点に対しては、両端に近い側の剛性板を中央側に位置する剛性板ようりも厚くしたので、最も剪断応力が高くなる両端部付近で剛性板が降伏してゴム層の座屈を発生させるのを防止することができる。

請求項２に記載の積層支持体によれば、前記片方もしくは両方の高さ方向端側の剛性板の枚数を片側当たり1枚以上ｍ枚以下とするとともに、これらの剛性板の厚さが前記式（１）を満足するようにしたので、一層確実にゴム層の座屈を防止することができる。

請求項３に記載の積層支持体によれば、前記剛性板を鋼板としたので、剛性板の弾性率を高め座屈の発生を一層効果的に防止することができる。

請求項４に記載の積層支持体によれば、ゴム層の断面形状を、総厚さに対する剛性板の直径が5.0未満となるようにしたのでゴム層の座屈をさらに確実に抑えることができる。

本発明に係る実施形態の積層支持体について図を参照して、以下に説明する。図３は、この実施形態の積層支持体を、水平方向の加振力が作用していない状態において示す断面図であり、図４は、この積層支持体を、加振力によって剪断変形させた状態において示す断面図であり、積層支持体１０は、ゴム層１と剛性板１１、１２とを交互に積層して構成され、積層面内方向に作用する加振力を吸収するとともに、高さ方向（垂直方向）に作用する荷重を支持するよう機能する。

なお、図３、図４において、符号４は、積層支持体１０を取り付けるためのフランジであり、符号５は、雰囲気からゴム層１や剛性板１１、１２を保護するためのカバーゴム層であり、符号６は、この積層支持体１０によって支持される構造物を表す。

本発明の積層支持体１０のゴム層１は、外部からの加振力を効果的に減衰させることができる点が大きな特長の一つであり、しかし、一方で、このようなゴム層１は、同時に、高剪断変形時における剪断弾性率が十分高くない（低ハードニング）という弱点を有していて、この弱点を、積層支持体１０の構造を改良することによって対処することが本発明の狙いであり、この点において、本発明は、ゴム層１のゴム材料は、高剪断変形時の剪断弾性率が十分高くないということを前提にしていて、これが本発明を構成する要件の一つである。

こ要件を定量的に表すと次のようになる。すなわち、この要件は、剪断歪み片振幅がγmaxとなるような振動を入力したときの３サイクル目の、剪断歪−剪断応力曲線図における＋γmaxの歪みに対応する点と、−γmaxの歪みに対応する点とを結んだ直線の勾配を等価剪断弾性率G(γmax)としたとき、G(γmax)が、100%の剪断歪み片振幅に対応するG(100%)と等しくなる剪断歪片振幅γmaxは、100%を越える領域には存在しないか、もしくは、存在したとしても250%を越える領域にあるということであり、以下に、具体的に説明する。

図５は、このようなゴム材料の剪断歪−剪断応力曲線図を模式的に示すものであり、横軸に剪断歪みγを、縦軸に剪断応力τをとって表していて、これに、剪断歪み片振幅がγmaxとなるような振動を入力したとき、１サイクル目はカーブ２１を描き、２サイクル目、３サイクル目とそのカーブは変化してゆくが、剪断歪−剪断応力曲線図における３サイクル目のカーブ２２の＋γmax歪みに対応する点P1と、−γmax歪みに対応する点P2とを結んだ直線Ｌをとり、直線Ｌの勾配tanφを等価剪断弾性率G(γmax)と呼ぶこととする。例えば、最大歪みγmaxを100％としたときの等価剪断弾性率はG(100%)と表すことができる。

図６は、横軸に剪断歪片振幅γmaxをとり、縦軸にG(γmax)/G(100%)をとって、これらの関係を表すグラフであり、このグラフは、大きな剪断歪み振幅の入力に対して、等価剪断弾性率が回復するかどうか表していて、例えば、カーブ１は、γmaxの増加に伴ってG(γmax)は低下してゆくが、γmaxが約200%あたりで回復し始め、γmaxが300%前後でG(γmax)がG(100%)と等しくなる。

また、カーブ２は、γmaxの増加に伴ってG(γmax)も単調減少しG(100%)と等しくなるまで回復することはない。

一方、カーブ３は、γmaxの増加に伴ってG(γmax)は低下するが、γmaxが150％を越えた付近で回復し始め、γmaxが250％に達する前にG(γmax)がG(100%)と等しくなる。

以上の３例においては、カーブ３は、G(γmax)がG(100%)となる剪断歪片振幅γmaxは、100〜250%の領域内に存在し、250%を越える高歪み領域では等価剪断弾性率がG(100%)より大きいので、前記要件は満たさないが、カーブ１とカーブ２とは、G(γmax)がG(100%)となる剪断歪片振幅γmaxが100〜250%の領域内に存在しないので前記要件を満たすものとなる。そして、カーブ１、カーブ２に例示されるゴム材料は、250%を越える高歪み領域にはいっても、等価剪断弾性率G(γmax)はG(100%)よりも低く座屈を生じる可能性があり、このようなゴム材料を有する積層支持体に構造的な対処を施して座屈を防止するのが本発明の狙いである。

ここで、高歪み領域を規定する、剪断歪み振幅の下限値として250％を設定したのは、一般的に、積層支持体におけるゴム層のゴム材料の線形性を定義する際の指標として100%歪み時に対する250%歪み時のバネ比率を用いるからである。

上記のような特性を表すゴム材料として、G(100%)が0.4MPの天然ゴム系積層ゴム等、低弾性のゴム材料を挙げることができる。

次に、このような減衰特性に優れるゴム材料はハードニングが低いという問題を克服する方策が本発明を構成する第２の要件であり、これは、図３、図４に示すように、片方もしくは両方の高さ方向端側に位置する剛性板１１（図３、４において、Ａの領域に配置された剛性板）の厚さTaは、これらの剛性板１１より高さ方向中央側に位置する剛性板１２（図３、４において、Ｂの領域に配置された剛性板）の厚さTbより大きくするという点であり、好ましくは、前記高さ方向端側の剛性板の枚数は、片側当たり1枚以上かつ全枚数の1/5以下であり、これらの剛性板の厚さは、式（１）を満足するのがよい。

1.3≦Ta/Tb≦3.0 （１）

ここで、剛性板の枚数は全枚数の1/5以下としたが、全枚数を5で除した値が整数でない場合にはこれを切り上げるものを枚数の上限とすることとする。

剛性板１１の厚さTaを、剛性板１２の厚さTbより大きくしたのは、次の理由による。すなわち、積層支持体の全高さが固定されているとき、必要な剪断変形量を得るためにはゴム層の総厚さが厚い方が有利であり、そのためには剛性板はできるだけ薄いほうが好ましいが、一方、先に説明したように曲げモーメントは端部において最大で高さ方向中央に向かうに従って小さくなり、このため、曲げモーメントに支配的な役割を担う剛性板の厚さも中央で薄く端部に向かうほど厚くするのが好ましいからであり、もし、端部の剛性板が薄い場合には座屈しやくなってしまう。

また、厚さをTaとする端部の剛性板の枚数を1枚以上かつ全枚数の1/5以下としたのは、これ以上増やして高さ方向中央に近い部分の剛性板を厚くしても、端部で大きく中央部で小さい曲げモーメントに対しては効果がほとんど変わらないからであり、そして、Ta/Tbを1.3〜3.0とするのが好ましいとしたのは、Ta/Tbを1.3未満とした場合には、座屈を防止する効果が十分ではなく、また、これを3.0を越えるものとした場合には、端部の鋼板が厚くなりすぎてその分ゴム層による免震効果を犠牲にすることになるからである。

高減衰性能ゴムはハードニングが低いという問題への対処として、剛性板の厚さを端部で厚くするこのほかに、剛性板の材質を剛性の高いものを用いることも重要であり、例えば、コストも考慮して、鋼板製とするのが好ましい。

さらに、この問題への対処として、ゴム層１の形状を座屈しにくい形状にすることが好ましく、定量的には、図７にゴム層と剛性板とを積層した部分を拡大した断面図で示すように、ゴム層１の高さHrに対する剛性板の直径Drの比を5.0以上とするのが好ましい。

図４に示した積層支持体において、剛性板として鋼板を用い、それらの剛性板の厚さを異ならせた３種類の積層支持体を作成しこれらを実施例１、２、および比較例とした。実施例については、両端側の剛性板を同じ枚数だけ厚くし残りを薄くし、比較例については剛性板の厚さはすべて同じであるとした。それらについて、ISO22762（Ultimate Shear Properties）の試験法に基づいて剪断歪み−剪断応力曲線図を描かせ座屈発生の有無を調査した。

実施例１、２、および比較例について、高さ方向端部側および中央側のそれぞれについて、剛性板の枚数（端部側については片側当たりの枚数）剛性板の厚さ、および、座屈発生の有無について表１に示す。また、このとき得られた剪断歪み−剪断応力曲線図を、図８に示す。なお、剪断歪み片振幅γmaxは最大350%として試験を行ったが、これは、剪断歪み350%時における上下のフランジ４の受圧部の重なり（図４における寸法Ｄ）がゼロとなり、使用限界となるからである。

なお、剛性板の枚数は28枚、直径は225mmとし、ゴム層は、全てのサンプルについて2.2mmの同じ厚さとした。剛性板の厚さが均一な比較例の積層支持体の全高さ（図４におけるＨ寸法）は91.8mmであった。また、ゴムの材料としては、G(100%)が0.4MPaであり、G(250%)/ G(100%)が約0.92の天然ゴム系積層ゴムを用いた。このゴム材料のG(γmax)がG(100%)となる剪断歪片振幅γmaxは約310％であった。

図８から明からかなように、比較例のものは、330%歪みで剪断弾性率が負に転じておりこの点において座屈が発生していることが分かる。一方、実施例１、２は、このような座屈減少は発生していない。

従来の積層支持体を、加振力が作用した状態において示す断面図である。積層支持体に作用する曲げモーメントの分布を示すモーメント分布図である。本発明に係る実施形態の積層支持体を、水平方向の加振力が作用していない状態において示す断面図である。本発明に係る実施形態の積層支持体を、加振力が作用して大きく剪断変形した状態において示す断面図である。ゴム材料の剪断歪−剪断応力曲線を模式的に示す図である。剪断歪片振幅γmaxとG(γmax)/G(100%)との関係を模式的に示す図である。ゴム層と剛性板とを積層した部分を拡大して示す断面図である。実施例について測定して得られた剪断歪み−剪断応力曲線図である。

符号の説明

１ゴム層
２剛性板
３積層体
４フランジ
５カバーゴム層
６構造物
１０積層支持体
１１、１２剛性板

Claims

ゴム層および剛性板を交互に積層してなる積層支持体において、
前記ゴム層のゴム材料は、剪断歪み片振幅がγmaxとなるような振動を入力したときの３サイクル目の、剪断歪−剪断応力曲線図における＋γmaxの歪みに対応する点と、−γmaxの歪みに対応する点とを結んだ直線の勾配を等価剪断弾性率G(γmax)としたとき、G(γmax)が、100%の剪断歪み片振幅に対応するG(100%)と等しくなる剪断歪片振幅γmaxは、100%を越える領域には存在しないか、もしくは、存在したとしても250%を越える領域にあり、
片方もしくは両方の高さ方向端側に位置する剛性板の厚さTaは、これらの剛性板より高さ方向中央側に位置する剛性板の厚さTbより大きいことを特徴とする積層支持体。
ｍを、前記剛体板の全枚数を5で除した整数（除した値が整数でない場合は小数点以下を切り上げる）とするとき、前記高さ方向端側の剛性板の枚数は、片側当たり1枚以上ｍ枚以下であり、これらの剛性板の厚さは、式（１）を満足することを特徴とする請求項１に記載の積層支持体。

1.3≦Ta/Tb≦3.0 （１）
前記剛性板を鋼板製としてなる請求項１もしくは２に記載の積層支持体。
ゴム層の総厚さに対する剛性板の直径が5.0未満であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の積層支持体。