JP5390252B2 - 免震プラグの製造方法及びその免震プラグ - Google Patents

Description

本発明は、特に、鉛代替の免震プラグとして免震装置の、優れた減衰性能の発揮を担保する免震プラグの製造方法および、その方法によって製造される免震プラグに関するものである。

建築物とその基礎との間に設置して地震の衝撃や振動を吸収することにより建築物を保護する免震装置は、ゴム等の粘弾性を有する弾性板と鋼板等の剛性板とを交互に積層した積層体と、この積層体の中心の中空部に挿入した免震プラグとを具えてなる。

この種の免震装置の積層体は、ゴム等の、剪断弾性率の低さと、大きな変形能力の下で、水平方向に大きく変形して、建築物への振動の直接伝達を防止するべく機能する。
また、免震プラグは、全体が鉛からなるものが使用されることが多く、地震の発生に伴って積層体が剪断変形する際に、この免震プラグが塑性変形することで振動のエネルギーを吸収するべく機能する。
ところが、鉛は、環境負荷が大きく、また、廃却時等に要するコストが大きいため、優れた減衰性能等を発揮できる鉛代替の免震プラグの開発が試みられている。

例えば、特許文献１には、鉛免震プラグに代えて、積層体の中空部に、塑性流動材及び硬質充填材からなり、硬質充填材の隙間を塑性流動材で充填するようにしたプラグを封入し、長期の使用に際しても、鉛免震プラグと同様、その減衰性能を安定的に確保できる技術が提案されている。

しかるに、特許文献１に記載の免震プラグは、金型内に充填された粉粒状物を、所定の面圧にて柱状にプレス成形することで製造するため、特に金型の下方側や外周側で、金型の壁面とプラグ素材との摩擦や粉粒状体の流動性不足等により、粉粒状物が十分に圧縮されずに空隙が生じ、この空隙により、免震プラグの密度が低下し、振動減衰性能が低下するおそれがあった。

これがため、例えば特許文献２，３に開示されているように、金型を回転、振動させたり、特許文献４，５に開示されているに、金型または粉粒状物を加熱することで、成型体の密度を均一化する技術が提案されている。

しかしながら、これらの従来技術にあっては、免震プラグの空隙率（空気残存率）を小さくすることができるものの、粉粒状物を高圧で成形することから、また免震プラグは硬く締まった状態になるため、特定の個所での局部的な破壊が起きても、全体にわたる均等な崩壊が生じないことで、地震振動に対して、常に一定個所でのみ変形することになって、地震等の外力に対するエネルギー吸収能が低下するが加わっても免震プラグは崩れ難く、減衰性能が低下するおそれがあった。
その上、粉粒状物に対する高圧成形の故に、成形エネルギーの無駄が発生するという問題があった。

特開２００６−３１６９９０号公報 特開平５−１３２３５１号公報 特開平６−２３５９６号公報 特開平１１−１４０５０２号公報 特開平１０−１９３１９１号公報

本発明の目的は、鉛を使用することなしに、免震プラグの空隙率を減少させてなお、免震装置の減衰性能を向上させることができる免震プラグの製造方法を提供することにある。

この発明の免震プラグの製造方法は、少なくとも塑性流動材及び硬質充填材を含有する粉粒状物を、プレス成形装置または圧延成形装置に投入して予備成形し、予備成形体を解砕して塊状プラグ素材を形成し、この塊状プラグ素材をプレス成形して柱状免震プラグとすることを特徴とする。

ここで、免震プラグとは、弾性変形の最大基準の降伏点までは剪断応力と剪断歪とが比例するが、この降伏点を超えると、剪断応力がほぼ一定になるような挙動を示す材料をいうものとし、少なくとも塑性流動材及び硬質充填材を含有するものとする。
粉粒状物の予備成形体は、板状のみならず、帯状、線状、紐状、柱状または球状の形態とすることもできる。

本発明に係る免震プラグは、上述した免震プラグの製造方法を用いて製造してなるものである。

本発明の免震プラグの製造方法は、粉粒状物の予備成形を経て、塊状プラグ素材を形成し、この塊状プラグ素材をプレス成形することで、粉粒状物をそのままプレス成形するものに比べ、空隙率が小さい塊状プラグ素材を形成した後に、その塊状プラグ素材をプレス成形することになり、免震プラグ全体の空隙率が減少するとともに、塊状プラグ素材の界面が免震プラグ内に残存し、そこからプラグを全体にわたって均等に崩壊させることができるので、エネルギー吸収能を高めることができる。その結果、免震装置の減衰性を向上させることができる。

また、粉粒状物の予備成形を経ることにより、予備成形体で空隙率を小さくした後に、免震プラグのプレス工程にて、従来のプレス成形に比べ低い加圧で免震プラグを成形することができるとともに、低い圧力でプラグ全体を均等に崩壊することができる。

（ａ）は、本発明の製造方法で製造された免震プラグを圧入した免震装置について示す上面図であり、（ｂ）は、その免震装置の中心軸線を含む縦断面図である。 本発明に従う免震プラグの製造方法の工程を示した図である。 実施例により空隙率を測定した結果を示す図である。

以下に、図面を参照しながら本発明の免震プラグを詳細に説明する。
図１は、（ａ）は、本発明の製造方法で製造された免震プラグを圧入した免震装置について示す上面図であり、（ｂ）は、その免震装置の中心軸線を含む縦断面図である。

図示の免震装置１は、複数枚の円盤状の剛性板２および、複数枚の円盤状の弾性板３が交互に積層してなり、上下方向に延びる、中空部を中心に有する円筒状の積層体４と、この積層体４の中空部に圧入された免震プラグ５と、積層体４および免震プラグ５の上端及び下端に固定された積層体４よりも側方に迫り出した、それぞれの取付面板６とを具える。
取付面板６は、積層体４および免震プラグ５の上端及び下端に固定または固着することで、それらを密閉することができる。

ここで、積層体４は、剛性板２と、例えば未加硫ゴム組成物のような部材とを積層した後に、例えば加硫接着により強固に張り合わせて、それらが不用意に分離したり位置ズレないようにする。

積層体４は、図に示すように外周面を被覆する被覆材７で覆うことで、積層体４の内部へ外部から雨や光が届かなくなり、酸素やオゾン、紫外線等による積層体４の劣化を防止できる。

また、剛性板２としては、鋼板等の金属板、セラミックス板、繊維強化プラスチック等の強化プラスチックス板等を用いることができ、弾性板３としては、未加硫ゴムの加硫物等を用いることができる。

そして、免震装置１は、取付面部６に形成された図示しないボルト孔にボルトを挿通して、建築物等に取り付けられ、建築物等は免震装置１を介して支持される。

このような免震装置１は、振動により水平方向の剪断力を受けた際には、積層体４が全体として弾性的に剪断変形して、振動のエネルギーを効果的に吸収して、減衰性能等を有することで、振動を速やかに減衰することができる。
また、剛性板２と弾性板３とを交互に積層したことで、上下方向に荷重が作用しても、積層体４の圧縮が抑制されて、弾性板３が十分に剪断変形してエネルギーを吸収するとともに、復元力を発揮することができる。その結果、積層体４は剪断変形量の抑制および、上下ばねの増加する効果を発揮できる。

図２は、本発明に従う免震プラグの製造方法の工程を示した図である。
まず最初に、図２（ａ）に示すように、少なくとも塑性流動材及び硬質充填材を含有する粉粒状物を、例えばプレス成形装置、圧延成形装置に投入して、それらを予備成形して塊状プラグ素材を形成する。
この予備成形により、粉粒状物をより空隙率の小さい塊状プラグ素材１５として形成することができる。

次いで、図２（ｂ）に示すように、金型１１内に塊状プラグ素材１５を充填して、上下のスタンパ１２により、金型１１内に押し込むように上下方向に移動させてプレス成形することで、図２（ｃ）に示すような、免震プラグ５を得ることができる。

ここで、好ましくは、塊状プラグ素材１５の粒径を、１ｍｍ〜２ｃｍの範囲とする。
この範囲とすることで、塊状プラグ素材１５自身の空隙率を小さくし、その塊状プラグ素材１５に適度な面積を有する界面を形成することができる。

また好ましくは、塊状プラグ素材１５の空隙率を約０〜５％の範囲とし、この範囲とすることで、プレス成形後の免震プラグ全体の空隙率を減少させるとともに、従来のプレス成形に比べ低い圧力で、免震プラグ５を成形することができる。
粉粒状物から、塊状プラグ素材１５を形成する線圧を２４５１．６６〜９８０６６．５Ｎ／ｃｍ（２５０〜１００００ｋｇｆ／ｃｍ）の範囲で成形することが好ましい。

そしてまた好ましくは、免震プラグ５の空隙率を約０〜７％の範囲とし、その圧力は４９．０３〜１２７．４９ＭＰａ（５００〜１３００ｋｇｆ／ｃｍ^２）であることが好ましい。
また、このプレス成形は、塊状プラグ素材１５の加圧に対して、塊状プラグ素材１５の体積が小さくすると、界面が適度に残るため、免震プラグ５全体が変形するのに有利となる。

この製造方法により、免震プラグ５をプレス成形する前に、粉粒状物の隙間を十分に小さくした最密配置の状態で塊状プラグ素材１５を形成し、この塊状プラグ素材１５をプレス成形して免震プラグ５を製造することができる。

この免震プラグの製造方法において好ましくは、予備成形体を解砕した後に、塊状プラグ素材１５を形成し、それをプレス成形する。
例えば、予備成形体を圧延成形装置で、プレート状に形成した後に、それを解砕して塊状プラグ素材とする。
予備成形体を解砕するに際し、その予備成形体の形状に異方性があると界面が均一にならず、プラグがきれいに崩れにくくなるため、その形状を球状に近い形にするのが望ましい。

粉粒状物の塑性流動材としては、粘弾性体で若干の弾性は示すものの塑性が大きく、大変形にも追従でき、振動後、原点に戻ったときには再び同じ状態に再凝集できる、例えば、天然ゴム（ＮＲ）、ポリイソプレンゴム（ＩＲ）、ポリブタジエンゴム（ＢＲ）、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、エチレン−プロピレンゴム、ニトリルゴム、ブチルゴム、ハロゲン化ブチルゴム、アクリルゴム、ポリウレタン、シリコーンゴム、フッ化ゴム、多硫化ゴム、ハイパロン、エチレン酢酸ビニルゴム、エピクロルヒドリンゴム、エチレン−メチルアクリレート共重合体、スチレン系エラストマー、ウレタン系エラストマー、ポリオレフィン系エラストマー等が挙げられる。これらの成分は、一種単独で用いてもよいし、二種以上をブレンドして用いてもよい。

粉粒状物の硬質充填材は、免震プラグ５の減衰性能を主として担う材料であり、具体的には、粉体同士の摩擦及び粉体と塑性流動材との摩擦により振動を減衰させる、例えば、鉄粉、ステンレス粉、ジルコニウム粉、タングステン粉、青銅（ＣｕＳｎ）粉、アルミニウム粉、金粉、銀粉、錫粉、炭化タングステン粉、タンタル粉、チタン粉、銅粉、ニッケル粉、ニオブ粉、鉄−ニッケル合金粉、亜鉛粉、モリブデン粉等が挙げられ、これら金属粉は、一種単独で用いてもよいし、二種以上を組み合わせて用いてもよい。
これら硬質充填材の中でも、鉄粉が特に好ましく、鉄粉は、安価である上、他の金属粉と対比して破壊強度が高く、また、鉄粉を主成分とする免震プラグ５は、固すぎることも脆すぎることもないため、優れた減衰性能を長期に渡って発揮することができる。なお、鉄粉としては、還元鉄粉、電解鉄粉、噴霧鉄粉、純鉄粉、鋳鉄粉等が挙げられるが、これらの中でも、還元鉄粉が好ましい。

粉粒状物には、その他に、老化防止剤、ワックス、可塑剤、軟化剤等の一般に添加される添加剤も配合できる。
なお、塑性流動材と硬質充填材のそれぞれについて選定される材料の組成、含有率、組み合わせ等は、免震プラグ５に所望される性能に応じて適宜変更することができる。

そして、上述した製造方法を用いて免震プラグ５を形成することで、免震プラグ５の空気含有率が小さくなり、この免震プラグ５を圧入した免震装置は、減衰性能が向上することができるとともに、免震プラグの所望の空気含有率とすることに要する時間が短縮されるため、免震プラグ５の生産性および貯蔵性を向上させることができる。

次に、図１に示すような構造を有する免震装置に挿入される、実施例免震プラグ１〜３および、比較例プラグ免震１〜３のそれぞれを試作し、免震プラグの空隙率（空気残存率）を評価した。
なお、空隙率（空気残存率）は、（１−免震プラグの比重／粉体材料の計算比重）×１００（粉体材料の計算比重：重量／（塑性流動材の比重×体積比＋硬質充填材の比重×体積比））で算出した。

実施例免震プラグ１〜３は、以下に説明する方法により製造した。
まずはじめに、図２（ｂ）に示すように、計算比重が５．５３６ｇ／ｃｍ^３であり、表１に示す塑性流動材及び硬質充填材からなる予備成形体４００ｇを、表２に示すように、それぞれの諸元を変化させて形成後、クラッシャーにより解砕し、その解砕物を容積が１６０ｃｍ^３の円筒状の金型内に充填する。次いで、その解砕物を、スタンパにより、プレス成形し、内径４５．０ｍｍ、高さ５５ｍｍである実施例免震プラグ１〜３を製造した。その結果を図３に示す。
なお、実施例３は粉粒状物をクラッシャーにより解砕した。

比較例免震プラグ１〜３は、以下に説明する方法により製造した。
まずはじめに、計算比重が５．５３６ｇ／ｃｍ^３であり、表１，２からなる粉粒状物４００ｇを、容積が１６０ｃｍ^３の円筒状の金型内に充填する。次いで、この粉粒状物を、スタンパにより、プレス成形し、内径４５．０ｍｍ、高さ５５ｍｍである比較例免震プラグ１〜３を製造した。その結果を図３に示す。
なお、比較例免震プラグ３は粉粒状物をクラッシャーにより解砕した。

＊１ （天然ゴム）
未加硫、ＲＳＳ＃４
＊２ （ブタジエンゴム（低シス構造））
未加硫、旭化成製「ジエンＮＦ３５Ｒ」
＊３ カーボンブラック
ＩＳＡＦ、東海カーボン製「シースト６Ｐ」
＊４ 樹脂
日本ゼオン製「ゼオファイン」、新日本石油化学製「日石ネオポリマー１４０」、丸善石油化学製「マルカレッツＭ−８９０Ａ」、「ゼオファイン」：「日石ネオポリマー１４０」：「マルカレッツＭ−８９０Ａ」＝４０：４０：２０（質量比）
＊５ 可塑剤
ジオクチルアジペート（ＤＯＡ）
＊６ その他の配合剤
亜鉛華、ステアリン酸、老化防止剤［住友化学製「アンステージ６Ｃ」、ワックス［新日本石油製「プロトワックス１」］、亜鉛華：ステアリン酸：老化防止剤：ワックス＝４：５：３：１（質量比）

（減衰性能評価）
上記免震プラグが圧入される、それぞれの免震装置に対し、動的試験機を用いて鉛直方向に基準面圧をかけた状態で水平方向に加振して規定変位の剪断変形を生じさせた。
なお、加振変位は、積層体の総厚さを１００％として、歪５０〜２５０％とし、加振周波数は０．３３Ｈｚとし、垂直面圧は１０ＭＰａとした。
ここでは、簡便のため、水平方向の変形変位（ｄ）と免震装置の水平方向荷重（Ｑ）との関係のヒステリシス曲線で囲まれた領域の面積△Ｗが広くなるほど、振動のエネルギーを多く吸収できることとし、歪１５０％における切片荷重Ｑｄ（変位０における水平荷重値）で免震プラグの減衰性能を評価した。
なお、切片荷重Ｑｄは、ヒステリシス曲線が縦軸と交差する点での荷重Ｑｄ_１、Ｑｄ_２を用いて、式：Ｑｄ＝（Ｑｄ_１十Ｑｄ_２）／２から計算した。また、Ｑｄを免震プラグの断面積Ａで割ってｔｄを計算した。ここで、これらの計算値は、Ｑｄまたはｔｄが大きくなる程、ヒステリシス曲線で囲まれた領域の面積が広くなり、減衰性能が優れることを示す。

そして、上記測定、並びにＱおよびｔの計算を、それぞれの免震装置（実施例毎に１００個）に対して行った。その結果に対し、歪１５０％におけるｔｄの値が、ｔｄ１５０％＝８５ｋｇｆ／ｃｍ^２と比較して８０％以下のｔ（ｔ１５０％＝６８ｋｇｆ／ｃｍ^２以下）となった免震装置（８０％未達免震構造体）の個数をカウントした。結果を表２に示す。

表２、図３の結果から、実施例免震プラグ１〜３は、比較例免震プラグ１〜３に対して、良好な減衰性能が得られた。

１ 免震装置
２ 剛性板
３ 弾性板
４ 積層体
５ 免震プラグ
６ 取付面板
７ 被覆材
１１ 金型
１２ スタンパ
１５ 塊状プラグ素材

Claims (2)

1. 免震装置に挿入する柱状免震プラグを製造するに当たり、
   少なくとも塑性流動材及び硬質充填材を含有する粉粒状物を、プレス成形装置または圧延成形装置に投入して予備成形し、予備成形体を解砕して塊状プラグ素材を形成し、この塊状プラグ素材をプレス成形して柱状免震プラグとすることを特徴とする免震プラグの製造方法。
2. 請求項１に記載の製造方法で製造された免震プラグ。

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