JP5521096B1 - 滑り免震装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】面圧60MPaを実現する摺動体を備えた高性能な滑り免震装置を提供すること。
【解決手段】曲率を有する摺動面１ａ，２ａを備えた上沓１および下沓２と、上沓１と下沓２の間でそれぞれの沓と接して曲率を有する上面４ａおよび下面４ｂを備えた柱状で鋼製の摺動体７と、から構成される滑り免震装置１０であって、摺動体７の上面４ａと下面４ｂは、PTFE繊維とPTFE繊維よりも引張強度の高い繊維からなる二重織物層５，６を、PTFE繊維が上沓１および下沓２の摺動面１ａ，２ａ側に配設されるようにして備えている。
【選択図】図１
Description
本発明は、上下沓とそれらの間に介在する摺動体とから構成される滑り免震装置に関するものである。
地震国であるわが国においては、ビルや橋梁、高架道路、戸建の住宅といった様々な構造物に対して、地震力に抗する技術、構造物に入る地震力を低減する技術など、様々な耐震技術、免震技術、制震技術が開発され、各種構造物に適用されている。
中でも免震技術は、構造物に入る地震力そのものを低減する技術であることから、地震時の構造物の振動は効果的に低減される。この免震技術を概説するに、下部構造物である基礎と上部構造物との間に免震装置を介在させ、地震による基礎の振動の上部構造物への伝達を低減し、上部構造物の振動を低減して構造安定性を保証するものである。なお、この免震装置は、地震時のみならず、構造物に対して常時作用する交通振動の上部構造物への影響低減にも効果を発揮するものである。
免震装置には鉛プラグ入り積層ゴム支承装置や高減衰積層ゴム支承装置、積層ゴム支承とダンパーを組み合わせた装置、滑り免震装置など、様々な形態の装置が存在している。その中で滑り免震装置を取り上げてその一般的な構成を説明すると、曲率を有する摺動面を備えた上沓および下沓と、上沓と下沓の間で、それぞれの沓と接して同じ曲率を有する上面および下面を備えた柱状の摺動体と、から構成されており、上下球面滑りタイプの免震装置、あるいはダブルコンケイブ式の免震装置などと称されることもある。
この種の免震装置では、上下の沓の動作性能が、それらの間に介在する摺動体との間の摩擦係数やこれに重量が乗じられた摩擦力に支配される。
ところで、従来の滑り免震装置では、摺動体の基準面圧が20MPa以下であり、そのために構造物の高層化等で重量が重くなった場合にはこの荷重に見合う平面寸法の滑り免震装置とするために装置が大規模化せざるを得ず、積層ゴム免震装置等の異種の免震装置に比してコスト競争力が低くなってしまい、結果として使用頻度が低くなっているのが現状である。
なお、鋼材から形成された摺動体を適用する場合は、機械加工ゆえに加工精度は高いものの、その摩擦係数のばらつきが大きいこと、面圧依存や速度依存が大きいためにその摩擦係数の上下限の幅が大きくなってしまい、地震応答がばらつき易いという課題を有している。そのため、建物の倒壊は防止できたとしても、PML(Probable maximum loss)をゼロに近づけ、什器などの被害をゼロにできる高性能免震装置の構成部材とはなり難い。
ここで、特許文献１には、繊維織布強化熱硬化性合成樹脂の積層体からなる基体と、基体の上面及び下面のそれぞれに一体に接合された表層材とから構成された摺動体を具備する滑り免震装置が開示されている。
この摺動体は、平織したPTFE繊維を重ね合わせ、あるいは平織したPTFE繊維と織布と平織した綿布を重ね合わせて形成されており、このような構成の摺動体とすることでPTFE由来の低摩擦性が期待できるとしている。
しかしながら、特許文献１で開示される実験条件でも明確に示しているように、ここで開示される摺動体においてもその面圧は19.6N/mm2(19.6MPa)で20MPa以下であることから、上記する摺動体が低面圧であることに依拠する課題を解消するには至らない。
本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、面圧60MPaを実現する摺動体を備えた高性能な滑り免震装置を提供することを目的としている。
前記目的を達成すべく、本発明による滑り免震装置は、曲率を有する摺動面を備えた上沓および下沓と、上沓と下沓の間で、それぞれの沓と接して曲率を有する上面および下面を備えた柱状で鋼製の摺動体と、から構成される滑り免震装置であって、前記摺動体の前記上面と前記下面は、PTFE繊維と該PTFE繊維よりも引張強度の高い繊維からなる二重織物層を、PTFE繊維が前記上沓および下沓の摺動面側に配設されるようにして備えているものである。
本発明の滑り免震装置は、鋼製の摺動体とすることでその高い面圧を確保しながら、上下の沓の摺動面と接する摺動体の上下面に二重織物層を配設したこと、より具体的には、PTFE繊維とPTFE繊維よりも引張強度の高い繊維からなる二重織物層をPTFE繊維が摺動面側に配設されるようにして摺動体の本体に固定したことにより、60MPaの面圧を確保しながら、高い免震性能を備えた滑り免震装置となる。
摺動体の上下面における上下沓の摺動面側にPTFE繊維を配したことにより、60MPa程度の高面圧下での摺動性が良好となる。
しかも、PTFE繊維を含む二重織物層を適用したことにより、引張強度が比較的低く、したがって荷重を受けた際の耐つぶれ性の低いPTFE繊維は加圧状態での繰り返し振動（加圧摺動力）を受けた際に潰れ易い。しかし、潰れたPTFE繊維は、それよりも引張強度が高く、したがって耐つぶれ性の高い繊維内に留まることで、少なくともその一部は上下沓の摺動面に臨むことができるため、PTFE繊維の良好な摺動性を享受することができる。そしてこのことは、所望の免震性能を有する滑り免震装置の耐久性の向上に繋がる。
なお、「PTFE繊維よりも引張強度の高い繊維」としては、ナイロン6やポリエチレンテレフタレート(PET)など、多様な樹脂繊維が挙げられる。その中でも、耐薬品性、耐加水分解性に優れ、引張強度の極めて高いPPS繊維が望ましい。
鋼製の摺動体の本体と二重織物層とは接着剤にて接着固定される。たとえば、PTFE繊維よりも引張強度の高い繊維にPPS繊維を適用した場合は、鋼製の摺動体の本体表面との接着性がPTFE繊維に比して格段に良好であることからも、二重織物層を適用してPTFE繊維を沓の摺動面側に配し、PPS繊維等を摺動体の本体側に配する構成の利点がある。
本発明者等の検証によれば、60MPaの面圧下、動摩擦係数μが4〜6%程度(μ=0.04〜0.06)の範囲で繰り返し数100回以上の繰り返し耐久性があることが実証されている。このことより、本発明の滑り免震装置を適用することで建物最上階の応答加速度が100gal以下の高性能免震を実現することができる。
さらに、摺動面上で摺動体が滑る際の固有周期Tが4.5秒〜8秒の範囲にあり、かつ、摺動面と摺動体の動摩擦係数μが0.03〜0.07の範囲にある場合に、レベル2 地震動(L2)に対する応答せん断係数CBを0.2以下とでき、かつ、レベル3地震動(L3で、レベル2の1.5倍の大きさの地震動)に対する応答変位δを80cm未満にできることが実証されている。なお、応答変位δが80cmを超えるということは、免震性能が極めて高いことを意味しているものの、このような免震性能を発揮する装置は装置製作コストが極めて高価なものとなることから、60cm程度の応答変位量の装置が製作コストの観点から妥当であり、せいぜい80cm未満のものを製作するのがよいと言える。
より好ましくは、固有周期Tが4.5秒の際の動摩擦係数μが0.04〜0.05の範囲にある場合には応答変位δを60cm前後に制御することができ、固有周期Tが6秒の際の動摩擦係数μが0.03〜0.05の範囲にある場合には応答せん断係数CBを0.15未満、応答変位δを70cm未満にでき、固有周期Tが8秒の際の動摩擦係数μが0.04〜0.05の範囲にある場合には応答せん断係数CBを0.15未満、応答変位δを70cm未満にできることから、いずれもより好ましい範囲であると言える。
以上の説明から理解できるように、本発明の滑り免震装置によれば、鋼製の摺動体のうち、上下の沓の摺動面と接する上下面に、PTFE繊維とPTFE繊維よりも引張強度の高い繊維からなる二重織物層をPTFE繊維が摺動面側配設されるようにして形成したことにより、面圧60MPaを実現しながら、高い免震性能を備えた滑り免震装置を提供することができる。
以下、図面を参照して本発明の滑り免震装置の実施の形態を説明する。
（滑り免震装置の実施の形態）
図１は本発明の滑り免震装置の実施の形態の縦断面図であり、図２は滑り免震装置の上沓を取り除いて斜め上から見た斜視図である。
図１は本発明の滑り免震装置の実施の形態の縦断面図であり、図２は滑り免震装置の上沓を取り除いて斜め上から見た斜視図である。
図示する滑り免震装置１０は、曲率を有するSUS製の摺動面１ａを備えた鋼製の上沓１と、同様に曲率を有するSUS製の摺動面２ａを備えた鋼製の下沓２と、上沓１と下沓２の間で、上下沓１，２と接してそれぞれの摺動面１ａ，２ａと同じ曲率を有する上面４ａ、下面４ｂを備えた鋼製で柱状の本体４からなる摺動体７と、から大略構成されている。
図２で示すように、下沓２の摺動面２ａの周囲には環状のストッパー３が固定されており、図２で示さない上沓１の摺動体１ａの周囲にも同様に環状のストッパー３が固定されている。
上下の沓１，２と摺動体７の本体４はともに、溶接鋼材用圧延鋼材（SM490A,B,C、もしくはSN490B,C、もしくはS45C）から形成され、面圧60MPaの耐荷強度を有している。
摺動体７の本体４の上面４ａと下面４ｂにはそれぞれ、二重織物層５，６が接着固定されている。
ここで、図３は二重織物層の構造を説明した模式図である。図示する二重織物層５，６は、PTFE繊維とPTFE繊維よりも引張強度の高い繊維からなる二重織物層であり、PTFE繊維が上沓および下沓の摺動面１ａ，２ａ側に配設されるようにして各二重織物層５，６が本体４に固定されている。
「PTFE繊維よりも引張強度の高い繊維」としては、ナイロン6・6、ナイロン6、ナイロン4・6などのポリアミドやポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリトリメチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレートなどのポリエステルやパラアラミド、メタアラミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ガラス、カーボン、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、LCP、ポリイミド、PEEKなどの繊維を挙げることができる。また、さらに、熱融着繊維や綿、ウールなどの繊維を適用してもよい。
その中でも、耐薬品性、耐加水分解性に優れ、引張強度の極めて高いPPS繊維が望ましい。そこで、以下、二重織物層５，６がPTFE繊維とPPS繊維から形成される形態を代表例として説明する。
図３で示す二重織物層５，６の構成は、摺動体７の本体４側にPPS繊維の緯糸９ａが配設され、これを巻き込むようにしてPPS繊維の経糸９ｂが編み込まれており、これらの上方（沓側の位置）にはPTFE繊維の緯糸８ａが配され、PTFE繊維の経糸８ｂがPTFE繊維の緯糸８ａを巻き込むようにして編み込まれるとともに、PTFE繊維の経糸８ｂはさらに下方のPPS繊維の緯糸９ａも巻き込むようにして編み込まれて、PTFE繊維が上沓および下沓の摺動面１ａ，２ａ側に配設されるようにして二重織物層５，６が形成されている。
これら二重織物層５，６は、本体４と接着剤Ｂを介して接着固定されている。この接着剤としては、エポキシ樹脂系接着剤を適用できる。PPS繊維は鋼製の本体４の表面との接着性がPTFE繊維に比して格段に良好であることから、二重織物層５，６を適用してPTFE繊維を沓の摺動面１ａ、２ａ側に配し、PPS繊維を摺動体７の本体４側に配するメリットがある。
また、PTFE繊維は引張強度が比較的低いことから、二重織物層５，６が加圧状態での繰り返し振動（加圧摺動力）を受けた際に潰れ易い。しかし、潰れたPTFE繊維は、それよりも引張強度が高く、したがって耐つぶれ性の高いPPS繊維内に留まることで、少なくともその一部は上下沓１，２の摺動面１ａ，２ａに臨むことができるため、PTFE繊維の良好な摺動性を享受することができる。このことを図４ａ、ｂを参照して説明する。
図４ａは二重織物層が荷重を受ける前の状態を示した模式図であり、図４ｂは二重織物層が加圧摺動力を受けている状態を示した模式図である。
図４ａの状態では、PTFE繊維の緯糸８ａや経糸８ｂのみが上下沓１，２の摺動面１ａ，２ａに臨んだ状態となっている。
この二重織物層５，６に対して加圧力Ｑが載荷された状態で繰り返し振動Ｚが作用する加圧摺動力が付与された際には、ある程度の繰り返し回数でPTFE繊維の緯糸８ａや経糸８ｂが潰される。そして、図４ｂで示すように、潰れた後のPTFE繊維の緯糸８ａ’や潰れた後のPTFE繊維の経糸８ｂ’は、引張強度が高く、したがって耐つぶれ性の良好なPPS繊維の緯糸９ａやPPS繊維の経糸９ｂ内に入り込むことになる。
図４ｂからも明らかなように、PPS繊維の緯糸９ａや経糸９ｂ内に入り込んだ潰れた後のPTFE繊維の緯糸８ａ’や経糸８ｂ’は、それらの一部が上下沓１，２の摺動面１ａ，２ａ側に臨むこととなり、したがって、図４ｂの状態でも、PTFE繊維の有する良好な摺動性を享受することができる。すなわち、図示する形態の二重織物層５，６を摺動体７が具備することで、所望の免震性能を有する滑り免震装置の耐久性を向上させることができる。
ここで、二重織物層の構成素材やその仕様、物性管理値に関する一例を以下の表１に示す。
[表１]
また、滑り免震装置の固有周期は、摺動体７の上下面の曲率半径（および上下沓の摺動面の曲率半径）によって決定され、曲率半径が2500mmの場合の滑り免震装置の固有周期Tは4.5秒、曲率半径が4500mmの場合の固有周期Tは6秒である。
図示する滑り免震装置１０によれば、鋼製の摺動体７によって面圧60MPaを実現しながら、摺動体７がその上下面に、PTFE繊維とPTFE繊維よりも引張強度の高いPPS繊維からなる二重織物層５，６をPTFE繊維が上下沓１，２の摺動面１ａ、２ａ側となるように配設された構成を具備することで、優れた摺動性によって免震効果が高く、しかも耐久性の高い滑り免震装置となる。
[二重織物層の繰り返し耐久性能を検証した実験とその結果]
本発明者等は、本発明の滑り免震装置（動摩擦係数μの基準値が0.045〜0.05）を製作し、この滑り免震装置に対し、60MPaの荷重を載荷した状態で、20℃で400mm/secの速度で繰り返し耐久試験を実施した。試験結果である、繰り返し回数120回までの各サイクル数と動摩擦係数の変動（測定値）を以下の表２と図５に示す。
本発明者等は、本発明の滑り免震装置（動摩擦係数μの基準値が0.045〜0.05）を製作し、この滑り免震装置に対し、60MPaの荷重を載荷した状態で、20℃で400mm/secの速度で繰り返し耐久試験を実施した。試験結果である、繰り返し回数120回までの各サイクル数と動摩擦係数の変動（測定値）を以下の表２と図５に示す。
[表２]
表２と図５より、繰り返し回数に応じて摩擦熱によって温度が上昇し、温度上昇に応じて摩擦係数が低下する傾向となるが、ある程度の時間経過にて温度上昇は終わり、繰り返しによる劣化で摩擦係数が逆に若干上昇する傾向にあることが分かる。本実験では、温度上昇が40℃程度と大きく、摩擦係数が小さくなったために劣化が少ない結果となっている。
[固有周期の異なる滑り免震装置において、動摩擦係数ごとのせん断力係数と応答変位を検証した解析とその結果]
本発明者等はさらに、固有周期の異なる種々の滑り免震装置をコンピュータ内でモデル化し、各滑り免震装置に対して、動摩擦係数ごとのせん断力係数と応答変位を検証する実験をおこなった。実験結果を図６に示す。
本発明者等はさらに、固有周期の異なる種々の滑り免震装置をコンピュータ内でモデル化し、各滑り免震装置に対して、動摩擦係数ごとのせん断力係数と応答変位を検証する実験をおこなった。実験結果を図６に示す。
同図において、L2はレベル2地震動を意味し、せん断力係数CBは多層の構造物モデルの1階のせん断力係数を示している。また、L3はレベル3地震動を意味しており、レベル2地震動の1.5倍の大きさの地震動である（応答変位はこのL3に対する値が余裕度を加味した値となる）。応答変位量はこのL3地震の際の応答変位量とした。また、本解析では1995年兵庫県南部地震JMA記録波形を地震波として使用している。
図６より、固有周期T=3.0秒の滑り免震装置では、いずれの動摩擦係数μの場合もせん断力係数CBが0.2を超えており、免震効果が低いことが分かる。
一方、固有周期T=4.5秒、6.0秒、8.0秒の各滑り免震装置では、動摩擦係数μが0.02以下の場合に応答変位が80cm以上となり、製作コストの観点から好ましくない。また、いずれの固有周期の場合も、動摩擦係数μが0.03〜0.07の範囲にある場合に、せん断力係数CBが0.2未満となり、応答変位が80cm未満となることより、固有周期T=4.5秒、6.0秒、8.0秒の滑り免震装置では動摩擦係数μが0.03〜0.07の範囲が好ましいと言える。
より詳細に分析すれば、固有周期Tが4.5秒の際の動摩擦係数μが0.04〜0.05の範囲にある場合には応答変位δを60cm前後に制御することができ、固有周期Tが6秒の際の動摩擦係数μが0.03〜0.05の範囲にある場合には応答せん断係数CBを0.15未満、応答変位δを70cm未満にでき、固有周期Tが8秒の際の動摩擦係数μが0.04〜0.05の範囲にある場合には応答せん断係数CBを0.15未満、応答変位δを70cm未満にできることから、いずれもより好ましい範囲であることが分かる。
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
１…上沓、１ａ…摺動面、２…下沓、２ａ…摺動面、３…ストッパー、４…本体（摺動体本体）、４ａ…上面、４ｂ…下面、５，６…二重織物層、７…摺動体、８ａ…PTFE繊維の緯糸、８ａ’…潰れた後のPTFE繊維の緯糸、８ｂ…PTFE繊維の経糸、８ｂ’…潰れた後のPPS繊維の経糸、９ａ…PPS繊維の緯糸、９ｂ…PPS繊維の経糸、１０…滑り免震装置
Claims (6)
- 曲率を有する摺動面を備えた上沓および下沓と、
上沓と下沓の間で、それぞれの沓と接して曲率を有する上面および下面を備えた柱状で鋼製の摺動体と、から構成される滑り免震装置であって、
前記摺動体の前記上面と前記下面は、PTFE繊維と該PTFE繊維よりも引張強度の高い繊維からなる二重織物層を、PTFE繊維が前記上沓および下沓の摺動面側に配設されるようにして備えている滑り免震装置。 - 前記PTFE繊維よりも引張強度の高い繊維がPPS繊維である請求項１に記載の滑り免震装置。
- 摺動面上で摺動体が滑る際の固有周期Tが4.5秒〜8秒の範囲にあり、かつ、摺動面と摺動体の動摩擦係数μが0.03〜0.07の範囲にある請求項２に記載の滑り免震装置。
- 固有周期Tが4.5秒の際の動摩擦係数μは0.04〜0.05の範囲にある請求項３に記載の滑り免震装置。
- 固有周期Tが6秒の際の動摩擦係数μは0.03〜0.05の範囲にある請求項３に記載の滑り免震装置。
- 固有周期Tが8秒の際の動摩擦係数μは0.04〜0.05の範囲にある請求項３に記載の滑り免震装置。
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