JP6051325B1 - 同心円積層型減衰材を備えた免震装置 - Google Patents

Abstract

【課題】環境に影響を与える鉛以外の材料をプラグとして用い、環境や人体への悪影響を防ぎ、耐久性のある免震装置を提供する、【解決手段】上下のフランジ２０、２１の間に鋼板３０とゴム３１が交互に積層された積層弾性体３と、積層弾性体３の中央部に複数の鋼製円筒体４０、４０が同心状に間隔を空けて配置され、空間には低弾性率のゴム４１を設けた積層型減衰材４が圧入されて積層弾性体３と一体化された免震装置１であり、所要の減衰性能が得られるだけでなく、繰り返し変形に対しては複数の鋼製円筒体４０の復元力によって元の状態に復元させ、免震装置の減衰性能を長期間維持することを可能にした。【選択図】図１

Description

本発明は、建造物の上部構造物と下部構造物との間に設置される積層ゴム型免震装置、特に平面中央部に振動減衰材(プラグ)が配置された免震装置に関する。

鉛プラグ入り積層ゴム支承は、道路橋示方書において免震支承として規定されており、多くの橋梁において地震動による上部構造物の破壊の防止や落橋防止のための装置として使用されている。同様の構造のものが免震装置として建造物にも適用され、下部構造物の基礎と上部構造物の建造物の間に免震装置を設置することによって地震エネルギーを吸収して上部構造物に損傷が起きないようにしている。
ゴムと鋼板とを交互に上下方向に積層した積層弾性体と、積層弾性体の平面中央部に振動減衰性能を有する部材として円柱状の鉛プラグを押し込んでダンパーとして一体化した免震装置が広く採用されている。これは、鋼板で補強されたゴムが建造物を支持するもので、ゴム単体に比較して上下方向の剛性が大きいので建造物が安定的に支持され、水平方向の地震動はゴムによって吸収されて上部構造物に伝達されないようにしてあり、中心部の鉛プラグが塑性変形することによって地震エネルギーを減衰させるダンパーとして作用するものである。

近年、免震装置の鉛プラグの毒性が問題にされるようになってきた。鉛は、化学物質等管理促進法（ＰＲＴＲ法）において第一種指定化学物質に該当するものであるので、将来免震装置を撤去して処分する際には、積層ゴムと鉛を分別して処理する必要があり、廃棄物処理費用が多大なものになると予測され、廃棄処分時の環境への影響を考慮すると、免震装置に鉛を使用するのは好ましくないと考えられる。
また、地震時に、鉛のせん断塑性変形によって地震エネルギーが熱エネルギーに変換されるが、巨大地震における長周期震動によって高層ビルが長い間揺れが続き、通常の地震に比べて長時間作用することから鉛プラグの温度上昇が大きく、鉛が軟化して減衰作用が低下し、更に周囲の積層ゴムが劣化するということも考慮する必要が生じてきている。
そこで、鉛以外の素材をプラグとして使用することが考えられ、減衰材料として人体には安全とされている錫を使用することが提案されている。
特許文献１(特開２００５−２７３７０７号公報)には、一般構造用鋼材で金属プラグを形成し、金属プラグの表面に凹部を形成した積層型免震装置が提案されている。また、積層ゴムの中央の空洞部に複数の金属球などの部材を充填した積層型免震装置が特許文献２（特開２００６−２４２２１２号公報）及び特許文献３（特開２０００−２８３２２５号公報）に開示されている。さらに、積層ゴムの中央空洞部にプラスチック材料を充填した免震構造体が特許文献４（特開平１１−２１００９０号公報）に開示されている。

従来の鉛プラグ入り積層ゴム免震装置の課題として知られている点を以下に列挙する。
（１）せん断変形時に鉛がゴム層内に食い込み、ゴム積層体に損傷を与え、免震装置の耐久性に影響を及ぼす可能性があり、鉛プラグの変形のために所期の減衰性能が得られなくなる可能性がある。
（２）鉛プラグは積層ゴムの中心部に形成された穴に圧入されるが、適切に圧入することが難しく、そのため制震性能にばらつきが出やすい。
（３）鉛プラグは繰り返しせん断変形を受けた後、常温での回復・再結晶を期待するため、純度が９９．９９％の純鉛を必要とする。
（４）せん断変形試験後、ゴム支承を鉛プラグの軸線方向にカットして観察した結果によると、鉛プラグは複数箇所で半径方向に分断されてそろばん玉を積み重ねたような形状を呈していた。このことから、鉛プラグは、塑性曲げ変形ではなく、そろばん玉状の鉛塊間に働く摩擦によって減衰作用をおこなっているものと考えられ、常温において鉛プラグの回復・再結晶が期待できるのは、せん断変形が小さく、塑性的に曲げ変形できる範囲であり、鉛プラグがそろばん玉状に変形した状態となると、摩擦面が酸化して所期の回復・再結晶は期待できない。
（５）大きなせん断変形を複数回経ると、鉛プラグの一体性が失われ、鉛がぼろぼろになってしまい減衰性能が極端に低下する。

特開２００５−２７３７０７号公報 特開２００６−２４２２１２号公報 特開２０００−２８３２２５号公報 特開平１１−２１００９０号公報

鉛プラグを使用せず、鋼材をプラグとして使用した特許文献１（特開２００５−２７３７０７号公報）の免震装置のプラグは、一般構造用鋼材で成形されたものであり、鉛のような柔らかい展延性を有しないので、地震による繰り返し変形に対応できない。また、特許文献２（特開２００６−２４２２１２号公報）や特許文献３（特開２０００−２８３２２５号公報）の免震装置のように、中央空間に複数の金属球などの部材を充填したものは、充填部材の断面においては空隙が存在するので断面密度にバラツキがあり、均質な性能が得られない。また、特許文献４（特開平１１−２１００９０号公報）の免震装置のプラスチック充填材は、繰り返し荷重による変形によって多数の亀裂が発生する可能性が大きく、耐久性が低い。
そこで、前記の従来技術の課題を解消するため、本発明は、環境に影響を与える恐れのある鉛プラグを使用せず、環境や人体への影響の小さい材料を使用して振動減衰率が鉛プラグに匹敵する減衰性能を有すると共に、耐久性の高い減衰材を用いた免震装置を提供するものである。

ゴムと鋼板とを交互に上下方向に積層した積層弾性体と、この積層弾性体の平面中央部に設けられて一体化された減衰材とを備えた免震装置であって、減衰材が複数の高弾性率体の円筒体が同心状に間隔を空けて配列され、高弾性率体の円筒体の間の空間に低弾性率体が設置され、高弾性率体の円筒体の肉厚が異なる同心円積層型減衰材である免震装置であり、異なる地震動の周期や継続時間に対して減衰効果を発揮できるようにしたものである。
また、ゴムと鋼板とを交互に上下方向に積層した積層弾性体と、この積層弾性体の平面中央部に設けられて一体化された減衰材とを備えた免震装置であって、減衰材が複数の高弾性率体の円筒体が同心状に間隔を空けて配列され、高弾性率体の円筒体の間の空間に低弾性率体が設置されて密着一体化してあり、高弾性率体の円筒体の間の距離が異なるものであり、この空間に設置された低弾性率体の厚みが異なる同心円積層型減衰材である免震装置であり、異なる地震動の周期や継続時間に対して減衰効果を発揮できるようにしたものである。
同心円積層型減衰材のそれぞれの高弾性率体、及び／またはそれぞれの低弾性率体の素材を異なるもので構成することによって異なる地震動の周期や継続時間に対して減衰効果を発揮できるようにした免震装置である。
高弾性率体は、金属、繊維補強合成樹脂、炭素繊維補強合成樹脂、ガラス繊維補強合成樹脂、アラミド繊維補強合成樹脂のいずれかであり、低弾性率体は、天然ゴム、合成ゴム、繊維入り合成ゴム、合成樹脂、セラミックスのいずれかを選択して適宜組み合わせることによって異なる地震動の周期や継続時間に対して減衰効果を発揮できるようにした免震装置である。

本発明の免震装置は、高い弾性率の直径の異なる円筒体を同心状に配置し、円筒形体の間にゴム等の低弾性率の材料を設置して両者を一体化した同心円積層型減衰材を使用することによって所要の減衰性能が得られるだけでなく、繰り返し変形に対しては高弾性率体の復元力によって元の状態に復元させ、免震装置の減衰性能を長期間維持することを可能にした。
また、将来の廃棄処分時の環境に悪影響を与える素材を使用しないことによって、処理負担を軽減することができる。
同心状に配置した高弾性率体の円筒体とその間に設置した低弾性率体をそれぞれ異なる厚さとすることによって、また、高弾性率円筒部材の間に設置する低弾性率体の素材を異なるものとすることによって短周期から長周期までの異なる周期の地震動に対して減衰性能を発揮するよう免震装置を設計することが可能である。

本発明の免震装置の正面図。 本発明の免震装置の平面図。 本発明の免震装置のプラグの実施例の断面図。

図１に示すように、免震装置１の基本構造は、従来のプラグを設けた免震装置と同様であり、鋼製の上フランジ２０と下フランジ２１の間に鋼板３０とゴム３１が交互に積層された積層弾性体３と、積層弾性体３の平面中央部に配置された同心円積層型減衰材４とからなるものである。同心円積層型減衰材４は、高弾性率体の円筒体４０の素材として例えば鋼製パイプを、また、低弾性率体４１の素材として例えばゴムを用いたもので、両者を同心円状に交互に積層して形成したものとする。
積層弾性体３は、上下面を覆う連結板２３と一体化されており、連結板２３は、上下のフランジ２０、２１とボルト（図示しない）で連結してある。同心円積層型減衰材４は、この積層弾性体３の平面中央部に設けた穴に挿入された後に、上下面には端板２２が設けられ積層弾性体３と共に一体化してある。
上下のフランジ２０、２１の材料は、鋼板の他、セラミックス、プラスチックス、ＦＲＰ、炭素繊維補強樹脂等を用いることができる。
同心円積層型減衰材４は、異なる直径の鋼製円筒体４０、４０を同心円状に配置し、鋼製円筒体の４０、４０の間に低弾性率素材であるゴム４１、４１を充填したものであり、免震装置１は、上フランジ２０が上部構造物（建造物）５１に、下フランジ２１が下部構造物（基礎）５０にボルトで固定される。

鋼製円筒体４０は、一般構造用の薄板を湾曲させて端部を溶接して円筒形に形成するか、既製品の鋼管を使用する。鋼管は、シームレス鋼管を使用するのが好ましい。同心状に間隔を空けて配列した鋼製円筒体４０、４０の間に硬質ゴム等の粘弾性材を充填、または圧入して低弾性率体４１を形成することが好ましいが、その他に天然ゴム、シリコンゴム、高減衰ゴム、ウレタンゴム、クロロプレンゴム、繊維入りゴム、またはセラミックス等を用いることができる。

高弾性率体の素材は、鋼材、合金など特に限定されないが、鋼材を使用するのが一般的である。また、繊維補強樹脂も使用することが可能であり、補強用繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維などが適しており、同心円状に配置した円筒体の弾性率が、円筒体の間の空間に充填された素材の弾性率より大きなものを選択して組合せを検討する。

鋼製円筒体４０の肉厚は１０ｍｍ以下の薄いものが好ましく、低弾性率で柔らかいゴム４１が鋼製円筒体４０に密着一体化されているので、地震動に起因する水平力の方向に関わらず地震エネルギーを吸収することができ、なおかつ、長い地震動であって繰り返し水平力が作用して生じる変形であっても、高弾性率である鋼製円筒体４０の弾性復元力によって復元可能であり、長期間の使用に耐えることができるものである。

鋼製円筒体４０の肉厚及び充填してあるゴム４１の厚さを変化させて同心円積層型減衰材４の剛性を調整することによって減衰性能を調整し、地震動の周期や継続時間に対応できるように設計することができる。
更に、ゴム４１は充填する空間の位置によって素材の弾性率等の特性の異なるものを充填するようにすれば、同様に同心円積層型減衰材の減衰性能を調整することが可能である。

本発明の同心円積層型減衰材を備えた免震装置の製造の手順を説明する。
直径の異なる鋼製円筒体４０、４０を同心状に配置し、中心部に位置する最小直径の鋼製円筒の円柱状空間と鋼製円筒体４０、４０の間の円環状の空間にゴム４１を充填して同心円積層型減衰材４を形成し、鋼板３０とゴム３１を交互に積層した積層弾性体３が上下面を覆う連結板２３と一体化されており、その平面中央部に形成してある穴に同心円積層型減衰材４を圧入して一体化し、上下に円形の端板２２を取付け、更にその上に、上下のフランジ２０、２１を固定して上下を閉塞する。

図３は、本発明の同心円積層型減衰材４の実施例であり、鋼製円筒体４０の直径、肉厚及びゴム４１の厚さを種々に変えたものである。図３（１）の実施例は、全ての鋼製円筒体４０の肉厚ｔ_１が等しく、また、隣接する鋼製円筒体４０の間隔を等しくしたものである。中央の鋼製円筒体４０の半径がｒ_１であり、その外側の鋼製円筒体４０の半径を順に２ｒ_１、３ｒ_１、４ｒ_１と大きくしたものであり、各鋼製円筒体４０、４０の間隔は等しくｒ_１であり、直径の異なる鋼製円筒体４０が異なる周期の地震動の減衰に対応するようにしたものである。

図３（２）の実施例は、中央の鋼製円筒体４０の肉厚をｔ_３と厚くしたものであり、順次鋼製円筒体４０の肉厚をｔ_２、ｔ_１と薄くしたものであり、（１）の例と同様に異なる周期の地震動の減衰に対応できるようにしたものである。
図３（３）の実施例は、鋼製円筒体４０の肉厚を、高さ方向で厚い部分と薄い部分を設け、その内側または外側の鋼製円筒体４０の肉厚は、隣接部分の肉厚が厚い部分に対応する高さにおいては薄くしてあり、逆に薄い部分に対応する高さにおいては厚くすることによって異なる周期の地震動に対応できるようにしたものである。

以上説明した実施例は、本発明の構成を限定するものでなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
例えば、同心円積層型減衰材４の総数は、２層以上とするが、免震装置の配置状況は大きさによって適宜に調整してよい。また、平面形状は円形とするのが好ましいが、例えば、鋼製円筒体に代えて角形鋼管を用いて概略４角形としてもよく、四角形に限らず多角形としてもよい。

１ 免震装置
２０ 上フランジ
２１ 下フランジ
２２ 端板
２３ 連結板
３ 積層弾性体
３０ 鋼板
３１ ゴム
４ 同心円積層型減衰材
４０ 高弾性率体の円筒体（鋼製円筒体）
４１ 低弾性率体（ゴム）
５０ 下部構造物（基礎）
５１ 上部構造物（建造物）

Claims (4)

1. ゴムと鋼板とを交互に上下方向に積層した積層弾性体と、この積層弾性体の平面中央部に設けられて一体化された減衰材とを備えた免震装置であって、減衰材が複数の高弾性率体の円筒体が同心状に間隔を空けて配列され、高弾性率体の円筒体の間の空間に低弾性率体が設置され、高弾性率体の円筒体の肉厚が異なる同心円積層型減衰材である免震装置。
2. ゴムと鋼板とを交互に上下方向に積層した積層弾性体と、この積層弾性体の平面中央部に設けられて一体化された減衰材とを備えた免震装置であって、減衰材が複数の高弾性率体の円筒体が同心状に間隔を空けて配列され、高弾性率体の円筒体の間の空間に低弾性率体が設置されて密着一体化してあり、高弾性率体の円筒体の間の距離が異なるものであり、この空間に設置された低弾性率体の厚みが異なる同心円積層型減衰材である免震装置。
3. 請求項１〜２のいずれかにおいて、同心円積層型減衰材のそれぞれの高弾性率体、及び／またはそれぞれの低弾性率体の素材が異なるものである免震装置。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、高弾性率体は、金属、繊維補強合成樹脂、炭素繊維補強合成樹脂、ガラス繊維補強合成樹脂、アラミド繊維補強合成樹脂のいずれかであり、低弾性率体は、天然ゴム、合成ゴム、繊維入り合成ゴム、合成樹脂、またはセラミックスのいずれかである免震装置。