JP6927676B2 - 積層ゴム支承 - Google Patents

Description

本発明は、積層ゴム支承に関し、特に、ゴム層と補強板とを交互に積層した積層ゴム体内に塑性金属や摩擦材等の振動エネルギーを吸収する際に発熱を伴う減衰体を具備した積層ゴム支承に関する。

上記積層ゴム支承の一例として、特許文献１には、図５に示すように、ゴム層８２と補強板８３とが交互に積層され、上下に厚肉鋼板８４、８５を有する積層ゴム体８６と、上下構造物に各々取り付けられる取付用鋼板８７、８８と、取付用鋼板８７、８８と厚肉鋼板８４、８５との間で水平力を伝達すると共に、積層ゴム体８６の貫通孔８６ａに鉛プラグ８９を封入するために備えられたせん断キー９０、９１と、取付用鋼板８７、８８と厚肉鋼板８４、８５とを緊結するボルト９３、９４と、取付用鋼板８７、８８を上下構造物に取り付けるための穴９５、９６とで構成される積層ゴム支承８１が記載されている。

上記構成を有する積層ゴム支承８１は、上部構造物と下部構造物との間に配置され、地震時等の外乱により上部構造物と下部構造物の水平相対変位によりせん断変形が生じると、水平荷重をゴム層８２の弾性変形と、鉛プラグ８９の塑性変形とにより減衰させるように動作する。

特開２０１５−４５２２１号公報

しかし、上記積層ゴム支承８１は、長周期地震動等により多数回の繰返し変形を受けると、吸収したエネルギーにより鉛プラグ８９が発熱し、温度上昇が要因となって積層ゴム支承８１のエネルギー吸収性能が低下することが確認された。エネルギー吸収性能の低下が生じると、上部構造物の応答変位の増大が生じ、建物機能の維持に支障が生じるおそれがある。

そこで、本発明は上記従来の積層ゴム支承における問題点に鑑みてなされたものであって、通常の地震時における性能を維持しながら、長時間地震時においてエネルギー吸収性能の低下を抑制することが可能な積層ゴム支承を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、ゴム層と補強板とを交互に積層した積層ゴム部に上下方向に貫通する少なくとも１つの貫通孔を有する積層ゴム体と、前記貫通孔に封入された少なくとも１本の減衰体プラグとを備える積層ゴム支承において、前記補強板の総厚さをＴ_Ｓ、前記ゴム層の総厚さをＴ_Ｒ、前記積層ゴム体が上面視円形の場合には直径、上面視正方形の場合には一辺の長さ、又は上面視長方形の場合には短辺の長さをＤとした場合に、Ｔ_Ｓ≧２６×Ｔ_Ｒ×Ｄ^−０．５であり、前記各々の補強板の内周面と、前記減衰体プラグの外周面とが当接又は近接して配置されることを特徴とする。

本発明によれば、補強板の総厚さを一般的に用いられている積層ゴム支承の補強板の総厚さよりも大きくしたため、熱容量が大きくなると共に、各々の補強板の内周面と、減衰体プラグの外周面とを当接又は近接して配置したため、補強板の板厚が大きい分、減衰体プラグに蓄積された熱を効率よく外部に逃がすことができるため、長時間地震時における減衰体プラグの温度上昇を抑えることができる。これにより、通常の地震時における積層ゴム支承の性能を維持しながら、積層ゴム支承のエネルギー吸収性能の低下を抑制することが可能となる。

上記積層ゴム支承において、前記補強板の各々の厚さを同一にすることができ、一種類の補強板で本発明に係る積層ゴム支承を構成することができる。

上記積層ゴム支承において、前記補強板の一部を、厚さが同じである他の補強板よりも厚くすることができる。補強板の一部の厚さを従来より厚くすることで本発明に係る積層ゴム支承を構成することができる。この際、一部の補強板を減衰体プラグの鉛直方向中央部に位置する１枚の補強板としてもよく、また、減衰体プラグの鉛直方向において、少なくとも１枚の他の補強板を介して互いに離間する複数の補強板とすることもできる。

また、前記減衰体プラグを振動エネルギの吸収を塑性変形で行う減衰材料で形成してもよく、この減衰材料として、鉛、錫、亜鉛、アルミニウム、銅、ニッケル若しくはこれらの合金又は非鉛系低融点合金を用いることができる。

さらに、前記減衰体プラグを振動エネルギの吸収を塑性流動で行う減衰材料で形成してもよく、この減衰材料として、熱硬化性樹脂と、ゴム粉とを含むものを用いることができる。

以上のように、本発明によれば、通常の地震時における性能を維持しながら、長時間地震時においてエネルギー吸収性能の低下を抑制することが可能な積層ゴム支承を提供することができる。

本発明に係る積層ゴム支承の第１の実施形態を示し、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。 本発明に係る積層ゴム支承の第２の実施形態を示し、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。 本発明に係る積層ゴム支承の第３の実施形態を示し、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。 本発明に係る積層ゴム支承の第４の実施形態を示し、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。 従来の積層ゴム支承の一例を示し、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＥ−Ｅ線断面図である。

次に、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明に係る積層ゴム支承の第１の実施形態を示し、この積層ゴム支承１は、図５に示した積層ゴム支承８１と同様、ゴム層２と補強板３とが交互に積層され、上下に厚肉鋼板４、５を有する積層ゴム体６と、上下構造物に各々取り付けられる取付用鋼板７、８と、取付用鋼板７、８と厚肉鋼板４、５との間で水平力を伝達すると共に、積層ゴム体６の貫通孔６ａに減衰体プラグとしての鉛プラグ９を封入するために備えられたせん断キー１０、１１と、取付用鋼板７、８と厚肉鋼板４、５とを緊結するボルト１３、１４と、取付用鋼板７、８を上下構造物に取り付けるための穴１５、１６とで構成され、各々の補強板３の厚さが、図５に示した従来の積層ゴム支承８１の補強板（標準的な補強板）８３よりも厚く形成される。

補強板３は、鋼板等で形成され、各々の補強板３の厚さは同一である。ここで、ゴム層２の総厚さをＴ_Ｒ、積層ゴム体６の直径をＤとした場合に、補強板３の総厚さＴ_Ｓを、Ｔ_Ｓ≧２６×Ｔ_Ｒ×Ｄ^−０．５と標準的な補強板の総厚さよりも大きく設定する。この式は、補強板３の厚さがゴム層２の１層厚さによって最小厚さが決まることを考慮し、現在商品化されている積層ゴム支承について積層ゴム体６の直径Ｄで基準化して実験的に導いた式である。また、各々の補強板３の内周面を鉛プラグ９の外周面に当接させる。

上記構成を有する積層ゴム支承１は、上部構造物と下部構造物との間に配置され、地震時等の外乱により上部構造物と下部構造物の水平相対変位によりせん断変形が生じると、水平荷重をゴム層２の弾性変形と、鉛プラグ９の塑性変形とにより減衰させるように動作する。

ここで、上記積層ゴム支承１では、補強板３の厚さを補強板８３よりも厚く設定したことで、補強板３と補強板８３の枚数が同じである場合には、積層ゴム支承１の方が熱容量が大きくなると共に、板厚が大きい分、鉛プラグ９に蓄積された熱を効率よく外部に逃がすことができるため、長時間地震時における鉛プラグ９の温度上昇を抑えることができる。これにより、通常の地震時における積層ゴム支承１の性能を維持しながら、積層ゴム支承１のエネルギー吸収性能の低下を抑制することが可能となる。

図２は、本発明に係る積層ゴム支承の第２の実施形態を示し、この積層ゴム支承２１は、図５に示した積層ゴム支承８１と同様、ゴム層２２と補強板２３とが交互に積層され、上下に厚肉鋼板２４、２５を有する積層ゴム体２６と、上下構造物に各々取り付けられる取付用鋼板２７、２８と、取付用鋼板２７、２８と厚肉鋼板２４、２５との間で水平力を伝達すると共に、積層ゴム体２６の貫通孔２６ａに鉛プラグ２９を封入するために備えられたせん断キー３０、３１と、取付用鋼板２７、２８と厚肉鋼板２４、２５とを緊結するボルト３３、３４と、取付用鋼板２７、２８を上下構造物に取り付けるための穴３５、３６とで構成され、積層ゴム体２６の鉛直方向中央部の補強板２３ａのみ板厚が他の補強板２３の板厚より大きく形成される。

補強板２３は、鋼板等で形成され、補強板２３ａの板厚を厚さが同じである他の補強板２３よりも大きく形成し、補強板２３ａの厚さをｔ_Ｓ、補強板２３ａに発生する最大応力度をσ_ｍ、積層ゴム体２６に作用する鉛直面圧をσ_ｃ、ゴム層２２の１つの層の厚さをｔ_ｒとした場合に、ｔ_ｓ≧３．３ｔ_ｒ／（（σ_ｍ／σ_ｃ）−２）とする。他の補強板２３の厚さは、図５に示した従来の積層ゴム支承８１の補強板８３と同じ厚さとする。

また、上記第１の実施形態と同様、ゴム層２２の総厚さをＴ_Ｒ、積層ゴム体２６の直径をＤとした場合に、補強板２３の総厚さＴ_Ｓを、Ｔ_Ｓ≧２６×Ｔ_Ｒ×Ｄ^−０．５と標準的な補強板の総厚さよりも大きく設定する。さらに、各々の補強板２３（補強板２３ａを含む）の内周面を鉛プラグ２９の外周面に当接させる。

上記構成を有する積層ゴム支承２１は、上部構造物と下部構造物との間に配置され、地震時等の外乱により上部構造物と下部構造物の水平相対変位によりせん断変形が生じると、水平荷重をゴム層２２の弾性変形と、鉛プラグ２９の塑性変形とにより減衰させるように動作する。

ここで、上記積層ゴム支承２１では、積層ゴム体２６の鉛直方向中央部の補強板２３ａの板厚を大きくして補強板２３の総厚さを従来よりも厚く設定したことで、熱容量が大きくなると共に、板厚が大きい分、鉛プラグ２９に蓄積された熱を効率よく外部に逃がすことができるため、長時間地震時における鉛プラグ２９の温度上昇を抑えることができる。これにより、通常の地震時における積層ゴム支承２１の性能を維持しながら、積層ゴム支承２１のエネルギー吸収性能の低下を抑制することが可能となる。

図３は、本発明に係る積層ゴム支承の第３の実施形態を示し、この積層ゴム支承４１は、図５に示した積層ゴム支承８１と同様、ゴム層４２と補強板４３とが交互に積層され、上下に厚肉鋼板４４、４５を有する積層ゴム体４６と、上下構造物に各々取り付けられる取付用鋼板４７、４８と、取付用鋼板４７、４８と厚肉鋼板４４、４５との間で水平力を伝達すると共に、積層ゴム体４６の貫通孔４６ａに鉛プラグ４９を封入するために備えられたせん断キー５０、５１と、取付用鋼板４７、４８と厚肉鋼板４４、４５とを緊結するボルト５３、５４と、取付用鋼板４７、４８を上下構造物に取り付けるための穴５５、５６とで構成され、２枚の補強板４３ａのみ板厚が他の補強板４３の板厚より大きく形成される。

補強板４３は、鋼板等で形成され、２枚の補強板４３ａの各々の板厚ｔ_ｓは、上記と同様に、ｔ_ｓ≧３．３ｔ_ｒ／（（σ_ｍ／σ_ｃ）−２）とする。他の補強板４３の厚さは、図５に示した従来の積層ゴム支承８１の補強板８３と同じ厚さとする。

また、上記第１、第２の実施形態と同様、ゴム層４２の総厚さをＴ_Ｒ、積層ゴム体４６の直径をＤとした場合に、補強板４３の総厚さＴ_Ｓを、Ｔ_Ｓ≧２６×Ｔ_Ｒ×Ｄ^−０．５と標準的な補強板の総厚さよりも大きく設定する。さらに、各々の補強板４３（２枚の補強板４３ａを含む）の内周面は、鉛プラグ４９の外周面に当接する。

この積層ゴム支承４１によっても、上記積層ゴム支承２１と同様に、２枚の補強板４３ａの板厚を大きくして補強板４３の総厚さを従来よりも厚く設定したため、熱容量が大きくなると共に、板厚が大きい分、鉛プラグ４９に蓄積された熱を効率よく外部に逃がすことができるため、長時間地震時における鉛プラグ４９の温度上昇を抑えることができる。これにより、通常の地震時における積層ゴム支承４１の性能を維持しながら、積層ゴム支承４１のエネルギー吸収性能の低下を抑制することが可能となる。

図４は、本発明に係る積層ゴム支承の第４の実施形態を示し、この積層ゴム支承６１は、図５に示した積層ゴム支承８１と同様、ゴム層６２と補強板６３とが交互に積層され、上下に厚肉鋼板６４、６５を有する積層ゴム体６６と、上下構造物に各々取り付けられる取付用鋼板６７、６８と、取付用鋼板６７、６８と厚肉鋼板６４、６５との間で水平力を伝達すると共に、積層ゴム体６６の貫通孔６６ａに鉛プラグ６９を封入するために備えられたせん断キー７０、７１と、取付用鋼板６７、６８と厚肉鋼板６４、６５とを緊結するボルト７３、７４と、取付用鋼板６７、６８を上下構造物に取り付けるための穴７５、７６とで構成され、３枚の補強板６３ａのみ板厚が他の補強板６３より大きく形成される。

補強板６３は、鋼板等で形成され、３枚の補強板６３ａの各々の板厚ｔ_ｓは、上記と同様に、ｔ_ｓ≧３．３ｔ_ｒ／（（σ_ｍ／σ_ｃ）−２）とする。他の補強板６３の厚さは、図５に示した従来の積層ゴム支承８１の補強板８３と同じ厚さとする。

また、上記実施形態と同様、ゴム層６２の総厚さをＴ_Ｒ、積層ゴム体６６の直径をＤとした場合に、補強板６３の総厚さＴ_Ｓを、Ｔ_Ｓ≧２６×Ｔ_Ｒ×Ｄ^−０．５と標準的な補強板の総厚さよりも大きく設定する。さらに、各々の補強板６３（３枚の補強板６３ａを含む）の内周面は、鉛プラグ６９の外周面に当接する。

本実施の形態においても、上記実施形態と同様、３枚の補強板６３ａの板厚を大きくして補強板６３の総厚さを従来よりも厚く設定したため、熱容量が大きくなると共に、板厚が大きい分、鉛プラグ６９に蓄積された熱を効率よく外部に逃がすことができるため、長時間地震時における鉛プラグ６９の温度上昇を抑えることができる。これにより、通常の地震時における積層ゴム支承６１の性能を維持しなから、積層ゴム支承６１のエネルギー吸収性能の低下を抑制することが可能となる。

尚、上記実施の形態では、補強板の板厚をすべて同一とした場合や、一部の補強板の板厚を他の補強板の板厚よりも大きくした場合を例示したが、本発明では、個々の補強板の板厚によらず、補強板の総厚さＴ_Ｓが所定の範囲（上記Ｔ_Ｓ≧２６×Ｔ_Ｒ×Ｄ^−０．５）内であればよい。

上記実施の形態では、補強板と鉛プラグとを当接させたが、補強板と鉛プラグあるいはこれらの近傍の部分に被覆層を形成する場合には、補強板と鉛プラグとは近接して配置されることとなる。

また、減衰体プラグは、好ましい例では、塑性変形で振動エネルギを吸収する減衰材料からなり、かかる減衰材料は、鉛、錫、亜鉛、アルミニウム、銅、ニッケル若しくは亜鉛・アルミニウム合金等の超塑性合金を含むこれらの合金又は非鉛系低融点合金からなっていても、非鉛系低融点合金（例えば、錫−亜鉛系合金、錫−ビスマス系合金及び錫−インジウム系合金より選ばれる錫含有合金であって、具体的には、錫４２〜４３重量％及びビスマス５７〜５８重量％を含む錫−ビスマス合金等）からなっていても、そして、他の好ましい例では、振動エネルギの吸収を塑性流動で行う減衰材料からなり、かかる減衰材料は、熱硬化性樹脂と、ゴム粉とを含んでいてもよく、具体的には、例えば、付加される振動を相互の摩擦により減衰させる熱伝導性フィラーと、付加される振動を少なくとも熱伝導性フィラーとの摩擦により減衰させる黒鉛とを含んでいてもよい。

また、上記実施の形態では、積層ゴム体が上面視円形の場合を例示したが、積層ゴム体が上面視正方形の場合には、式Ｔ_Ｓ≧２６×Ｔ_Ｒ×Ｄ^−０．５におけるＤはその一辺の長さを示し、上面視長方形の場合には短辺の長さを示す。

さらに、減衰体プラグとして１本の鉛プラグを用いた場合を例示したが、他の材料からなる減衰体プラグを用いた場合や、２本以上の減衰体プラグを用いた場合でも、補強板の総厚さＴ_ＳがＴ_Ｓ≧２６×Ｔ_Ｒ×Ｄ^−０．５であればよい。

また、積層ゴム体や減衰体プラグが上面視で同じ面積のときは、各々１本の場合よりも複数本の場合の方が減衰体プラグにおける発熱抑制効果が高くなる。

一部の補強板の板厚を他の補強板の板厚よりも大きくした場合には、減衰体プラグのせん断部分のアスペクト比（Ｈ／Ｄ_ｐ：Ｈはせん断部分の高さ、Ｄ_ｐはせん断部分の直径）を小さくする効果があり、履歴形状の安定性、放熱特性の改善に寄与する。上記実施の形態では、減衰体プラグが厚い補強板を貫通しているが、この場合には、上下厚肉鋼板間がせん断部分の高さになるのではなく、上下厚肉鋼板のいずれかと厚い補強板間がせん断部の高さとなる。一方、減衰体プラグが厚い補強板を貫通している場合で、厚い補強板の厚みが十分でない場合には、上下でプラグが分割されているとは言えなくなる。その範囲として、減衰体プラグの直径をＤ_ｐ、厚い補強板１枚の厚さをｔ_Ｓとした場合に、Ｄ_ｐ／５≦ｔ_Ｓ程度となる。

次に、本発明に係る積層ゴム支承の試験例について説明する。

図５に示した積層ゴム支承８１を比較例とし、図１、図２に示した積層ゴム支承１、２１を各々実施例１、２とした。各々の積層ゴム支承の詳細構成を表１に示す。また、試験条件を表２に示す。本試験例では、実験と解析とを行い、解析結果が実験結果によく一致したため、以下に試験例として解析結果を示す。

上記試験結果を表３に示す。同表より、上記Ｔ_Ｓ≧２６×Ｔ_Ｒ×Ｄ^−０．５を満足する実施例１及び実施例２は、比較例に比べ各々総エネルギー吸収量が２１％、１３．７％増大し、初期降伏応力に対する試験終了時の降伏応力の比率が各々６．９％、５．７％大きいことが判る。

次に、上記積層ゴム支承１、２１、４１について、東海・東南海地震を想定した東海地方の長周期地震動三の丸波を用いた試験を行ったところ表４に示す結果となった。同表より、実施例１及び実施例２は、比較例に比べ各々総エネルギー吸収量が１３．５％、８．２％増大し、初期降伏応力に対する試験終了時の降伏応力の比率が各々８．３％、４．７％大きいことが判る。

以上のように、試験結果からも、本発明に係る積層ゴム支承によれば、通常の地震時における性能を維持しながら、長時間地震時においてエネルギー吸収性能の低下を抑制する

１ 積層ゴム支承
２ ゴム層
３ 補強板
４ 上側厚肉鋼板
５ 下側厚肉鋼板
６ 積層ゴム体
６ａ 貫通孔
７ 上側取付用鋼板
８ 下側取付用鋼板
９ 鉛プラグ
１０ 上側せん断キー
１１ 下側せん断キー
１３、１４ ボルト
１５、１６ 穴
２１ 積層ゴム支承
２２ ゴム層
２３、２３ａ 補強板
２４ 上側厚肉鋼板
２５ 下側厚肉鋼板
２６ 積層ゴム体
２６ａ 貫通孔
２７ 上側取付用鋼板
２８ 下側取付用鋼板
２９ 鉛プラグ
３０ 上側せん断キー
３１ 下側せん断キー
３３、３４ ボルト
３５、３６ 穴
４１ 積層ゴム支承
４２ ゴム層
４３、４３ａ 補強板
４４ 上側厚肉鋼板
４５ 下側厚肉鋼板
４６ 積層ゴム体
４６ａ 貫通孔
４７ 上側取付用鋼板
４８ 下側取付用鋼板
４９ 鉛プラグ
５０ 上側せん断キー
５１ 下側せん断キー
５３、５４ ボルト
５５、５６ 穴
６１ 積層ゴム支承
６２ ゴム層
６３、６３ａ 補強板
６４ 上側厚肉鋼板
６５ 下側厚肉鋼板
６６ 積層ゴム体
６６ａ 貫通孔
６７ 上側取付用鋼板
６８ 下側取付用鋼板
６９ 鉛プラグ
７０ 上側せん断キー
７１ 下側せん断キー
７３、７４ ボルト
７５、７６ 穴

Claims (9)

1. ゴム層と補強板とを交互に積層した積層ゴム部に上下方向に貫通する少なくとも１つの貫通孔を有する積層ゴム体と、前記貫通孔に封入された少なくとも１本の減衰体プラグとを備える積層ゴム支承において、
   前記補強板の総厚さをＴ_Ｓ、前記ゴム層の総厚さをＴ_Ｒ、前記積層ゴム体が上面視円形の場合には直径、上面視正方形の場合には一辺の長さ、又は上面視長方形の場合には短辺の長さをＤとした場合に、Ｔ_Ｓ≧２６×Ｔ_Ｒ×Ｄ^−０．５であり、
   前記各々の補強板の内周面と、前記減衰体プラグの外周面とが当接又は近接して配置されることを特徴とする積層ゴム支承。
2. 前記補強板の各々は厚さが同じであることを特徴とする請求項１に記載の積層ゴム支承。
3. 前記補強板の一部は、厚さが同じである他の補強板よりも厚いことを特徴とする請求項１に記載の積層ゴム支承。
4. 前記一部の補強板は、前記減衰体プラグの鉛直方向中央部に位置する１枚の補強板であることを特徴とする請求項３に記載の積層ゴム支承。
5. 前記一部の補強板は、前記減衰体プラグの鉛直方向において、少なくとも１枚の前記他の補強板を介して互いに離間する複数の補強板であることを特徴とする請求項３に記載の積層ゴム支承。
6. 前記減衰体プラグは、振動エネルギの吸収を塑性変形で行う減衰材料からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の積層ゴム支承。
7. 前記減衰材料は、鉛、錫、亜鉛、アルミニウム、銅、ニッケル若しくはこれらの合金又は非鉛系低融点合金からなることを特徴とする請求項６に記載の積層ゴム支承。
8. 前記減衰体プラグは、振動エネルギの吸収を塑性流動で行う減衰材料からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の積層ゴム支承。
9. 前記減衰材料は、熱硬化性樹脂と、ゴム粉とを含んでいることを特徴とする請求項８に記載の積層ゴム支承。

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