JPH08285008A

JPH08285008A - 空気ばね式免震構造体

Info

Publication number: JPH08285008A
Application number: JP10795095A
Authority: JP
Inventors: Osamu Onishi; 治大西
Original assignee: Toyo Tire and Rubber Co Ltd
Current assignee: Toyo Tire Corp
Priority date: 1995-04-07
Filing date: 1995-04-07
Publication date: 1996-11-01

Abstract

(57)【要約】【目的】ゴム状の弾性板および補強板を交互に積層
してなる免震構造体において、この積層体内に空気室を
形成し、この空気室に圧縮空気を充填して空気ばねの機
能を付加することにより、積層体が有する水平方向の柔
らかい弾性を活かし、しかも鉛直方向の剛性を低減して
上下方向の振動吸収能力を向上させ、かつ長期間の使用
による鉛直方向の永久歪みを解消する。【構成】弾性板１１および補強板１２の各中央に１
個の大きな孔を開口して積層体を中空の柱状体１０に形
成し、その上面に上面板１５を、下面に下面板１６をそ
れぞれ固定して柱状体１０の中空部を気密な空気室に形
成し、この空気室に圧縮空気供給のための圧力源１８を
接続し、この圧縮空気の圧力を調節して柱状体１０の高
さを一定に維持するための圧力調節装置を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、建物および機械等に
おける上下振動および水平振動の双方を吸収するための
空気ばね式免震構造体に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】建物等の地上構造物と基礎との間に介在
させて地震の揺れを吸収し緩衝するための免震構造体と
して、ゴム状の弾性板および補強板（例えば、鋼板）を
交互に積層して柱状としたものが知られている。この免
震構造体は、弾性板と補強板とが互いに接着されていて
外力によるゴムの動きが補強板で拘束されるため、鉛直
方向の圧縮に対しては高い剛性を示し、水平方向の剛性
の１６００〜２０００倍になって弾性板の膨らみが小さ
くなる反面、水平方向の剪断力に対しては大きく変形
し、かつ元に戻る性質を備えている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記の免震構造体は、
鉛直方向には高い剛性を有し、建物等の地上構造物を傾
けることなく所定の高さに支持することができ、かつ比
較的規模の小さい地震に対しては水平方向の柔らかい弾
性によって振動を吸収することができるが、上記のとお
り鉛直方向の剛性が高いため、鉛直方向の強い地震に対
しては免震効果が不十分であった。そして、鉛直方向の
剛性を低くするため、上記ゴム状の弾性板の厚みを増し
て補強板の枚数を減らした場合は、鉛直力による弾性板
の撓みが増すと共に、長期間の使用でゴムのクリープ現
象が生じて鉛直方向の撓みが更に増大し、支持高さが変
化したり、建物等が傾いたりする等の問題があった。

【０００４】この発明は、上記の積層体内に空気室を形
成し、この空気室に圧縮空気を充填して空気ばねの機能
を付加することにより、上記の積層体からなる免震構造
体が有する水平方向の柔らかい弾性を活かし、しかも鉛
直方向の剛性を低減して上下方向の振動吸収能力を向上
させ、かつ長期間の使用による鉛直方向の永久歪みを解
消できるようにしたものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明の空気ばね式免
震構造体は、ゴム状の弾性板および補強板を交互に積層
してなる柱状の免震構造体において、上記の弾性板およ
び補強板の各中央に１個の大きな孔を開口して上記の積
層体を中空の柱状体に形成し、この中空の柱状体の上面
に上面板を、下面に下面板をそれぞれ固定して上記柱状
体の中空部を気密な空気室に形成し、この空気室に圧縮
空気供給のための圧力源を接続し、この圧縮空気の圧力
を調節して上記柱状体の高さを一定に維持するための圧
力調節装置を設けたことを特徴とする。

【０００６】上記ゴム状の弾性板は、従来の積層体から
なる免震構造体に使用されたものと同様のものであり、
天然ゴム、シリコーンゴム、エチレンプロピレンゴム、
エチレンプロピレンジエンゴム、ニトリルゴム、ハロゲ
ン化ゴム、クロロプレンゴム、イソプレンゴム、スチレ
ンブタジエンゴム、ブタジエンゴム、エチレン酢ビゴ
ム、可塑化ビニルゴム等のゴムで成形された板であり、
その剪断弾性率は、３〜２０kg／cm²が、また厚さは５
〜３０mmがそれぞれ好ましい。

【０００７】また、補強板は、金属、セラミックス、繊
維積層板（ただし、ゴムを含浸して非通気性としたも
の）、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂およびＦＲＰ等で製
造することができ、熱可塑性樹脂としてはポリスチレ
ン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ＡＢＳ樹脂、ポリ
塩化ビニル、ポリカーボネート、ナイロン、ポリアセタ
ール、エチルセルロース等が、熱硬化性樹脂としてはフ
ェノール樹脂、ユリア樹脂、不飽和ポリエステル、エポ
キシ樹脂、アルキド樹脂、メラミン樹脂等が例示され
る。なお、これらの補強板の厚みは２〜１０mmが好まし
い。

【０００８】上記の弾性板および補強板は、中央部に比
較的大きい孔を設けた閉曲線形状の環状体であり、その
外形および孔の形状は、円形、正方形、長方形、楕円
形、小判形等の任意形状に形成することができる。そし
て、上記の外形および孔形状は、必ずしも相似形である
必要はなく、外形を円形とし、孔を正方形としたり、外
形を正方形とし、孔を円形としたりすることができる。
ただし、上記弾性板の面積と穴面積（空気室の断面積）
との比率は２／１０〜８／１０が好ましい。そして、補
強板は弾性板とほぼ同じ形状に、好ましくは弾性板の全
面を被覆する程度に若干大きく形成される。

【０００９】上記環状の弾性板および補強板を交互に積
層することにより柱状体が形成されるが、弾性板および
補強板の接触部は、加硫接着によって気密に接合するこ
とが好ましい。また、１個の柱状体を高さの低い複数個
の柱状体に分割した形で個別に加硫接着によって形成
し、得られた高さの低い複数個の柱状体をシール材と交
互に重ねて接合することができる。しかして、柱状体を
構成する弾性板の積層枚数は、２〜３０枚が好ましく、
積層体の高さが一定の場合に積層枚数が少ないと、鉛直
方向のばね定数が低くなり、反対に多過ぎると、上記ば
ね定数が大きくなって好ましくない。

【００１０】上記柱状体の上面に固定される上面板およ
び下面に固定される下面板は、前記補強板と同様の材料
で作ることができる。この上面板および下面板は、柱状
体の上面および下面の全面を覆う形に形成されるが、柱
状体の上端を構成する弾性板に加硫接着する形で固定し
てもよく、また柱状体の上端を構成する補強板にシール
材を介して重ねて締結により固定してもよい。そして、
この上面板および下面板の少なくとも一方には、柱状体
の内側の空気室に圧縮空気を供給するための通気口が設
けられ、この通気口に圧縮空気の供給源が接続され、更
にこの圧縮空気の圧力を調節して上記柱状体の高さを一
定に維持するための圧力調節装置が設けられる。そし
て、上記の空気室には、該空気室と連通する補助タンク
を接続することができるが、この補助タンクは、上記圧
縮空気の供給側に設けてもよく、反対側に設けてもよ
い。そして、上記の空気室と補助タンクとを接続する連
通路には絞り（オリフィス）を設けて空気の流れの粘性
摩擦による適度な減衰力を得ることができる。

【００１１】

【作用】この発明の空気ばね式免震構造体においては、
中空の柱状体を構成する多層の弾性板および空気室に充
填された圧縮空気すなわち空気ばねの部分が並列で鉛直
方向の圧縮荷重を負担する。この場合、上記空気ばね式
免震構造体の全体における鉛直方向のばね定数をＫｖ、
多層の弾性板による鉛直方向のばね定数をＫｒ、空気ば
ね部分のばね定数をＫａとすると、上記免震構造体にお
ける鉛直方向のばね定数Ｋｖは式Ｋｖ＝Ｋｒ＋Ｋａで表される。ここで、上記多層の弾性板によるばね定数
Ｋｒは、弾性板の孔が大きいほど補強板による拘束が減
少するため（ただし、弾性板の面積は一定とする）、孔
が大きくなるにしたがって低下する。

【００１２】そして、空気ばね部分の受圧面積（空気室
の断面積）をＡ、空気室内の容積をＶｓ、補助タンクの
容積をＶｔ、封入空気の圧力（ゲージ圧）をＰ、受圧面
積の鉛直方向変化率をｄＡ／ｄｘ、空気のポリトロピッ
ク指数をγとすると、上記空気ばね部分のばね定数Ｋａ
は、一般に式Ｋａ＝γ（１＋Ｐ）Ａ²／（Ｖｓ＋Ｖｔ）＋Ｐ・ｄＡ／
ｄｘ＋Ｋ₀ で表される。ただし、Ｋ₀は一般のゴム膜式空気ばねの
膜剛性であり、この発明では前記多層の弾性板よる鉛直
方向のばね定数Ｋｒに相当する。

【００１３】すなわち、空気ばね部分の受圧面積（空気
室の断面積）を大きくしたり、空気室の充填空気圧を大
きくしたりして空気ばね部分の荷重分担を大きくし、か
つ上記の免震構造体を、柱状体の撓み（圧縮量）が小さ
く、高さが一定に維持される状態で使用することによ
り、免震構造体の全体のばね定数Ｋｖを小さくし、鉛直
方向の振動を吸収し易くすることができる。特に、補助
タンクを設けた場合は、中空の柱状体の構造や形状を変
えなくても、また空気室の形状や圧縮空気圧を変更しな
くても、補助タンクの容積Ｖｔを大きくすることによ
り、空気ばね部分のばね定数を小さくし、免震性能を一
層向上することができる。

【００１４】そして、上記免震構造体の全体のばね定数
Ｋｖを小さくすることにより、鉛直方向の静的撓みが増
大するが、圧縮空気の圧力調節装置で上記空気室の圧縮
空気圧力を調節することにより、上記柱状体の高さを一
定に維持することができ、これによって上記静的撓みの
増大を防ぐことができる。一方、水平振動は、中空の柱
状体を構成する多層の弾性板の剪断変形によって吸収さ
れる。また、水平力による柱状体の断面変形は、上記の
弾性板と交互に積層されている硬質の補強板によって防
止される。

【００１５】ただし、弾性板の剪断弾性率が３kg／cm²
未満では、剛性が不足して歪みが大きくなると共に、長
期の使用でクリープが生じて直径方向の永久変形が増大
し、反対に２０kg／cm²を超えると、剛性が過大になっ
て適正な緩衝作用が得られない。また、上記弾性板の厚
さが５mm未満では、剪断歪み率が増大して補強板との接
着部に大きな剪断力が発生して剥離し易くなり、反対に
３０mmを超えると、空気室の内圧に対する強度が低下
し、いずれも好ましくない。また、上記の空気ばね式免
震構造体において、弾性板の面積と空気室の断面積との
比率が２／１０未満では、空気室の内圧に対する弾性板
の強度が不十分となり、反対に８／１０を超えると、空
気室に内圧を充填することの効果が得られなくなる。

【００１６】

【実施例】図１において、１１はゴムからなる環状の弾
性板で、図５に示すように、円板の中央に同心円形状の
孔１１ａを設けて形成されている。この弾性板１１は、
鋼板からなる環状の補強板１２（図１参照）と交互に重
ねられ、相互に加硫接着によって強固に接合され、中空
の柱状体１０を形成している。なお、補強板１２は、中
央に上記の弾性板１１と同じ大きさの孔１２ａを有して
いるが、外径は弾性板１１よりも若干大きく作られてい
る。そして、最上層の弾性板１１Ａの上面に該弾性板１
１Ａに比べて外径が大きく、内径が小さい鋼板製の上面
取付け板１３が、また最下層の弾性板１１Ｂの下面に上
記の上面取付け板１３と同様の下面取付け板１４がそれ
ぞれ加硫接着によってフランジ状に接合されて中空の柱
状体１０が形成される。なお、上面取付け板１３の内周
縁が最上層の弾性板１１Ａの内周縁で、また下面取付け
板１４の内周縁が最下層の弾性板１１Ｂの内周縁でそれ
ぞれ被覆される。

【００１７】上記の上面取付け板１３の上には同じく鋼
板製の上面板１５が、また下面取付け板１４の下には同
じく鋼板製の下面板１６がそれぞれ固定される。この上
面板１５および下面板１６は、上面取付け板１３および
下面取付け板１４と等しい外径を有する円板の中央部に
通気口１５ａ、１６ａを突設したものであり、その外周
部分の数箇所がネジ１７で上面取付け板１３および下面
取付け板１４に接続される。このとき、上面板１５が上
面取付け板１３の内側で最上層の弾性板１１Ａの内周縁
と、また下面板１６が下面取付け板１４の内側で最下層
の弾性板１１Ｂの内周縁とそれぞれ接するため、上面板
１５および下面板１６の取付け面がシールされる。そし
て、上面板１５の通気口１５ａに圧力調整装置を備えた
圧力源１８が接続され、下面板１６の通気口１６ａに補
助タンク１９が接続される。

【００１８】図２は、中空の柱状体１０を補助タンク１
９上に乗せ、これらを基礎２０と建物２１との間に介設
した例を示す。ただし、柱状体１０上の上面板１５は通
気口を欠如し、下面板１６のみが中央に通気口１６ａを
有し、この通気口１６ａが補助タンク１９の上面に開口
し、この通気口１６ａに好ましくは絞り（図示されてい
ない）が設けられる。そして、補助タンク１９の側面の
給気口１９ａに空気パイプ２３を介して圧力調整弁２
４、空気溜め２５および空気圧縮機２６が順に接続さ
れ、圧力調整弁２４の回転自在の弁体（図示されていな
い）がリンク機構２７を介して建物２１の下面に連結さ
れ、建物２１の昇降に応じて上記弁体を回転させて開度
を調節し、建物２１の高さを一定に維持するようになっ
ている。なお、２１ａは当板である。

【００１９】図３に示す柱状体１０は、図１の上面取付
け板１３を省略し、最上層の弾性板１１に上面板１５を
加硫接着により直接固定したものである。また、図４に
示す実施例は、中空の柱状体を上下の２部分に分けて成
形し、しかるのち接合したものである。すなわち、上面
板１５と補強板１２と内径が等しく外径が大きい中間板
１２Ａとの間に複数枚の弾性板１１および補強板１２を
交互に重ね、これらを加硫接着によって一体化する一
方、上記同様の中間板１２Ａと下面板１６との間に複数
枚の弾性板１１および補強板１２を交互に重ね、これら
を加硫接着によって一体化する。そして、上下２枚の中
間板１２Ａの間に該中間板１２Ａと同じ形状のシール用
弾性板１１Ｃを挟み、これらを複数組の締結具１７Ａに
よって接合する。

【００２０】図５ないし図８は、ゴム状弾性板の形状を
例示するものであり、図５の弾性板１１は前記のとおり
円板の中央に円形の孔を開けたもの、図６の弾性板１１
Ｄは正方形を膨らました外形の板の中央に外形と近似す
る形の孔を開けたもの、図７の弾性板１１Ｅは円板の中
央にほぼ正方形の孔を開けたもの、図８の弾性板１１Ｆ
は長方形の板に繭形の孔を開けたものである。

【００２１】図１の構造を有する空気ばね式免震構造体
の実施例１を試作し、空気室を有しない弾性板と補強板
とからなる比較例１および空気室を有するが、該空気室
に圧縮空気を充填しない比較例２と鉛直剛性（鉛直荷重
１０トンを加えて生じる鉛直方向の単位変位当たり鉛直
荷重）および水平剛性（鉛直荷重１０トンの下で水平力
を加えて生じる水平方向の単位変位当たり水平力）を比
較した。その結果を下記の表１に示す。

【００２２】表１比較例１比較例２実施例１弾性板の弾性率（kg／cm²） 8 8 8 弾性板の厚さ（cm） 2 2 2 弾性板の枚数（枚） 8 8 8 弾性板の外径（cm） 35.7 50 46 弾性板の内径（cm） − 35 35 弾性板の面積（cm²） 4003.5 4003.5 2797.7 補強板の厚さ（mm） 3.2 3.2 3.2 補強板の枚数（枚） 7 7 7 柱状体の高さ（cm） 206 206 206 空気室の断面積（cm²） 0 3846.5 3846.5 空気室の容積（cm³） 0 1820 1820 弾性板面積／空気室断面積 0 1.04 0.73 充填空気圧（kg／cm²） 0 0 3.12 鉛直剛性（ton ／cm） 50.6 10.2 4.5 水平剛性（ton ／cm） 500 500 350

【００２３】表１に示すとおり、比較例２は、弾性板面
積を比較例１と等しくし、かつ空気室の断面積を弾性板
面積とほぼ等しくしたものであるが、空気室を形成した
ことにより、弾性板に対する補強板の拘束が減少して鉛
直剛性が比較例１の約１／５に低下した。しかし、空気
室に内圧が充填されないため、長期間の使用で弾性板に
永久歪みが発生する。これに対して実施例１は、空気室
断面積を比較例２と等しくし、弾性板面積を比較例２の
７０％に狭く設定し、かつ空気室に圧縮空気を充填した
ため、鉛直剛性が比較例１の１０％以下（比較例２の半
分以下）に、また水平剛性が比較例１、２の７０％にそ
れぞれ低下し、しかも弾性板における永久歪みの発生が
防止される。

【００２４】上記実施例１の空気室に補助タンクを接続
して上記同様に１０トンの鉛直荷重下で鉛直剛性を比較
した。その結果を下記の表２に示す。表２実施例２実施例３実施例４補助タンクの容量（リットル） 10 30 60 鉛直剛性（ton ／cm） 4.44 4.40 4.36

【００２５】

【発明の効果】請求項１に記載した発明は、ゴム状の弾
性板および補強板を交互に積層してなる柱状の免震構造
体において、上記の弾性板および補強板の各中央に１個
の大きな孔を開口して上記の積層体を中空の柱状体に形
成し、この中空の柱状体の上面に上面板を、下面に下面
板をそれぞれ固定して上記柱状体の中空部を気密な空気
室に形成し、この空気室に圧縮空気供給のための圧力源
を接続し、この圧縮空気の圧力を調節して上記柱状体の
高さを一定に維持するための圧力調節装置を設けたもの
であるから、弾性板および補強板を交互に積層しただけ
の免震ゴムに比べ、水平方向の剛性をほとんど変えずに
鉛直方向の剛性を大幅に低下させることができる。した
がって、建物等の構造物の免震装置として使用すること
により、水平振動だけでなく、上下方向の大きな振動も
吸収することが可能になる。そして、柱状体の高さを一
定に制御することにより、弾性板に過大な荷重が加わる
のを防ぐことができ、そのため永久歪みが発生しない。

【００２６】請求項２に記載した発明は、請求項１に記
載した発明において、空気室に該空気室と連通する補助
タンクが接続されたものであるから、補助タンクが無い
場合に比べて空気ばね部分のばね定数を小さくし、かつ
空気室の圧力変動を小さくすることができる。

【００２７】請求項３に記載した発明は、請求項１また
は２に記載された発明において、弾性板の剪断弾性率を
３〜２０kg／cm²とし、厚さを５〜３０mmとしたもので
あるから、空気ばね部分と合わせて特に広範囲のばね定
数の選定が可能になる。

【００２８】請求項４に記載した発明は、請求項３に記
載された発明において、弾性板の面積および空気室の断
面積の比率を２／１０〜８／１０に設定したものてある
から、鉛直剛性と水平剛性のバランスが良好で、鉛直方
向および水平方向の振動の双方を一層効果的に吸収する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例の縦断面図である。

【図２】圧力調整装置の一例を示す縦断面図である。

【図３】中空柱状体の第２の例を示す縦断面図である。

【図４】中空柱状体の第３の例を示す縦断面図である。

【図５】弾性板の一例を示す横断面図である。

【図６】弾性板の第２の例を示す横断面図である。

【図７】弾性板の第３の例を示す横断面図である。

【図８】弾性板の第４の例を示す横断面図である。

【符号の説明】

１０：柱状体１１、１１Ａ、１１Ｂ：１１Ｄ、１１Ｅ、１１Ｆ：ゴム
状弾性板１１ａ：孔１１Ｃ：シール用弾性板１２：補強板１２ａ：孔１２Ａ：中間板１３：上面取付け板１４：下面取付け板１５：上面板１６：下面板１５ａ、１６ａ：通気口１７：ねじ１７Ａ：締結具１８：圧力調整装置を備えた圧力源１９：補助タンク２０：基礎２１：建物２３：空気パイプ２４：圧力調整弁２５：空気溜め２６：空気圧縮機２７：リンク機構

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ゴム状の弾性板および補強板を交互に積
層してなる柱状の免震構造体において、上記の弾性板お
よび補強板の各中央に１個の大きな孔を開口して上記の
積層体を中空の柱状体に形成し、この中空の柱状体の上
面に上面板を、下面に下面板をそれぞれ固定して上記柱
状体の中空部を気密な空気室に形成し、この空気室に圧
縮空気供給のための圧力源を接続し、この圧縮空気の圧
力を調節して上記柱状体の高さを一定に維持するための
圧力調節装置を設けたことを特徴とする空気ばね式免震
構造体。
【請求項２】請求項１に記載された空気ばね式免震構
造体において、空気室に絞り付き連通路を介して補助タ
ンクが接続された空気ばね式免震構造体。
【請求項３】請求項１または２に記載された空気ばね
式免震構造体において、弾性板の剪断弾性率が３〜２０
kg／cm²であり、厚さが５〜３０mmである空気ばね式免
震構造体。
【請求項４】請求項３に記載された空気ばね式免震構
造体において、弾性板の面積および空気室の断面積の比
率が２／１０〜８／１０である空気ばね式免震構造体。