JPWO2010125775A1 - 滑り構造、支承装置および免震構造物 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2009年4月27日に、日本に出願された特願2009−107618号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
特許文献1に記載の支承装置では、低摩擦係数の固体滑り部材に凹部を設け、この凹部にゲル状潤滑剤を封入し、凹部周辺にもゲル状潤滑剤を塗布する。一方、相手部材は、ステンレス板から構成するか、または四フッ化エチレンを貼付した樹脂板の表面を平滑面とした構成となっている。
特許文献2に記載の支承装置では、四フッ化エチレン樹脂から構成した滑り部材の表面に互いに連通しかつ外縁に開放端を有しない凹部を形成するとともに、フッ素グリースからなる潤滑剤を塗布する。一方、相手部材は、表面が平滑な平滑板を用いた構成となっている。この平滑板の表面粗さでは、JIS B0601-2001(ISO 4287)にて規定される最大高さRz が0.05〜0.50μm(好ましくは、0.10〜0.20μm)の範囲に設定されている。
特許文献3に記載の支承装置では、滑り部材が50〜120MPa の圧縮強度を有する合成樹脂(ポリアセタール、ポリアミド、ポリフェニレンエーテル、フェノール、ガラス繊維含有ポリカーボネート等)で構成され、相手部材が自己潤滑性をもつ四フッ化エチレン配合のポリアミドイミド樹脂またはエポキシ樹脂からなる合成樹脂皮膜を有して構成されている。この相手部材の合成樹脂皮膜は、膜厚が100μm以下(好ましくは、20〜40μm)に設定され、滑り部材と相手部材との滑り面において、0.02〜0.04の低い摩擦係数(μ)が得られるようになっている。
特許文献4に記載の支承装置は、一対の滑り部材と相手部材の少なくとも一方が四フッ化エチレン樹脂を主成分とする芳香族ポリエステルを含有する組成物により形成された複数のボイドを有する多孔質構造の成形体で構成される。そして、特許文献4に記載の支承装置では、そのボイドにポリシロキサン(シリコーン)の潤滑剤を含浸させることで、潤滑剤の流出を防止する。
特許文献5に記載の支承装置は、自己潤滑性を持つ合成樹脂から滑り部材の滑り面を構成する。一方、相手部材の滑り面には、エポキシ樹脂と側鎖にエポキシ基を有するエポキシ当量が1000以下の反応性シリコーンオイルとから成る組成固化物の被着膜が形成されている。そして、組成固化物では、180℃焼成処理によって反応性シリコーンオイルが三次元網状構造を形成することで、シリコーンオイルの流出が防止できるようになっている。
特許文献6に記載の支承装置は、四フッ化エチレン樹脂を主成分とする樹脂で滑り部材の滑り面を構成し、表面に被覆膜を有する金属板から相手部材を構成する。その被覆膜は、末端に官能基を有する含フッ素重合体またはオルガノシロキサンの単独または混合物で形成され、その膜厚が0.01〜 5μm程度で構成されている。
先ず、特許文献1、2に記載された技術では、相手部材の滑り面を平滑に研磨加工したり、滑り面に自己潤滑性をもつ合成樹脂を配置したりする必要がある。具体的には、特許文献2に記載の技術において、表面粗さを示す最大高さRz が0.5μmを超えるような場合には、滑り部材の摩耗特性が損なわれ、摩擦係数μが増大してしまう。
また、特許文献3に記載された技術では、滑り部材の凹部加工による、滑り部材の相手部材への接触面の減少に耐えるために、滑り部材として圧縮強さで50〜100MPa の材料が必要となってしまう。さらに、相手部材においても、耐荷重性能を確保するために、その表面を被覆する合成樹脂皮膜の厚さを薄くする必要があり、皮膜を成形するために高度な加工技術が必要になってしまう。
また、特許文献4〜6に記載された技術では、相手部材の滑り面に特殊な自己潤滑性をもつ樹脂膜を形成するための特殊配合材料が必要になったり、加熱処理等の複雑な製造工程や特殊な製造設備が必要になったりなど、製造コストが増大してしまう。
ここで、最大高さ(Rz )は、JIS B0601-2001(ISO 4287, Geometrical Product Specifications (GPS) - Surface texture: Profile method - Terms, definitions and surface texture parametersに準ずる)で規定される最大高さRz を意味し、前記第2摺接面の凹凸(粗面又はラフネスともいう)における、最大高さ(Rz )が70μm以下であることが好ましい。
最大高さ(Rz )は基準長さ(lr )における輪郭曲線の山高さ(Zp )の絶対値の最大値と谷深さ(Zv )の絶対値の最大値との和を示す。ここで、基準長さ(lr )とは、粗面の輪郭曲線のX軸方向の長さを示す。山高さ(Zp )は、前記前記輪郭曲線をX軸(平均線)によって切断したときの、平均線より上側の山における、X軸から山頂までの高さの絶対値を示す。一方谷深さ(Zv )は、輪郭曲線をX軸(平均線)によって切断したときの、平均線より下側の谷における、X軸から谷底までの深さの絶対値を示す。
第2摺接面よりも面積が小さい第1摺接面を自己潤滑性を有する合成樹脂材料から構成することで、材料コストを抑制しつつ摺接面同士の摩擦係数をより低くすることができる。
このような構成によれば、第2摺接面を構成する合成樹脂材料の厚さを40μm以上とすることで、第2摺接面の凹凸を比較的容易に形成することができる。例えば、合成樹脂の吹き付けなどの簡便な形成方法を用いて第2摺接面の凹凸を形成することも可能となって、製造設備の簡単化および低コスト化を促進させることができる。
また、本発明の支承装置は、前記いずれかの滑り構造を備えた支承装置であって、前記第1部材の第1摺接面が凸状の曲率を有し前記第2部材の第2摺接面が凹状の曲率を有したそれぞれ曲面で構成されるものであってもよい。
さらに、本発明の支承装置は、前記いずれかの滑り構造を備えた支承装置であって、前記第1部材の第1摺接面が凹状の曲率を有し前記第2部材の第2摺接面が凸状の曲率を有したそれぞれ曲面で構成されるものであってもよい。
このような支承装置によれば、前述の滑り構造と同様に、第1摺接面および第2摺接面を低摩擦状態で摺接させることができるとともに、潤滑剤の流出を防止して低摩擦状態を維持することができる支承装置が実現できる。
このような構成によれば、滑り支承部分の第1部材または第2部材と積層ゴム装置とを直列に連結することで、設計条件に応じた適切な滑動方向初期弾性剛性および減衰性能を有した支承装置が実現できる。
このような免震構造物によれば、前述した支承装置と同様に、低摩擦状態が維持できる。即ち、本発明の免震構造物によれば、構造物の長期使用期間中において、複数回の外乱(地震や風、機械振動などの繰り返し荷重)を受けたとしても、支承装置の性能低下を防止することができるとともに、その期間中における潤滑剤補充などのメンテナンス手間を軽減あるいは省略することができる。
図1において、本発明の免震構造物は、基礎Fと上部構造Sとの間に支承装置である免震装置1を備え、免震装置1を介して上部構造Sの荷重が基礎Fに伝達される。また、本発明の免震構造物に地震等の水平力が作用した場合には、免震装置1が水平変形することによって上部構造Sへの水平力の入力が低減されるようになっている。免震装置1は、基礎Fの側に設けられる滑り支承部2と、上部構造Sの側に設けられる積層ゴム支承部(積層ゴム装置)3とが、上下に直列に連結されることで構成されている。
図4及び図5に、第1摺接面25及び第2摺接面28の拡大図を示す。
この第2摺接面28には、JIS B0601-2001(ISO 4287)で規定される最大高さRz が、3μm以上70μm以下の微細な凹凸が形成されている。最大高さRzはより好ましくは、3μm以上、40μm以下である。また、第2摺接面28では、その任意の場所において凹凸形状が類似している。また、皮膜27を構成する合成樹脂は、滑り部材本体24を構成する合成樹脂に対し、2倍以上のヤング率を有する樹脂材料から構成されている。即ち、相手部材22の第2摺接面28は、滑り部材21の第1摺接面25に対して、2倍以上のヤング率を有する。
また、相手部材22は、図5に示されるように、鋼板即ち相手部材本体26のみから形成されていてもよい。このとき、相手部材22の表面即ち第2摺接面28には、エッチングなどによって粗面を形成するとよい。エッチング剤には塩化第二鉄、塩酸、硫酸などを用いることができる。
相手部材22が、鋼板等、相手部材本体26のみから形成される場合、相手部材22の第2摺接面28は、滑り部材21の第1摺接面25に対して、300〜400倍程度のヤング率となることがある。
以上の滑り支承部2において、滑り部材21、相手部材22および潤滑剤の条件を次の表1のように設定した試験体(実施例1〜4)を製作するとともに、相手部材22の表面の条件が異なる試験体(比較例1,2)を製作し、等速交番繰り返し載荷試験を実施した。
ここで、実施例1〜4および比較例1,2の各試験体において、滑り部材21は、充填材入り四フッ化エチレン樹脂製であり、直径寸法φが100mmで厚さ寸法が4mmの円盤状に形成された滑り部材本体24を有して構成され、滑り部材本体24のヤング率は、600MPa である。また、実施例1〜4の試験体において、相手部材22は、鋼板からなる相手部材本体26の表面にエポキシ系塗料を吹き付け塗装した皮膜27を有して構成され、その皮膜27の塗膜厚が250μmであり、皮膜27のヤング率は、5GPa である。そして、皮膜27表面(第2摺接面28)の最大高さRz (JIS B0601-2001/ISO 4287)を測定したところ、基準長が0.8mmの場合にRz が4.86μmであり、基準長が2.5mmの場合にRz が9.7μmであり、基準長が8mmの場合にRz が30.8μmであった。
実施例1では、潤滑剤として稠度(JIS K2220 / ISO 2137, ISO 2176,及びISO11009に準ずる)が約260のシリコーングリースを用い、滑り部材21と相手部材22との面圧は、10MPa とした。
実施例2では、潤滑剤として稠度(JIS K2220 / ISO 2137, ISO 2176,及びISO11009に準ずる)が約260のシリコーングリースを用い、滑り部材21と相手部材22との面圧は、20MPa とした。
実施例3では、潤滑剤として稠度(JIS K2220 / ISO 2137, ISO 2176,及びISO11009に準ずる)が約260のシリコーングリースを用い、滑り部材21と相手部材22との面圧は、40MPa とした。
実施例4では、潤滑剤として動粘度が1000cSt (25℃)のシリコーンオイルを用い、滑り部材21と相手部材22との面圧は、20MPa とした。
稠度とは、25℃で稠度計に取り付けた円錐を、つぼに満たした試料(潤滑剤)に落下させ、5秒間後の進入した深さであり、単位をmmとする。
動粘度とは、液体が重力の作用で流動するときの抵抗の大きさをいう。本発明で動粘度は、25℃における液体の粘度(cP)を、密度(g/mm3)で除した値をいい、その単位はcSt(又はmm2/s)である。
また、比較例2において、相手部材の表面には、膜厚が30μmの四フッ化エチレン焼付け皮膜を形成し、その表面の最大高さRz は、24μmであった。さらに、比較例2では、潤滑剤として稠度 (JIS K2220/ ISO 2137, ISO 2176,及びISO11009に準ずる)が約260のシリコーングリースを用い、滑り部材21と相手部材22との面圧は、20MPa とした。
以上の各試験体において、等速交番繰り返し載荷試験は、試験速度が10mm/s、振幅が±100mmの条件で実施した。
等速交番繰り返し載荷試験とは、滑り部材21と相手部材22との間の面圧が表1に示す各面圧値となるように荷重をかけた後、速度10mm/s、振幅±100mm、時間−変位関係が所定サイクル数の山型波となるよう、交番載荷を行う試験である。
また、実施例2における水平変位量と摩擦係数との関係を図2A及び図2Bに示す。図2Aに示す1サイクル目の履歴ループと、図2Bに示す250サイクル目の履歴ループとで水平変位量と摩擦係数との関係に差異が見られない。すなわち、交番繰り返し回数250サイクルまで、潤滑剤の流出が起きることなく安定した低摩擦状態が維持されることが確認できた。
ここで、算術平均高さ(Ra)とは、基準長さ(lr)における、輪郭曲線の高さ(縦座標値(Zx))の絶対値の平均を示す。
第2実験例では、滑り部材21の滑り部材本体24として、第1実験例と同様に、ヤング率が600MPa の充填材入り四フッ化エチレン樹脂製の、直径寸法φを600mmとし、厚さ寸法を4mmとした円盤状の滑り部材本体24を用いた。また、相手部材22として、第1実験例と同様に、鋼板の表面にエポキシ系塗料を吹き付け塗装した皮膜27を形成したものを用い、この皮膜27の塗膜厚は、250μmであり、皮膜27のヤング率は、5GPa である。そして、皮膜27表面(第2摺接面28)の最大高さRz (JIS B0601-2001/ISO 4287)を測定したところ、表3に示すように、基準長が0.8mmの場合にRz が10.2μmであり、基準長が2.5mmの場合にRz が18.5μmであり、基準長が8mmの場合にRz が39.2μmであった。また、潤滑剤としては、稠度(JIS K2220 / ISO 2137, ISO 2176,及びISO11009に準ずる)が約260のシリコーングリースを用いた。また、各実施例5〜7における、滑り部材21と相手部材22との面圧は、それぞれ、5MPa 、20MPa 、40MPa 、の3種類とした。そして、載荷試験は、正弦波交番繰り返し載荷で行い、その試験最大速度が400mm/s、振幅が±200mmの条件で実施した。
正弦波交番繰り返し載荷による載荷試験は、滑り部材21と相手部材22との間の面圧が表2に示す各面圧値となるように荷重をかけた後、最大速度400mm/s、時間−変位関係が所定サイクル数の正弦波となるよう交番載荷を行う試験である。
また、面圧が20MPa の場合(実施例6)における水平変位量と摩擦係数との関係を図3A及び図3Bに示す。図3Aに示す1サイクル目の履歴ループと、図3Bに示す50サイクル目の履歴ループとで水平変位量と摩擦係数との関係に差異が見られない。すなわち、試験速度が高い場合であっても、交番繰り返し回数50サイクルまで、潤滑剤の流出が起きることなく安定した低摩擦状態が維持されることが確認できた。
例えば、滑り部材本体24が、ほぼ方形など円盤状以外の形をとる場合。滑り部材本体24が、凹部を持たない平板状の保持部23に直接、接着により固定される場合。または、滑り部材本体24が、下方に開口した凹部を持つ保持部23に、接着以外の方法たとえば、嵌め込み等機械的な接合、あるいは溶着により固定される場合など。
また、例えば、前記実施形態では、相手部材本体26は鋼製としたが、鋼材以外の金属または樹脂類であってもよい。
また、例えば、図1で示される前記実施形態、及び図6の免震装置1では、相手部材本体26は、基礎Fの表面に埋め込まれているが、基礎Fの上、または表面に鋼材等による平板状の受け部材を設置し、この受け部材上面にボルト、溶接等の方法を用いて固定してもよい。あるいは図7の免震装置1で示すように、相手部材26を基礎Fの上面に直接設置しボルト等で固定してもよい。
また、例えば、前記実施形態では、滑り部材21を上部構造S側である上側に設け、相手部材22を基礎F側である下側に設けたが、これに限らず、滑り部材21を下側に設け、相手部材22を上側に設けて互いに相対させて配置してもよい。
また、前記実施形態では、滑り部材21の上部に積層ゴム支承部3を直列に連結した免震装置1について説明したが、免震装置としては、相手部材26の下部に積層ゴム支承部3を直列に配置してもよい。また、積層ゴム支承部3が省略されたものでもよい。即ち、図6及び7に示すとおり、滑り支承部2が直接上部構造Sと接続しており、基礎Fと、滑り支承部2と、基礎Fとが上下に直列に連結されていてもよい。
例えば、本発明の免震装置1では、図6に示すとおり、滑り部材21の第1摺接面25が凸状の曲率を有する曲面で構成され、相手部材22の第2摺接面28が凹状の曲率を有した曲面で構成されていてもよい。また、例えば、本発明の免震装置1では、図7に示すとおり、滑り部材21の第1摺接面25が凹状の曲率を有する曲面で構成され、相手部材22の第2摺接面28が凸状の曲率を有した曲面で構成されていてもよい。
また、本発明の支承装置で支持する対象物は、建物などの免震構造物に限らず、土木構造物や工作物、機械基礎などであってもよく、支承装置による振動入力の低減が期待できるものであれば、特に対象が限定されるものではない。
また、本装置の配置方向は水平に限定されるものではなく、低減させたい振動の方向に対して滑動方向が概平行であればよい。すなわち、例えば、機械振動での鉛直除震で使用する場合などが例示できる。
従って、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。
Claims (9)
- 相対して設けられる第1部材と第2部材とを備え、当該第2部材の表面に沿って第1部材が滑動可能に構成された滑り構造であって、
前記第1部材において、前記第2部材と摺接する第1摺接面は、所定のヤング率を有する合成樹脂材料から構成され、
前記第2部材において、前記第1摺接面と摺接する第2摺接面は、前記第1摺接面のヤング率に対して2倍以上のヤング率を有する弾性体から構成されるとともに、最大高さ(Rz )が3μm以上の凹凸を有して形成され、当該第2摺接面には、潤滑剤が塗布されている滑り構造。 - 請求項1に記載の滑り構造において、
前記第2摺接面の凹凸は、最大高さ(Rz )が70μm以下である滑り構造。 - 請求項1または請求項2に記載の滑り構造において、
前記第1摺接面は、自己潤滑性を有する合成樹脂材料から構成されている滑り構造。 - 請求項1から請求項3のいずれかに記載の滑り構造において、
前記第2摺接面は、厚さが40μm以上の合成樹脂材料から構成されている滑り構造。 - 請求項1から請求項4のいずれかに記載の滑り構造を備えた支承装置であって、
前記第1部材の第1摺接面および前記第2部材の第2摺接面がそれぞれ平面で構成される支承装置。 - 請求項1から請求項4のいずれかに記載の滑り構造を備えた支承装置であって、
前記第1部材の第1摺接面が凸状の曲率を有し前記第2部材の第2摺接面が凹状の曲率を有したそれぞれ曲面で構成される支承装置。 - 請求項1から請求項4のいずれかに記載の滑り構造を備えた支承装置であって、
前記第1部材の第1摺接面が凹状の曲率を有し前記第2部材の第2摺接面が凸状の曲率を有したそれぞれ曲面で構成される支承装置。 - 請求項5から請求項7のいずれかに記載の支承装置において、
前記第1部材または第2部材と直列に積層ゴム装置が連結される支承装置。 - 請求項5から請求項8のいずれかに記載の支承装置で上部構造からの荷重が支持された免震構造物。
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