●特集/建 物用免震積層 ゴム
天 然 ゴム系 免震 積 層 ゴム
西
表1天
1.ま
え
が
川
一
郎*
然 ゴ ム材 料 配 合例1)
き
ビル 建 物 に使 用 され る免 震積 層 ゴ ム は,常 時,
大 荷 重 を支 持 す るた め,ク リー プ を起 こ しず らい
天 然 ゴム を主 成 分 とす る ゴム 材 料 が 使 用 され て い
る.そ の 中 で も,い わ ゆ る 天 然 ゴム 系 積 層 ゴ ム
は,ゴ ム 成 分 と して 天 然 ゴム の み を使 用 して い る
の で,減 衰 の ほ とん ど な い線 形 の荷 重 一変 位 曲 線
を示 し,振 動 数 や 振 幅 な どの 変 化 に伴 う剛 性 変 化
用 さ れ て い る天 然 ゴ ム系 材 料 に 比 較 して,天 然 ゴ
も小 さ く,そ の性 能 が 明 解 で あ る.地 震 動 を減 衰
ム の 比率 が 多 く,ゴ ム状 弾 性 を生 か した 配合 に な
っ て い る.一 般 的 に 天 然 ゴム 系 材 料 の場 合,図1
す るダ ンパ ー 機 能 と し て別 置 き型 ダ ン パ ー を使 用
して い るの で,免 震 部 材 の組 合 せ,配 置 な ど に 自
由度 が あ り,し た が っ て,性 能 の よ い免 震 構 造 の
か ら も明 らか な よ う に,柔 らか い 材 料 ほ どハ ー ド
ニ ン グが 生 じる ひ ず みが 大 き くな り,更 に破 断 ひ
設 計 が 可 能 と な る.な
ず み も増加 す る傾 向 に あ る.同
お,免 震 の 分 野 で はSI単
位 よ り従 来 のCgS単 位 が 一 般 的 に使 用 され て い る
め で本 稿 で もそ れ に な ら う.
2.特
徴
じ形 状 の積 層 ゴ ム
の ゴ ム材 料 を使 用 した場 合,積
層 ゴム の圧 縮 せ ん 断 時 の 荷 重 一ひ ず み の 関 係 も ゴ
ム 材 料 の 応 カ ーひず み の 関 係 と同 様 な傾 向 を示 す.
した が って 柔 らか い 材 料 を使 用 し た ほ うが,性 能
硬 い鋼 板 と柔 らか い ゴ ム材 料 を 多層 積 層 し,加
硫成 型 した 免 震 積 層 ゴム は,高 い 鉛 直 剛性 と低 い
水 平 剛性 を兼 ね 備 え,そ
に 図1に 示 す2種
の結 果,長 期 に わ た り大
荷 重 を支 持 し,地 震 時 に は柔 らか く変 形 す る.し
たが っ て,よ り安 定 で効 果 的 な積 層 ゴ ム を得 る に
的 に 優 れ た 積 層 ゴ ム が 得 ら れ る.図2に
JISA硬
示 す.環
表1の
度40材 料 の せ ん 断 応 力 の 温 度 依 存 性 を
境 温 度 に よ っ て積 層 ゴ ム の 水 平 剛 性 が 大
き く変 わ って し ま う と,地 震 時 の積 層 ゴ ム の 性 能
が 変 る可 能 性 が あ り好 ま し くな い.配 合 的 に,こ
は,後 述 す る構 造 お よび ゴ ム 材料 の 適 切 な選 定 が
重 要 と な る.特 に ゴ ム 材 料 に つ い て は,柔
らか
く,か つ ク リー プ が 生 じに くい ゴム 状 弾性 に 富 む
材 料 の選 定 が 重 要 で あ り,こ の 点 か ら,天 然 ゴム
が 最 適 な 材 料 と して使 用 さ れ て い る.表1に
免震
積 層 ゴ ム に使 用 され て い る天 然 ゴム 系 材 料 の 配 合
例 を,図1に
その ゴム材料 の 引張試 験 時の 応カ ー
ひず み 曲 線 を示 す.防 振 ゴ ム な どの 他 の用 途 に 使
(51)
*昭 和 電 線 電 績 株 式 会 社(〒229‑
11神 奈 川 県 相 模 原 市 南 橋 本4‑1‑
1),成 型 除 振 部 次 長.
昭和44年 早 稲 田大 学理 工 学 部 応用
化 学 科 卒 業,同 年 昭和 電 線 電縄 ㈱
入社,放 射 線 化 学 難燃 材 料,免 震
用積 層 ゴム の 開 発 を手 が け 現在 に
至 る.
435
日本 ゴ ム協会 誌
天 然 ゴ ム系 免震 積 層 ゴム
図1引
張 試 験 時の 応 カ ーひず み 曲 線1)
図2せ
図3天
然 ゴ ム系 免震 積 層 ゴム の圧 縮せ ん 断時 履 歴 曲線2)
ん 断 応力 の温 度依 存性1)
7)点 に 留 意 し た 天 然 ゴ ム 系 材 料 の 場 合,一
LO〜40℃ 程 度 の 環 境 温 度 変 化 に対 して は,積 層 ゴ
ムの水 平 剛 性 と関 連 す る ゴム 材 料 のせ ん 断 応 力 の
図4圧
縮 試験 にお け る履 歴 曲 線2)
表2ダ
ンパ ー の分 類2)
変動 は 小 さ い.免 震 積 層 ゴ ム に適 した 天 然 ゴ ム 材
料の 特 性 を最 大 限 に生 か し た配 合 を選 定 し,適 切
な構 造 お よ び加 硫 条 件 と組 み 合 せ る こ とに よ り,
憂れ た 天 然 ゴム 系 積 層 ゴム が 得 られ る.
3.基
本
性
能
ビル 建 物 用 途 に お い て,免 震 積 層 ゴム は,常 時
面圧100kgf/cm2程
度 で 大 荷 重 の 建 物 を安 定 に
支持 し,か つ 大 地 震 時,柔 らか く動 くこ とに よ っ
て衝 撃 的 な地 震 動 を一 定 な ゆ るや か な変 形 に変 え
436
る性 能 が 要 求 され る.図3お
よ び 図4に 天 然 ゴ ム
系 免 震 積 層 ゴム の 圧 縮 せ ん 断 試 験時 お よび 圧 縮 試
(52)
ー
西
第8号(1997)
ー
﹂
第70巻
郎
験 時 の 履 歴 曲 線例 を示 す.両 履 歴 曲 線 と も応 力 と
変 位 が ほ ぼ 比例 関 係 に あ る線 形 な履 歴 を示 す.
こ の 線 形 な 領 域 の 傾 き よ り水 平 剛 性(kH)と 鉛
直 剛 性(kv)が
求 め ら れ る.直 径50〜120cm程
度 の 実 大 積 層 ゴ ム で は,鉛 直 剛 性 は 数 千ton/
cm,一
方,水 平 剛 性 は 数ton/cmと,水
平剛性
は 鉛 直 剛 性 の1/1000程
度 で あ る.な お,履 歴 曲
線 内 の 面 積 が,ほ ぼ 等 価 減 衰 定 数(keq)に 相 当 す
るが,1〜2%程
度 と非 常 に 小 さ く,し た が っ
て,地 震 動 を減 衰 させ るた め に,別 置 き ダ ン パ ー
が併 用 さ れ る.ダ ンパ ー の 役 割 は,地 震 時,エ ネ
ル ギー 消 費 に よ っ て,免 震 積 層 ゴ ム の 過 大 な変 位
を抑 え る こ とに あ る.表2に
実 用 化 され て い る ダ
ンパ ー の分 類 を示 す.一 般 的 に は 弾塑 性 履 歴 型 の
鋼 材 お よ び鉛 ダ ン パ ー そ して 摩 擦 ダ ン パ ー(滑 り
支 承)が 使 用 さ れ て い る例 が 多 い.
4.限
界
性
能
免 震 構 造 設 計 の 際,暫 定 的 に定 め た 設 計 地 震 力
に 対 し,免 震 積 層 ゴ ム の鉛 直 お よ び水 平 方 向 の 応
力 お よ び変 位 を安 定 な線 形領 域 内 に 抑 え る よ うに
積 層 ゴ ムサ イ ズ な ど を選 定 し て い る例 が 多 い.し
か し,地 震 動 に 不 明 な 点 が 多 く,し た が っ て積 層
ゴム に つ い て 設 計 に使 用 され た水 平 変 形 量 な どの
図5天
4.2引
然 ゴ ム系 積 層 ゴム の圧 壊 実験3)
張特性
建 物 構 造 に よ っ て は,地 震 時,軸 力変 動 に よ っ
て上 部 構 造 に 引 張 力 が 発 生 す る可 能 性 も考 え られ
る.図6に
天 然 ゴ ム 系 積 層 ゴム を単 調 に 引 張 破 断
特 性 値 に対 し,破 断 な どの 限 界 性 能 が どの 程 度 の
余 裕 度 を有 す るか を,明 らか に して お く必 要 が あ
させ た と き と,オ フ セ ッ トせ ん 断 ひ ず み200%を
る.以 下,い
特 性 を示 す.単 調 引 張 を与 え た 場 合,引 張 ひ ず み
10%程 度 の小 ひ ず み 領 域 で は,引 張 応 力20kgf/
cm2未 満 ま で 線 形 な 弾 性 的 挙 動 を 示 し,20kgf/
くつ か の 限 界 性 能 につ い て 安 全 余 裕
度 とい う観 点 か ら紹 介 す る.
4.1圧
縮特性
免 震 積 層 ゴ ムが ど の程 度 の 圧 縮 力 に 耐 え る か を
確 認 し た動 的圧 縮 破 壊 実 験 結 果 を 図5に 示 す.試
験 体 は 直 径50cmの
鋼 板 露 出 型天 然 ゴム系 免震
積 層 ゴ ム で あ る.圧 縮 応 力1000kgf/cm2程
度ま
で は,ほ ぼ 線 形挙 動 を示 し,そ の 後,積
層 ゴムに
座 屈 傾 向 を示 す 曲 げ が 生 じ,圧 縮 応 力1500kgf/
cm2程 度 で せ ん 断破 断 を生 じた.現 状 積 層 ゴ ム は
長 期 面 圧 で 最:大100〜150kgf/cm2程
れ て お り,圧 縮 破 断 応 力 の1/10程
度 で使 用 さ
度 の領 域 で,
与え た 状 態 で 引 張 方 向 に単 調 載 荷 した場 合 の履 歴
cm2以
上 で降 伏 点 が 現 れ,そ
の 後 は,引 張 ひ ず み
が 増 加 し て も応 力 の 増 加 は わ ず か で,300%程
の ひ ず み で破 断 に 至 る.降 伏 後 の 領 域 で は,ゴ
層 内部 で は,ボ
度
ム
イ ドが 多数 発 生 し,そ れ が 次 第 に
大 き くな り破 断 に 至 る.破 断 面 に は 多数 の ボ イ ド
が 生 じて い る.オ フ セ ッ ト変 形 を与 え た 状 態 で 降
伏 点 を越 え て 引 張 変 形 を与 え た 後,除 荷 す る と,
除 荷 曲 線 は大 きな 履 歴 面 積 を描 き,初 期 状 態 に戻
実 用 の 長 期 面 圧 に対 し充 分 な余 裕 度 を有 す る とい
る.ボ イ ドが 発 生 し,除 荷 後,ボ イ ドが 縮 小 して
い る状 況 と考 え る.積 層 ゴ ム に 引 張 力 が 作 用 した
え る.こ の 結 果 が 報 告 さ れ た後,1天
場 合,完
然 ゴムの よ
全 破 断 ま で は相 当 な ひ ず み 量 が期 待 で き
うな 柔 らか い材 料 を使 用 した積 層 ゴ ム が 重 い建 物
を支 持 で き る の かP」 とい う不安 は解 消 され た よ
るが,ボ イ ド発 生 を考 えれ ば,引 張 軸 力 は 作 用 さ
せ な い ほ うが 好 ま し く,作 用 す る場 合 で も,引 張
うに 思 わ れ る.な お,本 試 験 は 形 状 的 に安 定 とい
わ れ て い る2次 形 状 係 数(S、)=5の
積 層 ゴム に
応 力 で20kgf/cm2程
う.
度 以 下 に 抑 え るべ き で あ ろ
対 して実 施 され た もの で あ る.
(53
437
天 然 ゴム系 免 震積 層 ゴム
日本 ゴム協 会 誌
状 を示 す.通 常,免
震 構造 設 計 時 の応 答 変位 を線
形 領 域 内 に 抑 え る 場 合 が ほ と ん ど で,そ れ に 対
し,一 般 に 免 震 積 層 ゴ ム の 線 形 領 域 は200〜300
%程 度,そ
の 後,ハ
ー ドニ ン グ を示 し,400%程
度 で破 断 に至 る と認 め られ)(い る.
5.耐
久
性
免 震 積 層 ゴム は 建 物 寿 命 に 相 当す る長 い年 月,
上 部 構 造 を安 定 に 支 持 し,か つ 免 震 性 能 を維 持 す
る こ とが 必 要 で あ る.建 築 用 免 震 部 材 と して天 然
ゴム 系 免 震 積 層 ゴ ム の 国 内使 用 実 績 は ほ ぼ10年
図6引
張大 変 形 試験 での 履 歴特 性4)
程 に な る が,当 初 は,免 震 積 層 ゴ ム が建 物 の基 礎
又 は 柱 に相 当 す る重 要 構 造 部 材 と して使 用 さ れ る
こ と もあ り,そ の 耐 久 性 に つ い て は 不安 が もた れ
て い たが,天
4.3圧
縮せ ん断特性
然 ゴ ム の 免 震 部 材 な どへ の 国 内外 に
免 震 積 層 ゴム に圧 縮 せ ん 断変 形 を与 え た とき の
お け る使 用 実 績 お よ び最 近 の 調 査 研 究 に よ っ て優
れ た耐 久 性 を有 す る こ とが 確 認 され つ つ あ る。 こ
艮界 性 能 と し て,通 常 二 っ の傾 向 が 考 え られ て い
る.02が5程
度 の比較 的安 定形状 の積 層 ゴム で
こ で は耐 久 性 に 関 し,最 も重 要 な 経 年 変 化 と ク リ
ー プ 特 性 に つ い て の現 況 を紹 介 す る.
は ハ ー ドニ ン グ 現 象 を 経 過 し て 破 断 を生 じ,一
方,S2が4以
下 の 比較 的 不 安 定 形 状 の積 層 ゴ ム
で は ハ ー ドニ ン グ現 象 を生 じず,履 歴 曲 線 が 負 の
5.1経
年変化
天 然 ゴム は そ の分 子構 造 か ら考 え,他 の合 成 ゴ
ム な どに 比較 し て酸 素 な どの 影 響 で 化 学 変 化 を生
傾 向 を不 す座 屈 現 象 を生 じ る可 能 性 もあ る.こ こ
じや す い材 料 で あ る.輪 ゴ ム な どが 比 較 的 短 い 時
で は,安 定 形 状 の積 層 ゴ ム に 対 す る圧 縮 せ ん 断 破
間 で劣 化 して し ま う こ とか ら も明 らか で あ る.し
か し,積 層 ゴ ム の場 合,劣 化 に対 し い くつ か の 有
壊 実 験 結 果 を 図7に 示 す.1次
形 状(S1)の 異 る
2種 の 積 層 ゴ ム に 対 す る結 果 を示 して い る.積 層
ゴム の 破 断 ま で の 履 歴 形 状 は,一 般 的 に,せ ん 断
ひ ず み の 増 加 に伴 い,せ ん 断 応 力 度 が 比例 して増
加 す る線 形 領 域 が 存 在 し,そ の 後,せ ん 断 ひず み
に 対 す るせ ん 断 応 力 の 増 加 率 が 徐 々 に 大 き くな る
ハ ー ドニ ン グ域 を経 過 して最 終 的 に破 断 に 至 る形
利 な点 が あ げ ら れ る.ま ず ゴ ム 材料 と して カ ー ボ
'/ブ ラ ッ クや 酸 化 防 止 剤 の 添 加 に よ り劣 化 を起 こ
しず らい 配合 を使 用 して い る こ と,構 造 的 に 酸 素
の 影 響 を受 け ず らい 大 容 積 の部 材 で あ り,更 に 劣
化 防止 用 の保 護 ゴ ム が 被 覆 さ れ て い る こ とな どが
あ げ られ る.経 年 変 化 に関 す る調査 研 究 は 以 下 の
二 っ の 方 向 か ら行 わ れ て きた.ま ず,天 然 ゴム の
高 分 子 材 料 と して の 最 も長 い使 用 実 績 か ら,相 当
年 月 の 間使 用 さ れ て い た製 品 に 関 す る詳 細 な 調 査
結 果 で あ る.例 え ば,オ ー ス トラ リア の メル ボ ル
ン市 内 の鉄 道 高 架 橋 に100年 近 く使 用 さ れ て い た
天 然 ゴ ム 系 材 料 の 防 振 ゴ ム パ ッ ド7)そ し て40年
近 く使 用 され て い た英 国 のPelhamBridgeの
天
然 ゴム 系 積 層 ゴ ム支 承8)な ど に 関 す る調 査 結 果 が
あ げ られ る.い ず れ の 調 査 結 果 で も,酸 化 劣 化 に
よ る大 き な 物 性 変 化 は 表 面 の5〜10mm程
度に
限 られ,内 部 は ほ とん ど変 化 して い な い こ とが 報
図7
438
天然 ゴ ム系 積 層 ゴム の圧 縮せ ん断 破壊 実 験5)
告 され て い る.ま た,長 期 の 経 年 変 化 を推 定 す る
た め に ア レ ニ ウ ス プ ロ ッ トに よ っ て求 め た 活 性 化
エ ネ ル ギー を使 用 し て積 層 ゴム に対 す る加 熱 促 進
(54)
第70巻
第8号(1997)
西
川
劣 化 を行 い性 能 変 化 を確 認 して い る.活 性 化 エ ネ
ル ギー を求 め るた め の 厚 肉 ゴム ブ ロ ッ クに よ る促
一一
郎
の 別 置 き試 験 体 が 設 置 さ れ て お り,設 置 後,10
限 られ る こ とが 確 認 され て い る9).こ れ ら の 調 査
年 程 を経 過 した もの もで て き て い る.こ れ ら別 置
き試 験 体 の 評 価 に よ っ て積 層 ゴ ム の 性 能 変 化 を ど
の程 度考 慮 す れ ば よ い か は よ り明 ら か に な る で あ
研 究 よ り積 層 ゴム が 経 年 変 化 に よ って 支 持 機 能 に
ろ う.
進 熱 劣 化 で も,酸 化 劣 化 を起 こす の は 表 面 部 分 に
影 響 を与 え る よ うな重 大 な 損 傷 を生 じる こ とは あ
りえ な い こ とが わか る.し か し,こ の 表 面 部 分 の
物 性 変 化 が 水 平 剛 性 の 増加 や 破 断 な ど の 限 界 性 能
に影 響 を与 え る こ とが確 認 さ れ て お り,水 平 剛 性
で10〜20%程
度 の 増 加 が 生 じ る こ とが 報 告 され
5.2ク
リー プ特 性
ク リー プ とは ゴ ム材 料 に加 わ る圧 縮 や 伸 長 に よ
り永 久 的 な 塑 性 変 形 が 生 じ る現 象 で あ る.免 震 積
層 ゴム に使 用 さ れ て い る天 然 ゴ ム材 料 は 非常 に ゴ
ム 状 弾 性 に優 れ ク リー プ を起 こ しず ら い材 料 で は
て い る.現 在,建 物 用 免 震 積 層 ゴ ム につ い て は維
あ るが,1〜2%の
持 管理 の 一 環 と して,実 際 の免 震 層 な どに 相 当数
は な い.建 物 の大 荷 重 を安 定 して支 持 す る とい う
図8天
(55)
減 衰 を も ち,完 全 な 弾 性体 で
然 ゴム 系 積 層 ゴ ム の ク リー プ 試 験 結 果6)
439
日本 ゴム協 会 誌
天 然 ゴム系 免 震積 層 ゴム
役 割 か ら考 え,そ の 耐 ク リー フ牲 は 充分 に評 価 し
て お く必 要 が あ る.耐 ク リー プ 性 の評 価 と して,
実 大 又 は 縮 小 体 の 積 層 ゴム に 実 際 に使 用 さ れ る面
圧 以 上 の 荷 重 を載 荷 し,鉛 直 の 変 位 を経 時 的 に 追
う方 法 が あ る.年 間 を通 して 変 位 を追 っ た場 合,
外 気 温 度 変 化 に よ る積 層 ゴム の 膨 脹,収 縮 に よ り
鉛 直変 位 が 変 るが,こ の 変 化 に対 して は温 度 補 正
を行 い,1〜2年
ほ どの ク リー プ 量 を外 挿 して建
物 寿 命 に相 当 す る長 い年 月 後 の ク リー プ 量 を推 定
して い る.そ の 結 果,100年
後 で ク リー プ 量 は1
〜2mm程
度 で あ ろ う と い わ れ て い る.そ の 結
の場・
合の ク リー プ 量 も数mm程
度 と報 告 され て
い る10).ま た,天 然 ゴム の よ うに ク リー プ の起 こ
りず ら い材 料 を使 用 した 積 層 ゴム で は1次 形 状 係
数(S、)と 関 連 す る鉛 直 剛 性 が 大 き い ほ うが ク リ
ー プ を起 こ しず ら い とい う報 告 もあ る4).い ず れ
の 報 告 で も,建 物 寿 命 に 相 当す る長 時 間後 の ク リ
ー プ 量 は 数mm程
度 と推 定 さ れ て お り,実 用 上
り大 き な地 震
効 果 に 差 が あ る こ と な どが 明 らか に な り,ま た,
最 近 の 性 能 設 計 的 な指 向 も相 ま っ て,よ り効 果 的
な免 震 構 造 を とい う考 え が 強 くな っ て い る.そ れ
を具 体 化 す る方 法 と して長 周期 免 震 とい う方 向 が
あ り,ほ とん どの 地 震 に効 果 的 な周 期4秒 免 震 と
い う考 え もで て きて い る.免 震 構 造 の 固有 周 期 は
ダ ンパ ー の 剛性 を無 視 した場 合(1)式
に よ り与
え られ る.
T∫=2π 〉砿
蚕≒2πDσS2G・g(1)
Tf:積
層 ゴム の 水 平 剛 性 に 基 づ く建 物 の 固有
W 臨 9 D σG 亀
果 を図8に 示 す.ま た,評 価 時 間 を短 縮 す る意 味
で,温 度 加 速 を して い る例 も報 告 され て い る.こ
し,阪 神 ・淡 路 大 震 災 に よ っ て,よ
が 通 常 起 こ り う る こ と,そ して 免 震 構 造 で もそ の
周期
:建 物 総 重 量
:積 層 ゴム の水 平 剛 性
重 力加 速 度
二積 層 ゴム 直 径
:積 層 ゴム の面 圧
:ゴ ム 材 料 せ ん 断 弾 性 率
:積 層 ゴム2次 形 状 係 数(D/ゴ
ム総 厚)
問題 に な る レベ ル で は な い と考 え る.
現 在 の と こ ろ,経 年 変 化 や 耐 ク リー プ性 に つ い
て,こ
れ まで の 調 査,研
究 よ り建 物 の支 持 性 能 に
影 響 す る よ う な大 きな 変 化 は生 じ な い で あ ろ う と
い う こ とが 推 測 され て い る が,実 際 に免 震 建藻 に
天 然 ゴム 系 免 震 積 層 ゴム が 使 用 さ れ 始 め10年
ほ
どが 経 過 した に す ぎ な い.今 後 の 維 持 管 理 作 業 お
図9積
層 ゴ ム特性 に影 響 を与 え る と思 われ る要 因
よび 別 置 き試 験 体 評 価 に よ っ て,天 然 ゴ ム 系 免 震
積 層 ゴ ム が,建 物 を安 定 に支 持 し,免 震 性 能 が 大
き く変 化 し な い こ とが 実 証 され る こ とが期 待 され
(1)式 よ り,長 周 期 化 を達 成 す る 方 向 と して,
積 層 ブム に 関 し,高 面圧 で の 使 用,ゴ ム材 料 の低
る.
6.積
層 ゴ ム性 能 に影 響 す る要 因
弾 性 化,そ
柔 らか い ゴ ム材 料 と硬 い鋼 板 とい う性 質 の 異 っ
た 材 料 を組 合 せ た 結 果,高 い鉛 直 剛 性 と低 い 水 平
剛 性,そ して 安 定 し た圧 縮 せ ん 断 特 性 を兼 ね 備 え
た免 震 積 層 ゴ ム は,使 用 す る ゴム 材 料 ど構 造 の違
いに よっ て その性能 が変 化 す る こ とが推 測 され
る.図9に
積 層 ゴム 性 能 に影 響 す る と思 わ れ る要
因 を示 す.従 来,天
然 ゴム 系 免 震 積 層 ゴム は 多 田
他 の詳 細 な 解 析 お よ び検 証 実 験 を も とに,2次
形
状 係 数(S2)が5程
度 の安 定 形状 の積 層 ゴム を
面 圧100kgf/cm2以
下 で 使 用 し,50kine程
度の
地 震 動 へ の 対 応 を考 え る とい う,積 層 ゴム に とっ
て,比 較 的 余 裕 の あ る使 わ れ 方 を して い た.し
440
か
してS2を
小 さ くす る こ とな どが あ げ
られ る.こ の 方 向 に対 し,よ
り性 能 的 に安 定 し た
積 層 ゴム を選 定 して い くため に,従 来 は あ ま り問
題 に して い なか っ た ゴム 材 料 お よび 積 層 ゴム の 構
造 と積 層 ゴム 性 能 の 関 連 を十 分 に 把 握 して お く必
要 が あ る.以 下,こ れ らの 関 連 に 関 し,現 在 得 ら
れ て い る知 見 を紹 介 す る.
6.11次
形状 係 数(S1)
積 層 ゴム 端 部 の 自由 面 積 に対 す る積 層 部 に相 当
す る拘 束 面 積 の 比 率 で あ るS1は 積 層 ゴ ム の 鉛 直
お よび 曲 げ 剛 性 に 関 連 す る.前 述 の ク リー プ 特 性
や 図7に 示 した 高 面圧 化 で の圧 縮 せ ん 断 時破 断 性
能 に加 えて,圧 縮 せ ん 断 時 の水 平 剛 性 の 面圧 依 存
(56)
ー
ー
,
第70巻
西
第8号(1997)
郎
6.4積
層 ゴ ム端 部 形 状
天 然 ゴ ム系 免 震 積 層 ゴム の端 部 形 状 と して,鋼
板 端 部 に保 護 ゴム が 被 覆 され て い る通 称 被 覆 型 と
鋼 板 端 部 が フ リー な通 称 鋼 板 露 出 型 が 存 在 す る. ,
こ の両 者 の差 と して 被 覆 型 の ほ うが 圧 絆 せ ん 断 時
の 圧 縮 応 力 度 の 増 加 に伴 う水 平 剛 性 の低 下 が 大 き
く,特 に せ ん 断 ひ ず み が 大 き い と き,顕 著 で あ
り,ま た,そ
の 際 の 積 層 ゴム の鉛 直 沈 み 込 み 変 位
性 がS1が 小 さ い ほ う が 大 き く な る とい う報 告 が
も大 き い との 報 告 もあ る が5),そ の 理 由 は ま だ 明
らか に され て い な い.
6.5ゴ
ム材 料
一 般 に 天 然 ゴ ム 系 材 料 の場 合
,よ り柔 らか い材
料 を使 用 し た ほ うが,積 層 ゴ ム と し て の優 れ た 性
能 を与 えや す く,更 に 周 期 を伸 ば す こ と も可 能 で
あ る5).性 能 お よ び 製 作 面 な ど か ら 考 え て,
20〜30程 度 のS1が 適 当 と考 え られ て い る.
あ る.し か し,前 述 の 構 造 的 要 因 に 関 し,柔 らか
い ゴム 材 料 ほ ど そ れ らの 影 響 を受 け や す い の で ,
図10天
然 ゴ ム 系 積 層 ゴ ム の 圧 縮 せ ん 断 試 験4)
(ゴ ム 厚3.75mm,33層)
6.22次
形状 係 数(S2)
積 層 ゴ ム 直径 と ゴム 総 厚 の 比 率 で あ るS、 は,
主 に積 層 ゴ ム の 座 屈 に 関 連 す る.図10に
比較 的
柔 か い ゴム 材 料 を使 用 したS2=4の
積 層 ゴ ムの
圧 縮 せ ん 断 時 の 履 歴 曲 線 を 示 す.面 圧200kgf/
cm2で
はせ ん 断 ひ ず み200%を
越 え た所 で 明 らか
な座 屈 傾 向 を 示 し て お り,面 圧100kgf/cm2で
も安 定 形 状 の積 層 ゴム に見 られ るハ ー ドニ ン グ 現
象 が 見 られ な い.な お,本 積 層 ゴ ム とS2=5の
み が 異 る 積 層 ゴ ム で は,面 圧200kgf/cm2以
上
で も,ハ ー ドニ ン グ後 破 断 とい う安 定 挙 動 が 見 ら
れ る.
6。3中
間鋼 板 厚 お よ び 中 心 孔 径
構 造 と の 組 み 合 せ を よ り慎 重 に 選 定 す べ き で あ
る.
以 上,天 然 ゴ ム系 積 層 ゴ ム に つ い て,ゴ ム 材 料
お よび 構 造 的要 因 に つ い て,現 在 得 られ て い る知
見 を列 記 した.積 層 ゴム の 性 能 は こ れ ら要 因 の 組
・
合せ に よ っ て決 ま る が ,組 合 せ に よ る複 合 的効 果
ま で,す べ て が わか っ て い るわ け で は な い.既 存
の デ ー タ よ り判 断 で き る天 然 ゴム 系 免 震 積 層 ゴム
性 能 を以 下 に示 す.
100〜150kgf/cm2程
度 の 比 較 的 高 い 面 圧 で,
JISA30〜40程
度 の 柔 ら か い 天 然 ゴ ム 材 料 を使
用 し た積 層 ゴ ム 構 造 と し て,S、=20〜30,S、=
5以 上 が 性 能 的 に安 定 して お り,鋼 板 厚 や鋼 板 の
中 間鋼 板 が 積 層 ゴム に 高 い鉛 直 剛 性 を与 え て い
る こ とは,前 述 の圧 縮 破 壊 実 験 か ら も明 らか で あ
中心 孔 径,更
る.ま た,圧 縮 せ ん 断 時 の 中 間鋼 板 に発 生 す る応
使 用 面 圧 や 積 層 ゴ ム形 状 な どか ら,こ れ よ り厳
しい 使 わ れ 方 をす る場 合 に は,圧 縮 せ ん 断 時 の 履
力 ・ひ ず み に着 目 した解 析 結 果 に よ る と11あ12),鋼
板 が 厚 い ほ うが 発 生 す る応 力 ・ひ ず み と も低 い 値
を示 し,鋼 板 に降 伏 が生 じる変 位 量 も大 き くな る
と報 告 され て い る.こ れ ま で は,3.2mm程
度の
中間 鋼 板 が使 用 され て い る例 が 多 か っ たが,最
は 比 較 的 高 い 面 圧 で使 用 す る 場 合 に4.5mm程
に は積 層 ゴム 端 部 形 状 な ど を考 慮 す
る とよ り安 定 した 性 能 が得 られ る.
歴 特 性 な ど を設 計 者 が 充 分 把 握 して 選 定 す る こ と
が 好 ま しい と考 え る.
7.ま
近
以 上,天
と
め
然 ゴ ム系 免 震 積 層 ゴム に つ い て性 能 お
度 の もの が使 用 され て い る例 が 多 い.ま た,圧 縮
せ ん 断 時,積 層 ゴム は主 に 中 心 の投 影 面 積 部 分 で
よ び 耐 久 性,更 に は性 能 ど構 造 の 関 連 な ど現 状 明
らか に な っ て い る範 囲 で 示 した.性 能 的 に比 較 的
荷 重 を支 え る こ とに な る が,そ こ に大 き な 中心 孔
が 存在 す る こ とは,積 層 ゴ ム 内 に過 大 な 応 力 を発
単 純 明確 な天 然 ゴ ム系 積 層 ゴ ム に つ い て は設 計 者
が 積 層 ゴ ム性 能 を充 分 把 握 して使 用 で き る状 況 に
生 させ る こ とに な る と推 測 され る.中 心 孔 が 大 き
い場 合,圧 縮 せ ん 断 時,中 間鋼 板 に一 部 塑 性 化 が
生 じ る と い う解 析 結 果13)も 報 告 され て い る.
(57)
あ る と考 え る.今 後 更 に よ り効 果 的 な免 震 性 能 を
具 体 化 す る た め に,積 層 ゴ ム に 求 め られ る性 能 も
よ り厳 し くな る 方 向 に あ る.設 計 者 が 安 心 して積
441
天然 ゴム 系免 震 積 層 ゴム
層 ゴ ム を選 択 使 用 で き る よ う に,そ の 性 能 に 関
し,更 な るデ ー タ 蓄積 が 必 要 と考 え る.
参
1)積
考
文
献
層 ゴ ム ア イ ソ レ ー タ 技 術 資 料,昭 和 電 線 電 縄
(1996)
2)免 震構 造 入 門 日本 免 震 構 造協 会(1995)
3)高 山峯 夫,多 田英之 他:積 層 ゴムア イ ソレ「 タの 限界
耐 力 に関 す る実 験研 究 日本建 築 学 会 大会 学 術 講 演梗 概
集(1991)
ン ポ ジ ウ ム 「免震 構造 の研 究 と設 計 」 日本建 築 学 会
4)シ
免 震構 造 小 委 員 会(1996)
生満,鈴 木 政 美,吉 江 慶佑 他:高 面圧 下 にお け る積
5)瓜
層 ゴム ア イ ソ レー タの 実 大 実 験(そ の1〜3),日
本
建 築 学 会 大 会 学術 講 演 梗概 集(1995)
6)高 山峯 夫,森 田慶子,多 田 英之:免 震 構造 用 天 然積 層
ゴム ア イ ソ レー タの ク リー プ試 験,福 岡大 学総 合 研 究
戸
斤≦
藍}箪17n一 要rlqq只 、
7) Yamazaki,
N . , Nakauchi,
H.: Durability
of
Rubber Isolators-Characterization
of a 100Years
日本 ゴム協 会 誌
Used Rubber Bearing, Int. Workshop on Recent
Development in Base-Isolation
Techniques
for
Buildings, (1992)
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Bridge, Proc. of 11 WCEE, MEXICO, (1996)
9) Fujita, T., Ishida, K., Yoshizawa, T., Nishikawa I . , and Muramatsu, Y . , Study for the Prediction of the Long Term Durability of Seismic
Isolators, PVP 310 ASME 197-203 (1995)
10)日
本 免 震 構 造 協 会 季 刊 誌MENSHINN。.
11(1996)
11)高 山峯 夫,多 田英 之他:積 層 ゴム ア イ ソ レー タ 中間鋼
板 の 設 計(そ の2),日
本建築学会大会学術講演梗概
集(1992)
12)高 山峯 夫,多 田英 之他:積 層 ゴム ア イ ソ レー タ 中間鋼
板 の 設 計(そ の3),日
本建築学会大会学術講演梗概
集(1994)
13)高 山峯 夫,多 田英 之他:積 層 ゴム ア イ ソレー タ中 間鋼
板 の 設 計(そ の4),日
集(1994)
本建築学会大会学術講演梗概