(57)【要約】【課題】積層ゴム体の構造本体の設計変更を伴うことがなく、防錆が不要で、緩衝材の破損を招く虞もないゴム座金等を提供する。【解決手段】積層ゴム体１４の取付構造に用いられる座金１であって、座金１は、ゴム材料からなる筒体２の内周面に凹面２ｃを有する。ゴム座金１を積層ゴム体１４の取付構造に用いることで、積層ゴム体１４が水平方向に相対変形した際に生じる回転モーメントによって積層ゴム体１４の端部へ加えられる引張力に対し、ゴム座金１の圧縮方向の変形等で対抗することができ、過大な引張力が積層ゴム体１４に作用することを防止し、積層ゴム体１４と構造物１１の定着部分にも過大な引張力を作用させないようにすることができる。筒体２の両端面に鋼製リング３、４を接着することができる。凹面２ｃにより、筒体２の長さ方向の中央部２ｄの肉厚を最も薄くなるように構成することができ、凹面２ｃを、連続した一つの球面とすることもできる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層ゴム体の取付構造に用いられる座金であって、該座金は、ゴム材料からなる筒体の内周面に凹面を有することを特徴とするゴム座金。
【請求項２】
該ゴム座金の筒体両端面に鋼製リングが接着されることを特徴とする請求項１に記載のゴム座金。
【請求項３】
前記凹面により、該筒体の長さ方向の中央部の肉厚が最も薄くなるように構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のゴム座金。
【請求項４】
前記凹面は、連続した一つの球面であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載のゴム座金。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載のゴム座金を取付構造に用いることを特徴とする積層ゴム支承。
【請求項６】
請求項５に記載の積層ゴム支承で支持されることを特徴とする構造物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、建築構造物における免震構造に用いられる積層ゴム体に用いるゴム座金、並び に該ゴム座金を用いた支承及び構造物に関する。
【背景技術】
【０００２】
建築構造物及び土木構造物の支承取付構造、特に、建築構造物における免震構造に用いられる積層ゴム体、土木構造物における免震構造及び水平力分散構造に用いられる積層ゴム体は、構造上、圧縮方向に大きな耐力を有し、上部構造物の荷重を支持することができるものの、引張方向の耐力は圧縮方向に比べ劣る。
【０００３】
そのため、免震装置としての積層ゴム体の開発初期段階では、積層ゴム体に引張力を作用させず、引張力によって生じる積層ゴム体の損傷や破断を防止するため、積層ゴム体と上部及び下部構造物との取付けをダウエルピンによる連結で行い、設計者を上下方向の引張力の検討から解放していた。
【０００４】
この取付構造は、図１０に示すように、積層ゴム体３４の取付板３６、３７を、構造物３１の基礎等の下部構造物３９に固着されたアンカープレート３５、及び上部構造物４０に固着されたアッパープレート３８に、取付ボルト３２と袋ナット３３とを用いて固定し、大きな水平変形が積層ゴム体３４に作用すると、積層ゴム体３４の上面３４ａと下面３４ｂの水平方向の相対的なずれにより、積層ゴム体３４に回転モーメントが生じ、積層ゴム体３４の取付構造部分に鉛直方向の引き抜き力が生じる。しかし、積層ゴム体３４と、取付板３６、３７に突設されたダウエルピン３５が離反することで、引き抜き力を解放することができ、大きな地震により引き起こされた大きな水平変形であっても、積層ゴム体３４の鉛直方向に過大な引張力が生じない。このため、積層ゴム体３４の損傷や破損を好ましく防止することができ、さらに、上部構造物４０の積層ゴム体３４との取付部分にも過大な入力を作用させないので、上部構造物４０の損傷も防止し得る効果がある。
【０００５】
しかし、上記ダウエルピン式の接合方法においては、ある程度までの水平変形時には、ダウエルピン部分が離反し、支承取付構造部分に鉛直方向の引張力が作用しないものの、離反の程度が予定以上に大きくなると、ダウエルピンが抜け、積層ゴム体自体に変形が生じる虞があった。このような状態になると、積層ゴム体の水平抵抗力が低下し、積層ゴム体が転倒を始める危険性もあるため、ダウエルピンを用いた取付構造を採用する場合には、水平力が低下する変形量を転倒限界（ロールアウト変位）として、積層ゴム体の使用限界を定める必要があった（例えば、非特許文献１参照）。
【０００６】
そのため、積層ゴム体と上部及び下部構造体との連結には、転倒限界を考慮しなくてもよい取付ボルトによる緊結手段が広く用いられるようになった。積層ゴム体の設計者は、積層ゴム体の引張方向の耐力が低いことを十分に理解し、また、多くの実験検証により、その特性を把握した上で、積層ゴム体に引張力を生じさせない、又は生じても引張方向の耐力を考慮し、高い安全率を確保した状態で設計が行われるようになった。
【０００７】
しかし、近年、建築構造物の免震設計は、高層建築物への適用や、アスペクト比の大きな建築構造物への適用が進められ、それに伴って、高い引張能力を有する積層ゴム体の開発が求められている。また、鉛直方向の耐力以上の引張力を積層ゴム体に伝達させないようにするため、上部構造物と地盤との間に浮き上がり防止装置を設ける工夫がなされている。
【０００８】
さらに、上部構造物と地盤との間に配される浮き上がり防止装置の工夫以外にも、積層ゴム体に大きな引張力を伝達させない目的で、積層ゴム体と上部及び下部構造体との緊結方法について種々の研究が進められている。
【０００９】
このように、積層ゴム体をボルトにより上部構造物又は下部構造物と緊結する連結構造を採ると、想定を超える大きな水平変形が積層ゴム体に生じた場合に、積層ゴム体に回転モーメントによる鉛直方向の引張力が作用し、積層ゴム体の損傷や破損、上部構造物又は下部構造物への過大な入力による構造物の損傷の虞があり、特に、アスペクト比の大きな建築構造物では、地震時のロッキングによる過大な引張力が積層ゴム体に作用する虞があった。
【００１０】
一方、鉛直方向の引張力を回避するため、ダウエルピン式の連結構造を採れば、転倒限界の制限がある。このため、ボルトによる連結構造及びダウエルピン式の連結構造のいずれにおいても、積層ゴム体の連結方法を選択する上で、満足できる構造ではなかった。
【００１１】
そこで、例えば、特許文献１には、積層ゴム免震支承装置の一方の端面に固着された一方の取付板と、積層ゴム免震支承装置の一方の端面の外縁よりも外側で一方の取付板と固着されるとともに、この一方の取付板に固着されている部位よりも内側において、積層ゴム免震支承装置の一方の端面に対面する基礎又は構造物の取付面に固着されている他方の取付板を備えた取付構造が記載されている。
【００１２】
この取付構造によれば、上部構造物と下部構造物の間に浮き上がりが生じた場合に、両取付板が変形し、両取付板の相互の固着部位が上方に移動するとともに、取付板の曲げ剛性を利用できるので、積層ゴム免震支承装置へ大きな鉛直方向の引張力が作用するのを回避することができる。
【００１３】
また、特許文献２には、積層ゴム体に引き抜き力が作用しても積層ゴム体が損傷するのを防止するため、積層ゴム体の上下にフランジ部材を接合固着するとともに、フランジ部材の張り出し部に、フランジ部材の曲げ剛性を低下させる薄肉部又は開口部を形成した積層ゴム支承体が記載されている。
【００１４】
さらに、特許文献３には、大地震時の上下方向荷重を緩和して積層ゴム体の剥離を防止するため、緩衝座（鋼材による皿ばね）を介したボルト締結により、積層ゴム体と構造物を緊結する技術が記載されている。これによれば、ボルトでの強固な締結により水平方向への変位に対処し、緩衝座を介した柔靱な締結により鉛直方向への変位に対処することが可能になる。
【００１５】
また、特許文献４には、積層ゴムの上下に形成されたフランジを上部及び下部構造物にボルトで取り付けた免震装置において、ボルトの頭部とフランジとの間に筒状ゴム座金（緩衝材）を介在させる技術が開示されている。これによれば、地震時に瞬間的な浮き上がり力が加わっても、緩衝材の変形又は破壊によって力を逃がし、積層ゴム体に引張力が及ぶのを回避することが可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２００５−１６３２８１号公報
【特許文献２】特開２００２−１９５３２７号公報
【特許文献３】特開平１０−１１０５５１号公報
【特許文献４】特開平１１−１５３１９１号公報
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】ジェームス・Ｍ・ケリー著、日本振動技術協会訳／藤田隆史監訳、「免震構造と積層ゴムの基礎理論」、東京電機大学出版局、ｐ１６０−ｐ１６２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかし、特許文献１に記載のように積層ゴム体の取付板を二重構造にしたり、特許文献２に記載のようにフランジに加工を施すことにより、積層ゴム体への引張力を低減させる技術では、積層ゴム体の構造本体の設計変更を伴い、費用や時間がかかる上に、据え付けスペースの見直しも必要になり、簡単に適用できるものではなかった。
【００１９】
一方、特許文献３、４に記載の積層ゴム体の取付部分に緩衝材を介在させる技術は、浮き上がりによる積層ゴムへの引張力を低減し得るのに加え、積層ゴム体の大きな水平変形により生じる引き抜き力を緩和することもできる。
【００２０】
しかし、特許文献３に記載のように、鋼材の皿ばねを用いる場合は、鋼材の接触部や弾性変形する部分の錆びが問題となる。また、特許文献４に記載のように、ボルトの頭部とフランジとの間に、緩衝材としての筒状ゴム座金を介在させる場合は、圧縮時に緩衝材の内周面がボルトと干渉し、緩衝材の破損を招く虞がある。
【００２１】
そこで、本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、積層ゴム体の構造本体の設計変更を伴うことがなく、防錆が不要で、緩衝材の破損を招く虞もないゴム座金等を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上記目的を達成するため、本発明は、ゴム座金であって、積層ゴム体の取付構造に用いられ、該座金は、ゴム材料からなる筒体の内周面に凹面を有することを特徴とする。このゴム座金を積層ゴム体の取付構造に用いることで、積層ゴム体が水平方向に相対変形した際に生じる回転モーメントによって該積層ゴム体の端部へ加えられる引張力に対し、ゴム座金の圧縮方向の変形等で対抗することができるため、過大な引張力が積層ゴム体に作用することを防止し得て、さらに、積層ゴム体と構造物の定着部分にも過大な引張力を作用させないようにでき、積層ゴム体及び免震構造物の安全性を向上させることができる。
【００２３】
また、本発明にかかるゴム座金によれば、ゴム座金の損傷を長期にわたり好適に防ぎ得るため、積層ゴム体の水平方向の相対変形に対し、積層ゴム体に過大な引張力を生じさせることを安定的に回避でき、一般的な取付ボルト締結方式の場合に生じる復元力特性でのハードニング現象を遅らせることを安心して期待できる結果、ダウエル式でのロールアウトの検討を回避した上で、さらに積層ゴム体のハードニング現象により生じる急激な水平力の上昇を生じる水平変形領域を延長することができ、同一サイズの積層ゴム体の使用限界水平変形量を大きく取ることも可能となる。
【００２４】
前記のように、本発明のゴム座金を用いることにより、安定的に同一サイズの積層ゴム体の使用限界水平変形量を大きく取ることが可能となるので、ハードニング現象により生じた最大水平力により積層ゴム体形状が定まるような場合においては、従来よりも、積層ゴム体の寸法を小さく抑えることができ、コスト、資源、施工面等で好適である。
【００２５】
上記ゴム座金の筒体両端面に鋼製リングを接着することができ、該鋼製リングを介して筒体状のゴム材料に圧縮力を作用させることができる。
【００２６】
上記ゴム座金は、前記凹面により、該筒体の長さ方向の中央部の肉厚が最も薄くなるように構成することができ、前記凹面は、連続した一つの球面とすることもできる。
【００２７】
また、本発明は、積層ゴム支承であって、上記いずれかに記載のゴム座金を取付構造に用いることを特徴とする。これにより、上述のように、過大な引張力が積層ゴム体に作用せず、積層ゴム体と構造物の定着部分にも過大な引張力が作用しないため、積層ゴム体及び免震構造物の安全性を向上させることができ、従来よりも、積層ゴム体の寸法を小さく抑えることができ、コスト面等で好適である。
【００２８】
さらに、本発明は、構造物であって、上記積層ゴム支承で支持されることを特徴とする。この構造物には、上述のように、積層ゴム体と構造物の定着部分に過大な引張力が作用せず、免震構造物としての安全性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２９】
以上のように、本発明によれば、積層ゴム体の構造本体の設計変更を伴わず、防錆が不要で、緩衝材の破損を招く虞もないゴム座金等を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明にかかるゴム座金の一実施の形態を示す図であって、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図２】従来のゴム座金の変形状態を説明するための模式図である。
【図３】本発明にかかるゴム座金の変形状態を説明するための模式図である。
【図４】本発明にかかるゴム座金を圧縮試験機を用いて変形させた際の状態変化の観察図である。
【図５】本発明にかかるゴム座金を圧縮試験機を用いて変形させた際の圧縮試験結果を示すグラフである。
【図６】本発明にかかるゴム座金を用いた支承及び構造物の一実施の形態を示す概略図である。
【図７】図６に示したゴム座金及びその近傍を示す断面図である。
【図８】図６に示した上部構造物と下部構造物との間に大きな水平方向の相対変形が生じた状態を示す概略図である。
【図９】図６に示した上部構造物が鉛直方向に浮き上がった状態を示す概略図である。
【図１０】従来のダウエルピンを備えた上部構造物と下部構造物との間に大きな水平方向の相対変形が生じた状態を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
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。
【００３２】
図１は、本発明にかかるゴム座金の一実施の形態を示し、このゴム座金１は、貫通孔２ａを有する円筒状のゴム体２と、ゴム体２の内径と略々同一の内径を有し、ゴム体２の上下面に接着されたリング状のフランジプレート３、４とを備える。
【００３３】
ゴム体２は、緩衝材としての役割を果たし、図１（ｂ）に示すように、その内周面２ｂには、外周側面に向けて窪む凹部２ｃが形成される。この凹部２ｃは、ゴム体２の内周に沿って連続的に形成され、上面視円環状に形成される。その際、断面視において、右側の凹部２ｃの位置と左側の凹部２ｃの位置とが対象となるように、凹部２ｃをフランジプレート３、４と平行に形成するのが好ましい。
【００３４】
また、凹部２ｃは、ゴム体２の長さ方向（高さ方向）の１／２の位置（中央部）２ｄで、ゴム体２の径方向の肉厚が最も薄くなるように形成される。尚、図１においては、凹部２ｃの断面形状をＲ状（半球面）としているが、凹部２ｃの形状は、これに限定されるものではない。例えば、双曲線状や楕円状等の半球面以外の形状を採ることができ、さらに、凹状の傾斜具合が一定であり、ゴム体２の長さ方向の中央でゴム体２の肉厚を最薄とする断面視Ｖ型に形成することもできる。
【００３５】
ゴム体２を形成するための弾性材料は、天然ゴム、又はクロロプレンゴム、ウレタンゴム等の合成ゴムを用いることができる。その際、カーボン等の補強材を加え、硬度、弾性率、伸び、強度等を適宜調整することができ、また、必要に応じて老化防止剤を添加し、耐候性を付与することもできる。
【００３６】
フランジプレート３、４は、鋼材により形成され、具体的には、一般構造用の圧延鋼材により形成される。フランジプレート３、４において、耐食処理が必要な場合には、大気暴露する範囲に塗料又はめっき処置を施すことが好ましい。
【００３７】
尚、ゴム体２とフランジプレート３、４との接着は、ゴム加硫時に加硫接着により行うことが好ましいが、成型上、フランジプレート３、４の一方をゴム加硫時に加硫接着しつつ、他方を後に接着したり、或いは、ゴム体２を加硫成型した後にフランジプレート３、４の双方を接着することもできる。
【００３８】
次に、上記構成を有するゴム座金１の試験例について、図１〜図３を参照しながら説明する。尚、試験にあたっては、凹部２ｃを有する筒状のゴム体２（図１参照）と、凹部を備えない直筒状のゴム体６（図２（ａ）参照）とを対象にして上下方向の圧縮力を作用させ、各ゴム体の変形態様を対比した。
【００３９】
まず、図２に示すように、肉厚一定のゴム体６においては、上下方向の圧縮力を作用させると、ゴム体６が膨張したり（図２（ｂ）参照）、外側や内側に向けて変形する（図２（ｃ）、（ｄ）参照）など、変形態様が安定しない。また、いずれの変形態様においても、ゴム体６の一部がボルト配置領域７（図２（ａ）参照）に進入するため、ゴム体６がボルト（不図示）と接触することになり、ゴム体６の破損を招く危険性が高い。
【００４０】
これに対し、凹部２ｃを備えるゴム体２の場合には、図３（ｂ）に示すように、ゴム体２の中央部２ｄが薄肉であるのに加え、ゴム体２の内周面側に凹部２ｃが設けられるため、上下方向の圧縮力を付与した際に、中央部２ｄを外周方向に押し出す力が作用する。このため、常時、外周方向に向けてゴム体２が膨張し、ゴム体２の一部がボルト配置領域７（図３（ａ）参照）に進入することがない。従って、ゴム体２がボルトと接触せず、ゴム体２の破損を防止することができる。
【００４１】
次に、ゴム座金１に圧縮試験機を用いて圧縮荷重を加えた場合のゴム座金１の状態変化、及びゴム座金１に付加した荷重とゴム座金１の変形量の関係について、図４及び図５を参照しながら説明する。尚、試験に用いたゴム座金１の寸法は、図４（ａ）に示す通りであり、ゴム体２には天然ゴムを、フランジプレート３、４にはＳＵＳ３０４を用い、このゴム座金１に矢印方向に圧縮荷重を加えた。
【００４２】
ゴム座金１は、圧縮荷重を加えるにつれて、図４（ａ）の状態から、図４（ｂ）〜図４（ｅ）の状態へと変化し、ゴム座金１の変形量は、括弧内に示す通りである。これらの図より、ゴム座金１の変形状態は、外周方向に均一な膨張を伴いながら変形していることが判る。
【００４３】
また、図５に示すように、圧縮荷重を加えるにつれて、ゴム座金１は、変形初期時においては３ｍｍ変形時で３６〜３７ｋｇｆの抵抗力、すなわち１２．５ｋｇｆ／ｍｍの圧縮剛性で、略々変形量１５ｍｍまで安定した線形的変形挙動を示し、１５ｍｍを超えると抵抗力を急激に増し、１６トンまでの荷重、すなわち面圧で８２７３ｋｇｆ／ｃｍ2にも充分に耐え得ることが判る。これらの結果から、本発明によるゴム座金は、圧縮時に座屈することなく安定的な変形形状を得られるため、圧縮剛性も安定して得ることができる。
【００４４】
次に、図１のゴム座金１を用いた支承及び構造物について、図６〜図９を参照しながら説明する。
【００４５】
図６は、ゴム座金１を積層ゴム体１４の取付構造に用いた構造物１１を示し、ゴム座金１は、積層ゴム体１４の取付板１６、１７を、構造物１１の基礎等の下部構造物１９に固着されたアンカープレート１５、及び上部構造物２０に固着されたアッパープレート１８に固定するための取付ボルト１２と袋ナット１３との間に介装される。
【００４６】
図７に示すように、ゴム座金１は、積層ゴム体１４（図６参照）の取付板１６上に載置され、ゴム座金１のゴム体２の貫通孔２ａを取付ボルト１２が挿通し、取付ボルト１２の雄ねじ部１２ａが、アンカープレート１５に固着された袋ナット１３の雌ねじ部１３ａに螺合し、積層ゴム体１４の取付板１６を構造物１１（図６参照）のアンカープレート１５に固定している。また、積層ゴム体１４の取付板１７も同様に、構造物１１のアッパープレート１８に固定される。そして、ゴム座金１を浮き上がりが生じた場合の圧縮量を残す程度に圧縮させた状態で取付ボルト１２を締め込むこともできるので、取付ボルト１２に予張力を付与した状態にすることができ、取付ボルト１２の経年的な緩みを防止することもできる。
【００４７】
上記ゴム座金１を用いた構造物１１の下部構造物１９と上部構造物２０との間に大きな水平方向の相対変形が生じると、図８に示すように、積層ゴム体１４の端部には、回転モーメントによって大きな引張力が作用し、取付板１６、１７が矢視方向に反り上がる。その際、ゴム座金１は、取付ボルト１２と干渉せずに圧縮変形するため、換言すれば、取付ボルト１２の軸方向に引張力が作用すれば、ゴム座金１が取付ボルト１２と緩衝せずに圧縮可能に配されているため、ゴム体２の圧縮変形により、積層ゴム体１４に加えられる引張力を吸収することができ、過大な引張力が積層ゴム体１４に作用することを防止することができる。また、これに加え、積層ゴム体１４と構造物１１の定着部分、すなわち積層ゴム体１４の取付板１６、１７と構造物１１のアンカープレート１５とアッパープレート１８との間にも過大な引張力を作用させないようにできるため、積層ゴム体１４及び構造物（免震構造物）１１の安全性が向上する。
【００４８】
また、本発明によるゴム座金１によれば、免震設計において積層ゴム体を高層建築物又はアスペクト比の大きな建築構造物へ適用し、ロッキング等により構造物の一部が鉛直方向に浮き上がった際にも、図９に示すように、上部構造物２０と積層ゴム体１４を締結している取付ボルト１２の軸線方向に、取付ボルト１２と内周面で接することなく圧縮変形できるため、積層ゴム体１４に過大な引張力を作用させず、さらに積層ゴム体１４と構造物１１の定着部である取付板１７とアッパープレート１８との間にも過大な引張力を作用させないようにすることができ、積層ゴム体１４及び構造物（免震構造物）１１の安全性が向上する。そして、ゴム座金１の圧縮剛性は、鋼材等を利用した座金に比較して小さいため、積層ゴム体の上下の取付鋼板１６、１７と、アッパープレート１８又はアンカープレート１５との離反が容易となり、積層ゴム体１４及び積層ゴム体１４と構造物との取付部分に作用する力をより小さくすることができる。
【符号の説明】
【００４９】
１  ゴム座金
２  ゴム体
２ａ  貫通孔
２ｂ  内周面
２ｃ  凹部
２ｄ  中央部
３、４  フランジプレート
６  ゴム体
７  ボルト配置領域
１１  構造物
１２  取付ボルト
１２ａ  雄ねじ部
１３  袋ナット
１３ａ  雌ねじ部
１４  積層ゴム体
１５  アンカープレート
１６、１７  取付板
１８  アッパープレート
１９  下部構造物
２０  上部構造物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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