引張変形を許容する SWCC リング付き天然ゴム系積層ゴムのせん断繰返し加振試験

5引張変形を許容する SWCC リング付き天然ゴム系積層ゴムのせん断繰返し加振試験
Check Test of Full-scale Natural Rubber Bearing with “SWCC ring”
by Cyclic Shear Loading Under Tensile Deformation
三須基規

足立拓朗

Motoki MISU

Takuro ADACHI

得能将紀＊

Masaki TOKUNO

桑素彦＊

Motohiko KUWA

長周期・長時間地震動による繰り返し加振を受けた免震部材の性能変化を検証するため，当社では天然ゴム系積層ゴムの圧縮せん断繰返し加振を実施して製品の健全性を確認している。今回は，高度化する免震構造の需要に応えるために開発された SWCC リングを用いて引張せん断繰返し加振を実施した。その結果，当社製品は開発時に検討された評価基準より過酷になった現在の地震動にも有効であることが確認できた。
The safety and stability of natural rubber bearing had been confirmed for long-period ground motions by various
compressive shearing tests. This paper presents the results of cyclic shearing test under tensile deformation as latest
evaluation criteria, and it is confirmed durability of natural rubber bearing with past development named “SWCC ring” forspecialty isolated building.

1．は じめに一方で圧縮せん断変形での使用を基本とする積層ゴムを長周期・長時間地震動を受けた免震部材は，繰返し変形

重心の高い高層建物に適用するため，鉛直方向引張変形をによって特に減衰性能が変化する。そのため近年では免震取付けボルト部に集中させる構造が実用化された 3）。当社

部材の吸収エネルギー量を評価する取り組みが進められては耐久性の高いクロロプレンゴムで引張変形を吸収できるいる。天然ゴムは材料特性として減衰が小さいため繰返し『SWCC リング』を開発して多数の建物に納入している。

加振の影響を受けにくいと推定されるが，当社では直径

そこで，図 14）のように SWCC リングを用いた天然ゴム

φ 1000 mm とφ 1500 mm の天然ゴム系積層ゴムで圧縮せ系積層ゴムに引張変形を与えた状態でせん断繰返し加振をん断繰返し加振試験を実施しており，長周期・長時間地震実施して，過去の開発時より過酷な現在の長周期・長時間動に対する性能変化が小さいことを確認している 1）。

地震動への需要に幅広く応えられていることを確認する。

積層ゴム
SWCCリング
下フランジ
嵌合型フランジ

2．試験

体

試験体の仕様を表 1，断面図を図 2 に示す。積層ゴムは長周期・長時間地震動に対して累積変位と呼ばれる，せん（a）
無荷重状態
SWCCリング（圧縮）

断変形に加振回数を乗じた値で評価される。せん断ひずみが同じ場合，累積変位が同じであればゴム総厚が薄いほど繰返し加振回数が多くなる。一方，積層ゴムのせん断変形（b）
引張荷重を与えて下フランジを浮き上がらせるによってゴムの分子鎖が伸びて熱が発生した場合，ゴム総厚が厚い大サイズ品は内部に蓄熱しやすいと考えられる。
更にゴム材料のせん断弾性率や疲労特性，積層ゴムの繰返し加振の関係も整理する必要がある。

（C）
引張せん断変形

図 1 引張変形を与えた状態のせん断繰返し加振* 戸田建設株式会社

そこで当社積層ゴム（ゴム直径φ 300 ～φ 1500 mm）の中間サイズで納入実績も多いφ 800 mm と，最大サイズのφ 1500 mm を試験体としてスケール効果を評価した。また前者のせん断弾性率を最小の 0.29 N/mm2 として，材料

昭 和 電 線 レ ビ ュ ー6Vol. 65 (2019)

強度が小さいゴムに多くのせん断変形を与えられるようにせるようにした。C 字治具と試験機間にせん断キーを用いした。て滑らない構造とした。
SWCC リング内部に建物使用時と同様に内部鋼リングを

表 1 試験体仕様

入れて，限界変形 20 mm を越える SWCC リングの圧縮変積層ゴム
せん断弾性率

直径厚さ

層数[N/mm2]

[mm]

[mm]

S10.29φ 800

6.031.70.39

φ 150011.326

形状係数
S25.1

31.5

下フランジのSWCC リング形を抑止しながらボルトに荷重を伝えられるようにした。

M36 用 12 個
M39 用 16 個（a）
積層ゴムφ800：せん断ひずみ200%変形状態

C字治具

（b）
積層ゴムφ1500：せん断ひずみ200%変形状態

せん断キー

（a）
積層ゴムφ1500の平面図と断面図

上フランジ

ワッシャー
限界変位 20 mm
SWCCリング

SWCCリング

積層ゴム
C字治具

下フランジ
内部鋼リングクリアランス 3 mm

（C）
積層ゴムφ800下フランジのSWCCリング

下フランジ

C字治具

図 2 試験体断面図（b）
積層ゴムφ800取付時の外観

3．試験方

図 3 試験機への取付状態

法

3.1 試験機への取付方法
いずれの試験体も当社所有の 35 MN 圧縮せん断試験機（鉛直 35 MN，水平± 8 MN）で評価した。
試験体の上フランジは直接，下フランジは SWCC リン

3.2 加振条件
加振条件を表 2 に示す。図 4 に示す基本性能を確認後，まず小さい鉛直荷重でせん断変形を与えた時に下フランジと試験機間で滑る場合の挙動を確認した。

グを介して試験機にボルトで固定した。図 3 に示す C 字治次に約 16 mm の引張変形（引張ひずみ：φ 800 で 10%，具を下フランジ加振方向両側に配置して，浮き上がり状態

φ 1500 で 5%）を与えた状態でせん断ひずみ± 200% 加振を側面から目視確認しながらせん断変形を与えられるようを繰り返した。長周期・長時間地震動による累積変位は 50 mにした。また下フランジと C 字治具の間に実際の使用状態程度とされており，当社が過去に実施した圧縮せん断繰返を模擬して約 2 mm のスキマを設けて，SWCC リング取付し加振試験結果（φ 1000：78.0 m，φ 1500：58.8 m）1）もけボルトに水平荷重を与えずスムーズな浮き上がりを起こ考慮して，繰返し加振回数は累積変位がφ 800 で 62.4 m，引張変形を許容する SWCC リング付き天然ゴム系積層ゴムのせん断繰返し加振試験

7

φ 1500 で 63.4 m になる値とした。せん断加振速度はいずの摩擦力を越えてスキマ約 2 mm の範囲で滑り，履歴曲線

れも 5 mm/s で，ゴム表面温度は非接触式温度計で 5 サイ形状が変わった（図 6（a）矢印）。滑り現象は全 3 サイククル毎に測定した。

ルとも同様に発生しており，下フランジが浮き上がった状

φ 800 は SWCC リングを外して下フランジを試験機に固態でも積層ゴムは安定したせん断変形を実現していた。

定した状態でせん断ひずみ± 400% 加振も実施して，繰返

なおφ 1500 ではこの滑り現象が起きなかった。積層ゴし加振が積層ゴムの限界変形性能に与える影響も検証した。

ムのせん断力はゴムのせん断弾性率とゴム形状と水平変形量で定まるが，下フランジは力学的な強度検討を経て形状

表 2 加振条件が決まるため，大サイズほど重量が増えやすい傾向がある。

（a）試験体φ 800

φ 1500 の方がφ 800 よりゴムのせん断弾性率が高いこと

引張面圧

変形

ひずみ

変形

サイ 累積変位[N/mm2]

[mm]

[%]

[mm]

クル[m]

試験順序・項目

せん断①

基本性能加振10－± 100± 156.0

3＊2②

鉛直無荷重相当時
せん断加振

約 0 ＊1－± 100± 156.0

3＊2③

引張変形を与えた
せん断繰返し加振－約 16± 200± 312.0

5062.4④

基本性能加振10－± 100± 156.03＊2⑤限界変形加振10－± 400± 624.0

1＊2＊1 鉛直荷重 100 kN（0.2 N/mm2）負荷状態＊2 繰返し加振のみ算出（b）試験体φ 1500
圧縮
試験順序・項目

積層ゴムの水平剛性による曲げモーメントや重量の影響も受けて発生すると考えられる。
2001000-100

引張

せん断

面圧

変形

ひずみ

変形

サイ 累積変位[N/mm2]

[mm]

[%]

[mm]

クル[m]

①

基本性能加振15－± 100± 293.8

3＊2②鉛直無荷重相当時
せん断加振

約 0 ＊1－± 100± 293.8

3＊2③引張変形を与えた
せん断繰返し加振－約 16± 200± 587.6

2763.4④

基本性能加振15－± 100± 293.8

3＊2＊2 繰返し加振のみ算出

水平荷重 Q=1.3×P-200-200-1000100200200400

水平変位[mm]（a）積層ゴムφ800
1500
1000
水平荷重[kN]＊1 鉛直荷重 100 kN（0.05 N/mm2）負荷状態

鉛直荷重Pも考慮すると，鉛直無荷重相当時の下フランジ滑り現象は，

水平荷重[kN]

圧縮500
0-500-1000=0.7×P

水平変位 Xδδ

-1500-400-200（b）積層ゴムφ1500

鉛直変位 δP ‒P
鉛直剛性： 1 2
δ1 ‒δ2

図 5 順序①（基本性能加振）履歴曲線 3 サイクル目

Q ‒ Q2
水平剛性： 1X1 ‒ X 2

図 4 積層ゴム基本性能算出方法

表 3 順序①（基本性能加振）測定結果
ゴム直径

4．試

0
水平変位[mm]

δ験

結果

4.1 基本性能及び鉛直無荷重相当時
順序①基本性能加振時の水平方向履歴曲線 3 サイクル目
を図 5，測定結果を表 3 に示す。いずれの試験体も設計値に近い基本性能が確認された。
順序②鉛直無荷重相当時せん断加振で得られた水平方向
履歴曲線 3 サイクル目を図 6 に示す。φ 800 では水平変位35 mm 付近で積層ゴムのせん断力が下フランジと試験機間鉛直剛性 [kN/mm]
設計値

測定値（20℃補正）[mm]

水平剛性 [kN/mm]
設計値

測定値（20℃補正）

対設計値

対設計値

φ 800

2570

2561-0.3%

0.95

0.862-9.3%

φ 15005850

5632-3.7%

2.35

2.27-3.6%

昭 和 電 線 レ ビ ュ ー8Vol. 65 (2019)

200

滑り発生

水平荷重[kN]

100SWCCリング
（圧縮）

0-100

滑り発生
-200-200-1000100200

水平変位[mm]（a）積層ゴムφ8001500

水平荷重[kN]

1000

下フランジ5000

試験機面板からの浮き上がり 16 mm-500-1000-1500

図 7 順序③（引張せん断繰返し加振）の変形状態-400-2000200

400

水平変位[mm]（b）積層ゴムφ1500400

図 6 順序②（鉛直無荷重相当）履歴曲線 3 サイクル目

4.2 引張せん断繰返し加振及び限界変形試験
順序③引張せん断繰返し加振変形状態を図 7，得られた

水平荷重[kN]

2000-200

水平方向履歴曲線を図 8，3 サイクル目の水平剛性に対する変化率を図 9，ゴム表面温度を図 10 に示す。一般に地-400

震波速度は 100 mm/s 以上の場合が多いが，今回の試験も過去と同様に試験機能力の都合により速度 5 mm/s で加振-4001000定の繰返し変形を与えた耐久性の評価として妥当と考えら

500

水平荷重[kN]る。そのため今回の試験は，既存の試験機で積層ゴムに一0-500

図 11 に示す。当社が過去に実施した圧縮せん断繰返し加-1000振試験前後（φ 1000：0.97 倍，φ 1500：0.96 倍）1）より水-1500

平剛性変化率は若干大きくなるが，引張せん断繰返し加振は基本性能やφ 800 の限界変形性能に大きな影響を与えないことが確認された。SWCC リングも試験後に外観を目視で確認したところ異常は認められなかったので，積層ゴムに代わって引張変形を許容しつつ荷重を伝達できる能力と耐久力が確認された。

4001500

減衰特性が小さいため加振による発熱も少ないと推定され

順序⑤φ 800 限界変形加振で得られた水平方向履歴曲線を200(a) 積層ゴムφ800：全 50 サイクル分

囲の空気や鋼製の試験機への放熱は少ないが，天然ゴムはその後に実施した順序④基本性能加振の測定結果を表 4，0
水平変位[mm]している。試験開始時のゴム表面温度は 20℃以上なので周れる。

-200-1000-5000500

水平変位[mm]（b）積層ゴムφ1500：全 27 サイクル分

図 8 順序③（引張せん断繰返し加振）履歴曲線

1000221.51.5
水平剛性変化率水平剛性変化率

引張変形を許容する SWCC リング付き天然ゴム系積層ゴムのせん断繰返し加振試験

10.50020405．まめ引張変形を許容する SWCC リングを用いた天然ゴム系
積層ゴムφ 800 とφ 1500 に，長周期・長時間地震動を模1擬したせん断繰返し加振を与えた。その結果から確認でき0.51）S WCC リングを用いた積層ゴムは，引張変形を与えたことを以下に示す。
た状態でせん断繰返し加振を与えても水平剛性やゴ060と90102030サイクル数

サイクル数（a）積層ゴムφ800（b）積層ゴムφ1500

図 9 順序③（引張せん断繰返し加振）水平剛性変化率（対 3 サイクル目）

ムの表面温度は殆ど変化しなかった。
2）せ ん断繰返し加振は積層ゴムの基本性能やφ 800 限
界変形性能に大きな影響を与えなかった。
3）S WCC リング開発時の評価より過酷な長周期・長時間地震動に対しても，SWCC リングとその引張変形40403030

ゴム表面温度[℃]

ゴム表面温度[℃]

許容構造は安定した作動状態や耐久性を示した。

2010002040

参考文献1）‌清水美雪，他：「長周期・長時間地震動を想定した実大天然ゴム系積層ゴムの繰返し変形試験」，昭和電線レビュー，Vol.63，No.1，
p.5 ～ 9（2017）202）‌高 坂 隆 一， 他：「免震建築紹介103）‌「TECHNICAL VIEW 高層マンションに高引抜き対応型免震装置」（㈱錢高組 技術研究所），建築技術，No.757，p.79（2013.2）

060

010

2030

サイクル数

（a）積層ゴムφ800（b）積層ゴムφ1500

表 4 順序④（順序③後の基本性能加振）測定結果
ゴム

鉛直剛性

水平剛性

直径

測定値（20℃補正）[mm][kN/mm]

対設計値

順序④
順序①

測定値（20℃補正）[kN/mm]

対設計値

順序④
順序①

φ 8002456-4.4%

0.96

0.823

-13.4%

0.95

φ 15005543-5.2%

0.98

2.12-9.7%

0.93

1000

水平荷重[kN]500

0-500-800-40004）‌足立拓朗，他：「ゴムリングを用いた天然ゴム系積層ゴムの長周期繰返し加振試験」，日本建築学会大会学術講演梗概集，pp.1057 ～

サイクル数

図 10 順序③（引張せん断繰返し加振）ゴム表面温度-1000

深 谷 赤 十 字 病 院 新 病 棟 」，

MENSHIN，No.38，p.10 ～ 15（2002.11）400

水平変位 [mm]

図 11 順序⑤（積層ゴムφ 800 限界変形試験）履歴曲線

8001058（2018）10

昭和電線ケーブルシステム㈱三須 基規（みす もとき）
免震制振部 技術課
免制震製品の設計・開発に従事

昭和電線ケーブルシステム㈱足立 拓朗（あだち たくろう）
免震制振部 技術課
免制震製品の設計・開発に従事

戸田建設株式会社

得能 将紀（とくのう まさき）
建築設計統括部 構造設計部

戸田建設株式会社

桑素彦（くわ もとひこ）
建築設計統括部 構造設計部

昭 和 電 線 レ ビ ュ ーVol. 65 (2019)