JP7819040B2 - Seismic isolation device - Google Patents
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Description
この発明は、免震装置に関するものである。 This invention relates to a seismic isolation device.
従来の免震装置として、鉛直方向に交互に積層された硬質材料層及び軟質材料層を有する積層構造体を備えたものがある(例えば、特許文献1)。 Conventional seismic isolation devices include those equipped with a laminated structure having hard and soft material layers stacked alternately in the vertical direction (see, for example, Patent Document 1).
しかし、従来の免震装置においては、高面圧化に関し、向上の余地があった。 However, conventional seismic isolation devices had room for improvement in terms of high surface pressure.
この発明は、高面圧化が可能な免震装置を提供することを、目的とするものである。 The purpose of this invention is to provide a seismic isolation device that can withstand high surface pressure.
本発明の免震装置は、
鉛直方向に交互に積層された硬質材料層及び軟質材料層を有する、積層構造体を備えた、免震装置であって、
以下の式(1)を満たす。
S1:前記軟質材料層の拘束面積と前記軟質材料層の1層当たりの自由面積との比
S2:前記軟質材料層の幅と全ての前記軟質材料層の総厚さとの比
S3:前記硬質材料層の1層当たりの厚さと前記軟質材料層の幅との比を1000倍した値
σ:短期許容面圧(MPa)
である。
本発明の免震装置によれば、高面圧化が可能である。
The seismic isolation device of the present invention comprises:
A seismic isolation device comprising a laminated structure having hard material layers and soft material layers alternately stacked in a vertical direction,
The following formula (1) is satisfied.
S1 : Ratio of the constrained area of the soft material layer to the free area per layer of the soft material layer S2 : Ratio of the width of the soft material layer to the total thickness of all the soft material layers S3 : Value obtained by multiplying the ratio of the thickness per layer of the hard material layer to the width of the soft material layer by 1000 σ: Short-term allowable surface pressure (MPa)
is.
The seismic isolation device of the present invention allows for high surface pressure.
本発明の免震装置において、
前記軟質材料層のせん断弾性率が0.35MPa以上であると、好適である。
この場合、式(1)を満たす免震装置が得られやすい。
In the seismic isolation device of the present invention,
It is preferable that the soft material layer has a shear modulus of elasticity of 0.35 MPa or more.
In this case, it is easy to obtain a seismic isolation device that satisfies formula (1).
本発明の免震装置において、
全ての前記軟質材料層の総厚さが160mm以上であると、好適である。
この場合、長周期化が可能であり、また、大きな限界変形を確保できる。
In the seismic isolation device of the present invention,
It is preferable that the total thickness of all the soft material layers is 160 mm or more.
In this case, it is possible to increase the period and also ensure a large limit deformation.
この発明によれば、高面圧化が可能な免震装置を提供することができる。 This invention makes it possible to provide a seismic isolation device that can withstand high surface pressure.
本発明の免震装置は、地震の揺れが構造物(例えば、ビル、マンション、戸建て住宅、倉庫等の建物、並びに、橋梁等)に伝わるのを抑制するために、構造物の上部構造と下部構造との間に配置されると、好適なものである。本発明の免震装置は、例えば、構造物の柱を支えるように、柱に設けられると好適であり、例えば、柱毎に1個ずつ設けられると好適である。
以下に、図面を参照しつつ、この発明に係る免震装置の実施形態を例示説明する。各図において共通する構成要素には同一の符号を付している。
The seismic isolation device of the present invention is suitable for use between the superstructure and substructure of a structure (for example, buildings such as buildings, condominiums, detached houses, warehouses, and bridges) to prevent earthquake vibrations from being transmitted to the structure. The seismic isolation device of the present invention is suitable for use on pillars to support the pillars of the structure, and is suitable for use, for example, on each pillar.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, an embodiment of a seismic isolation device according to the present invention will be described with reference to the drawings. Common components in the various drawings are designated by the same reference numerals.
図1は、本発明の一実施形態に係る免震装置1を説明するための図面である。図1は、本実施形態に係る免震装置1を、水平方向変形が生じていない状態で、概略的に示す、軸線方向断面図である。
図1に示すように、本実施形態の免震装置1は、積層構造体3と、上下一対の連結鋼板7と、上下一対のフランジ8と、を備えている。
Fig. 1 is a diagram for explaining a seismic isolation device 1 according to one embodiment of the present invention. Fig. 1 is an axial cross-sectional view that schematically shows the seismic isolation device 1 according to this embodiment in a state where no horizontal deformation occurs.
As shown in FIG. 1 , the seismic isolation device 1 of this embodiment includes a laminated structure 3 , a pair of upper and lower connecting steel plates 7 , and a pair of upper and lower flanges 8 .
本明細書において、免震装置1の「中心軸線O」(以下、単に「中心軸線O」ともいう。)は、積層構造体3の中心軸線である。免震装置1の中心軸線Oは、鉛直方向に延在するように指向される。本明細書において、免震装置1の「軸線方向」とは、免震装置1の中心軸線Oに平行な方向である。免震装置1の「軸線方向内側」とは、軸線方向において積層構造体3の軸線方向中心に近い側を指しており、免震装置1の「軸線方向外側」とは、軸線方向において積層構造体3の軸線方向中心から遠い側を指している。また、免震装置1の「軸直方向」とは、免震装置1の軸線方向に垂直な方向である。また、免震装置1の「内周側」、「外周側」、「径方向」、「周方向」とは、免震装置1の中心軸線Oを中心としたときの「内周側」、「外周側」、「径方向」、「周方向」をそれぞれ指す。また、「上」、「下」とは、鉛直方向における「上」、「下」をそれぞれ指す。 In this specification, the "central axis O" of the seismic isolation device 1 (hereinafter simply referred to as the "central axis O") is the central axis of the laminated structure 3. The central axis O of the seismic isolation device 1 is oriented to extend vertically. In this specification, the "axial direction" of the seismic isolation device 1 is a direction parallel to the central axis O of the seismic isolation device 1. The "axial inner side" of the seismic isolation device 1 refers to the side closer to the axial center of the laminated structure 3 in the axial direction, and the "axial outer side" of the seismic isolation device 1 refers to the side farther from the axial center of the laminated structure 3 in the axial direction. Furthermore, the "direction perpendicular to the axis" of the seismic isolation device 1 is a direction perpendicular to the axial direction of the seismic isolation device 1. Furthermore, the "inner peripheral side," "outer peripheral side," "radial direction," and "circumferential direction" of the seismic isolation device 1 refer to the "inner peripheral side," "outer peripheral side," "radial direction," and "circumferential direction," respectively, when the central axis O of the seismic isolation device 1 is the center. Additionally, "up" and "down" refer to "up" and "down" in the vertical direction, respectively.
積層構造体3は、複数の硬質材料層4と、複数の軟質材料層5と、被覆層6と、を有している。硬質材料層4と軟質材料層5とは、鉛直方向に交互に積層されている。各硬質材料層4と各軟質材料層5とは、同軸上に配置されており、すなわち、各硬質材料層4と各軟質材料層5とのそれぞれの中心軸線は、免震装置1の中心軸線O上に位置している。積層構造体3の上下両端には、軟質材料層5が配置されていると、好適である。 The laminated structure 3 has multiple hard material layers 4, multiple soft material layers 5, and a coating layer 6. The hard material layers 4 and soft material layers 5 are stacked alternately in the vertical direction. Each hard material layer 4 and each soft material layer 5 are arranged coaxially; that is, the central axis of each hard material layer 4 and each soft material layer 5 is located on the central axis O of the seismic isolation device 1. It is preferable that soft material layers 5 are arranged at both the top and bottom ends of the laminated structure 3.
硬質材料層4は、硬質材料から構成されている。硬質材料層4を構成する硬質材料としては、金属が好適であり、鋼がより好適である。
各硬質材料層4の厚さは、図1の例のように、互いに同じであると好適であるが、互いに異なっていてもよい。
各硬質材料層4の幅は、図1の例のように、互いに同じであると好適であるが、互いに異なっていてもよい。
The hard material layer 4 is made of a hard material. As the hard material constituting the hard material layer 4, metal is preferable, and steel is more preferable.
The thickness of each hard material layer 4 is preferably the same as in the example of FIG. 1, but may be different from each other.
The widths of the hard material layers 4 are preferably the same as each other as in the example of FIG. 1, but may be different from each other.
軟質材料層5は、硬質材料層4よりも柔らかい、軟質材料から構成されている。軟質材料層5を構成する軟質材料としては、弾性体が好適であり、ゴムがより好適である。軟質材料層5を構成し得るゴムとしては、天然ゴム又は合成ゴム(高減衰ゴム等)が好適である。
各軟質材料層5の厚さは、図1の例のように、互いに同じであると好適であるが、互いに異なっていてもよい。
各軟質材料層5の幅は、図1の例のように、互いに同じであると好適である。この場合、各軟質材料層5の幅は、図1の例のように、各硬質材料層4の幅と同じであると好適である。ただし、各軟質材料層5の幅は、互いに異なっていてもよい。
The soft material layer 5 is made of a soft material that is softer than the hard material layer 4. An elastic body is preferable as the soft material that makes up the soft material layer 5, and rubber is more preferable. Suitable rubber that can make up the soft material layer 5 is natural rubber or synthetic rubber (such as high-damping rubber).
The thickness of each soft material layer 5 is preferably the same as in the example of FIG. 1, but may be different from each other.
The width of each soft material layer 5 is preferably the same as that of each hard material layer 4, as in the example of Fig. 1. However, the widths of each soft material layer 5 may be different from each other.
被覆層6は、硬質材料層4及び軟質材料層5の外周側の表面を覆っている。被覆層6を構成する材料は、弾性体が好適であり、ゴムがより好適である。被覆層6を構成する材料は、軟質材料層5を構成する軟質材料と同じでもよいし、軟質材料層5を構成する軟質材料とは異なっていてもよい。
被覆層6は、軟質材料層5と一体に構成されている。
図1の例において、被覆層6は、硬質材料層4及び軟質材料層5の外周側の表面の全体を覆っていており、ひいては、積層構造体3の外周側の表面の全体を構成している。ただし、被覆層6は、硬質材料層4及び軟質材料層5の外周側の表面の一部のみを覆っていてもよく、ひいては、積層構造体3の外周側の表面の一部のみを構成していてもよい。
また、積層構造体3は、被覆層6を有していなくてもよい。
The covering layer 6 covers the outer peripheral surfaces of the hard material layer 4 and the soft material layer 5. The material constituting the covering layer 6 is preferably an elastic body, more preferably rubber. The material constituting the covering layer 6 may be the same as the soft material constituting the soft material layer 5, or may be different from the soft material constituting the soft material layer 5.
The covering layer 6 is formed integrally with the soft material layer 5 .
1 , the coating layer 6 covers the entire outer peripheral surfaces of the hard material layer 4 and the soft material layer 5, and thus constitutes the entire outer peripheral surface of the laminated structure 3. However, the coating layer 6 may cover only a portion of the outer peripheral surfaces of the hard material layer 4 and the soft material layer 5, and thus may constitute only a portion of the outer peripheral surface of the laminated structure 3.
Furthermore, the laminated structure 3 may not have the covering layer 6 .
硬質材料層4、軟質材料層5、及び被覆層6(ひいては、積層構造体3)は、それぞれ、軸直方向の断面において、多角形状(四角形等)、円形等の任意の外縁形状を有してよい。硬質材料層4、軟質材料層5、及び被覆層6(ひいては、積層構造体3)は、それぞれ、軸直方向断面において多角形状をなす場合、当該多角形状の各角部は、角張っていてもよいし、あるいは、C面取り等されることによって湾曲していてもよい。 The hard material layer 4, the soft material layer 5, and the coating layer 6 (and thus the laminated structure 3) may each have any outer edge shape, such as a polygonal shape (e.g., a square), a circle, or the like, in a cross section perpendicular to the axis. When the hard material layer 4, the soft material layer 5, and the coating layer 6 (and thus the laminated structure 3) each have a polygonal shape in a cross section perpendicular to the axis, the corners of the polygonal shape may be angular or may be curved by, for example, chamfering.
積層構造体3の幅は、図1の例のように、軸線方向に沿って一定であると好適であるが、軸線方向に沿って変化してもよい。 The width of the laminated structure 3 is preferably constant along the axial direction, as in the example of Figure 1, but may also vary along the axial direction.
本明細書において、積層構造体3、硬質材料層4、軟質材料層5、連結鋼板7、フランジ8等の部材の「幅」とは、軸直方向の断面において、当該部材の外縁形状の重心を通る直線と、当該外縁形状と、の2つの交点どうしの間の距離が最小となる方向における、当該2つの交点どうしの間の距離を指しており、例えば、軸直方向の断面において当該部材の外縁が円形をなす場合は、当該円形の直径に相当し、軸直方向の断面において当該部材の外縁が正方形をなす場合は、当該正方形における1辺の長さに相当する。 In this specification, the "width" of components such as the laminated structure 3, hard material layer 4, soft material layer 5, connecting steel plates 7, and flanges 8 refers to the distance between the two intersections of a line passing through the center of gravity of the outer edge shape of the component in a cross section perpendicular to the axis and the outer edge shape, in the direction where the distance between these two intersections is smallest. For example, if the outer edge of the component is circular in a cross section perpendicular to the axis, the "width" corresponds to the diameter of the circle. If the outer edge of the component is square in a cross section perpendicular to the axis, the "width" corresponds to the length of one side of the square.
積層構造体3は、図1の例においては、各硬質材料層4と各軟質材料層5とが中実に構成されているが、これに限られない。例えば、積層構造体3は、各硬質材料層4と各軟質材料層5とが環状に構成されており、各硬質材料層4の中心穴と各軟質材料層5の中心穴とによって、積層構造体3は、その中心軸線O上に、軸線方向に延在する中心穴を有していてもよい。この場合、当該中心穴に、柱状体が配置されていてもよい。柱状体は、塑性変形により振動エネルギーを吸収できるように構成されていると好適である。柱状体は、例えば、鉛、錫、錫合金、又は熱可塑性樹脂から構成されることができる。 In the example shown in Figure 1, the laminated structure 3 has each hard material layer 4 and each soft material layer 5 configured as a solid core, but this is not limited to this. For example, the laminated structure 3 may have each hard material layer 4 and each soft material layer 5 configured as an annular ring, with the central holes of each hard material layer 4 and each soft material layer 5 forming a central hole extending axially on its central axis O. In this case, a pillar may be disposed in the central hole. The pillar is preferably configured to absorb vibration energy through plastic deformation. The pillar may be composed of, for example, lead, tin, a tin alloy, or a thermoplastic resin.
積層構造体3は、一対のフランジ8どうしの間に配置されている。
一対のフランジ8のうち、上側のフランジ8は、その上に構造物(例えば、ビル、マンション、戸建て住宅、倉庫等の建物、並びに、橋梁等)の上部構造(建物本体等。より具体的に、例えば、建物本体の柱。)が載せられた状態で、当該上部構造に締結等により連結されるように、構成されている。一対のフランジ8のうち、下側のフランジ8は、構造物の下部構造(基礎等)に締結等により連結されるように構成されている。
フランジ8は、金属から構成されると好適であり、鋼から構成されるとより好適である。
フランジ8は、軸直方向の断面において、多角形状(四角形等)、円形等、任意の外縁形状を有していてよい。
The laminated structure 3 is disposed between a pair of flanges 8 .
Of the pair of flanges 8, the upper flange 8 is configured to be connected to a superstructure (such as a building itself; more specifically, a column of the building itself) of a structure (such as a building, condominium, detached house, warehouse, or bridge) by fastening or the like when the superstructure is placed on top of the upper flange 8. Of the pair of flanges 8, the lower flange 8 is configured to be connected to a substructure (such as a foundation) of the structure by fastening or the like.
The flange 8 is preferably made of metal, more preferably steel.
The flange 8 may have any outer edge shape in a cross section perpendicular to the axis, such as a polygonal shape (such as a square), a circle, or the like.
一対の連結鋼板7は、積層構造体3と一対のフランジ8との間に配置されている。
一対の連結鋼板7は、それぞれ積層構造体3の上面及び下面と、例えば接着(加硫接着、及び/又は、接着剤による接着等)等により、連結されている。また、一対の連結鋼板7は、一対のフランジ8と、締結部材fを介した締結等により、連結されている。
連結鋼板7は、硬質材料から構成されている。連結鋼板7を構成する硬質材料としては、金属が好適であり、鋼がより好適である。
The pair of connecting steel plates 7 are arranged between the laminated structure 3 and the pair of flanges 8 .
The pair of connecting steel plates 7 are respectively connected to the upper and lower surfaces of the laminated structure 3 by, for example, adhesion (vulcanization adhesion and/or adhesion with an adhesive, etc.), etc. The pair of connecting steel plates 7 are also connected to the pair of flanges 8 by fastening via fastening members f, etc.
The connecting steel plates 7 are made of a hard material. As the hard material constituting the connecting steel plates 7, metal is preferable, and steel is more preferable.
ただし、免震装置1は、一対の連結鋼板7を備えていなくてもよい。この場合、一対のフランジ8は、それぞれ積層構造体3の上面及び下面と、例えば接着(加硫接着、及び/又は、接着剤による接着等)等により、連結されていると、好適である。 However, the seismic isolation device 1 does not necessarily have to include a pair of connecting steel plates 7. In this case, it is preferable that the pair of flanges 8 are connected to the upper and lower surfaces of the laminated structure 3, respectively, by, for example, bonding (vulcanization bonding and/or bonding with an adhesive, etc.).
本実施形態の免震装置1は、長期許容面圧が18MPa以上25MPa以下であると、好適である。
ここで、「長期許容面圧」とは、「平成12 年建設省告示第2009号」の6に規定される「長期に生ずる力に対する許容応力度」の「Fc/3」に相当する。
The seismic isolation device 1 of this embodiment preferably has a long-term allowable surface pressure of 18 MPa or more and 25 MPa or less.
Here, "long-term allowable surface pressure" corresponds to "Fc/3" of "allowable stress against long-term forces" as defined in Article 6 of the "Ministry of Construction Notification No. 2009 of 2000."
また、本実施形態の免震装置1は、以下の式(1)を満たす。
S1:軟質材料層5の拘束面積と軟質材料層5の1層当たりの自由面積との比(すなわち、S1=(軟質材料層5の拘束面積)/(軟質材料層5の1層当たりの自由面積))
S2:軟質材料層5の幅と全ての軟質材料層5の総厚さとの比(すなわち、S2=(軟質材料層5の幅)/(全ての軟質材料層5の総厚さ))
S3:硬質材料層4の1層当たりの厚さと軟質材料層5の幅との比を1000倍した値(すなわち、S3=(硬質材料層4の1層当たりの厚さ)×1000/(軟質材料層5の幅))
σ:短期許容面圧(MPa)
である。
上記S1は、一般的に、一次形状係数と呼ばれる。上記S1に関し、「軟質材料層5の拘束面積」とは、軸直方向の断面における軟質材料層5の面積に相当する。
上記S1に関し、「軟質材料層5の1層当たりの自由面積」とは、1層の軟質材料層5の外周面の面積に相当する。
上記S2は、一般的に、二次形状係数と呼ばれる。
また、「短期許容面圧(σ)」とは、「平成12 年建設省告示第2009号」の6に規定される「短期に生ずる力に対する許容応力度」の「2Fc/3」に相当する。短期許容面圧σは、例えば、長期許容面圧の約2倍(通常は、2倍)である。地震等発生時では、最大、短期許容面圧に相当する面圧が免震装置に掛かることが想定され得る。
式(2)において、「Max(25, -7.5S3+62.5)」とは、「25」と「-7.5S3+62.5」とのうち、より大きいほうの値を意味する。
なお、各軟質材料層5の幅及び/又は厚さが互いに同じではない場合、上記「軟質材料層5の拘束面積」、「軟質材料層5の1層当たりの自由面積」、「軟質材料層5の幅」は、それぞれ、最も幅が小さい軟質材料層5のうち、最も厚さが小さい軟質材料層5の値を用いるものとする。
また、各硬質材料層4の厚さが互いに同じではない場合、上記「硬質材料層4の1層当たりの厚さ」は、最も厚さが小さい硬質材料層4の値を用いるものとする。
Furthermore, the seismic isolation device 1 of this embodiment satisfies the following formula (1).
S 1 : ratio of the constrained area of the soft material layer 5 to the free area per layer of the soft material layer 5 (i.e., S 1 = (constrained area of the soft material layer 5)/(free area per layer of the soft material layer 5))
S 2 : the ratio of the width of the soft material layer 5 to the total thickness of all the soft material layers 5 (i.e., S 2 = (width of the soft material layer 5)/(total thickness of all the soft material layers 5))
S 3 : the ratio of the thickness of each hard material layer 4 to the width of each soft material layer 5 multiplied by 1000 (i.e., S 3 = (thickness of each hard material layer 4) × 1000/(width of each soft material layer 5))
σ: Short-term allowable surface pressure (MPa)
is.
The above S1 is generally called a primary shape factor. Regarding the above S1 , the "constrained area of the soft material layer 5" corresponds to the area of the soft material layer 5 in a cross section perpendicular to the axis.
Regarding S1 above, the "free area per soft material layer 5" corresponds to the area of the outer peripheral surface of one soft material layer 5.
The above S2 is generally called the quadratic shape factor.
Furthermore, the "short-term allowable surface pressure (σ)" corresponds to "2Fc/3" of the "allowable stress against short-term forces" stipulated in Article 6 of the Ministry of Construction Notification No. 2009 of 2000. The short-term allowable surface pressure σ is, for example, approximately twice (usually twice) the long-term allowable surface pressure. In the event of an earthquake, it can be assumed that a maximum surface pressure equivalent to the short-term allowable surface pressure will be applied to the seismic isolation device.
In formula (2), "Max(25, -7.5S 3 +62.5)" means the larger value of "25" and "-7.5S 3 +62.5".
In addition, when the width and/or thickness of each soft material layer 5 is not the same, the above-mentioned "constrained area of the soft material layer 5,""free area per soft material layer 5," and "width of the soft material layer 5" shall be the values of the soft material layer 5 with the smallest thickness among the soft material layers 5 with the smallest width.
Furthermore, if the thicknesses of the hard material layers 4 are not the same, the "thickness per hard material layer 4" is the value of the hard material layer 4 with the smallest thickness.
上記式(1)において、左辺(X(1-eY))は、座屈歪みを表しており、すなわち、免震装置1の水平方向変形時において免震装置1に座屈が生じたときにおける免震装置1のせん断歪みを表している。一般的に、座屈歪みは、免震装置の構造によって調整できるものである。
上記式(1)において、右辺(4)は、破断歪みを表しており、すなわち、免震装置1の水平方向変形時において免震装置1に破断が生じたときにおける免震装置1のせん断歪みを表している。一般的に、破断限界歪みは400%として規定される。よって、破断歪みはせん断歪み400%に相当する。上記式(1)の右辺の数値「4」は、せん断歪み400%を表している。一般的に、せん断歪みは、免震装置の構造によって調整することはできないものである。
なお、上記式(1)は、特に長期許容面圧が18MPa以上25MPa以下であるような免震装置を対象として設計された式である。なお、上記式(1)は、本発明の発明者が、後に説明する比較例及び実施例のFEM解析の結果に基づいて新たに見出した経験式である。具体的には、式(1)は、S2は座屈に対し線形的に寄与し、S1とS3は座屈に対して指数関数的に寄与する、というFEM解析から導かれた経験式である。
In the above formula (1), the left side (X(1- eY )) represents the buckling strain, that is, the shear strain of the seismic isolation device 1 when buckling occurs in the seismic isolation device 1 during horizontal deformation of the seismic isolation device 1. Generally, the buckling strain can be adjusted by the structure of the seismic isolation device.
In the above formula (1), the right-hand side (4) represents the fracture strain, i.e., the shear strain of the seismic isolation device 1 when fracture occurs in the seismic isolation device 1 during horizontal deformation of the seismic isolation device 1. Generally, the fracture limit strain is defined as 400%. Therefore, the fracture strain corresponds to a shear strain of 400%. The number "4" on the right-hand side of the above formula (1) represents a shear strain of 400%. Generally, shear strain cannot be adjusted by the structure of the seismic isolation device.
The above formula (1) is designed especially for seismic isolation devices with a long-term allowable surface pressure of 18 MPa or more and 25 MPa or less. The above formula (1) is an empirical formula newly discovered by the inventor of the present invention based on the results of FEM analysis of comparative examples and examples described later. Specifically, formula (1) is an empirical formula derived from FEM analysis in which S2 contributes linearly to buckling, and S1 and S3 contribute exponentially to buckling.
上記式(1)を満たす免震装置1を得るためには、硬質材料層4や軟質材料層5の寸法や層数、軟質材料層5のせん断弾性率等を調整すればよい。軸直方向の断面における積層構造体3の形状は、上記式(1)を満たすか否かにさほど影響を与えない。 To obtain a seismic isolation device 1 that satisfies the above formula (1), it is sufficient to adjust the dimensions and number of hard material layers 4 and soft material layers 5, the shear modulus of the soft material layers 5, etc. The shape of the laminated structure 3 in the cross section perpendicular to the axis does not significantly affect whether the above formula (1) is satisfied.
上記式(1)は、免震装置1に例えば18MPa以上25MPa以下の長期許容面圧の約2倍である短期許容面圧σに相当する高面圧が掛かっているときに、免震装置1の水平方向変形中において、座屈よりも先に破断が生じることを表しており、言い換えれば、破断歪み(せん断歪み400%)に至るまでは座屈が生じないことを表している。
一般的に、免震装置に高面圧が掛かっていると、免震装置は、水平方向変形中において、座屈しやすくなる。従来の免震装置では、上記式(1)を満たすものではなく、例えば18MPa以上25MPa以下の長期許容面圧の約2倍である短期許容面圧σに相当する高面圧が掛かっているときに、免震装置の水平方向変形中において、破断する前に座屈が生じるおそれがあった。
一方、上記式(1)を満たす本実施形態の免震装置1であれば、例えば18MPa以上25MPa以下の長期許容面圧の約2倍である短期許容面圧σに相当する高面圧が免震装置に掛かっているときに、免震装置1の水平方向変形中において、座屈よりも先に破断が生じるようにされているため、より長いせん断歪み領域にわたって座屈の発生を抑制でき、ひいては、安定性を向上できる。よって、地震発生時に高面圧下で大きな水平方向変形が生じても、座屈せずに耐えることができ、言い換えれば、高面圧化が可能である。
なお、一般的に、免震装置が柱に設けられる場合、免震装置の面圧は、柱の軸力を免震装置の軟質材料層の断面積で割った値に相当する。近年、柱の軸力が高まっており、そのような高い軸力を支えられるような免震装置への要求がある。そのような要求に応えるための方法としては、免震装置の面圧を高めるか、又は、免震装置の積層構造体の幅を大きくする、の2通りの方法が考えられる。しかし、免震装置の製造に用いられる機械(例えば、加硫機)の大きさには限界があるため、実際上、免震装置の積層構造体の幅を大きくすることにも限界がある。一方、本実施形態によれば、免震装置1の面圧を高めることができるため、免震装置1を大型化する必要無しに、より高い軸力を支えることができる。
また、本実施形態によれば、免震装置1の面圧を高めることができるため、構造物の長周期化が可能となり(言い換えれば、構造物がよりゆっくりと揺れるようになり)、ひいては、免震装置1の免震性能を向上できる。構造物の周期Tは、以下の式(3)で表されるところ、式(3)におけるm(質量)は面圧に比例するため、免震装置1の面圧を高くすれば周期Tを長くすることができるのである。
Generally, when a high surface pressure is applied to a seismic isolation device, the seismic isolation device is prone to buckling during horizontal deformation. Conventional seismic isolation devices do not satisfy the above formula (1), and when a high surface pressure equivalent to a short-term allowable surface pressure σ, which is approximately twice the long-term allowable surface pressure of 18 MPa to 25 MPa, is applied, there is a risk that the seismic isolation device will buckle before breaking during horizontal deformation.
On the other hand, in the case of the seismic isolation device 1 of this embodiment that satisfies the above formula (1), when a high surface pressure equivalent to a short-term allowable surface pressure σ, which is approximately twice the long-term allowable surface pressure of, for example, 18 MPa to 25 MPa, is applied to the seismic isolation device, fracture occurs before buckling during horizontal deformation of the seismic isolation device 1, so that the occurrence of buckling can be suppressed over a longer shear strain region, thereby improving stability. Therefore, even if large horizontal deformation occurs under high surface pressure during an earthquake, the device can withstand it without buckling; in other words, high surface pressure is possible.
Generally, when a seismic isolation device is installed on a column, the surface pressure of the seismic isolation device corresponds to the axial force of the column divided by the cross-sectional area of the soft material layer of the seismic isolation device. In recent years, the axial force of columns has been increasing, and there is a demand for seismic isolation devices that can support such high axial forces. Two methods can be considered to meet such demands: increasing the surface pressure of the seismic isolation device or increasing the width of the laminated structure of the seismic isolation device. However, because there is a limit to the size of the machines (e.g., vulcanizers) used to manufacture seismic isolation devices, there is a practical limit to increasing the width of the laminated structure of the seismic isolation device. On the other hand, according to this embodiment, the surface pressure of the seismic isolation device 1 can be increased, allowing the seismic isolation device 1 to support a higher axial force without having to be enlarged.
Furthermore, according to this embodiment, the surface pressure of the seismic isolation device 1 can be increased, which enables the structure to have a longer period (in other words, the structure will sway more slowly), thereby improving the seismic isolation performance of the seismic isolation device 1. The period T of a structure is expressed by the following equation (3), where m (mass) in equation (3) is proportional to the surface pressure, so the period T can be lengthened by increasing the surface pressure of the seismic isolation device 1.
なお、高面圧化等の観点から、破断歪みが400%超の場合を想定して、免震装置1は、以下の式(4)を満たすと好適であり、以下の式(5)を満たすとさらに好適である。
なお、免震装置1の長期許容面圧は、18MPa超であると好適であり、20MPa以上であるよりと好適であり、例えば20MPaであると好適である。
免震装置1の短期許容面圧σは、36MPa以上であると好適であり、36MPa超であるとより好適であり、40MPa以上であるとより好適である。また、免震装置1の短期許容面圧σは、50MPa以下であると好適である。免震装置1の短期許容面圧σは、例えば40MPaであると好適である。
The long-term allowable surface pressure of the seismic isolation device 1 is preferably greater than 18 MPa, more preferably 20 MPa or more, and is preferably, for example, 20 MPa.
The short-term allowable surface pressure σ of the seismic isolation device 1 is preferably 36 MPa or more, more preferably more than 36 MPa, and even more preferably 40 MPa or more. The short-term allowable surface pressure σ of the seismic isolation device 1 is preferably 50 MPa or less. For example, the short-term allowable surface pressure σ of the seismic isolation device 1 is preferably 40 MPa.
軟質材料層5のせん断弾性率は、0.350MPa以上であると、好適である。この場合、式(1)を満たす免震装置1が得られやすい。また、これにより、免震装置1が座屈しにくくなる。
同様の観点から、軟質材料層5のせん断弾性率は、0.390MPa以上であるとより好適であり、例えば、0.392MPa以上、特に、0.392MPaであると好適である。
軟質材料層5のせん断弾性率は、例えば、0.6MPa以下であると好適である。
なお、本明細書において、軟質材料層5の「せん断弾性率」は、JIS K 6254:2016に準拠して測定される静的せん断弾性率を指す。
なお、軟質材料層5のせん断弾性率が高くなるほど、座屈歪みが大きくなる。
The shear modulus of elasticity of the soft material layer 5 is preferably 0.350 MPa or more. In this case, it is easy to obtain a seismic isolation device 1 that satisfies formula (1). This also makes the seismic isolation device 1 less susceptible to buckling.
From the same viewpoint, the shear modulus of elasticity of the soft material layer 5 is more preferably 0.390 MPa or more, for example, 0.392 MPa or more, and particularly preferably 0.392 MPa or more.
The shear modulus of elasticity of the soft material layer 5 is preferably, for example, 0.6 MPa or less.
In this specification, the "shear modulus" of the soft material layer 5 refers to the static shear modulus measured in accordance with JIS K 6254:2016.
The higher the shear modulus of elasticity of the soft material layer 5, the greater the buckling strain.
積層構造体3(ひいては硬質材料層4及び軟質材料層5)の幅は、1800mm以下であると好適である。この場合、免震装置1の製造がしやすくなる。 It is preferable that the width of the laminated structure 3 (and therefore the hard material layer 4 and soft material layer 5) be 1800 mm or less. In this case, the seismic isolation device 1 is easier to manufacture.
全ての軟質材料層5の総厚さは、160mm以上であると、好適である。この場合、長周期化が可能であり、また、大きな限界変形を確保できる。
同様の観点から、全ての軟質材料層5の総厚さは、200mm以上であるとより好適であり、250mm以上であるとさらに好適である。
The total thickness of all the soft material layers 5 is preferably 160 mm or more, which allows for a long period and ensures a large limit deformation.
From the same viewpoint, the total thickness of all the soft material layers 5 is more preferably 200 mm or more, and even more preferably 250 mm or more.
本発明の免震装置の比較例1~10(比較例4-2を含む。)及び実施例1~10(実施例4-2を含む。)について、FEM解析を行ったので、以下に説明する。
各比較例及び各実施例について、図2に概略的に示すような免震装置モデル1’を用いて、解析を行った。各比較例及び各実施例の免震装置モデル1’は、一対の連結鋼板7’と、一対の連結鋼板7’どうしの間に連結された積層構造体3’と、からなるものであり、フランジは備えていない。積層構造体3’は、硬質材料層4’と軟質材料層5’とが軸線方向に沿って交互に積層されてなるものであり、被覆層は有していない。連結鋼板7’は、軸直方向の断面において正方形をなしており、その4隅の角部は角張っている。積層構造体3’は、軸直方向の断面において正方形をなしており、その4隅の角部は、C面取りにより湾曲している。積層構造体3’の幅は、軸線方向に沿って一定である。その他、各比較例及び各実施例の諸元は、以下の表1~表3に示すとおりである。表1~表3に示すように、各比較例は上記式(1)を満たさないのに対し、各実施例は上記式(1)を満たす。
比較例4-2、実施例4-2は、軟質材料層のせん断弾性率のみが、それぞれ比較例4、実施例4とは異なる。
FEM analysis was performed on Comparative Examples 1 to 10 (including Comparative Example 4-2) and Examples 1 to 10 (including Example 4-2) of the seismic isolation device of the present invention, and the results are described below.
Analysis was performed for each comparative example and each example using a seismic isolation device model 1' as schematically shown in Figure 2. The seismic isolation device model 1' for each comparative example and each example comprises a pair of connecting steel plates 7' and a laminated structure 3' connected between the pair of connecting steel plates 7', and does not include a flange. The laminated structure 3' is formed by alternately stacking hard material layers 4' and soft material layers 5' along the axial direction and does not include a coating layer. The connecting steel plates 7' have a square cross section perpendicular to the axis, with its four angular corners. The laminated structure 3' has a square cross section perpendicular to the axis, with its four curved corners formed by C-chamfering. The width of the laminated structure 3' is constant along the axial direction. Other specifications for each comparative example and example are as shown in Tables 1 to 3 below. As shown in Tables 1 to 3, each comparative example does not satisfy the above formula (1), while each example satisfies the above formula (1).
Comparative Example 4-2 and Example 4-2 differ from Comparative Example 4 and Example 4, respectively, only in the shear modulus of the soft material layer.
比較例4-2を除く各比較例及び実施例4-2を除く各実施例について、それぞれ、免震装置モデル1’を、20MPa、40MPaのそれぞれの面圧下で、せん断歪みが400%となるまで、又は、座屈するまで、0°方向、45°方向のそれぞれの方向に載荷して、水平方向変形を生じさせた。比較例4-2、実施例4-2については、40MPaの面圧下で、せん断歪みが400%となるまで、又は、座屈するまで、45°方向の方向に載荷して、水平方向変形を生じさせた。それにより得られた各比較例及び各実施例のせん断応力-せん断歪み曲線を、図3~図8に示す。せん断応力-せん断歪み曲線において正勾配から負勾配に転じた箇所は、座屈が生じたタイミングを表している。
なお、図2に示すように、「0°方向」とは、積層構造体3’の1辺に平行な方向であり、「45°方向」とは、積層構造体3’の対角線に平行な方向である。
For each of the comparative examples except for Comparative Example 4-2 and each of the examples except for Example 4-2, the seismic isolation device model 1' was loaded in the 0° direction and the 45° direction under a surface pressure of 20 MPa and 40 MPa, respectively, until the shear strain reached 400% or until buckling occurred, thereby causing horizontal deformation. For Comparative Example 4-2 and Example 4-2, the model was loaded in the 45° direction under a surface pressure of 40 MPa until the shear strain reached 400% or until buckling occurred, thereby causing horizontal deformation. The shear stress-shear strain curves obtained for each of the comparative examples and examples are shown in Figures 3 to 8. The points where the shear stress-shear strain curves change from a positive gradient to a negative gradient indicate the timing at which buckling occurred.
As shown in FIG. 2, the "0° direction" is a direction parallel to one side of the laminated structure 3', and the "45° direction" is a direction parallel to a diagonal line of the laminated structure 3'.
図3~図8からわかるように、比較例4-2を除く比較例1~10は、40MPaという高面圧下で、0°方向の水平方向変形でも45°方向の水平方向変形でも、せん断歪み400%に至る手前で座屈が生じた。また、比較例4-2は、40MPaという高面圧下で、45°方向の水平方向変形にて、せん断歪み400%に至る手前で座屈が生じた。一方、実施例4-2を除く実施例1~10は、40MPaという高面圧下で、0°方向の水平方向変形でも45°方向の水平方向変形でも、せん断歪み400%に至るまで座屈が生じなかった。また、実施例4-2は、40MPaという高面圧下で、45°方向の水平方向変形にて、せん断歪み400%に至るまで座屈が生じなかった。したがって、実施例1~10(実施例4-2を含む。)は、比較例1~10(比較例4-2を含む。)に比べて、より効果的に高面圧に耐えることができ、ひいては、高面圧化されていることがわかる。 As can be seen from Figures 3 to 8, in Comparative Examples 1 to 10, excluding Comparative Example 4-2, buckling occurred under a high surface pressure of 40 MPa, both in horizontal deformation in the 0° direction and in the 45° direction, just before the shear strain reached 400%. Furthermore, in Comparative Example 4-2, buckling occurred under a high surface pressure of 40 MPa, both in horizontal deformation in the 45° direction, just before the shear strain reached 400%. On the other hand, in Examples 1 to 10, excluding Example 4-2, buckling did not occur under a high surface pressure of 40 MPa, both in horizontal deformation in the 0° direction and in the 45° direction, even up to a shear strain of 400%. Furthermore, in Example 4-2, buckling did not occur under a high surface pressure of 40 MPa, both in horizontal deformation in the 45° direction, even up to a shear strain of 400%. Therefore, it can be seen that Examples 1 to 10 (including Example 4-2) can more effectively withstand high surface pressure than Comparative Examples 1 to 10 (including Comparative Example 4-2), and as a result, can withstand higher surface pressures.
本発明の免震装置は、地震の揺れが構造物(例えば、ビル、マンション、戸建て住宅、倉庫等の建物、並びに、橋梁等)に伝わるのを抑制するために、構造物の上部構造と下部構造との間に配置されると、好適なものである。本発明の免震装置は、例えば、構造物の柱を支えるように、柱に設けられると好適であり、例えば、柱毎に1個又は複数個ずつ設けられると好適である。 The seismic isolation device of the present invention is suitable for placement between the superstructure and substructure of a structure (e.g., buildings such as buildings, condominiums, detached houses, warehouses, and bridges) to prevent earthquake vibrations from being transmitted to the structure. The seismic isolation device of the present invention is suitable for installation on pillars, for example, to support the pillars of the structure, and it is suitable for installation of one or more devices on each pillar, for example.
1:免震装置、 3:積層構造体、 4:硬質材料層、 5:軟質材料層、 6:被覆層、 7:連結鋼板、 8:フランジ、
f:締結部材、 O:中心軸線、
1’:免震装置モデル、 3’:積層構造体、 4’:硬質材料層、 5’:軟質材料層、 7’:連結鋼板、 O’:中心軸線
1: seismic isolation device, 3: laminated structure, 4: hard material layer, 5: soft material layer, 6: covering layer, 7: connecting steel plate, 8: flange,
f: fastening member, O: central axis,
1': seismic isolation device model, 3': laminated structure, 4': hard material layer, 5': soft material layer, 7': connecting steel plate, O': central axis
Claims (3)
以下の式(1)を満たす、免震装置。
S1:前記軟質材料層の拘束面積と前記軟質材料層の1層当たりの自由面積との比
S2:前記軟質材料層の幅と全ての前記軟質材料層の総厚さとの比
S3:前記硬質材料層の1層当たりの厚さと前記軟質材料層の幅との比を1000倍した値
σ:短期許容面圧(MPa)
である。 A seismic isolation device comprising a laminated structure having hard material layers and soft material layers alternately stacked in a vertical direction,
A seismic isolation device that satisfies the following formula (1).
S1 : Ratio of the constrained area of the soft material layer to the free area per layer of the soft material layer S2 : Ratio of the width of the soft material layer to the total thickness of all the soft material layers S3 : Value obtained by multiplying the ratio of the thickness per layer of the hard material layer to the width of the soft material layer by 1000 σ: Short-term allowable surface pressure (MPa)
is.
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