シリコーン材料によるゴム球免震支承の基礎的研究 （その3

シリコーン材料によるゴム球免震支承の基礎的研究
（その３ 経年劣化を受けたゴム球免震支承の地震応答解析）
ゴム球支承
免震構造
戸建住宅
地震応答解析
§3-1
経年劣化
○長谷川 純*4
石垣 秀典*2
三澤 綾子*4
正会員
同
同
石丸 辰治*1
秦 一平*3
石井 剛士*4
同
同
同
はじめに
m
本報では、前報(その１)、(その２)で検討したゴム球の
m:戸建住宅質量
kg:ゴム球初期剛性
各モデル結果より天然ゴム材料とシリコーンゴム材料の
kg
ゴム球支承の模擬地震動に対する応答解析結果の比較と、
kr
c
kc
kr:復元力ばね剛性
ゴム球が経年劣化することによる免震性能への影響につ
kc:経年劣化による剛性
いて述べる。
c:ゴム球減衰係数(h=0.02)
§3-2
経年劣化なしのゴム球支承の応答解析
ゴム球支承の免震性能を把握するため、図 3-1 に示すよ
図 3-1 1 質点モデル図
うに戸建住宅の上部構造を剛体と仮定した１質点系にモ
水平荷重
水平荷重
水平荷重
デル化し地震応答解析を行う。また、各ばねモデルの復
kr
kg
元力特性図を図 3-2 から図 3-4 に示す。
免震性能の検討として免震層の構成例は、ゴム球、復
水平変位
水平変位
水平変位
元力ばね、レール式転がり支承で構成する。また、各装
置に期待する効果は、ゴム球支承は支承および減衰材、
10
んど変わらない結果であることがわかる。
10
0.1
l
ga
10
図 3-6 位相採用地震動
スペクトル
表 3-2 応答解析結果と復元力ばね剛性
ゴム球
天然ゴム球
シリコーンゴム球
§3-3
最大応答加速度 最大応答変位 復元力ばね剛性
[cm]
[kN/mm]
[cm/s2]
120.55
16.37
0.16
119.86
16.69
0.15
経年劣化モデルの検討
前報（その２）で述べたように経年劣化をしたゴム球
の実験結果は履歴図の凹凸が激しくなり、転動するたび
に剛性が変化している。そこで経年劣化したゴム球のモ
デル化として図 3-7 に示すように振動数 0.1[Hz]、振幅
A Fundamental Research on a Base-Isolation System with Silicone
HASEGAWA Jun, ISHIMARU Shinji,
Rubber Ball Bearings
ISHIGAKI Hidenori, HATA Ippei,
(Part 3
MISAWA Ayako, and ISHII Takeshi
Response Analysis for Two Rubber Ball Bearing Systems with
Aging Effect)
1
Period(sec)
スペクトル
表 3-1 解析パラメータ
ゴム球支承
減衰係数
初期剛性 降伏荷重
ゴム球
[kN]
c [kN･s/mm] ｋg [kN/mm]
天然ゴム球
0.02
3.54
21.31
0.01
3.29
24.45
シリコーンゴム球
1
Period(sec)
図 3-5 模擬地震動
ィングさせた、位相特性を RANDOM とした地震とする。
劣化なしでは各材料における地震応答解析結果は、ほと
00
m
1
0.1
いる粘性減衰定数 5%の加速度応答スペクトルにフィッテ
地震応答解析結果と復元力ばね剛性を表 3-2 に示す。経年
10
3c
は図 3-5 に示す、建築基準法告示 1461 号 1)で規定されて
cm
10
m
1
ム球、シリコーンゴム球ともに直径 60[㎜]、硬度 60、1 個
当たりの圧縮荷重は 1.0[kN]とし、対象とした模擬地震動
10
3c
性を算出する。なお解析で対象とするゴム球は、天然ゴ
10
ga
l
RANDOM
pSv,40
cm
10
大応答変位 15[㎝]程度とし、これを満足する復元力ばね剛
Pseudo Velocity [cm/sec]
は 2%とする。設計目標値は最大応答加速度 120[gal]、最
100
m
0c
10
ゴム球の減衰係数を初期剛性比例型とし、粘性減衰定数
RANDOM
100
m
0c
10
し、残り 320[kN]をゴム球が負担すると仮定する。また、
RANDOM pSv,40
Pseudo Velocity [cm/sec]
RANDOM
10
0g
al
ga
00
告示1461
表 3-1 に解析で用いたパラメータについて示す。戸建住
宅質量 400[kN]とし全レール式転がり支承で 80[kN]を負担
1000
10
1000
視できるものとして解析を行う。
図 3-4 ゴム球
経年劣化
復元力特性図
告示1461
位相：RANDOM
位相：ELCENTRO-NS
位相：HACHINOHE-NS
位相：TAFT-EW
位相：TOHOKU-NS
l
ただし、レール式転がり支承の摩擦係数は微小なので無
図 3-3 復元力ばね
復元力特性図
10
0g
al
式転がり支承は支承と免震層のねじれ防止機能である。
図 3-2 ゴム球 HD
復元力特性図
10
ga
l
復元力ばねは上部構造を現状の位置へ戻す装置、レール
200[mm]の差分水平荷重（ここでは１例としてシリコーン
表 3-5 経年劣化別パラメータ（ゴム球 1 個分）
ゴム球経年劣化 60 年から経年劣化なしの水平荷重を差し
δ1 ,k1
δ2 ,k2
δ3 ,k3
δ4 ,k4
δ5 ,k5
δ6 ,k6
δ7 ,k7
δ8 ,k8
δ9 ,k9
δ10 ,k10
経年劣化の復元力特性を表現する。
差分水平荷重（60年-0年)
線形近似線
k2
k3
k6
k10
k7
k1
k4 k
5
δ 1δ 2
δ3
δ4δ 5δ 6
k8 k9
δ7
δ 8δ 9δ10
表 3-3 経年劣化
パラメータ
経年劣化復元力 ゴム球1個分
水平変位、水平剛性 [mm] [kN/mm]
δ1 ,k1
10
0.0020
δ2 ,k2
20
0.0006
δ3 ,k3
40
-0.0003
δ4 ,k4
80
-0.0005
δ5 ,k5
110 -0.0002
δ6 ,k6
140 -0.0003
δ7 ,k7
160 -0.0003
δ8 ,k8
175
0.0003
δ9 ,k9
192
0.0020
δ10 ,k10
207
0.0009
水平変位、水平剛性
δ1 ,k1
δ2 ,k2
δ3 ,k3
δ4 ,k4
δ5 ,k5
δ6 ,k6
δ7 ,k7
δ8 ,k8
δ9 ,k9
δ10 ,k10
図 3-7 経年劣化パラメータ
（シリコーンゴム球経年劣化 60 年相当の場合）
§3-4
経年劣化を考慮したゴム球免震支承の応答解析
経年劣化をしたゴム球は圧縮された形状を保持し、
形状が楕円形となることから、免震性能に及ぼす影響を
RANDOM(NS)
八戸(NS)
東北(NS)
図 3-7 に示す経年劣化復元力特性を加え、経年劣化は 10
年、30 年、60 年相当で検討する。また、対象とした地震
動についてはパラメータを表 3-4、スペクトルを図 3-6 に
示し、解析に用いたパラメータはゴム球部分を表 3-1、復
元力ばね部分を表 3-2、各経年劣化のパラメータを表 3-5
最大応答加速度[cm/s 2 ]
把握するため地震応答解析を行う。解析は先の解析に、
30
300
25
250
200
150
100
位相観測地震動 成分
RANDOM
EL-CENTRO
TAFT
八戸
東北
§3-5
NS
EW
NS
NS
まとめ
地震応答解析結果から、シリコーンゴム球は天然ゴム
球に比べ経年劣化の影響が小さく 60 年相当下においても
応答の変化はほぼ見られないことから、免震性能への影
響が小さいことが示せた。
*1 日本大学理工学部
2
* 日本大学理工学部
5
20
30
40
経年劣化(年)
50
0
60
10
20
30
40
経年劣化(年)
RANDOM(NS)
八戸(NS)
東北(NS)
RANDOM(NS)
八戸(NS)
東北(NS)
350
30
300
25
最大応答変位[cm]
最大応答加速度[cm/s 2 ]
EL-CENTRO(NS)
TAFT(EW)
250
200
150
100
50
EL-CENTRO(NS)
TAFT(EW)
20
15
10
5
0
0
10
20
30
40
経年劣化(年)
50
60
0
10
20
30
40
経年劣化(年)
50
60
図 3-10 シリコーンゴム球
図 3-11 シリコーンゴム球
最大応答加速度
最大応答変位
【謝辞】
本研究（その 1∼その３）は日本大学理工学部・学術フロ
ンティア推進事業「環境・防災都市に関する研究」の一部と
して行ったものである。ここに謝意を表する。
【参考文献】
(1)国土交通省住宅局建築指導課、財団法人 日本建築技術
者指導センター『基本建築基準法法令集 [告示編]』霞ヶ関
出版社、2002,12
助手
College of Science and Technology, Nihon University, Research Associate
* 日本大学大学院理工学研究科
60
最大応答変位
College of Science and Technology, Nihon University, Prof., Dr.Eng
技手補
50
図 3-9 天然ゴム球
教授・工博
*3 日本大学理工学研究所
4
10
0
10
0
最大加速度
地震年月日
2
[cm/s ]
355.7
341.7
1940
500.0
1952
225.0
1968
391.6
1978
15
最大応答加速度
劣化の影響が大きいことがわかる。それに対しシリコー
表 3-4 位相採用地震動一覧
EL-CENTRO(NS)
TAFT(EW)
20
50
特性の違いにより最大応答変位にバラツキがあり、経年
析結果のバラツキも小さいことがわかる。
RANDOM(NS)
八戸(NS)
東北(NS)
図 3-8 天然ゴム球
けて最大応答加速度が大幅に増加し、また地震動の位相
小さいことがわかる。また位相特性の違いによる応答解
EL-CENTRO(NS)
TAFT(EW)
350
0
に示す。天然ゴム球は経年劣化 0 年から 10 年、30 年にか
最大応答変位ともに変化はなく、経年劣化による影響が
シリコーンゴム球
経年劣化10年相当 経年劣化30年相当 経年劣化60年相当
[mm] [kN/mm] [mm] [kN/mm] [mm] [kN/mm]
15
-0.0002
10
0.0017
10
0.0020
28
-0.0001
24
0.0004
20
0.0006
40
0.0001
45
-0.0001
40
-0.0003
70
0.0002
140
-0.0004
80
-0.0005
85
0.0001
150
-0.0004
110
-0.0002
100
-0.0001
160
-0.0003
140
-0.0003
130
-0.0002
170
0.0002
160
-0.0003
150
0.0000
180
0.0005
175
0.0003
180
0.0001
190
0.0015
192
0.0020
205
0.0002
207
0.0012
207
0.0009
0
に示す。地震応答解析結果については図 3-8 から図 3-11
ンゴム球では経年劣化 60 年相当下でも最大応答加速度、
天然ゴム球
経年劣化10年相当 経年劣化30年相当経年劣化60年相当
[mm] [kN/mm] [mm] [kN/mm] [mm] [kN/mm]
10
0.0070
10
0.0170
15
0.0130
25
0.0025
22
0.0035
25
0.0025
55
-0.0015
35
-0.0020
60
-0.0040
100
-0.0018
60
-0.0040
120
-0.0028
140
-0.0016
120
-0.0027
150
-0.0043
155
-0.0015
145
-0.0042
160
0.0001
170
0.0010
158
-0.0020
170
0.0035
180
0.0050
170
0.0020
185
0.0160
195
0.0075
195
0.0150
195
0.0130
205
0.0025
207
0.0025
207
0.0015
最大応答変位[cm]
引いた差分水平荷重を示す。）を各折れ点間で線形近似し、
水平変位、水平剛性
Assistant Eng, Research Institute of Science and Technology, Nihon University
Graduate School of Science and Technology, Nihon University