JP4262341B2

JP4262341B2 - すべり免震装置および免震構造

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Publication number: JP4262341B2
Application number: JP34344098A
Authority: JP
Inventors: 裕安部; 康三深尾; 秀典石垣; 雅彦東野; 弘樹濱口; 幸太郎遠山; 文規里路; 和夫廣瀬; 紀男伊藤; 芳郎沖; 俊一辻; 茂涌井
Original assignee: NTN Corp; Takenaka Corp
Current assignee: NTN Corp; Takenaka Corp
Priority date: 1998-12-02
Filing date: 1998-12-02
Publication date: 2009-05-13
Anticipated expiration: 2018-12-02
Also published as: JP2000170829A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はビル、タワー等の高層構造体から一戸建てなどの低層構造体に至る建築構造体、道路・鉄道などの橋梁に至る土木構造体を支持し、地震外力を低減するすべり免震装置およびそれを用いた免震構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
免震とは、建物に加わる地震力を何らかの方法で減少させることである。現在は、下部躯体、例えば基礎と、上部躯体、例えば建物との間に免震装置を入れて、建物への地震入力の減少を図る「基礎絶縁型」が免震工法の主流となっている。
免震装置としては、例えば、鋼板とゴム材とを交互に積層した弾性免震装置（積層ゴム免震装置）が知られているが、この弾性免震装置は、減衰性能に乏しいという問題がある。そのため、水平方向の剛性に対する固有振動数近傍の成分が卓越した入力に対しては共振を起こし、過大な変形に至り積層ゴムが破断する場合も生じる。これに対して、ゴム材を高減衰ゴムにする手法などが考慮されたが、支持荷重と設計免震周期に限界が多かった。
【０００３】
他の免震装置として、例えば、積層ゴムの端面にすべり支承を設けたすべり免震装置などが提案されている。従来のすべり免震装置の一例を図６に示す。図６は従来のすべり免震装置の断面図である。
すべり免震装置は、上部躯体９に固定するための上板７と、この上板７に固定され、鋼板１１ａとゴム材１１ｂとを交互に積層した積層ゴム１１と、この積層ゴム１１の下端面に設けられたすべり材４と、このすべり材４が摺動する金属板などの平滑板２とから構成されている。
このようなすべり免震装置を用いた免震構造は大地震での大変形に対して、すべりによってエネルギーが消費される利点がある。
ここで、免震構造とは免震装置を施工するにあたり、下部躯体と上部躯体の間に免震装置を複数個配設された状態をいう。免震装置とは免震可能な装置単体をいう。また、すべり免震装置とは少なくともすべり支承を有する免震装置をいう。
【０００４】
上記弾性免震装置とすべり免震装置とを並列に配置してそれら両方で上部構造物の鉛直荷重を受け止めるようにした免震構造が知られている（特開平８−１５８６９７号）。
また、すべり免震装置における低摩擦化の手段として、官能基を有するフッ素系あるいはポリシロキサン系化合物からなる被膜を金属板に設けることが知られている（特許第２６２９０１１号）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のすべり免震装置を用いた免震構造においては、いずれもすべり免震装置における摩擦係数を 0.1程度以下にすることができないという問題がある。
例えば、すべり免震装置の摩擦係数が 0.1程度の場合、地震力が 0.1G 以上にならないと、すべり免震装置はすべり出さない。免震性能をある程度確保するためには、すべり出すまでの静摩擦力の影響を緩和するためにある程度のゴム総数を有する積層ゴムの併用が必要となる。
しかし、積層ゴム弾性免震装置で 0.1G 程度の地震力に対して免震効果を得ようとすると、その分だけ積層ゴムが水平に変形し、すべり出したときに荷重の偏在が生じ、すべり性能やすべり面の耐久性を低下させる原因となっていた。
【０００６】
さらに、積層ゴム部分が水平に変形すると、鉛直軸力を受けるゴムの投影面積、すなわち有効受圧面積が小さくなるという問題がある。その関係を図７に示す。図７は積層ゴム部分の変形量と有効受圧面積との関係を示す図である。
すべり支承がすべり出さない小規模な地震の場合、積層ゴム１１が水平に変形するので、平滑板２に対する有効受圧面積Ｂが小さくなる。
積層ゴム部の許容面圧は 10 〜 15MPaとされているので、例えば柱の軸力が 1,000トンを越えるような場合、積層ゴムの直径はφ1,300mm 以上の大きなものになる場合がある。それに伴い、すべり材の相手材の鋼板の直径はφ 2,000mmを越えるものが必要となり、装置は取り付け作業性の悪い大きなものになる傾向にあり、近年の装置軽量化の要求に対応できないという問題がある。
【０００７】
一方、官能基を有するフッ素系あるいはポリシロキサン系化合物からなる被膜を設けた場合、潤滑性被膜の耐摩耗性を長期間低い値に維持することが困難で、耐久性に劣るという問題があった。
【０００８】
本発明は、このような問題に対処するためになされたもので、大きな地震力のみならず小さな地震力においても、十分な免震機能を有し、かつ小型化ができるすべり免震装置およびそれに用いた免震構造を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のすべり免震装置は、下部躯体と上部躯体との間に配設され、高層構造体から低層構造体に至る建築構造体、または土木構造体を支持し、地震外力を低減するすべり免震装置であって、上記すべり免震装置が、マトリクス樹脂１００体積部に平均分子量５０，０００以下の含フッ素重合体またはポリシロキサンから選ばれた少なくとも一つの低分子量潤滑成分５〜４０体積部を含有する潤滑性塗膜が形成された平滑板と、四フッ化エチレン系樹脂を主成分とする樹脂組成物で形成され上記平滑板に一方の面が摺接するすべり材とを具備することを特徴とする。
すべり材を四フッ化エチレン系樹脂を主成分とする樹脂組成物で形成することにより、耐摩耗性を低下させることができる。また潤滑性被膜が形成された平滑板と組み合わせることにより、潤滑性被膜との摩擦係数を長期間低い値、例えば面圧 15 MPa 以上で 0.05 以下に維持することができる。
【００１０】
また、上記マトリクス樹脂がポリイミド系樹脂および熱硬化性樹脂、特にフラン樹脂から選ばれた少なくとも一つの樹脂であることを特徴とする。ここでマトリクス樹脂とは、低分子量潤滑成分を保持することのできる樹脂をいう。
上記構成とすることにより、安定した低摩擦特性を有するすべり免震装置が得られる。
【００１１】
四フッ化エチレン系樹脂を主成分とする樹脂組成物に配合される配合剤が繊維状配合剤および粉末状配合剤から選ばれた少なくとも一つの配合剤であることを特徴とする。
また、上記粉末状配合剤の形状が球状であり、また、上記配合剤が炭素質またはグラファイト質であることを特徴とする。
すべり材を構成する樹脂組成物に上記配合剤を配合することにより、すべり材の耐摩耗性を向上させるとともに、圧縮クリープ性に優れ、高面圧下における潤滑性被膜との摺動において、優れた摩擦係数を維持することができる。
【００１２】
すべり材を構成する四フッ化エチレン系樹脂が、四フッ化エチレン単位と、四フッ化エチレンのフッ素が他の有機基で置換された置換四フッ化エチレン単位とから構成される変性四フッ化エチレン樹脂であることを特徴とする。
変性四フッ化エチレン樹脂であることにより、上記潤滑性被膜との摺動において、優れた摩擦係数を得ることができる。
【００１３】
本発明のすべり免震装置は、上記潤滑性被膜およびすべり材に加えて、上記平滑板上をすべり材がすべり出すまで、すべり材の摺接面の対面に直接または中板を介して、水平力に抗して変形可能な部材が直列に配置されてなることを特徴とする。
中板を設けることにより、面圧を大きくすることができ、摩擦係数を下げることができる。
【００１４】
本発明の免震構造は、下部躯体と上部躯体との間に配設されるすべり免震装置を少なくとも備えてなる免震構造であって、そのすべり免震装置が、上記すべり免震装置であることを特徴とする。
上記すべり免震装置を用いることにより、本発明の免震構造は、すべり出しの加速度を小さく保ったまま免震周期の長周期化ができる。
【００１５】
さらに、復元力を有する装置を併設したことを特徴とする。
さらに、下部躯体と上部躯体との間に弾性免震装置を並列して配設することを特徴とする。また、上記弾性免震装置の一部または全部が鉛プラグ入積層ゴム、あるいは高減衰積層ゴムであることを特徴とする。
弾性免震装置、特に鉛プラグ入積層ゴム、あるいは高減衰積層ゴムを用いることにより、免震構造の設計可能範囲をより大幅に拡大することができる。特に弾性免震装置が鉛プラグ入積層ゴム、あるいは高減衰積層ゴムであると、摩擦係数を 0.05 以下のすべり免震装置の作用とともに、大きな地震力のみならず小さな地震力においても、十分な免震機能を持たせることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明のすべり免震装置の一例を図１により説明する。図１（ａ）は下部躯体と上部躯体との間に設けられたすべり免震装置の断面図、図１（ｂ）はＡ部拡大断面図である。
すべり免震装置１は、上部躯体９に固定するための上板７と、この上板７と中板５との間に挟持される単層ゴム材６と、中板５の下端面に固定されるすべり材４と、このすべり材４と摺動し、下部躯体８に固定される平滑板２とから構成されている。なお、前記すべり材と平滑板とをすべり支承という。また平滑板２の摺動面には潤滑性被膜３が形成されている。すべり材４は、四フッ化エチレン系樹脂を主成分とする樹脂組成物で形成されている。
【００１７】
本発明は、摺動面に潤滑性被膜３が形成されている平滑板２と、四フッ化エチレン系樹脂を主成分とする樹脂組成物で形成されているすべり材４とが摺動するので、従来のすべり免震装置に比較して、摩擦係数を極めて小さくすることができる。
すべり免震装置と弾性免震装置とを並列して配設する免震構造の場合を例にとり、すべり免震装置における摩擦係数の重要性について説明する。
すべり免震装置と弾性免震装置とを併用した場合、建物全体の見かけ上の摩擦係数μ₀は、次式で表される。
μ₀＝｛１＋（Ｋ₂／Ｋ₁）｝μα
ここで、Ｋ₂：弾性免震装置のばね定数
Ｋ₁：すべり免震装置のばね定数
μ：すべり免震装置の摩擦係数
α：すべり免震装置が分担する鉛直荷重の割合である。
【００１８】
地震の震度が小さい場合においても免震構造が機能するためには、μ₀を小さくする必要がある。例えば、震度３の地震を仮定すると、すべり免震が働き始める加速度は約20gal 以上であり、震度３からの地震に免震装置が機能するためには、μ₀は 0.02 の値を要求される。すべり免震装置の摩擦係数μが 0.02 の値に達しない場合は、見かけ上の摩擦係数μ₀＝ 0.02 を実現するために、すべり免震装置と弾性免震装置とが並列に配設される。
【００１９】
本発明の免震構造では、弾性免震装置のばね定数は、すべり免震装置のばね定数に比較して、積層されているためにはるかに小さいので、μ₀＝ 0.02 を実現するためのμとαとの関係を、Ｋ₁＝ 20Ｋ₂と仮定した。この関係を表１に示す。
【表１】

αは基本的に全体の免震装置の数に対するすべり免震装置の数を示すことになるので、μが0.1 の場合は免震装置の約 8割を弾性免震装置にする必要があるのに対し、μが0.05の場合は約 6割、μが0.03になると弾性免震装置の割合は約 4割と大幅に少なくなる。したがって、すべり免震装置の摩擦係数を例えば0.05以下、好ましくは0.04以下、より好ましくは0.03以下とすることにより、すべり免震装置に依存した免震構造となり、すべり出しの加速度を小さく保ったまま免震周期の長周期化ができる。
逆に、μが0.1 のすべり免震装置をα=0.64 に相当する個数使用すると、見かけの摩擦係数μ₀は約 0.067であり加速度に換算すると約67gal となり震度５（震度５は80gal 以上）近くなるまで免震構造として働かないことになる。
以上よりすべり免震装置の摩擦係数を下げることにより、例えば0.05以下とすることにより、すべり免震装置と弾性免震装置の組み合わせを設定できる範囲が拡がるので、免震構造の設計可能範囲を大幅に拡大できる。
【００２０】
本発明は、平滑板２の表面に潤滑性被膜３を形成し、また、すべり材４を四フッ化エチレン系樹脂を主成分とする樹脂組成物で形成することにより、相互の摩擦係数を大きく低下させることができたことに基づくものである。
平滑板２の材質としては、ステンレス板、その他の金属鋼板を用いることができ、また、潤滑性被膜３としては、低分子量潤滑成分をマトリクス樹脂に混合させた被膜である。
すべり材４の材質である四フッ化エチレン系樹脂を主成分とする樹脂組成物は、四フッ化エチレン系樹脂に繊維状配合剤および粉末状配合剤から選ばれた少なくとも一つの配合剤を配合した組成物であり、摩擦および摩耗性能に優れた樹脂組成物であることが好ましい。
【００２１】
以下、本発明に係る四フッ化エチレン系樹脂を主成分とする樹脂組成物について説明する。
まず、この発明における四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）は四フッ化エチレン（テトラフルオロエチレン）の単独重合体であって、アルゴフロン（Ａｕｓｉｍｏｎｔ社製）、テフロン（ＤｕＰｏｎｔ社製）、フルオン（ＩＣＩ社製）、ポリフロン（ダイキン工業社製）等の商標名で市販されているフッ素樹脂であり、 310〜 390℃で軟化して圧縮成形および押出成形は可能であるが、射出成形は不可能な樹脂である。さらに本発明においてＰＴＦＥは、粉状のものが均質に混合し易く好ましい。さらに本発明では許容面圧を考慮し、変性ＰＴＦＥが好ましい。好適な変性ＰＴＦＥの一般式を化１に示す。変性ＰＴＦＥは、四フッ化エチレン単位と、四フッ化エチレンのフッ素が他の有機基（−Ｘ）で置換された置換四フッ化エチレン単位とから構成され、−Ｘは特に限定するものではないが、パ−フルオロアルキルエーテル基あるいはフルオロアルキル基などが好ましい。
【００２２】
化１の変性ＰＴＦＥを用いた場合、一般的なＰＴＦＥと比較して耐クリープ特性が向上し、許容面圧が 30MPa程度まで許容される。それに伴い、すべり面を小さくでき、同時に平滑板を含めてすべり免震装置の小型化が可能となる。
【化１】

【００２３】
ＰＴＦＥ、変性ＰＴＦＥの重合方法は一般的なモールディングパウダーを重合する懸濁重合法、ファインパウダーを重合する乳化重合法のいずれも採用できるが、分子量は約 50 万から 1,000万が好ましく、さらに限定すれば 100万から 700万が好ましい。
上市されている変性ＰＴＦＥを具体的に例示すると、テフロンＴＧ７０Ｊ（三井・デュポンフロロケミカル社製）、ポリフロンＭ１１１、Ｍ１１２（いずれもダイキン工業社製）、ホスタフロンＴＦＭ１６００、ＴＦＭ１７００（いずれもＨｏｅｃｈｓｔ社製）等を挙げることができる。
【００２４】
ＰＴＦＥ、変性ＰＴＦＥに配合することのできる配合剤は繊維状配合剤または粉末状配合剤単独あるいは混合物を用いることができる。以下に代表的な配合剤の例を述べる。
繊維状配合剤はガラス繊維あるいは炭素繊維が挙げられる。炭素繊維はピッチ系あるいはパン系炭素繊維のいずれでもよい。
炭素繊維の繊維長は 0.05mm以上、0.1mm以下のミルド繊維であることが好ましい。また、糸種は特に限定しないが、 2,000℃焼成あるいはそれ以上の温度での処理品（黒鉛化品）より 1,000℃焼成品（炭化品）の方が好ましい。また、低弾性を狙った低温焼成品あるいは高弾性を狙った高温焼成品いずれも使用することができる。繊維径はφ 20 μm 以下、好ましくは、φ 5μm 〜φ 15 μm であり、アスペクト比は 5〜 80 、好ましくは 20 〜 50 である。
上市されている炭素繊維を具体的には例示すると、ピッチ系炭素繊維としてクレカミルドＭ１０１Ｓ、Ｍ２０１Ｓ（いずれも呉羽化学社製）、ドナカーボンＳ２４１、Ｓ２４４（いずれも大阪ガスケミカル社製）、パン系炭素繊維としてベスファイトＨＴＡ−ＣＭＦ０１６０−０Ｈ、ＨＴＡ−ＣＭＦ００７０−０Ｈ（いずれも東邦レーヨン社製）等を挙げることができる。
【００２５】
繊維状配合剤の他の例として、短繊維の各種ウィスカを挙げることができる。
ウィスカは、硫酸カルシウムウィスカ、チタン酸カリウムウィスカ、酸化亜鉛ウィスカ、硫酸マグネシウムウィスカ等が挙げられる。
上述の炭素繊維とウィスカとを併用すれば、炭素繊維は基材を大きく補強するのに対して、これらのウィスカはミクロ補強の役割を果たすので、すべり材の耐クリープ性、耐摩耗性が著しく向上する。また、ウィスカは炭素繊維に比べて短繊維であるため摩擦面での存在割合が大きく、ほとんどの摩擦せん断を受け持つために、潤滑性被膜が形成された平滑板を損傷しない。しかし、ウィスカの繊維長が短かすぎると十分な耐クリープ性、耐摩耗性は得られず、繊維長は炭素繊維よりもわずかに短い 50 μm 前後であることが好ましい。これに該当するウィスカとしては、硫酸カルシウムウィスカの無水塩型、半水塩型が挙げられ、好ましくは無水塩型である。
上市されているウィスカを具体的には例示すると、硫酸カルシウムウィスカとしてフランクリンファイバーＡ−３０（無水塩型）、フランクリンファイバーＨ−３０（半水塩型）（繊維長 50〜 60μm 、大日精化工業社製）、チタン酸カリウムウィスカとしてティスモＮ（繊維長 10〜 20μm 、大塚化学社製）、タイブレック（繊維長 20μm 、川鉄鉱業社製）、酸化亜鉛ウィスカとしてパナテトラ（繊維長 2〜 50μm 、松下電器産業社製）、硫酸マグネシウムウィスカとしてモスハイジ（繊維長 10〜 30μm 、宇部興産社製）等を挙げることができる。
【００２６】
粉末状配合剤は、有機化合物系粉末配合剤と無機化合物系粉末配合剤とを挙げることができる。
有機化合物系粉末配合剤は、ＰＴＦＥの成形温度 380℃に耐えうる粉末であることが好ましい。例えば、熱可塑性ポリイミド樹脂（三井化学社製）、熱硬化性ポリイミド樹脂（Ｆｕｒｏｎ社製、宇部興産社製）、ポリエーテルエーテルケトン樹脂（ＶｉｃｔｒｅｘＭＣ社製）、全芳香族ポリエステル樹脂（住友化学工業社製）、アラミド粉末、ポリアミドイミド樹脂（三菱化成社製）等を挙げることができる。また、成形性などを考慮すれば、熱硬化性樹脂を硬化後、 500℃以上の高温で熱処理、粉砕された有機化合物系粉末が好ましい。さらに 2,000℃以上で処理し、黒鉛化したものが好ましい。熱硬化性樹脂の例は、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂などがある。粉砕後の平均粒径は 50μm 以下、好ましくは 25μm 以下であり、形状は球状が好ましい。市販されている球状の黒鉛化処理された粉末を例示すると、メソカーボンビーズ（大阪ガスケミカル社製）、ベルパール（鐘紡社製）、ユニベックス（ユニチカ社製）、マイクロカーボンビーズ（日本カーボン社製）を挙げることができる。
【００２７】
無機化合物系粉末は、二硫化モリブデン、酸化亜鉛、酸化チタン、黒鉛、金属酸化粉末、ガラスビーズ、シリカ粉末等を挙げることができる。
実際の地震を考慮した場合、潤滑性被膜が形成された平滑板への攻撃性および多方向への安定したすべり性より、配合剤は繊維状よりも粉末状が好ましい。また、その形状は球状であることが平滑板への非攻撃性および低摩擦特性に優れ好ましい。さらに、配合剤が炭素質またはグラファイト質であることが好ましい。具体的にはグラファイト化処理された球状粉末が好ましい。
炭素質配合剤は、例えば熱硬化性樹脂を硬化後、 500℃以上の温度で熱処理することにより得られる。また、グラファイト質配合剤は、例えばフェノール樹脂を硬化後、2,000℃以上の温度で熱処理することにより得られる。
【００２８】
配合剤の配合量はＰＴＦＥまたは変性ＰＴＦＥ 100体積部に対して 5〜 40 体積部であることが好ましい。配合剤が 40 体積部を越えると成形性に問題が生じたり、平滑板の潤滑性被膜を損傷する場合がある。ただし、 5体積部未満であれば補強効果に乏しく、十分な耐クリープ性、耐摩耗性が得られない。
【００２９】
以上述べたこの発明に用いる諸原料を混合・混練する手段は特に限定するものではなく粉末原料のみをヘンシェルミキサー、ボールミキサー、リボンブレンダー、レディゲミキサー、ウルトラヘンシェルミキサー等にて乾式混合すればよい。さらに、湿式法などにより成形方法に合致する所定の粒径の粒状に造粒することが好ましい。
成形について述べれば、一般的に知られた方法を採用することができる。例示すれば、フリーベーキング、ホットモールディング、アイソスタチックモールディング、連続ラム押し出し成形、ペースト押し出し、ダイレクトモールド等を挙げることができる。
本発明に係るすべり材を得る工程としては、フリーベーキングの後、スカイブにより所定のシート厚みとする。構造物の一方のフーチングに設置する金属製プレートとすべり材とを接合するには、すべり材の片面をエッチングし、接着可能状態とする。その後、エポキシ系、フェノール系あるいはポリイミド系接着剤により接合させる。
【００３０】
平滑板の表面に形成される潤滑性被膜について説明する。潤滑性被膜は、マトリクス樹脂内に低分子量潤滑成分が配合されてなる。
マトリクス樹脂はポリイミド系樹脂および熱硬化性樹脂から選ばれた少なくとも一つの樹脂であることが好ましい。ポリイミド系樹脂としては、ポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂などを、熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、フラン樹脂などを例示することができる。
ポリイミド系樹脂としてはポリアミドイミド樹脂が、熱硬化性樹脂としてはフラン樹脂が、摺動特性および耐候性などを考慮して好ましい。
潤滑性被膜を形成するために、まずマトリクス樹脂を溶剤に分散させたものが好ましい。溶剤類を例示すれば、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、メチルエチルケトン、メチルグリコールアセテート、２−ニトロプロパン、エチレングリコールアセテート、トルエン、クレシル酸などが挙げられ、これらの混合物であってもよい。
また、マトリクス樹脂に配合させることのできる低分子量潤滑成分とは平均分子量 50,000以下、好ましくは 10,000以下の含フッ素重合体およびポリシロキサンが好ましい。
【００３１】
含フッ素重合体は、ポリフルオロアルキル重合体またはフルオロポリエーテル重合体などの含フッ素重合体が好ましい。
ここで、ポリフルオロアルキル重合体とは、例えば、ＣＦ₃（ＣＦ₂）₇−、Ｈ（ＣＦ₂）₆−、ＣＦ₂Ｃl （ＣＦ₂）ＣＦ₁₁−、（ＣＦ₃）₂ＣＦ（ＣＦ₂）₇−、ＣＦ₂Ｃl （ＣＦ₃）ＣＦ（ＣＦ₂）₇−などのポリフルオロアルキル基を有する重合体であり、フルオロポリエーテル重合体は、一般式、−Ｃ_XＦ_2X−Ｏ−（X は 1〜4 の整数）で示される単位を主要構造単位とし、数平均分子量が 1,000 〜50,000の重合体である。なお、このような含フッ素重合体で、金属等に対して親和性の高い官能基、例えばグリシジル基、エポキシ基、アミノ基、カルボキシル基、水酸基、メルカプト基、イソシアネート基、スルフォン基、エステル基等を含有しているものがあるが、これらの官能基を有する含フッ素重合体はすべり特性や耐候性を満足しないおそれがあるため、官能基を有さない含フッ素重合体が好ましい。
【００３２】
ポリシロキサンは、ジメチルシロキサン、メチルフェニルシロキサン、トリメチルフルオロプロピルシロキサンなどのオルガノシロキサンの単独重合体または二種以上の共重合体が好ましい。
【００３３】
官能基を含まないポリオルガノシロキサン、例えば線状オルガノポリシロキサンブロックを主体とするポリシロキサンの一般式を化２に示す。また、その一例を化３に示す。
【化２】

（Ｒ´は同種もしくは異種の一価の有機基または水素を表す）
【化３】

（ｍは 5〜10,000、ｎは 2〜100 の整数を表す）
【００３４】
ポリシロキサンの他の形態は、アルコキシシランもしくはカーボンファンクショナルシランを主体に構成されたオルガノシランである。これらのオルガノシランを組み合わせても、またこれらのオルガノシランにコロイド状シリカもしくはアクリルポリマーなどを配合したものであってもよい。好ましいオルガノシランとしては、例えば化４に例示することができる。
【化４】

なお、これらのオルガノシランの重合体の膜を被覆するときには、平滑板表面に予めプライマーを塗布しておくことが必要である。
【００３５】
上記の含フッ素重合体あるいはポリシロキサンの保持材として、有機化合物としてはシリコーン樹脂粉末、無機化合物としては一般的なカーボン粉末あるいは黒鉛粉末を配合してもよい。ただし、これらの配合剤の粒径は 1〜10μm が好ましい。
また、含フッ素重合体あるいはポリシロキサンの配合量は、マトリクス樹脂 100体積部に対して 5〜 40 体積部であることが好ましい。配合量が 40 体積部を越えると被膜の密着強度が低下したり、耐摩耗特性が低下する場合がある。また、 5体積部未満であると低摩擦係数が得られなくなる。
被膜の膜厚は 5μm 以上、30μm 以下が好ましい。なぜならば、 5μm 未満であれば、耐久性に劣り、30μm を越えると塗布作業性が困難となり、安定した被膜が得られにくい。
また、被膜の表面あらさは算術平均あらさＲａにて 0.5〜2.5 μm が好ましく、すべり材全体の形状は凹形状より、むしろ、中央部への緩やかな凸形状（0.1〜1.0mm）が好ましい。
【００３６】
以上述べた本発明に用いる諸原料を混合・混練する手段は特に限定するものではなくマトリクス樹脂、およびその他配合剤をボールタンブラミキサーなどに一括配合し、所定時間混練すればよい。また、被膜の形成方法は、一般的なスプレーコーティング後、焼成すればよい。
【００３７】
本発明のすべり免震装置は、上述のすべり材と潤滑性被膜が形成された平滑板とから構成されるが、さらに、すべり材がすべり出すまでに、その水平力に抗して変形可能な部材がすべり材に直接または中板を介して直列に設けられていることが好ましい。これは、すべり面の面当たり性を確保することが容易となるためである。
水平力に抗して変形可能な部材としては、単純にゴム材、すなわち、単層から積層のゴム部材、または、エアダンパー、オイルダンパー、ウォータダンパー、コイル、バネ、粘性体、球面受けなどを用いることができる。
【００３８】
本発明の免震構造は、下部躯体と上部躯体との間に上述のすべり免震装置を少なくとも備えてなる。
また、上述のすべり免震装置のみであっても、本発明は免震性能を発揮するが、上部躯体に対して高周波成分の低減の効果を出すため、また、地震に対して残留滑りの発生を抑えるために、復元性を有する装置を併用することが好ましい。特にすべり免震装置と弾性免震装置とを併用することが好ましい。また、併用することにより、見かけの摩擦係数を低下させることができる。弾性免震装置としては、積層ゴムからなる弾性免震装置であってもよい。最も好ましい弾性免震装置は、鉛プラグ入積層ゴム、あるいは高減衰積層ゴムである。鉛プラグ入積層ゴム、あるいは高減衰弾性ゴムからなる積層ゴムを用いた弾性免震装置と本発明に係るすべり免震装置とを組み合わせることにより、免震層の変形を小さく抑えながら免震効果を発揮できる、地震後の残留変形を小さくできるなどの利点がある。
【００３９】
すべり免震装置と弾性免震装置とを併用する免震構造の一例について図３により説明する。図３はすべり免震装置と弾性免震装置とを併用した免震構造の断面図である。すべり免震装置１と、上下部躯体に固定された積層ゴム弾性免震装置１０とが、上部躯体９と下部躯体８との間に配設されている。
本発明の免震構造は、すべり免震装置１の摩擦係数μを0.05以下に設定するので、弾性免震装置１０の数を少なくしても見かけの摩擦係数μ₀を小さくすることができる。その結果、すべり出しの加速度を小さく保ったまま免震周期の長周期化ができ、また免震構造の設計の自由度を増すことができる。
【００４０】
【実施例】
実施例および比較例に用いる材料を以下に示す。また、これら材料を用いた実施例および比較例の配合割合を表１および表２に示す。
１．四フッ化エチレン系樹脂
（１）変性ＰＴＦＥ−１テフロンＴＧ７０Ｊ（三井・デュポンフロロケミカル社製）
（２）一般ＰＴＦＥテフロン７Ｊ（三井・デュポンフロロケミカル社製）
２．配合剤
（１）ＣＦ−１（ピッチ系炭素繊維）クレカミルドＭ１０１Ｓ（呉羽化学社製）
（２）球状黒鉛ベルパールＣ２０００（鐘紡社製）
（３）硫酸カルシウムウィスカフランクリンファイバーＡ−３０（無水塩型）（大日精化工業社製）
（４）ガラス繊維ＭＦ−ＫＡＣ（旭ファイバーグラス社製）
（５）黒鉛ＡＣＰ（日本黒鉛社製）
３．マトリクス樹脂
（１）エポキシ樹脂
（２）フラン樹脂
４．低分子量潤滑成分
（１）含フッ素重合体フォンブリンＺ２５（Ａｕｓｉｍｏｎｔ社製）
（２）ポリシロキサンジチルシロキサン（東レ・ダウコーニング社製）
５．その他
（１）カーボンブラックＦＥＦ（東海カーボン社製）
（２）シリコーン粉末Ｅ５０１（東レ・ダウコーニング社製）
【００４１】
上記材料を用いてすべり材１〜すべり材１０、および潤滑性被膜形成のためのコーティング材１〜コーティング材１０を以下の方法で作製した。
すべり材は、表２に示す組成をヘンシェル乾式混合機を用いてドライブレンドし、プレス機を用いてφ124mm×φ64mm× 100mmの円筒素形材を予備成形し、 370℃× 4時間、フリーベーキング法にて焼成した。さらにスカイビング加工により 1mm×80mm×1,000mm のシート試験片を得た。シートの片面をアルカリ処理によりエッチングし、接着可能とした。ステンレス製治具（ 20mm × 20mm × 10mm ）の一面にエポキシ系接着剤を用いて、接合し、摩擦係数μ測定用のすべり材試験片とした。
【００４２】
【表２】

【００４３】
一方、コーティング材は、表３に示す組成をボールミルタンブラを用いて、混練し、コーティング液とした。ステンレス板（ 40mm × 40mm ×180mm ）の一面にスプレーコーティングし、 200℃で約 30 分間焼成し、潤滑性被膜が形成された平滑板とした。なお、膜厚は約 10 から 15 μm であった。
【００４４】
【表３】

【００４５】
実施例１〜実施例１４および比較例１〜比較例６
すべり材とコーティング材とを、表４に示すように組み合わせて、その摩擦摩耗試験を行なった。試験は往復動型試験機を用いた。試験条件は、すべり速度 15cm/sec、荷重 30MPa、ストローク±35mmで 300サイクルの往復動運転を行ない、10、 100、 300サイクル時の摩擦係数を測定した。結果を表４に示す。
また、すべり材の圧縮特性を圧縮クリープにより求めた。圧縮クリープは、ＡＳＴＭＤ６２１を参照し、常温にて面圧 30MPaで圧縮し、 24 時間後の最大変形率を求めた。結果を表２に示す。
【００４６】
【表４】

【００４７】
表２および表４の結果から明らかなように、本発明のすべり免震装置に用いるすべり材の圧縮クリープ特性は、 24 時間後の最大変形率が 30MPaで 15 ％以下であり、 30MPaという高面圧でもすべり免震装置の使用可能性が認められた。
また、本発明に係るコーティング材から得られる平滑板との組み合わせにより、実際の往復動の数十倍にあたる 300サイクルまで摩擦係数μ約 0.03 と小さく安定していた。
【００４８】
実施例２および比較例４のすべり免震装置を積層ゴム弾性免震装置とそれぞれ並列に配設して、免震構造のシミュレーション解析を行なった。シミュレーション解析モデルを図４に示す。
採用した建物のモデルを以下に示す。
１）規模：地下２階、地上６階、塔屋１階（地下階を含む高さ 40.5m）
２）構造種別：ＳＲＣ造
３）１次固有周期： 0.86 秒
４）１次減衰定数： 2％
免震構造は地下 2階床下に設置したすべり免震装置１と鉛プラグ入り積層ゴム免震装置１０の混合配置からなる基礎免震構造とする。また、解析モデルは各階重量を 1質点に集約した 9質点系等価せん断モデルとする。以下に解析条件を示す。
【００４９】
建物モデルの条件：１）各階の重量及び剛性を図４に示す。２）建物部分は弾性とする。
【００５０】
免震層モデルの条件：
１）それぞれの免震装置の負担重量比率は、すべり免震装置が 55 ％、鉛プラグ入り積層ゴム免震装置（ＬＲＢ）１０が 45 ％とする。
２）鉛プラグ入り積層ゴム免震装置の復元力特性はNormal Bi-Linear型とし、第２勾配は初期剛性の1/6.5 とする。
３）免震構造の復元力特性はNormal Bi-Linear型とし、初期剛性はすべり免震装置と直列に配置した
４）水平力に対して変形可能な部材はせん断弾性係数Ｇ5.5kg/cm²、厚さ16mmの単層ゴムとした。
５）すべり材の組み合わせは、摩擦係数μが0.03とする。なお比較例はμが0.10とする。
【００５１】
入力地震動の条件：
入力地震動としては、El Centro 1940 NS 、Taft 1952 EW、Hachinohe 1968 NS の 3波を最大速度が 50kine となるように比例倍して用いる。
【００５２】
シミュレーション解析結果を図５に示す。入力地震動によって多少の差違はあるものの、摩擦係数μが0.03の本発明に係る免震構造は、全般的にμが0.10である比較例のデータに比べて応答値が低減されている。特に応答加速度および層せん断力係数に関しては本発明に係る免震構造は最大 50 ％程度応答値が低減されている。以上の解析により実施例の摩擦低減の効果は非常に大きい。
【００５３】
【発明の効果】
本発明のすべり免震装置は、マトリクス樹脂内に低分子量潤滑成分を含有する潤滑性被膜が形成された平滑板と、四フッ化エチレン系樹脂を主成分とする樹脂組成物で形成され、平滑板に一方の面が摺接するすべり材とを具備するので、摺動開始初期およびその後も安定して、優れた低摩擦特性を有する。その結果、免震設計の自由度が増し、また本発明のすべり免震装置を用いることにより免震構造の小型化が図れる。
【００５４】
また、潤滑性被膜が、マトリクス樹脂がポリイミド系樹脂および熱硬化性樹脂、特にフラン樹脂から選ばれた少なくとも一つの樹脂であるので、安定した低摩擦特性を有するすべり免震装置が得られる。
【００５５】
四フッ化エチレン系樹脂への配合剤が繊維状配合剤および粉末状配合剤から選ばれた少なくとも一つの配合剤で、また、上記粉末状配合剤の形状が球状で、また、上記配合剤が炭素質またはグラファイト質であるので、すべり材の耐摩耗性を向上させるとともに、圧縮クリープ性に優れ、高面圧下における潤滑性被膜との摺動において、優れた摩擦係数を維持することができる。
【００５６】
四フッ化エチレン系樹脂が変性四フッ化エチレン樹脂であるので、潤滑性被膜との摺動において、優れた摩擦係数を得ることができる。
【００５７】
本発明のすべり免震装置は、上記潤滑性被膜およびすべり材に加えて、すべり材の摺接面の対面に直接または中板を介して、水平力に抗して変形可能な部材が積層されてなるので、免震構造の設計可能範囲を拡大することができる。
また、中板を設けることにより、面圧を大きくすることができ、摩擦係数を下げることができる。
【００５８】
本発明の免震構造は、すべり免震装置部分が上記すべり免震装置であるので、すべり出しの加速度を小さく保ったまま免震周期の長周期化ができる。
【００５９】
また、弾性免震装置を並列して用いるので、また、その弾性免震装置の一部または全部が鉛プラグ入積層ゴム、あるいは高減衰積層ゴムであるので、免震構造の設計可能範囲をより大幅に拡大することができる。
特に弾性免震装置の一部または全部が鉛プラグ入積層ゴム、あるいは高減衰積層ゴムであると、摩擦係数を 0.05 以下のすべり免震装置の作用とともに、大きな地震力のみならず小さな地震力においても、十分な免震機能を持たせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】すべり免震装置の断面図である。
【図２】単層ゴム材の変形量と有効受圧面積との関係を示す図である。
【図３】すべり免震装置と弾性免震装置とを並列に配設した免震構造の断面図である。
【図４】建物モデルの条件を示す図である。
【図５】シミュレーション解析結果を示す図である。
【図６】従来の弾性すべり免震装置の断面図である。
【図７】積層ゴム部分の変形量と有効受圧面積との関係を示す図である。
【符号の説明】
１すべり免震装置
２平滑板
３潤滑性被膜
４すべり材
５中板
６単層ゴム材
７上板
８下部躯体
９上部躯体
１０積層ゴム弾性免震装置

Claims

下部躯体と上部躯体との間に配設され、高層構造体から低層構造体に至る建築構造体、または土木構造体を支持し、地震外力を低減するすべり免震装置であって、
前記すべり免震装置は、マトリクス樹脂１００体積部に平均分子量５０，０００以下の含フッ素重合体またはポリシロキサンから選ばれた少なくとも一つの低分子量潤滑成分５〜４０体積部を含有する潤滑性塗膜が形成された平滑板と、四フッ化エチレン系樹脂を主成分とする樹脂組成物で形成され前記平滑板に一方の面が摺接するすべり材とを具備することを特徴とするすべり免震装置。
前記マトリクス樹脂がポリイミド系樹脂および熱硬化性樹脂から選ばれた少なくとも一つの樹脂であることを特徴とする請求項１記載のすべり免震装置。
前記熱硬化性樹脂がフラン樹脂であることを特徴とする請求項２記載のすべり免震装置。
前記樹脂組成物に配合される配合剤が繊維状配合剤および粉末状配合剤から選ばれた少なくとも一つの配合剤であることを特徴とする請求項１記載のすべり免震装置。
前記粉末状配合剤の形状が球状であることを特徴とする請求項４記載のすべり免震装置。
前記配合剤が炭素質またはグラファイト質であることを特徴とする請求項４または請求項５記載のすべり免震装置。
前記四フッ化エチレン系樹脂が、四フッ化エチレン単位と、四フッ化エチレンのフッ素が他の有機基で置換された置換四フッ化エチレン単位とから構成される変性四フッ化エチレン樹脂であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項記載のすべり免震装置。
請求項１記載のすべり免震装置において、前記平滑板上を前記すべり材がすべり出すまで、前記すべり材の摺接面の対面に直接または中板を介して、前記水平力に抗して変形可能な部材が直列に配置されてなることを特徴とするすべり免震装置。
下部躯体と上部躯体との間に配設されるすべり免震装置を少なくとも備えてなる免震構造であって、
前記すべり免震装置が、請求項１ないし請求項８のいずれか一項記載のすべり免震装置であることを特徴とする免震構造。
前記免震構造において、前記すべり免震装置とともに復元力を有する装置を併設したことを特徴とする請求項９記載の免震構造。
前記下部躯体と前記上部躯体との間に弾性免震装置を前記すべり免震装置と並列に配設してなることを特徴とする請求項９、１０記載の免震構造。
前記弾性免震装置の一部または全部が鉛プラグ入積層ゴム、あるいは高減衰積層ゴムであることを特徴とする請求項１１記載の免震構造。