JP2006514181A - とくには地震による負荷にさらされる建造物において、衝撃および／または振動力の伝達を弱めるための支承構造 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、とくには地震による負荷にさらされる建造物において、衝撃および／または振動力の伝達を弱めるための支承構造であって、支承本体の2つの部品間に体積弾性減衰材料を配置して有する支承構造に関する。
【解決手段】本発明によれば、第1の支承部品が基本的にポットの形状を有しており、案内スリーブがポットの中心に配置されると共に、1つまたは複数の補強用スリーブが案内スリーブとポット内壁の間に配置され、減衰材料がポット内壁、補強用スリーブ、および案内スリーブの間の空間を少なくとも部分的に満たしている。第2の支承部品は、案内スリーブの内側を変位できるボルトからなり、このボルトが第1の取り付け板に接続されている。支承部品を建造物に固定するため、第2の取り付け板がポットの外側に設けられている。例えばコンクリートで包み込むなど、支承部品、ボルト、および／または取り付け板を支持対象部材に埋設することも可能である。

Description

本発明は、とくには地震による負荷にさらされる建造物において、衝撃および／または振動力の伝達を弱めるための支承構造であって、体積弾性減衰材料を、請求項1の前段部分に記載の支承本体の2つの部品の間に配置して有する支承構造に関する。

平行またはねじりの力には応答するが圧縮には応答せず、衝撃および振動の減衰に適しているゴム製のばねは、公知の技術水準に属するものである。そのようなばね要素は、機械の各種分野の多くで、例えば高周波の構造物を起源とする振動の減衰および吸収に使用されている。市販のゴム製ばねは、成型ゴム部品を固定および力の導入のための金属製の接続片上に加硫硬化させてなる。体積弾性体および非圧縮性材料としてのゴムは、非線形な応力‐伸びの挙動を有しており、フックの法則による荷重と変形との間の比例関係は制限される。

例えば、橋梁や他の建造物において、熱に起因する膨張力を補償するための金属／ゴム製の支承が、広く使用されている。しかしながら、そのような構造は、地震によって生じる負荷の引き受けには適していない。

地震時の負荷に対して建造物の応力を軽減するために考えられる一方策は、いわゆる免震である。この用語は、建造物の共振時間を地震の加振周波数から切り離すことを意味する。これは、水平方向に柔らかい支承面を形成し、建造物の共振時間を長くすることによって実行される。地震による加振の特徴ゆえ、対応する系の共振時間が約３〜５秒の範囲にあれば、影響を受ける建造物において大幅な応力軽減が達成される。

しかしながら、標準化された支承を使用するため、支承面の剛性は、わずかに限られた範囲でしか制御することができない。例えば、橋梁システムの共振時間を３〜５秒といった範囲にまで増加させることは、標準化されたエラストマー支承では、ほとんど達成することができない。公知の橋梁支承は、水平方向に柔らかいエラストマー支承を剛直な固定手段と組み合わせて実現されている。このような剛直な固定手段は、地震の場合に生じる力をほとんど引き受けることができないうえ、建造物の動的な挙動を悪化させてしまう。

公知の免震手法の欠点は、部材間に相対運動が発生する点にあり、系の固有振動時間が長くなると共に顕著になる。とくに、橋梁構造においては、基本的には横方向であるが、許される運動の大きさが極めて限られている。

現在の技術水準に関し、環状のばねを開示するドイツ国特許第４９８０４３号が参照されるが、水平方向に作用する力の引き受けを取り扱っていない一方で、垂直方向の力の伝達が存在しない。フランス国特許出願公開２６５２８６５Ａ１号も、類似のアプローチを追及している。この場合も、Ｚ方向における自由な運動はもたらされていない。更にいえば、この従来技術において想定されている適用例は、鉄道車両の車輪懸架装置のための減衰装置に向けられている。

米国特許第２，１２６，７０７号も、ゴム弾性体減衰空間を備える一種の環状ばねを開示している。そこに開示されている楕円形の減衰体は、Ｚ軸方向の自由な運動性という問題を解決しておらず、長軸と短軸の方向で減衰値が異なっている。

以上に基づき、本発明の目的は、とくには地震による負荷にさらされる建造物において、衝撃および／または振動力の伝達を弱めるための支承系の要素としての先進の支承構造であって、建造物の振動挙動、最大の可動範囲、および伝達される力、ならびに要素の所望の大きな減衰について、簡単かつ最適な調節が実行できるような方式で選択される構造を明らかにすることにある。

本発明のこの目的は、請求項1の特徴による支承構造によって解決され、従属請求項は、少なくとも適切な実施の形態および発展からなる。

本発明によれば、第1の支承部品が基本的にポット状に形成され、案内スリーブがポットの中央に配置されると共に、１つまたは複数の補強用スリーブが、案内スリーブとポットの内壁との間に配置される。体積弾性減衰材料が、ポット内壁、補強用スリーブ、および案内スリーブの間の空間を、少なくとも部分的に満たしている。

第2の支承部品が、案内スリーブの内側を変位できるボルトで構成され、このボルトが第1の取り付け板に接続されている。第2の取り付け板または取り付け領域が、ポットの外側に設けられており、第1および第2の支承部品を、例えば基礎と支持対象の建造物との間に固定することができる。

補強用スリーブは、好ましくは案内スリーブの周りに同心に配置され、減衰材料に少なくとも部分的に埋設されている。

補強用スリーブは、ポットの断面形状に合わせて構成されている。したがって、環状のポットにおいては、補強用スリーブもまた環状であって、対応する飛び飛びの直径比を有している。

ポットそのものは、前述のとおり円形または環状の形態を備えることができるが、楕円形、矩形、または多角形の断面、あるいはそのような断面積をそれぞれ有してもよい。

ポットの上部領域および底部領域は開いており、かつ一方ではボルトの運動、他方では減衰部材の運動が妨げられないような方式で、覆いが設けられている。換言すれば、減衰部材が、力の作用の方向と直交する方向に変形するとき、基本的に自由に広がることができなければならない。

減衰材料は、ポット内壁、案内スリーブ外壁、および／または補強用スリーブ外壁に、加硫硬化によって接続されている。

第1および第2の取り付け板または取り付け領域は、それぞれ、一方では支持対象部材の台座、支柱、または基礎に、他方では支持対象部材そのものに、固定されている。

固定は、水平すなわちＸおよびＹ方向にそれぞれ作用する力を引き受けることができるが、垂直には力が伝達されないような方式でなされており、これは、案内スリーブのボルトが隙間なしで可動に支持されることによって実現される。固定は、取り付け板、第1および／または第2の支承部品またはボルトがそれぞれ、例えば支持対象部材のコンクリート内に包まれて埋設されるような方式でも可能である。

さらに、ポットしたがって補強用スリーブならびに減衰材料の断面積を楕円にすることで、楕円の長軸および短軸の方向に異なる減衰値を指示することができる。

加硫硬化の領域の破壊を生じることなく最大の力を引き受けることができるよう、減衰材料は、減衰材料とポット内壁および／または案内スリーブ外壁との間の周縁移行領域において、無負荷状態における平均厚さ分布に比べて反るように形成されている。したがって、この移行領域は、連続的に盛り上がるように形成され、あるいは環状またはビード型の傾きを備えている。

減衰材料の接着をさらに向上させるため、補強用スリーブはそれぞれ、短辺において面取りが設けられ、あるいは円弧状に広がっており、あるいは対応する形状とされた曲率を有している。

ポットの矩形の断面積によって、楕円形の構成と同様、矩形の各辺の方向にさまざまな減衰または剛性比を設定することができる。

減衰材料は、天然または合成の高分子物質であり、ポット、補強用スリーブ、および案内スリーブは、金属とくには鋼で構成される。

加硫硬化によって接続される金属の表面積は、好ましくは粗面構造を有している。

支承構造の荷重支承能力および変形可能性は、それぞれ基本的には、外側リングすなわちポットの直径および形状、案内ボルトおよび関連するスリーブの直径および形状、ならびにエラストマーすなわち減衰材料の層の数、配置、高さ、および厚さによって決まる。全体構成の変形挙動を、エラストマー材料そのものによって設定できる一方で、さらに各エラストマー層を、異なる特性を有する異なる材料から形成することができる。支承構造の特性を設計するための他の変数は、構成における減衰部材と金属部品との間の接続に関し、加硫硬化による実施の形態と加硫硬化によらない実施の形態との間で選択が可能である点にある。

金属部品の強度、厚さ、および補強は、それらに想定される最大負荷に従って選択される。エラストマー材料に作用する応力は、構造の細部に関する解決策によって軽減することができ、すなわちエラストマーによる補強用スリーブの上側および／または下側の覆いを変化させることによって軽減することができ、さらにはエラストマーとポット内壁およびエラストマーと案内スリーブ外壁との間の接続箇所を対応する応力軽減形状にそれぞれ設計することによって、軽減することができる。

この支承構造の新規な用途は、建造物の支承において水平力すなわちＸおよびＹ方向の力を弾性的に伝達する目的である。

特別な適用分野として、例えば橋梁などの建造物の地震に対する保護に触れておかねばならない。要素が、好ましくはＸ／Ｙ平面のみにおいて、すなわち補強用スリーブと直角に、力を伝達することが好都合である。要素の平面に直交する方向、換言すればＺ方向、すなわち補強用スリーブと平行な方向について、隣接部材間の変位が、ほぼ力を加えることなく可能にされる。

公知の水平固定と対照的に、それぞれ減衰材料またはエラストマー層の所与の弾性が、水平方向の運動の発生を可能にする。これが、復帰力の連続的な増加を生じさせる。支承構造の剛性が、変形の程度が大きくなると共に増加し、すなわち漸進的な剛性が与えられる。本発明の支承構造を使用することで、動的応力に対する減衰を、所望の方式で得ることができる。前述したパラメータにより、支承構造の幅広い寸法設定が可能であり、全体としての減衰挙動を、エラストマーの材料特性を変更することによって、制御された方式で左右することができる。

この支承構造を使用することによって、建造物の浮動支承という意味で、所望の方向への建造物の小さな運動について、ほとんど力のいらない支承が可能になり、力による応力が軽減される。建造物の動きが大きくなると、復帰力が漸進的に増加し、エラストマーそのものの弾性挙動によるエネルギーの放散が発生し、例えば地震などの動的な負荷の際に、建造物の応力の低減がもたらされる。

所望の力‐変形挙動に対して支承構造の寸法を簡単に決定できることによって、建造物の支承を要件または影響に合わせて制御された方式で調節する可能性が生み出されている。この調節は、建造物の振動挙動、可能な最大の運動の程度、伝達すべき力、および支承構造の減衰に関して達成することができる。従来からの支承と対照的に、異なる断面形状を選択することによって、長手方向および横方向すなわちＸおよびＹ方向について、それぞれ異なる減衰挙動を設定することができる。これは、或る特定の方向について可能な最大の変位の程度を制御可能にする。

本発明の支承構造の製造のため、新規なアプローチが追及される。この技法は、最初にゴム弾性材料が案内スリーブの周囲に巻き付けられることを特徴とする。第1の補強用スリーブが、このようにして得られた対象物を覆うように取り付けられる。続いて、ゴム化合物がもう一回巻き付けられ、以下同様である。次いで、予め製作されたこの部品が金型内に入れられ、この金型が、同時に外壁すなわち支承部品をそれぞれ呈する。金型の底および金型の覆いは、ゴム化合物から金属部品への移行領域の形成を助けるため、内向きのアーチ状になっている。次いで、実際の加硫硬化プロセス、すなわち巻き付けられた層の互いの接合、およびそれぞれ補強用スリーブまたは支承部品への接合、ならびに案内スリーブのゴム材料に面する面への接合が、それぞれ熱処理または圧力および熱処理によって行なわれる。巻き付けられた層の数および種類、したがって巻き付けられた厚さによって、種々な寸法、とくには種々な直径の支承構造を、簡単な方式および低いコストで実現することができる。切開環のスリーブへの取り付けに基づく従来技術に比べ、厄介な空気の噛み込みを回避することができる。

以下で、本発明を、図面を参照しつつ実施の形態によって、さらに詳しく説明する。

以下の説明による支承構造は、一例としては、例えば橋梁である支持対象部材１’と基礎１との間に、取り付け領域２および３を介して適当な方式で固定される。

一般に、第1のポット状の支承部品6を基礎1に固定することができるが、支持対象の部材１’に固定することもできる。

第1のポット状の支承部品６は、その中心に案内スリーブ７を有しており、案内スリーブ７と第1の支承部品６の内壁との間に、１つまたは複数の補強用スリーブ５が配置されている。減衰材料４が、ポットの内壁および補強用スリーブ５ならびに案内スリーブ７の間において、空間を少なくとも部分的に満たしている。

第2の支承部品は、案内スリーブ7内で変位可能なボルト８からなり、ボルト8が、対応する取り付け板２；３に接続されている。

図示した例では、補強用スリーブ５が案内スリーブ７の周囲に同心に配置され、減衰部材４に埋め込まれている。補強用スリーブ５は、ポット状の第1の支承部品6の断面形状に合わせて構成されている。すなわち、補強用スリーブ５は、例えばポットの形状に類似した環状の形状を有している。

さらに、図には示されていないが、ポットが楕円、矩形、または多角形の断面積を有してもよい。ポットの上面および下面は、図３の右側部分に見て取れるように減衰材料４が、対応する負荷が加わったときに、Ｘ方向において上方および下方に自由に広がることができるような方式で設計されている。

減衰材料４は、それぞれポット、補強用スリーブ５、および／または案内スリーブ７の好ましくは金属表面に、加硫硬化によって接続されている。

支承構造の固定は、図３を眺めたときに、水平に作用する力、すなわちＸおよびＹ方向の力を引き受けることができる一方で、垂直すなわちＺ方向には力が伝達されないような方式で行なわれる。

図1における詳細図は、減衰材料4とポット状の第1の支承部品6の内壁との間の円弧状の移行領域を示しており、この円弧状の移行領域は、金属表面上に加硫硬化させた減衰材料が金属表面から離れることがないようにし、接着を改善すると共に、生じる力の信頼できる伝達を実現するためのものである。

ポットおよび補強用スリーブ5において、円形以外の断面積を選択することによって、ＸまたはＹ方向について異なる減衰比または剛性比を指定することが可能である。

この実施の形態によれば、減衰材料は、天然または合成の高分子物質で構成され、ポット、補強用スリーブ、および案内スリーブは、鋼で構成される。減衰材料の接着を向上させるため、金属製の部品の対応する表面は、粗くされた構造を有することができる。

この実施の形態による支承構造は、漸進的な力、変形、および剛性分布を有する連続的な力の伝達を可能にする。必要とされる剛性および荷重支承能力を、単に寸法比を変化させることによって調節できる。この支承構造を使用したとき、剛である固定手段に比べ、建造物の運動によって生じる力を低減することが可能である。

この支承構造の特別な適用分野は、個々に挙げれば、地震に対する橋梁の保護における使用、または橋梁建造物の浮動低振動支承としての使用である。

一実施形態に係る支承構造の断面図である。 図1のA‐A線に沿った他の断面図である。 Ｘ方向に負荷が加えられたときの支承構造の主要部の部分斜視図である。

Claims (11)

1. とくには地震による負荷にさらされる建造物において、衝撃および／または振動力の伝達を弱めるための支承構造であって、
   体積弾性減衰材料を、支承本体の2つの部品の間に配置して有しており、
   第1の支承部品が基本的にポットの形状を有しており、案内スリーブがポットの中心に配置されると共に、1つまたは複数の補強用スリーブが案内スリーブとポット内壁の間に配置され、減衰材料がポット内壁、補強用スリーブ、および案内スリーブの間の空間を少なくとも部分的に満たしており、
   第2の支承部品が案内スリーブの内側を変位できるボルトからなり、
   第1および第2の支承部品を固定するため、ボルトが第1の取り付け板に接続されると共に、さらに第2の取り付け板がポットの外側に設けられ、
   第1および第2の取り付け板または取り付け領域が、一方では支持対象部材の台座、支柱、または基礎に、他方では支持対象部材そのものに、固定または埋設され、
   固定は、水平すなわちＸおよびＹ方向に作用する力は引き受けられるが、垂直すなわちＺ方向には力が伝達されないような方式でなされており、
   補強用スリーブが、案内スリーブの周囲に同心に配置されると共に、減衰材料に埋設され、それぞれの短辺に面取りまたは円弧状の曲率を有しており、
   減衰材料が、接着および力の引き受けを向上させるため、減衰材料とポット内壁および／または案内スリーブ外壁との間の周縁移行領域において、無負荷状態における平均厚さ分布にくらべて反るように、およびポット内壁および／または案内スリーブ外壁上に加硫硬化させて形成されている
   支承構造。
2. 前記補強用スリーブが、前記ポットの断面形状に合わせて構成されていることを特徴とする請求項１に記載の支承構造。
3. 前記ポットが、円形、楕円形、矩形、または多角形の断面積を有していることを特徴とする請求項２に記載の支承構造。
4. 前記ポットの蓋領域および底領域が開いており、かつ変形時に前記減衰材料が力の作用の方向と基本的に直角に広がることができるような蓋領域または底領域からなっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の支承構造。
5. 前記減衰材料が、前記ポット内壁、前記案内スリーブ外壁、および／または前記補強用スリーブと、前記ポット内壁、前記案内スリーブ外壁、および／または前記補強用スリーブ上への加硫硬化によって接合されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の支承構造。
6. 前記ポットおよび前記補強用スリーブの楕円形の断面積によって、楕円の長軸および短軸の間に異なる減衰および剛性値を指定することができることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の支承構造。
7. 前記減衰材料が、好ましくは環状かつ円弧状のビード型の傾きを有する連続的な移行を形成していることを特徴とする請求項１に記載の支承構造。
8. 前記ポットの矩形の断面積ａ・ｂによって、それぞれの辺ａおよびｂの方向に異なる減衰または剛性比を特定することができることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の支承構造。
9. 前記減衰材料としての天然または合成の高分子物質、および金属とくには鋼で構成される前記ポット、前記補強用スリーブ、および前記案内スリーブを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の支承構造。
10. 加硫硬化によって接続される金属の表面が、粗面構造を有していることを特徴とする請求項９に記載の支承構造。
11. 前記ボルトが、前記案内スリーブ内に回転可能に支持されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の支承構造。

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