| 積層ゴムの特性 |
積層ゴムがせん断力を受けたときのせん断力と水平変形の関係を図4に示す。図中には2種類の履歴曲線が示されている。履歴曲線aはある変形までは水平変形に比例してせん断力も大きくなり、一様の水平剛性を示すが、その変形以降は水平剛性が徐々に大きくなり（ハードニングと呼ぶ）、最終的に変形  でゴム層破断に至る。ハードニングは、ゴム材料のひずみ硬化が現れた結果である。これに対して、履歴曲線bはハードニング現象が見られず、変形 以降、水平剛性が負となり復元力を喪失している。この様な現象は積層ゴムの座屈により発生する。座屈荷重はゴムのせん断弾性率 G に形状係数を乗じた GS1S2 にほぼ比例する。履歴曲線bは積層ゴムの形状が、曲げ変形が発生しやすい形状であった（ S1,S2 が小さい）場合、もしくは積層ゴムの形状が扁平で安定していても圧縮荷重が過大であったりする場合に見られる。また、履歴曲線aは、積層ゴムの形状がせん断変形が卓越するような形状か、圧縮荷重が小さな場合である。積層ゴムの限界変形は、履歴曲線aでは破断変形  であり、履歴曲線bでは変形  となる。積層ゴムの設計変位を  とした場合、積層ゴムの安全余裕度は履歴曲線aの方が大きいのは明らかである。従って、積層ゴムの水平変形能力は、圧縮荷重、 S1、S2 に依存しており、これらを適切に設定することが重要となる。 |
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積層ゴムのゴム材質は機械的特性や耐久性などに直接関係するため、ゴムの配合や物性には十分な配慮が必要である。ゴム物性の中で特に重要となるのはせん断弾性率 である。ゴム材料のせん断弾性率は材料試験により求められるが、これが積層ゴムの剛性等を算出する際に使用されるせん断弾性率とは完全に一致しないことがある。これは、積層ゴム製造時の加硫工程においてゴム物性が変動することがあるためであり、設計用のせん断弾性率を決定する際には注意が必要である。 |
| 免震建物の周期 は、積層ゴムの水平剛性をせん断式（ ）で表すことで、次式のように積層ゴムの全ゴム層厚、ゴム材質及び面圧との関係で表すことができる。 |
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(1) |
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| ここで、 はゴムのせん断弾性率、 は積層ゴムの平均面圧、 は積層ゴムの全ゴム層厚である。 |
| 免震周期 Τƒ をできるだけのばすためには、積層ゴムのゴム厚 h と面圧 δ を大きくし、ゴムのせん断弾性率 G を小さくする必要がある。 |
| 直径を一定とし、ゴム厚のみを大きくすれば積層ゴムの安定性に関するパラメータS2 が小さくなり、大変形時の鉛直荷重支持能力の喪失と鉛直沈み込み量の増大を引き起こすようになる。即ち、基本的機能のd)とe)が満足されなくなる。機能d)e)を満足させるためには、 S2 の値をある程度大きく設定することが肝要となる。硬度40の天然ゴム系積層ゴムについては S2 を5程度以上とすることで機能d)e)が満足されることが確認されている。このことは、地震時の軸力変動に対しても、積層ゴムの水平剛性の変動を考慮する必要はなく、耐震設計・解析上大きなメリットを与えることになる。また、積層ゴムの安定した変形能力を得るためには、1次形状係数 S1 も30〜40程度とするのが効果的である。 |
| 積層ゴムの性能の大部分は、ゴム材料の非圧縮性と低弾性率、及び優れた耐久性により与えられている。積層ゴムに最もふさわしいゴム材質は天然ゴムに近い材料であるといわれている。一般の工業用ゴム製品に使われる材料は生(原料)ゴムに硫黄、カーボンブラック、種々の添加剤などが混合されたものである。この様な加工によりゴム材料はゴム弾性を発現するようになり、硬度は40〜70程度となる。現在最も柔らかいゴム材料のせん断弾性率は4kg/cm2程度であり、これは生ゴムの2倍以上の値である。より高い免震性能を指向するためには、より柔らかく、かつ積層ゴムに適した信頼性の高いゴム材料の開発がぜひとも必要である。 |
