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設計者のための免震入門(8) 免震層の設計
 
 
積層ゴムの設計
 免震建物では、アイソレータやダンパーの特性を選択することで、地震時の応答性状を決定することが可能である。これは事前に建物の性能を決定・評価できることを示している。従って、免震建物にどのような性能を与えたいかを設計者が決定し、それを実現するように上部構造やダンパーとの関連性を考慮して、積層ゴムの配置、サイズ、個数や面圧などを決定していけばよいことになる。
 使用する積層ゴムのサイズや形状は、積層ゴムの性能評価上、品質管理上できるだけ統一した方が良い。ただし、実際には積層ゴムの軸荷重は一様ではないため免震性能を向上させるためには柔らかいゴム材質を持つ積層ゴムや成の高い(2次形状係数の小さい)積層ゴムを使用することもある。この場合、個々の積層ゴムの持つ性能には当然差異があり、これらの特性を十分把握した上で設計することが必要である。
 この様な点に配慮すれば、積層ゴムの設計は、大略次の様な手順で行うことができる。


(1)免震周期 Tƒ と設計変位 δcr の設定
 建物の用途、地盤種別や応答などを基に、想定する地震入力や免震性能(免震層のベースシア係数や最大変形量)を設定する。これらの性能を満足する設計変位 や免震周期 を包絡解析法などに基づいて設定する。


(2)積層ゴムの2次形状係数 S2 とせん断弾性率 G の設定

 積層ゴムの形状や材質を設定する。柱軸力の大きさにより形状や材質を変化させる場合には、代表的な S2 G を設定しておく。
 2次形状係数 S2 は積層ゴムの座屈性能に関連している。2次形状係数が5程度であれば、軸力変動による水平剛性の変動が小さく、座屈も起こりにくい。
 ゴム材料のせん断弾性率は積層ゴムの水平剛性や座屈応力度に関連しており、積層ゴムの特性を支配する重要な材料定数である。現在のところ、柔らかいゴム材料としては、 G =3kg/cm2程度である。免震構法を軽量建築物に適用しやすくするにはより柔らかいゴム材料の開発が不可欠となる。


(3)積層ゴム最小径 Dmin の設定
天然ゴム系積層ゴムの復元力特性より、せん断変形率 γ =250%を線形範囲と考え、 の関係より、2次形状係数 S2 =5では 、 S2 =7では とする。ただし、2次形状係数が5より小さな積層ゴムを使用する場合でも設計変位が直径の1/2以下程度となるように積層ゴムのサイズを決定する様にする。


(4)建物平面計画の検討
 平面計画が既に決まっている場合には、次のステップ(5)へ。
 (1)で設定した免震周期を達成するために必要な建物全体としての平均面圧 σcr は次式により計算できる。形状や材質の異なる積層ゴムを用いる場合には、平均的な値を用いる。

(a)

ここで得られた面圧が座屈応力度の1/3以下程度であることを確認する( )。大きく越えている場合には、設計条件の再検討を行う。(a)式より、平均柱軸力 Pave が次のように求められる。

(b)

(b)式の平均柱軸力を満足するように、建築物の平面計画、構造計画を検討する。満足できない場合は設計条件の見直しを行うことが必要となる。


(5)個々の積層ゴムの設計
(a)式により算出される平均面圧 σcr となるように積層ゴムの直径Dを設定する。積層ゴムの直径は(3)で設定した最小径 Dmin 以上とする。設定した直径より、積層ゴムの面圧 σ を算出し、面圧の大きさを把握する。面圧の大きさを考慮しながら、2次形状係数 S2 とせん断弾性率 G を個別に決定する。





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