五十嵐 晃

第30回土木学会地震工学研究発表会論文集

複数のゴム体を用いた積層ゴムダンパーの 載荷試験による基本性能の検討

五十嵐 晃

・井上 和真

・夛屋文子

・家村 浩和

・ 吉田 雅彦

・姫野 岳彦

・長澤 光弥

1京都大学大学院工学研究科都市社会工学専攻 准教授 (〒615-8540 京都市西京区京都大学桂) E-mail:igarashi @catfish.kuciv.kyoto-u.ac.jp

2京都大学大学院工学研究科都市社会工学専攻 修士課程学生 (〒615-8540 京都市西京区京都大学桂) E-mail:inoue @catfish.kuciv.kyoto-u.ac.jp

3西日本旅客鉄道(株) (〒530‐8341 大阪市北区芝田2-4224)

4近畿職業能力開発大学校 校長 (〒596-0103 大阪府岸和田市稲葉町1778番地）

E-mail:iemura @jimu.kinki-pc.ac.jp

5 (株)川金コアテック (〒332-8502 埼玉県川口市宮町18-19) E-mail:[email protected], [email protected] 6阪神高速道路(株) (〒650-0041 神戸市中央区新港町16-1)

E-mail:[email protected]

既設の長大鋼斜張橋の耐震補強のために採用が検討されている積層ゴムダンパーの検討のため、４ヶの 積層ゴムを対称配置した積層ゴムダンパーの構造を，可能な限り模した積層ゴムダンパー試験体を対象と した正負交番載荷試験により，システムとしての挙動およびダンパーとしての基本性能を検討した．た縮 小モデルに準静的載荷試験を行い,制震ダンパーとしての性能評価を行った. 積層ゴムダンパーの等価剛 性および等価減衰定数は，積層ゴムの面圧依存性は小さくことが見出された．また，ダンパーを構成する 積層ゴム体各々の単体試験で算出されるのエネルギー吸収に比べ，積層ゴムダンパーとしてその後に載荷 を行った場合，特にエネルギー吸収能が低くなった．せん断ひずみ300％以上の変形を与えるせん断変形 性能試験においても積層ゴムは破断に至らず，十分なエネルギー吸収能力を保持することを確認した.

．Key Words : Energy dissipation device, rubber damper, laminated rubber assembly, cyclic loading test, axial force dependence, shear strain capacity

１．はじめに

ダンパーあるいはエネルギー吸収デバイスの設置 による既設構造物の耐震補強の方法は、現在幅広い 構造物に対して活用が図られつつある．このための 多様な種類のダンパーの研究・開発が活発に行われ ている．

既設長大斜張橋の耐震補強の目的でダンパーの適 用を検討する場合，このためのダンパーには適用対 象構造物の規模や特性に相応する大きさのエネルギ ー吸収性能やストローク容量が必要とされる．コス トや維持管理面など，適用に際して必要となる諸要 件を考え合わせた上で有望と考えられる方式のダン パーとして，高減衰ゴムのせん断変形時のエネルギ ー吸収を利用したダンパーが提案され，その適用が 検討されている．このように高い減衰性能を付与し た高減衰ゴムは，“超高減衰ゴム”をはじめとする より優れた特性を付与した材料として開発が進めら

れ橋梁支承の用途にも供されている．積層ゴム体と して橋梁の免震支承等に多くの適用実績と検討の蓄 積がある材料であるが，ダンパーとしての実用化に あたっては検証が必要な課題も少なくない．

既設長大鋼斜長橋への適用が検討されているダン パーは，図1に示すように４ヶの積層ゴム体を対向 させて対称配置とし，鋼製の台座および積層ゴム取 付側板による支持構造と、積層ゴム体の連結板の間 の相対水平変位により、積層ゴム体にせん断変形が 生じる構造となっている．本稿では，この形式のダ ンパーを「積層ゴムダンパー」と呼ぶ．

積層ゴムダンパーは図2に示すように，斜張橋の 主塔横梁部に 2 基ずつ設置され，ケーブル（ダンパ ーケーブル）を介して連結板と橋桁を連結すること で地震時の橋軸方向変位を制御する機能を発揮する ことを期待する.地震時には主塔と橋桁の間の相対 変位には上下，橋軸直角および回転の成分が生じ得 るが，ケーブルによりこうした変位差は吸収され，

積層ゴムダンパーには橋軸方向変位のみが伝達され る．

積層ゴムダンパーが要求される制震性能を発揮す る前提条件として，地震時にダンパーに変形が生じ 減衰力を発揮する際に，４体の積層ゴムが一つのダ ンパーのシステムとして円滑に作動することが必要 である．本研究は、４ヶの積層ゴムを対称配置した 構造を可能な限り模した積層ゴムダンパー試験体を 対象として、システムとしての挙動およびダンパー としての基本性能を正負交番載荷試験により検討し たものである．

２．積層ゴムダンパーの特性

積層ゴムダンパーは支承のような上部構造の支持 機能を持たないため，構造上積層ゴムに大きな軸力

（面圧）を作用させないことを基本としている．一 般には，高減衰ゴムの履歴復元力特性は，面圧依存 性を示すことが知られている．面圧により等価減衰 定数が変動する傾向が見られる結果もあるが、本ダ ンパーについてはその設置および管理等の理由から，

面圧ゼロの状態で設置することが望ましい．等価剛 性，等価減衰定数等の特性について、面圧が作用し ない場合における期待される性能の確保，およびそ れらの面圧依存性を確認することが必要である．

また，積層ゴムダンパーに必要とされる性能とし て，その許容水平変位が、レベル2地震時の対象橋 梁の応答から想定される積層ゴムダンパーの最大水 平 変 位 に 十 分 対 応 し て い る こ と が 必 要 で あ る ．

通常，積層ゴムのせん断ひずみは 250％を許容値と するが，本積層ゴムダンパーでは，設計上の想定と してせん断ひずみ 300%の水平変位に対しても対応 できることを目標とした．そのため，せん断ひずみ 300%を超えるまで積層ゴムダンパーが破断せずエ ネルギー吸収の機能を保持できるかどうかを検証す ることとなった．

本研究では，以上２つの点に着目し検証実験を実 施した．

３．試験概要

(1)試験装置および試験供試体

実験対象とした供試体は，耐震補強対象の既設長 大鋼斜張橋への設置が検討された積層ゴムダンパー の縮尺１/4の試験体を用いた． G12（せん断弾性係

数1.2N/mm^２）HDR-S（超高減衰ゴム）の積層ゴム

4体により構成されている（図 3）．供試体の積層 ゴムの寸法を実寸と対照させたものを表1に示す．

表1 積層ゴム諸元

実寸 １/4 モデル せん断弾性係数

(N/mm2) 1.2 1.2

平面寸法

(mm) x (mm) 1150x1150 300x300

断面積 (m²) 1.3225 0.09

ゴム厚 (mm) 25 7 層数(層) 8 8

ゴム総厚 (mm) 200 56

1次形状係数 11.5 10.7 2次形状係数 5.75 5.36 図１積層ゴムダンパーの基本構造

橋桁 主塔

図2 斜張橋への設置の例

連結板

積層ゴム 積層ゴム

取付側板

台座

図3 試験供試体 積層ゴム

積層ゴム体に加え連結板，ブラケットおよび天板 で試験体を構成し，反力床上の架台の上に固定設置 している．水平荷重は油圧ジャッキにより片側から 引張・圧縮の両方向に載荷するため，スイベル接続 部分が直接連結板に設けられている．試験装置全体 の概要を図4および写真1に示す．

(2)積層ゴムダンパーのシステム性能試験

ひずみ依存性の確認の実験として，変位制御によ り試験体に面圧なしの状態でせん断ひずみ 50％，

100％，150%に相当する水平変位を１回ずつ与える 予備的な載荷を行った．

さらに，積層ゴムのせん断ひずみ±175％に相当す る水平変位を5回繰り返し与え，第5サイクルの変 位荷重履歴データに基づき等価剛性，等価減衰定数 を算出し，事前に個々の積層ゴム体単体で行われて いた載荷試験の結果との比較検証を行った．積層ゴ ムの性能評価として 11 サイクルの繰り返し載荷試 験を行い、その第2～11サイクルの特性値の平均を 用いることがしばしば行われているが，その平均と 第5サイクルでの値が近いことが見出されているこ とから，本実験においては載荷サイクル数を5とし た．

さらに，積層ゴムダンパーの面圧依存性を確認す るため，0.5，1.5，3.0 MPaの3つの面圧を与えて載 荷を行った。

(3)積層ゴムダンパーのせん断変形性能試験 積層ゴムのせん断ひずみ 325％（押し方向）－

309％（引き方向）に相当する水平変位を１サイク ル 与 え る 載 荷 を 行 っ た ． そ の 後 ， せ ん 断 ひ ず み 100％（押し方向）‐300%（引き方向）に相当する 水平変位を７サイクル載荷し，積層ゴムが破断する ことなくエネルギー吸収能を示すかどうか検証を行 なった．

本来はせん断ひずみ±325%に相当する水平変位を

1サイクル，せん断ひずみ±300%に相当する水平変 位を7サイクル載荷する予定であったが，載荷装置 能力限界の制約および試験体積層ゴムの状況より判 断し，押し方向と引き方向での変位を変更して実施 した．

４. 実験結果

(1)せん断ひずみ依存性

実験で得られたせん断ひずみ 50%, 100%, 150%, 175%に対応して得られた履歴復元力を図 5 に示す．

横軸にせん断ひずみ(%)，縦軸に等価剛性,等価減衰定 数のせん断ひずみ 50%時の各々の値に対する比をプ ロットした結果を，図 6に示す．せん断ひずみが増 加するにつれて，等価剛性・等価減衰定数ともに低 下する傾向を示す.

図5 実験結果：履歴復元力特性

-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200

-1000 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000

せん断ひずみ(％)

水平荷重(KN)

50%

100%

150 175%

加振装置

ずれ防止治具 積層ゴム

図4 試験装置概要 写真1 試験装置および試験体

積層ゴムダンパー 試験体

(2)面圧依存性

面圧を変化させて実施した載荷試験より得られた 水平荷重‐水平変位履歴復元力を図7に示す．この 結果を基に，せん断ひずみ(%)を横軸に，第 5サイ クルの等価剛性および等価減衰定数の，面圧なしの

ケースの各々の値に対する比を縦軸に取りプロット した結果を図8に示す．全般的に言って面圧が大き い場合，等価剛性と等価減衰定数はともに面圧なし の場合より低いものものの，明確な変動の傾向は見 出し難い．値の変動には，載荷順序が「面圧なし」

→3.0MPa→１.5MPa→0.5MPa の順で行なわれたた めその載荷履歴が積層ゴムの状態に影響したことや，

実験における特定の載荷サイクルの変動が敏感に反 映されている結果であることも一因と考えられるが，

等価剛性，等価減衰定数とも変動率は10%以内であ り，面圧依存性は小さいことを示していると考えら れる．

(3)ゴム単体試験との比較

本試験で用いた全ての積層ゴムには，本実験に先 立ち，ゴム体単体ごとに面圧なしの条件でせん断ひ

ずみ175%に相当する水平変位の11回の繰り返し載

荷試験が行なわれている．ゴム体単体試験の結果と，

システム性能試験の履歴曲線を比較したものを図 9 に示す．

この履歴曲線より求めた吸収エネルギー量は，単 体試験のほうが大きい．単体試験において 2 から 11 回 目 の 載 荷 の 平 均 値 で 算 出 さ れ た 等 価 剛 性

7.2KN/mm，等価減衰定数 0.20 に対し，同じ試験条

件でのシステム性能試験（第5サイクルの値）で算 出された等価剛性は 7.3KN/mm，等価減衰定数は

0.171 となり，その比はそれぞれ 99%，86%であっ

た．

単体試験と本載荷試験を通した過程を実験ステッ プと解釈して横軸に取り，等価剛性および吸収エネ ルギー量の変化として表示したものを図 10 および 図 11に示す．ステップ 11と 12間で低下していた 等価剛性が回復しているが,これは単体試験とシス テム性能試験の間で約2週間の時間間隔によるもの であると考えられる．等価剛性については初期値の 94%までの回復を示しているが，吸収エネルギー量 については明確な回復の傾向は見られない．

図9 積層ゴムの単体試験結果と実験結果

（システム性能試験）の比較

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

-1000 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000

水平変位(cm)

水平荷重(KN)

ゴム単体試験 システム性能試験

図6 等価剛性および等価減衰定数の

せん断ひずみ依存性

50 100 150 175

0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1

せん断ひずみ（％）

せん断ひずみ50％の時に対する比

等価剛性 等価減衰定数

図7 面圧と履歴復元力特性

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

-1000 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000

水平変位（cm）

水平荷重(KN)

0MPa 0.5MPa 1.5MPa 3.0MPa

図8 等価剛性および等価減衰定数の 面圧依存性

0 0.5 1.5 3

0.8 0.85 0.9 0.95 1 1.05 1.1 1.15

面圧（MPa)

0MPaの時に対する比

等価剛性 等価減衰定数

(4)せん断変形性能試験

せん断ひずみ 325％（押し方向）－309％（引き 方向）1 サイクル，および 100％（押し方向）‐

300%（引き方向）7サイクルに相当する水平変位を

与えたせん断変形性能試験の荷重履歴曲線を，それ ぞれ図12および図13に示す．積層ゴムダンパーは いずれの試験においても破断することなくエネルギ ー吸収能を示した．せん断ひずみ 200％以上の変形 時にはハードニングする，特徴的な非線形の履歴特 性を示した．最大せん断ひずみ 325％の試験では等 価剛性が全ての試験ケースの最大の 12.9KN/mm と なり，これは事前の想定よりもやや大きい値であっ た．

この結果により，本研究での実験対象とした積層 ゴムダンパーは，せん断ひずみ 300%に対応する水 平変位に対して十分な性能を持つと判断される．

続く正負交番繰返載荷試験では，せん断ひずみ±

300%に相当する水平変位与える計画であったが、押 し方向のせん断変形試験中に連結板が回転する挙動 を示したため，押し方向には 100%せん断ひずみの 振幅に留めて載荷を行った．実構造では，連結板の 両端をケーブルで結合しる両方向に引張荷重のみが 作用する構造となっているため，連結板が回転する 現象は生じないものと判断される．

５. 結論

本研究では，既設の長大鋼斜張橋の耐震補強のた めに採用が検討されている積層ゴムダンパーの検討 のため、４ヶの積層ゴムを対称配置した構造を可能 な限り模した積層ゴムダンパー試験体を対象とした 正負交番載荷試験により，システムとしての挙動お よびダンパーとしての基本性能を検討した．

本研究で得られた知見をまとめれば，以下の通り である．

(1) 対象積層ゴムダンパーの面圧依存性は小さく，

面圧の作用しない状態においても十分な減衰性能お よびエネルギー吸収能力を発揮する．

(2) ゴム体単体試験と積層ゴムダンパーの載荷試 験の結果を比較すると、積層ゴムダンパーとした場

写真2 積層ゴムのねじれ変形 図10 等価剛性の変化

図11 吸収エネルギーの変化

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10

載荷回数

等価剛性(KN/mm）

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5x 10⁵

載荷回数

吸収エネルギー量(KN・mm)

単体試験 本載荷試験

単体試験 本載荷試験

図12 1サイクルせん断変形性能試験 図13 7サイクルせん断変形性能試験

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

-3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000

水平変位(cm)

水平荷重(KN)

-20 -15 -10 -5 0 5 10

-2000 -1500 -1000 -500 0 500 1000

水平変位(cm)

水平荷重(KN)

合の方が等価剛性と等価減衰定数ともにやや低く，

その比率は等価剛性で 99％，等価減衰定数で 86％ であった．ゴム体単体での試験とシステム性能試験 の間の期間に等価剛性は初期値の94%まで回復した が，吸収エネルギー量は明確な回復傾向を示さなか った．

(3) 本研究での実験対象とした積層ゴムダンパー は，せん断ひずみ 300%に対応する水平変位に対し て十分な性能を持つと判断される．325%のせん断 ひずみを経験した後の積層ゴムダンパーは、せん断

ひずみ 300%に相当する繰り返し載荷においてもゴ

ム体の破断はなく，エネルギー吸収の機能を保持し た．

参考文献

1) 角和夫，長澤光弥，曽我恭匡，木田秀人，田崎賢治，

小塚夫：オールフリー形式鋼斜張橋の耐震補強設計に 関する検討，第１２回地震時保有耐力法に基づく橋梁 等構造の耐震設計に関するシンポジウム講演論文集，

pp. 1-8, 2009年．

2) 家村浩和，五十嵐晃，豊岡亮洋，井本佳秀，夛屋文 子：HDRを用いた橋梁用ダンパーの開発と制震性能に 関するハイブリット実験，土木学会地震工学論文集，

pp. 503-509, 2007年．

3) 日本免震構造協会 編：免震積層ゴム入門，オーム社，

1997年．

FUNDAMENTAL PEFORMANCE EVALUATION OF ENERGY DISSIPATION DEVICE CONSISTING OF MULITIPLE LAMINATED RUBBER ASSEBLIES

BY MEANS OF CYCLIC LOADING TESTS

Akira IGARASHI, Kazuma INOUE , Fumiko TAYA, Hirokazu IEMURA, Masahiko YOSHIDA, Takehiko HIMENO and Mitsuya NAGASAWA

Use of the damper using laminated high damping rubber for the seismic retrofit of an existing long cable- stayed bridge is in progress. A scaled model of the laminated rubber damper consisting of plural laminated high damping rubber assemblies was examined by quasi-static loading tests for the verification of the performance as vibration control device system. The test results show that the damper system exhibits sufficient damping and energy absorption capability, and axial load dependence of the damping force characteristics is small. The masimum shear strain capacity of the high damping rubber assembly exceeding 300% is vefiried by a single-cycle and a cyclic loading tests. Therefore, the current design methodology of the laminated rubber damper is valid and can be regarded as a effective vibration control device for a long cable-stayed bridge.