15 年以上インフラストラクチャの耐震および振動軽減に取り組んできたベアリング サプライヤーとして、私は水平力分散ゴム ベアリング (HDRBRB) が現代建築の縁の下の力持ちであることをこの目で見てきました。これらのベアリングは、地震、風、さらには工業用建物の大きな運用負荷による横方向の力の矢面に立たされ、構造物の安全を保つように設計されています。しかし、長期的なパフォーマンスを目指して設計された他のコンポーネントと同様、それらも永久に持続するわけではありません。問題は、ほとんどの建物所有者やメンテナンスチームが手遅れになるまで警告サインに気付かず、高額な修理が発生したり、さらに悪いことに構造上の欠陥が発生したりすることです。
私は長年にわたり、HDRBRB は表面からは問題ないように見えるため完璧な状態だと思っていましたが、定期検査で隠れた損傷が見つかったというエンジニアと話をしてきました。だからこそ私は、実際の現場データ、顧客プロジェクト、そしてこれらの製品を北米やその他のプロジェクトに供給することで得た教訓に基づいて、これらのベアリングの交換時期を示す重要な兆候を分析したいと考えました。
早期の警告サイン: 定期検査中に何に注意すべきか
定期的なメンテナンスは防御の最前線であり、ほとんどの問題は、問題が拡大する前に発見できるほど小さなことから始まります。ベアリングを分解せずに見たり測定したりできることから始めましょう。
1. 目に見える異常な変形または変位
HDRBRB が正しく動作している場合、水平方向の力が加わると曲がり、力が取り除かれると元の位置に戻ります。永続的で不均一な変形、つまり地震や強風荷重の後にベアリングが元の形状に戻らないことに気付いた場合、それは大きな危険信号です。数年前、2019年に中程度の地震が発生した後、年次点検を怠ったオレゴン州の顧客がいました。最終的に確認したところ、HDRBRB にはゴム層の端に沿って 12 mm の不均一な膨らみがありました。ゴムには、エラストマーの分子構造が壊れたことを示す「永久ひずみ」と呼ばれるものが発生していました。
もう 1 つの目に見える兆候は、ベアリングの設計限界を超えた変位です。ほとんどの HDRBRB は、特定の水平移動範囲に合わせて設計されています (通常、ベアリングのハウジングにマークが付いています)。軸受がその線を超えてずれている場合は、水平方向の力を効果的に分散できなくなっていることを意味します。場合によっては、これにより、連結ビームやダンパーなどの隣接するコンポーネントが意図した以上に強く動作する可能性があります。たとえば、HDRBRB が正しく動いていない場合、それを補うために取り付けられたカップリング ビーム ダンパーは、ベアリングが処理すべき力を吸収しているため、早期に摩耗する可能性があります。振動軽減システムの補完コンポーネントをお探しの場合は、詳細をご覧ください。カップリングビームダンパー当社の製品ラインから。
2. ゴム層や金属補強板の亀裂
ゴムは弾力性がありますが、壊れないわけではありません。時間の経過とともに、紫外線（ベアリングが部分的に露出している場合）、温度変動、または化学汚染（橋梁用途の道路塩や工場の工業ガスによる）への曝露により、ゴムに亀裂が生じる可能性があります。小さな表面の亀裂は些細なように見えるかもしれませんが、深い亀裂に成長して水や破片がベアリングに浸透し、内部の金属プレートに損傷を与える可能性があります。
金属プレートといえば、HDRBRB は荷重がかかってもゴムが垂直に膨らむのを防ぐために薄い鋼板で補強されています。これらの鋼板に亀裂があることに気付いた場合、それは重大な故障点です。私はかつて中西部の高速道路橋で働いていたが、冬季の道路塩がベアリングハウジングに漏れて鋼板を腐食させた。 3 年が経過すると、腐食によりプレートに亀裂が生じ、ベアリングの耐荷重能力が 30% 失われました。ベアリングを早期に交換することで、橋が閉鎖される可能性を回避できました。そうなれば、交通遅延により州に数百万ドルの損害が発生する可能性がありました。
詳細な診断の兆候: テストが必要な場合
目に見える兆候は明らかですが、いくつかの問題は表面下に隠されています。そのため、病院、学校、高層ビルなど、ベアリングの破損が重大な結果をもたらす可能性がある重要な構造物については、毎年テストを行うことを常に推奨しています。これらのテストではベアリングを分解する必要はありません。彼らは非破壊的な方法を使用してパフォーマンスを測定します。
1. 水平力分散効率の低下
HDRBRB の全体の目的は、水平力を構造全体に均等に分散することです。テストの結果、水平方向の力が意図したとおりに分散されていないことが示された場合、それはベアリングが摩耗していることを示す明らかな兆候です。当社では荷重試験を使用して、ベアリングが変形する前にどれだけの力を吸収できるかを測定します。テスト結果が元の設計仕様より 20% 以下の場合、そのベアリングを交換する必要があります。
2021年にテキサス州で行われたプロジェクトで、強風の際にホテルのオーナーが15階の過度の揺れに気づいたのを覚えています。彼らは HDRBRB をテストするために私たちのチームを連れてきました。荷重テストの結果、最上階に設置された 12 個のベアリングのうち 2 個は、設計された水平力の 55% しか吸収できていないことがわかりました。さらに検査したところ、長年にわたる熱にさらされてゴムが硬くなっており、必要に応じて曲がっていないことがわかりました。これら 2 つのベアリングを交換すると、すぐに床の揺れが 40% 減少し、嵐の際のホテルの安全性が大幅に向上しました。複数コンポーネントの振動システムに取り組んでいる場合は、HDRBRB を粘性減衰壁などの他の減衰ソリューションと組み合わせることで、全体的なパフォーマンスを向上させることができます。そのオプションは、次の場所で検討できます。粘性制振壁。
2. 内部部品または液体の漏れ (該当する場合)
一部の HDRBRB には、特に地震活動が活発な地域での減衰能力を高めるために粘性流体要素が組み込まれています。あなたのベアリングがこれらのいずれかである場合、流体漏れの兆候は重大な危険信号です。流体はエネルギーを散逸させるために重要であるため、わずかな漏れでもベアリングの性能が大幅に低下する可能性があります。
カリフォルニアの橋プロジェクトでは、四半期ごとの検査で、HDRBRB の 1 つに小さな液体の漏れがあることに気づきました。数か月後に次の検査が行われるまでに、ベアリングは流体の 70% を失い、小さな余震に対する橋の反応は予想よりもはるかに激しかった。そのベアリングを交換することで、橋の上部構造へのさらなる損傷を防ぐことができました。プロジェクトで流体ベースの振動緩和を使用している場合は、ベアリング システムをサポートする粘性流体ダンパー (VFD) などの補完的な製品も検討してください。詳細については、次のサイトを参照してください。粘性流体ダンパー(VFD)。
長期的な摩耗の兆候: 年齢と環境ストレス要因
ベアリングに明らかな損傷がなくても、ベアリングには寿命があります。ほとんどの HDRBRB は 20 ～ 30 年間使用できるように設計されていますが、過酷な条件にさらされると寿命が短くなる可能性があります。たとえば、塩分濃度の高い沿岸地域のベアリングは、内陸地域のベアリングよりも早く劣化します。
1. ゴムの経年劣化
ゴムは合成材料であり、時間の経過とともに、紫外線、オゾン、温度変化によって分子結合が破壊されます。このプロセスは「老化」と呼ばれ、ゴムが脆くなったり硬くなったりします。ベアリングが 20 年に近づいている場合は、一見問題がないように見えても、性能テストを実施して、まだ意図したとおりに動作していることを確認することをお勧めします。当社の顧客の中には、穏やかな気候では 35 年間耐久したベアリングを使用した顧客もいますが、海岸橋の用途では 18 年間しか持続しませんでした。つまり、使用年数も要因ですが、環境も重要です。
2. 地震や風による摩耗
高地震帯（環太平洋火山帯など）や強風が頻繁に発生する地域の構造物は、穏やかな地域の構造物よりもはるかに大きな応力をベアリングに受けます。建物が複数の大きな地震やハリケーンに見舞われている場合は、明らかな損傷がなくても、地震発生から 6 か月以内にベアリングを検査することをお勧めします。繰り返し荷重がかかると、ゴムや金属プレートに内部疲労が発生することがありますが、これはすぐには現れません。
以前、2005 年に HDRBRB を設置した住宅を所有していた日本の顧客がいました。2011 年の東北地方太平洋沖地震の後、目に見える損傷は見られませんでしたが、ベアリングをテストしたところ、繰り返しの強い力の負荷によりゴムに微小な亀裂が生じていることがわかりました。 10年前にベアリングを交換することで、2016年の熊本地震の際に起こる潜在的な故障からベアリングを守ることができました。熊本地震は東北よりもかなり規模が小さかったものの、それでも磨耗したベアリングによる問題を引き起こすには十分でした。
これらの兆候を無視するとどうなりますか?
建物の所有者が古い HDRBRB の交換を先延ばしにし、決して良い結果が得られないケースを私は数多く見てきました。最も一般的な問題は、柱、梁、基礎の亀裂などの構造的損傷であり、修復には数十万ドルかかる場合があります。極端な場合、ベアリングの故障は構造の崩壊につながり、生命の危険にさらされる可能性があります。
警告サインを無視することは、安全性を超えて、長期的なコストの増加を意味します。ベアリングの故障後の構造の修理は、事前に交換するよりもはるかに高価であり、病院や学校などの商業施設や公共の建物では長期間のダウンタイムにつながる可能性があります。たとえば、ベアリングの故障により病院が使用できなくなると、地域全体の救急サービスが中断される可能性があります。
交換時期: 当社の推奨事項
当社では、毎年の定期検査と、重要な構造物については 3 ～ 5 年ごとの性能試験の 2 つのアプローチを常に推奨しています。永久変形、ゴムまたは金属の亀裂、力分散効率の低下、流体漏れ、またはベアリングの寿命が 20 年に近づいているなど、これまでに説明した兆候のいずれかに気づいたら、すぐに交換してください。
HDRBRB を交換するときは、振動軽減システム全体をチェックする良い機会でもあります。場合によっては、別のタイプのベアリングにアップグレードしたり、補完的な製品を追加したりすると、パフォーマンスが向上することがあります。たとえば、スペース トラス構造の古いベアリングを交換する場合は、その用途向けに特別に設計されたスペース トラス ゴム ベアリングを検討してください。詳細については、次の Web サイトを参照してください。スペーストラスゴムベアリング。橋梁用途の場合、プロジェクトに独自の荷重要件がある場合、球面鋼橋支承も信頼できるオプションです。これについては、次のサイトで確認できます。球面鋼橋支承。
最終的な考え
エンジニア、請負業者、建物所有者と緊密に連携するサプライヤーとして、水平力分散ゴム ベアリングに注意を払うことがいかに重要であるかは、いくら強調しても足りません。これらは、一度設置すれば後は忘れるというコンポーネントではありません。構造物を安全に保つためには、定期的なケアと注意が必要です。ベアリングを早期に交換するコストは、不作為のリスクに比べて最小限で済みます。
HDRBRB を検査する必要があるか交換する必要があるかわからない場合は、当社のチームがお手伝いします。当社は何千ものプロジェクトに取り組んできており、現場での検査、性能テスト、およびお客様のニーズに適した代替ソリューションのガイダンスを提供できます。手遅れになるまで待たずに、今すぐベアリング要件について話し合ってください。
参考文献
- 米国土木学会 (ASCE)。 （2017年）。既存建物の耐震診断と改修。 ASCE 41-17。
- ISO 10326-1:2019。構造物の免震用ゴム支承 — パート 1: 積層ゴム支承の仕様。国際標準化機構。
- 全国共同高速道路研究プログラム (NCHRP)。 （2020年）。橋梁ベアリングの保守・点検・交換のご案内。レポート920。
- 連邦緊急事態管理庁 (FEMA)。 （2018年）。新築建物の免震設計。 FEMA450。