エラストマーアイソレータの破壊試験: GB/T 20688.1 究極の特性試験の完全ガイド
1. はじめに
エラストマー免震装置（エラストマー免震装置とも呼ばれます）は、建物や橋の耐震保護に重要なコンポーネントです。垂直方向の重い荷重を支えながら水平方向の動きを制御し、地震の被害から構造物を隔離します。しかしエンジニアは、ベアリングが致命的な故障を起こすことなく極度の負荷に耐えられることをどうやって証明するのでしょうか?
答えは破壊試験、つまりベアリングが壊れたり、座屈したり、横転するまで意図的に荷重を加えるプロセスにあります。中国では、これは ISO 22762-1 の採用を修正した国家規格 GB/T 20688.1-2007、エラストマー アイソレータ - パート 1: 耐震アイソレータ テスト方法によって管理されています。ヨーロッパでは、EN 15129:2018「耐震装置」によって同等の要件が設定されています。この記事では、エラストマーアイソレーターの破壊試験にどのような内容が含まれるのか、それが重要である理由、GB/T 20688.1 がこれらの手順をどのように構成しているのかについて説明し、EN 15129 と比較します。
2. ゴムベアリングとは何ですか?
ゴムベアリングは、加硫中に接着されたゴムと薄い鋼板の交互層で作られた積層デバイスです。鋼板がゴムを横方向に閉じ込めることで、ベアリングに高い垂直方向の剛性を与えながら、水平方向の剛性を低く保ちます。標準でカバーされる一般的なタイプは次のとおりです。
LNR (リニア天然ゴムベアリング) - 大幅な減衰を伴わずに弾性を提供します。
LRB (鉛ゴムベアリング) - 地震エネルギーを消散する垂直鉛コアが含まれています。
HDR (高減衰ゴムベアリング) - 特別に配合されたゴムを使用してエネルギーを吸収します。
建物や橋の免震に使用されるベアリングです。
3. 何を「破壊的」テストとみなしますか?
GB/T 20688.1 では、ベアリングは次の 3 つの故障状態のいずれかが発生すると、その究極の特性に達します。
破壊 - 圧縮 (または引張) とせん断荷重の組み合わせによって引き起こされるベアリングの破壊。
座屈 - 圧縮とせん断の組み合わせによる安定性の損失。
ロールアウト - ダボまたは溝で接続されたベアリングで水平移動中に発生する可能性のある転倒または転がりの不安定性。
最終特性図 (UPD) は、破壊点におけるせん断力とせん断変位の関係、つまり破壊試験の中核となる出力を記録します。 EN 15129 は、圧縮せん断荷重下での破壊と同じ概念的な枠組みを適用しており、破断または座屈時の最終的な挙動として表現されています。
4. ゴム材料レベルの破壊試験
この規格では、ベアリング全体を試験する前に、参照されている中国の規格に従って、ゴム材料自体の破壊試験を義務付けています。
引張特性 (GB/T 528): 引張強度、破断伸び、および 100% ひずみにおける弾性率を測定します。
破壊/せん断破壊 (GB/T 12830): ゴムコンパウンドの破壊せん断応力とひずみを決定する 4 プレートせん断法。
結合強度 (GB/T 7760): ゴムと金属の界面での破損の種類を評価し、ベアリングを結合する加硫結合を検証します。
これらの試験では、材料の基本強度と鋼板への接着力を確認します。これは、フルサイズの破壊試験の前提条件です。 EN 15129 も同様に、硬度、引張、引裂き、圧縮永久歪み、オゾン老化、基材への接着強度など、エラストマー化合物の特性評価を規定しています。
5. アイソレータレベルの究極のテスト
5.1 極限せん断特性試験
最も重要な破壊試験は極限せん断特性試験です。軸受は、水平方向のせん断変位が破損するまで増加する一方で、一定の設計圧縮応力にさらされます。 GB/T 20688.1 セクション 6.5 によると、次のようになります。
試験は設計上の最大圧縮応力下で実行されます。
ダボや溝によって接続されたベアリング、または浮き上がりが発生する可能性のあるベアリングの場合、試験は最小設計圧縮応力下でも実施されます。
最終的なせん断変位状態は、破壊、座屈、またはロールアウトの点として定義されます。
明らかな損傷が現れず、指定された極限変位に達すると力 - 変位曲線が単調に上昇する場合、試験は停止され、最大のせん断力と記録された変位から最終性能が決定されます。
5.2 引張特性試験
強い地震時のベアリングの浮き上がりにより、免震装置に張力がかかる可能性があります。したがって、GB/T 20688.1 セクション 6.6 では、試験片が降伏するか破断するまでゆっくりと張力を加え、一定のせん断変位の下で引張試験を行う必要があります。この規格では次のように定義されています。
降伏引張力 - せん断弾性率に基づいて、基準線から内部ゴムの総厚さの 1% だけオフセットした線と試験曲線を交差させることによって決定されます。
破断引張力とそれに対応するせん断ひずみ。
せん断力と張力を組み合わせたベアリングの性能は、転倒モーメントが予想される構造にとって非常に重要です。
5.3 圧縮特性試験
圧縮は主に保守性テストですが、破壊的評価のベースラインを形成します。荷重は 0 ～ Pmax ～ 0 サイクル (または同等のマルチステップ パターン) で 3 回繰り返され、垂直圧縮剛性 (Kv) は 3 番目のサイクルから計算されます。ベアリングの安定性は垂直荷重の拘束効果に依存するため、せん断試験および極限試験の前に圧縮剛性を確立する必要があります。
6. 試験条件と試験片の準備
信頼性の高い破壊試験には、試験条件を厳密に管理する必要があります。
コンディショニング: 試験片は、試験前に規定の期間、標準温度 (23 度) で保管されます。
荷重サイクル: せん断試験では 3 回または 11 回の荷重サイクルが使用されます。パフォーマンスは 3 番目のサイクルから取得されるか、サイクル 2 ～ 11 の平均値です。
せん断ひずみレベル: テストは±5%から±400%までの広い範囲をカバーしており、エンジニアは故障に至るまでの挙動をマッピングできます。
周波数と温度: ゴムの特性は速度と温度に依存するため、負荷の頻度と温度 (-20 度から 40 度まで) は使用条件を表すために選択されます。
変位センサー: 少なくとも 2 つのセンサーを対称に配置し、測定値を平均化します。
7. EN 15129:2018（耐震装置に関する欧州規格）との比較
7.1 EN 15129 の概要
CEN によって発行された EN 15129:2018 は、耐震装置に関する統一された欧州規格です。主に試験方法規格である GB/T 20688.1 - とは異なり、EN 15129 は、機能要件、地震状況に対する一般的な設計ルール、材料特性、製造および試験要件、適合性の評価 (CE マーキング)、エラストマー ベアリングなどの変位に依存するデバイスの設置およびメンテナンスを統合した包括的な製品および適合性規格です。
7.2 主な類似点
役割は異なりますが、2 つのフレームワークには次のような共通の機能があります。
どちらも、圧縮せん断荷重（破壊と座屈、ロールアウトは中国の枠組みで扱われます）の下での究極の状態または破壊状態を定義します。
どちらも、アイソレータの動作を特徴付けるために、圧縮剛性テスト、圧縮とせん断の組み合わせテスト、せん断またはランプ荷重を必要とします。
どちらも LNR、LRB、HDR タイプのエラストマー アイソレータをカバーします。
どちらも、ベアリング全体の認定の前提条件として、ゴム材料のテスト (引張、硬度、結合、老化) を規定しています。
7.3 主な違い
主な違いは、各規格の目的と構造を反映しています。
範囲と役割。 GB/T 20688.1 は ISO 22762-1 に基づく試験方法規格です。 EN 15129 は、完全な設計、適合性、および CE マーキング規格です。
プロトコルをロードしています。 GB/T 20688.1 は、一定の圧縮応力下でせん断試験を実施します。 EN 15129 では、特に最も重要度の高いクラスに対して、P-Δ 効果を再現するために垂直方向と水平方向の結合荷重を要求しています。
設計上の限界。 EN 15129 は、設計地震変位の下で最大総設計せん断ひずみ (通常 εq,max 2.5 以下、つまり . 250%) を制限します。 GB/T 20688.1 では、最大 ±400% のせん断ひずみをテストし、損傷が現れず、力 - 変位曲線が単調に上昇する場合に停止を許可します。
重要なクラス。 EN 15129 では、構造物を重要度クラスに分類し、重要な建物 (病院や救急センターなど) に対してより厳格なプロトタイプ テストを課しています。 GB/T 20688.1 は、重要度の等級付けを行わずに、統一された型テストのアプローチを適用します。
適合。 EN 15129 は、テストを CE マーキングの適合性評価手順および工場生産管理に結び付けます。 GB/T 20688.1 は、中国の製品認証制度に基づく型式検査をサポートしています。
減衰周波数。 EN 15129 では、0.5 Hz などの基準周波数での減衰テストを指定しています。 GB/T 20688.1 には、0.05 Hz ～ 2.0 Hz の範囲の周波数グループがリストされています。
7.4 概要比較表
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側面 |
GB/T 20688.1-2007 |
EN 15129:2018 |
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標準的な役割 |
試験方法規格（MOD ISO 22762-1:2005） |
製品＋適合規格（CEマーキング） |
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範囲 |
建物および橋の免震装置 |
エラストマーベアリングを含む耐震装置 |
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故障状態 |
破断、座屈、ロールアウト |
破断・座屈時の究極の挙動 |
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せん断試験荷重 |
一定の圧縮応力 |
重要度の高いクラスに対する一定の垂直-水平荷重 (P-Δ) の結合 |
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せん断ひずみ範囲 |
±400%までテスト済み |
設計限界 εq,max 2.5 (250%) 以下 |
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減衰試験周波数 |
グループ 0.05 ～ 2.0 Hz |
基準周波数、例: . 0.5 Hz |
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重要度分類 |
統一型テスト |
重要なクラス。重要な建物に対するテストの厳格化 |
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適合 |
中国語タイプの検査をサポート |
CEマーキング＋工場生産管理 |
表 1 - エラストマーアイソレータ試験に関する GB/T 20688.1 と EN 15129 の比較
8. 破壊的テストが重要な理由
破壊試験はシンプルですが重要な目的を果たします。それは、ベアリングが保護する構造物よりも先にベアリングが破損しないことを証明することです。免震は、ベアリングが予想される最大の地震に耐えた場合にのみ機能します。ベアリングを意図的に破損、座屈、ロールアウトに追い込むことで、メーカーとエンジニアは次のことを実現できます。
最終容量に関する設計の仮定が正しいことを確認します。
耐震設計に直接使用される最終特性図 (UPD) を作成します。
材料、接着、製造の弱点を特定します。
型式試験と日常検査の品質ベンチマークを確立します。
これらの試験は試験片を破壊するため、通常、すべての生産ユニットではなく、プロトタイプまたは型式試験用ベアリングに対して実行されます。 GB/T 20688.1 と EN 15129 はどちらも、極度の圧縮せん断荷重下でのアイソレータの安全マージンを検証するために、このような究極のテストに依存しています。
9. 結論
GB/T 20688.1-2007 で定義されているエラストマー アイソレーターの破壊試験は、耐震設計における最終防御線です。この規格は、ゴムコンパウンドの引張試験および破壊試験から、実物大の極限せん断試験、引張試験、圧縮試験まで、エラストマーアイソレータが極度の荷重に耐え、救命機能を発揮できることを検証するための包括的なフレームワークを提供します。
EN 15129:2018 と比較すると、2 つのフレームワークは同じ概念的目標、つまりベアリングが極度の圧縮せん断荷重に耐えることを証明することを追求していますが、重点が異なります。 GB/T 20688.1 は、非常に高いせん断ひずみ (最大 ±400%) に達し、破壊、座屈、ロールアウトをカバーする広範な純粋な方法ベースの試験フレームワークを提供します。一方、EN 15129 は、調和のとれた設計と適合システム内に試験を組み込み、250% の設計せん断ひずみ制限を課し、重要度クラスごとに要件を等級分けし、重要な構造物には垂直方向と水平方向の結合荷重を要求します。世界中で働くエンジニアにとって、両方の規格を理解することは不可欠です。GB/T 20688.1 に基づいて認定されたベアリングは、荷重プロトコルと制限を適切に調整することで、EN 15129 要件に照らして検証できます。
LNR、LRB、または HDR 免震装置を扱う構造エンジニア、メーカー、研究者であっても、どの管轄区域でも免震システムの安全性と信頼性を確保するには、これらの破壊試験手順を習得することが不可欠です。
