JP2002309801A - エネルギー吸収装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 歪が累積され難く、降伏し難く、交換作業が
容易とできる制振装置装置を提供するにある。 【解決手段】 空間構造天井体１６を四隅の主支柱１７
でローラー支持２０していて、主支柱１７の間にある４
箇所の制振支柱１８とその上部にある梁１９の部位には
エネルギー吸収装置１が取り付けられている。制振支柱
１８の上部にエネルギー吸収体１２が立設され、梁１９
の底部の挟部材５、５が形成する溝部４に球状頭部１０
の対抗する部位が、内壁（硬板２、２）に接触するよう
にあるいは僅かに隙間ができる程度に挿入されセットさ
れている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は建築物や空間構造物
などに取り付けて、地震や風等の水平力の影響により、
その空間構造物などに生じる振動エネルギーを吸収・減
衰させるエネルギー吸収装置に関する。

【０００２】

【従来技術】従来、建築物や空間構造物などに組み込ま
れるエネルギー吸収装置としては、せん断パネルやアン
ボンドブレース等があり、フレームにブレースや間柱と
して組み込んで、外乱に抵抗させている。空間構造のド
ーム形状においては、鋼材ダンバーやアイソレータなど
の免震・制振装置が用いられているが、その数は多くな
い。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来技術における解決
しようとする課題は以下のとおりである。免震装置の形
状が直棒型である場合、地震時の水平変形によって、図
９のように端部の固定が両端固定及び、一端ピン他端固
定の場合は、歪みが部材の端部に集中する。よって、部
材のある一部分に歪みが集中してしまう場合は、水平変
形が小さい時点から歪みが集中し累積されるので、部材
が降伏し塑性化するのが速く、部材の履歴特性における
弾性範囲が狭くなる。塑性化後も水平変形の増加と共に
歪みも集中して累積し増加するため、水平変形が小さい
うちに破断してしまう。大地震による大きな変形を受け
た場合は、部材が変形に追従できず、地震エネルギーを
吸収できずに破断してしまう。また、部材中の一部分に
歪みが集中し部材内の塑性化する範囲が狭くなると、地
震のエネルギーを吸収する部分も小さくなり、部材全体
のエネルギー吸収量が少なくなる。

【０００４】さらに、免震装置の形状が直棒型である場
合は、部材の履歴特性における弾性範囲が狭いため、地
震よりも発生頻度が高い風による水平変形によって部材
が降伏し、風の振動によるエネルギーを吸収してしまう
ため、部材の目的である地震のエネルギーを吸収できる
量が減少してしまう。また、風によるエネルギーも吸収
しているため、部材が持っている総吸収エネルギー量に
達してしまう期間が早く、部材を点検・交換する頻度が
高くなり、維持費が高くなる。

【０００５】このように、免震装置の形状が直棒型であ
る場合、地震時の水平変形による部材の伸び、引張応力
を補うためと、微小変形から部材が降伏することを避け
るために、免震装置の端部を機械的に複雑な構造を取る
技術がある。この場合は、免震装置を構成する部品が多
くなり、製造の手間もかかり、結果として製造コストも
高価になる。また、構造が一体構成の免震装置は、その
両端を本体構造物にボルトなどにより固定されているの
で、免震装置の交換作業が容易ではなく煩雑になるとい
う問題を持つものであった。

【０００６】本発明は以上のような従来技術の持つ問題
点に鑑みてなされたものであって、その目的は、歪が累
積されにくく、降伏し塑性化して破断するのがおそく、
交換作業が容易にできる制振装置を提供するにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
ために本発明のエネルギー吸収装置は次に述べるように
なっている。 ＜請求項１記載の発明＞構造物の上部材と下部材の間
に、一方の部材に固着される固定部と、固定部から立設
された中細の直棒形状（固定部より中央部にいくにした
がって細くなり、先端にいくにつれて太さが増す形状）
の弾塑性材料からなるエネルギー吸収部と、該エネルギ
ー吸収部の先端に設けられた球状頭部とからなるエネル
ギー吸収体と、他方の部材に固設される、前記エネルギ
ー吸収体と同一の軸線上に形成された溝部を有する頭部
抑制体とからなり、前記球状頭部が前記溝部に挿入さ
れ、球状頭部の側面が、溝部の内側面に接触し、かつ球
状頭部の頭頂部と溝部の底部との間に、鉛直方向にクリ
アランスが保持されていることを特徴とする。

【０００８】「鉛直方向にクリアランスが保持されてい
る」とは、水平荷重に対してのみ抵抗することを意味
し、本装置は、鉛直荷重支持機能と水平荷重抵抗機構が
分離されている鋼構造物に使用するものである。鉛直荷
重支持機能は、ローラー支承、アイソレーター等が分担
する。「中細の直棒形状（固定部より中央部にいくにし
たがって細くなり、先端にいくにつれて太さが増す形
状）」は、固定部の曲げモーメントが最大となって塑性
化するのを防止し、この中央部でまず塑性化し、エネル
ギーを吸収するためである。「弾塑性材料」とは、弾性
と塑性の両特性を有する部材をいい、特に鋼材、鋼管、
鋼棒等に限定するものでない。

【０００９】＜請求項２記載の発明＞球状頭部の両側の
球面部が一点において溝部内側面に接触し、エネルギー
吸収体の断面形状が円形であり、軸対称断面であること
を特徴とする。本願発明のこの形状は、後述する球殻ま
たは部分球殻も同じであるが、任意の方向からの外乱に
対して均等に抵抗して、エネルギーを吸収するための形
状である。

【００１０】＜請求項３記載の発明＞前記頭部抑制体の
溝部にかえて、前記エネルギー吸収体と同一の軸線上に
形成された穴部が頭部抑制体に設けられていることを特
徴とする。

【００１１】＜請求項４記載の発明＞前記頭部抑制体
が、球状頭部を両側から挟む二つの対応する挟部材から
なるものであることを特徴とする。本願発明における頭
部抑制体の最も標準的な形態であり、挟部材は上部材に
正しく鉛直に固定設置される。挟部材は、主として板状
の挟部材であるが、角柱形状、円柱形状等の挟部材であ
っても、同一の作用効果を奏する。

【００１２】＜請求項５記載の発明＞前記エネルギー吸
収体の球状頭部が、球殻、または、部分球殻、または円
筒状（または円柱状）頭部であって、エネルギー吸収部
の先端に鉛直または水平方向に固着されて設けられてい
ることを特徴とする。「球状頭部」の形状は、球状に限
るものでないという趣旨である。

【００１３】＜請求項６記載の発明＞前記挟部材の球状
頭部との接触部位に、硬板が固着されていることを特徴
とする。「硬板」の挟部材の損傷、磨耗を防止するもの
であって、材質及び形状は任意である。

【００１４】＜請求項７記載の発明＞頭部抑制体が、主
に空間構造体を形成する弦材同士を接合するに用いる球
殻接合体であることを特徴とする。

【００１５】＜請求項８記載の発明＞エネルギー吸収体
の中央部（両端部に対して、断面の直径が最も小となる
部位）の断面の直径に対して、両端部の断面の直径が、
約１．３倍以上であることを特徴とする。「中央部の断
面直径に対して、両端部の断面直径が約１．３倍であ
る」とする根拠を示す数式は、図面中に記載している。

【００１６】＜請求項９記載の発明＞構造物に設置され
る場合に、弾性支承部、積層ゴム支承部、ローラー支承
部等と共に使用され、あるいは各部位の断面直径が異な
る前記エネルギー吸収部からなる複数の装置が、同時に
使用されることを特徴とする。履歴特性の異なる複数の
部材（免震装置）を併用して設置することにより、特定
の部材に歪みが集中し累積されるのを回避して、特定部
材（この場合は、断面直径が最小のエネルギー吸収装
置）の塑性化を遅らせようとするものである。同時に、
塑性化し、破断した部材の交換を容易にして、大地震に
よる大きな変形を受けた場合にも、部材が有効に地震エ
ネルギーを吸収できるようにするものである。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面を参照
しながら説明する。 ＜実施の形態１＞図１は本発明の実施の形態１のエネル
ギー吸収体を示す平面図及び正面図、図２は同じ実施の
形態１のエネルギー吸収装置のセット状態を示す正面図
及び頭部抑制体の取付状態を示す平面図、図３は同じ実
施の形態１のエネルギー吸収装置の空間骨組構造体への
取付場所例を示す斜視図である。エネルギー吸収装置１
は、鋼鉄製の対抗する内壁面に硬板２を設け、溝部４を
形成する二枚の挟部材５、５からなる頭部抑制体６と、
ネジ透し穴７を有する固定部８（ベース）に中細の直棒
形状（固定部より中央部にいくにしたがって細くなり、
先端にいくにつれて太さが増す形状）をした断面が円形
の鋼製の弾性支承部材からなるエネルギー吸収部９が立
設され、エネルギー吸収部９の先端に溝部４に挿入され
る球体部材からなる球状頭部１０を設けてなるエネルギ
ー吸収体１２とからなっている。

【００１８】エネルギー吸収部９は、カンチレバーであ
るので、片方の端部の曲げモーメントが最大となり塑性
化しないようにするために、中央部の断面を小さくする
曲率を採用していて、端部断面は曲げ応力が最大となる
ため、中央の断面より約１．３倍大きくしてある。この
約１．３倍とした根拠は、図面中に記載した数式におい
て説明している。また、エネルギー吸収部９は、軸対象
断面構造であるため、外乱に対して均等にエネルギー吸
収を行うことができる。溝部４は円筒形態または円柱形
態のものにして、全方向の水平過重に対して有効に作用
するものにすることもできる。図２で明らかなように、
球状頭部１０と梁１９の下端縁との間には、鉛直方向に
クリアランスが設けられている。この構成によって、エ
ネルギー吸収体１２は水平荷重に対してのみ抵抗するこ
とができ、鉛直荷重には関係しない。すなわち本装置
は、鉛直荷重支持機能と水平荷重抵抗機構が分離されて
いる鋼構造物に使用するものである。鉛直荷重支持機能
は、ローラー支承、アイソレーター等が分担する。

【００１９】空間構造物１５は、天井を構成する空間構
造天井体１６を四隅の主支柱１７でローラー支持２０し
ていて、主支柱１７（基礎支柱）の間にある４箇所の制
振支柱１８（基礎支柱）とその上部にあるＨ鋼材からな
る梁１９の部位にはエネルギー吸収装置１が取り付けら
れて、個々のエネルギー吸収装置は一方向の往復水平荷
重（水平振動）にのみ抵抗するようになっている。制振
支柱１８の上部にエネルギー吸収体１２がボルト（図示
せず）により固定・立設され、梁１９の底部の挟部材
５、５が形成する溝部４に球状頭部１０の対抗する部位
が、内壁（硬板２、２）に接触するようにあるいは僅か
に隙間ができる程度に挿入セットされている。以下の実
施の形態説明において、前述した実施の形態の構成と同
じ構成には同じ符号を付しその説明を省略する。

【００２０】＜実施の形態２＞図４は本発明の実施の形
態２のエネルギー吸収装置の取り付け状態例を示す断面
図、図５は同じ実施の形態２のエネルギー吸収装置の空
間構造体への取付場所例を示す斜視図である。エネルギ
ー吸収装置３０は、空間構造天井体３１を形成する水平
に保持された下弦材３２と斜弦材３３を接合し、穴形態
の溝部３４を有し、該３４の内部に硬質部材製の円筒容
器体３５を収納してなる下部球形接合部材(ノード)から
なる頭部抑制体３６と、ネジ透し穴７（図示せず）を有
する固定部８（ベース）上部にエネルギー吸収部９が立
設され、エネルギー吸収部９の先端に溝部３４（円筒容
器体３５）に挿入される上部をカットした球体部材から
なる球状頭部４３を設け、固定部８の下部に制振支柱３
７に埋設する埋設足３８を設けてなるエネルギー吸収体
３９とからなっている。

【００２１】緩衝材４１は、頭部抑制体３６と円筒容器
体３５との間隙に、下部球形接合部材(ノード) からな
る頭部抑制体３６に働く水平荷重が、円筒容器体３５に
間接的に柔らかく作用するように設けられている。制振
支柱３７の上部には固定穴４７を有するスタッド４８を
制振支柱３７内に埋設してなる鋼鉄製のセッティングポ
ット４９が埋設されている。セッティングポット４９は
グラウト注入孔５０が上部に設けられ、固定穴４７は挿
入された埋設足３８との間に隙間が形成されて、この隙
間にグラウト注入孔５０からグラウト材５１を充填し
て、制振支柱３７の上部に頭部抑制体３６の溝部３４に
球状頭部４３を挿入して立設されている。円筒容器３５
は、二枚の板部材にしてもよいことは言うまでもない。
頭部抑制体を溝部に挿入してから、グラウト材を注入し
て固定する構成であるので、位置決め調節が行えるので
便利である。

【００２２】図５に示す空間構造物４０は、天井を構成
する空間構造天井体３１を四隅の主支柱４２でローラー
支持２０していて、一の対抗関係にある主支柱４２、４
２の間に４箇所の制振支柱３７を地面から立設して、制
振支柱３７の上部にはエネルギー吸収体３９がセットさ
れた構成となっている。空間骨組構造天井体４１は、水
平に上部四角格子体を形成するように接合された上弦材
４４と、水平に下部四角格子体を形成するように接合さ
れた下弦材３２と、上弦材５２と下弦材３２を連絡する
斜弦材３３と、これらの弦材を接合する上部球形接合部
材（図示せず）及び下部球形接合部材からなる頭部抑制
体３６からなっている。

【００２３】図７、図８は、同じく空間構造物４０に本
発明のエネルギー吸収装置が設置される場合に、弾性支
承部や、積層ゴム支承部や、ローラー支承部等と共に使
用されることを示す図である。本装置が、このように弾
性支承、積層ゴム支承、ローラー支承のように、特性の
異なる支承装置と併用することを主たる条件としている
理由は以下の３点である。第１に、本装置は前述のよう
に、水平荷重に対してのみ抵抗することに特徴のある装
置であるから、鉛直荷重支持機能を担うローラー支承、
アイソレーター等とともに使用されることが必要であ
る。

【００２４】第２に本装置は、履歴特性の異なる複数の
部材（装置）と併用して設置されることにより、特定の
部材に歪みが集中し、累積されるのを回避して、断面直
径が最小のエネルギー吸収装置の塑性化を遅らせようと
するものである。第３に本装置は、塑性化し、破断した
部材の交換を容易にして、大地震による大きな変形を受
けた場合にも、部材が有効に地震エネルギーを吸収でき
るようにするものである。

【００２５】なお本装置は、エネルギー吸収部の各部位
の断面直径が異なるエネルギー吸収体からなる複数の装
置が、同時に使用される場合もある。これによって、特
定の部材に歪みが集中し、累積されるのを回避して、断
面直径が最小のエネルギー吸収装置の塑性化を遅らせる
ことができる。

【００２６】

【発明の効果】本発明は以上述べたようになっているの
で次に述べるような効果を奏する。 ＜第１の発明＞本発明は、構造物に地震や風圧などによ
り振動した場合、上部材と下部材の振動に相違が生じる
と（例えば、空間構造物部分と該空間構造物を支持する
基礎部分の間に設けられる。）、振動エネルギーはエネ
ルギー吸収体に伝達され、断面が最も小さく塑性化し易
くなっている支承部材からなるエネルギー吸収体の中央
部が塑性化して、振動エネルギーを吸収・減衰させて、
振動が一方の部材に伝達するのを防止するというもので
あるので、次に述べるような効果を奏する。

【００２７】エネルギー吸収体のエネルギー吸収部が外
乱に抵抗する構成であり、且つ、頭部抑制体と球状頭部
がフリーの関係にあるので、履歴特性における弾性範囲
が広く、降伏塑性化が起こり難い、損傷し難い、すなわ
ち歪が累積され難く、降伏し難く、耐久性に優れている
という効果を奏する。頭部抑制体と球状頭部がフリー関
係であり、鉛直方向にクリアランスを設けることによ
り、損傷するエネルギー吸収体のみを交換することがで
きるので、交換作業が容易な装置を実現できるという効
果を奏する。

【００２８】＜第２の発明＞請求項１記載の発明の効果
に加えて、溝部の内壁に接触する球状頭部の接触部位が
１点において接触する球面部位とし、エネルギー吸収部
の断面形状が円形としたものであるので、任意の方向か
らの外乱に対して均等に抵抗でき、取り付けは角度のみ
を調整することで、エネルギー吸収体の位置の設定が容
易であるという効果を奏する。

【００２９】＜第３の発明＞請求項１又は２記載の発明
の効果に加えて、例えば挟部材を後付けできる構成とす
ることにより、エネルギー吸収体をセットしてから挟部
材をセットすることができ、取り付けが容易であるとい
う効果を奏する。溝部の形態を、エネルギー吸収体の取
り付け取り外しが溝部から簡単に外すことができるよう
にしたので、交換がより容易であるという効果を奏す
る。

【００３０】＜第４の発明＞球状頭部の形状を、球殻、
または、部分球殻、または円筒状（または円柱状）頭部
と自由に変えることができるので、構造物等の形状に最
適の形状を選択できるという効果を奏する。

【００３１】＜第５の発明＞挟部材の球状頭部が接触す
る部位に、硬板を設けたので、挟部材の損傷、磨耗を防
止することができるという効果を奏する。

【００３２】＜第６の発明＞頭部抑制体を、空間構造体
の球殻接合体（ノード）としたので、広く空間構造体の
免震装置として使用できる。

【００３３】＜第７の発明＞中央部の断面直径に対し
て、両端部の断面直径を約１．３倍としたので、端部の
曲げモーメントが最大となって塑性化することなく、エ
ネルギー吸収体の中央部が歪みを吸収し、塑性化を遅ら
せることができる。

【００３４】＜第８の発明＞構造物に弾性支承部、積層
ゴム支承部、ローラー支承部等の、履歴特性の異なる複
数の部材（免震装置）を併用して設置されるので、特定
の部材に歪みが集中し累積されるのを回避して、特定部
材（この場合は、断面直径が最小のエネルギー吸収装
置）の塑性化を遅らせるという効果を奏する。同時に、
塑性化し、破断した部材の交換を容易にして、大地震に
よる大きな変形を受けた場合にも、部材が有効に地震エ
ネルギーを吸収できるようにするものである。あるいは
各部位の断面直径が異なる前記エネルギー吸収部からな
る複数の装置が同時に使用される場合もある。これによ
って、特定の部材に歪みが集中し、累積されるのを回避
して、断面直径が最小のエネルギー吸収装置の塑性化を
遅らせることができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１のエネルギー吸収体を示
す平面図及び正面図。

【図２】本発明の実施の形態１のエネルギー吸収装置の
セット状態例を示す正面図及び頭部抑制体の取付状態を
示す底面図。

【図３】本発明の実施の形態１のエネルギー吸収装置の
空間骨組構造体への取付場所例を示す斜視図。

【図４】本発明の実施の形態２のエネルギー吸収装置の
取り付け状態例を示す断面図。

【図５】本発明の実施の形態２のエネルギー吸収装置の
空間骨組構造体への取付場所例を示す斜視図。

【図６】本発明の、空間構造物への使用例を示す図であ
る。

【図７】同じく本発明の、空間構造物への使用例を示す
図である。

【図８】エネルギー吸収体の中央部断面直径と、両端部
断面直径の比率を説明する図である。

【図９】従来の直棒型免震装置の、地震時の水平変形を
示す図である。

【符号の説明】

１・・・・・エネルギー吸収装置 ２・・・・・硬板 ４・・・・・溝部 ５・・・・・挟部材 ６・・・・・頭部抑制体 ７・・・・・ネジ透し穴 ８・・・・・固定部 ９・・・・・エネルギー吸収部 １０・・・・・球状頭部 １２・・・・・エネルギー吸収体 １５・・・・・空間構造物 １６・・・・・空間構造天井体 １７・・・・・主支柱 １８・・・・・制振支柱 １９・・・・・梁 ２０・・・・・ローラー支持 ２１・・・・・ボルト ３０・・・・・エネルギー吸収装置 ３１・・・・・空間骨組構造天井体 ３２・・・・・下弦材 ３３・・・・・斜弦材 ３４・・・・・溝部 ３５・・・・・円筒容器体 ３６・・・・・頭部抑制体 ３７・・・・・制振支柱 ３８・・・・・埋設足 ３９・・・・・エネルギー吸収体 ４０・・・・・空間構造物 ４１・・・・・緩衝材 ４２・・・・・主支柱 ４３・・・・・球状頭部 ４７・・・・・固定穴 ４８・・・・・スタッド ４９・・・・・セッティングポット ５０・・・・・グラウト注入孔 ５１・・・・・グラウト材 ５２・・・・・上弦材 ５３・・・・・弾性支承 ５４・・・・・耐震壁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｅ０４Ｂ 1/98 Ｅ０４Ｂ 1/98 Ｅ Ｌ Ｆ１６Ｆ 7/12 Ｆ１６Ｆ 7/12 15/04 15/04 Ｍ (72)発明者 谷口 与史也 大阪市西区南堀江１−19−９ Ｆターム(参考） 2D059 AA05 GG01 GG12 GG17 2E001 DG02 FA02 FA21 FA71 GA01 GA62 HB02 LA05 LA06 3J048 AA03 AB01 AC06 BG02 DA03 EA38 3J066 AA22 BA04 BC01 BD07 BF08 BG01

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 構造物の上部材と下部材の間に、一方の
   部材に固着される固定部と、固定部から立設された中細
   の直棒形状（固定部より中央部にいくにしたがって細く
   なり、先端にいくにつれて太さが増す形状）の弾塑性材
   料からなるエネルギー吸収部と、該エネルギー吸収部の
   先端に設けられた球状頭部とからなるエネルギー吸収体
   と、 他方の部材に固設される、前記エネルギー吸収体と同一
   の軸線上に形成された溝部を有する頭部抑制体とからな
   り、 前記球状頭部が前記溝部に挿入され、球状頭部の側面が
   溝部の内側面に接触し、かつ球状頭部の頭頂部と溝部の
   底部との間に、鉛直方向にクリアランスが保持されてい
   ることを特徴とするエネルギー吸収装置。
2. 【請求項２】 球状頭部の両側の球面部が一点において
   溝部内側面に接触し、エネルギー吸収体の断面形状が円
   形であり、軸対称断面であることを特徴とする請求項１
   記載のエネルギー吸収装置。
3. 【請求項３】 前記頭部抑制体の溝部にかえて、エネル
   ギー吸収体と同一の軸線上に形成された穴部が頭部抑制
   体に設けられていることを特徴とする請求項１又は２記
   載のエネルギー吸収装置。
4. 【請求項４】 前記頭部抑制体が、球状頭部を両側から
   挟む二つの対応する挟部材からなるものであることを特
   徴とする請求項１、２又は３記載のエネルギー吸収装
   置。
5. 【請求項５】 前記エネルギー吸収体の球状頭部が、球
   殻、または、部分球殻、または円筒状（または円柱状）
   頭部であって、エネルギー吸収部の先端に鉛直または水
   平方向に固着されて設けられていることを特徴とする請
   求項１、２、３又は４記載のエネルギー吸収装置。
6. 【請求項６】 前記挟部材の球状頭部との接触部位に、
   硬板が固着されていることを特徴とする請求項４または
   ５記載のエネルギー吸収装置。
7. 【請求項７】 頭部抑制体が、主に空間構造体を形成す
   る弦材同士を接合するに用いる球殻接合体であることを
   特徴とする請求項１、２、３、４、５又は６記載のエネ
   ルギー吸収装置。
8. 【請求項８】 前記エネルギー吸収体の中央部（両端部
   に対して、断面の直径が最も小となる部位）の断面の直
   径に対して、両端部の断面の直径が、約１．３倍以上で
   あることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６又
   は７記載のエネルギー吸収装置。
9. 【請求項９】 構造物に設置される場合に、弾性支承
   部、積層ゴム支承部、ローラー支承部等と共に使用さ
   れ、あるいは各部位の断面直径が異なる前記エネルギー
   吸収部からなる複数の装置が、同時に使用されることを
   特徴とする請求項１、２、３，４、５、６、７又は８記
   載のエネルギー吸収装置。