JP2005133443A - 複合ダンパーおよび柱梁構造物 - Google Patents

Abstract

【課題】建築構造物の振動入力への応答特性を向上させる複合ダンパーを提供する。
【解決手段】柱・梁を備えた建築構造物の上下の梁間に配置するエネルギー吸収部位５とシャフト部３１，３２を備えた間柱型ダンパー３からなる履歴ダンパー９と粘弾性ダンパー４を備え、前記粘弾性ダンパー４は、前記エネルギー吸収部位５と上側梁または下側梁の間の少なくとも一方に、前記エネルギー吸収部位５と直列で、かつ前記間柱ダンパー３のシャフト部３１，３２とは別系統の力学的経路を有するように配置され、複数の間柱型ダンパー３を剛部材６で連結し、前記間柱型ダンパー３と前記剛部材６で形成される上下の空隙の何れか一方または両者に粘弾性ダンパー４を前記間柱ダンパー３のエネルギー吸収部位と前記粘弾性ダンパー４が前記剛部材６を挟んだ直列の力学的経路となるように配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、地震、風等の外力に対する構造物の応答を低減させる複合ダンパーに関し、特に設置スペースの少ない建築物その他の構造物に好適なものに関する。

建築物などの構造物では、地震や強風等の振動入力に対し、快適な居住性や安全性を確保するため耐震性・制振性が要求され、各種の制振ダンパーが提案されている。

特許文献１は制震鋼板ユニットおよび制震壁に関し、柱梁に囲まれた構面内に制震鋼板ユニット（鋼製ダンパー）を配置し、鋼製ダンパーを主架構よりも早期に降伏させて構造物の応答を低減することが記載されている。

特許文献２は耐震建築物に関し、大減衰力を有する高剛性かつ高靭性の粘性耐震壁を備え、該粘性耐震壁に地震荷重を負担させ、柱および梁は長期荷重のみを負担させる耐震建築物が記載されている。粘性耐震壁（粘弾性ダンパー）は粘性抵抗の大きい粘性体を鋼板に対し粘着させた状態で挟み込み、低振幅からエネルギー吸収を行い、地震応答・風応答に作用する。

建築構造物に鋼製ダンパー、粘弾性ダンパーを配置すると地震、風等による構造物の振動を低減できる。しかし、鋼製ダンパーは強風による振動等、居住性が問題となる程度の振幅では作用せず、また強風による振動が構造物の安全性にかかわるほど大きな場合であっても数時間連続するような場合には振動エネルギーを吸収させるには不向きである。

粘弾性ダンパーは数十年に一回の確率で発生する大地震に対してエネルギー吸収が行えるように設計すると粘弾性体量が多くなり経済性が損なわれる。

そこで、風による微小振動から地震による大振動にいたるあらゆる振動入力に対して建築物などの構造物の応答を低減させるため弾塑性ダンパー（鋼製ダンパー）と粘弾性ダンパー両者の特性を備えた複合ダンパーが提案されている。

複合ダンパーには弾塑性ダンパーと粘弾性ダンパーを並列に配置するものと直列に配置するものがある。並列に配置した場合、外乱による振動は弾塑性ダンパーと粘弾性ダンパーのそれぞれに外力が入力され、入力が微小振動の場合は粘弾性ダンパーの変位が剛性の高い弾塑性ダンパーにより拘束され制震効果が得られないため、直列に配置することが好ましいとされている。

特許文献３は粘弾性ダンパーまたは粘性ダンパーと弾塑性ダンパーを組合わせた複合ダンパーに関し、両者は力学経路的に直列に配置され、弾塑性ダンパー部と粘弾性ダンパー部を同心円状に配置した構造であることを特徴とする。
特開平１０−１４７９９９号公報 特開平１１−１４１１７７号公報 特開２００２−２２１２５２号公報

特許文献３に記載されている複合ダンパーは弾塑性ダンパー部と粘弾性ダンパー部を力学的に完全な直列配置としているため、粘弾性ダンパーの耐力を弾塑性ダンパーの耐力以上にするという制約が生じ、粘弾性ダンパーの断面積を大きく必要とする。そのため、制振効果として最適な粘弾性体量を超え、不経済なものとなる可能性がある。また、ブレース形状であるため、壁面に開口部が取りにくいという問題点も存在する。

そこで、本発明は弾塑性ダンパーのエネルギー吸収部位を鋼材と粘弾性ダンパーの二系統で直列配置することにより耐力上の制約を無くし、また間柱に近い形状として壁面の開口部を取りやすくし、建築計画上の制限を少なくすることを目的とする。

本発明者らは、複合ダンパーにおいて履歴ダンパーと粘弾性ダンパーを直列に配置した場合の変位と荷重の関係について鋭意検討を行い以下の設計指針を得た。尚、本説明では履歴ダンパーは弾塑性ダンパーとする。

図５は複合ダンパーの変位と荷重の関係を示す図で（イ）は微小変形時、（ロ）は大変形時の場合を示す。図６は複合ダンパーを設置した柱梁空間で、上下の梁間に変位が生じた場合の変形挙動を模式的に示す図で（イ）は微小変形時、（ロ）は大変形時の場合を示す。微小変形の範囲では、履歴ダンパー９が降伏せず、主に粘弾性ダンパー４ｂが変形エネルギーの吸収を行うように設計する。

具体的には微小変形を生じる風が吹くような場合は、継続時間が長いため鋼製の履歴ダンパー９によるエネルギー吸収は適当でなく、設計風荷重により生じる最大応力時にエネルギー吸収部位が降伏しないように履歴ダンパー９を設計し、エネルギー吸収が粘弾性ダンパー４ｂで行えるようにする（図５（イ）図６（イ））。

一方、履歴ダンパー９が降伏するような大変形時では、履歴ダンパー９と粘弾性ダンパー４ｂの両者がエネルギー吸収を行うように設計する。

具体的には履歴ダンパー９の終局耐力時、あるいは設計地震荷重により生じる最大耐力時に、粘弾性ダンパー４ｂが破損しないだけの変形能力を持たせる。このとき、粘弾性ダンパー４ｂに生じる変位は履歴ダンパー９の降伏耐力時の変位と同程度である（図５（ロ）図６（ロ））。

粘弾性ダンパーに関しては、変位Δδが等しい場合、例えば粘弾性体の厚さＨが半分になれば、粘弾性体の断面積Aは半分で同じせん断荷重Qとなる。
Ｑ＝（AG/H)Δδ Ｇ：粘弾性体のせん断弾性係数
粘弾性ダンパーの必要変形量が小さければ粘弾性体の厚さHも小さくすることが出来るので、それに比例して断面積Ａも小さくなり、結果として粘弾性ダンパーの小型化が可能となる。

本発明は以上の設計指針を基に更に検討を加えてなされたものであり、すなわち本発明は
１ 履歴ダンパーと粘弾性ダンパーを備えた複合ダンパーであって、前記履歴ダンパーは柱・梁を備えた建築構造物の上下の梁間に配置するエネルギー吸収部位とシャフト部からなる間柱型ダンパーであり、前記粘弾性ダンパーは、前記エネルギー吸収部位と上側梁または下側梁の間の少なくとも一方に、前記エネルギー吸収部位と直列で、かつ前記間柱ダンパーのシャフト部とは別系統の力学的経路を有するように配置されていることを特徴とする複合ダンパー。

２ 複数の間柱型ダンパーを剛部材で連結し、前記間柱型ダンパーと前記剛部材で形成される上下の空隙の何れか一方または両者に粘弾性ダンパーを配置する複合ダンパーであって、前記間柱ダンパーのエネルギー吸収部位と前記粘弾性ダンパーが前記剛部材を挟んだ直列の力学的経路となるように配置されていることを特徴とする１記載の複合ダンパー。

３ 前記粘弾性ダンパーが柱梁接合部と履歴ダンパーを連結するように配置されていることを特徴とする１記載の複合ダンパー。

４ １乃至３の何れか一つに記載の複合ダンパーを備えたことを特徴とする柱梁構造物。

５ 履歴ダンパーと粘弾性ダンパーを備えた複合ダンパーであって、前記履歴ダンパーは柱・梁を備えた建築構造物の左右の柱間に配置するエネルギー吸収部位とシャフト部からなる間柱型ダンパーであり、前記粘弾性ダンパーは、前記エネルギー吸収部位と左側柱または右側柱の間の少なくとも一方に、前記エネルギー吸収部位と直列で、かつ前記間柱ダンパーのシャフト部とは別系統の力学的経路を有するように配置されていることを特徴とする複合ダンパー。

６ ５記載の複合ダンパーを備えたことを特徴とする柱梁構造物。

本発明によれば、居住性を損なう小振幅の振動から、構造物の機能、安全性に影響する地震時の大振幅の振動まで効果的にエネルギーを吸収することができる。また本発明に係る複合ダンパーは設置スペースが少なく開口部の確保が容易であり、粘弾性ダンパーを小振幅に限定して設計できるためコストパフォーマンスに優れている。

本発明は、建築構造物の架構を構成する構面内に配置される間柱に履歴ダンパーを組込んだ間柱ダンパーと粘弾性ダンパーを組合わせた複合ダンパーであって、粘弾性ダンパーと履歴ダンパーを外力に対して直列の力学的経路を有するように配置する際、粘弾性ダンパーの小型化が可能になるよう配置することを特徴とする。尚、本発明で力学的経路とは、外力の伝達経路を指す。

図１は本発明の一実施形態に係る複合ダンパーを、建築構造物の架構を構成する構面内に配置した状況を示す。図において１は柱、２は大梁、３は間柱ダンパー、３１、３２は間柱ダンパー３の一部を構成するシャフト（柱材）で３１は上のシャフト、３２は下のシャフト、４、４ａは粘弾性ダンパー、５は間柱ダンパー３に組み込まれる極低降伏点鋼からなるエネルギー吸収部位、６、６ａは一対の間柱ダンパー３を連結する剛部材（貫梁）を示す。

柱，大梁に囲まれた構面に、上下の大梁２に一対の間柱ダンパー３を離して架設し、両者を剛部材（貫梁）６，６ａで連結し略Ｈ字状とする。間柱ダンパー３はＨ型鋼とし、該Ｈ型鋼のウエブ部にエネルギー吸収部位５を組み込む。

間柱ダンパー３の上端３２ａ，下端３１ｂは大梁２に剛接合される。剛部材（貫梁）６と間柱ダンパーの接合部３２ｂ，剛部材（貫梁）６ａと間柱ダンパーの接合部３１ａは柱材３１，３２のどの位置でも良いが、エネルギー吸収部位５に近いほどよく、接しているのが最も望ましい。

また、エネルギー吸収部位５を、柱材３２と剛部材（貫梁）６、及び柱材３１と剛部材（貫梁）６ａからなる上下の門型構造を構成した上で、剛部材６，６ａの間の相対変位に対してエネルギー吸収を行う任意の形式の履歴ダンパーで置き換えるか、あるいはエネルギー吸収部位５と前記履歴ダンパーの両者を併設することも可能である。

粘弾性ダンパー４、４ａは、一対の間柱ダンパー３と剛部材（貫梁）６，６ａによる略Ｈ字状の構成において、上下の大梁２と一対の間柱ダンパー３と剛部材（貫梁）６，６ａに囲まれた上下の空隙に配置する。

粘弾性ダンパー４の上端４１は上の大梁と剛接合し、下端４２は剛部材（貫梁）６に剛接合される。粘弾性ダンパー４ａの上端４１ａは剛部材（貫梁）６ａに剛接合され，下端４２は上の大梁と剛接合する。

接合部を高力ボルト接合とすることにより、大地震罹災後の間柱ダンパーの取替え、及び粘弾性ダンパーの繰り返し使用が容易となる。

上述したような構成とすることにより、粘弾性ダンパー４、４ａとエネルギー吸収部位５は層間変位により生じる応力に対して直列の力学的経路を有するように配置される。

間柱ダンパー３は上下のシャフト（柱材）３１、３２の材軸方向の中央部に配置したエネルギー吸収部位５がせん断降伏してエネルギー吸収を行う。粘弾性ダンパー４、４ａは大梁２と間柱ダンパー３の相対変位（速度）によるエネルギーの吸収をおこなう。

建築構造物の振幅が小さい場合は間柱ダンパー３を構成するエネルギー吸収部位５は降伏せず、粘弾性ダンパー４，４ａのみがエネルギー吸収を行う。

一方、振幅が大きい場合は、間柱ダンパー３を構成するエネルギー吸収部位５が降伏し、粘弾性ダンパー４，４ａとともにエネルギー吸収を行う。エネルギー吸収部位５が降伏し荷重が上昇せず、間柱ダンパー３の上下のシャフト（柱材）３１、３２は大きく変形しないため粘弾性ダンパー４、４ａが過大に変形し破損することが防止される。

図２は本発明の他の実施形態に係る複合ダンパーを示す。一対の間柱ダンパー３を連結する剛部材（貫梁）６を大梁２側に寄せて、粘弾性ダンパー４の数を減らしている。剛部材（貫梁）６と間柱ダンパーの接合部３１ａは柱材３１のどの位置でも良いが、エネルギー吸収部位５に近いほどよく、接しているのが最も望ましい。

また、エネルギー吸収部位５を、柱材３１と剛部材（貫梁）６からなる門型構造を構成した上で、剛部材６と上側大梁２の間の相対変位に対してエネルギー吸収を行う任意の形式の履歴ダンパーで置き換えるか、あるいはエネルギー吸収部位５と前記履歴ダンパーの両者を併設することも可能である。

接合部を高力ボルト接合とすることにより、大地震罹災後の間柱ダンパーの取替え、及び粘弾性ダンパーの繰り返し使用が容易となる。

図３は本発明の他の実施形態に係る複合ダンパーを示す。図において７、７ａ，７ｂ，７ｃは柱梁接合部と間柱ダンパー３ｂを連結する粘弾性ダンパーを示す。

柱１、１ａ，梁２、２ａにより構成される架構の構面内に間隔を設けずに並べた複数本の間柱ダンパー３を上下の大梁２に剛接合し、粘弾性ダンパー７の一方の端部を柱梁接合部に接合し、他方の端部を間柱ダンパー３の上のシャフト（柱材）３２に接合する。この際、エネルギー吸収部位と粘弾性ダンパーが応力伝達の点で直列となるように取り付ける。

同様に、他の柱梁接合部も粘弾性ダンパー７ａ，７ｂ、７ｃを介して間柱ダンパーのシャフト（柱材）に接続させる。

図４は本発明の他の実施形態に係る複合ダンパーを示す。一対の間柱ダンパー３をそれぞれのエネルギー吸収部位５の上下において部材８、８ａで連結する。上の部材８の右端８１と間柱ダンパー３の上の柱材３２の接合部、左端８２との接合部はピン接合とする。下の部材８ａの右端８１ａと間柱ダンパー３の下の柱材３１の接合部、左端８２ａとの接合部もピン接合とする。

上の粘弾性ダンパー４の上端４１と上の梁２、下端４２と部材８は剛接合とする。下の粘弾性ダンパー４ａの上端４１ａと部材８ａ，下端４２ａと下の梁２は剛接合とする。一対の間柱ダンパー３を連結する部材８、８ａと間柱ダンパー３をピン接合としたことにより、微小変形時の粘弾性ダンパー４の相対変位量が大きくなり一サイクル当たりのエネルギー吸収量も大きくなるため、更に振動を低減する効果が向上する。なおかつ、大変形時にはエネルギー吸収部位５が降伏し、粘弾性ダンパー４に過大な変形が加わることは無い。

以上の図１〜４の説明において本発明に係る複合ダンパーを上下の梁間に架設したが、必要に応じて９０°回転させて、左右の柱間に架設することも可能である。

上述したように、本発明に係る複合ダンパーを建物の架構を構成する構面内に設置すると、地震や強風などの振動応答を低減する制振構造として有効である。また、間柱ダンパーのシャフト（柱材）はＨ型鋼に限定せず、角形鋼管など他の形状であっても良い。

本発明の効果を確認するため、図７に示す１２層高さ４８ｍ，３スパン幅２０ｍの平面骨組モデルを製作し、応答解析を行った。

応答解析では、本発明に係る複合ダンパーを図７に示すモデルの６層以下に配置したモデル（Ｄ），粘弾性ダンパーの代わりに等価な剛性を有するバネを配置し、履歴ダンパーのみとしたモデル（Ｂ），モデル（Ｂ）における履歴ダンパーを降伏させないようにした非制震モデル（Ａ），モデル（Ｄ）の粘弾性ダンパーを上下梁間に並列に配置したモデル（Ｃ）の４種類を用いた。

モデル（Ｃ）の粘弾性ダンパーは大変形に対応するため、粘弾性体の厚さを（Ｄ）の４倍、せん断面積を同一とした。またすべてのモデルで固有周期が等しくなるように設計した。

７層以上は履歴ダンパー（ブレースダンパー）を配置した。表１に構造諸元を示す。モデル（Ｄ）の粘弾性ダンパーはバネ定数を１８４（ｋＮ／ｃｍ），損失係数０．５のせん断バネとした。
図８に前記モデルのそれぞれについて風直角方向振動（最大加速度）をカナダ基準で評価した結果を示す。図中のＨ−１〜４は指針が示す基準値で、値が小さいほど性能が高い。図より、６層以下に本発明に係る複合ダンパーを配置すると、非制震または履歴ダンパーのみの場合と比較して２段階、並列配置の場合と比較して１段階改善することが確認された。尚、カナダ基準は建築物の振動に関する居住性能評価指針・同解説 日本建築学会に記載されているものを用いた。

表２に４種類の平面骨組モデルに対して地震波形を５０ｋｉｎｅレベルに調整した５種類の地震波を入力した結果を示す。最上層の応答変位、応答加速度の最大値を記載している。

本発明に係る複合ダンパーを配置したモデル（Ｄ）では並列配置のモデル（Ｃ）よりも制振効果の高いことが確認された。

本発明の一実施形態を示す図。 本発明の他の実施形態を示す図。 本発明の他の実施形態を示す図。 本発明の他の実施形態を示す図。 複合ダンパーの荷重―変位曲線を示す図で（イ）は微小変形の場合、（ロ）は大変形の場合を示す。 複合ダンパーの変形状況を示す図で（イ）は微小変形の場合、（ロ）は大変形の場合を示す。 実施例に用いた平面骨組モデルを示す図。 図７の平面骨組モデルの風直角方向振動に対する応答を示す図。

符号の説明

１ 柱
２ 大梁
３ 間柱ダンパー
３１、３２ シャフト（柱材）
４、４ａ、４ｂ 粘弾性ダンパー
５ エネルギー吸収部位
６、６ａ 剛部材（貫梁）
７、７ａ、７ｂ、７ｃ ブレース型粘弾性ダンパー
８ 連結部材
９ 履歴ダンパー

Claims (6)

1. 履歴ダンパーと粘弾性ダンパーを備えた複合ダンパーであって、前記履歴ダンパーは柱・梁を備えた建築構造物の上下の梁間に配置するエネルギー吸収部位とシャフト部からなる間柱型ダンパーであり、前記粘弾性ダンパーは、前記エネルギー吸収部位と上側梁または下側梁の間の少なくとも一方に、前記エネルギー吸収部位と直列で、かつ前記間柱ダンパーのシャフト部とは別系統の力学的経路を有するように配置されていることを特徴とする複合ダンパー。
2. 複数の間柱型ダンパーを剛部材で連結し、前記間柱型ダンパーと前記剛部材で形成される上下の空隙の何れか一方または両者に粘弾性ダンパーを配置する複合ダンパーであって、前記間柱ダンパーのエネルギー吸収部位と前記粘弾性ダンパーが前記剛部材を挟んだ直列の力学的経路となるように配置されていることを特徴とする１記載の複合ダンパー。
3. 前記粘弾性ダンパーが柱梁接合部と履歴ダンパーを連結するように配置されていることを特徴とする１記載の複合ダンパー。
4. 請求項１乃至３の何れか一つに記載の複合ダンパーを備えたことを特徴とする柱梁構造物。
5. 履歴ダンパーと粘弾性ダンパーを備えた複合ダンパーであって、前記履歴ダンパーは柱・梁を備えた建築構造物の左右の柱間に配置するエネルギー吸収部位とシャフト部からなる間柱型ダンパーであり、前記粘弾性ダンパーは、前記エネルギー吸収部位と左側柱または右側柱の間の少なくとも一方に、前記エネルギー吸収部位と直列で、かつ前記間柱ダンパーのシャフト部とは別系統の力学的経路を有するように配置されていることを特徴とする複合ダンパー。
6. 請求項５記載の複合ダンパーを備えたことを特徴とする柱梁構造物。

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