JP2005172030A - Friction damper - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、中板とそれを挟む一対の外板とが相対的に摺動自在に重ね合わされ、且つ、高力ボルトで締め付けられた二面せん断型の摩擦ダンパーに関する。 The present invention relates to a two-surface shear type friction damper in which an intermediate plate and a pair of outer plates sandwiching the intermediate plate are slidably overlapped and fastened with a high-strength bolt.
高力ボルトの締め付け軸力を利用した既往の摩擦ダンパーは、その使用目的から、低耐力型および高耐力型に区分される。前者の低耐力型の摩擦ダンパーは、主として風荷重や中小地震に作用し、生じる振動を低減して居住性能の向上を図ることを意図しており、大地震時には、その効果は殆ど期待されていない。但し、安定した繰り返し履歴曲線が何万回も期待できるほどの耐用性がある。 Conventional friction dampers using the tightening axial force of high strength bolts are classified into low strength type and high strength type according to the purpose of use. The former low-strength type friction damper mainly acts on wind loads and small and medium-sized earthquakes, and is intended to improve the living performance by reducing the generated vibrations. Absent. However, it is durable enough to expect a stable repeating history curve tens of thousands of times.
それに対して後者の高耐力型の摩擦ダンパーは、主として風荷重や中小地震時には摺動せず、大地震にしてはじめて相対変位が発生してその効果を発揮する。従って、累積すべり量としては高々数mもあれば対地震用としては十分であって、何万回もの繰り返し載荷における安定した履歴性能までは必要としない。高耐力型の摩擦ダンパーは、大地震時のエネルギーを吸収することで架構の弾塑性応答量を低減し、もって耐震性能の向上・鉄骨数量の低減を図ることを意図している装置である。 On the other hand, the latter high strength type friction damper does not slide mainly at the time of wind load or small and medium-sized earthquakes, and exhibits its effect only when a relative displacement occurs only after a large earthquake. Therefore, if there is at most several meters as the cumulative slip amount, it is sufficient for anti-earthquake and does not require stable history performance in repeated loading of tens of thousands of times. The high-strength type friction damper is a device intended to reduce the elastic-plastic response of the frame by absorbing energy during a large earthquake, thereby improving seismic performance and reducing the number of steel frames.
ところで、従来の二面せん断型の摩擦ダンパーは、低耐力型も高耐力型も、例えば、特許文献1〜3や特許文献4の第3頁第29〜39行目に記載されているように、中板に長孔を設け、中板を挟む外板の外側から中板の長孔に挿通した高力ボルトで締め付け、そのボルト軸力で摺動面に摩擦力を発生させる機構をもつ形状を基本としていたため、次のような問題点があった。
By the way, as for the conventional two-surface shear type friction damper, as described in
即ち、低耐力型も高耐力型も、安定した摩擦力を、用途に応じた必要十分な回数以上発現させる能力を有することが何よりも肝要である。そのためには、摺動面に施す摩擦材として、例えば、低耐力型には潤滑剤やテフロン(登録商標)材などを用いたりして、低摩擦係数にてその履歴を安定化させるといった工夫がなされる一方で、高耐力型には、摩擦面(摺動面)に金属を溶射したり、摩擦材に制動材料を用いたり、などというような工夫が行われてきた。 In other words, it is important that both the low strength type and the high strength type have the ability to generate a stable friction force more than necessary and sufficient number of times depending on the application. For this purpose, as a friction material to be applied to the sliding surface, for example, a lubricant or a Teflon (registered trademark) material is used for the low strength type, and the history is stabilized with a low friction coefficient. On the other hand, the high strength type has been devised such as spraying metal on the friction surface (sliding surface) or using a braking material for the friction material.
しかし、これらいずれもが、中板に長孔を設けた二面せん断摩擦接合形式を取っている以上、ボルト1本の支配面積が摩擦面の挙動を大きく左右するという宿命からは逃れられない。即ち、摩擦力が、摩擦係数とボルト軸力との積で決する以上、ボルト1本当たりの摩擦力の増大には自ずと限界がある。つまり、高耐力型摩擦ダンパーにおいて、仮に低耐力型のすべり係数の倍以上のすべり係数が確保できたとしても、すべり係数の値には自ずと限界があるため、無限に高耐力化することは不可能であって、1本の高力ボルトの導入軸力がその耐力上限を決してしまうことになる。 However, as long as each of them adopts a two-surface shear friction joining method in which a long hole is provided in the middle plate, it cannot escape from the fate that the dominant area of one bolt greatly affects the behavior of the friction surface. That is, as long as the frictional force is determined by the product of the friction coefficient and the bolt axial force, there is a limit to the increase in the frictional force per bolt. In other words, even with a high-strength type friction damper, even if a slip coefficient more than double that of the low-strength type can be secured, there is a limit to the value of the slip coefficient. It is possible, and the introduction axial force of one high-strength bolt will never exceed the proof stress upper limit.
一般に、摩擦面の挙動に関しては、すべり係数が低いほど履歴は安定しており、再現性が高く、すべり係数が高いほど履歴が不安定となり、再現性に乏しくなるという傾向がある。従って、安定した履歴を得るためには、すべり係数を低くせざるを得ない。 In general, with respect to the behavior of the friction surface, the lower the slip coefficient, the more stable the history, and the higher the reproducibility. The higher the slip coefficient, the more unstable the history and the less reproducible. Therefore, in order to obtain a stable history, the slip coefficient must be lowered.
そこで、既往の技術では、摩擦ダンパー単体を高耐力化する必要がある場合には、摩擦面を縦ないしは横に拡幅し、中板の長孔の数を縦横に増やして、直列式ないしは並列式の多数ボルトによる摩擦ダンパーを形成してきた。 Therefore, in the existing technology, when it is necessary to increase the strength of the friction damper alone, the friction surface is widened vertically or horizontally, and the number of long holes in the middle plate is increased vertically and horizontally to form a series or parallel type. A friction damper with a large number of bolts has been formed.
摩擦力を与えるための高力ボルトの製品単価は今日では極めて安価なものであるから、高力ボルトの本数が増えること自体に関しては問題がない。しかし、長孔の個数が増えることは、製作コストを押し上げ、製品製作上の大きな問題点となっていた。しかも、中板に多数の長孔を直列させたり、並列させて形成することは、中板および外板の寸法が大きくなって、徒に摩擦ダンパーの体積や重量を増大させるだけのみならず、架構に組み込むディテールを困難にしかねない、という欠点があった。 Since the unit price of high-strength bolts for applying frictional force is extremely low today, there is no problem with increasing the number of high-strength bolts. However, the increase in the number of long holes increases the production cost and has become a major problem in product production. Moreover, forming a large number of long holes in series or in parallel with the middle plate not only increases the size of the middle plate and the outer plate, but also increases the volume and weight of the friction damper. There was a drawback that the details incorporated into the frame could be difficult.
殊に、長孔形式においては、長孔の距離そのものが即ち有効なストロークであるから、階高の高い架構や、免震架構などの大きな摺動距離が必要な場合には、いきおい長孔の長さを大きくする以外にない。摩擦ダンパー自体がそのストロークに応じて大きくなれば、簡便コンパクトというわけには行かなくなるうえ、長孔の切削加工にも相応の手間が掛かるので、長ストロークの場合には、摩擦ダンパーの製作コストがストローク長に比例して上昇するといった欠点をもつものであった。 In particular, in the long hole type, since the distance of the long hole itself is an effective stroke, when a large sliding distance such as a high-floor frame or a seismic isolation frame is necessary, There is nothing but to increase the length. If the friction damper itself becomes larger according to its stroke, it will not be easy and compact, and it will take time and effort to cut long holes. It had the disadvantage of increasing in proportion to the stroke length.
また、応力集中という観点からも、長孔形式では、ボルトの近傍のみに多大な応力が集中してしまって、特に高耐力型の場合には、安定履歴挙動という観点からは決して好ましいものではなかった。 Also, from the viewpoint of stress concentration, in the long hole type, a great amount of stress is concentrated only in the vicinity of the bolt, and in the case of the high strength type, it is never preferable from the viewpoint of stable history behavior. It was.
本発明は、上記の事柄に留意してなされたもので、その目的とするところは、大型化を招くことなく高力ボルトの本数を増やすことができ、例えば、建築構造物のための大地震用の高耐力型摩擦ダンパーであっても、簡単・軽量・コンパクトな形状で実現することができるようにすることにある。 The present invention has been made in consideration of the above matters, and the purpose of the present invention is to increase the number of high-strength bolts without causing an increase in size, for example, a large earthquake for a building structure. The purpose of this invention is to make it possible to realize a simple, lightweight and compact shape even for a high strength type friction damper.
上記の目的を達成するために、本発明が講じた技術的手段は、次のとおりである。即ち、請求項1に記載の発明では、中板とそれを挟む一対の外板とが相対的に摺動自在に重ね合わされ、且つ、高力ボルトで締め付けられた二面せん断型の摩擦ダンパーにおいて、外板を中板よりも拡幅し、中板の両側へ突出した位置において外板同士を高力ボルトで締め付け、高力ボルト間で中板が相対的に摺動するように構成したことを特徴としている。
In order to achieve the above object, the technical measures taken by the present invention are as follows. That is, in the invention according to
中板の摺動方向としては、中板の両側に位置する高力ボルトを端点とする線分に対して垂直方向のタイプ(請求項2)と、平行方向のタイプ(請求項3)とがあり、載荷軸が一軸に定まっていないような場合には、それらの組合せ、つまり、請求項4に記載のように、中板が両側に位置する高力ボルトを端点とする線分に対して垂直方向にも平行方向にも摺動するように構成することが可能である。
As the sliding direction of the intermediate plate, there are a vertical type (Claim 2) and a parallel type (Claim 3) with respect to a line segment with the high-strength bolts located on both sides of the intermediate plate as end points. Yes, when the loading axis is not fixed to one axis, the combination thereof, that is, as described in
上記の構成によれば、高力ボルト二面せん断型摩擦ダンパーの既往の形式である長孔を廃し、外板を中板よりも拡幅して、外板の中板両側に突出した部分を高力ボルトで締め付けるようにしたので、中板及び外板の大型化を招くことなく、ボルト本数を増やすことができる。従って、摩擦面が低めのすべり係数であっても、ボルト本数を増やして高い耐力を得ることができ、架構への組込みに有利な簡単・軽量・コンパクトな形状の高耐力型摩擦ダンパーを実現できることになる。 According to the above configuration, the long hole which is the conventional form of the high-strength bolt two-surface shear type friction damper is abolished, the outer plate is wider than the middle plate, and the protruding portions on both sides of the middle plate are increased. Since the bolts are tightened with force bolts, the number of bolts can be increased without increasing the size of the intermediate plate and the outer plate. Therefore, even if the friction surface has a low slip coefficient, it is possible to increase the number of bolts to obtain a high yield strength, and to realize a simple, lightweight, compact, high strength type friction damper that is advantageous for incorporation into a frame. become.
しかも、上記の構成によれば、中板に対する長孔加工がなくなることによって、製作コストを大幅に低減でき、摩擦ダンパーの単価を下げることが可能である。 In addition, according to the above configuration, the long hole machining for the intermediate plate is eliminated, so that the manufacturing cost can be greatly reduced and the unit price of the friction damper can be lowered.
また、外板の面外変形がちょうどボルト軸力と釣り合って、この面外変形がボルト軸力を均一に保つ効果を発現することになる。 Further, the out-of-plane deformation of the outer plate is just balanced with the bolt axial force, and this out-of-plane deformation exhibits the effect of keeping the bolt axial force uniform.
殊に、請求項2に記載の発明の構成によれば、中板の摺動方向が、中板の両側に位置する高力ボルトを端点とする線分に対して垂直方向であるから、摺動ストローク長に制限がなく、摺動ストロークをいくらでも増やせるので、高階高の建築構造物への適用が容易であり、制振構造だけでなく、水平変位のストロークが500mm〜600mm程度求められる免震構造においても全く問題なく適用できる等の効果がある。
In particular, according to the configuration of the invention described in
また、本発明に係る摩擦ダンパーを建築物に適用することにより、以下の効果が期待できる。
(a)損傷制御設計による建物の高性能化が可能であり、地震時の躯体を健全に保つことができる。
(b)躯体鉄骨数量の低減が可能となる。
(c)耐震要素のバリエーションを追加することで、空間設計の自由度が高まる。
(d)耐震要素の簡素化・低価格化・高性能化が可能となる。
(e)既存不適格建物の耐震補強時に、エネルギー吸収機構の一手法として活用できる。
Moreover, the following effects can be expected by applying the friction damper according to the present invention to a building.
(A) It is possible to improve the performance of the building by the damage control design, and it is possible to keep the housing in the event of an earthquake healthy.
(B) It is possible to reduce the number of frame steel frames.
(C) The degree of freedom in space design is increased by adding variations of seismic elements.
(D) It is possible to simplify, reduce the price and improve the performance of seismic elements.
(E) It can be used as a method of energy absorption mechanism at the time of seismic reinforcement of existing unqualified buildings.
図1、図2は、本発明に係る摩擦ダンパーの機構を説明する平面図と断面図である。この摩擦ダンパーは、中板1とそれを挟む一対の外板2とが相対的に摺動自在に重ね合わされ、且つ、高力ボルト3で締め付けられた二面せん断型の摩擦ダンパーであって、外板2を中板1よりも拡幅し、中板1の両側へ突出した位置において表裏の外板2同士を高力ボルト3で締め付け、高力ボルト3間で中板1が相対的に摺動するように構成した点に特徴がある。摩擦面(中板1と外板2の摺動面)Sに関しては、例えば、金属を溶射させたり、制動材料を挟み込む等のバリエーションがあるが、何れも切削加工を殆どすることなしに組み込むことが可能であり、これにより、鋼材の加工を大幅に減らして製作を簡便にすることができる。
1 and 2 are a plan view and a cross-sectional view illustrating a mechanism of a friction damper according to the present invention. The friction damper is a two-surface shear type friction damper in which the
中板1の摺動方向としては、図1に示すように、中板1の両側に位置する高力ボルト3を端点とする線分に対して垂直方向に中板1が摺動する第1のタイプと、図3に示すように、中板1の両側に位置する高力ボルト3を端点とする線分に対して平行方向に中板1が摺動する第2のタイプとが考えられる。
As the sliding direction of the
第1のタイプは、ストローク長に制限がなく、すべり荷重が変位に依存しないという特徴を持つ。第2のタイプは、微小変形であれば安定しているが、ストローク長に制限がある。また高力ボルト3に近づいた距離に応じてすべり荷重が変動する恐れがある。但し、高力ボルト3に近づくほどすべり抵抗が増えるので、変位が大であるほど大きなすべり耐力を得たいプログレッシブなすべり抵抗特性を有するダンパーが必要で且つ必要ストロークが限定されているような場合には、好ましい形式である。
The first type is characterized in that the stroke length is not limited and the sliding load does not depend on the displacement. The second type is stable if it is minutely deformed, but has a limited stroke length. Further, the sliding load may vary depending on the distance approaching the high-
載荷軸が一軸に定まっていないような場合には、両タイプの組合せ、つまり、中板1が両側に位置する高力ボルト3を端点とする線分に対して垂直方向と平行方向に摺動するように構成することが考えられる。
When the loading shaft is not fixed to one axis, the combination of both types, that is, the
上記の構成によれば、例えば図4に示すように、中板1及び外板2の大型化を招くこと
なく、ボルト本数を増やすことができるので、摩擦面Sが低めのすべり係数であっても、ボルト本数を増やして高い耐力を得ることができ、架構への組込みに有利な簡単・軽量・コンパクトな形状の高耐力型摩擦ダンパーを実現できる。
According to the above configuration, for example, as shown in FIG. 4, the number of bolts can be increased without increasing the size of the
しかも、中板1に対する長孔加工がなくなることによって、製作コストを大幅に低減でき、摩擦ダンパーの単価を下げることが可能である。
In addition, since the oblong hole machining for the
また、外板2の面外変形がちょうどボルト軸力と釣り合って、この面外変形がボルト軸力を均一に保つ効果を発現することになる。
Further, the out-of-plane deformation of the
殊に、図1や図4に示した第1のタイプによれば、中板1の摺動方向が、中板1の両側に位置する高力ボルト3を端点とする線分に対して垂直方向であるから、摺動ストローク長に制限がなく、摺動ストロークをいくらでも増やせるので、高階高の建築構造物への適用が容易であり、制振構造だけでなく、水平変位のストロークが500mm〜600mm程度求められる免震構造においても全く問題なく適用できる。
In particular, according to the first type shown in FIGS. 1 and 4, the sliding direction of the
次に、図5〜図7に示す試験体(第1のタイプの摩擦ダンパー)を用いて、摩擦ダンパー単体の動的載荷実験を行ったところ、表1に示す結果を得た。 Next, when the dynamic loading experiment of the friction damper single body was conducted using the test body (first type friction damper) shown in FIGS. 5 to 7, the results shown in Table 1 were obtained.
尚、試験体は、中板1をステンレス鋼板とし、外板2に制動材料(自動車などに用いられるブレーキ材を利用したもの)4を取り付け、中板1の両側へ突出した位置において外板2同士を2本の高力ボルト3で均等に締め付けたものである。一方の外板2は平板状の鋼板で構成され、他方の外板2は、補強リブ5を備えた断面T形の鋼板で構成され、両外板2とそれらの一端側に挟んだ外板間挿入板6とをボルト・ナット7で締め付け、当該外板間挿入板6から片持ち状に突出した外板2の他端側で中板1を挟持するように構成されている。8は外板2に切削加工した制動材料位置ずれ防止用の隆起部であり、隆起部8の高さは、制動材料4の板厚よりも低く設定されている。
In the test body, the
表1に示す摩擦ダンパー単体の動的履歴性状から、上記の摩擦ダンパーは安定した耐力を発現し、スムーズなエネルギー吸収能力を有することが確認された。 From the dynamic hysteresis properties of the single friction damper shown in Table 1, it was confirmed that the friction damper described above exhibited a stable proof stress and had a smooth energy absorption capability.
次に、第1のタイプの摩擦ダンパーを組み込んだ架構(フレーム)を試験体として静的
載荷実験を行ったところ、表2に示す結果を得た。
Next, when a static loading experiment was performed using a frame (frame) incorporating the first type friction damper as a test body, the results shown in Table 2 were obtained.
尚、図8〜図10に示すように、摩擦ダンパーは、1枚の中板1の長手方向両端側を夫々外板2で挟んだ形状とし、架構のブレース9と上側の梁10との接合部にボルト・ナットで装着した。架構の柱11及び梁10はH型鋼で構成し、ブレース9の主部材は溝型鋼で構成し、ブレース9と架構、ブレース9と摩擦ダンパーの中板1とは、夫々、ピン接合とした。12はブレース9の両端部を形成するクレビス、13はクレビス12をねじ込んで接合するクレビス接合冶具であり、クレビス接合冶具13に対するクレビス12のねじ込み量によりブレース9の長さの微調整を行えるようになっている。14はピン受けであり、ピン受け14と中板1とはボルト15で接合されている。16はアングル材より成るピン受け振れ止めであり、上側の梁10のフランジにボルト接合されている。
As shown in FIGS. 8 to 10, the friction damper has a shape in which both ends in the longitudinal direction of one sheet of the
表2から、架構(フレーム)に組み込まれた摩擦ダンパーは、単体と遜色ない力学的性能を発揮し、この摩擦ダンパー付き架構はスムーズ且つ安定した履歴挙動を呈することが確認された。 From Table 2, it was confirmed that the friction damper incorporated in the frame (frame) exhibited mechanical performance comparable to that of the single frame, and that the frame with the friction damper exhibited a smooth and stable hysteresis behavior.
尚、摩擦ダンパーを架構(フレーム)に組み込む形式としては、図8〜図10に示したように、摩擦面がフレームの構面に対して垂直となるように組み込む形式と、図11に示すように、摩擦面がフレームの構面と平行になるように組み込む形式とが考えられる。前
者の形式では、梁10に対して中板1が浮いた状態となるので、中板1にねじれなどが生じないように、ブレース芯を梁中心ではなく中板表面に集めることが望ましい。
In addition, as a form which incorporates a friction damper in a frame (frame), as shown in FIGS. 8-10, as shown in FIG. 11, the form which incorporates so that a friction surface may become perpendicular | vertical with respect to the frame surface. In addition, it can be considered that the friction surface is incorporated so as to be parallel to the frame surface. In the former form, since the
前者の形式によれば、摩擦ダンパーを単純な板材で構成できるため、加工費が安価に抑えられる。摩擦ダンパーの上下方向での厚みが小さくて、摩擦ダンパーを組み込んだ部分の高さがコンパクトである等の利点がある。後者の形式によれば、ブレース9をフレームに組み込む際、多少の施工誤差があっても、その誤差を摩擦ダンパーで吸収できる。フレームの回転変位を摩擦ダンパーで吸収できる等の利点がある。
According to the former form, since the friction damper can be formed of a simple plate material, the processing cost can be suppressed at a low cost. There are advantages such that the thickness of the friction damper in the vertical direction is small and the height of the portion incorporating the friction damper is compact. According to the latter form, when the
1 中板
2 外板
3 高力ボルト
1
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JP2016080075A (en) * | 2014-10-16 | 2016-05-16 | 住友ゴム工業株式会社 | Damping device |
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