JP2006029398A - 制振合金及び免震装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 環境に負荷を与えずに従来と同等以上の特性を有する制振合金及び免震装置を得る。
【解決手段】 一対の連結板１２、１４の間に円筒状に形成されて弾性変形し得るゴム体１６が配置される。ゴム体１６の中心に存在する円形の穴部１６Ａに、円筒状に形成された制振部材２６が嵌まり込むように配置される。この制振部材２６に、双晶の金属材料で弾性変形可能な螺旋状のコイルスプリングの形に形成された制振合金２２が内蔵される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、環境に負荷を与えずに従来と同等以上の特性を有する制振合金及び、このような制振合金を採用した免震装置に関する。

従来より、地震の揺れを低減する為に、建築物とこの建築物を支持する地盤との間に配置される免震装置が知られている。そして、この免震装置には、弾性体とされるゴム体だけでなく、揺れに伴う振動を抑える為の制振合金が内蔵されていて、これらの部材の複合的な作用で地震の揺れを低減し、建築物側に地震の揺れを伝達し難くしていた。

しかし、従来の免震装置の制振合金として、制振特性の面から一般に鉛材が使用されていたが、環境面への配慮が近年重要視されるのに伴い、他の材料に置き換えることが検討されるようになった。
特開昭５８−４４１３７号公報 特開昭６１−２００２７６号公報 特開昭６３−１２５７４５号公報 特開平８−２６０７５５号公報 登録実用新案第３０３０２２８号公報 特開平９−２６４０７９号公報 特開平１０−５４４４１号公報 特開平１０−２３８１６０公報

つまり、免震装置に採用される制振合金として、環境に負荷を与えずに従来の制振合金と同等以上の制振特性を有するものを開発する必要が生じていた。
本発明は上記事実を考慮し、環境に負荷を与えずに従来と同等以上の特性を有する制振合金及び、このような制振合金を採用した免震装置を提供することが目的である。

請求項１に係る制振合金は、双晶の金属材料で弾性変形可能なバネ状に形成され、予歪みが与えらて用いられることを特徴とする。

請求項１に係る制振合金の作用を以下に説明する。
本請求項によれば、双晶の金属材料で弾性変形可能なバネ状に制振合金が形成され、予歪みが与えらて用いられるので、単純な双晶の合金と比較して、バネ定数が低くなると共に減衰係数が高くなって、大きな制振特性を有するようになる結果、従来技術の制振合金と同等以上の制振特性を有するようになる。

一方、本請求項の制振合金は双晶の金属材料で弾性変形可能なバネ状に形成されたことで、鉛材を用いずとも上記のような制振特性を得られるようになる。この為、環境に負荷を与えることもなくなる。

請求項２に係る制振合金の作用を以下に説明する。
本請求項では請求項１と同様の構成を有して同様に作用するが、さらに、螺旋状のコイルスプリングとされたという構成を有している。

つまり、制振合金を螺旋状のコイルスプリングとしたことで、より確実に変形するようになるので、この制振合金に引張力や剪断力が加わった際に、より一層、バネ定数が低くなると共に減衰係数が高くなって、より大きな制振特性を有するようになる。

請求項３に係る制振合金の作用を以下に説明する。
本請求項では請求項１と同様の構成を有して同様に作用するが、さらに、Ｃｕ−Ａｌ−Ｍｎ合金、Ｍｇ−Ｚｒ合金、Ｍｎ−Ｃｕ合金、Ｍｎ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｆｅ合金、Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ合金、Ｔｉ−Ｎｉ合金、Ａｌ−Ｚｎ合金、Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ合金、Ｍｇ合金、Ｃｕ−Ａｌ−Ｃｏ合金、Ｃｕ−Ａｌ−Ｍｎ−Ｎｉ合金、Ｃｕ−Ａｌ−Ｍｎ−Ｃｏ合金、Ｃｕ−Ｓｉ合金、Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ−Ｔｉ合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃ合金、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｍｎ−Ｓｉ−Ｃｏ合金、Ｎｉ−Ａｌ合金の内の何れかを制振合金として使用するという構成を有している。

つまり、これらの合金の内の何れかを制振合金として使用することで、環境に負荷を与えずに従来と同等以上の特性を有する制振合金がより確実に得られるようになる。

請求項４に係る免震装置は、双晶の金属材料で弾性変形可能なバネ状に形成され且つ、予歪みが与えらている制振合金と、
制振合金と並列的に配置されて弾性変形し得るゴム体と、
を有したことを特徴とする。

請求項４に係る免震装置の作用を以下に説明する。
本請求項によれば、弾性変形可能なバネ状に形成された双晶の制振合金に、予歪みが与えらた状態とされ、さらに、この制振合金と並列的にゴム体が配置された免震装置となっている。

従って、本請求項では、双晶の金属材料により弾性変形可能なバネ状に形成された制振合金を採用し、この制振合金に予歪みが与えられているので、単純な双晶の合金と比較して、制振合金のバネ定数が低くなると共に減衰係数が高くなり、従来の制振合金と同等以上の大きな制振特性を有するようになる。

つまり、外部から応力がこの制振合金に付与された場合、予歪みが与えられていて応力歪み曲線中における双晶の変形が生じる領域まで既に変形されているこの制振合金が、さらに双晶の変形を大きくする形或いは、双晶の変形を小さくする形で、変形する。この為、バネ状に形成された双晶の制振合金に予歪みを与えたことにより、バネ定数の低減が図られ、応力歪み曲線中のヒステリシスで囲まれた範囲をより大きくできるようになる。そして、これに伴う効果的で良好な制振特性が得られるようになった。

さらに、制振合金に予歪みを与えていることで、免震装置に引張力が加わった場合でも、免震装置の両端部分から制振合金が離れることが防止されて、制振合金による制振効果が確実に発揮されるようになる。

これに伴い、本請求項に係る免震装置によれば、地震が生じた場合でも、制振合金と並列的に配置されて弾性変形するゴム体とこの制振合金との間の複合的な作用で地震の揺れを低減し、建築物側に地震の揺れが伝達し難くなる。

一方、本請求項の免震装置に用いられる制振合金は、双晶の金属材料で弾性変形可能なバネ状に形成されたことで、鉛材を用いずとも上記のような良好な制振特性を得られる。この為、本請求項の免震装置によれば環境に負荷を与えることもない。

請求項５に係る免震装置の作用を以下に説明する。
本請求項では請求項４と同様の構成を有して同様に作用するが、さらに、制振合金が螺旋状のコイルスプリングとされるという構成を有している。

つまり、制振合金を螺旋状のコイルスプリングとしたことで、制振合金がより確実に変形するようになるので、この制振合金に引張力や剪断力が加わった際に、より一層、バネ定数が低くなると共に減衰係数が高くなって、より良好な制振特性を有するようになる。

請求項６に係る免震装置の作用を以下に説明する。
本請求項では請求項４と同様の構成を有して同様に作用するが、さらに、制振合金が、ゴム材により覆われた形とされるという構成を有している。つまり、制振合金がゴム材に覆われたことで、ゴム体の変形により近似した形で制振合金が変形するようになるのに伴い、免震装置の両端部から制振合金がより確実に離れないようになる。

以上説明したように本発明の上記構成によれば、環境に負荷を与えずに従来と同等以上の特性を有する制振合金及び、このような制振合金を採用した免震装置を提供できるという優れた効果を有する。

本発明に係る制振合金及び免震装置の一実施の形態を、図１から図５に基づき説明する。図１及び図２に示すように、本実施の形態に係る免震装置１０の上下部分をそれぞれ円板状に形成された連結板１２、１４が構成している。この内の下側の連結板１２が地盤と当接し、また上側の連結板１４が建築物の下部に当接するような構造になっている。

また、これら一対の連結板１２、１４の間には、中心部分に円形の穴部１６Ａを有しつつ円筒状に形成されたゴム体１６が配置されている。このゴム体１６は、リング状に形成されて弾性変形し得るゴム製のゴムリング１８と、リング状に形成されて剛性を維持する為の金属製の金属リング２０とが、交互に複数枚ずつ配置された形の構造になっている。

一方、これら一対の連結板１２、１４は、ゴム体１６の上下端にそれぞれ加硫接着されて取り付けられており、また、これら一対の連結板１２、１４の中心には、それぞれ途中に段部を有した円形の貫通穴１２Ａ、１４Ａが形成されている。但し、これら貫通穴１２Ａ、１４Ａに対応した大きさであって外周側にフランジを有した蓋材３０が、ボルト３２によるねじ止めによって、一対の連結板１２、１４にそれぞれ固定されることで、貫通穴１２Ａ、１４Ａがそれぞれ閉鎖されている。

このゴム体１６の中心に存在する円形の穴部１６Ａには、円筒状に形成された制振部材２６が嵌まり込むように、配置されており、また、この制振部材２６には、双晶の金属材料で弾性変形可能な螺旋状のコイルスプリングの形に形成された制振合金２２が内蔵されている。つまり、制振合金２２の周囲にゴム材が加硫接着されて、このゴム材によって円筒状に形成された加硫ゴム部２４で制振合金２２が覆われた形とされている。

以上より、本実施の形態では、弾性変形し得るゴム体１６が、双晶の金属材料で弾性変形可能なバネ状となるようにコイルスプリングの形に形成された制振合金２２と、並列的に配置された構造になっている。

そして、図１に示すように、これらの内のゴム体１６の大きさは、直径Ｄ１が例えば１．５ｍ程度とされ、高さＨ１が４０ｃｍ程度とされている。また、制振部材２６の大きさは、直径Ｄ２が３０ｃｍ程度とされ、高さＨ２が自由な状態でゴム体１６の高さＨ１より大きくされている。この為、免震装置１０に制振部材２６が組み付けられた状態では、制振合金２２も圧縮されて予歪みがこの制振合金２２に与えられた形になっている。

次に、本実施の形態に係る免震装置１０の製造を以下に説明する。
この免震装置１０を作製する際には、まずコイルスプリングの形の制振合金２２を作製し、Ｍｎ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｆｅ合金の場合は、８５０℃程度の温度で１時間程度保持した後、空冷により徐冷し、また、Ｃｕ−Ａｌ−Ｍｎ−Ｃｏ合金の場合は、９００℃程度の温度で５分間程度保持した後、急冷後再加熱し２００℃で１５分間程度保持した後、空冷することで、双晶の制振合金２２とすることができる。さらに、この制振合金２２の周囲にゴム材を加硫接着することで、円筒状の制振部材２６を作製する。

これとは別に、ゴムリング１８と金属リング２０とが積層されて形成されるゴム体１６を作製するが、この際に、ゴム体１６の上下に一対の連結板１２、１４を加硫接着してそれぞれ取り付けておくことにする。但し、このゴム体１６の高さＨ１を制振部材２６の高さＨ２より小さくするように、ゴム体１６を作製する。

この後、連結板１２、１４の貫通穴１２Ａ、１４Ａを通過させて、ゴム体１６の穴部１６Ａ内にこの制振部材２６を挿入すると共に、これら連結板１２、１４に蓋材３０をそれぞれ取り付けてねじ止めすることにより、免震装置１０が完成される。このとき、ゴム体１６の高さＨ１より高く形成されている制振部材２６が、蓋材３０のねじ止に伴って、ゴム体１６と同じ高さとなるように圧縮されることで、制振合金２２も圧縮されて予歪みが制振合金２２に与えらた状態となる。

次に、本実施の形態に係る制振合金２２及び免震装置１０の作用を以下に説明する。
本実施の形態によれば、弾性変形可能な螺旋状のコイルスプリングとされた双晶の制振合金２２が、加硫ゴム部２４により覆われた形とされるだけでなく、この制振合金２２に予歪みが与えらた状態とされており、さらに、この制振合金２２と並列的にゴム体１６が配置された構造の免震装置１０となっている。

従って、本実施の形態では、双晶の金属材料により弾性変形可能なバネ状に形成された制振合金２２を採用し、この制振合金２２に予歪みが与えられているので、単純な双晶の合金２２と比較して、制振合金２２のバネ定数が低くなると共に減衰係数が高くなり、従来の制振合金２２と同等以上の大きな制振特性を有するようになる。

つまり、外部から応力がこの制振合金２２に付与された場合、予歪みが与えられていて図３の応力歪み曲線中における双晶の変形が生じる領域Ｆ１内の点Ｐまで既に変形されているこの制振合金２２が、さらに双晶の変形を大きくする形或いは、双晶の変形を小さくする形で、双晶の変形が生じる領域Ｆ１内において、矢印Ｅのように変形することになる。

このことから、バネ状に形成された双晶の制振合金２２に予歪みを与えたことにより、バネ定数の低減が図られ、図３の応力歪み曲線中の領域Ｆ１を含んでいるヒステリシス線Ｆで囲まれた範囲をより大きくできるようになる。そして、これに伴う効果的で良好な制振特性が得られるようになった。

さらに、制振合金２２に予歪みを与えていることで、免震装置１０に引張力が加わった場合でも、蓋材３０から制振部材２６が容易に離れることがないのに合わせて、免震装置１０の上下の両端部分から制振合金２２が離れることが防止されて、制振合金２２による制振効果が確実に発揮されるようになる。

これに伴い、本実施の形態に係る免震装置１０によれば、地震が生じた場合でも、制振合金２２と並列的に配置されて弾性変形するゴム体１６とこの制振合金２２との間の複合的な作用で地震の揺れを低減し、建築物側に地震の揺れが伝達し難くなる。

一方、本実施の形態の免震装置１０に用いられる制振合金２２は、双晶の金属材料で弾性変形可能なバネ状に形成されたことで、鉛材を用いずとも上記のような良好な制振特性を得られる。この為、本実施の形態の免震装置１０によれば環境に負荷を与えることもない。

他方、本実施の形態では、制振合金２２が螺旋状のコイルスプリングとされたことで、制振合金２２がより確実に変形するようになるので、この制振合金２２に引張力や剪断力が加わった際に、より一層、バネ定数が低くなると共に減衰係数が高くなって、より良好な制振特性を有するようになる。

さらに、本実施の形態では、制振合金２２がゴム材により覆われた形とされたことで、ゴム体１６の変形により近似した形で制振合金２２が変形するようになるのに伴い、免震装置１０の両端部から制振合金２２がより確実に離れないようになる。

また、本実施の形態では、制振合金２２として例えば、Ｃｕ−Ａｌ−Ｍｎ合金、Ｍｇ−Ｚｒ合金、Ｍｎ−Ｃｕ合金、Ｍｎ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｆｅ合金、Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ合金、Ｔｉ−Ｎｉ合金、Ａｌ−Ｚｎ合金、Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ合金、Ｍｇ合金、Ｃｕ−Ａｌ−Ｃｏ合金、Ｃｕ−Ａｌ−Ｍｎ−Ｎｉ合金、Ｃｕ−Ａｌ−Ｍｎ−Ｃｏ合金、Ｃｕ−Ｓｉ合金、Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ−Ｔｉ合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃ合金、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｍｎ−Ｓｉ−Ｃｏ合金、Ｎｉ−Ａｌ合金の内の何れかの合金を使用することが考えられる。

つまり、これらの合金の内の何れかを使用することで、環境に負荷を与えずに従来と同等以上の特性を有する制振合金２２がより確実に得られるようになる。

例えば、Ｍｎ−Ｃｕ合金、Ｍｎ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｆｅ合金等のマンガン系の合金を使用した場合、８００℃〜９３０℃の温度で０．５時間から２時間程度の時間保持して、１０時間から２０時間程度の時間をかけて徐冷することで、双晶の制振合金が得られる。

また、Ｃｕ−Ａｌ−Ｍｎ合金、Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ合金、Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ合金、Ｃｕ−Ａｌ−Ｃｏ合金、Ｃｕ−Ａｌ−Ｍｎ−Ｎｉ合金、Ｃｕ−Ａｌ−Ｍｎ−Ｃｏ合金、Ｃｕ−Ｓｉ合金等の銅系の合金を使用した場合、約９００℃の温度で５分から１時間程度の時間保持し、急冷した後、約２００℃の温度に再加熱して１５分から３０分程度の時間保持することで、双晶の制振合金が得られる。

次に、双晶とすることによる制振合金の変形のメカニズムを以下に説明する。
図４（Ａ）に示す金属の原子が均一に整列したマルテンサイト相に横方向から応力を加えることで、図４（Ｂ）に示すように変形が始まる。さらに、応力が加わり続けると図４（Ｃ）に示すような形に変形する。そして、この図４（Ｃ）に示す状態では寸法Ｓの変形量が生じたことになる。

これに対して、図５（Ａ）に示す一般的な金属では原子が均一に整列しているものの、横方向から応力を加えた場合、図５（Ｂ）に示すように原子の配列にずれが生じて、欠陥が発生する。つまり、一般的な金属において原子の配列にずれが生じると、塑性変形することになるので、図５（Ｂ）に示す状態に一旦成ると、図５（Ａ）に示す状態に戻ることはない。

以上より、一般的な金属と異なり、双晶の制振合金では、比較的小さな応力で変形が開始するものの、図４（Ｃ）に示す状態まで変形しても塑性変形することが無いので、応力を逆にかければ図４（Ａ）に示す状態に戻るようになる。更に、制振合金の断面積を小さくして全体へかかる応力が低い段階から変形が発生するようにすることで、全体へかかる応力歪み曲線におけるヒステリシスのバネ定数が上昇しないようになる。

尚、上記実施の形態では、制振合金２２が螺旋状のコイルスプリングとなっているが、制振合金２２は単にバネ状になっていれば良いので、他の種類のバネ構造としても良い。また、上記実施の形態では、制振合金２２の周囲にゴム材を加硫接着したが、必要な特性が得られれば、ゴム材の替わりに合成樹脂で制振合金２２の周囲を覆っても良い。

本発明の実施の形態に係る免震装置の分解斜視図である。 本発明の実施の形態に係る免震装置の断面図である。 本発明の実施の形態に係る制振合金の応力歪み曲線を表すグラフの図である。 本発明の実施の形態に係る制振合金の原子配列を表す説明図であって、（Ａ）はマルテンサイト相を表す図であり、（Ｂ）はマルテンサイト相に変形が始まった状態を表す図であり、（Ｃ）はマルテンサイト相の変形が終わった状態を表す図である。 一般的な金属の原子配列を表す説明図であって、（Ａ）は原子が均一に整列した状態を表す図であり、（Ｂ）は原子の配列の一部にずれが生じた状態を表す図である。

符号の説明

１０ 免震装置
１６ ゴム体
２２ 制振合金

Claims (6)

1. 双晶の金属材料で弾性変形可能なバネ状に形成され、予歪みが与えらて用いられることを特徴とする制振合金。
2. 螺旋状のコイルスプリングとされたことを特徴とする請求項１記載の制振合金。
3. Ｃｕ−Ａｌ−Ｍｎ合金、Ｍｇ−Ｚｒ合金、Ｍｎ−Ｃｕ合金、Ｍｎ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｆｅ合金、Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ合金、Ｔｉ−Ｎｉ合金、Ａｌ−Ｚｎ合金、Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ合金、Ｍｇ合金、Ｃｕ−Ａｌ−Ｃｏ合金、Ｃｕ−Ａｌ−Ｍｎ−Ｎｉ合金、Ｃｕ−Ａｌ−Ｍｎ−Ｃｏ合金、Ｃｕ−Ｓｉ合金、Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ−Ｔｉ合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃ合金、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｍｎ−Ｓｉ−Ｃｏ合金、Ｎｉ−Ａｌ合金の内の何れかを使用したことを特徴とする請求項１記載の制振合金。
4. 双晶の金属材料で弾性変形可能なバネ状に形成され且つ、予歪みが与えらている制振合金と、
   制振合金と並列的に配置されて弾性変形し得るゴム体と、
   を有したことを特徴とする免震装置。
5. 制振合金が螺旋状のコイルスプリングとされたことを特徴とする請求項４記載の免震装置。
6. 制振合金が、ゴム材により覆われた形とされることを特徴とする請求項４記載の免震装置。
   

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