JP2006242239A - Energy absorbing device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば地震発生時に建築物や土木構造物もしくは精密機器等に伝達される振動エネルギーを減少させるためのエネルギー吸収装置に関する。更に詳しくは、鋼板等の硬質板とゴム等の弾性体とを上下方向に交互に複数積層してなる積層体中に、地震等の振動エネルギーを吸収するエネルギー吸収体を設けたエネルギー吸収装置に関するものである。 The present invention relates to an energy absorbing device for reducing vibration energy transmitted to a building, a civil engineering structure, a precision instrument, or the like when an earthquake occurs. More specifically, the present invention relates to an energy absorbing device in which an energy absorber that absorbs vibration energy such as earthquake is provided in a laminate in which a plurality of hard plates such as steel plates and elastic bodies such as rubber are alternately laminated in the vertical direction. Is.
従来たとえば地震発生時に建築物や土木構造物等に伝達される振動エネルギーを減少させるエネルギー吸収装置として下記特許文献1,2が提案されている。図10はその一例を示すもので、本例のエネルギー吸収装置Aは、鋼板等の硬質板1とゴム等の弾性体2とを上下方向に交互に複数積層してなる積層体3を上下一対の基板5・5間に配置し、その両基板5・5および積層体3の中心部に形成した上下方向に貫通する中空部(貫通穴)h内に地震等の振動エネルギーを吸収する鉛等の弾塑性体よりなるエネルギー吸収体4を収容配置した構成である。
Conventionally, for example, the following
上記積層体3およびエネルギー吸収体4の上下両端部には、図10に示すようにそれぞれ基板5を介して取付板6が一体的に取付けられ、その取付板6を不図示のボルト等で建築物や土木構造物等に取付ける構成である。具体的には、例えば図11に示すようなビル等の建築物にあっては、その建築物等の上部構造体Bと、その土台等の下部構造体Cとの間に、また図12に示すような橋梁等の土木構造物にあっては、橋桁等の上部構造体Bと橋脚等の下部構造体Cとの間に、それぞれ上記のエネルギー吸収装置Aを1つ若しくは複数個配置し、その各エネルギー吸収装置Aの上下の取付板6に形成した上記取付孔6aにボルト等を挿通して上記各構造体B、Cに取付けるものである。
As shown in FIG. 10,
上記のようにして上下の構造体B,C間に配置したエネルギー吸収装置Aは、建築物等を安定に支持しながら地震発生時には水平方向に変形して地震エネルギーを減少させるもので、従来のいわゆる免震アイソレータと免震ダンパーとの両方の機能を併せ持った働きをする。その結果、上記アイソレータとダンパーとを各々別々に配置した場合に比べて、設置スペースを削減できると共に、施工性も向上するという利点がある。 The energy absorbing device A arranged between the upper and lower structures B and C as described above is designed to reduce seismic energy by deforming in the horizontal direction when an earthquake occurs while stably supporting a building or the like. It functions as both a seismic isolation isolator and a seismic isolation damper. As a result, the installation space can be reduced and the workability can be improved as compared with the case where the isolator and the damper are separately arranged.
ところで、前記特許文献1においては、前述のようなエネルギー吸収装置を製造する際に、弾塑性体よりなるエネルギー吸収体に、その剪断降伏応力と同等もしくはそれ以上の静水圧を印加するが提案されている。また特許文献2においては前述のようなエネルギー吸収装置を製造する際に、弾塑性体よりなるエネルギー吸収体4の体積に対し、中空部h内の体積を1.0より大きく、1.05より小さくすることで、エネルギー吸収体4と中空部hとの滑りを抑制することが提案されている。
By the way, in the said
これらは例えば前記の積層体3に形成した中空部h内にエネルギー吸収体4を収容配置する際に、その中空部hの内面にエネルギー吸収体4を密着させ、それらの間に隙間ができないようにするためであるが、エネルギー吸収体4が理想通りに塑性変形せずにエネルギー吸収能力や繰返し耐久性に悪影響を及ぼすという不具合がある。また弾塑性体の降伏点と同等以上の印加を行うことにより、弾塑性体と積層ゴムとの面圧は高く、双方間の抵抗力が大きくなる。その結果、弾塑性体が抵抗力に負けてしまい、弾塑性体がささくれたり、最悪の場合にはヒビが入って割れてしまったりするおそれがある。
For example, when the energy absorber 4 is accommodated in the hollow portion h formed in the
そのメカニズムを図13によって説明すると、上記エネルギー吸収装置は製造時にエネルギー吸収体4に印加した静水圧によって、当初図13(a)のようにエネルギー吸収体4の外周面が、積層体3の中空部hの内面に食い込むようにして密着した状態にある。その状態で、地震等による振動で例えば同図(b)のように上側の基板5が図で右方に相対的にずれるような行き変形が生じると、それに合わせて内部のエネルギー吸収体4も図のように塑性変形する。すると、そのエネルギー吸収体4は全体的に引き伸ばされるように変位して、その径、特に中央部の径は同図(c)のように細るように変形する。
The mechanism will be described with reference to FIG. 13. In the energy absorbing device, the outer peripheral surface of the
次に、上記図13(c)の状態から上側の基板5が図で左方の元の位置に戻る方向に変形(戻り変形)すると、エネルギー吸収体4は、その上下両端部に位置する基板5により圧縮を受けながら、径が膨らむような変形をする。特に、基板5に近いエネルギー吸収体4の両端部ではより多くの圧縮力を受けて、より多く膨張する。一方、エネルギー吸収体4の上下方向中央部付近では基板からの圧縮がさほど伝わらないので径の膨出変化は少ない。
Next, when the
上記のようにしてエネルギー吸収装置が、地震等による振動で水平方向に動く度にエネルギー吸収体4の上下両端部付近と中央部付近とでは異なった変形、流動を起こすことになる。その結果、図13(d)のようにエネルギー吸収体4の中央部付近と両端部付近においてエネルギー吸収体4の結晶質の不規則化、不均質化が起こり、その境目付近での剪断破壊によるささくれやヒビ割れ、中央部と両端部での径変化の違いによるエネルギー吸収体4と中空部の内面からの剥がれ、或いはエネルギー吸収体4の隅部で隙間が発生する。その結果、エネルギー吸収性能が不安定になったり、繰返し耐久性が低下する等の不具合がある。 As described above, whenever the energy absorbing device moves in the horizontal direction due to vibration caused by an earthquake or the like, different deformation and flow occur near the upper and lower ends and near the center of the energy absorber 4. As a result, as shown in FIG. 13 (d), the energy absorber 4 becomes irregular and non-homogeneous in the vicinity of the central portion and both end portions of the energy absorber 4, and shear fracture occurs near the boundary. Peeling or cracking, peeling from the inner surface of the energy absorber 4 and the hollow portion due to a difference in diameter between the center portion and both ends, or a gap is generated at the corner of the energy absorber 4. As a result, there are problems such as unstable energy absorption performance and reduced durability.
本発明は上記の問題点に鑑みて提案されたもので、エネルギー吸収性能が安定していて繰返し耐久性も高く、しかも容易・安価に製造することのできるエネルギー吸収装置を提供することを目的とする。 The present invention has been proposed in view of the above problems, and an object thereof is to provide an energy absorption device that has stable energy absorption performance, high repetition durability, and that can be easily and inexpensively manufactured. To do.
上記の目的を達成するために本発明によるエネルギー吸収装置は、以下の構成にしたものである。すなわち、 鋼板等の硬質板とゴム等の弾性体とを上下方向に交互に複数積層してなる積層体に、上下方向に貫通する中空部を設け、その中空部内に地震等の振動エネルギーを吸収するエネルギー吸収体を収容配置したエネルギー吸収装置において、上記エネルギー吸収体の上下方向両端部を中央部よりも降伏点の低い材料で形成したことを特徴とする。 In order to achieve the above object, an energy absorbing device according to the present invention has the following configuration. In other words, a laminated body made by alternately laminating a hard plate such as a steel plate and an elastic body such as rubber in the vertical direction has a hollow portion penetrating in the vertical direction, and absorbs vibration energy such as earthquakes in the hollow portion. In the energy absorbing device in which the energy absorber to be accommodated is arranged, both end portions in the vertical direction of the energy absorber are formed of a material having a lower yield point than the central portion.
上記のように、エネルギー吸収体の上下方向両端部を中央部よりも降伏点の低い材料で形成したことによって、地震等の振動エネルギーを吸収する際にエネルギー吸収体の変位や変形が阻害されることなく、地震等による振動を良好に吸収することが可能となる。また上記のような極めて簡単な構成により、エネルギー吸収性能およびその安定性ならびに繰返し耐久性も高いエネルギー吸収装置を容易・安価に製造できるものである。 As described above, the upper and lower ends of the energy absorber are made of a material having a yield point lower than that of the center portion, so that the displacement and deformation of the energy absorber are hindered when absorbing vibration energy such as earthquakes. Therefore, it is possible to satisfactorily absorb vibration due to an earthquake or the like. In addition, the energy absorption device having high energy absorption performance, its stability, and high repetition durability can be easily and inexpensively manufactured by the extremely simple configuration as described above.
以下、本発明を図に示す実施形態に基づいて具体的に説明する。図1は本発明によるエネルギー吸収装置の一実施形態を示す斜視図、図2はその縦断面図であり、前記従来例と同様の機能を有する部材には同一の符号を付して説明する。 Hereinafter, the present invention will be specifically described based on embodiments shown in the drawings. FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of an energy absorbing device according to the present invention, and FIG. 2 is a longitudinal sectional view thereof. Members having the same functions as those in the conventional example will be described with the same reference numerals.
本実施形態のエネルギー吸収装置Aは、前記従来例と同様に鋼板等の硬質板1とゴム等の弾性体2とを上下方向に交互に複数積層して接着剤等で一体化してなる積層体3を上下一対の基板5・5間に配置し、その両基板5・5および積層体3の中心部に形成した上下方向に貫通する中空部(貫通穴)h内に地震等の振動エネルギーを吸収する錫等の弾塑性体よりなるエネルギー吸収体4を収容配置した構成である。
The energy absorbing device A of the present embodiment is a laminated body in which a
そして、本発明は上記エネルギー吸収体4の上下方向両端部4bを中央部4aよりも降伏点の低い材料で形成したもので、本実施形態においてはエネルギー吸収体4の中央部4aを錫で形成し、両端部4b,4bを錫よりも降伏点の低い鉛で形成したものであるが、それらの材質は適宜である。なお上記各端部4b,4bの降伏点の低い材料で形成する上下方向長さ(高さ)は、それぞれエネルギー吸収体全体の上下方向長さの20%以下とするのが望ましい。それよりも大きくしても、後述する効果が少ないからである。また前記の錫以外の材質としては例えばビスマス、アルミニウム、銅、アンチモン、鉛、銀、亜鉛、鉄、インジウム等を用いることができる。
In the present invention, both
また硬質板1として本実施形態においては炭素鋼板を用いたが、ステンレス鋼板や他の金属板もしくは硬質の合成樹脂板等を用いることもできる。また弾性体2として本実施形態においては天然ゴムを用いたが、合成ゴムや軟質の合成樹脂等でもよい。なお図2の縦断面図において、硬質板1と弾性体2およびエネルギー吸収体4のハッチング(断面を表す斜線)は煩雑を避けるため省略した。後述する他の縦断面図や説明図等についても同様である。
Moreover, although the carbon steel plate was used in this embodiment as the
上記のように構成された積層体3およびエネルギー吸収体4の上下両端部には、前記従来例と同様に基板5を介して取付板6がボルト7等で一体的に取付けられ、その取付板6に取付孔6aが形成されている。そして、前記図8および図9の従来例と同様に建築物や構築物等の上部構造体Bと、その土台等の下部構造体Cとの間に、上記のエネルギー吸収装置Aを1つ若しくは複数個配置して、その各エネルギー吸収装置Aに設けた上記取付孔6aにボルト8等を挿通して上記各構造体B、Cに取付けるものである。
A
上記のように構成すると、以下のような作用効果が得られる。すなわち、振動エネルギー吸収時に積層体3が変形する際に、内部のエネルギー吸収体4は前述のように上下方向に引き伸ばされると共に、端部4b付近では回転運動をすることになるが、基板5、5間に挟まれて強制されている端部4bの基板5との境界部には、前記の行き変形と戻り変形により隙間が生じてしまい。その結果、履歴では水平剛性がその分低下してしまうことになる。これに対し、上記のようにエネルギー吸収体4の上下両端部4bを中央部4aよりも降伏点が低い材料で形成すると、上記端部4b付近で生じる回転運動が低減されると共に、多少回転しても基板5との間に隙間を発生するのが可及的に低減される。そのため、水平剛性も保たれて、結果として繰返し振動にも強く、且つ安定したエネルギー吸収能力を継続することができるものである。
When configured as described above, the following effects can be obtained. That is, when the
図3は上記実施形態のエネルギー吸収装置を用いて地震等の振動を吸収する際の概略構成を示すもので、当初同図(a)のように積層体3の中空部h内に収容配置したエネルギー吸収体4は、その外周面が上記中空部hの内面にほぼ丁度密着した状態にある。その状態で、地震等による振動で例えば同図(b)のように上側の基板5が図で右方に相対的にずれるような行き変形が生じると、それに合わせて内部のエネルギー吸収体4も図のように塑性変形する。そのとき、エネルギー吸収体4と中空部hの内面との間に生じる面圧力よりもエネルギー吸収体4の降伏力の方が大きいので、上記エネルギー吸収体4は殆ど自由に変形もしくは変位するため前記従来のようにエネルギー吸収体4の上下方向中央部の径が細ることはない。
FIG. 3 shows a schematic configuration when absorbing vibrations such as earthquakes using the energy absorbing device of the above embodiment, and it is initially accommodated in the hollow portion h of the
次に、上記図3(b)の状態から同図(c)のように上側の基板5が図で左方の元の位置に戻る方向に変形(戻り変形)する際に、エネルギー吸収体4に、その上下両端部に位置する基板5からの圧縮力が作用した場合にも中空部hの内面との間に生じる面圧力でエネルギー吸収体4の動きが規制されることなく該エネルギー吸収体4にはその長手方向全長にわたって上記の圧縮力が作用するので前記のように両端部のみの径が膨らむようなことはない。また前記従来のように上記両端部の隅部のエネルギー吸収体4の行き場がなくなったり複雑に回転するような流動をすることもない。
Next, when the
従って、本発明による上記実施形態のエネルギー吸収装置は、地震等による振動で水平方向に動く度にエネルギー吸収体4の上下両端部付近と中央部付近とで前記従来のように異なった変形や流動を起こすことなく、エネルギー吸収体4全体が片寄りなく変形し、これを繰り返しても図3(d)のように当初の状態が維持される。従って前記従来のようなエネルギー吸収体4の結晶質の不規則化や不均質化、およびそれによるヒビ割れや剥がれ若しくは隙間の発生等が起こることなく、しかも繰返し振動にも強く、長期間安定に振動吸収性能を維持することができるものである。
Therefore, the energy absorbing device of the above-described embodiment according to the present invention has different deformation and flow in the vicinity of the upper and lower end portions and the central portion of the
なお上記実施形態は、積層体3とその上下の基板5・5の両方を貫通するようにして中空部hを設けたが、図4のように上下の基板5・5には中空部hを設けることなく積層体3にのみ中空部hを設けてもよい。その中空部h内にエネルギー吸収体4を収容配置し、そのエネルギー吸収体4の上下方向両端部4bを中央部4aよりも降伏点の低い材料で形成した場合にも上記と同様の作用効果が得られる。
In the above embodiment, the hollow portion h is provided so as to penetrate both the
また図5のように積層体3にのみ設けた中空部h内に全長が同材質のエネルギー吸収体4を収容配置してもよく、さらに図6のように積層体3とその上下の基板5・5の両方を貫通するようにして設けた中空部h内に全長が同材質のエネルギー吸収体4を収容配置し、そのエネルギー吸収体4と基板5との間に必要に応じて減摩材10を介在させるようにしてもよい。その減摩材10としては、例えばテフロン(登録商標)、モリブデン等の固体又は粉体状の潤滑剤、又はグリース、オイル等の液状潤滑剤、若しくは上記の固体や粉体状の潤滑剤と液状潤滑剤の両方を併用することもできる。
In addition, the
上記のようにをエネルギー吸収体4と基板5との間に減摩材10を介在させると、振動エネルギー吸収時にエネルギー吸収体4の端部付近での更なる回転を伴う変形による隙間を生じにくくさせて、結果として繰返し振動にも強く且つ、安定したエネルギー吸収能力を継続することができる。
When the
次に、本発明の具体的な実施例として前記図5に示すようなエネルギー吸収装置を実際に作製して加振試験を行った。その結果を図7〜図9に示す。なお本実施例で作製したエネルギー吸収装置の各部の寸法および材質は以下の通りである。先ず、図5における積層体3の高さは、上下の基板5を含めて250mm、外径はφ500mmであり、コアとなるエネルギー吸収体4の高さは218mm、外径はφ100mmで、エネルギー吸収体4の材質としては純度99%の錫に0.3%のビスマスを加えた合金で降伏点が20MPaのものを使用した。一方、上記実施例に対する比較例として、エネルギー吸収体4の上下両端部が上下の基板5内まで延びていて高さが250mmとした以外は上記実施例と同様のエネルギー吸収装置を用いた。
Next, as a specific example of the present invention, an energy absorbing device as shown in FIG. 5 was actually fabricated and subjected to a vibration test. The results are shown in FIGS. In addition, the dimension and material of each part of the energy absorber produced in the present Example are as follows. First, the height of the
上記加振試験は、試験変形速度5mm/s、試験変形量(弾性体2の総厚さ寸法に対する水平方向変位量)は250%変形(水平変位量約310mm)として実施した。図7は上記実施例および比較例における1サイクル目の変位履歴曲線を示すもので、この時点では実施例および比較例ともに履歴ループ形状にはあまり差が無い。しかしながら、同上の加振条件で10サイクル目の履歴を取った図8では比較例の方が履歴ループ内面積であるエネルギー吸収量が実施例に比べて落ちてきていることが分かる。また図9は最初のエネルギー吸収量を1.0として、サイクル毎のエネルギー吸収量の低下率を測定したもので、これによると、実施例は比較例に対して10サイクル目の低下率が0.1程度少なく、繰返しに耐久性に優れることが分かる。 The vibration test was performed with a test deformation speed of 5 mm / s and a test deformation amount (horizontal displacement amount relative to the total thickness of the elastic body 2) of 250% deformation (horizontal displacement amount of about 310 mm). FIG. 7 shows a displacement history curve of the first cycle in the above-described example and comparative example. At this point, there is not much difference in the history loop shape in both the example and the comparative example. However, in FIG. 8 where the history of the 10th cycle is taken under the same excitation condition, it can be seen that the energy absorption amount, which is the area in the history loop, is lower in the comparative example than in the example. Further, FIG. 9 shows the measurement of the rate of decrease of the energy absorption amount for each cycle with the initial energy absorption amount being 1.0. It can be seen that it is excellent in durability repeatedly by about 1 less.
以上のように本発明によるエネルギー吸収装置は、エネルギー吸収体の上下方向両端部を中央部よりも降伏点の低い材料で形成したことにより、地震等による振動を良好に吸収することが可能となるもので、極めて簡単な構成により、エネルギー吸収性能およびその安定性ならびに繰返し耐久性も高いエネルギー吸収装置を容易・安価に製造できる。その結果、上記のようなエネルギー吸収装置の設計および選択の自由度が増し産業上の利用可能性を増大させることができる。 As described above, the energy absorbing device according to the present invention can absorb vibrations due to earthquakes and the like satisfactorily by forming both ends in the vertical direction of the energy absorber with a material having a lower yield point than the central portion. However, with an extremely simple configuration, it is possible to easily and inexpensively manufacture an energy absorbing device having high energy absorption performance and stability, and high durability. As a result, the degree of freedom in designing and selecting the energy absorbing device as described above can be increased, and industrial applicability can be increased.
1 硬質板
2 弾性体
3 積層体
4 エネルギー吸収体
5 基板
6 取付板
7、8 ボルト
A エネルギー吸収装置
B 上部構造体
C 下部構造体
h 中空部
DESCRIPTION OF
Claims (5)
上記エネルギー吸収体の上下方向両端部を中央部よりも降伏点の低い材料で形成したことを特徴とするエネルギー吸収装置。 Energy that absorbs vibration energy such as earthquakes in a hollow part that penetrates in the vertical direction in a laminated body in which multiple hard plates such as steel plates and elastic bodies such as rubber are alternately laminated in the vertical direction In the energy absorption device that houses and arranges the absorber,
An energy absorbing device, wherein both ends of the energy absorber in the vertical direction are made of a material having a lower yield point than the central portion.
上記積層体の積層方向両端部にそれぞれ基板を設け、その各基板内に上記エネルギー吸収体の上下方向両端部を延長して設けないことを特徴とするエネルギー吸収装置。 Energy that absorbs vibration energy such as earthquakes in a hollow part that penetrates in the vertical direction in a laminated body in which multiple hard plates such as steel plates and elastic bodies such as rubber are alternately laminated in the vertical direction In the energy absorption device that houses and arranges the absorber,
A substrate is provided at each of both end portions of the laminate in the stacking direction, and both end portions in the vertical direction of the energy absorber are not extended and provided in each substrate.
As the antifriction material, a solid or powdery lubricant such as Teflon or molybdenum, or a liquid lubricant such as grease or oil, or both of the above solid or powdery lubricant and liquid lubricant are used in combination. The energy absorbing device according to claim 4.
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007120596A (en) * | 2005-10-27 | 2007-05-17 | Oiles Ind Co Ltd | Base isolation device |
JP2010101384A (en) * | 2008-10-22 | 2010-05-06 | Bridgestone Corp | Base isolation structure |
JP2011133112A (en) * | 2011-02-18 | 2011-07-07 | Oiles Corp | Seismic isolation unit |
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2005
- 2005-03-02 JP JP2005056945A patent/JP2006242239A/en active Pending
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