JP2006275100A - 金属製の中空管ダンパー - Google Patents

Abstract

【課題】金属製の中空管を用いることにより容易に制振装置を構築できるとともに、地震、風等の外力を受けた際に、主要構造部材の代わりに優先的に破損し、容易に交換可能な制振装置を提供する。
【解決手段】 円鋼管ダンパー１は、円鋼管ダンパー１と、この円鋼管ダンパー１の軸方向に対して直交するように円鋼管ダンパー１の両端部に溶接等により固定される円形状のフランジ３とを備える。相対移動する２つの構造物部材２の間に円鋼管ダンパー１を脱着可能に設置するために、フランジ３の外周部にはボルト挿通用の孔５が複数本設けられる。円鋼管ダンパー１は、円鋼管ダンパー１の軸方向が構造物部材２に対して直交するようにボルト６にて脱着可能に取り付けられる。長さ３６４ｍｍ、直径２１０ｍｍ、板厚１４ｍｍで、長さと直径の比が√３となる円鋼管ダンパー１を用いる。なお、長さ、直径は、これに限定されるものではなく、長さと直径の比が１．７から３．０までの円鋼管ダンパー１であればよい。
【選択図】 図７

Description

本発明は、地震、風等による振動を受ける際に、中空管の塑性化を利用して振動エネルギーを吸収する金属製の中空管ダンパーに関するものである。

従来、建築構造物は地震、風等による振動を受ける際に、振動エネルギーを吸収し、振動を小さくする制振ダンパーを備えている。

地震、風等による振動エネルギーを吸収するダンパーには大きく分けて、鋼材などが降伏することによりエネルギーを吸収する性質を利用する履歴系ダンパーと、粘性系材料の粘性抵抗を利用してエネルギーを吸収する粘性系ダンパーとがあり、これらに関する多くの技術が提案されている。

特許文献１には、上ベースプレート及び下ベースプレートと、高降伏点鋼材からなりこの上ベースプレートと下ベースプレートとの間に固定される複数の支柱と、低降伏点鋼材からなりせん断力を負担するエネルギー吸収板とからなるダンパーが開示されている。このダンパーでは、地震時に、支柱の間に設置されたエネルギー吸収板がせん断降伏し、復元力を持つ支柱によりエネルギー吸収板を繰り返し塑性化することにより振動エネルギーを吸収する。

また、特許文献２には、脚柱の下部を支持するフーチングと、フーチングの下部に設置した複数の杭と、各杭の杭頭部とフーチングとの間に介在し、杭の上部内側に埋設状態に配置される鋼管とからなるダンパーが開示されている。このダンパーにおいて、フーチングには、鋼管の上部突出端外周に第二の鋼管が配置され、鋼管と第二の鋼管との間には間隙が形成されて両者は縁切りされているとともに、第二の鋼管を配置するためにフーチングの下部に形成される凹部の天井部と鋼管の上部との間には間隙が形成されて鋼管の上部とフーチングとの間には所定量の遊びが設けられている。地震時には、まずフーチングが遊び分だけ浮き上がり、その後ＰＣ鋼棒の引っ張り力に応じて杭から鋼管が抜け出すため、鋼管が圧縮応力状態となって径方向へ膨出することにより摩擦ダンパーとして機能する。

そして、特許文献３には、鋼管柱の下端に補強板を設けて、その下面に鋼管柱より先に変形する差込み部を設け、各差込み部を他の鋼管柱の上端の開口から差し込んで組み立て、差込み部と差し込まれる鋼管柱の中空部に隙間を設けておくことにより、地震時に所定の水平力を受けた時に、鋼管柱が損傷する以前に差込み部を変形させる方法が提案されている。

さらに、特許文献４には、低降伏点鋼からなる円形の鋼管の周面に、その径方向に延びる長孔が鋼管の周方向に所定の一定間隔をあけて設けられ、鋼管の降伏耐力が低く押えられているために、地震時に大きな水平力が作用した時は、まず鋼管の塑性変形により、あらゆる水平方向の揺れに対して履歴減衰を発揮させる方法が提案されている。
特開２０００−８８０４８ 特開２００３−２３２０４６ 特開２００４−９２０８０ 特開２０００−１４５８５９

しかしながら、特許文献１に記載されている方法は、上ベースプレートと下ベースプレートとの間に複数の支柱及びエネルギー吸収板を取り付けるために、制振装置の製作にコストと時間がかかるという問題点があった。

また、特許文献２に記載されている方法は、橋梁等に設置されたダンパーが地震等により破損すると、修理するためには橋梁本体を撤去する必要があり、現実的にダンパーの修理が不可能であるという問題点があった。

そして、特許文献３に記載されている方法は、地震時に鉄骨架構の鋼管柱の差込み部を優先的に塑性化する代わりに建物全体の安全性を確保するというものであるが、鋼管柱の差込み部を修理するために、壁を取り壊す必要があり、多大なコストがかかるという問題点があった。

さらに、特許文献４に記載されている方法は、ダンパーの周面に開口部が設けられているために、ダンパーが圧縮方向の荷重を受けた際に座屈する可能性があるという問題点があった。また、開口部は応力が集中しないような形状とする必要があり、加工作業にコスト及び時間がかかるという問題点があった。

したがって、地震、風等による振動を受ける際は、建物の主要構造部材の代わりに制振装置内の低強度部材が優先的に損傷を受け、地震直後であっても建物を継続的に使用可能であり、かつ損傷を受けた低強度部材のみを容易に交換可能な制振装置が求められていた。

そこで、本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたものであり、その目的は、金属製の中空管を用いることにより容易に制振装置を構築できるとともに、地震、風等による振動を受ける際に、建物の主要構造部材の代わりに優先的に破損し、容易に交換可能な制振装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明の中空管ダンパーは、金属製の中空管よりなり、振動荷重を受けた際に前記金属製の中空管の軸方向と直交する方向のせん断力による降伏と曲げ応力による降伏とがほぼ同時に発生し、該中空管が塑性化することにより振動エネルギーを吸収することを特徴とする（第１の発明）。

第２の発明は、第１の発明において、前記中空管は円筒形であり、この円筒形の中空管の長さＬと直径Ｄの比Ｌ／Ｄが１．７から３．０であることを特徴とする。

第３の発明は、第１又は２の発明において、前記中空管は、両端部に固定される板状の挟持手段を介して軸方向に積層され、すべての該挟持手段はボルト等の連結手段にて連結されることを特徴とする。

第４の発明は、第１又は２の発明において、前記中空管の軸方向と直交する方向に並列に配置される複数の中空管が、板材等の挟持手段を介して軸方向に積層され、すべての該挟持手段はボルト等の連結手段にて連結されていることを特徴とする。

本発明による金属製の円筒形の中空管ダンパーによれば、円筒形の中空管の長さＬと直径Ｄの比Ｌ／Ｄを１．７から３．０までの間とすることで地震、風等の振動に対して中空管の直径方向のせん断力による降伏と曲げ応力による降伏とがほぼ同時に発生し、中空管の全断面が一様に降伏するために効率よく振動のエネルギーを吸収することが可能となる。

また、本発明による金属製の円筒形の中空管ダンパーによれば、塑性変形能力が大きく、地震、風等により発生する繰り返しせん断荷重に対して安定した靱性に富む履歴ループを得ることが可能となる。

そして、金属製の円筒形の中空管を軸方向に板材等の挟持手段を介して直列に連結し、それぞれの挟持手段をボルト等の連結材にて連結することにより水平方向への塑性変形量を増大させることが可能となる。

さらに、金属製の円筒形の中空管の軸方向と直交方向に並列に配置する複数の前記中空管を軸方向に板材等の挟持手段を介して連結することにより平面保持用の繋ぎ材が不要となり、繋ぎ材のコスト削減及び施工時間の短縮が可能となる。

本発明は、地震、風等による振動を受ける際に、建物の主要構造部材の代わりに優先的に破損し、容易に交換可能な制振装置を提供するために、金属製の中空管の力学的特性に関して検討を行い、制振ダンパーとしての有効性を明らかにしたものである。

まず、金属製の中空管の力学的特性に関して検討した結果を示し、次に、この結果を基に製作した金属製の中空管に繰り返しせん断荷重載荷試験を行った結果を示し、最後に、金属製の中空管を制振ダンパーとして使用した実施例を示す。

図１は、本発明の第一実施形態に係る円鋼管に作用するせん断力を示す図である。

本実施形態においては、金属製の中空管として円鋼管を用いて力学的特性の検討を行った。図１に示すように、円鋼管の両端を構造物の部材間に固定した状態で、円鋼管に地震、風等の水平力である曲げモーメントＭが作用する際のせん断力Ｑは（１）式となる。

Ｑ＝Ｍ／ｌ ・・・（１）

ここで、Ｑ：せん断力（Ｎ）、Ｍ：曲げモーメント（Ｎ・ｍｍ）、Ｌ：円鋼管（ｍｍ）の長さ、ｌ：Ｌ／２（ｍｍ）である。

図２は、本発明の第一実施形態に係る円鋼管の断面図であり、断面の曲げ応力分布を示す図である。図２に示すように、直交するＸ−Ｙ軸の交点と円鋼管の中心とを重ね合わせ、Ｘ軸に対して角度θをなす円鋼管上のＹ軸方向の距離ｙは（２−１）式となる。

ｙ＝ｒ・sinθ ・・・（２−１）

ここで、ｙ：Ｙ軸方向の距離（ｍｍ）、ｒ：円鋼管の半径（ｍｍ）、θ：Ｘ軸からの角度（°）である。
円鋼管の肉厚は薄いためにlinear theoryを適用した円鋼管の曲げ応力σは（２−２）式となる。

ここで、σ：曲げ応力（ＭＰa）、Ｉ_x：Ｘ軸まわり断面２次モーメント（ｍｍ^４）である。

そして、Ｉ_xに（２−１）式を代入すると（２−３）式となる。

ここで、ｔ：円鋼管の肉厚（ｍｍ）である。

この（２−３）式を（２−２）式に代入すると（２−４）式となる。

ここで、θ＝π／２においてσが最大となる最大値σ_maxは（２−５）式となる。

図３は、本発明の第一実施形態に係る円鋼管の断面図であり、断面のせん断応力分布を示す図である。

せん断応力τ_uは、θ’＝π／２−θとおくと（３−１）式となる。

ここで、τ_u：せん断応力（ＭＰa）である。
そして、sinθ’＝cosθを（３−１）式に代入すると（３−２）式となる。

この（３−２）式に（１）式及び（２−３）式を代入すると（３−３）式となる。

ここで、θ＝０においてτが最大となる最大値τ_maxは（３−４）式となる。

そして、せん断力による降伏と曲げ応力による降伏とがほぼ同時に発生するためには、θ＝π／２で曲げ応力が最大であるσ＝σ_max＝σ_ｙの時に、θ＝０でせん断応力が最大となり、このせん断応力が円鋼管の降伏条件であるτ_max ＝τ_ｙ ＝σ_ｙ／√３となる必要がある。

そこで、σ_max＝σ_ｙを（２−５）式に代入すると（４−１）式となる。
Ｍ_ｙ＝πｒ^２ｔσ_ｙ ・・・（４−１）
ここで、Ｍ_ｙ：Ｙ軸方向の曲げモーメント（Ｎ・ｍｍ）である。
そして、（４−１）式を（３−４）式に代入すると（３−５）式となる。

ここで、ｌ／ｒ＝Ｌ／Ｄ＝ｋとおくと（Ｄ：円鋼管の直径（ｍｍ））、ｋ＝√３の時、円鋼管のせん断力による降伏と曲げ応力による降伏が同時に発生し、ｋ＞√３で曲げ応力による降伏が先行し、続いてせん断力による降伏が発生し、ｋ＜√３でせん断力による降伏が先行し、続いて曲げ応力による降伏が発生する。

そして、θ＝０からπ／２までの領域では、曲げ応力とせん断応力が共存している。そこで、この領域での等価応力分布をＶｏｎ Ｍｉｓｅｓの降伏条件を用いて検討した結果を示す。Ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓの降伏条件は（４−１）式となる。
σ_ｅ ^２＝σ^２＋３τ^２ ・・・（４−１）
ここで、σ_ｅ：降伏応力（ＭＰa）である。
この（４−１）式に（２−４）式、（３−３）式を代入すると（４−２）式となる。

ここで、ｋ＞√３の場合においては、曲げ応力による降伏が先行して発生するために、θ＝π／２でσ_ｅ＝σ_ｙの時、他の断面位置（０＜θ＜π／２）での等価応力を検討する。すなわち、θ＝π／２、σ＝σｙでの曲げモーメントＭ_ｙ＝πｒ^２ｔσ_ｙ（２−５式の変形）を（４−２）式に代入すると（４−３）式となる。

また、ｋ＜√３の場合においては、せん断応力による降伏が先行して発生するために、θ＝０でτ＝τ_ｙ＝σ_ｙ／√３の時、他の断面位置（０＜θ＜π／２）での等価応力を検討する。すなわち、曲げモーメントＭ＝σ_ｙπｒｌｔ／√３（３−４式の変形）を（４−２）式に代入すると（４−４）式となる。

図４は、本発明の第一実施形態に係る円鋼管の周方向の等価応力分布を示し、具体的には（４−３）式及び（４−４）式を図示したものである。

図４に示すように、ｋ＝√３の時は、材端において全断面が降伏し、ｋ≠√３の時は、０＜θ＜π／２の断面位置は降伏しない。
したがって、円鋼管の長さＬと直径Ｄの比Ｌ／Ｄを１．７から３．０までの間とすると中空管の直径方向のせん断力による降伏と曲げ応力による降伏とがほぼ同時に発生し、中空管の全断面が一様に降伏して効率よく振動のエネルギーを吸収するために、制振ダンパーとして使用が可能である。また、円鋼管の長さＬと直径Ｄの比Ｌ／Ｄを√３とすると中空管の直径方向のせん断力による降伏と曲げ応力による降伏とが同時に発生し、中空管の全断面が一様に降伏して最も効率よく振動のエネルギーを吸収する。

上記の検討した結果を基に、円鋼管を用い繰り返しせん断載荷試験を行った結果を、次に示す。
図５は、本発明の第一実施形態に係る円鋼管ダンパーを示す斜視図である。また、図６は、本発明の第一実施形態に係る円鋼管ダンパーの繰り返しせん断載荷試験を行った結果を示す図である。

図５に示すように、円鋼管ダンパー１は、長さＬは３６４ｍｍ、直径Ｄは２１０ｍｍ、板厚ｔは１４ｍｍで、長さと直径の比が√３である。この円鋼管１に繰り返しせん断荷重載荷試験を行った。

図６に示すように、せん断荷重を繰り返して載荷すると円鋼管ダンパー１が正及び負の方向に繰り返しせん断変形し、振動のエネルギーを吸収しながら徐々に塑性変形を生じて降伏しており、安定した履歴ループが得られる。
地震、風等による振動エネルギーに対する円鋼管ダンパー１のエネルギー吸収量は、履歴ループで囲まれる大きさとなる。

次に、本発明の好ましい実施形態について図面を用いて詳細に説明する。
図７は、本発明の第一実施形態に係る円鋼管ダンパーの設置状態を示す図である。図７に示すように、円鋼管ダンパー１は、相対移動する２つの構造物部材２の間に、円鋼管ダンパー１の軸方向に対して直交するように円鋼管ダンパー１の両端部に溶接等により固定されるフランジ３を介して設置される。
フランジ３の外周部には複数のボルト挿通孔４が設けられており、円鋼管ダンパー１は、構造物部材２の間にボルト５にて脱着可能に取り付けられる。

なお、本実施形態では、円鋼管１は、長さ３６４ｍｍ、直径２１０ｍｍ、板厚１４ｍｍとしたが、長さ、直径、板厚は、これに限定されるものではなく、長さと直径の比である √３を保ちながら、建物の規模、耐震に対する設計値等に応じて適宜変更してもよい。

また、円鋼管ダンパー１の長さと直径の比を√３としたが、これに限定されるものではなく、例えば、１．７から３．０までの間であればよい。

図８は、本発明の第一実施形態に係る複数本の円鋼管ダンパーの設置状態を示す図である。図８に示すように、相対移動する２つの構造物部材２の間に、３本の円鋼管ダンパー１が、軸方向が互いに平行となるように並列に配設して形成される並列式鋼管ダンパー７が配置される。

並列式鋼管ダンパー７の水平方向のせん断耐力は、１本の円鋼管ダンパー１よりも３倍程度大きくなり、大きな地震、風等による振動エネルギーを吸収することが可能となる。 なお、本実施形態では、円鋼管ダンパー１を３本並列に設置したが、これに限定されるものではなく、建物の規模、耐震に対する設計値等に応じて適宜本数を変更してもよい。
そして、地震、風等による振動を受けた際に、円鋼管ダンパー１が繰り返しせん断変形し、振動のエネルギーを吸収しながら徐々に塑性変形して降伏する。

図９は、本発明の第一実施形態に係る円鋼管ダンパーを直列に連結した状態を示す図である。図９に示すように、相対移動する２つの構造物部材２の間に、３本の円鋼管ダンパー１が軸方向に直列に積層して形成される直列式鋼管ダンパー８が配置される。

直列式鋼管ダンパー８は、フランジ等の挟持手段を介して円鋼管ダンパー１が軸方向に直列に３本積層され、すべての挟持手段はボルト等の連結手段にて連結されている。本実施形態においては、例えば、挟持手段はフランジ３を用い、連結手段にはボルト９を用いる。

フランジ３は円鋼管ダンパー１の軸方向に対して直交するように円鋼管ダンパー１の両端部に溶接等により固定され、フランジ３の外周部には複数のボルト挿通孔４が設けられる。

ボルト９は、直列に積層された３本の円鋼管ダンパー１に固定されたすべてのフランジ３のボルト挿通孔４に挿通され、各フランジ３を上下から挟むようにナット１０にて嵌合されており、３本の円鋼管ダンパー１を一体化している。

直列式鋼管ダンパー８の水平方向の塑性変位量は、１本の円鋼管ダンパー１よりも３倍程度大きくなり、大きな地震、風等による振動エネルギーを吸収することが可能となる。

フランジ３と円鋼管ダンパー１を交互に積層し、ボルト９にてすべての円鋼管ダンパー１を連結して一体化する理由は、例えば、各１本の円鋼管ダンパー１の両端部のフランジ３同士のみをそれぞれにボルト９で連結して１セットとし、これを直列に３セット積層する場合においては、地震、風等による水平方向の力が作用する際に、ある１セットの円鋼管ダンパー１に曲げ応力が集中して降伏することを防止するためである。

なお、本実施形態では、円鋼管ダンパー１を３本直列方向に積層したが、これに限定されるものではなく、相対移動する２つの構造物部材２の間隔に応じて適宜本数を変更してもよい。

図１０は、本発明の第一実施形態に係る並列に配置された複数の円鋼管ダンパーを積層した状態を示す図である。

図１０に示すように、相対移動する２つの構造物部材２の間に、並列式鋼管ダンパー７が軸方向にフランジ３を介し、３段積層して形成される複合式円鋼管ダンパー１１が配置される。

フランジ３は、並列に配設される３本の円鋼管ダンパー１の軸方向に対して直交し、３本の円鋼管ダンパー１を両端から挟むように円鋼管ダンパー１の両端部に溶接等により固定され、フランジ３の外周部には複数のボルト挿通孔４が設けられる。

ボルト９は、積層された３段の並列式鋼管ダンパー７のすべてのフランジ３のボルト挿通孔４に挿通され、各フランジ３を上下から挟むようにナット１０にて嵌合されており、３段の並列式鋼管ダンパー７を一体化している。

複合式円鋼管ダンパー１１の水平方向の塑性変位量は、１段の並列式鋼管ダンパー７よりも３倍程度大きくなる。

なお、本実施形態においては、円鋼管ダンパー１を３本並列に配設し、並列式鋼管ダンパー７を３段直列に積層したが、これに限定されるものではなく、適宜本数及び段数を変更してもよい。

したがって、本発明による鋼管ダンパーによれば、ダンパーに円鋼管を用いることにより容易に制振装置を構築できるとともに、地震、風等による振動を受けた際に、建物の主要構造部材の代わりに優先的に破損し、容易に交換可能な制振装置を提供することが可能となる。

本発明の第一実施形態に係る円鋼管に作用するせん断力を示す図である。 本発明の第一実施形態に係る円鋼管の断面図であり、断面の曲げ応力分布を示す図である。 本発明の第一実施形態に係る円鋼管の断面図であり、断面のせん断応力分布を示す図である。 本発明の第一実施形態に係る円鋼管の周方向の等価応力分布を示し、具体的には（４−３）式及び（４−４）式を図示したものである。 本発明の第一実施形態に係る円鋼管ダンパーを示す斜視図である。 本発明の第一実施形態に係る円鋼管ダンパーの繰り返しせん断載荷試験を行った結果を示す図である。 本発明の第一実施形態に係る円鋼管ダンパーの設置状態を示す図である。 本発明の第一実施形態に係る複数本の円鋼管ダンパーの設置状態を示す図である。 本発明の第一実施形態に係る円鋼管ダンパーを直列に連結した状態を示す図である。 本発明の第一実施形態に係る並列に配置された複数の円鋼管ダンパーを積層した状態を示す図である。

符号の説明

１ 円鋼管ダンパー
２ 構造物部材
３ フランジ
４ ボルト挿通用孔
５、９ ボルト
７ 並列式鋼管ダンパー
８ 直列式鋼管ダンパー
１０ ナット
１１ 複合式鋼管ダンパー

Claims (4)

1. 金属製の中空管よりなり、振動荷重を受けた際に前記金属製の中空管の軸方向と直交する方向のせん断力による降伏と曲げ応力による降伏とがほぼ同時に発生し、該中空管が塑性化することにより振動エネルギーを吸収することを特徴とする中空管ダンパー。
2. 前記中空管は円筒形であり、この円筒形の中空管の長さＬと直径Ｄの比Ｌ／Ｄが１．７から３．０であることを特徴とする請求項１に記載の中空管ダンパー。
3. 前記中空管は、両端部に固定される板状の挟持手段を介して軸方向に積層され、すべての該挟持手段はボルト等の連結手段にて連結されることを特徴とする請求項１又は２に記載の中空管ダンパー。
4. 前記中空管の軸方向と直交する方向に並列に配置される複数の中空管が、板材等の挟持手段を介して軸方向に積層され、すべての該挟持手段はボルト等の連結手段にて連結されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の中空管ダンパー。
   
   

Images