JP2006342853A - 振動エネルギー吸収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】例えば建物の免震装置や耐震装置などに用いる振動エネルギー吸収装置に係り、エネルギー吸収体の漏れを低減し、かつ、より大きな荷重が受けられるようにする。
【解決手段】筒状のシリンダ１内に進退ロッド２を同心状に且つ軸線方向に相対移動可能に設け、そのシリンダ１内の進退ロッド２の周囲に塑性変形可能な金属よりなるエネルギー吸収体３を収容配置すると共に、上記進退ロッド２の外周面に抵抗部２ｃを設け、振動エネルギー吸収時に上記エネルギー吸収体３と抵抗部２ｃとの相対移動により上記エネルギー吸収体が塑性変形して振動エネルギーを吸収する振動エネルギー吸収装置において、上記エネルギー吸収体３として、降伏点が９．０Ｎ／ｍｍ^２ 以上、５０．０Ｎ／ｍｍ^２ 以下の金属を用い、そのエネルギー吸収体３と進退ロッド２との間に減摩材を介在させるようにしたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば建築物の免震装置や耐震装置もしくは各種機器や配管等の制振装置などに用いる振動エネルギー吸収装置に関する。更に詳しくは、地震や機械振動等の振動エネルギーを金属が塑性変形することによって吸収する、いわゆる押し出しダンパ等の振動エネルギー吸収装置に関するものである。

従来、上記のような振動エネルギー吸収装置として下記の特許文献１が知られている。図４はその具体的な構成の一例を示すもので、筒状のシリンダ１内に進退ロッド２を同心状に且つ軸線方向に相対移動可能に設け、そのシリンダ１内の進退ロッド２の周囲に鉛等の金属よりなるエネルギー吸収体３を収容配置すると共に、上記進退ロッド２の外周面に拡径部などの抵抗部２ｃを設けた構成である。

図中、４は上記エネルギー吸収体３の流出を防ぐシール材、５は進退ロッド２のスラスト軸受、６，７は上記シリンダ１の両端部を閉塞するキャップで、その各キャップ６，７はシリンダ１の端部にねじ結合され、一方のキャップ６は図で左側のスラスト軸受５に直接、また他方のキャップ７は図で右側のスラスト軸受５に筒状のスペーサ８を介して圧接させることによって、上記エネルギー吸収体３に所定の圧力（内圧）を付与している。

上記の構成において、例えば建築物等の構造体に作用する地震等の振動を吸収する場合には、その際に互いに相対移動する部位に、上記進退ロッド２の一端２ａと、それと反対側のシリンダ１の端部とをそれぞれ連結し、地震等の振動発生時に前記抵抗部２ｃとエネルギー吸収体３との相対移動により該エネルギー吸収体３が塑性変形して振動エネルギーを吸収するものである。

ところが、上記の鉛等の金属よりなるエネルギー吸収体３が塑性変形して振動エネルギーを吸収する際には熱が発生し、その熱でエネルギー吸収体３の温度が上昇すると、該エネルギー吸収体３の流動性が増し、シリンダ１から洩れ出すおそれがある。上記エネルギー吸収体３が漏れると、その量が不足して所定の性能が発揮できなくなるおそれがある。

また上記エネルギー吸収体３の漏れの発生は、エネルギー吸収体３の温度や柔らかさと密接に関係しており、エネルギー吸収体３の温度が高くなるほどエネルギー吸収体３が流動し易くなって、進退ロッド２に設けた抵抗部２ｃによる押し出し作用も相まって、エネルギー吸収体３の漏れが発生し易くなる。この温度上昇の大きな原因は、進退ロッド２とエネルギー吸収体３との間の摩擦力から発生する熱によるものである。

なお上記進退ロッド２のストロークに対してエネルギー吸収体３のシリンダ軸線方向の長さや量を増やすほど、エネルギー吸収体３の漏れは少なくなるが、あまり増やすと装置が大型化すると共に重量も増し不経済でもある。そこで、一般的には必要なストローク量よりも幾らか長い程度で量も少なめにエネルギー吸収体を封入しているので、該エネルギー吸収体の漏れを防ぐ対策が必要である。

その対策として、例えば下記特許文献２においては、端板（蓋部）と進退ロッドとの間に、プレッシャーリングとシールリングとからなる機械的なシール機構を介在させて鉛等よりなるエネルギー吸収体の漏れを防ぐことが提案されている。しかしながら、上記のようなシール機構では機械的に高精度な加工が要求されるなど製作が困難であったり、加工が複雑である分値段も高くなる、また装置も複雑で大掛かりになる等の問題がある。

一方、上記のような振動エネルギー吸収装置における荷重設計は、以下の式に基づいて行われる。すなわち、エネルギー吸収体の降伏応力をσｙ、抵抗部以外のエネルギー吸収体の横断面積をＡ１、抵抗部におけるエネルギー吸収体の横断面積をＡ２、エネルギー吸収体を収容したシリンダの内圧（エネルギー吸収体にかかる圧力）をＰ０として上記振動エネルギー吸収装置の荷重Ｐは、下記の（１）式で与えられる。
Ｐ＝β1・σｙ・ｌｎ（Ａ１／Ａ２）＋Ｐ０ ・・・・・（１）
なお、上記式中のβ1は係数である。

上記（１）式において、例えばエネルギー吸収体として或る特定の金属を用いる場合、荷重Ｐを大きくするためには（上記金属の降伏応力σｙは一定であるので）、横断面積比であるｌｎ（Ａ１／Ａ２）または内圧Ｐ０を上げてやる必要がある。このうち内圧Ｐ０を上げるということは、その内圧に耐えうるだけのシリンダや、エネルギー吸収体を封入するに必要な強度を有する装置構成とする必要があり、シリンダ肉厚が厚くなったり、装置構成が大型化・複雑化するなど外形寸法が大きくなったり、重量が嵩んだりするだけでなく、大きな製造装置が必要になったり、内圧により摩擦が増大し性能が低下したりするおそれがある。

そこで、前記の荷重Ｐを上げるには、横断面積比ｌｎ（Ａ１／Ａ２）を大きくすればよいが、ある程度荷重を上げようとすると、抵抗部以外のエネルギー吸収体の断面積Ａ１は進退ロッド径とシリンダ径とで決定されてしまうので、あとは抵抗部におけるエネルギー吸収体の断面積Ａ２を小さくせざるを得ない。それには抵抗部の径を大きくする必要があり、そうすると抵抗部とシリンダー内面との間隔が狭くなる。このことはエネルギー吸収体の安定した流動を促すのに不都合であるだけでなく、局部的に応力が集中し、シリンダが変形したり、温度上昇が一部に集中し、性能が不安定になる等の不具合がある。

特公昭５８−３０４７０号公報 特許第３５５１４４２号公報

本発明は上記従来の問題点に鑑みて提案したもので、エネルギー吸収体の漏れを極力低減できるようにすると共に、上記の横断面積比や内圧を上げることなく荷重の大きな振動エネルギー吸収装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために本発明による振動エネルギー吸収装置は、以下の構成としたものである。即ち、筒状のシリンダ内に進退ロッドを同心状に且つ軸線方向に相対移動可能に設け、そのシリンダ内の進退ロッドの周囲に塑性変形可能な金属よりなるエネルギー吸収体を収容配置すると共に、上記進退ロッドの外周面に抵抗部を設け、振動エネルギー吸収時に上記エネルギー吸収体と抵抗部との相対移動により上記エネルギー吸収体が塑性変形して振動エネルギーを吸収する振動エネルギー吸収装置において、上記エネルギー吸収体として、降伏点が９．０Ｎ／ｍｍ^２ 以上、５０．０Ｎ／ｍｍ^２ 以下の金属を用い、そのエネルギー吸収体と進退ロッドとの間に減摩材を介在させるようにしたことを特徴とする。

上記のようにエネルギー吸収体として降伏点が比較的高い金属を用いたことによって、前記の内圧や横断面積比を大きくすることなく、従って進退ロッドの抵抗部が小さくても高荷重が得られる。また抵抗部を小さくすることでエネルギー吸収体の押し出し量が少なくなってエネルギー吸収体の漏れが低減されると共に、エネルギー吸収体と進退ロッドとの間に減摩材を介在させるようにしたことによって、熱の発生およびエネルギー吸収体の温度上昇が抑制され、相まってエネルギー吸収体の漏れを可及的に低減することができる。又それによって、前記従来のような複雑なシール機構を設けることなくエネルギー吸収体の漏れを防ぐことができる。さらに降伏点の高い金属を使用したことにより、抵抗部の径やエネルギー吸収体の量を低減できるので、装置の小型化および軽量化を図ることができると共に設計や製作が容易となる。その結果、振動吸収性能や耐久性および安定性のよい振動エネルギー吸収装置を容易・安価に提供できる等の効果が得られる。

以下、本発明による振動エネルギー吸収装置を、図に示す実施形態に基づいて具体的に説明する。図１は本発明による振動エネルギー吸収装置の一実施形態を示す縦断面図である。

本実施形態のエネルギー吸収装置Ｄは、前記従来例と同様に筒状のシリンダ１内に進退ロッド２を同心状に且つ軸線方向に相対移動可能に設け、そのシリンダ１内の進退ロッド２の周囲にエネルギー吸収体３を収容配置すると共に、上記進退ロッド２の外周面に拡径部等の抵抗部２ｃを設けた構成である。図中、５は進退ロッド２のスラスト軸受、６，７はシリンダ１の両端部を閉塞するキャップ、８は筒状のスペーサで、それらは前記図４の従来例とほぼ同様に構成されている。また図４においてエネルギー吸収体３とその両側のスラスト軸受５との間に介在させたシール材４は上記図１においては省略されている。

上記のエネルギー吸収体３としては、降伏点が９．０Ｎ／ｍｍ^２ 以上、５０．０Ｎ／ｍｍ^２ 以下の金属を用いるもので、具体的には例えば、金、銀、銅、ニッケル、アルミニウム、亜鉛、錫のいずれか又は上記いずれかの金属を含む少なくとも２種以上の金属の合金を用いることができる。特に、純度９９％以上の錫とビスマスとの合金は好適である。

上記のように降伏点が９．０Ｎ／ｍｍ^２ 以上、５０．０Ｎ／ｍｍ^２ 以下としたのは、降伏点が９．０Ｎ／ｍｍ^２ 以下であると、前記のように地震等の振動エネルギー吸収時にロッド及び抵抗部が移動することにより、エネルギー吸収体３が塑性変形を繰り返し、そのとき発生する熱でエネルギー吸収体３の流動性が増し、シリンダ１から洩れ出しやすい等の不具合があるからであり、また降伏点が５０．０Ｎ／ｍｍ^２ 以上であると、良好な振動エネルギー吸収性能を発揮できないからである。

また本発明においては、上記のエネルギー吸収体３と進退ロッド２との間に減摩材を介在させるようにしたもので、その減摩材としては、例えばフッ素系樹脂、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。

上記のように構成した振動エネルギー吸収装置Ｄを用いて例えば地震等の振動発生時に建築物等に伝達される振動エネルギーを吸収する場合には、前記従来例と同様に振動発生時に互いに相対移動する部位に配置すればよい。図２はその一例を示すもので、建築物Ａの隣り合う柱等の縦材と、土台や梁等の横材とで囲まれた略方形の空間内において、その対角線方向に配置される筋交いの一部として本発明による振動エネルギー吸収装置Ｄを設けたものである。

特に図の場合は１つの建築物Ａに複数個の振動エネルギー吸収装置Ｄを設置したもので、その各振動エネルギー吸収装置Ｄは、進退ロッド２の一端２ａを連結金具１１および固定金具１２を介して上記対角線方向の一端側の角部に取付け、シリンダ１の閉塞キャップ７側の端部を延長ロッド１３および固定金具１４を介して上記対角線方向の他端側の角部に取付けた構成である。

上記の構成において、地震等の振動で建築物が揺れたとき上記対角線の長さが変化し、それに伴って上記各振動エネルギー吸収装置Ｄの進退ロッド２がシリンダ１に対して相対移動することによって進退ロッド２の抵抗部２ｃがエネルギー吸収体３内を相対移動し、そのときの抵抗で振動エネルギーを吸収するものである。

図３は本発明による振動エネルギー吸収装置Ｄの他の配置構成例を示すもので、前記のように構成されたエネルギー吸収装置Ｄを、ビル等の建築物Ａの上部構造体Ｂと、その土台等の下部構造体Ｃとの間に配置すると共に、上記進退ロッド２の一端２ａをブラケット１５を介して上部構造体Ｂに、シリンダ１の閉塞キャップ７側の端部をブラケット１６を介して下部構造体Ｃにそれぞれ連結した構成である。なお図の配置構成例は本発明による振動エネルギー吸収装置Ｄを免震アイソレータＭと併用したものであるが、本発明による振動エネルギー吸収装置Ｄのみを単独で使用したり、制振装置等の他の振動エネルギー吸収装置と併用することもできる。

上記のように上部構造体Ｂと下部構造体Ｃとの間に本発明による振動エネルギー吸収装置Ｄを配置したことによって地震等で上部構造体Ｂと下部構造体Ｃとが水平方向に相対移動したとき、それに対応してエネルギー吸収装置Ｄのシリンダ１と進退ロッド２とが相対移動し、進退ロッド２に設けた抵抗部２ｃがエネルギー吸収体３内を移動する際の抵抗で振動エネルギーを吸収することができるものである。

以上のように本発明による振動エネルギー吸収装置は、地震等の振動を良好に吸収することができるもので、特にエネルギー吸収体３として、前記のように降伏点が９．０Ｎ／ｍｍ^２ 以上の金属を用いたことによって、地震等の振動エネルギー吸収時に発生する熱でエネルギー吸収体３の流動性が増した場合にも、シリンダ１から洩れ出すことはない。そのため、前記図１のようにエネルギー吸収体３の両端部には、前記図４の従来例ようなシール材４を必ずしも設けなくてもよいので装置構成を簡略化することができる。

また上記のように降伏点が高い金属をエネルギー吸収体３として用いることで、前記の内圧Ｐ０や横断面積比ｌｎ（Ａ１／Ａ２）を大きくすることなく高荷重が得られる。例えば装置構成は全く同一でエネルギー吸収体３として純錫を用いた場合と、鉛を用いた場合とでは、純錫を用いた場合の方が約２倍の荷重を得ることができる。そのため、上記の横断面積比を抑えたり、内圧Ｐ０を少なくしても充分な荷重が得られる。従って例えば前記図４の従来例に比べて進退ロッド２の抵抗部２ｃを図１のように小さくしても良好に振動エネルギーを吸収することが可能となる。その結果、エネルギー吸収体３の押し出し量が少なくなってエネルギー吸収体３の漏れを更に低減できると共に、図１のようにシリンダ１等の肉厚を薄くしたり、場合によってはエネルギー吸収体３の量や厚さも低減することができる。

また本発明は前記のようにエネルギー吸収体３と進退ロッド２との間に減摩材を介在させるようにしたので、振動エネルギー吸収時にエネルギー吸収体３と進退ロッド２とが相対移動する際に、両者２・３間に生じる摩擦抵抗が軽減され、熱の発生およびエネルギー吸収体の温度上昇が抑制される。それによって、エネルギー吸収体３の軟化や流動化が抑制され、前記の降伏点が高い金属をエネルギー吸収体として用いることと相まってエネルギー吸収体の漏れを可及的に低減することができるものである。

以上説明したように本発明による振動エネルギー吸収装置は、エネルギー吸収体として比較的降伏点の高い金属を用いると共に、そのエネルギー吸収体と進退ロッドとの間に減摩材を介在させたことによって、前記従来のような複雑なシール機構を設けることなくエネルギー吸収体の漏れを防ぐことができ、しかも降伏点の高い金属を使用したことで抵抗部の径やエネルギー吸収体の量を低減できるので、装置の小型化および軽量化を図ることができると共に設計や製作が容易となる。その結果、振動吸収性能や耐久性および安定性のよい振動エネルギー吸収装置を容易・安価に提供することが可能となり、例えば免震装置や耐震装置のダンパー等として、あるいは各種の機械振動等を吸収し、若しくは緩和する場合などに有効に用いることができる。

本発明による振動エネルギー吸収装置の一実施形態を示す縦断面図。 上記の振動エネルギー吸収装置を建築物の筋交いに適用した例の説明図。 上記の振動エネルギー吸収装置を建築物の基礎部分に配置した例の説明図。 従来の振動エネルギー吸収装置の一例を示す縦断面図。

符号の説明

１ シリンダ
２ 進退ロッド
２ａ 端部
２ｃ 抵抗部
３ エネルギー吸収体
５ スラスト軸受
６、７ 閉塞キャップ
８ スペーサ
１１ 連結金具
１２、１４ 固定金具
１３ 延長ロッド
１５、１６ ブラケット

Claims (3)

1. 筒状のシリンダ内に進退ロッドを同心状に且つ軸線方向に相対移動可能に設け、そのシリンダ内の進退ロッドの周囲に塑性変形可能な金属よりなるエネルギー吸収体を収容配置すると共に、上記進退ロッドの外周面に抵抗部を設け、振動エネルギー吸収時に上記エネルギー吸収体と抵抗部との相対移動により上記エネルギー吸収体が塑性変形して振動エネルギーを吸収する振動エネルギー吸収装置において、
   上記エネルギー吸収体として、降伏点が９．０Ｎ／ｍｍ^２ 以上、５０．０Ｎ／ｍｍ^２ 以下の金属を用い、そのエネルギー吸収体と進退ロッドとの間に減摩材を介在させるようにしたことを特徴とする振動エネルギー吸収装置。
2. 前記エネルギー吸収体として、金、銀、銅、ニッケル、アルミニウム、亜鉛、錫のいずれか又は上記いずれかの金属を含む少なくとも２種以上の金属の合金を用いることを特徴とする請求項１に記載の振動エネルギー吸収装置。
3. 前記エネルギー吸収体が、純度９９％以上の錫とビスマスとの合金からなることを特徴とする請求項１に記載の振動エネルギー吸収装置。

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