JP2008138833A - ダンパー装置、ダンパー装置の設計方法、制振構造、制振方法 - Google Patents

Abstract

【課題】粘弾性体の変形性能を充分に活用することができ、ストッパーが破損することのないダンパー装置を提供する。
【解決手段】ダンパー装置１０は、入力される振動荷重に応じて粘弾性体がせん断変形することにより振動エネルギーを吸収する粘弾性ダンパー１００と、摩擦ダンパー２００とが直列に接続され、粘弾性ダンパー１００は、粘弾性ダンパー１００を構成する粘弾性体のせん断ひずみがせん断破断ひずみに達した時点又はその直前で、粘弾性体のせん断変形の進行を妨げるストッパー１７０を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、粘弾性ダンパーと履歴系ダンパーとが直列に接続された構成のダンパー装置に関する。

従来より、柱梁構造からなる建物を制振するための制振ダンパーとして、摩擦ダンパーなどの履歴系ダンパーと、粘弾性ダンパーとが直列に接合された構成のダンパー装置が広く用いられている。かかる構成のダンパー装置によれば、風荷重や小地震などの小さい振動に対して粘弾性ダンパーが機能し、大地震による大きな振動に対して履歴系ダンパーが機能することにより、小地震から大地震まで優れた制振効果を得ることができる。

しかしながら、上記の構成のダンパー装置では、大地震などにより粘弾性ダンパーに過大な荷重が作用すると、粘弾性ダンパーが破損する虞がある。そこで、例えば特許文献１には、粘弾性ダンパーの変位が小地震や風荷重を超えるレベルの応答に対する振幅の大きさを超えないようにストッパーを設けたダンパー装置が記載されている。
特許第３７７２２４５号公報

ところで、粘弾性ダンパーに用いられている粘弾性体の変形性能は非常に高く、せん断ひずみが厚さの６００％程度まで進行するまで、せん断破断することはない。しかしながら、特許文献１記載のダンパー装置は、粘弾性体のせん断ひずみが１ｍｍ程度に到達した時点でストッパーが機能してしまうため、粘弾性体の変形性能を充分に活用することができない。
また、粘弾性体が負担する荷重も小さくなるため、ストッパーに大きな荷重が作用して、ストッパーが破損したり、ストッパーより衝撃音や振動が発生したりする虞がある。

本発明は、上記の問題点に鑑みなされたものであり、粘弾性体の変形性能を充分に活用することができ、また、ストッパーに大きな荷重が作用することのないダンパー装置を提供することを目的とする。

本発明のダンパー装置は、入力される振動荷重に応じて粘弾性体がせん断変形することにより振動エネルギーを吸収する粘弾性ダンパーと、履歴系ダンパーとが直列に接続されたダンパー装置であって、前記粘弾性ダンパーは、前記粘弾性体のせん断ひずみがせん断破断ひずみに達する時点又はその直前で、前記粘弾性体のせん断変形の進行を妨げるストッパーを備えることを特徴とする。

また、本発明のダンパー装置は、入力される振動荷重に応じて粘弾性体がせん断変形することにより振動エネルギーを吸収する粘弾性ダンパーと、履歴系ダンパーが直列に接続されたダンパー装置であって、前記粘弾性ダンパーは、前記粘弾性体の厚みをｔ、前記粘弾性体のせん断破断ひずみをεとしたとき、前記粘弾性体のせん断変形が（ｔ×ε）に達する時点又はその直前で、前記粘弾性体のせん断変形の進行を妨げるストッパーを備えることを特徴とする。

また、本発明のダンパー装置の設計方法は、入力される振動荷重に応じて粘弾性体がせん断変形することにより振動エネルギーを吸収し、前記粘弾性体のせん断変形の進行を妨げるストッパーを備えた粘弾性ダンパーと、履歴系ダンパーとが直列に接続されたダンパー装置の設計方法あって、前記粘弾性ダンパーを構成する粘弾性体のせん断ひずみがせん断破断ひずみに到達する時点又はその直前で、前記粘弾性体のせん断変形の進行を妨げるようにストッパーを配置することを特徴とする。

また、本発明のダンパー装置の設計方法は、入力される振動荷重に応じて粘弾性体がせん断変形することにより振動エネルギーを吸収し、前記粘弾性体のせん断変形の進行を妨げるストッパーを備えた粘弾性ダンパーと、履歴系ダンパーとが直列に接続されたダンパー装置の設計方法あって、前記粘弾性ダンパーを構成する粘弾性体の厚みをｔ、前記粘弾性体のせん断破断ひずみをεとしたとき、前記粘弾性体のせん断変形が（ｔ×ε）に到達する時点又はその直前で、前記粘弾性体のせん断変形の進行を妨げるようにストッパーを配置することを特徴とする。

また、本発明の制振構造は、上記のダンパー装置が柱梁構造にブレース状、間柱状、又は壁状に組み込まれていることを特徴とする。

また、本発明の制振方法は、制振対象物の、振動時に互いに相対変位する２つの部位の間に、入力される振動荷重に応じて粘弾性体がせん断変形することにより振動エネルギーを吸収する粘弾性ダンパーと、履歴系ダンパーとを直列に設置し、前記粘弾性体のせん断ひずみがせん断破断ひずみに達する時点又はその直前で、前記粘弾性体のせん断変形の進行を妨げることを特徴とする。

本発明によれば、大地震などにより大きな変形が生じた場合であっても、粘弾性体がせん断破断ひずみに到達する時点又はその直前まで変形することができる。これにより、粘弾性体による制振性能を充分に発揮させることができる。また、粘弾性体が負担する荷重が大きくなることで、ストッパーに作用する荷重も小さくなるため、ストッパーが破損したり、ストッパーから衝撃音が発生したりすることを防止できる。

以下、本発明のダンパー装置の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態のダンパー装置１０の設置状況を示す模式図である。同図に示すように、ダンパー装置１０は、柱梁構造１の面内対角線方向に取付けられた第１のブレース部材２０及び第２のブレース部材３０の間に介装されることで、ブレース部材に組み込まれている。ダンパー装置１０は、以下に説明するように柱梁構造１が変形しようとする際に作用する圧縮力又は引張力に抵抗して、エネルギーを吸収することにより、柱梁構造１を制振することができる。

図２及び図３は、ダンパー装置１０の構成を示す図であり、図２は斜視図、図３（Ａ）は側面図、図３（Ｂ）は上面図、図３（Ｃ）は（Ａ）におけるＣ―Ｃ´断面図である。図２及び図３に示すように、ダンパー装置１０は、粘弾性ダンパー１００と、これに直列に接続された摩擦ダンパー２００とを備える。粘弾性ダンパー１００と、摩擦ダンパー２００とはＨ型鋼からなる連結部材３００により接続されている。

図４は、粘弾性ダンパー１００の構成を示す図であり、（Ａ）は斜視分解図、（Ｂ）は断面図、（Ｃ）はストッパー１７０の拡大平面図である。同図（Ａ）、（Ｂ）に示すように、粘弾性ダンパー１００は、第１のブレース部材２０に接続される第１のＨ型鋼１１０と、第１のＨ型鋼１１０のウェブ面に所定の間隔をあけて重なり合うように取り付けられた複数の第１の板材１２０と、第１の板材１２０の間に一部が重なり合うように配置され、連結部材３００に取付けられた複数の第２の板材１３０と、隣接する第１の板材１２０と第２の板材１３０の重なり合う部分において、それらの間に介装された粘弾性体１４０と、粘弾性体１４０のせん断変形が一定以上とならないように第１の板材１２０と第２の板材１３０との相対変位を規制するストッパー１７０と、で構成される。

第１のＨ型鋼１１０と連結部材３００との間に軸方向の振動荷重が作用すると、第１の板材１２０と第２の板材１３０との間に介装された粘弾性体１４０に繰り返しせん断荷重が作用し、粘弾性体１４０がこのせん断荷重に応じてせん断変形することにより、粘弾性体１４０が振動エネルギーを吸収する。これにより、粘弾性ダンパー１００は制振効果を発揮することができる。

ストッパー１７０は、第１のＨ型鋼１１０のフランジ面に取付けられた長方形状の開口を有するストッパー板材１６０と、ストッパー板材１６０の開口内に突出する連結部材３００に設けられた長方形状の突部１５０と、で構成される。ストッパー板材１６０の開口の縁と、連結部材３００に設けられた長方形状の突部１５０との間には軸方向に所定の幅のクリアランスＣ（隙間）が設けられている。このクリアランスＣは後述する設計方法により決定されている。なお、突部１５０及びストッパー板材１６０は、粘弾性ダンパー１００に軸力が作用しない状態（粘弾性体１４０がせん断変形していない状態）で、突部１５０の軸方向両側のクリアランスＣが等しくなるように配置されている。

粘弾性ダンパー１００に軸力が作用し、粘弾性体１４０がせん断変形することにより、第１のＨ型鋼１１０と、連結部材３００とが軸方向に近接又は離間した場合、ストッパー板材１６０の開口の縁と連結部材３００に設けられた突部１５０とが係合すると、それ以上第１のＨ型鋼１１０と連結部材３００の相対変位は進行しない、すなわち、第１のＨ型鋼１１０と、連結部材３００との相対変位が上記クリアランスＣを超えることはない。これにより、粘弾性体１３０のせん断変形をクリアランスＣ以下に規制することができる。

図５は、摩擦ダンパー２００の構成を示す図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は断面図である。同図に示すように、摩擦ダンパー２００は、第２のブレース材３０に接続される第２のＨ型鋼２１０と、第２のＨ型鋼２１０のウェブ及びフランジの表裏面と一部が重なり合うように連結部材３００に取付けられた第３の板材２２０と、第３の板材２２０と第２のＨ型鋼２１０とが重なり合う部分において、それらの間に介装された摩擦材２３０と、第３の板材２２０と第２のＨ型鋼２１０と挟みこむように押圧する皿ばねユニット２４０と、で構成される。

皿ばねユニット２４０は、第３の板材２２０及び第２のＨ型鋼２１０に設けられたボルト孔に挿通されたボルト２４１と、複数の皿ばね２４２と、ナット２４３とで構成される。ボルトに第３の板材２２０と、第２のＨ型鋼２１０と、複数の皿ばね２４２とを挿通させた状態でボルト２４１にナット２４３を締め付けることにより、第３の板材２２０と第２のＨ型鋼２１０とが皿ばね２４２の反力により互いに押圧される。なお、第３の板材２２０に設けられたボルト孔は軸方向に延びる長孔に形成されており、第２のＨ型鋼２１０と、第３の板材２２０とは軸方向に相対変位することが可能である。

かかる構成によれば、摩擦ダンパー２００に作用する軸力が、摩擦材２３０と、第３の板材２２０及び第２のＨ型鋼２１０との間の静止摩擦力未満の場合には、第３の板材２２０と第２のＨ型鋼２１０との間には相対変位は生じない。一方、摩擦ダンパー２００に作用する軸力が上記の静止摩擦力を超えると、摩擦材２３０と、第３の板材２２０又は第２のＨ型鋼２１０との間の摩擦力により軸力に対して抵抗しながら、第３の板材２２０と第２のＨ型鋼２１０とが軸方向に相対変位する。このため、摩擦ダンパー２００は、上記の静止摩擦力を超える軸力が作用するような場合に、制振効果を発揮することができる。

ここで、従来技術の欄に記載したように、ストッパー１７０のクリアランスの幅が小さいと、粘弾性体１４０に生じたせん断ひずみが、せん断破断ひずみに比べて非常に小さいにもかかわらず、ストッパー１７０により粘弾性体１４０のせん断変形が規制されてしまう。このため、粘弾性体１４０による制振性能を充分に活かしきれないとともに、ストッパー１７０に過大な荷重が作用してしまうことにもなる。そこで、本実施形態では、ダンパー装置１０を以下に説明するように設計するものとした。

まず、粘弾性体１４０の剛性がブレース部材の剛性に対して大きすぎると、粘弾性体１４０が変形する前にブレース部材が変形してしまう虞がある。そこで、例えば、冬場などを想定して粘弾性体１４０の温度が０℃などの所定の条件において、粘弾性体１４０の剛性が第１のブレース部材２０及び第２のブレース部材３０の剛性を超えないように、粘弾性体１４０の物性に基づき粘弾性体１４０の面積及び厚さｔを決定する。これにより、冬場など気温が低く粘弾性体１４０の剛性が高くなっている場合に、粘弾性ダンパー１００が機能する前にブレース部材が変形してしまうのを避けることができる。

次に、粘弾性体１４０が繰り返し変形を受けて温度が上昇した場合を考慮して、所定の温度（例えば３０℃）での粘弾性体１４０のせん断破断ひずみεを求める。
そして、次式（１）に基づき、粘弾性体１４０のせん断破断変形δを算出する。
δ＝ｔ×ε…（１）
そして、粘弾性体１４０のせん断変形が上記の式（１）で算出したせん断破断変形δに到達する時点又はその直前でストッパー１７０が機能するようにクリアランスＣを設定する。これにより、粘弾性体１４０の温度が繰り返し荷重により上昇し、粘弾性体１４０の剛性が低下した場合にも、せん断ひずみがせん断破断ひずみを超える前にストッパー１７０が機能する。
次に、摩擦ダンパー２００の静止摩擦力が、粘弾性ダンパー１００のせん断ひずみがせん断破断ひずみの１／３〜１／２となるような荷重になるように摩擦ダンパー２００を設計する。

上記のように設計することにより、粘弾性ダンパー１００の粘弾性体１４０は破断することなく、せん断破断ひずみ付近まで変形することが可能となる。このため、中小の地震などにより、粘弾性体１４０のせん断ひずみがせん断破断ひずみの１／３〜１／２に達するような荷重より小さい荷重が作用するような場合には、粘弾性ダンパー１００のみが機能し、大地震などによりそれ以上の荷重が作用するような場合には、粘弾性ダンパー１００及び摩擦ダンパー２００が機能する。

本実施形態のダンパー装置１０によれば、以下の効果が得られる。
粘弾性体１３０がせん断破断ひずみ又はその近くに達するまでせん断変形することができるため、粘弾性ダンパー１００がより大きな荷重を負担することができ、ストッパー１７０に過大な荷重が作用することがなく、ストッパー１７０が破損するのを防止できる。また、粘弾性体１３０が摩擦ダンパー２００の静止摩擦力に到達するまで抵抗しており、摩擦ダンパー２００への力の流れがスムーズに行われるため、ストッパー１７０を構成するストッパー板材１６０の開口の縁に突部１５０が激しく衝突することがなく、ストッパー１７０において大きな衝撃音や振動が発生するのを防止できる。

また、粘弾性体１３０のせん断ひずみがせん断破断ひずみ又はその近くに達するまで、粘弾性ダンパー１００が機能するため、中小の地震に対しても粘弾性ダンパー１００により制振することができる。また、従来のダンパー装置では、大地震に対しては摩擦ダンパー２００のみが機能していたが、本実施形態のダンパー装置１０によれば、大地震に対しても粘弾性ダンパー１００及び摩擦ダンパー２００が有効に機能するため、より効果的に制振することができる。

なお、本実施形態では、履歴系ダンパーとして、摩擦ダンパー２００を用いた場合について説明したが、これに限らず、鋼材ダンパー、鉛ダンパーなどを用いることができる。

また、上記の実施形態では、柱梁構造にブレース状にダンパー装置を設けた場合について説明したが、これに限らず、図６に示すような、柱梁構造１の上下の梁間に間柱状に取付けられ、上下の梁の水平方向に生じる相対変位に対して抵抗することにより制振するダンパー装置６００にも適用することができる。図７は、間柱状に取り付けられたダンパー装置６００を示す図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は鉛直断面図、（Ｃ）は（Ａ）におけるＣ−Ｃ´断面における水平断面図である。図６及び図７に示すように、ダンパー装置６００は、上下の梁より延びる束材４０の間に直列に取付けられた粘弾性ダンパー４００と、摩擦ダンパー５００とで構成される。

粘弾性ダンパー４００は、第１の板材４１０と、第１の板材４１０と一部が重なるように設けられた第２の板材４２０と、第１の板材４１０と第２の板材４２０との間に介装された粘弾性体４３０と、第２の板材４２０と水平方向に所定の幅のクリアランスをあけて設けられ、第１の板材４１０に接続されたストッパー４４０とを備える。
また、摩擦ダンパー５００は、第２の板材４２０に接続された第３の板材４５０と、第３の板材４５０と一部が重なり合うように設けられた第４の板材４７０と、第３の板材４５０と第４の板材４７０との間に介装された摩擦材４６０と、第３の板材４５０及び第４の板材４７０を挟みこむように押圧する皿ばねユニット４８０とで構成される。

第１の板材４１０と、第２の板材４２０との間に水平方向にせん断荷重が作用すると、粘弾性体４３０はせん断変形するが、せん断変形量がクリアランスの幅に達すると、第２の板材４２０がストッパー４４０と係合する。このため、粘弾性体４３０のせん断変形がクリアランスの幅以上進行するのを妨げることができる。

このように間柱状に取付けられたダンパー装置６００においても、ストッパー４４０を式（１）により算出したせん断破断変形に到達する時点又はその直前で機能するように設定することにより、ブレース状に取り付けた場合と同様の効果が得られる。
なお、上記の説明では、ダンパー装置をブレース状及び間柱状に組み込んだ場合について説明したが、これに限らず、柱梁架構に設けられた壁状に組み込む（すなわち、上記の間柱を柱間に亘るように設ける）ことも可能である。

本実施形態のダンパー装置の設置状況を示す模式図である。 ダンパー装置の構成を示す斜視図である。 ダンパー装置の構成を示す図であり、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は上面図、（Ｃ）は（Ａ）におけるＣ―Ｃ´断面図である。 粘弾性ダンパーの構成を示す図であり、（Ａ）は斜視分解図、（Ｂ）は断面図、（Ｃ）はストッパーの拡大図である。 摩擦ダンパーの構成を示す図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は断面図である。 間柱上に取付けられたダンパー装置を示す図である。 間柱状に取り付けられたダンパー装置の構成を示す図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は鉛直方向断面図、（Ｃ）は（Ａ）におけるＣ−Ｃ´断面における水平方向断面図である。

符号の説明

１０ ダンパー装置 ２０ 第１のブレース部材
３０ 第２のブレース部材 ４０ 束材
１００ 粘弾性ダンパー １１０ 第１のＨ型鋼
１２０ 第１の板材 １３０ 第２の板材
１４０ 粘弾性体 １５０ 突部
１６０ ストッパー板材 １７０ ストッパー
２００ 摩擦ダンパー ２１０ 第２のＨ型鋼
２２０ 第３の板材 ２３０ 摩擦材
２４０ 皿ばねユニット ３００ 連結部材
４００ 粘弾性ダンパー ４１０ 第１の板材
４２０ 第２の板材 ４３０ 粘弾性体
４４０ ストッパー ４５０ 第３の板材
４６０ 摩擦材 ４７０ 第４の板材
４８０ 皿ばねユニット ５００ 摩擦ダンパー
６００ ダンパー装置

Claims (6)

1. 入力される振動荷重に応じて粘弾性体がせん断変形することにより振動エネルギーを吸収する粘弾性ダンパーと、履歴系ダンパーとが直列に接続されたダンパー装置であって、
   前記粘弾性ダンパーは、前記粘弾性体のせん断ひずみがせん断破断ひずみに達する時点又はその直前で、前記粘弾性体のせん断変形の進行を妨げるストッパーを備えることを特徴とするダンパー装置。
2. 入力される振動荷重に応じて粘弾性体がせん断変形することにより振動エネルギーを吸収する粘弾性ダンパーと、履歴系ダンパーが直列に接続されたダンパー装置であって、
   前記粘弾性ダンパーは、前記粘弾性体の厚みをｔ、前記粘弾性体のせん断破断ひずみをεとしたとき、前記粘弾性体のせん断変形が（ｔ×ε）に達する時点又はその直前で、前記粘弾性体のせん断変形の進行を妨げるストッパーを備えることを特徴とするダンパー装置。
3. 入力される振動荷重に応じて粘弾性体がせん断変形することにより振動エネルギーを吸収し、前記粘弾性体のせん断変形の進行を妨げるストッパーを備えた粘弾性ダンパーと、履歴系ダンパーとが直列に接続されたダンパー装置の設計方法あって、
   前記粘弾性ダンパーを構成する粘弾性体のせん断ひずみがせん断破断ひずみに到達する時点又はその直前で、前記粘弾性体のせん断変形の進行を妨げるようにストッパーを配置することを特徴とするダンパー装置の設計方法。
4. 入力される振動荷重に応じて粘弾性体がせん断変形することにより振動エネルギーを吸収し、前記粘弾性体のせん断変形の進行を妨げるストッパーを備えた粘弾性ダンパーと、履歴系ダンパーとが直列に接続されたダンパー装置の設計方法あって、
   前記粘弾性ダンパーを構成する粘弾性体の厚みをｔ、前記粘弾性体のせん断破断ひずみをεとしたとき、前記粘弾性体のせん断変形が（ｔ×ε）に到達する時点又はその直前で、前記粘弾性体のせん断変形の進行を妨げるようにストッパーを配置することを特徴とするダンパー装置の設計方法。
5. 請求項１又は２に記載のダンパー装置が柱梁構造にブレース状、間柱状、又は壁状に組み込まれていることを特徴とする制振構造。
6. 制振対象物の、振動時に互いに相対変位する２つの部位の間に、入力される振動荷重に応じて粘弾性体がせん断変形することにより振動エネルギーを吸収する粘弾性ダンパーと、履歴系ダンパーとを直列に設置し、
   前記粘弾性体のせん断ひずみがせん断破断ひずみに達する時点又はその直前で、前記粘弾性体のせん断変形の進行を妨げることを特徴とする制振方法。

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