JP2009002359A - エネルギー吸収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】例えば建築物や土木構造物等に伝達される地震等の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係り、エネルギー吸収体として錫または錫合金を用い、地震等で連続的に繰り返し変形させた場合にもエネルギー吸収能力の低下の少ないエネルギー吸収装置を提供する。
【解決手段】鋼板等よりなる硬質板１とゴム等の弾性体２とを上下方向に交互に積層してなる積層体３に、上下方向に貫通する中空部３ａを設け、その中空部３ａ内に地震等の振動エネルギーを吸収する錫または錫合金よりなるエネルギー吸収体４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４を上記積層体３内に複数個設け、その複数個のエネルギー吸収体４の径をほぼ同径に形成すると共に、上記各エネルギー吸収体４の直径（Ｄ）と高さ（Ｈ）の比（Ｄ／Ｈ）が０．３０〜０．５０の範囲内にな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。

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４および図５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の中心部に、上下方向に貫通する中空部３ａを設け、その中空部３ａ内に地震等の振動エネルギーを吸収する鉛等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。

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５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６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７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。

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。

なお、上記特許文献１においては、上記のようなエネルギー吸収体として鉛を用いているが、環境への配慮を考え、特許文献２においては、鉛に替わる材料として錫または錫合金が用いられている。錫または錫合金は鉛よりも材料強度が高いことから、同寸法であれば、錫または錫合金の方が鉛よりもエネルギー吸収能力が大きくなるという利点もある。

しかしながら、エネルギー吸収体として錫または錫合金を用いた場合、二次剛性が積層体の剛性よりも高い特徴があり、これがプラグの寸法によってばらつくという問題点があった。また、エネルギー吸収体として錫または錫合金を用いた場合、エネルギー吸収能力が大きいため塑性熱の発生量も大きく、地震等で連続的に繰り返し変形させた場合にはエネルギー吸収能力の低下も大きいという問題点があった。

特公昭６１−１７９８４号公報 特開２００６−１７０２３３号公報

本発明は上記の問題点に鑑みて提案したもので、上記のようなエネルギー吸収体として錫または錫合金を用い、地震等で連続的に繰り返し変形させた場合にもエネルギー吸収能力の低下の少ない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エネルギー吸収装置は、以下の構成としたものである。すなわち、鋼板等よりなる硬質板とゴム等の弾性体とを上下方向に交互に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錫または錫合金よりな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を上記積層体内に複数個設け、その複数個のエネルギー吸収体の径をほぼ同径に形成すると共に、上記各エネルギー吸収体の直径Ｄと高さＨの比（Ｄ／Ｈ）が０．３０〜０．５０の範囲内になるようにしたことを特徴とする。

なお、より好ましくは上記複数個のエネルギー吸収体の総横断面積Ｔと積層体の横断面積Ｓとの比（Ｔ／Ｓ）は、０．０１４４〜０．０４の範囲内となるようにするとよい。また上記の錫合金としては、例えば純度９９．９ｗｔ％以上の錫を主体とし、これにビスマス、硫黄、カドミウム、金、銀、アンチモン、亜鉛の中から選択した１種または２種以上の金属を１ｗｔ％以下、より好ましくは０．５ｗｔ％以下の割合で混合した合金を用いることができる。

本発明によるエネルギー吸収装置は、上記のように錫または錫合金よりなるエネルギー吸収体を上記積層体内に複数個設け、その複数個のエネルギー吸収体の径をほぼ同径に形成すると共に、上記各エネルギー吸収体の直径Ｄと高さＨの比（Ｄ／Ｈ）が、０．３０〜０．５０の範囲内になるように構成としたことにより、地震等の振動エネルギーの吸収性能を向上させることができると共に、地震等による繰り返し変形でエネルギー吸収性能が低下するのを抑制することができる。さらにエネルギー吸収体を複数個設けたことによって、所望のエネルギー吸収量を容易に確保することができる。その結果、振動吸収性能および耐久性に優れたエネルギー吸収装置を提供することが可能となる。

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（ａ）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縦断面図、（ｂ）は（ａ）におけるｂ−ｂ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重複する説明は省略する。

本実施形態のエネルギー吸収装置Ａは、平面略円形の積層体３内に上下方向に貫通する中空部３ａを周方向に等間隔に複数個、図の場合は４つ設け、その各中空部３ａ内に錫または錫合金よりなるエネルギー吸収体４を収容配置したものである。その複数個のエネルギー吸収体４の径（直径）はほぼ同径に形成し、その各エネルギー吸収体４の直径Ｄと高さＨの比（Ｄ／Ｈ）は、０．３０〜０．５０の範囲内になるようにするもので、図の実施形態においては各エネルギー吸収体４の直径Ｄを約３０ｍｍ、高さＨを９８．５ｍｍとし、上記の比（Ｄ／Ｈ）は、約０．３０としたものである。

また上記複数個のエネルギー吸収体４の総横断面積、すなわち各エネルギー吸収体４の横断面積の和Ｔと、積層体３の横断面積（なお積層体３を構成する硬質板１と弾性体２との横断面積が異なる場合には弾性体２の横断面積をいい、エネルギー吸収体４の横断面積をも含む）Ｓとの比（Ｔ／Ｓ）は、０．１２^２〜０．２^２すなわち０．０１４４〜０．０４の範囲内となるようにするとよく、本実施形態においては上記の比が約０．０４になるようにしたものである。

上記の錫合金としては、例えば純度９９．９ｗｔ％以上の錫を主体とし、これにビスマス、硫黄、カドミウム、金、銀、アンチモン、亜鉛の中から選択した１種または２種以上の金属を１ｗｔ％以下、より好ましくは０．５ｗｔ％以下の割合で混合した合金を用いることができる。

ところで、上記のようなエネルギー吸収装置Ａにおいて、錫または錫合金よりなるエネルギー吸収体４を用いた場合、そのエネルギー吸収体４の寸法によって二次剛性が異なることが本発明者らの実験等により確かめられている。しかし、その原因は明らかとはなっておらず、商品設計上はバラツキとして評価していたが、必ずしも適切ではなかった。

そこで、本発明者らは、地震等の振動エネルギーを吸収するためのエネルギー吸収装置において、錫または錫合金よりなるエネルギー吸収体の直径Ｄと高さＨの比（Ｄ／Ｈ）に着目し、その比と二次剛性との関係を調べた。その結果、上記の比（Ｄ／Ｈ）と二次剛性には明確な関係が見られ、バラツキを小さくするにはＤ／Ｈを一定の範囲に制限する必要があることが分かった。

一方、上記のようなエネルギー吸収装置Ａは、地震等の振動エネルギーの吸収能力が高く、しかも地震等の振動で繰り返し変形してもエネルギー吸収能力が変化しないことが求められている。しかし、エネルギー吸収体として錫または錫合金を用いた場合には、鉛を用いた場合よりも同一寸法でのエネルギー吸収能力が高いという利点があるが、地震等の振動で繰り返し変形すると、エネルギー吸収能力が低下し、その変化が大きいという問題があった。

そこで、本発明者らは、前記図４および図５に示すようなエネルギー吸収装置Ａにおけるエネルギー吸収体４の直径Ｄと高さＨの比（Ｄ／Ｈ）の異なる試験体を作成して、繰り返し変形によるエネルギー吸収能力の変化を調べた。その際に試験体として用いたエネルギー吸収体４の材質ならびに直径Ｄと高さＨおよびその比（Ｄ／Ｈ）と個数を下記表１に示す。

なお、上記表１中の試験体（１）〜（４）はいずれも同一の大きさ・形状の積層体３を用いたもので、その直径、特にゴム等よりなる弾性体２の直径が約３００ｍｍの円形のものを用いた。試験体（１）は上記積層体３の中央部に直径６０ｍｍのエネルギー吸収体４を１つ設けた構成であり、試験体（２）は積層体３の中央部付近に直径４２．４３ｍｍのエネルギー吸収体４を所定の間隔をおいて２つ設けた構成である。また試験体（３）は積層体３の中央部付近に直径３４．６４ｍｍのエネルギー吸収体４を周方向にほぼ等間隔に３つ、試験体（４）は前記図１のように積層体３の中央部付近に直径３０ｍｍのエネルギー吸収体４を周方向にほぼ等間隔４つ設けた構成である。

上記各試験体（２）〜（４）のエネルギー吸収体４の総横断面積は、試験体（１）のエネルギー吸収体４の横断面積とほぼ同等になるように構成され、各試験体（１）〜（４）のエネルギー吸収体４の総横断面積は、上記積層体３（弾性体２）の横断面積の約０．０４倍になるように形成されている。それぞれのＤ／Ｈは表1中に記載の通りである。

図２は上記表１中の４種類の試験体（１）〜（４）を、地震を想定した振動で２０回連続繰り返し変形させた際のエネルギー吸収量の変化率を示すもので、直径６０ｍｍのエネルギー吸収体４を1つ設けた試験体（１）に比べ、それよりも直径が小さくＤ／Ｈの小さいエネルギー吸収体４を用いた試験体（２）の方が繰り返しによるエネルギー吸収量の変化率が小さく、また、それよりも更に順に直径を小さくした試験体（３）（４）の方が順に繰り返しによるエネルギー吸収量の変化率が小さいことが分かる。これはエネルギー吸収体４の直径、言い換えれば横断面積が小さくなるほど塑性熱の発生が抑えられたことに起因していると考えられる。このことから、繰り返しによるエネルギー吸収量の変化率を小さくするには、エネルギー吸収体４の直径Ｄを小さく(Ｄ／Ｈを小さく)する必要がある事がわかる。

一方、エネルギー吸収体４の径を小さくすると、エネルギー吸収量が少なくなる。例えば上記試験体（４）すなわち前記図１における４つのエネルギー吸収体４のうちの１つのエネルギー吸収体４の履歴曲線は図３の（４）’のようになり、そのエネルギー吸収体４のエネルギー吸収量を表す上記履歴曲線の内側の面積が、図３における試験体（１）の履歴曲線（１）の内側の面積の約１／４程度であり、エネルギー吸収能力は劣っていることが分かる。なお上記図３の履歴曲線は地震を想定した振動試験にも基づくものである。

そこで、本発明においては上記のエネルギー吸収能力を向上させるために、エネルギー吸収体４を積層体３内に複数個設けたもので、例えば試験体（４）においては前述のようにエネルギー吸収体４を４つ設けたものである。その４つのエネルギー吸収体４を設けた試験体（４）の履歴曲線は図３の（４）のようになり、試験体（１）の履歴曲線（１）と対比してエネルギー吸収量をほぼ同程度まで向上させることができた。なお、図には省略したが、試験体（２）（３）についても同様の結果が得られた。

ところで、上記図３において試験体（４）と試験体（１）の二次剛性（図で上部の右上がりの履歴）が異なるのは、エネルギー吸収体４の直径Ｄと高さＨの比（Ｄ／Ｈ）が異なることが原因である。この二次剛性を一定の値とするためには、上記の比（Ｄ／Ｈ）を一定の値に制限する必要があり、エネルギー吸収能力が大きく、しかも繰り返し変形によるエネルギー吸収性能の変化（低下）を抑制するには、上記の比（Ｄ／Ｈ）を０．３０〜０．５０の範囲内になるようにするのがよいことが分かった。

上記の比（Ｄ／Ｈ）が０．３０未満であると、エネルギー吸収体４の高さのわりに径が小さすぎて、地震等の振動吸収時にエネルギー吸収体４が座屈したり折損してエネルギーを吸収できなくなるおそれがあり、また上記の比（Ｄ／Ｈ）を０．５０を超える大きさにすると、二次剛性のバラツキが大きくなる等の不具合があるからである。

なお、前述のようにエネルギー吸収体４の総横断面積Ｔと、積層体３の横断面積Ｓとの比（Ｔ／Ｓ）は０．０１４４〜０．０４の範囲内になるようにするのが好ましく、前記図１の実施形態およびそれに対応する試験体（４）ならびに試験体（１）〜（３）においては上記の比（Ｔ／Ｓ）を約０．０４になるようにしたが、上記の範囲内の任意の値になるようにしてもよい。

上記のような範囲内にすると、積層体３の面積のわりにエネルギー吸収体４の面積が小さく、エネルギー吸収装置に加わる鉛直応力、すなわち面圧（ＭＰａ）の増加に伴う二次剛性（降伏後剛性）の低下率が小さくなる。これは、二次剛性の面圧依存性が小さいことから、建物の目的に応じてバランスのよい免震構造を設計でき、安定な免震特性を得ることが可能となるものである。

なお、上記の比（Ｔ／Ｓ）を０．０１４４〜０．０４の範囲内としたのは以下の理由による。すなわち、上記の比（Ｔ／Ｓ）が０．０１４４未満であると、錫または錫合金を用いた比較的高強度のエネルギー吸収体といえども充分なエネルギ吸収効果が得られない。また上記の比（Ｔ／Ｓ）が０．０４を超える大きさにすると、上記の二次剛性が過大となるという不具合があるからである。

以上のように本発明によれば、前記のような構成としたことにより、錫または錫合金よりなるエネルギー吸収体の寸法の如何に拘わらず、二次剛性を一定の割合に制御可能で、エネルギー吸収能力が大きく、かつ繰り返し変形によるエネルギー吸収性能の変化を抑制可能なエネルギー吸収装置を提供することが可能となる。また、例えばエネルギー吸収体の寸法を一定とし、必要に応じて個数を調整することでエネルギー吸収能力を変更できるため、エネルギー吸収体製作時の金型を共通化でき、コスト削減が可能となる。

（ａ）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縦断面図、（ｂ）は（ａ）におけるｂ−ｂ断面図。 試験体（１）〜（４）の振動の繰り返し回数とエネルギー吸収量の変化率との関係を示す図。 試験体（１）、（４）等の履歴曲線図。 従来のエネルギー吸収装置の一例を示す斜視図。 上記従来のエネルギー吸収装置の縦断面図。 上記従来のエネルギー吸収装置を建築物に施工した例の説明図。 上記従来のエネルギー吸収装置を土木構築物に施工した例の説明図。

符号の説明

１ 硬質板
２ 弾性体
３ 積層体
３ａ 中空部
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

Claims (4)

1. 鋼板等よりなる硬質板とゴム等の弾性体とを上下方向に交互に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錫または錫合金よりな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を上記積層体内に複数個設け、その複数個のエネルギー吸収体の径をほぼ同径に形成すると共に、上記各エネルギー吸収体の直径（Ｄ）と高さ（Ｈ）の比（Ｄ／Ｈ）が０．３０〜０．５０の範囲内になるようにしたことを特徴とするエネルギー吸収装置。
2. 上記複数個のエネルギー吸収体の総横断面積（Ｔ）と積層体の横断面積（Ｓ）との比（Ｔ／Ｓ）が０．０１４４〜０．０４の範囲内となるようにした請求項１に記載のエネルギー吸収装置。
3. 上記錫合金が、純度９９．９ｗｔ％以上の錫を主体とし、これにビスマス、硫黄、カドミウム、金、銀、アンチモン、亜鉛の中から選択した１種または２種以上の金属を１ｗｔ％以下の割合で混合した合金からなることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー吸収装置。
4. 上記錫合金が、純度９９．９ｗｔ％以上の錫を主体とし、これにビスマス、硫黄、カドミウム、金、銀、アンチモン、亜鉛の中から選択した１種または２種以上の金属を０．５ｗｔ％以下の割合で混合した合金からなることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー吸収装置。

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