JP2011190621A

JP2011190621A - 摩擦ダンパー

Info

Publication number: JP2011190621A
Application number: JP2010058063A
Authority: JP
Inventors: Nao Koda; 尚幸田; Tadashi Kaneko; 忠史金子; Noboru Tsuruyama; 昇鶴山; Keisuke Takahashi; 啓介高橋; Taiyo Sakaguchi; 大洋坂口
Original assignee: Mitsubishi Chemical Engineering Corp
Current assignee: Mitsubishi Chemical Engineering Corp
Priority date: 2010-03-15
Filing date: 2010-03-15
Publication date: 2011-09-29
Anticipated expiration: 2030-03-15
Also published as: JP5596378B2

Abstract

【課題】入力加速度が小さく免震層の層間変形が小さい場合は小さな摩擦力を、入力加速度が大きく免震層の層間変形が大きい場合は大きな摩擦力を発揮できる摩擦ダンパーを提供する。
【解決手段】上部構造物１２と下部構造物１３との間に設けられた免震層に設置される摩擦ダンパー１０であって、上下方向に伸縮可能な弾性部材１４を介して上部構造物１２の底面に設置された摺動部材１５と、下部構造物１３の上面に形成された円錐台状の複数の突起部１６とを有し、免震層の層間変形に伴って、摺動部材１５が突起部１６上を摺動する。これにより、中小地震時における小さな層間変形に対しては小さな摩擦力を、大地震時における大きな層間変形に対しては大きな摩擦力を発揮することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、免震構造物に設置される摩擦ダンパーに関する。

免震構法は、構造物（上部構造物）と基礎（下部構造物）との間に積層ゴムやリニアガイド等の免震装置を設置して免震層を設けることにより構造物の固有周期を長周期化し、構造物に入力される地震加速度の低減を図る構法である。従来より、免震構法では、層間変形が過大にならないようにするため、免震層に減衰機構を設けている。例えば、特許文献１では、アーム構造の第１のディスクと、摩擦材を介して第１のディスクに圧接され、第１のディスクに対して相対回転運動が可能なアーム構造の第２のディスクとからなり、上記両ディスクの先端可動部分の一方を構造物に、他方を基礎に連結するようにした免震システム用ディスクダンパが開示されている。

特開昭６２−２３３３８６号公報

免震構造物の場合、免震層の減衰が小さいほうが、高振動数域における加速度応答倍率（応答加速度／入力加速度）は小さくなる。即ち、免震効果は大きくなる。このため、入力加速度が小さく免震層の層間変形が小さい中小地震に対しては、免震層の減衰は小さいほうが望ましい。一方、入力加速度が大きい大地震に対しては、免震層の層間変形が過大とならないように、免震層の減衰は大きいほうが望ましい。従って、入力加速度が小さく免震層の層間変形が小さい場合は小さな減衰力を、入力加速度が大きく免震層の層間変形が大きい場合は大きな減衰力を発揮できるダンパーが理想的といえる。しかしながら、免震構造物に設置される従来の摩擦ダンパーは、免震層の層間変形の大きさにかかわらず常に一定の摩擦力（減衰力）しか発揮することができない。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、入力加速度が小さく免震層の層間変形が小さい場合は小さな摩擦力を、入力加速度が大きく免震層の層間変形が大きい場合は大きな摩擦力を発揮できる摩擦ダンパーを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、第１の発明は、上部構造物と下部構造物との間に設けられた免震層に設置される摩擦ダンパーであって、上下方向に伸縮可能な弾性部材を介して前記上部構造物の底面に設置された摺動部材と、前記下部構造物の上面に形成された側断面が台形状の突起部とを有し、前記免震層の層間変形に伴って、前記摺動部材が前記突起部上を摺動することを特徴としている。

また、第２の発明は、上部構造物と下部構造物との間に設けられた免震層に設置される摩擦ダンパーであって、上下方向に伸縮可能な弾性部材を介して前記下部構造物の上面に設置された摺動部材と、前記上部構造物の底面に形成された側断面が台形状の突起部とを有し、前記免震層の層間変形に伴って、前記摺動部材が前記突起部上を摺動することを特徴としている。

摺動面に作用する面圧が大きくなるにつれて摩擦力は増大する。第１及び第２の発明では、摺動部材が突起部の傾斜部を登ることにより弾性部材が圧縮され、摺動部材と突起部との間に作用する面圧が上昇する。その結果、摺動部材に作用する摩擦力が増大し、突起部の頂部において面圧は最大となり、摩擦力も最大となる。第１及び第２の発明に係る摩擦ダンパーでは、中小地震時には、免震層の層間変形量が小さいので、摺動部材も突起部の低い位置で往復運動し、小さな摩擦力しか発生しないが、大地震時には、免震層の層間変形量が大きいので、摺動部材も突起部の頂部に達する往復運動をするため、大きな摩擦力が発生する。

また、第１及び第２の発明に係る摩擦ダンパーでは、前記摺動部材及び前記突起部の少なくとも一方の表面が摩擦材で形成されていてもよい。これにより、安定した大きな摩擦力を発生させることができる。

本発明に係る摩擦ダンパーでは、上部構造物と下部構造物との間に設けられた免震層の層間変形に伴って、摺動部材が突起部上を摺動することにより、中小地震時における小さな層間変形に対しては小さな摩擦力を、大地震時における大きな層間変形に対しては大きな摩擦力を発揮することができ、理想的な免震構造物を実現することができる。

本発明の一実施の形態に係る摩擦ダンパーの模式図である。同摩擦ダンパーの配置図である。摩擦ダンパーの原理を説明するための模式図である。摩擦ダンパーに吸収されるエネルギーのグラフである。弾性部材の縦断面図である。変形例に係る弾性部材の縦断面図である。ガイド部を底面から見た模式図である。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態に付き説明し、本発明の理解に供する。なお、下部構造物の上面に摺動部材を設置すると共に、上部構造物の底面に突起部を形成する場合も基本的に同様であるため、以下では、上部構造物の底面に摺動部材を設置すると共に、下部構造物の上面に突起部を形成する場合についてのみ説明する。

本発明の一実施の形態に係る摩擦ダンパー１０を図１及び図２に示す。免震装置の一例である積層ゴム１１が上部構造物１２と下部構造物１３の間に介装され、平面視して積層ゴム１１と積層ゴム１１との間の空間に摩擦ダンパー１０が設置される（図２参照）。

摩擦ダンパー１０は、下部構造物１３の上面に形成された側断面が台形状の複数の突起部１６と、突起部１６上を摺動する摺動部材１５と、摺動部材１５に一端が連結され、上部構造物１２の底面に一端が固定された上下方向に伸縮可能な弾性部材１４とから概略構成されている。

各突起部１６は、平坦な頂部１６ａとその周囲に形成された傾斜部１６ｂとを有する円錐台状とされ、図２に示すように、平面視して格子状に配置されている。一方、摺動部材１５は、突起部１６間に形成された谷部１７に配置される。突起部１６の材質としてはコンクリートあるいは鉄などの金属を使用することができ、摺動部材１５の材質としては鉄などの金属を使用することができる。
また、弾性部材１４は、１方向に伸縮可能で伸縮に伴って摺動部材１５に付勢力を付与できるものであれば良く、例えばスプリングなどのバネを使用することができる。

なお、摺動部材１５及び突起部１６の表面を摩擦材で形成しても良い。摩擦材の材質については特に限定する必要はなく、従来より使用されている公知のものを使用することができる。

次に、本実施の形態に係る摩擦ダンパー１０の原理について図３を用いて説明する。なお、図３において、Ａ、Ｄは傾斜部１６ｂの最下点を、Ｂ、Ｃは頂部１６ａの両端をそれぞれ示している。
突起部１６の傾斜部１６ｂの傾斜角度をθ、弾性部材１４（摺動部材１５）が、傾斜部１６ｂの最下点であるＡから水平方向に変位ｘ移動したときの弾性部材１４の鉛直方向の弾性力をＦとし、傾斜面に対するＦの法線方向成分をＦｖ、Ｆの傾斜面方向成分をＦｕとする。また、弾性部材１４の鉛直方向のバネ定数をｋ、摺動部材１５と突起部１６との間の動摩擦係数をμ’とすると、以下の式が成立する。

Ｆ＝ｋ・ｔａｎθ・ｘ ……（１）
Ｆｖ＝Ｆｃｏｓθ ……（２）
Ｆｕ＝μ’Ｆｖ ……（３）

（１）及び（２）式を（３）式に代入すると、Ｆｕは以下のようになる。
Ｆｕ＝μ’Ｆｖ＝μ’ｋ・ｔａｎθｃｏｓθ・ｘ
＝μ’ｋ・ｓｉｎθ・ｘ ……（４）

一方、弾性部材１４（摺動部材１５）が傾斜面に沿って移動した変位をＬとすると、Ｌは次式で表すことができる。
Ｌ＝ｘ／ｃｏｓθ ……（５）

図４は、縦軸にＦｕ、横軸にＬを採ったグラフであり、折線で囲まれた領域の面積が摩擦ダンパー１０によって消費されたエネルギーに相当する。図４より明らかなように、弾性部材１４（摺動部材１５）が突起部１６の傾斜部１６ｂをＡからＢに向けて移動するにつれて摩擦力は増大し、頂部１６ａ（即ちＢ〜Ｃの範囲）において摩擦力は最大となる。さらに、弾性部材１４（摺動部材１５）が突起部１６の傾斜部１６ｂをＣからＤに向けて移動すると摩擦力は減少に転じる。

摩擦ダンパー１０を免震構造物に適用した場合、中小地震時には、免震層の層間変形が小さいので、摺動部材１５が傾斜部１６ｂの低い位置及び谷部１７間で往復運動することにより小さな摩擦力（減衰力）を発揮し、大地震時には、免震層の層間変形が大きいので、摺動部材１５が傾斜部１６ｂから頂部１６ａにかけて往復運動することにより大きな摩擦力（減衰力）を発揮する。
摩擦ダンパー１０の設計に当たっては、地震応答解析等により中小地震時及び大地震時における免震層の層間変形量を想定したうえで、摺動部材１５の摺動量に基づいて傾斜部１６ｂ及び頂部１６ａの幅（長さ）をそれぞれ決定することになる。

図５は、弾性部材１４及び摺動部材１５の一例を示したものである。
本例では、弾性部材１４が水平方向に変形しないような配慮がなされている。具体的には、上部構造物１２の底面に基端部が固定され、下方に延びる内筒２２と、内筒２２に外装される外筒２１と、外筒２１の外周部に一端が固定され、他端が上部構造物１２の底面に固定されたバネ２０とから弾性部材１４が概略構成され、外筒２１の底面に半球状の摺動部材１５が固着されている。また、内筒２２と外筒２１との間には、摩擦係数の小さな低摩擦材２３、例えばポリ４フッ化エチレンなどが介装され、外筒２１の周壁には空気孔２４が設けられている。
本例では、半球状の摺動部材１５が突起部１６上を摺動する際、外筒２１が上下方向にのみ移動し、弾性部材１４の水平方向変形を拘束している。

図６及び図７に、変形例に係る弾性部材１８を示す。
この例では、弾性部材１８は、上部構造物１２の底面に基端部が固定された内筒２６と、内筒２６の底面に装着されたガイド部２７と、ガイド部２７にガイドされて上下方向に移動可能とされた外筒２５と、外筒２５の外周部に一端が固定され、他端が上部構造物１２の底面に固定されたバネ２０とから概略構成されている。また、外筒２５の底面には、半球状の摺動部材１５が固着されている。

ガイド部２７は、内筒２６の底面に装着され水平面内で回動自在とされた回動板２８と、回動板２８上に並設され、外筒２５の内壁面に接する一対の滑車２９、３０と、一対の滑車２９、３０間にタスキ掛けされたベルト３１とを備えている。
本例では、ベルト３１の搬送方向と異なる方向から水平力Ｈが作用した場合（図７左図参照）、回動板２８が水平面内で回動し、平面視してベルト３１の搬送方向と水平力Ｈの作用方向が一致する（図７右図参照）。

以上、本発明の一実施の形態について説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、上記実施の形態では、突起部の形状を円錐台状かつ摺動部材の形状を半球状としたが、これに限定されるものではなく他の形状でも良いことは言うまでもない。また、上記実施の形態では、平面視して格子状に突起部を配置したが、平面視して千鳥状に突起部を配置するなど他の異なる配置パターンでも良い。

１０：摩擦ダンパー、１１：積層ゴム、１２：上部構造物、１３：下部構造物、１４：弾性部材、１５：摺動部材、１６：突起部、１６ａ：頂部、１６ｂ：傾斜部、１７：谷部、１８：弾性部材、２０：バネ、２１：外筒、２２：内筒、２３：低摩擦材、２４：空気孔、２５：外筒、２６：内筒、２７：ガイド部、２８：回動板、２９、３０：滑車、３１：ベルト

Claims

上部構造物と下部構造物との間に設けられた免震層に設置される摩擦ダンパーであって、
上下方向に伸縮可能な弾性部材を介して前記上部構造物の底面に設置された摺動部材と、前記下部構造物の上面に形成された側断面が台形状の突起部とを有し、
前記免震層の層間変形に伴って、前記摺動部材が前記突起部上を摺動することを特徴とする摩擦ダンパー。
上部構造物と下部構造物との間に設けられた免震層に設置される摩擦ダンパーであって、
上下方向に伸縮可能な弾性部材を介して前記下部構造物の上面に設置された摺動部材と、前記上部構造物の底面に形成された側断面が台形状の突起部とを有し、
前記免震層の層間変形に伴って、前記摺動部材が前記突起部上を摺動することを特徴とする摩擦ダンパー。
請求項１又は２記載の摩擦ダンパーにおいて、前記摺動部材及び前記突起部の少なくとも一方の表面が摩擦材で形成されていることを特徴とする摩擦ダンパー。