JP2017214748A - ダンパー構造及びダンパーの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】安定したエネルギー吸収性能を確保しながら低廉な製造コストで製造することのできるダンパー構造を提供する。【解決手段】本発明を適用したダンパー構造１は、引張荷重Ｐｔ又は圧縮荷重Ｐｃが作用する軸力部材２に設けられるものであり、軸力部材２の軸方向Ｚの一部に設けられるエネルギー吸収部３を備える。エネルギー吸収部３は、断面略円形状に形成された側板３１に、周方向Ｘの複数箇所で切り欠かれた複数の切欠部４と、複数の切欠部４の間で面外方向Ｙに突出させた折曲部５とが形成されて、引張荷重Ｐｔ又は圧縮荷重Ｐｃが軸力部材２に作用したときに、折曲部５で軸方向Ｚに伸縮変形するものとなる。【選択図】図７

Description

本発明は、引張荷重又は圧縮荷重が作用する軸力部材に設けられるダンパー構造、及び、引張荷重又は圧縮荷重が作用する軸力部材に設けられるダンパーの製造方法に関する。

従来から、対向する方向に相対変位を生ずる構造部材間で効果的にエネルギー吸収して、また、構造部材間の偏心に伴う機能低下を解決等するものとして、例えば、特許文献１〜３に開示される鋼材ダンパー等が提案されている。

特許文献１に開示された鋼材ダンパーは、互いに切り離されて対向する方向に相対変位を生ずる構造部材間に跨設されて、構造部材間の相対変位時に軸方向力を受けて曲げ降伏するものである。特許文献１に開示された鋼材ダンパーは、各構造部材に接続されて同一軸線上で距離をおいて対向する軸部と、両軸部間にその軸線を迂回して跨ってその両端が各軸部に接合されて曲げモーメントを負担する曲げ材とからなる。

特許文献２に開示された三重管制震ブレースは、軸力管の内側及び外側の各々に、該軸力管の座屈を阻止する補剛管が同心状に配設されてなる。特許文献２に開示された三重管制震ブレースは、該軸力管の三重管構造部に軸方向に延びる複数の長孔又は凹状窪み溝を形成して、軸力管の断面を意図的に小さくする形状としたことを特徴とする。

特許文献３に開示されたフードストッパ構造は、自動車のボンネットフード等のフードを閉じた位置でフードが当接するようにストッパ部材を配設したものである。特許文献３に開示されたフードストッパ構造は、ストッパ部材となるケース部材の周壁部にスリットが設けられて、所定値以上の荷重が負荷された時に上下方向に塑性変形するケース部材内にエネルギー吸収部材を備えていることを特徴とする。

特開平５−２６３５４９号公報 特開２００６−２９９５７６号公報 特開２００３−２８５７１７号公報

ここで、特許文献１に開示された鋼材ダンパーは、特に、軸力部材となる構造部材間に跨設されて、各々の構造部材の互いに対向する端面に、鋼材ダンパーの両軸部を接続することで設けられる。このとき、特許文献１に開示された鋼材ダンパーは、構造部材に接続するための軸部と曲げモーメントを負担する曲げ材とが別部材で構成されるため、各々の部材の製作コストや、軸部と曲げ材とを接合するための加工コストが増大する。

また、特許文献１に開示された鋼材ダンパーは、両軸部間の軸線を迂回させてコ字型の曲げ材が形成されて、コ字型の曲げ材の曲げ部のみがせん断変形することで曲げ降伏するため、曲げ材の曲げ部と連結部との連続箇所がヒンジ状に変形しないものとなる。さらに、特許文献１に開示された鋼材ダンパーは、コ字型の曲げ材が軸直交方向にも変形し易く、曲げ材に厚い鋼板を用いて軸直交方向の変形を抑制することが必要であるため、曲げ材の製作に必要となる鋼材量が多くなることで、曲げ材の材料コストが増大する。

また、特許文献２に開示された三重管制震ブレースは、軸力管の内側及び外側の各々に、該軸力管の座屈を阻止する補剛管が同心状に配設されるため、鋼材量が多くなることで材料コストが増大するとともに、軸力管を三重管構造とするための加工コストが増大する。さらに、特許文献２に開示された三重管制震ブレースは、軸力管の軸降伏を誘発させてエネルギー吸収させるものとして、軸力管の断面を意図的に小さくするものである。

そして、特許文献３に開示されたフードストッパ構造は、自動車のボンネットフードでの衝突荷重に対するエネルギー吸収を目的とするものであって、建築物等の軸力部材での地震力により生じる繰返し荷重に対するエネルギー吸収を目的とするものではない。また、特許文献３に開示されたフードストッパ構造は、ケース部材内のエネルギー吸収部材を塑性変形させてエネルギー吸収させるものであって、交互に作用する引張荷重及び圧縮荷重に対して繰返しエネルギー吸収させるものではない。

そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであって、その目的とするところは、安定したエネルギー吸収性能を確保しながら低廉な製造コストで製造することのできるダンパー構造及びダンパーの製造方法を提供することにある。

第１発明に係るダンパー構造は、引張荷重又は圧縮荷重が作用する軸力部材に設けられるダンパー構造であって、軸力部材の軸方向の一部に設けられるエネルギー吸収部を備え、前記エネルギー吸収部は、断面略円形状に形成された側板に、周方向の複数箇所で切り欠かれた複数の切欠部と、複数の前記切欠部の間で面外方向に突出させた折曲部とが形成されて、引張荷重又は圧縮荷重が軸力部材に作用したときに、前記折曲部で軸方向に伸縮変形するものとなることを特徴とする。

第２発明に係るダンパー構造は、第１発明において、前記エネルギー吸収部は、前記折曲部の軸方向の少なくとも両端部まで連続する芯材が、前記側板に取り囲まれた内空部に挿通されて、又は、前記側板の外側の外面部に設置されることを特徴とする。

第３発明に係るダンパー構造は、第１発明又は第２発明において、前記エネルギー吸収部は、前記折曲部の面外方向に折り曲げられた折り目を略ヒンジ状に塑性変形させることで、前記折曲部で軸方向に伸縮変形するものとなることを特徴とする。

第４発明に係るダンパー構造は、第１発明〜第３発明の何れかにおいて、前記切欠部は、軸方向の両端部が湾曲させて切り欠かれて、軸方向の中間部よりも両端部を軸方向の両側に突出させることを特徴とする。

第５発明に係るダンパー構造は、第１発明〜第４発明の何れかにおいて、前記折曲部は、軸方向の両端部となる２箇所、及び、軸方向の中間部となる１箇所で、面外方向に折り曲げられた折り目が３箇所に形成されることを特徴とする。

第６発明に係るダンパー構造は、第１発明〜第５発明の何れかにおいて、前記折曲部は、軸方向の中間部での周方向の幅寸法よりも、軸方向の両端部での周方向の幅寸法が大きくなることを特徴とする。

第７発明に係るダンパーの製造方法は、引張荷重又は圧縮荷重が作用する軸力部材に設けられるダンパーの製造方法であって、軸力部材の軸方向の一部に設けられるエネルギー吸収部に切欠部を形成する切欠工程と、前記エネルギー吸収部に折曲部を形成する圧縮工程とを備え、前記切欠工程では、前記エネルギー吸収部の断面略円形状に形成された側板を、周方向の複数箇所で切り欠くことで、複数の前記切欠部を前記側板に形成して、前記圧縮工程では、前記エネルギー吸収部の前記側板を軸方向に圧縮することで、複数の前記切欠部の間の前記側板に、面外方向に突出させた前記折曲部を形成することを特徴とする。

第８発明に係るダンパーの製造方法は、第７発明において、前記切欠工程では、前記切欠部の軸方向の両端部が、所定の曲率半径で略円弧状に湾曲させて切り欠かれて、前記切欠部の軸方向の中間部での周方向の幅寸法が、前記切欠部の軸方向の両端部での曲率半径の２倍以上の大きさとなることを特徴とする。

第１発明〜第８発明によれば、軸力部材に引張荷重及び圧縮荷重が交互に作用したときに、軸力部材の軸方向でエネルギー吸収部が伸縮変形することで、地震又は風等の繰返し外力に対して、安定したエネルギー吸収性能を確保することが可能となる。

第１発明〜第８発明によれば、エネルギー吸収部の側板によって十分な引張耐力又は圧縮耐力が確保されて、また、折曲部の長さ寸法、突出高さ、鋼材の種類又は板厚等を適宜設定することができるため、設計自由度の高いエネルギー吸収部を提供することが可能となる。

特に、第２発明によれば、折曲部の両端部まで軸方向に連続させて、エネルギー吸収部の内空部に芯材が挿通されて、又は、外面部に芯材が設置されることで、折曲部の両端部まで芯材を連続させた状態のままでエネルギー吸収部を伸縮変形させて、折曲部の両端部が軸直交方向に相対変位することが抑制されるため、ダンパー構造の全体座屈を抑制することが可能となる。

特に、第３発明によれば、引張荷重又は圧縮荷重が作用したときに、折曲部の面外方向に折り曲げられた折り目を略ヒンジ状に塑性変形させることで、安定したエネルギー吸収性能を発揮するため、エネルギー吸収部として厚い鋼板等を用いることなく、十分な引張耐力又は圧縮耐力を確保して、エネルギー吸収部の材料コスト及び加工コストを抑制することが可能となる。

特に、第４発明によれば、折曲部の両端部の折り目を略ヒンジ状に変形等させるときに、切欠部の両端部に応力集中が生じるものの、切欠部の両端部を略円弧状等に湾曲させることで、切欠部の両端部での応力集中が分散されるため、切欠部の両端部の側板に亀裂が発生することを防止することが可能となる。

特に、第５発明によれば、折曲部の折り目が３箇所に形成されることで、略三角形状に形成された折曲部の剛性が高められるため、エネルギー吸収性能の安定性を向上させることが可能となる。

特に、第６発明によれば、折曲部の中間部での幅寸法よりも両端部での幅寸法が大きくなることで、折曲部の中間部の略中央等で確実に折り目が形成されるため、精度の高いエネルギー吸収部を提供することが可能となる。

特に、第７発明によれば、温度依存性の高い粘弾性ダンパー等を用いることなく、円形鋼管等から切欠工程及び圧縮工程を経て容易に折曲部を形成することができるため、低廉な製造コストでダンパー構造を製造することが可能となる。

特に、第８発明によれば、切欠部の中間部での幅寸法が、切欠部の両端部での曲率半径の２倍以上の大きさとなることで、折曲部の中間部よりも両端部となる位置で側板の断面欠損が小さくなるため、圧縮工程でエネルギー吸収部の側板を圧縮するときに、側板に想定外の座屈が発生することを防止して、折曲部の両端部及び中間部の所定の位置に折り目を形成することが可能となる。

本発明を適用したダンパー構造が導入される耐力壁を示す斜視図である。 （ａ）は、本発明を適用したダンパー構造が導入される耐力壁に水平力が作用する前の状態を示す正面図であり、（ｂ）は、水平力が作用した後の状態を示す正面図である。 （ａ）は、本発明を適用したダンパー構造が導入される耐力壁で軸力部材に引張荷重が作用した状態を示す正面図であり、（ｂ）は、圧縮荷重が作用した状態を示す正面図である。 （ａ）は、本発明を適用したダンパー構造で縦枠又は横枠に直接取り付けられる軸力部材を示す正面図であり、（ｂ）は、接合金物で取り付けられる軸力部材を示す正面図である。 （ａ）は、本発明を適用したダンパー構造のエネルギー吸収部を示す平面図であり、（ｂ）は、その正面図である。 （ａ）は、本発明を適用したダンパー構造でエネルギー吸収部の切欠部を示す正面図であり、（ｂ）は、その折曲部を示す正面図である。 （ａ）は、本発明を適用したダンパー構造で略三角形状の折曲部を示す正面図であり、（ｂ）は、その伸長した状態を示す正面図であり、（ｃ）は、その縮長した状態を示す正面図である。 （ａ）は、本発明を適用したダンパー構造で略円弧状の折曲部を示す正面図であり、（ｂ）は、その伸長した状態を示す正面図であり、（ｃ）は、その縮長した状態を示す正面図である。 （ａ）は、本発明を適用したダンパー構造で略矩形状の折曲部を示す正面図であり、（ｂ）は、その伸長した状態を示す正面図であり、（ｃ）は、その縮長した状態を示す正面図である。 （ａ）は、本発明を適用したダンパー構造でエネルギー吸収部の内空部に挿通された芯材を示す平面図であり、（ｂ）は、その正面図である。 （ａ）は、本発明を適用したダンパー構造でエネルギー吸収部の外面部に設置された芯材を示す平面図であり、（ｂ）は、その正面図である。 （ａ）は、従来の鋼材ダンパーでコ字型の曲げ材を示す正面図であり、（ｂ）は、曲げ材の曲げ部のみがせん断変形する状態を示す正面図である。 （ａ）は、本発明を適用したダンパー構造で軸力部材となる円形鋼管に溶接接合されるエネルギー吸収部を示す正面図であり、（ｂ）は、その円形鋼管にボルト接合されるエネルギー吸収部を示す正面図である。 （ａ）は、本発明を適用したダンパー構造で軸力部材となるＨ形鋼等に溶接接合されるエネルギー吸収部を示す正面図であり、（ｂ）は、そのＨ形鋼等にボルト接合されるエネルギー吸収部を示す正面図である。 本発明を適用したダンパーの製造方法を示す正面図である。 本発明を適用したダンパーの製造方法の切欠工程で側板が略直線状に切り欠かれた切欠部を示す正面図である。 本発明を適用したダンパーの製造方法の切欠工程で側板が略円形状に切り欠かれた切欠部を示す正面図である。 本発明を適用したダンパー構造のＦＥＭ解析結果で引張荷重載荷時及び圧縮荷重載荷時の折曲部の伸縮変形量を示すグラフである。 （ａ）は、本発明を適用したダンパー構造で芯材が挿通されたエネルギー吸収部を示す正面図であり、（ｂ）は、その折曲部の伸長した状態を示す正面図であり、（ｃ）は、その折曲部の縮長した状態を示す正面図である。

以下、本発明を適用したダンパー構造１及びダンパーの製造方法を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

本発明を適用したダンパー構造１は、図１に示すように、例えば、住宅、学校、事務所、病院施設等の建築物の軸力部材２に設けられる。また、本発明を適用したダンパー構造１は、プラント構造物、鉄塔等の建造物の軸力部材２に設けられてもよい。

本発明を適用したダンパー構造１は、特に、引張荷重Ｐｔ又は圧縮荷重Ｐｃが作用する軸力部材２に設けられる。本発明を適用したダンパー構造１は、柱材、梁材又はブレース材２０等の軸力部材２に設けられて、建築物の耐力壁７等として用いられる。

耐力壁７は、例えば、スチールハウス、鉄骨プレハブ又は木造住宅等の建築物の壁体として設けられる。耐力壁７は、一対の縦枠７１と一対の横枠７２とで四方が取り囲まれて、所定の枠内空間７０が形成される。耐力壁７は、例えば、図２に示すように、高さ寸法Ｈを２３００ｍｍ程度、幅寸法Ｗを９１０ｍｍ程度とする。

耐力壁７は、図２（ａ）に示すように、ブレース材２０となる軸力部材２が、枠内空間７０の上部７０ａ及び下部７０ｂの各々に傾斜して設けられる。このとき、枠内空間７０の上部７０ａでは、一方の縦枠７１の上側から他方の縦枠７１までブレース材２０が傾斜して設けられて、また、枠内空間７０の下部７０ｂでは、他方の縦枠７１から一方の縦枠７１の下側までブレース材２０が傾斜して設けられる。

耐力壁７は、図２（ｂ）に示すように、地震又は風等によって水平力Ｆが作用することで、各々の縦枠７１が横方向に傾倒するように変位する。このとき、耐力壁７は、例えば、枠内空間７０の上部７０ａでは、ブレース材２０に引張荷重Ｐｔが作用するとともに、枠内空間７０の下部７０ｂでは、ブレース材２０に圧縮荷重Ｐｃが作用する。

耐力壁７は、図３に示すように、ブレース材２０となる軸力部材２が、枠内空間７０の上部７０ａから下部７０ｂまで跨って設けられてもよい。このとき、枠内空間７０の上部７０ａでは、一方の縦枠７１の上側にブレース材２０の一方の端部２０ａが傾斜して取り付けられて、また、枠内空間７０の下部７０ｂでは、他方の縦枠７１の下側にブレース材２０の他方の端部２０ａが傾斜して取り付けられる。

耐力壁７は、地震又は風等によって水平力Ｆが作用することで、図３（ａ）に示すように、例えば、各々の縦枠７１が右方向に傾倒するように変位して、ブレース材２０に引張荷重Ｐｔが作用する。そして、耐力壁７は、図３（ｂ）に示すように、各々の縦枠７１が左方向に傾倒するように変位したときには、ブレース材２０に圧縮荷重Ｐｃが作用する。

ここで、耐力壁７は、例えば、図２（ｂ）に示す水平力Ｆを３０ｋＮとするとともに、層間変形角を１／５０とした場合に、各々のブレース材２０の耐力を４３ｋＮ以上、各々のブレース材２０の変形性能を１７ｍｍ以上確保する必要がある。このため、耐力壁７は、各々のブレース材２０で所定の耐力及び変形性能を確保するためにエネルギー吸収部３が設けられる。

耐力壁７は、図４に示すように、ブレース材２０の端部２０ａが縦枠７１又は横枠７２に取り付けられる。このとき、耐力壁７は、図４（ａ）に示すように、ブレース材２０の端部２０ａが直接溶接等で取り付けられてもよい。また、耐力壁７は、図４（ｂ）に示すように、ブレース材２０の端部２０ａに溶接等で取り付けられた接合金物６が、縦枠７１及び横枠７２にボルト接合等で取り付けられてもよい。

本発明を適用したダンパー構造１は、図５に示すように、軸力部材２の軸方向Ｚの一部に設けられるエネルギー吸収部３を備える。軸力部材２は、断面略円形状の閉断面形状に形成された円形鋼管等が用いられて、例えば、円形鋼管等の板厚ｔを１．０ｍｍ〜６．０ｍｍ程度、周方向Ｘの外径Ｄを２０ｍｍ〜２００ｍｍ程度とする。

エネルギー吸収部３は、図５（ａ）に示すように、断面略円形状に形成された側板３１を有する。このとき、エネルギー吸収部３は、軸力部材２の軸方向Ｚに対する側板３１の断面形状が、略真円形状又は略楕円形状等に形成されて、側板３１に取り囲まれた内側に略中空状の内空部３０が形成される。また、エネルギー吸収部３は、内空部３０とは反対側となる側板３１の外側が外面部３２となる。

エネルギー吸収部３は、図５（ｂ）に示すように、周方向Ｘに連続して側板３１が形成されて、軸方向Ｚと略直交する方向が、側板３１の面外方向Ｙとなる。エネルギー吸収部３は、周方向Ｘの複数箇所で切り欠かれた複数の切欠部４と、複数の切欠部４の間で面外方向Ｙに突出させた複数の折曲部５とが、側板３１に形成される。

切欠部４は、図６（ａ）に示すように、側板３１が板厚方向に切り欠かれた状態となることで、所定の切欠形状で形成される。切欠部４は、軸方向Ｚの両端部４ａが略円弧状等に湾曲させて切り欠かれて、軸方向Ｚの中間部４ｂよりも両端部４ａを軸方向Ｚの両側に突出させる。

折曲部５は、図６（ｂ）に示すように、側板３１が面外方向Ｙに折り曲げられた状態となることで、軸方向Ｚに延びた折曲形状で形成される。折曲部５は、軸方向Ｚの両端部５ａで面外方向Ｙの外側に向けて折り曲げられた折り目５１が形成されるとともに、軸方向Ｚの中間部５ｂで面外方向Ｙの内側に向けて折り曲げられた折り目５１が形成される。

折曲部５は、軸方向Ｚの両端部５ａ及び中間部５ｂに形成された折り目５１で、周方向Ｘに所定の幅寸法となる。このとき、折曲部５は、軸方向Ｚの中間部５ｂでの周方向Ｘの幅寸法ｗｂよりも、軸方向Ｚの両端部５ａでの周方向Ｘの幅寸法ｗａが大きくなる。また、折曲部５は、必要に応じて、軸方向Ｚの中間部５ｂでの幅寸法ｗｂと軸方向Ｚの両端部５ａでの幅寸法ｗａとが、互いに略同一の大きさとなってもよい。

折曲部５は、図７に示すように、例えば、軸方向Ｚの長さ寸法ｂを１０ｍｍ〜５０ｍｍ程度、面外方向Ｙの突出高さｈを１０ｍｍ〜５０ｍｍ程度、板厚ｔを１．０ｍｍ〜６．０ｍｍ程度として、折り目５１で湾曲又は屈曲等させた状態で折り曲げられる。折曲部５は、折り目５１で湾曲させて折り曲げられる場合には、例えば、折り目５１の内周側の曲率半径ｒ１を、折曲部５の板厚ｔと同一以上の大きさとするとともに、折り目５１の外周側の曲率半径ｒ２を、折曲部５の板厚ｔの２倍以上の大きさとする。

折曲部５は、面外方向Ｙに折り曲げられて形成された折り目５１が、軸方向Ｚの両端部５ａ及び中間部５ｂで２箇所以上の複数箇所に配置される。折曲部５は、例えば、軸方向Ｚの両端部５ａとなる２箇所、及び、軸方向Ｚの中間部５ｂとなる１箇所で、面外方向Ｙに折り曲げられた折り目５１が３箇所に形成されることで、略三角形状に形成される。

折曲部５は、略三角形状に形成される場合に、軸方向Ｚの両端部５ａの折り目５１から中間部５ｂの折り目５１まで、側板３１が略直線状に傾斜して延びることで、軸直交方向に対して１５°以上、４３°以下程度の傾斜角度θで傾斜した側板３１が形成される。

折曲部５は、必要に応じて、図８に示すように、軸方向Ｚの両端部５ａとなる２箇所にのみ折り目５１が形成されてもよい。このとき、折曲部５は、軸方向Ｚの中間部５ｂには折り目５１が形成されないものとして、軸方向Ｚの両端部５ａとなる折り目５１と折り目５１との間で、略円弧状又は略楕円弧状等に湾曲した側板３１が形成される。

折曲部５は、図９に示すように、軸方向Ｚの両端部５ａとなる２箇所、及び、軸方向Ｚの中間部５ｂとなる２箇所で、折り目５１が４箇所に形成されることで、略矩形状に形成されてもよい。折曲部５は、折り目５１が４箇所に形成されて、略台形状又は略逆台形状に形成されてもよく、この場合も、略三角形状に形成される場合と同様に、軸直交方向に対して１５°以上、４３°以下の傾斜角度θで傾斜した側板３１が形成されてもよい。

エネルギー吸収部３は、図５に示すように、側板３１に取り囲まれて形成された内空部３０が略中空状の状態で用いられてもよいが、必要に応じて、図１０に示すように、側板３１に取り囲まれた内空部３０に、円形鋼管等の芯材６０が挿通されてもよい。このとき、エネルギー吸収部３は、折曲部５の軸方向Ｚの少なくとも両端部５ａまで連続させて、所定の剛性を有する芯材６０が内空部３０に設けられるものとなる。

また、エネルギー吸収部３は、図１１に示すように、折曲部５の両端部５ａで面外方向Ｙの内側に向けて折り曲げられた折り目５１が形成されてもよい。このとき、エネルギー吸収部３は、折曲部５の軸方向Ｚの少なくとも両端部５ａまで連続させて、円形鋼管等の芯材６０が、側板３１の外側の外面部３２に設置されるものとなる。

エネルギー吸収部３は、図７〜図９に示すように、特に、軸方向Ｚの引張荷重Ｐｔ又は圧縮荷重Ｐｃが軸力部材２に作用したときに、折曲部５で軸方向Ｚに伸縮変形するものとなる。なお、エネルギー吸収部３は、折曲部５で伸縮変形する前の状態から、図９（ｂ）、図９（ｃ）に示すように、略台形状又は略逆台形状に折曲部５が形成されてもよい。

エネルギー吸収部３は、図７（ｂ）、図８（ｂ）、図９（ｂ）に示すように、引張荷重Ｐｔが軸力部材２に作用したときに、折曲部５の軸方向Ｚの両端部５ａが軸方向Ｚで互いに離間する方向に変位する。このとき、折曲部５は、軸直交方向に対する折り目５１での傾斜角度θｔが大きくなって、軸方向Ｚに伸長する変形をするものとなる。

エネルギー吸収部３は、図７（ｃ）、図８（ｃ）、図９（ｃ）に示すように、圧縮荷重Ｐｃが軸力部材２に作用したときに、折曲部５の軸方向Ｚの両端部５ａが軸方向Ｚで互いに接近する方向に変位する。このとき、折曲部５は、軸直交方向に対する折り目５１での傾斜角度θｃが小さくなって、軸方向Ｚに縮長する変形をするものとなる。

エネルギー吸収部３は、引張荷重Ｐｔ又は圧縮荷重Ｐｃが軸力部材２に作用したときに、折曲部５の面外方向Ｙに折り曲げられた折り目５１を略ヒンジ状に塑性変形させることで、折曲部５で軸方向Ｚに伸縮変形する。このとき、エネルギー吸収部３は、側板３１がせん断変形又は曲げ変形するか否かにかかわらず、折曲部５の両端部５ａ及び中間部５ｂの折り目５１での略ヒンジ状の塑性変形により安定したエネルギー吸収性能を発揮する。

これに対して、従来の鋼材ダンパー９は、図１２に示すように、コ字型の曲げ材９１の上部及び下部の曲げ部９１ａのみをせん断変形させて、曲げ部９１ａのせん断変形のみによりエネルギー吸収性能を発揮する。このとき、従来の鋼材ダンパー９は、曲げ部９１ａのみがせん断変形して曲げ降伏することから、曲げ部９１ａと連結部９１ｂとの連続箇所９１ｃがヒンジ状に変形しないものとなる。

エネルギー吸収部３は、図５に示すように、円形鋼管等の軸力部材２自体の軸方向Ｚの一部をエネルギー吸収部３の側板３１として、軸力部材２自体に切欠部４及び折曲部５が形成されることで、軸力部材２と一体として軸力部材２の軸方向Ｚの一部に設けられる。

エネルギー吸収部３は、これに限らず、図１３、図１４に示すように、軸力部材２とは独立して製作された側板３１が、軸力部材２の端部２ａに取り付けられて、軸力部材２とは独立した部材として軸力部材２の軸方向Ｚの一部に設けられてもよい。

このとき、エネルギー吸収部３は、軸力部材２を軸方向Ｚに分断させるとともに、軸力部材２を分断させた一対の端部２ａに架設される。エネルギー吸収部３は、図１３（ａ）に示すように、軸力部材２となる円形鋼管の端部２ａに溶接接合されてもよく、また、図１３（ｂ）に示すように、円形鋼管の端部２ａにボルト接合されるほか、ねじ接合、くぎ接合又はピン接合等で取り付けられてもよい。

エネルギー吸収部３は、図１４に示すように、断面略Ｈ形状に形成されたＨ形鋼、又は、断面略Ｃ形状に形成された溝形鋼等の軸力部材２の一部に設けられてもよい。このとき、エネルギー吸収部３は、図１４（ａ）に示すように、軸力部材２となるＨ形鋼等の端部２ａが内空部３０に内挿されて溶接接合等されてもよく、また、図１４（ｂ）に示すように、略平坦に潰した側板３１をＨ形鋼等の端部２ａにボルト接合されるほか、ねじ接合、くぎ接合又はピン接合等で取り付けられてもよい。

本発明を適用したダンパー構造１は、図１５に示すように、本発明を適用したダンパーの製造方法が用いられて製造される。本発明を適用したダンパーの製造方法は、軸力部材２の軸方向Ｚの一部に設けられるエネルギー吸収部３に、切欠部４を形成する切欠工程と、折曲部５を形成する圧縮工程とを備える。

切欠工程では、図１５（ａ）に示すように、エネルギー吸収部３の断面略円形状に形成された側板３１を、周方向Ｘの複数箇所で切り欠くことで、複数の切欠部４を側板３１に形成する。このとき、切欠工程では、側板３１が板厚方向に切り欠かれた状態となることで、切欠部４の軸方向Ｚの両端部４ａが略円弧状等に湾曲させて切り欠かれる。

切欠工程では、図１６、図１７に示すように、特に、切欠部４の軸方向Ｚの両端部４ａが、所定の曲率半径ｒで略円弧状に湾曲させて切り欠かれる。そして、切欠部４の軸方向Ｚの中間部４ｂでの周方向Ｘの幅寸法ｄｂは、切欠部４の軸方向Ｚの両端部４ａでの曲率半径ｒの２倍以上の大きさとなることが望ましい。

切欠工程では、図１６に示すように、切欠部４の軸方向Ｚの両端部４ａから略中央まで、側板３１を略直線状に切り欠くことで、軸方向Ｚの中間部４ｂが略直線状となる切欠部４が形成される。このとき、切欠部４は、図１６（ａ）に示すように、軸方向Ｚの中間部４ｂでの幅寸法ｄｂが、軸方向Ｚの両端部４ａでの幅寸法ｄａと略同一となる。

切欠工程では、図１６（ｂ）に示すように、切欠部４の軸方向Ｚの中間部４ｂで略中央のみを湾曲等させて切り欠いて、又は、図１６（ｃ）に示すように、切欠部４の軸方向Ｚの両端部４ａから略中央まで傾斜して切り欠いてもよい。このとき、切欠部４は、軸方向Ｚの中間部４ｂでの幅寸法ｄｂが、両端部４ａでの幅寸法ｄａよりも大きくなる。

切欠工程では、軸方向Ｚの中間部４ｂが略直線状となる切欠部４が形成されるほか、図１７に示すように、側板３１を略円形状に切り欠いた切欠部４が形成されてもよい。このとき、切欠部４は、軸方向Ｚの中間部４ｂでの幅寸法ｄｂが、両端部４ａでの幅寸法ｄａよりも大きくなって、図１７（ａ）に示すように、略楕円形状の切欠部４が形成されて、又は、図１７（ｂ）に示すように、略真円形状の切欠部４が形成される。

圧縮工程では、図１５（ｂ）に示すように、エネルギー吸収部３の側板３１を軸方向Ｚに圧縮することで、エネルギー吸収部３の側板３１が次第に折り曲がりながら面外方向Ｙに突出する。そして、圧縮工程では、エネルギー吸収部３の側板３１を所定の圧縮量だけ圧縮させることで、図１５（ｃ）に示すように、複数の切欠部４の間の側板３１に、面外方向Ｙに突出させた折曲部５が形成されるものとなる。

圧縮工程では、図５に示すように、軸力部材２自体の一部をエネルギー吸収部３の側板３１とした場合には、軸力部材２自体を軸方向Ｚに圧縮することで、エネルギー吸収部３の側板３１が軸方向Ｚに圧縮される。また、軸力部材２とは独立してエネルギー吸収部３が製作される場合には、図１３、図１４に示すように、エネルギー吸収部３の側板３１を圧縮してから、軸力部材２の端部２ａにエネルギー吸収部３が取り付けられてもよい。

ここで、本発明を適用したダンパー構造１は、図７〜図９に示すように、地震又は風等の繰返し外力に起因して、軸力部材２に引張荷重Ｐｔ及び圧縮荷重Ｐｃが交互に作用したときに、エネルギー吸収部３が折曲部５で伸縮変形する。本発明を適用したダンパー構造１は、軸力部材２の軸方向Ｚでエネルギー吸収部３が伸縮変形することで、地震又は風等の繰返し外力に対して、安定したエネルギー吸収性能を確保することが可能となる。

本発明を適用したダンパー構造１のエネルギー吸収性能を検証するために、シェル要素モデルのＦＥＭ解析を実施した。ここでは、図７に示す折曲部５の長さ寸法ｂを３０ｍｍ、突出高さｈを２６ｍｍ、鋼材をＳＴＫ４００（ＪＩＳ Ｇ ３４４４）として、板厚ｔを４．５ｍｍ又は６ｍｍで均一とした。また、切欠部４は、側板３１の周方向Ｘの６箇所に形成されるものとしたうえ、図１６（ａ）に示す軸方向Ｚの両端部４ａでの幅寸法ｄａを６ｍｍ又は３０ｍｍとして、図５に示す軸力部材２の外径Ｄを１１４．３ｍｍとした。

図１８では、軸力部材２に引張荷重Ｐｔ又は圧縮荷重Ｐｃが作用する前の状態を基準とした折曲部５での軸方向Ｚの伸縮変形量のＦＥＭ解析の結果を図示している。ここでは、軸力部材２の軸方向Ｚに作用する引張荷重Ｐｔ（縦軸の正方向）及び圧縮荷重Ｐｃ（縦軸の負方向）と、折曲部５での軸方向Ｚの伸長変形量（横軸の正方向）及び縮長変形量（横軸の負方向）との関係を図示している。また、ここでは、一般住宅での軸力部材２の軸方向Ｚの目標耐力Ｐｐを４３ｋＮとして図示している。

本発明を適用したダンパー構造１は、図１８に示すように、軸力部材２に引張荷重Ｐｔ又は圧縮荷重Ｐｃの何れが作用した場合でも、軸力部材２で目標耐力Ｐｐ以上の引張耐力又は圧縮耐力を確保できることがわかる。そして、本発明を適用したダンパー構造１は、引張荷重Ｐｔ又は圧縮荷重Ｐｃが目標耐力Ｐｐを上回った以降、折曲部５での伸縮変形量の増大にかかわらず、顕著な耐力上昇や座屈による耐力低下等は見られず、引張載荷時及び圧縮載荷時で安定した挙動を示す。

したがって、本発明を適用したダンパー構造１は、軸力部材２に要求される所定の引張耐力、圧縮耐力及び変形性能を確保しながら、引張耐力又は圧縮耐力の必要以上の増大を抑制できることがわかる。また、本発明を適用したダンパー構造１は、横軸の正方向及び負方向で引張荷重Ｐｔ及び圧縮荷重Ｐｃの漸増傾向が類似するため、引張荷重Ｐｔ載荷時と圧縮荷重Ｐｃ載荷時とで伸縮変形の挙動差も小さいことがわかる。以上より、本発明を適用したダンパー構造１は、エネルギー吸収部３が軸方向Ｚに伸縮変形することで、安定したエネルギー吸収性能を発揮することがＦＥＭ解析の結果からも検証された。

また、本発明を適用したダンパー構造１は、切欠部４の両端部４ａでの幅寸法ｄａを６ｍｍ又は３０ｍｍの何れの大きさとした場合でも、軸力部材２で目標耐力Ｐｐ以上の引張耐力又は圧縮耐力を確保できることがわかる。このため、本発明を適用したダンパー構造１は、エネルギー吸収部３の側板３１が切り欠かれた切欠部４の周方向Ｘの大きさにかかわらず、十分な引張耐力又は圧縮耐力を確保することが可能となる。

また、本発明を適用したダンパー構造１は、折曲部５の長さ寸法ｂ、突出高さｈ、鋼材の種類、板厚ｔ又は周方向Ｘに形成される数量等を適宜設定することができるため、設計自由度の高いエネルギー吸収部３を提供することが可能となる。なお、本発明を適用したダンパー構造１は、軸力部材２の周方向Ｘで複数の折曲部５が略均等に配置されることで、折曲部５が伸縮変形するときの軸方向Ｚに対する偏心を抑制することが可能となる。

本発明を適用したダンパー構造１は、図１０、図１１に示すように、折曲部５の少なくとも両端部５ａまで軸方向Ｚに連続させて、エネルギー吸収部３の内空部３０に芯材６０が挿通されて、又は、外面部３２に芯材６０が設置されてもよい。このとき、本発明を適用したダンパー構造１は、図１９に示すように、折曲部５の両端部５ａまで芯材６０を連続させた状態を維持したまま、折曲部５の両端部５ａが軸方向Ｚにスライド移動して互いに離間又は接近する方向に変位する。これにより、本発明を適用したダンパー構造１は、芯材６０が内空部３０に挿通されて、又は、芯材６０が外面部３２に設置された状態でエネルギー吸収部３が伸縮変形して、折曲部５の両端部５ａが軸直交方向に相対変位することが抑制されるため、ダンパー構造１の全体座屈を抑制することが可能となる。

本発明を適用したダンパー構造１は、図７〜図９に示すように、折曲部５の折り目５１を湾曲させることで、折り目５１で略ヒンジ状に変形するときの塑性化領域が大きくなる。このとき、本発明を適用したダンパー構造１は、エネルギー吸収部３が圧縮されるときの歪みと伸縮変形するときの歪みとを併せた折り目５１での累積歪みが小さくなり、加工硬化による耐力上昇が抑制されるとともに、低サイクル疲労に対する抵抗特性が向上する。また、本発明を適用したダンパー構造１は、図７に示すように、折曲部５の折り目５１が３箇所に形成されることで、略三角形状に形成された折曲部５の剛性が高められるため、エネルギー吸収性能の安定性を向上させることが可能となる。

本発明を適用したダンパー構造１は、引張荷重Ｐｔ又は圧縮荷重Ｐｃが作用したときに、折曲部５の面外方向Ｙに折り曲げられた折り目５１を略ヒンジ状に塑性変形させることで、安定したエネルギー吸収性能を発揮する。このため、本発明を適用したダンパー構造１は、図１２に示す従来の鋼材ダンパー９のように、曲げ部９１ａのみがせん断変形してエネルギー吸収性能を発揮するものでないため、エネルギー吸収部３として厚い鋼板等を用いることが要求されない。これにより、本発明を適用したダンパー構造１は、厚い鋼板等を用いることなく、十分な引張耐力又は圧縮耐力を確保できるため、エネルギー吸収部３の材料コスト及び加工コストを抑制することが可能となる。

本発明を適用したダンパーの製造方法は、図１５〜図１７に示すように、温度依存性の高い粘弾性ダンパー等を用いることなく、切欠工程及び圧縮工程を経て製造された鋼管等が用いられる。このとき、本発明を適用したダンパーの製造方法は、円形鋼管等から切欠工程及び圧縮工程を経て容易に折曲部５を形成することができるため、低廉な製造コストでダンパー構造１を製造することが可能となる。

本発明を適用したダンパーの製造方法は、圧縮工程でエネルギー吸収部３の側板３１を圧縮して、エネルギー吸収部３の側板３１を次第に折り曲げるときに、切欠部４の両端部４ａに応力集中が生じる。また、本発明を適用したダンパー構造１は、折曲部５の両端部５ａの折り目５１を略ヒンジ状に変形させるときにも、切欠部４の両端部４ａに応力集中が生じる。このとき、本発明を適用したダンパー構造１は、特に、切欠部４の両端部４ａを略円弧状等に湾曲させることで、切欠部４の両端部４ａでの応力集中が分散されるため、切欠部４の両端部４ａの側板３１に亀裂や割れが発生することを防止することが可能となる。

また、本発明を適用したダンパーの製造方法は、切欠部４の中間部４ｂでの幅寸法ｄｂが、切欠部４の両端部４ａでの曲率半径ｒの２倍以上の大きさとなることで、折曲部５の中間部５ｂよりも両端部５ａとなる位置で、側板３１の断面欠損が小さくなる。このため、本発明を適用したダンパーの製造方法は、圧縮工程でエネルギー吸収部３の側板３１を圧縮するときに、側板３１に想定外の座屈が発生することを防止して、折曲部５の両端部５ａ及び中間部５ｂの所定の位置に折り目５１を形成することが可能となる。

本発明を適用したダンパーの製造方法は、特に、図１６（ｂ）、図１６（ｃ）、図１７に示すように、切欠部４の中間部４ｂでの幅寸法ｄｂを両端部４ａでの幅寸法ｄａよりも大きくすることができる。このとき、本発明を適用したダンパー構造１は、切欠工程から圧縮工程を経た状態で、図６（ｂ）に示すように、折曲部５の中間部５ｂでの幅寸法ｗｂよりも両端部５ａでの幅寸法ｗａが確実に大きくなる。本発明を適用したダンパー構造１は、折曲部５の中間部５ｂでの幅寸法ｗｂよりも両端部５ａでの幅寸法ｗａが大きくなることで、折曲部５の中間部５ｂの略中央等で確実に折り目５１が形成されるため、精度の高いエネルギー吸収部３を提供することが可能となる。

以上、本発明の実施形態の例について詳細に説明したが、上述した実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならない。

１ ：ダンパー構造
２ ：軸力部材
２ａ ：軸力部材の端部
２０ ：ブレース材
２０ａ ：ブレース材の端部
３ ：エネルギー吸収部
３０ ：内空部
３１ ：側板
３２ ：外面部
４ ：切欠部
４ａ ：切欠部の両端部
４ｂ ：切欠部の中間部
５ ：折曲部
５ａ ：折曲部の両端部
５ｂ ：折曲部の中間部
５１ ：折り目
６ ：接合金物
６０ ：芯材
７ ：耐力壁
７０ ：枠内空間
７０ａ ：上部
７０ｂ ：下部
７１ ：縦枠
７２ ：横枠
Ｐｃ ：圧縮荷重
Ｐｔ ：引張荷重
Ｘ ：周方向
Ｙ ：面外方向
Ｚ ：軸方向

Claims (8)

1. 引張荷重又は圧縮荷重が作用する軸力部材に設けられるダンパー構造であって、
   軸力部材の軸方向の一部に設けられるエネルギー吸収部を備え、
   前記エネルギー吸収部は、断面略円形状に形成された側板に、周方向の複数箇所で切り欠かれた複数の切欠部と、複数の前記切欠部の間で面外方向に突出させた折曲部とが形成されて、引張荷重又は圧縮荷重が軸力部材に作用したときに、前記折曲部で軸方向に伸縮変形するものとなること
   を特徴とするダンパー構造。
2. 前記エネルギー吸収部は、前記折曲部の軸方向の少なくとも両端部まで連続する芯材が、前記側板に取り囲まれた内空部に挿通されて、又は、前記側板の外側の外面部に設置されること
   を特徴とする請求項１記載のダンパー構造。
3. 前記エネルギー吸収部は、前記折曲部の面外方向に折り曲げられた折り目を略ヒンジ状に塑性変形させることで、前記折曲部で軸方向に伸縮変形するものとなること
   を特徴とする請求項１又は２記載のダンパー構造。
4. 前記切欠部は、軸方向の両端部が湾曲させて切り欠かれて、軸方向の中間部よりも両端部を軸方向の両側に突出させること
   を特徴とする請求項１〜３の何れか１項記載のダンパー構造。
5. 前記折曲部は、軸方向の両端部となる２箇所、及び、軸方向の中間部となる１箇所で、面外方向に折り曲げられた折り目が３箇所に形成されること
   を特徴とする請求項１〜４の何れか１項記載のダンパー構造。
6. 前記折曲部は、軸方向の中間部での周方向の幅寸法よりも、軸方向の両端部での周方向の幅寸法が大きくなること
   を特徴とする請求項１〜５の何れか１項記載のダンパー構造。
7. 引張荷重又は圧縮荷重が作用する軸力部材に設けられるダンパーの製造方法であって、
   軸力部材の軸方向の一部に設けられるエネルギー吸収部に切欠部を形成する切欠工程と、前記エネルギー吸収部に折曲部を形成する圧縮工程とを備え、
   前記切欠工程では、前記エネルギー吸収部の断面略円形状に形成された側板を、周方向の複数箇所で切り欠くことで、複数の前記切欠部を前記側板に形成して、
   前記圧縮工程では、前記エネルギー吸収部の前記側板を軸方向に圧縮することで、複数の前記切欠部の間の前記側板に、面外方向に突出させた前記折曲部を形成すること
   を特徴とするダンパーの製造方法。
8. 前記切欠工程では、前記切欠部の軸方向の両端部が、所定の曲率半径で略円弧状に湾曲させて切り欠かれて、前記切欠部の軸方向の中間部での周方向の幅寸法が、前記切欠部の軸方向の両端部での曲率半径の２倍以上の大きさとなること
   を特徴とする請求項７記載のダンパーの製造方法。

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