JP2017503099A - ピストンベースの自己センタリングブレース装置 - Google Patents

Abstract

支持基礎に与えられる振動エネルギを吸収するために当該支持基礎の２つの構成要素の間に取り付けるためのブレース装置。当該ブレース装置は、（ｉ）ピストンプレートと係合された一端部と、第１構造要素と取り外し可能に回動可能に係合するように構成された他端部と、を有する細長ピストン要素と、（ｉｉ）前記ピストン要素を内部に受容するためのスリーブ要素であって、前記ピストン要素を貫通を許容して受容するバックキャップと、第２構造要素と取り外し可能に回動可能に係合するように構成されたフロントキャップと、を有するスリーブ要素と、（ｉｉｉ）前記スリーブ要素内に収容された複数の等間隔に配置されたタイロッドと、を備え、各タイロッドの一端は、前記フロントキャップの外面に固定されており、他端は、前記バックキャップの外面に固定されており、前記タイロッドは、前記ピストンプレートに設けられた開口を貫いて摺動可能に挿入されている。

Description

本発明は、構造物の建造の際に使用されるブレース装置、特には、地震、強風、衝撃波などによって発生される振動エネルギを吸収するためのブレース装置に関している。

地震が発生するリスクがある地方において、様々なタイプの構造的ブレースシステムを複数階の建物の設計及び建造において導入することは、今やありふれたプラクティスである。そのようなブレースシステム（ブレーシングシステム）は、全体的に、地震の間に生じ得る地震起因の損傷を低減するべく、建物の基礎土台、及び、それらの上方に延びる構造支持基礎、に一体化されている。もっとも一般的に使われるアプローチは、（ｉ）基礎土台によって受容される地震エネルギが完全には支持基礎に伝達されないように、基礎土台をその上方に延びる支持基礎から分離するようなブレースシステム、（ｉｉ）基礎土台によって受容される地震エネルギにより生成される力で変形するように設計された延性ある（ductile）構造ブレースシステム、及び、（ｉｉｉ）引張変形及び圧縮変形によって地震の力に抵抗するように構成された延性ある自己センタリングブレースシステム、を含む。

ベース分離システムは、典型的には、支持基礎構造をその基礎土台から分離するための非常に低い剛性（stiffness）の構造要素を使用する。しかしながら、ベース分離システムは、深刻な地震からの損傷の後、修理することが難しく高価である。

延性あるビームコラム接続システムは、地震の負荷に対抗する構造を設計する際、現在において最も広く実践されている方法である。しかしながら、この構造システムの問題点は、この設計がビームの塑性（plastic）ヒンジ領域において非線形／塑性の変形を許容することである。地震の結果として恒久的な変形が生じると、建造物基礎及びその土台の損傷された支持成分は、修理することが難しく、しばしば、再建造されなければならないか、撤去ないし交換されなければならない。

様々なブレースシステムが、建築物の設計及び建造に導入するべく提案されている。ブレースシステムの幾つかの例は、（ｉ）米国特許第６８２６８７４号、米国特許第８４２４２５２号、及び、米国特許出願公開第２０１３／０２０５６９０号に開示されたような曲がり抑制ブレース（buckling restrained brace）、（ｉｉ）米国特許第８６８３７５８号に開示されたような動的な引張及び圧縮下で撓むブレース部材のための鋳造構造融合装置（cast structural fuse device）、（ｉｉｉ）米国特許出願公開第２０１２／０２６６５４８号に開示されたような自己センタリングエネルギ消散装置、（ｉｖ）自己センタリング地震分離装置における新規な記憶合金の使用（ドルチェら、２０００、「形状記憶合金に基づく受動的な制御装置の実装と検証」、Earthquake Eng. Struct. Dyn. 29(7), 945-968；ドルチェら、２００１、「土木建造物の地震時分離のためのＳＭＡ再センタリング装置」、Proc. SPIE 4330, 238-249）、及び、（ｖ）シューらによって開示された再利用可能なヒステリシス減衰ブレース（２００７、「再利用可能なヒステリシス減衰ブレースを用いた自己センタリングブレースフレーム建造物の地震時の挙動」、Earthquake Engineering & Structural Dynamics. 36: 1329-1346）、を含む。曲がり抑制ブレース及び撓み融合装置（flexing fuse device）は、非線形領域への変形によって、地震の力に抵抗する。それらは、太いヒステリシスループを描き、より高い量の減衰に貢献し、システムの速度及び加速度を低減し得る。しかしながら、曲がり抑制ブレース及び撓み融合装置の問題は、いずれのタイプも、地震エネルギの適用が終わった後、自己センタリングできないことである。前記した自己センタリング消散装置の問題は、それらの建造のために要求される方法が高価であることで、そのため、建築産業に広く採用されていない。

本発明は、エネルギ、すなわち、地震や強風や爆発ないし衝突等の結果である衝撃波などによって生じる振動エネルギ、を吸収して消散させる目的で、支持基礎内に構成された構成要素の連結部内への導入のためのピストンベースの自己センタリングブレース装置に関している。ピストンベースの自己センタリングブレース装置は、一端において、第１構成要素や支持基礎の節点に取り付け可能であり、他端において、第２構成要素や節点に取り付け可能である。あるいは、例示的なピストンベースの自己センタリングブレース装置は、第１構成要素や支持基礎の節点に固定され得て、当該ブレース装置の一端は、第２構成要素や節点に固定され得て、その他端は、第３構成要素や節点に固定され得る。所望の場合には、複数の例示的なピストンベースの自己センタリングブレースが、直列形態で接続され得るか、あるいは、並列形態で接続され得る。

本発明の一つの例示的な実施形態は、地震のエネルギや強風や爆発ないし多量の水の繰り返しの衝突からの衝撃波によって支持基礎に与えられる引張力と圧縮力を吸収するために支持基礎の２つの構成要素ないし節点の間に取り付けるためのピストンベースの自己センタリングブレースに関している。当該ブレース装置は、全体として、（ｉ）先端部と基端部とを有する細長ピストン要素と、（ｉｉ）前記ピストン要素を受容してそれと連絡するためのバックキャップを有するスリーブ要素と、（ｉｉｉ）前記スリーブ要素の内周内に収容された複数の等間隔に配置されたタイロッドと、を備える。前記ピストン要素の先端部は、前記スリーブ要素の内面と摺動可能に連絡するピストンプレートと係合されている。前記ピストン要素の基端部は、第１構造要素と取り外し可能に係合するためのヒンジ要素と協働するように構成されている。前記スリーブ要素のフロントキャップは、第２構造要素と取り外し可能に係合するためのヒンジ要素と協働するように構成されている。前記複数のタイロッドの各々は、前記フロントキャップに設けられた開口を貫いて延びて、それに固定された一端を有しており、当該タイロッドの他端は、前記バックキャップに設けられた開口を貫いて延びて、それに固定されている。各タイロッドは、前記ピストンプレートに設けられた開口を貫いて摺動可能に挿入されている。

他の例示的な実施形態は、（ｉ）先端部と基端部とを有する細長ピストン要素と、（ｉｉ）前記ピストン要素を受容してそれと連絡するためのバックキャップを有するスリーブ要素と、（ｉｉｉ）バックプレートとピストンプレートとの間で前記スリーブ要素の内周内に収容された第１の複数の等間隔に配置されたタイロッドと、（ｉｖ）ピストンプレートとフロントプレートとの間で前記スリーブ要素の内周内に収容された第２の複数の等間隔に配置されたタイロッドと、を備えたピストンベースの自己センタリングブレース装置に関している。前記ピストン要素の先端部は、前記スリーブ要素の内面と摺動可能に連絡するピストンプレートと係合されている。前記ピストン要素の基端部は、第１構造要素と取り外し可能に係合するためのヒンジ要素と協働するように構成されている。前記スリーブ要素のフロントキャップは、第２構造要素と取り外し可能に係合するためのヒンジ要素と協働するように構成されている。前記第１の複数のタイロッドの各々は、前記バックキャップに設けられた開口を貫いて延びて、それに固定された一端を有しており、当該タイロッドの他端は、ピストンプレートに設けられた開口を貫いて摺動可能に延びている。前記第２の複数のタイロッドの各々は、前記フロントキャップに設けられた開口を貫いて延びて、それに固定された一端を有しており、当該タイロッドの他端は、ピストンプレートに設けられた開口を貫いて摺動可能に延びている。

例示的なピストンベースの自己センタリングブレース装置は、振動エネルギ事象中のエネルギに抵抗及び／または吸収し、且つ、当該振動エネルギ事象が終了した後で当該構造を元の物理的な方向及び位置に復元する、という目的のために、基礎土台内や支持基礎内で使用され得る。例示的なピストンベースの自己センタリングブレース装置は、振動エネルギ事象中の発生中に引張力及び圧縮力を吸収及び／または抵抗し、且つ、当該振動エネルギ事象が終了した後で当該構成要素の物理的関係を元の物理的な方向及び位置に復元する、という目的のために、建築物の支持基礎や橋の支持基礎等の内部で隣接する構成要素の連結部及び結合部をブレースするためにも有用である。

本発明は、以下の図面を参照しながら説明される。

図１は、本発明による例示的なピストンベースの自己センタリングブレース装置の断面図である。 図２（Ａ）乃至図２（Ｅ）は、図１に示された例示的なピストンベースの自己センタリングブレース装置の組立のための例示的な工程を示す斜視図である。 図３は、図１及び図２に示された例示的なピストンベースの自己センタリングブレース装置の内部斜視図である。 ここで開示されるピストンベースの自己センタリングブレース装置の他の例示的な実施形態の断面図である。 図５は、図４に示されたピストンベースの自己センタリングブレース装置の内部斜視図である。 図６（Ａ）乃至図６（Ｃ）は、引張力及び圧縮力の繰り返しの適用に対する例示的なピストンベースの自己センタリングブレース装置の応答の準静的解析を示すグラフである。 図７は、ここで開示される一対の例示的なピストンベースの自己センタリングブレース装置を含む、建築物の支持基礎のための屋根型／Ｖ型／Ｘ型の形態の概略図である。 図８は、水平支持ビームに締結された例示的なピストンベースの自己センタリングブレース装置の概略図である。当該自己センタリングブレース装置の各端部が、ブレーシング部材の一端と係合されており、ブレーシング部材の反対側端が、水平ビームを支持する鉛直コラムと係合されている。 図９は、水平ビームと鉛直コラムとの結合部の概略図である。第１の例示的なピストンベースの自己センタリングブレース装置が、一端において、水平ビームの頂部に締結されており、他端において、前記コラムと係合されており、第２の例示的なピストンベースの自己センタリングブレース装置が、一端において、水平ビームの底部に締結されており、他端において、前記コラムと係合されている。 図１０は、当該ベース分離基礎支持構成が地震の後にその上部基礎をその元の位置に復元することを促す、複数のピストンベースの自己センタリングブレース装置を含む、上部基礎のためのベース分離基礎支持構成の概略図である。 図１１は、橋抑制支持基礎のための構成の概略図である。例示的なピストンベースの自己センタリングブレース装置が、橋桁の支持支柱との係合を再センタリングするために用いられる。 図１２は、橋抑制支持基礎のための構成の概略図である。例示的なピストンベースの自己センタリングブレース装置が、橋桁の桁支持台との係合を再センタリングするために用いられる。

本発明は、地震や、強風や、爆発ないし衝突等の結果である衝撃波など、によって生じる引張及び圧縮エネルギ、すなわち振動エネルギ、を吸収して消散させる目的で、支持基礎を有する当接及び／または接続構成部材と係合するためのピストンベースの自己センタリングブレース装置に関している。

ここで用いられる時、用語「支持基礎」は、建築物やタワーのような建造物のための、あるいは、橋や水道端やダムや堰や波止場やトンネルや電気タワー等のための、下部構造、及び／または、下層土台、及び／または、上部構造、及び／または、フレームワーク、を意味する。

ピストンベースの自己センタリングブレース装置は、一端において、第１構造部材または節点に取り付け可能であり、その他端において、第２構造部材または節点に取り付け可能である。あるいは、ピストンベースの自己センタリングブレース装置のスリーブ要素が、前記支持基礎の第１構成部材または節点に固定され得て、当該ブレース装置の一端が、第２構造部材または節点に取り付け可能であって、その他端が、第３構造部材または節点に取り付け可能である。所望の場合には、複数の例示的なピストンベースの自己センタリングブレースが、直列形態で接続され得るか、あるいは、並列形態で接続され得る。

ここで開示される複数のピストンベースの自己センタリングブレース装置が、支持基礎内の複数の隣接する構成要素ないし節点間の連結点において一体化される、ということが想定される。支持基礎に与えられる振動エネルギ事象の発生中、ピストンベースの自己センタリングブレース装置は、当該装置が取り付けられている２または３の構成要素間の相対運動を抑制して対抗するように機能して、振動エネルギを消散させながら、構成要素の残余の物理的変形を最小化する。振動エネルギ事象の終了後、ここで開示されるピストンベースの自己センタリングブレース装置の自己センタリング特性が、複数の隣接する構成要素をそれらの元の位置に復元する。

ここで開示される一つの例示的な実施形態のピストンベースの自己センタリングブレース装置５０が、図１乃至図３に図示されており、全体として、その先端部にフロントキャップ５４を有しその基端部にバックキャップ５６を有するスリーブ要素５２を備えている。ピストン要素６６が、バックキャップ５６を貫いて、スリーブ要素５２と摺動可能に連絡している。ピストンプレート５８が、スリーブ要素５２の内面との摺動可能な連絡のために、ピストン要素６６の先端部と一体的に係合されている。少なくとも２つの等間隔に配置されたタイロッド６１が、スリーブ要素５２内に収容されており、各タイロッドの対向する端部は、フロントキャップ５４とバックキャップ５６とを貫いて延びている。各タイロッド６１の各端部は、楔ロック６２によって固定的に係合されている。所望の場合、楔ロック６２は、結合器（カップラ）やナット（不図示）で置換され得る。ピストンプレート５８には、タイロッド６１の貫通を許容して受容するための等間隔に配置された開口（不図示）が設けられている。一対の楔ロック６２は、ピストンプレート５８に設けられた開口の両側で、タイロッド６１に固定されている。図１乃至図３における例示的なピストンベースの自己センタリングブレース装置５０は、４個のタイロッド５１を有して図示されているが、潜在的な引張力及び圧縮力を抑制するために計算される要件に基づいて、スリーブ要素５２が付加的に１以上の付加的なタイロッドを有して振動エネルギに対する付加的な抵抗と再センタリング能力とを提供し、地震事象中に支持基礎が遭遇し得るエネルギを消散させることも、本願の開示の範囲内の事項である。例えば、例示的なピストンベースの自己センタリングブレース装置の実施形態は、所望の場合、４個のタイロッド６１、５個のタイロッド６１、６個のタイロッド６１、７個のタイロッド６１、８個のタイロッド６１、９個のタイロッド６１、１０個のタイロッド６１、１２個のタイロッド６１、１４個のタイロッド６１、１６個のタイロッド６１、１８個のタイロッド６１、２０個のタイロッド６１、及び、それ以上のタイロッド６１、を含み得る。所望の場合、タイロッドをケーブルや複数のワイヤで置換することも選択可能である。所望の場合、ピストンプレート５８とフロントキャップ５４との間でのスリーブ５２の内側キャビティ、及び／または、バックキャップ５６とピストンプレート５８との間でのスリーブ５２の内側キャビティを、ゴムやポリマー製エラストマ等で実現される高ダンピング（減衰）充填材６４で完全に充填することも、部分的に、または、代替的に、選択可能である。フロントキャップ５４と係合されたヒンジ接続部６８が、支持基礎を建造するために用いられる第１構成部材に取り付け可能である。ピストン要素６６の基端部（不図示）と係合されたヒンジ接続部（不図示）が、第１構成部材との係合点と同様に、第２構成部材に取り付け可能である。

楔カップラ６２は、タイロッドが引張負荷を受けている時だけ、タイロッド５１に力を伝達可能であるべきである。タイロッド６１と、ピストンプレート５８、バックキャップ５６及びフロントキャップ５４との間の結合部は、何らの曲げモーメントの発生無しで、回転運動を許容するべきである。これは、ピストンプレート５８、バックキャップ５６及び／またはフロントキャップ５４で生じ得る任意の力関連の変形の際に、タイロッドの直線性が維持されることを保証する。ピストンプレート５８は、シリンダ状スリーブ５２の内側寸法よりも僅かに小さいサイズで作られるべきで、その場合、負荷中のピストンプレート５８の変形ないし回転がシリンダ状スリーブ５２の構造的一体性に影響しない。

ここで開示される別の例示的な実施形態のピストンベースの自己センタリングブレース装置７５が、図４乃至図５に図示されており、全体として、その先端部にフロントキャップ８２を有しその基端部にバックキャップ８４を有するスリーブ要素８０を備えている。ピストン要素９６が、バックキャップ８４を貫いて、スリーブ要素８２と摺動可能に連絡している。ピストンプレート８６が、スリーブ要素８０の内面との摺動可能な連絡のために、ピストン要素９６の先端部と一体的に係合されている。少なくとも２つの等間隔に配置されたタイロッド８８が、スリーブ要素８０内に収容されており、各タイロッド８８の一端は、バックプレート８４を貫いて延びており、その他端は、ピストンプレート８６を貫いて延びている。楔ロック９０が、バックプレート８４から延出するタイロッド８８の端部に固定的に係合されており、楔ロック９１が、ピストンプレート８６を貫いて延びるタイロッド８８の端部に固定的に係合されている。少なくとも２つの等間隔に配置されたタイロッド９２が、スリーブ要素８０内に収容されており、各タイロッド９２の一端は、フロントプレート８２を貫いて延びており、その他端は、ピストンプレート８６を貫いて延びている。楔ロック９０が、各タイロッド９２の各端部に固定的に係合されている。楔ロック９０が、フロントプレート８２から延出するタイロッド９２の端部に固定的に係合されており、楔ロック９１が、ピストンプレート８６を貫いて延びるタイロッド９２の端部に固定的に係合されている。所望の場合、楔ロック９０、９１は、結合器（カップラ）やナット（不図示）で置換され得る。タイロッド８８及びタイロッド９２の貫通を許容して受容するための開口（不図示）が、それを貫通するタイロッド８８または９２の摺動運動を許容するべく、ピストンプレートの周りに等間隔に配置されている。図２における例示的なピストンベースの自己センタリングブレース装置７５は、一対の等間隔に配置されたバックタイロッド８８と、一対の等間隔に配置されたフロントタイロッド９２と、を有して図示されているが、地震や別のタイプの振動事象の間に支持基礎が遭遇し得る潜在的な引張エネルギ及び圧縮エネルギを抑制するために計算される要件に基づいて、付加的に１以上の対の付加的なタイロッド８８、９２を追加して付加的なブレース安定性と回復性とを提供することも、本願の開示の範囲内の事項である。例えば、例示的なピストンベースの自己センタリングブレース装置の実施形態は、所望の場合、３個のタイロッド８８及び９２、４個のタイロッド８８及び９２、５個のタイロッド８８及び９２、６個のタイロッド８８及び９２、７個のタイロッド８８及び９２、８個のタイロッド８８及び９２、９個のタイロッド８８及び９２、１０個のタイロッド８８及び９２、１２個のタイロッド８８及び９２、１４個のタイロッド８８及び９２、１６個のタイロッド８８及び９２、１８個のタイロッド８８及び９２、２０個のタイロッド８８及び９２、及び、それ以上のタイロッド８８及び９２、を含み得る。幾つかの応用にとっては、タイロッド９２よりも多いタイロッド８８を有することが好適であり得る。他の応用では、タイロッド８８よりも多いタイロッド９２を有することが好適であり得る。所望の場合、タイロッドをケーブルや複数のワイヤで置換することも選択可能である。所望の場合、ピストンプレート８６とフロントキャップ８４との間でのスリーブ８０の内側キャビティ、及び／または、バックキャップ８４とピストンプレート８６との間でのスリーブ８０の内側キャビティを、ゴムやポリマー製エラストマ等で実現される高ダンピング（減衰）充填材９４で完全に充填することも、部分的に、または、代替的に、選択可能である。フロントキャップ８２と係合されたヒンジ接続部９８が、支持基礎を建造するために用いられる第１構成部材に取り付け可能である。ピストン要素９６の基端部（不図示）と係合されたヒンジ接続部（不図示）が、第１構成部材との係合点と同様に、第２構成部材に取り付け可能である。

フロントキャップ及びバックキャップから延出するタイロッド８８、９２の端部に固定された楔ロック９０は、引張負荷または圧縮負荷の間にタイロッド８８、９２がスリーブ８０に完全に入ってしまうことをロック（阻止）し、一方、ピストンプレート８６の開口を貫いて延びるタイロッド８８、９２の端部に固定された楔ロック９１は、ピストンプレート８６が前後に移動する間にタイロッド８８、９２が伸長することを許容する。楔ロック９１は、引張負荷時にのみ、タイロッド８８、９２に力を伝達する。タイロッド８８とバックキャップ８４との間、及び、タイロッド９２とフロントキャップ８２との間、の結合部は、何らの曲げモーメントの発生無しで、回転運動を許容するべきである。これは、エンドキャップ８４及び／またはフロントキャップ８２で生じる任意の種類の変形の際に、タイロッド８８、９２の直線性が維持されることを保証する。ピストンプレート８６は、スリーブ８６の内側寸法よりも僅かに小さいサイズで作られるべきで、その場合、負荷中のピストンプレート８６の変形ないし回転がスリーブ８０の構造的一体性に影響しない。

ピストンプレート５８、８６の周面とスリーブ５２、８０の内面との間の間隙を低減するために、ピストンプレート５８、８６の周面は、ＴＥＦＬＯＮ（デュポン（E.I. du Pont de Nemours and Co. Corp., Wilmington, DE, USA）の登録商標）等によって実現される薄い圧縮可能な滑りやすい材料で被覆され得る。タイロッド６１、８８、９２は、ピストン６６、９６の曲げ強度及び降伏強度、及び、スリーブ５２、８０の降伏強度、よりも小さい負荷に耐えるように設計されるべきである。ピストンベースの自己センタリングブレース装置５０、７５が圧縮下にあって、負荷がタイロッド６１、８８の降伏負荷に到達する時、当該タイロッド６１、８８は座屈して大きく変形して、当該ピストンベースの自己センタリングブレース装置５０、７５の軸方向剛性を低下させる。このことは、ピストンベースの自己センタリングブレース装置５０、７５の軸方向力を制限し、それをピストン６６、９６の曲げ能力より低く維持する、好適なタイロッド６１、８８、９２は、超弾性（superelastic）形状記憶合金（ＳＭＡ）を含むバーである。それは、一般にニチノールと呼ばれているニッケルとチタンの金属合金、及び、低強度スチールを有するタイロッドが高強度低モジュラス弾性を有する材料製のタイロッドに平行であるという合金または組合せ、によって実現され得る。高強度低モジュラス弾性を有する材料は、例えば、グラスファイバ補強ポリマー、カーボンファイバ補強ポリマー、等によって実現され得る。ＳＭＡバーは、負荷適用時に変形して、負荷除去時には変形されていない元の形状に復元するという、独特の特性で知られている。ＳＭＡを有するタイロッドを使用することは、ここで開示されるピストンベースの自己センタリングブレース装置にとって、完全な自己センタリング能力を促す。他の好適なＳＭＡ材料は、銅−亜鉛合金、銅−亜鉛−アルミニウム合金、銅−アルミニウム−ニッケル合金、鉄−マンガン合金、マンガン−銅合金、鉄−パラジウム合金、チタン−ニッケル−銅合金、等によって実現される。他方、高強度低モジュラス材料を有するタイロッドと低強度スチールまたは合金等を有するタイロッドとの並列配置の使用は、本発明のピストンベースの自己センタリングブレース装置に、部分的な自己センタリング能力を提供する。これらのタイプの形態において、タイロッドは、ピストンプレート５８、８６と同様のプレートを用いて、短いインターバルで支持されなければならない。フロントキャップ５４、８２とピストンプレート５８、８６との間でタイロッドを支持するためには、プレートは、ピストンプレート５８、８６と同様であるだろう。一方、バックキャップ５６、８４とピストンプレート５８、８６との間でタイロッドを支持するためには、プレートは、ピストン要素６６、９６との摺動する連絡（協働）を可能とするべく、バックキャップ５６、８４と同様の開口を有しなければならない。

ピストン要素は、好適には、円形断面を有する細長いシリンダ状のロッドまたはバーであり、中実材料を有し得るか、あるいは、中空（筒状）材料を有し得る。ピストン要素は、楕円形断面を有していることも好適である。あるいは、ピストン要素は、等しい幅の、あるいは選択的には等しくない幅の、平坦な側面を有する細長い中実バーまたは中空（筒状）バーであり得る。例えば、３個の側面、４個の側面、５個の側面、６個の側面、７個の側面、８個の側面、９個の側面、１０個の側面、１１個の側面、１２個の側面、または、それ以上である。スリーブ要素の一端に係合するバックキャップ要素には、ピストン要素の貫通を許容して摺動可能に受容するために、ピストン要素の外部輪郭に合致する端縁を有する開口が設けられる。

ピストン要素が、好適な結合装置を介して互いに直列的に結合された２つの細長いロッドまたはバーを有することも、本開示の範囲内である。２つの細長いバーの一方は、高モジュラス低強度材料を有し得て、他方は、低モジュラス高強度材料を有し得る。あるいは、細長いバーの両方が、高モジュラス低強度材料を有し得る。あるいは、細長いバーの両方が、低モジュラス高強度材料を有し得る。ピストン要素が、好適な結合装置を介して互いに直列的に結合された３つ以上の細長いロッドまたはバーを有することも、選択可能である。細長いバーの１以上が、高モジュラス低強度材料を有し得て、残りが、低モジュラス高強度材料を有し得る。あるいは、細長いバーの全てが、高モジュラス低強度材料を有し得る。あるいは、細長いバーの全てが、低モジュラス高強度材料を有し得る。

シリンダ状スリーブ要素内に収容されたタイロッドは、好適には、円形断面を有する細長いシリンダ状のロッドまたはバーである。もっとも、タイロッドは、楕円形断面を有していることも好適である。あるいは、タイロッドは、等しい幅の、あるいは等しくない幅の、平坦な側面を有する細長い中実バーまたは中空バーであり得る。例えば、３個の側面、４個の側面、５個の側面、６個の側面、７個の側面、８個の側面、９個の側面、１０個の側面、１１個の側面、１２個の側面、または、それ以上である。ワイヤやケーブルやストランドがタイロッドに置換されることも、選択可能である。フロントキャップ、バックキャップ及びピストンプレートの開口は、それらを貫くタイロッドの非拘束の運動を容易にするようなサイズであるべきである。タイロッドは、楔ロック、あるいはカップラやナット等、によってプレートに対して固定される。

高強度低モジュラスタイロッドが低強度タイロッドと平行に用いられているような例示的なピストンベースの自己センタリングブレース装置においては、ヒステリシスのあるエネルギ特性が低強度材料から生じて、そのヒステリシスループを部分的に完成させる。圧縮負荷時にこのヒステリシスを達成するために、低強度タイロッドは、高強度合金／複合材料で生成される圧縮負荷による曲がりを防止するべく、ピストン要素の先端部に一体的に係合されたピストンプレートとスリーブ要素のフロントキャップとの間に介在する１以上の付加的なピストンプレートによって中間点で、支持されるべきである。ＴＥＦＬＯＮコーティングまたはグリースが、摩擦低減が必要であれば、スリーブの内側に用いられ得る。逆に、当該ブレースが設置される予定の構造の設計にとってより大きなダンピング（減衰）が必要であれば、ＴＥＦＬＯＮコーティング／グリースは使用されるべきでない。なぜなら、タイロッドとピストンプレート及び／またはバックプレート及び／またはフロントプレートとの間の摩擦が、別のダンピング機構として使用され得るからである。

支持基礎におけるピストンベースの自己センタリングブレース装置の設置中、スリーブのフロントキャップを貫いて延びるタイロッドに楔／ロックを固定的に係合させる前に、タイロッドの堅固な結合（tight fitting）を確実にするべく、圧縮力が適用されるべきである。これは、引張負荷下でのプレースに対するピストン要素の初期摺動を防止するであろう。

引張負荷中、ピストンは、フロントタイロッドを引っ張り、それによって、ピストンを通ってフロントタイロッドに向かいフロントキャップ組合せに向かう負荷経路を完成させる。引張段階中、バックタイロッドは、シリンダ／スリーブのバックプレート（図１）から、及び／または、ピストンプレートから（図４）接続解除されて、バックタイロッドは、概ねフロントタイロッドによって経験された引張変形の量だけ、スリーブ内へあるいはスリーブ外へ自由に移動可能である。従って、バックタイロッドは、引張負荷中の負荷伝達に参加しない。圧縮負荷中、ピストンプレートは、バックタイロッドを引っ張り、それによって、バックタイロッドをスリーブのバックプレートにロックし、それによって、負荷を圧縮力としてスリーブに伝達する。従って、圧縮力下の負荷経路は、ピストンからバックタイロッドに向かいバックキャップに向かいシリンダ／スリーブに向かい支持基礎に向かう。圧縮段階中、フロントタイロッドは、スリーブのフロントキャップ（図１）及び／またはピストンプレート（図４）から接続解除されて、それらは、概ねバックタイロッドによって経験された引張変形の量だけ、スリーブ内へあるいはスリーブ外へ自由に移動する。この機構は、フロントタイロッドが圧縮負荷段階に決して参加しない、ということを保証する。タイロッドとスリーブ端部キャップとの間の接続は、それらがタイロッドの内側向きの運動中にのみロックして、タイロッド運動が外側向きである時には開口を通って自由に移動できる、という態様で形成されるべきである。この機構の主要な目的は、曲がり（座屈）を回避するべくタイロッドが決して圧縮負荷を受けることがない、というものである。ピストンベースの自己センタリングブレース装置の構造部材との接続は、ヒンジタイプであるべきである。この場合、軸方向負荷のみが、構造部材からピストンベースの自己センタリングブレース装置へと伝達される。

図４乃至図５に図示された実施形態と同様の、例示的な５ｍ長さのピストンベースの自己センタリングブレース装置が、有限要素コードを用いてモデル化され、準静的な周期的負荷下でのその安定性及び変形特性が、ブラックらによって教示された方法を用いて評価された（２００４、「曲げ抑制ブレースの成分テスト、地震評価及び特性」、J. Struct. Eng. 130(6): 880-894）。ピストン要素は、４ｍ長さであって、結合ＨＡ１０２ｘ８部分を含んでいた。ブレース装置は、二対の１ｍ長さのフロントＳＭＡタイロッドと、二対の１ｍ長さのバックＳＭＡタイロッドと、を含んでいた。各ＳＭＡタイロッドの直径は、１２．７ｍｍであった。モデル上での応力テストは、正確な非線形の力及び変形の計算のためのＳＭＡヒステリシスモデルと双線形スチールヒステリシスモデルとを含む、ＭＡＴＬＡＢ（マスワークス（Mathworks Inc., Natick, MA, USA）の登録商標）ベースの非線形の有限要素プログラムで解析された。当該テストは、ブレース装置に適用され漸進的に引張力及び圧縮力を増減させる２５００段階を含んでいた（図６（Ａ）参照）。図６（Ｂ）及び図６（Ｃ）に示されたデータは、６０ｍｍ変形（タイロッドの６％軸方向変形）未満では、システムは完全に自己センタリングできることを示すが、６０ｍｍ変形（６％）を超えると、ＳＭＡタイロッドが完全にマルテンサイトになって、それらの応力保持能力が急激に増大したことを示しており、より高い周期的な引張／圧縮力がブレース内での大変高い圧縮力に帰結して曲げ（座屈）に帰結し得ることを示唆している。曲げ（座屈）は、特定の用途のために要求される時、タイロッドの長さを増大することで、防止され得る。多くの建築物基礎用途にとっては、例示的なピストンベースの自己センタリングブレース装置は、傾斜姿勢で設置される。そのような設置においては、ブレースによって経験される任意の変形が、水平方向の構成要素によって経験される変形の約２倍に相当する。建築物のためのフレーム基礎は、典型的には、それらの階間（層間）ドリフト値（interstory drift value）を２．５％未満に制限するように設計される。３ｍの床−天井高さを有する構造にとっては、最大に許容可能な階間（層間）ドリフトは、７５ｍｍであり、それは、約３５ｍｍないし４０ｍｍのブレース伸長／圧縮に相当する。従って、前述のテストにおいて１ｍ長さのタイロッドが達成する６０ｍｍという変形能力は、ほとんどのタイプの建築物構造にとって十分である。この６０ｍｍのブレース変形は、１２０ｍｍの水平フレーム変形、ないし、約４％の階間（層間）ドリフト、とほとんど等価である。前述の解析は、カップラとピストン要素との間で滑りが生じなかった、と仮定した。また、ピストンプレートまたは端部プレートの変形及びそれらの引き続いてのロッド（バー）への影響は、考慮されなかった。

ここで開示される例示的なピストンベースの自己センタリングブレース装置は、図７乃至図９に示されるような建築物基礎へのブレースシステムとしての導入にとって好適である。例えば、図７に示すように、建築物基礎は、鉛直コラム１５と係合された水平ビーム１０を有しており、一対の対向するピストンベースの自己センタリングブレース装置５０が、それらの一端６８において、ビーム１０及び第１コラム１５に固定されたガセット部２０と係合され得て、それらの他端６９において、屋根型／Ｖ型／Ｘ型の配置に、第２コラム１５及び第３コラム１５に固定されたガセット部２２と係合され得る。このような屋根型／Ｖ型／Ｘ型の配置は、要求されるか所望される時、支持上部基礎設計に導入され得る。あるいは、図８に示されるように、ピストンベースの自己センタリングブレース装置５０は、少なくともシリンダ状スリーブ要素に係合するブラケット１２１を介して水平ビーム１２０に取り付けられ得る。ブレース装置の一端は、水平ビーム１２０と接続する第１鉛直コラム１２２とガセット部１２６によって係合された第１トラス１２４の一端上のガセット部１２６と、係合される。ブレース装置５０の他端６９は、水平ビーム１２０と接続する第２鉛直コラム１２６とガセット部１２６によって係合された第２トラス１２４の一端上のガセット部１２６と、係合される。図８に示される配置は、振動事象中に生じ得る剪断力に抵抗するよう機能する。ここで開示される例示的なピストンベースの自己センタリングブレース装置５０の利用のための別の設計が、水平ビーム１３２と鉛直コラム１３０との間のＴ字状連結部（ビーム−コラム結合部）において生成される振動エネルギを吸収するために、図９に示されている。第１ブレース装置５０は、水平ビーム１３２の上方で、その端部６９の係合によって、ビーム１３２に固定されたブラケット１３４に取り付けられ、その端部６８の係合によって、鉛直コラム１３０上に設けられたマウント部に取り付けられている。第２ブレース装置５０は、水平ビーム１３２の下方で、その端部６９の係合によって、ビーム１３２に固定されたブラケット１３４に取り付けられ、その端部６８の係合によって、鉛直コラム１３０上に設けられたマウント部に取り付けられている。ブレース装置５０は、所望であれば、図４乃至図５に図示された例示的なブレース装置によって置換され得る。

ここで開示される例示的なピストンベースの自己センタリングブレース装置は、建築物の基礎に用いられる分離システムを再センタリングするためにも好適である。例えば、図１０に示すように、コンパクトな掘削された下部基礎１４６の上方に注がれたコンクリート基礎土台１４４に、複数の支柱（ピア）１４８が設けられ得る。当該基礎土台の上方に延びる上部基礎は、事前に製造されるか注がれるコンクリートスラブ１４０を支持するために、複数の桁（ガーダ）１４２を有し得る。対向する対のピストンベースの自己センタリングブレース装置５０は、それらの端部６８によって、１つの支柱１４８の両側に係合されている。ブレース装置５０の一つの他端６９が、第１桁１４２の側部に係合されていて、ブレース装置の他の一つの他端６９が、第２桁１４２の側部に係合されている。ベース分離器１４９が、支柱１４８の頂部とコンクリートスラブ１４０の底面との間に介在されている。

ここで開示される例示的なピストンベースの自己センタリングブレース装置は、橋の支持基礎構造から橋桁を分離するためにも好適である。例えば、図１１に示すように、鉛直の橋支持基礎１０４をキャップする支柱１０２（あるいは、支柱キャップまたはベントビーム）に、一対の間隔を空けられたブラケット１０８が設けられていて、各ブラケットは、ブレース装置５０の一端を回動可能に係合するように構成されている。橋桁１００には、ブレース装置５０の他端を回動可能に係合するために当該桁の端部近傍にブラケット１０９が設けられている。ダンピング材料１０６が、支柱１０２の頂部と桁の底面と間でその端部の近傍に介在されている。

例示的なピストンベースの自己センタリングブレース装置は、図１２に示すような橋分離システムを再センタリングするためにも利用され得る。ここでは、ブレース装置５０の一端を回動可能に係合するためのブラケット１０８が、橋脚１１２から上昇する橋台１１０の頂面と係合されている。橋桁１００には、ブレース装置５０の他端を回動可能に係合するために、当該桁１００の端部近傍にブラケット１０９が設けられている。分離システム１０６は、橋台１１０の頂面と桁１００の底面との間でその端部の近傍に介在されている。

参照は、図１乃至図３に示されたピストンベースの自己センタリングブレース装置に対する先行実施例についてなされてきたが、代替的に、図４乃至図５に示されたピストンベースの自己センタリングブレース装置を用いることも好適である。ここに開示された例示的なピストンベースの自己センタリングブレース装置は、建築物、橋、水道橋、等のための新しい構成支持基礎の設計及び建造に導入され得る。例示的なピストンベースの自己センタリングブレースは、また、従前に構成支持基礎内に導入された他のタイプのブレースシステムに置き換えて使用されることもできる。

Claims (24)

1. 支持基礎に与えられる引張力と圧縮力に抵抗するために当該支持基礎の２つの構成要素の間に取り付けるためのブレース装置であって、
   先端部と基端部とを有し、前記先端部はピストンプレートと係合しており、前記基端部は第１構造要素と取り外し可能に係合するためのヒンジ要素と協働するように構成されている、細長ピストン要素と、
   前記ピストン要素を内部に受容して前記ピストンプレートと連絡するためのスリーブ要素であって、前記ピストン要素を貫通を許容して受容するバックキャップと、第２構造要素と取り外し可能に係合するためのヒンジ要素と協働するように構成されたフロントキャップと、を有するスリーブ要素と、
   前記スリーブ要素内に収容された複数の等間隔に配置されたタイロッドと、
   を備え、
   各タイロッドの一端は、前記フロントキャップに設けられた開口を貫いて延びて、それに固定されており、
   各タイロッドの他端は、前記バックキャップに設けられた開口を貫いて延びて、それに固定されており、
   前記タイロッドは、前記ピストンプレートに設けられた開口を貫いて摺動可能に挿入されている
   ことを特徴とするブレース装置。
2. 第１の複数の等間隔に配置されたタイロッドが、前記スリーブ要素内に収容されており、当該タイロッドの各々の一端は、前記フロントキャップに設けられた開口を貫いて延びて、それに固定されており、当該タイロッドの他端は、前記ピストンプレートに設けられた開口を貫いて摺動可能に挿入されており、
   第２の複数の等間隔に配置されたタイロッドが、前記スリーブ要素内に収容されており、当該タイロッドの各々の一端は、前記バックキャップに設けられた開口を貫いて延びて、それに固定されており、当該タイロッドの他端は、前記ピストンプレートに設けられた開口を貫いて摺動可能に挿入されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のブレース装置。
3. 前記ピストン要素は、シリンダ状ロッドまたは多角柱状ロッドのいずれかである
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のブレース装置。
4. 前記シリンダ状ロッドは、円形断面または楕円形断面を有している
   ことを特徴とする請求項３に記載のブレース装置。
5. 前記多角柱状ロッドは、複数の側面を有している
   ことを特徴とする請求項３に記載のブレース装置。
6. 前記多角柱状ロッドは、３個の側面、４個の側面、５個の側面、６個の側面、７個側面、８個の側面、９個の側面、１０個の側面、１１個の側面、または、１２個の側面、のいずれかを有している
   ことを特徴とする請求項３に記載のブレース装置。
7. 前記ピストン要素は、超弾性形状記憶合金を有している
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のブレース装置。
8. 前記超弾性形状記憶合金は、ニッケル−チタン合金、銅−亜鉛合金、銅−亜鉛−アルミニウム合金、銅−アルミニウム−ニッケル合金、鉄−マンガン合金、マンガン−銅合金、鉄−パラジウム合金、または、チタン−ニッケル−銅合金、のいずれかである
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のブレース装置。
9. 前記ピストン要素は、共に結合された２つの要素を有しており、
   前記要素の一方は、超弾性形状記憶合金を有しており、
   前記要素の他方は、低強度金属を有している
   ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のブレース装置。
10. 前記超弾性形状記憶合金の要素は、前記ピストンプレートと係合されている
    ことを特徴とする請求項９に記載のブレース装置。
11. 前記低強度金属の要素は、前記ピストンプレートと係合されている
    ことを特徴とする請求項９に記載のブレース装置。
12. 前記複数のタイロッドの各々は、シリンダ状ロッドまたは多角柱状ロッドのいずれかである
    ことを特徴とする請求項１に記載のブレース装置。
13. 前記シリンダ状ロッドは、円形断面または楕円形断面を有している
    ことを特徴とする請求項１２に記載のブレース装置。
14. 前記多角柱状ロッドは、複数の側面を有している
    ことを特徴とする請求項１２に記載のブレース装置。
15. 前記多角柱状ロッドは、３個の側面、４個の側面、５個の側面、６個の側面、７個側面、８個の側面、９個の側面、１０個の側面、１１個の側面、または、１２個の側面、のいずれかを有している
    ことを特徴とする請求項１２に記載のブレース装置。
16. 前記タイロッドは、超弾性形状記憶合金を有している
    ことを特徴とする請求項１２乃至１４のいずれかに記載のブレース装置。
17. 前記超弾性形状記憶合金は、ニッケル−チタン合金、銅−亜鉛合金、銅−亜鉛−アルミニウム合金、銅−アルミニウム−ニッケル合金、鉄−マンガン合金、マンガン−銅合金、鉄−パラジウム合金、または、チタン−ニッケル−銅合金、のいずれかである
    ことを特徴とする請求項１６に記載のブレース装置。
18. 前記第１の複数のタイロッドの各々、及び、前記第２の複数のタイロッドの各々が、シリンダ状ロッドまたは多角柱状ロッドのいずれかである
    ことを特徴とする請求項２に記載のブレース装置。
19. 前記シリンダ状ロッドは、円形断面または楕円形断面を有している
    ことを特徴とする請求項１８に記載のブレース装置。
20. 前記多角柱状ロッドは、複数の側面を有している
    ことを特徴とする請求項１８に記載のブレース装置。
21. 前記多角柱状ロッドは、３個の側面、４個の側面、５個の側面、６個の側面、７個側面、８個の側面、９個の側面、１０個の側面、１１個の側面、または、１２個の側面、のいずれかを有している
    ことを特徴とする請求項１８に記載のブレース装置。
22. 前記タイロッドは、超弾性形状記憶合金を有している
    ことを特徴とする請求項１８乃至２０のいずれかに記載のブレース装置。
23. 前記超弾性形状記憶合金は、ニッケル−チタン合金、銅−亜鉛合金、銅−亜鉛−アルミニウム合金、銅−アルミニウム−ニッケル合金、鉄−マンガン合金、マンガン−銅合金、鉄−パラジウム合金、または、チタン−ニッケル−銅合金、のいずれかである
    ことを特徴とする請求項２２に記載のブレース装置。
24. 前記スリーブ要素内に圧縮可能材料を更に備えており、
    前記圧縮可能材料は、前記ピストンプレートと前記フロントキャップとの間に介在されている
    ことを特徴とする請求項１乃至２３のいずれかに記載のブレース装置。

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