JP2017517659A - エネルギー吸収装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、座屈せずに、その軸方向の塑性変形を通じてエネルギーを吸収できるエネルギー吸収装置（１０）に関する。この発明にとって、エネルギー吸収装置（１０）は少なくとも３つのヒステリシス要素（１５）を含み、これらが、エネルギー装置（１０）に外部からの負荷がかかった時に、少なくとも１つのヒステリシス要素（１５）が圧縮され、それと同時に、少なくとも１つの別のヒステリシス要素（１５）が引っ張られるように直列に相互接続されることが特徴である。

Description

本発明は、少なくとも１つのヒステリシス要素（ｈｙｓｔｅｒｅｔｉｃ ｅｌｅｍｅｎｔ）（ＨＥ）を有し、それが座屈せずにその軸方向の塑性変形を通じてエネルギーを吸収できるようなエネルギー吸収装置に関する。

エネルギー吸収装置は、地震だけでなく、暴風、衝撃等からもたらされるような動的作用の悪影響を軽減することを目的として、船橋甲板とその橋台または建物とその基礎のような構造物の隣接構造要素またはシステムを連結するために使用される。

周知のように、これらの装置を採用する理由のもとにあるのは、地震作用により土壌変位が突然始まり、それが加速度を伴い、基礎を通じて伝わり、橋梁、建物、その他の構造物の比較的大きい質量により慣性力が生まれるという事実である。

あるいは、地震発生中、大きなエネルギーが発生して、土壌の中を伝播すると言ってもよい。前記エネルギーは構造物に伝えられ、それが地震に続く損害を生じさせる可能性の主原因となる。

さらに、適切に配置された、「免震アイソレータ」と呼ばれる伝達遮断装置を使用することによって、構造物に伝達されるエネルギーの量と、したがってそれにより発生する負荷を限定できることも知られている。換言すれば、地震エネルギーは、共振周波数と等しい、またはそれに近い周波数に関連する部分を除き、上記の伝達遮断装置によって反射される。

しかしながら、構造物（発振システムと考えられる）はそれでも、エネルギーのうち、前記スペクトル範囲内の部分を蓄積させる可能性があり、それによって、エネルギーを熱として吸収させる装置を使用する必要がある。

エネルギー吸収に使用できる物理的機構にはいくつかのものがある。本願は、その降伏点を超える応力を受けたときに材料の吸収能力を利用する。

よく知られているように、例えば、鋼鉄製スラットのような金属要素に増加する引張力が加えられると、直達外力と変形の比例関係という最初のフェーズが観察され（弾性フェーズ）、その後、前者が後者にほとんど依存しなくなるフェーズ（可塑または弾性後フェーズ）が続く。この原理を利用する装置は、ヒステリシス要素（ＨＥ）と呼ばれる。それゆえ、「ヒステリシス」という用語は、その反応が外力変位（または変形）に大きく依存する要素または装置を指し、これは、その反応が変位（または変形）の割合（速度）に大きく依存する「粘性」要素または装置とは対照的である。

ある構造物の中でヒステリシス要素として鋼鉄製支柱を利用して、地震エネルギーの大部分を吸収しようとするアイディアは、ニュージーランドのスキナ（Ｓｋｉｎｎｅｒ）（１９７５年）の概念的かつ実験的研究から生まれた。今日、この種の装置は、鋼鉄ヒステリシスダンパ（ｓｔｅｅｌ ｈｙｓｔｅｒｅｔｉｃ ｄａｍｐｅｒ）（ＳＨＤ）と呼ばれる。実際に、鋼鉄の可塑変形は、経済的および技術的両方の観点から、エネルギー吸収に利用可能な最も有効なメカニズムの1つである。鋼鉄ヒステリシスダンパ用の鋼鉄製吸収手段は、多種多様な幾何学的構成で認識され、製造されている。しかしながら、その最も重大な欠点は、中規模または大規模な地震活動が活発な地域において必要とされるような、大きな変位に対応する能力が限定されていることである。

これを主な理由として、油圧粘性ダンパ（ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｖｉｓｃｏｕｓ ｄａｍｐｅｒ）（ＨＶＤ）が、局所的な振動を緩和し、構造的ドリフトを限定できる要素としてだけでなく、事実上、変位に関して一切限定されずに補足的な減衰力を提供するものとして、橋梁構造においてますます人気を博している。

しかしながら、近年、米国において、Ｃａｌｔｒａｎｓ（カリフォルニア州運輸局）が管理する橋に使用されている装置の、使用開始から約１０年後の状態によっていくつかの問題が生じており、これは油圧油の漏れが疑われている。この出来事をこの種の装置の体系的な欠陥を証明するものと解釈するべきではないが（欧州では、このような障害はほとんど見られない）、それでも、最近カリフォルニア大学サンディエゴ校で行われたいくつかの試験と調査結果は、大規模な地震を経験していないダンパにおいても予想外の程度で劣化が生じることを示している。

この問題を受けて、ＨＶＤの使用に代わる解決策として、ユタ大学およびカリフォルニア大学サンディエゴ校の構造工学部において、長期的スパンでの橋梁応用へのヒステリシス要素（ＨＥ）の利用可能性と限定を調査するためのいくつかの研究プロジェクトが進められた。

ブレース付鋼構造骨組は、建物建設に広く使用されている。しかしながら地震の分野において、ブレースは引張により降伏するが、圧縮されると座屈すると予想される。この望ましくない現象を回避し、それゆえ、より信頼性の高いエネルギー吸収源を提供するために、ヒステリシス要素として座屈拘束ブレース（ｂｕｃｋｌｉｎｇ ｒｅｓｔｒａｉｎｅｄ ｂｒａｃｅ）（ＢＲＢ）の概念が日本で１９７０年代初頭に初めて開発された。

その後、日本において鋭意研究が重ねられ、新日本製鉄株式会社により様々なＢＲＢが開発されてきた。しかしながら、日本のデザイナが高層ビルにおいてＢＲＢをいわゆる「損傷許容性」の耐震設計に取り入れたのは、１９９５年の神戸大震災が起こってからである。実際に、ＢＲＢはまた、上述の大災害後に日本の２つの長大橋で採用されており、その一方は耐震補強のため、もう一方は新規建設のためである。

ＢＲＢの背景にある主なアイディアは、全体座屈を防止して、エネルギーを吸収するために十分で安定なヒステリシスループの開発を可能にする、というものである。各種のＢＲＢが開発されているが、概念はごく単純である。図１１は、この概念を示している。

長く、比較的細い棒または支柱がヒステリシス要素として機能し、通常、高い展性の低強度鋼材で製作される降伏鋼心の役割を果たす。これは鋼管内に、ヒステリシス要素のための座屈防止手段として機能するモルタル充填物と共に入れられる。しかしながら、鉄筋コンクリート部材の場合に行われるものと異なり、あるアンボンド材または、さらにはエアギャップによって降伏鋼心とそれを取り囲む座屈拘束機構とを分離し、複合作用を抑制する。

最初のＢＲＢの欠点は、その過剰な長さであり、これは地震応用において要求されるような、繰り返される周期性の下での許容可能な降伏変形が比較的限定されることによる。この欠点により、この種の装置の利用可能性は、その設置のために大きなスペースが確保される場合に厳しく限定される。

したがって、本発明の目的は、スペースが限られている場合でも広い利用可能性を有する単純で安価なエネルギー吸収装置を提供することである。

この目標の解決策は、特許請求項１によるエネルギー吸収装置によって達成される。エネルギー吸収装置の好ましい別の構成は、従属項に記載されている。

本発明によるエネルギー吸収装置の特徴は、エネルギー吸収装置が少なくとも３つのヒステリシス要素を含み、これらは、外的負荷（例えば、地震、風および／または衝撃負荷）がエネルギー吸収装置にかけられた時に、少なくとも1つのヒステリシス要素に圧縮が加わり、それと同時に少なくとももう1つのヒステリシス要素に引張が加わるように直列に相互接続されることであり、これは以下の説明から明らかになるであろう。

これには、装置の軸方向の全体的寸法を大幅に縮小できるという有利な効果がある。あるいは、その反対に、従来知られているものに匹敵する長さの装置で、より大きな相対変位に対応できる。装置の全長を短縮することによって、既存の、または新たに設計された構造内に取り付けることがはるかに容易になる。

さらに、引っ張られたヒステリシス要素は、圧縮されたヒステリシス要素を座屈に対して安定させることができ、それによって、少なくともある状況下では座屈拘束手段が不要となりうる。

さらに、エネルギー吸収装置は好ましくは、交換までに何回かのヒステリシスサイクルに耐えられるように設計される。

エネルギー吸収装置の他の構成において、ヒステリシス要素は相互に平行に配置される。ヒステリシス要素の平行配置には、前記装置の全長が既存の座屈拘束ブレースと比較してコンパクトになるという利点を有する。平行配置は好ましいものの、ここでは相互に角度を成すように構成されるヒステリシス要素も考える。

よりコンパクトな装置が望まれる場合、ヒステリシス要素を相互に横並びに配置することが好ましい。少なくとも３つのヒステリシス要素が直列に相互接続されるため、エネルギー吸収装置の全長は、変位対応能力が同じ既存の座屈拘束ブレースの全長と比較して、約３分の１となる。別の利点は、全長が３分の１に短縮されることによって、座屈負荷がオイラーの定理に基づき、少なくとも９倍増大することである。これは、座屈防止手段がこの種の装置において不要となるまた別の理由である。したがって、同じ全長の既存の座屈拘束ブレースと比較して、変位に対応する能力を約３倍増大させることも可能である。

あるいは、少なくとも１つのヒステリシス要素が他のヒステリシス要素と同心円状に配置される。ヒステリシス要素の同心円状の配置では、必ずしも、ヒステリシス要素の中心軸が１直線に一致することが必要とされるわけではない。これは好ましいが、ヒステリシス要素の中心軸が一致しないようなエネルギー吸収装置も含まれるものとする。この配置によっても、エネルギー吸収装置の長さを短縮できる。これには、同じ変位対応能力を有する従来の座屈拘束ブレースと比較して、全長を短縮できるという上記の利点がある。

好ましくは、エネルギー吸収装置は、金属様の軟鋼または合金で製作される少なくとも１つのヒステリシス要素を有していてもよい。この装置により吸収可能なエネルギー量と変位対応能力は、ヒステリシス要素の材料に依存するため、ここでは特に高い展性の材料が好ましく、これは好ましい点として、圧縮と引張を受けた時に同様の変形特性を示す、ヒステリシス要素の材料の適切な選択のほか、ヒステリシス要素の寸法の選択により、ヒステリシス要素の降伏点、変位対応能力、およびエネルギー吸収能力等の設計パラメータに影響を与えることができる。

同心円状に配置されるヒステリシス要素は管材から形成することが現実的である。管材の断面形状は、円形、正方形、長方形、またはその他、閉鎖または開放した何れの形状であってもよい。しかしながら、閉鎖型の、対称の断面形状を有する管材が好ましい。

対称の管材では、軸方向に加えられる負荷を受けた時の横方向または半径方向の変形が最小になるため、座屈に対する抵抗が確かに増大する。管材の使用から得られる1つの重要な利点は、例えば、扁平な鋼棒をヒステリシス要素として偏心度“ｅ”で使用した時に、軸方向の力“Ｆ”が加えられている間に発生する曲げモーメントＭ＝Ｆ＊ｅの望ましくない効果が取り除かれることである。

明らかに、同心円状に配置するには、内管の直径は外管より小さい。断面形状は、同心円状の管状のヒステリシス要素のすべてについて同じであるべきであり、装置の設計応答力と使用される材料の降伏強度によって決まる。これは、形状係数によるある程度の小さい補正を除けば、壁厚がその直径と反比例することを意味する。その結果、同心円状に配置された管材は、同様の変形挙動を示す。

さらに、１つまたは複数の管材の中央部分を縦方向、換言すれば、母線に沿って切り込まれていてもよい。これは、軸方向に加わる負荷によって誘導される管材の半径方向への変形という欠点を修復するのに役立つ。管状要素において軸方向に負荷が加えられると、その中に接線方向の応力が発生し、これが引張時または圧縮時にそれぞれ直径を縮小または増大させる。その結果、２つの隣接する管材が接触して、制御不能な摩擦力を生じさせる可能性があり、これは装置の応答にマイナスの影響を与える。この影響は、管材が同心円状に配置された隣接する管の中央に配置される構成にとって特に重要である。切り込みによってできるリップの局所的な不安定性は、周囲の外および内管の拘束効果により最小化される。

さらに、エネルギー吸収装置は座屈防止手段を含んでいてもよい。座屈防止手段は、ヒステリシス要素の座屈を回避するのに役立つ何れの装置であってもよい。座屈防止手段を使用しないことが好ましいが、特に特定の状況において座屈のリスクを低減化させるためには、座屈防止手段を備えるエネルギー吸収装置を提供する必要があるかもしれない。

少なくとも１つのヒステリシス要素の最も内側には、座屈防止手段として安定化材料が充填されてもよい。

安定化材料としては、圧縮抵抗の大きい材料はすべて適当であり、これ例えばモルタル充填物である。安定化材料は、前記ヒステリシス要素の横方向の変形を回避し、その結果、装置全体の座屈に対する抵抗力を増大させるための有効で経済的な方法である。

本発明のエネルギー吸収装置の別の構成において、座屈防止手段は、少なくとも１つのヒステリシス要素を取り囲む拘束管を含み、ヒステリシス要素と拘束管との間の空間の少なくとも一部に安定化材料が充填されてもよい。拘束管の使用によって、少なくとも１つのヒステリシス要素が軸方向に加えられる負荷を受けたときに横方向に変形するのが回避される。ヒステリシス要素と拘束チューブとの間の空間に安定化材料を充填することにより、軸方向に加えられる負荷を受けて少なくとも1つのヒステリシス要素が横方向に変形する可能性は、そのような変形のための空間が残されないため、さらに縮小される。

さらに、座屈防止手段はまた、一度に複数のヒステリシス要素を取り囲む拘束管を含んでいてもよい。すると、好ましくは、ヒステリシス要素および／または拘束管間の空間および／またはヒステリシス要素同士間の空間に安定化材料が充填される。

拘束管は、一体の管材から製造されてもよい。あるいは、座屈防止手段はまた、外側拘束管と内側拘束管で構成されてもよい。この場合、好ましくは、外側および内側拘束管間の空間に、追加の座屈防止機構としての安定化材料が充填される。内側および外側拘束管の使用は、特にその間の空間に安定化材料が充填される場合、エネルギー吸収装置の座屈抵抗を高めるための単純であるが効果的な方法である。

特に、ヒステリシス要素が装置の縦軸に関して対称に配置される場合、座屈防止手段は、少なくとも２つのヒステリシス要素を相互に接続する少なくとも１つの横方向の抑制手段を含んでいてもよい。このような抑制手段は、少なくとも２つのヒステリシス要素の横方向の変形を防止し、それゆえ、装置の座屈抵抗が増大する。さらに、両方のヒステリシス要素の外端のほか中間部分を接続する、より多くの横方向の抑制手段を使用することによって、装置全体の座屈抵抗をさらに増大させることができる。このようにして、座屈防止手段として使用される外側拘束管を不要にできる。その結果、エネルギー吸収装置はより単純な構成となる。

別の構成においては、少なくとも１つのヒステリシス要素がその表面の少なくとも１つに、潤滑剤および／またはアンボンド材および／またはスライディングパッドを含んでいてもよく、その結果、外的負荷を受けている時に、少なくとも１つのヒステリシス要素と、安定化材料および／または拘束管および／またはその他のヒステリシス要素との間の相対移動中に発生する摩擦力が軽減される。これは、ヒステリシス要素自体が安定化材料に押し付けられず、過剰な摩擦力を発生させずに、軸方向に加えられる負荷の方向に移動できれば有利であるとの発見に基づく。

特に、ヒステリシス要素が管状の要素である場合、エネルギー吸収装置は少なくとも２つのヒステリシス要素を直列に接続する硬質の継手を含んでいてもよく、これは２つのヒステリシス要素を相互に接続する少なくとも１つの鋼鉄製クラウンおよび／または鋼鉄製板片によって形成される。硬質の継手の利点は、その硬さによって、半径方向に加えられる力に抵抗できることである。その結果、２つのヒステリシス要素を相互に接続する鋼鉄製クラウンおよび／または鋼鉄製板片は、ヒステリシス要素の半径方向の変形（直径の変化）を減少させる。それゆえ、管状要素間の接触と摩擦力が回避される。

さらに、エネルギー吸収装置は衝撃伝達手段を含んでいてもよく、これは、低速移動には対応し、ほとんど変化されない、突発的移動は伝達する。衝撃伝達手段は、低速移動をほとんど抵抗せずに可能にするが、突発的な移動は、ほとんど変形せずに防止する。それゆえ、この構成によって、相互接続された構造要素間の温度変化による変位に対応し、地震（および制動力、風、その他）による変位をヒステリシス要素に伝達して、これらに関連するエネルギーの大部分を吸収できる。

以下に、本発明を図に示される実施形態に関してさらに詳しく説明する。

その最も単純な構成の、コンパクトなエネルギー吸収装置である本発明の第一の実施形態の、変形していない状態の不等角図である。 軸方向の圧縮力を受けている間の、図１ａに示されるエネルギー吸収装置の不等角図である。 軸方向の引張力を受けている間の、図１ａに示される装置の不等角図である。 図１ａの装置の中の、内部で発生する曲げモーメントにより生じる横方向の変形を示す図である。 図１ａに示されるものに対応するが、さらに拘束管とガイドとしての延長部を有する、本発明のエネルギー吸収装置の第二の実施形態の平面図である。 ヒステリシス要素と拘束管が対称に配置されている、本発明のエネルギー吸収装置の第三の実施形態の平面図である。 図３に示されるエネルギー吸収装置の、切断線Ａ−Ａに沿った断面図である。 対称配置と横方向の抑制手段を有する、本発明のエネルギー吸収装置の第四の実施形態の不等角図である。 図５に示される部分Ｂの拡大詳細図である。 ヒステリシス要素として管材を有する、本発明によるエネルギー吸収装置の第五の実施形態の縦方向の断面図である。 管材が円形の形状を有する図７に示されるエネルギー吸収装置の、切断線Ａ−Ａに沿った拡大断面図である。 管材が正方形の形状を有る、図７に示されエネルギー吸収装置の、切断線Ａ−Ａ沿った別の拡大断面図である。 軸方向に加えられた圧縮または引張負荷により、半径方向に加わる曲げモーメントによって管の端において半径方向の変形が生じている、本発明の第五の実施形態を示す図である（半径方向の変形は正確な縮尺ではない）。 軸方向に加えられた引張負荷により、半径方向に加わる曲げモーメントによって管の端において半径方向の変形が生じている、本発明の第五の実施形態を示す図である（半径方向変形は正確な縮尺ではない）。 衝撃伝達ユニットを有する本発明のエネルギー吸収装置の別の実施形態の縦方向の断面図である。 当業界で知られている座屈拘束ブレースの不等角図である。

図１ａ〜図１０において、同じ参照番号は同じ構成要素に使用されている。

図１ａは、本発明によるエネルギー吸収装置１０の第一の実施形態を示しており、これは、３つのヒステリシス要素１５を有し、これらは直列に相互接続され、相互に平行に、横並びに配置されている。このような配置により、エネルギー吸収装置の全長は、当業界で知られ、図１１の例について示されているような、１つのヒステリシス要素しか使用されない構成と比較して短縮できる。３つすべてのヒステリシス要素１５が直列に相互接続されているため、３つのヒステリシス要素１５の各変形が、エネルギー吸収装置の１０の全体の変形能力に寄与する。エネルギー吸収装置１０は両端に端コネクタ９５を含み、これは、前記装置１０を橋梁、甲板、橋台等の構造的構成要素に近接して連結するために使用される。さらに、移動終端までの距離“ａ１”は、特定の負荷を受けた時の許容変形量を示す。以下に、これらの変形と本発明の原理を図１ｂおよび図１ｃで説明する。

図１ｂは、軸方向の圧縮力１１５を受けている、図１ａのエネルギー吸収装置を示している。このような配置において、２つのヒステリシス要素２０は圧縮され、その一方で、１つのヒステリシス要素２５は引っ張られる。圧縮されるヒステリシス要素２０と引っ張られるヒステリシス要素２５はどちらも可塑変形する。圧縮されるヒステリシス要素２０はその結果、材料の降伏によって短縮し、その一方で、引っ張られるヒステリシス要素２５は、その材料の降伏によって引き伸ばされる。このエネルギー吸収装置の縦軸１２０に沿って加えられる圧縮力１１５により、装置１０の全長が短縮されるため、図１ａに示される移動終端までの距離「ａ１」がなくなっていることがわかる。

図１ｃにおいて、エネルギー吸収装置１０は、縦軸１２０に沿って外側への引張力１１０を受けている。この外側への引張力１１０より、２つのヒステリシス要素２５は引っ張られ、その一方で、１つのヒステリシス要素２０は圧縮力１１５を受ける。ヒステリシス要素内の引張力１１０と圧縮力１１５の両方が、前記ヒステリシス要素の可塑変形を起こす。この変形は、移動終端までの距離“ａ２”が図１ａに示される移動終端までの距離“ａ１”と比べて増大しているため、見える。

図１ｄは、非常に大きい引張力１１０を受けている第一の実施形態のエネルギー吸収装置の図である。ヒステリシス要素１５は相互に平行に、横並びに配置され、負荷を受けず、変形していない状態にあり、硬質の継手で相互接続されているため、加えられた負荷１１０とヒステリシス要素１５との間に偏心度がある。この偏心度によって、ヒステリシス要素内にＭ＝Ｆ＊ｅと等しい曲げモーメントが発生し、このうち“Ｍ”は曲げモーメント、“Ｆ”は加えられた力、“ｅ”は偏心度である。図１ｄに示されているように、引張力１１０を受けたときに、曲げモーメントによってヒステリシス要素が横方向に変形する。図１ｄはまた、引張力１１０を受けた場合の吸収装置１０のみを示しているが、曲げモーメント８０を計算する式はまた、圧縮についても有効である。

図２において、エネルギー吸収装置１０の第二の実施形態が示されており、これは座屈防止手段とて拘束管３５を含む。この拘束管３５は、前に図１ｄで示したようにヒステリシス要素１５が横方向に変形するのを防止する。拘束管は実際には、内側拘束管４０と外側拘束管４５からなる。内側拘束管４０と外側拘束管４５との間の空間には、安定化材料５０が充填される。さらに、アンボンド材５５がヒステリシス要素１５に塗布されて、２つのヒステリシス要素１５間の相対移動中およびヒステリシス要素１５と拘束管３５の相対移動中に発生する摩擦力が軽減される。さらに、ヒステリシス要素１５のうちの１つは、拘束管固定点１００を含み、これによって拘束管はヒステリシス要素の変形に関係なく、常に中心位置に保持される。

図３は、本発明によるエネルギー吸収装置の１０の第三の実施形態を示す。ここでは、エネルギー吸収装置１０は、その縦軸１２０に関して対称である。３つのヒステリシス要素１５を有するエネルギー吸収装置１０は、一体の部品から製作される。代替案として、ヒステリシス要素１５および端コネクタ９５は好ましくは、材料フィッティングによって相互接続され、それゆえ、エネルギー吸収装置１０を形成する。

座屈を防止するために、吸収装置１０は、座屈防止手段として拘束管３５を含む。拘束管３５は、図３に示されているような２つの管材で構成されてもよく、管材間の空間には安定化材料が充填されてもよい。アンボンド材がヒステリシス要素の表面に塗布され、ヒステリシス要素１５が他のヒステリシス要素１５に関して、および拘束管３５に関して相対移動する間に発生する摩擦力が軽減される。エネルギー吸収装置１０を構造体に取り付けるために、端コネクタ９５が装置の両側に設置されている。これらの端コネクタ９５により、必要に応じてエネルギー吸収装置１０を素早く交換することもできる。

図４は、図３に示されているエネルギー吸収装置１０の切断線Ａ−Ａに沿った詳細断面図である。ヒステリシス要素１５は外側拘束管３５により取り囲まれていることがわかる。また、５つのヒステリシス要素１５のうちの中央のヒステリシス要素の断面積が他の４つのヒステリシス要素の各々の断面積の約２倍大きいこともわかる。これは、図３に示されているエネルギー吸収装置１０が原則的に、図１ａに示されている２つのエネルギー吸収装置１０を連結することによって実現できるという事実による。この構成によって、好ましい点として、５つのヒステリシス要素１５の中央のヒステリシス要素内の応力が、他の４つのヒステリシス要素における応力と同じ数値となり、負荷を受けたときのヒステリシス要素１５の変形を均一にすることができる。

図５に示されるエネルギー吸収装置１０は、本発明の第四の実施形態であり、図３に示されている装置をさらに発展させたものである。要素はすべて変更されていないが、拘束管３５の代わりに、２つまたはそれ以上の横方向の抑制手段９０が使用されている。これらの横方向の抑制手段９０は少なくとも、外側および中央のヒステリシス要素１５が結合される端を接続し、それによって同じヒステリシス要素１５の端が横方向に変形するのを防止する。それより多くの横方向の抑制手段９０を取り付けて、図５に示されるように、外側および中央のヒステリシス要素１５の両方の中間部分も相互接続し、それによって、座屈に対する抵抗力を自在に増大させてもよい。このことは、エネルギー吸収装置の安定性を損なわずに、拘束管３５を除去できる理由を正当化するものである。このようにして、拘束管とヒステリシス降伏要素との間の望ましくない摩擦力が回避される。

図６は、図５に示されるヒステリシス要素１５の外端と横方向の抑制手段９０との間の接続の詳細図である。接続は、溶接継手７５によって形成される。

図７は、本発明のエネルギー吸収装置１０の第五の実施形態を示しており、３つのヒステリシス要素１５は、同心円状に配置された３つの管３０である。管３０は、鋼鉄製クラウンと鋼鉄製板片７０によって相互接続される。同心円状に組み立てられた管３０の最も内側には安定化材料５０が充填され、それによって最も内側の管３０の変形が防止され、その最も内側の管３０と、したがってエネルギー吸収装置１０全体の座屈に対する抵抗が増大する。

図８は、図７に示されるエネルギー吸収装置の、切断線Ａ−Ａに沿った断面図である。図８ａおよび図８ｂは、管３０の２種類の形状を示している。図８ａは、同心円状に組み立てられた円形の管３０を示し、その最も内側の管３０に安定化材料５０が充填されている。図８ｂは、同心円状に組み立てられた正方形の管３０を持つエネルギー吸収装置１０の実施形態を示しており、管３０の最も内側のものには同様に安定化材料５０が充填されている。

図９ａおよび９ｂは、図７の第五の実施形態の外側および中央の管状ヒステリシス要素の詳細を示しており、この図の目的のために、これはその上端において単純に突合せ溶接１２５によって相互接続されていると考えるものとする。図９ａにおいて、外側管には圧縮力１１５が加わり、その一方で、中央の管（この図では内管）には引張力１１０が加えられている。この負荷条件下では、相互接続された管の円形の上端の直径は、半径方向に分散する局所的偏心度によって半径方向に内側に向かう曲げモーメントの影響により減少する。この効果は、図１ｄに示されているものと同様である。

図９ｂは、加えられる力を逆転させた場合の効果、すなわち、外側管に加えられる引張力１１０と内側管に加えられる圧縮力１５０を示している。このような負荷条件下では、相互接続された管の円形の上端の直径は、半径方向に外側に向かう曲げモーメントの影響により増大する。

特筆すべき点として、図の負荷の何れの場合においても、半径方向の変形は読者の利益のために意図的に拡大されているが、上述のような半径方向に外側または内側に曲がることは、望ましくない効果を有する。これは、同心円状に配置された管状のヒステリシス要素３０同士を接触させ、望ましくない摩擦力を生じさせる。

上記の事柄はすべて、図７に示される第五の実施形態において管状のヒステリシス要素３０を相互接続するために、正確には、それらの端の半径方向の変形による、環状のヒステリシス要素３０間の干渉を回避するために、硬質の鋼鉄製クラウンと鋼鉄製板片７０を採用する必要性を裏付けている。

図１０において、本発明のエネルギー吸収装置１０の別の実施形態が示されており、これは図７に示される装置１０とほとんど同じであるが、図１０の形態はさらに、硬質の継手６５と衝撃伝達ユニット１０５を含む。これらの硬質の継手６５は、鋼鉄製クラウンおよび鋼鉄製板片７０により形成されており、これらは図７に示される鋼鉄製クラウンおよび鋼鉄製板片７０より厚い。これは、図９ａおよび９ａに示される望まれない変形を減少させるのに役立つ。さらに、これによって、管状のヒステリシス要素３０間の間隙を小さくすることができるため、コンパクトな設計が可能となる。

図１０示される衝撃伝達ユニット１０５により、エネルギー吸収装置１０は、それほど抵抗せずに、接続されている構造的要素の低速移動に対応でき、地震による変位をヒステリシス要素に伝達できるため、これらに関連するエネルギーの大部分を吸収することができる。

図１１は、当業界で知られている座屈拘束ブレース２００を示す。この座屈拘束ブレース２００は、ライナ降伏鋼心２１５を含み、これは座屈防止手段としての拘束管２３５によって取り囲まれる。鋼心２１５と拘束管２３５との間の空間には安定化材料２５０が充填されている。直線的なヒステリシス要素が外力を受けて組成変形する時の摩擦力を回避するために、降伏鋼心２１５はアンボンド材２５５でコーティンクされている。座屈拘束ブレース２００は、１つの降伏鋼心２１５を含んでいるため、前記座屈拘束ブレース２００の全長は、その変位対応能力と比べて長い。

１０ エネルギー吸収装置
１５ ヒステリシス要素またはヒステリシス要素
２０ 圧縮されているヒステリシス要素
２５ 引っ張られているヒステリシス要素
３０ 管／管状の要素
３５ 拘束管
４０ 内側拘束管
４５ 外側拘束管
５０ 安定化材料
５５ アンボンド材および／またはスライディングパッド
６０ 延長部
６５ 硬質の継手
７０ 鋼鉄製クラウン／鋼鉄製板片
７５ 溶接継ぎ手
８０ 曲げモーメント
８５ 分散された半径方向の曲げモーメント
９０ 横方向の抑制手段
９５ 端コネクタ
１００ 拘束鋼管固定点
１０５ 衝撃伝達ユニット
１１０ 引張力
１１５ 圧縮力
１２０ 縦軸
１２５ 突合せ溶接
２００ 座屈拘束ブレース（最新技術）
２１５ 降伏鋼心
２３５ 拘束管
２５０ 安定化材料
２５５ アンボンド材
ａ 移動終端までの距離
ｅ 偏心度

Claims (14)

1. 少なくとも１つのヒステリシス要素（１５）を有し、その軸方向の可塑変形を通じて、座屈せずにエネルギーを吸収できるエネルギー吸収装置（１０）において、
   エネルギー吸収装置（１０）は少なくとも３つのヒステリシス要素（１５）を含み、これらは、外的負荷がエネルギー吸収装置（１５）にかけられた時に、少なくとも1つのヒステリシス要素（１５）が圧縮され、それと同時に少なくとももう1つのヒステリシス要素（１５）が引っ張られるように直列に相互接続されることを特徴とするエネルギー吸収装置（１０）。
2. 請求項１に記載のエネルギー吸収装置において、
   ヒステリシス要素（１５）は相互に平行に配置されることを特徴とするエネルギー吸収装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のエネルギー吸収装置において、
   ヒステリシス要素（１５）は相互に横並びに配置されることを特徴とするエネルギー吸収装置。
4. 請求項１または請求項２に記載のエネルギー吸収装置において、
   少なくとも１つのヒステリシス要素（１５）は他のヒステリシス要素と同心円状に配置されることを特徴とするエネルギー吸収装置。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載のエネルギー吸収装置において、
   少なくとも１つのヒステリシス要素（１５）は金属または合金で製作されることを特徴とするエネルギー吸収装置。
6. 請求項４または請求項５に記載のエネルギー吸収装置において、
   同心円状に配置されたヒステリシス要素（１５）は管（３０）により形成されることを特徴とするエネルギー吸収装置。
7. 請求項６に記載のエネルギー吸収装置において、
   １つまたは複数の管（３０）の中央部分が縦方向に切り込まれていることを特徴とするエネルギー吸収装置。
8. 請求項１〜７の何れか１項に記載のエネルギー吸収装置において、
   エネルギー吸収装置は降伏防止手段を含むことを特徴とするエネルギー吸収装置。
9. 請求項８に記載のエネルギー吸収装置において、
   少なくとも１つのヒステリシス要素（１５）の最も内側のものは、降伏防止手段として安定化材料（５０）が充填されていることを特徴とするエネルギー吸収装置。
10. 請求項８または請求項９に記載のエネルギー吸収装置において、
    降伏防止手段は、少なくとも１つのヒステリシス要素（１５）を取り囲む拘束管（３５）を含み、ヒステリシス要素（１５）と拘束管（３５）との間の空間の少なくとも一部に安定化材料（５０）が充填されていてもよいことを特徴とするエネルギー吸収装置。
11. 請求項８〜１０の何れか１項に記載のエネルギー吸収装置において、
    降伏防止手段は、少なくとも２つのヒステリシス要素（１５）を相互接続する少なくとも１つの横方向の抑制手段（９０）を含むことを特徴とするエネルギー吸収装置。
12. 請求項１〜１１の何れか１項に記載のエネルギー吸収装置において、
    少なくとも１つのヒステリシス要素（１５）はその表面のうちの少なくとも１つに潤滑剤および／またはアンボンド材および／またはスライディングパッド（５５）を含み、それによって、外的負荷を受けている時に、少なくとも１つのヒステリシス要素（１５）と、安定化材料（５０）および／または拘束管（３５）および／またはその他のヒステリシス要素（１５）との間の相対移動中に発生する摩擦力が軽減されることを特徴とするエネルギー吸収装置。
13. 請求項１〜１２の何れか１項に記載のエネルギー吸収装置において、
    少なくとも２つのヒステリシス要素（１５）を直列に接続する、２つのヒステリシス要素を相互に接続する少なくとも１つの鋼鉄製クラウンおよび／または鋼鉄製板片（７０）によって形成される硬質の継手（６５）を含むことを特徴とするエネルギー吸収装置。
14. 請求項１〜１３の何れか１項に記載のエネルギー吸収装置において、
    エネルギー吸収装置（１０）は、低速移動には対応し、ほとんど変化されない、突発的移動は伝達する衝撃伝達手段を含むことを特徴とするエネルギー吸収装置。
    

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