JP2022069921A - ダンパー構造 - Google Patents

Abstract

【課題】水平二方向へ安定した減衰性能を発揮させることを目的とする。
【解決手段】相対移動可能に構築された下部構造体１２と上部構造体１４との間に設けられ、上部構造体１４から下方へ突設された軸部材１６と、下部構造体１２に下端部が固定されて軸部材１６の周りに配置された複数の減衰材１８と、軸部材１６が挿入される孔部３０が形成され、複数の減衰材１８の上端部が固定された連結部材２０と、孔部３０に設けられ減衰材１８の中央部位置の高さで軸部材１６から連結部材２０へ水平力を伝達する荷重伝達部２２と、を有するダンパー構造１０。
【選択図】図１

Description

本発明は、ダンパー構造に関する。

免震建物や制振建物等の建物に設けられて、地震時にこの建物に発生する振動エネルギーを吸収してこの建物に減衰効果を与える減衰部材には、様々なものがある。

例えば、減衰部材として、免震用の鉛ダンパーや鋼材ダンパーなどがあるが、これらのダンパーは、繰り返し変形を受けると形状が大きく変形し、履歴特性が変化したりダンパーが破断したりするため、地震後に取り替えが必要となる可能性が高い。

また、例えば、減衰部材として、免震用のオイルダンパー、粘性ダンパーや、制振用のオイルダンパー、粘性ダンパー、粘弾性ダンパー、鋼材ダンパーなどがあるが、これらのダンパーは、水平一方向に対して減衰効果を発揮するものであるので、建物の水平二方向に対して同じ減衰効果を発揮させるためには、倍の数のダンパーを設ける必要がある。

さらに、例えば、減衰部材として、高減衰ゴム支承、鉛プラグ入りゴム支承、錫プラグ入りゴム支承などの減衰支承がある。これらの減衰支承は、水平二方向に対して減衰効果を発揮するものであるが、例えば、下階の梁と上階の梁との間に付加的にこれらの減衰支承を設置した場合、地震時に減衰支承に変動軸力が作用する。このため、地震時において減衰支承に水平変形とともに面圧変動が起こり、減衰支承の減衰特性が変動してしまうことが懸念される。また、減衰支承は、下階の梁と上階の梁との間に付加的に設けられて長期軸力がほとんど作用しない状態になっているので、引っ張り状態になり易く破断してしまうことが懸念される。

そして、この問題は、減衰支承が建物の外端部側にあるほど影響が大きくなるが、通常のダンパーは、建物の捻れる挙動を抑える目的で建物の外端部側に設置されることが望まれている。

これに対して、特許文献１には、弾性体の上部に設けられた上部フランジプレートの上面に隙間を形成して、上部構造物の鉛直荷重を弾性体に作用させないようにした支承装置が開示されている。

特開２００２－３８４１８号公報

しかし、この支承装置では、上部フランジプレートに水平力が作用することにより弾性体がせん断変形するので、弾性体が片持ち梁と同じ応力状態となり、大きく曲げ変形しつつ下端部の歪が大きくなるなどして安定した減衰性能を発揮できない。

本発明は、上記の事実を考慮し、水平二方向へ安定した減衰性能を発揮させることを目的とする。

第１態様に係るダンパー構造は、水平方向へ相対移動可能に構築された下部構造体と上部構造体との間に設けられたダンパー構造において、前記上部構造体から下方へ又は前記下部構造体から上方へ突設された軸部材と、前記下部構造体に下端部が固定され又は前記上部構造体に上端部が固定されて前記軸部材の周りに配置された、水平二方向へ減衰性能を発揮する複数の減衰材と、前記軸部材が挿入される孔部が形成されるとともに、前記軸部材の周りに配置された複数の前記減衰材の上端部又は下端部が固定された連結部材と、前記孔部の内周面又は前記軸部材の外周面に設けられ、前記減衰材の高さ方向に対する前記減衰材の中央部位置の高さで前記軸部材から前記連結部材へ水平力を伝達する荷重伝達部と、を有する。

第１態様に係るダンパー構造によれば、地震等により水平方向へ下部構造体と上部構造体とが相対移動すると、減衰材の高さ方向に対する減衰材の中央部位置の高さで荷重伝達部により軸部材から連結部材へ水平力が伝達される。

また、減衰材の上端部又は下端部は、連結部材に固定されており、上部構造体又は下部構造体と減衰材とは鉛直方向に対して直接連続していないので、上部構造体から長期鉛直力や地震時鉛直力が減衰材に直接作用しない。

これらにより、減衰材に変動軸力を作用させずに水平力のみを作用させることができ、減衰材は水平二方向へ安定した減衰性能を発揮させることができる。

また、減衰材は、軸部材の周りに複数配置されているので、本態様のダンパー（ダンパー構造）にねじれモーメントが加わることなく、水平二方向へ安定した減衰性能を発揮させることができる。

第２態様に係るダンパー構造は、第１態様に係るダンパー構造において、前記荷重伝達部は、前記孔部の内周面又は前記軸部材の外周面に設けられた、上下移動を許容するベアリング、又は滑り材により構成されている。

第２態様に係るダンパー構造によれば、孔部の内周面又は軸部材の外周面に設けられた、上下移動を許容するベアリング、又は滑り材により、軸部材から連結部材へ上下荷重を伝達させずに水平力のみを確実に伝達させることができる。

第３態様に係るダンパー構造は、第１又は第２態様に係るダンパー構造において、前記減衰材は、水平二方向へ減衰性能を発揮する減衰支承である。

第３態様に係るダンパー構造によれば、減衰支承により、水平二方向へ安定した減衰性能を発揮させることができる。

第４態様に係るダンパー構造は、第１又は第２態様に係るダンパー構造において、前記減衰材は、粘弾性体からなるブロック部材、又は粘弾性体と鋼板とを交互に積層して構成された粘弾性ダンパーである。

第４態様に係るダンパー構造によれば、粘弾性体からなるブロック部材、又は粘弾性体と鋼板とを交互に積層して構成された粘弾性ダンパーにより、水平二方向へ安定した減衰性能を発揮させることができる。

本発明は上記構成としたので、水平二方向へ安定した減衰性能を発揮させることができる。

一実施形態に係るダンパー構造を示す断面図である。 図１の２－２線断面図である。 一実施形態に係る連結部材を示す断面図である。 一実施形態に係るダンパー構造を示す断面図である。 一実施形態に係るダンパー構造の力学モデルを示す正面図である。 一実施形態に係るダンパー構造のモーメント図である。 比較例としてのダンパー構造の力学モデルを示す正面図である。 比較例としてのダンパー構造のモーメント図である。 図９（ａ）～（ｅ）は、一実施形態に係る連結部材のバリエーションを示す平面図である。 図１０（ａ）、（ｂ）は、一実施形態に係る連結部材のバリエーションを示す平面図である。 図１１（ａ）、（ｂ）は、一実施形態に係る連結部材のバリエーションを示す平面図である。 一実施形態に係る荷重伝達部のバリエーションを示す断面図である。 一実施形態に係る孔部のバリエーションを示す断面図である。 一実施形態に係る孔部のバリエーションを示す断面図である。 一実施形態に係るダンパー構造のバリエーションを示す断面図である。 一実施形態に係るダンパー構造のバリエーションを示す断面図である。

以下、図面を参照しながら、一実施形態に係るダンパー構造について説明する。

（ダンパー構造）
図１の断面図、及び図１の２－２線断面図である図２に示すように、ダンパー構造１０は、水平方向へ相対移動可能に構築された、下部構造体としての基礎スラブ１２と、上部構造体としての上階の梁１４との間に設けられている。

ダンパー構造１０は、軸部材１６と、減衰材としての高減衰ゴム支承１８と、連結部材２０と、荷重伝達部としての滑り材２２とを有して構成されている。

軸部材１６は、円柱状に形成された鋼棒により構成されており、上端部に設けられたフランジ２４が梁１４の下面にボルト固定されて梁１４から下方へ突設されている。

高減衰ゴム支承１８は、水平二方向へ減衰性能を発揮する減衰支承であり、基礎スラブ１２上に設けられた沓座２６上に下端部に設けられた下フランジ２８をボルト固定することにより、軸部材１６の周りに４つ配置されている。すなわち、基礎スラブ１２に高減衰ゴム支承１８の下端部が固定されている。

連結部材２０は、平面形状が正方形の板状に形成され、高減衰ゴム支承１８の剛性よりも十分に大きい剛性を有するコンクリート製部材である。また、連結部材２０の中心部には、連結部材２０を鉛直方向へ貫通する孔部としての貫通孔３０が円形孔状に形成され、この貫通孔３０に軸部材１６が挿入されている。

連結部材２０の下面には、高減衰ゴム支承１８の上端部に設けられた上フランジ３２がボルト固定されている。すなわち、連結部材２０には、軸部材１６の周りに配置された４つの高減衰ゴム支承１８の上端部が固定されている。

図２、及び図３の断面図に示すように、滑り材２２は、テフロン(登録商標）板材を環状にしたものであり、貫通孔３０の内周面３４に設けられている。軸部材１６は、滑り材２２の内周面３６上を鉛直方向に対して上下に摺動可能となっているので、鉛直力やモーメントは軸部材１６から連結部材２０へほとんど伝達されずに、水平力のみが伝達される。

図４の断面図に示すように、滑り材２２は、高減衰ゴム支承１８の高さ方向に対する高減衰ゴム支承１８の中央部位置の高さｈで軸部材１６から連結部材２０へ水平力Ｐが伝達される位置に設けられている。

図２及び図４に示すように、４つの高減衰ゴム支承１８は、軸部材１６から連結部材２０へ水平力Ｐが伝達された際に、本実施形態のダンパー（ダンパー構造１０）にねじれモーメントが加わらないように、軸部材１６を中心にしてバランスよく配置されている。

（効果）
次に、本実施形態の効果について説明する。

本実施形態のダンパー構造１０によれば、図４に示すように、地震等により水平方向へ基礎スラブ１２と梁１４とが相対移動すると、高減衰ゴム支承１８の高さ方向に対する高減衰ゴム支承１８の中央部位置の高さｈで荷重伝達部としての滑り材２２により軸部材１６から連結部材２０へ水平力Ｐが伝達される。

また、高減衰ゴム支承１８の上端部は連結部材２０に固定されており、梁１４と高減衰ゴム支承１８とは鉛直方向に対して直接連続していないので、梁１４から長期鉛直力や地震時鉛直力が高減衰ゴム支承１８に直接作用しない。

これらにより、高減衰ゴム支承１８に変動軸力を作用させずに水平力Ｐのみを作用させることができ、減衰材は水平二方向へ安定した減衰性能を発揮させることができる。

ここで、高減衰ゴム支承１８に変動軸力が作用しないことについて詳しく説明すると、図５の正面図に示すように、ダンパー構造１０の力学モデルは、力学モデル３８となる。力学モデル３８は、基礎スラブ１２上に支持された高減衰ゴム支承１８と、連結部材２０とを有して構成され、２つの高減衰ゴム支承１８間の距離をＬ、高減衰ゴム支承１８の高さをＨ、連結部材２０の剛な水平板部の高さをＤ、連結部材２０の剛な水平板部の下面から連結部材２０に水平力Ｐが伝わる位置までの長さ（＝連結部材２０の剛な水平板部の下面から高減衰ゴム支承１８の中央部位置の高さｈまでの長さ）をＨ／２としている。

そして、図６に示すモーメント図４０のように、力学モデル３８において、高減衰ゴム支承１８及び連結部材２０にモーメントＭ（斜線の領域）が生じる。

このモーメント図４０に示されているように、高減衰ゴム支承１８の高さ方向に対する高減衰ゴム支承１８の中央部位置の高さｈで連結部材２０に水平力Ｐが伝わり、また、連結部材２０の剛性が高減衰ゴム支承１８の剛性よりも十分に大きいことから、高減衰ゴム支承１８に生じる応力状態は理想状態に近いものとなり、高減衰ゴム支承１８に水平力Ｐが作用した際にこれに伴う変動軸力は高減衰ゴム支承１８に発生しない。

例えば、図７の正面図に示すように、基礎スラブ１２上に支持された高減衰ゴム支承１８と、連結部材２０とを有して構成され、高減衰ゴム支承１８の上方の位置で連結部材２０に水平力Ｐが伝わる力学モデル４２の場合、２つの高減衰ゴム支承１８間の距離をＬ、高減衰ゴム支承１８の高さをＨ、連結部材２０の剛な水平板部の高さをＤ、連結部材２０の剛な水平板部の上面から連結部材２０に水平力Ｐが伝わる位置までの長さをＨ／２とすると、図８に示すモーメント図４４のように、高減衰ゴム支承１８及び連結部材２０にモーメントＭ（斜線の領域）が生じ、高減衰ゴム支承１８には軸力Ｆ（＝Ｐ×（Ｈ＋Ｄ）／Ｌ）が発生してしまう。

また、本実施形態のダンパー構造１０によれば、図３に示すように、連結部材２０に形成された貫通孔３０の内周面３４に設けられた滑り材２２により、軸部材１６から連結部材２０へ上下荷重を伝達させずに水平力のみを確実に伝達させることができる。

さらに、本実施形態のダンパー構造１０によれば、図１に示すように、減衰材を高減衰ゴム支承１８とすることにより、水平二方向へ安定した減衰性能を発揮させることができる。

また、本実施形態のダンパー構造１０によれば、図２に示すように、軸部材１６を中心にして軸部材１６の周りに高減衰ゴム支承１８をバランスよく複数配置しているので、本実施形態のダンパー（ダンパー構造１０）にねじれモーメントが加わることなく、水平二方向へ安定した減衰性能を高減衰ゴム支承１８に発揮させることができる。

（変形例）
次に、上記実施形態の変形例について説明する。

上記実施形態では、図２に示すように、連結部材２０を平面形状が正方形の板状に形成された部材とした例を示したが、連結部材２０の平面形状は、どのような形状であってもよい。また、図２に示すように、減衰材としての高減衰ゴム支承１８を軸部材１６の周りに４つ配置した例を示したが、減衰材は、軸部材１６から連結部材２０へ伝達される水平二方向の水平力に対してダンパー（ダンパー構造１０）にねじれモーメントが加わらないように、軸部材１６を中心にして軸部材１６の周りにバランスよく複数配置されていればよい。例えば、連結部材２０の平面形状や、減衰材としての高減衰ゴム支承１８の配置は、図９（ａ）～（ｅ）、及び図１０（ａ）、（ｂ）の平面図に示す、連結部材４６、４８、５０、５２、５４、５６、５８のようにしてもよい。図１０（ａ）、（ｂ）の連結部材５６、５８においても、高減衰ゴム支承１８の高さ方向に対する高減衰ゴム支承１８の中央部位置の高さで軸部材１６から連結部材５６、５８へ水平力を伝達することにより、高減衰ゴム支承１８に変動軸力が作用することはなく、高減衰ゴム支承１８に安定した減衰性能を発揮させることができる。

また、上記実施形態では、図２に示すように、連結部材２０に１つの貫通孔３０を形成した例を示したが、貫通孔３０へ挿入された軸部材１６から連結部材２０へほぼ同時に水平力が伝達されるようにバランスよく配置できれば、連結部材２０に貫通孔３０を複数形成してもよい。例えば、図１１（ａ）、（ｂ）の平面図に示す連結部材６０、６２のようにしてもよい。

さらに、上記実施形態では、図１に示すように、減衰材を高減衰ゴム支承１８とした例を示したが、減衰材は、水平二方向へ安定した減衰性能を発揮できるものであればよい。例えば、減衰材は、免震支承の内で減衰性能を有する減衰支承である鉛プラグ入りゴム支承や錫プラグ入りゴム支承などとしてもよいし、粘弾性体からなるブロック部材としてもよいし、粘弾性体と鋼板とを交互に積層して構成された粘弾性ダンパーとしてもよいし、又は多段せん断型の粘弾性ダンパーとしてもよい。また、例えば、減衰材は、円形、正方形、長方形等のどのような平面形状を有するものであってもよい。

また、上記実施形態では、図３に示すように、貫通孔３０の内周面３４に設けられた荷重伝達部としての滑り材２２をテフロン(登録商標）板材により構成した例を示したが、荷重伝達部は、軸部材１６から連結部材２０へ上下荷重を伝達せずに水平力Ｐのみを確実に伝達させることができるものであればよい。例えば、荷重伝達部は、鋼材等の他の材料からなる滑り材により構成してもよいし、図１２の断面図に示すように、上下移動を許容するベアリング６４により構成してもよい。また、例えば、荷重伝達部は、軸部材１６との接触時に上下方向へは柔らかく変形し、連結部材２０に水平力は伝えるが軸力はほとんど伝えない（軸部材１６から連結部材２０へ小さな軸力しか伝えない）ゴム材により構成してもよい。さらに、荷重伝達部は、貫通孔３０の内周面に設けられていてもよいし、軸部材１６の外周面に設けられていてもよい。

さらに、上記実施形態では、図１に示すように、軸部材１６が挿入される孔部を、連結部材２０を鉛直方向へ貫通する貫通孔３０とした例を示したが、図１３の断面図に示すように、軸部材１６の下面と底部６６の上面との間に上下クリアランス６８を有するようにしていれば、孔部は有底の孔７０であってもよい。

また、図１４の断面図に示すように、貫通孔３０の内周面３４に滑り材２２を設けて、滑り材２２の内周面３６と軸部材１６の外周面７２との間に水平クリアランス７４を有するようにしてもよいし、軸部材１６の外周面７２に滑り材２２を設けて、滑り材２２の外周面と貫通孔３０の内周面３４との間に水平クリアランスを有するようにしてもよい。

このようにすれば、大地震時において建物の所定変位から付加的な剛性と減衰を建物に与えるフェールセーフ機構としてダンパー構造１０を機能させることができる。

さらに、上記実施形態では、図１に示すように、連結部材２０をコンクリート製部材とした例を示したが、連結部材２０は、高減衰ゴム支承１８の剛性よりも十分に大きい剛性を有するものであればよい。例えば、連結部材２０は、Ｈ形鋼や厚板鋼などの鋼材を有して構成された部材であってもよいし、Ｈ形鋼などの鋼材によって形成された枠部材の内側に鉄筋コンクリートを一体に設けて構成された部材であってもよい。図１５の断面図には、鋼板により構成された連結部材７８を備え、下部構造体としての下階の梁８０と上部構造体としての上階の梁８２との間に設けられたダンパー構造７６の例が示されている。

また、上記実施形態では、図１に示すように、下部構造体としての基礎スラブ１２と上部構造体としての上階の梁１４との間にダンパー構造１０を設けた例を示したが、ダンパー構造１０は、下部構造体と上部構造体との間に設けられていればよい。

例えば、下部構造体としての下階の梁と、上部構造体としての上階の梁との間にダンパー構造１０を設ければ、柱梁架構内に配置され水平二方向へ安定した減衰性能を発揮する制振ダンパーとすることができる。従来の柱梁架構内に配置されたブレース型の制振ダンパーは、水平一方向に対してにしか減衰性能を発揮することができない。

さらに、上記実施形態では、図１に示すように、減衰材としての高減衰ゴム支承１８を下部構造体としての基礎スラブ１２上に設けられた沓座２６上に固定して配置し、軸部材１６を上部構造体としての梁１４の下面に固定して突設した例を示したが、減衰材及び軸部材は、下部構造物や上部構造物に直接固定してもよいし、下部構造物や上部構造物に設けられた接続用構造体に固定してもよい。

また、上記実施形態では、図１に示すように、下部構造体としての基礎スラブ１２に減衰材としての高減衰ゴム支承１８の下端部が固定され、上部構造体としての上階の梁１４から下方へ軸部材１６が突設されたダンパー構造１０の例を示したが、ダンパー構造は、図１６の断面図に示すように、ダンパー構造１０の構成を上下逆にしたダンパー構造８４であってもよい。

ダンパー構造８４は、水平方向へ相対移動可能に構築された下部構造体としての基礎スラブ１２と上部構造体としての上階の梁１４との間に設けられ、基礎スラブ１２から上方へ突設された軸部材１６と、梁１４に上端部が固定されて軸部材１６の周りに設置された、水平二方向へ減衰性能を発揮する複数の減衰材としての高減衰ゴム支承１８と、軸部材１６が挿入される孔部としての貫通孔３０が形成されるとともに、軸部材１６の周りに設置された複数の高減衰ゴム支承１８の下端部が固定された連結部材２０と、貫通孔３０の内周面又は軸部材１６の外周面に設けられ、高減衰ゴム支承１８の高さ方向に対する高減衰ゴム支承１８の中央部位置の高さｓで軸部材１６から連結部材２０へ水平力を伝達する荷重伝達部としての滑り材２２と、を有している。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に限定されるものでなく、一実施形態及び各種の変形例を適宜組み合わせて用いても良いし、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。

１０、７６、８４ ダンパー構造
１２ 基礎スラブ（下部構造体）
１４、８２ 梁（上部構造体）
１６ 軸部材
１８ 高減衰ゴム支承（減衰材）
２０、４６、４８、５０、５２、５４、５６、５８、６０、６２、７８ 連結部材
２２ 滑り材（荷重伝達部）
３０ 貫通孔（孔部）
３４ 内周面
６４ ベアリング（荷重伝達部）
７０ 孔（孔部）
８０ 梁（下部構造体）
Ｐ 水平力
ｈ、ｓ 高さ

Claims (4)

1. 水平方向へ相対移動可能に構築された下部構造体と上部構造体との間に設けられたダンパー構造において、
   前記上部構造体から下方へ又は前記下部構造体から上方へ突設された軸部材と、
   前記下部構造体に下端部が固定され又は前記上部構造体に上端部が固定されて前記軸部材の周りに配置された、水平二方向へ減衰性能を発揮する複数の減衰材と、
   前記軸部材が挿入される孔部が形成されるとともに、前記軸部材の周りに配置された複数の前記減衰材の上端部又は下端部が固定された連結部材と、
   前記孔部の内周面又は前記軸部材の外周面に設けられ、前記減衰材の高さ方向に対する前記減衰材の中央部位置の高さで前記軸部材から前記連結部材へ水平力を伝達する荷重伝達部と、
   を有するダンパー構造。
2. 前記荷重伝達部は、前記孔部の内周面又は前記軸部材の外周面に設けられた、上下移動を許容するベアリング、又は滑り材により構成されている請求項１に記載のダンパー構造。
3. 前記減衰材は、水平二方向へ減衰性能を発揮する減衰支承である請求項１又は２に記載のダンパー構造。
4. 前記減衰材は、粘弾性体からなるブロック部材、又は粘弾性体と鋼板とを交互に積層して構成された粘弾性ダンパーである請求項１又は２に記載のダンパー構造。

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