JP2670851B2 - 構造物用エネルギー吸収装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 イ．発明の目的 〔産業上の利用分野〕 この発明は、建築物・配管等の構造物に作用する地震
等の周期的エネルギーを吸収するいわゆる構造物用エネ
ルギー吸収装置、特にはシリンダ型のエネルギー吸収装
置に関し、更に詳しくは、金属塑性物質のせん断変形に
伴うエネルギー吸収作用を利用したエネルギー吸収装置
に関する。

〔従来の技術〕 金属の塑性変形を利用したシリンダ型エネルギー吸収
装置は、特公昭58−30470号（特開昭48−72941号）公報
により公知である。

この公知技術によれば、シリンダと、このシリンダ内
の軸心方向に沿って貫通状に挿通されたロッドと、該シ
リンダとロッドとの空所に封入された鉛とからなり、シ
リンダとロッドとの相対移動により空所部に形成された
断面縮小部を通過することによって鉛がせん断変形さ
れ、このときのエネルギー消費によって周期エネルギー
を吸収するものである。

しかしながら、上記公知技術においては、例えばロッ
ドの突起物と位置がシリンダの中心にある場合と、シリ
ンダの両端部の近くにある場合によってエネルギー吸収
特性（荷重−変位曲線）が変わる等、一定の特性を発揮
させるためにシリンダ・ロッド・断面縮小部の諸元を一
義的に決め難く、減衰特性が安定しないという問題点が
ある。

更には、鉛の塑性流動化に伴う内圧の増大に対抗する
容器すなわちシリンダの密封化・耐圧化に問題がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明は上記実情に鑑み、この種のシリンダ型エネル
ギー吸収装置において、安定したエネルギー吸収特性が
得られ、かつ、厳密な密封精度を要することなく、長期
間安定した性能を維持できる機構のものを提供すること
を目的とする。

ロ．発明の構成 〔問題点を解決するための手段〕 本発明の構造物用エネルギー吸収装置は上記目的を達
成するため次の技術手段（構成）を採る。すなわち、相
対変位する構造物間に設定されるエネルギー吸収装置で
あって、一方の構造物に固定される直円筒状のシリンダ
１と、他方の構造物に固定され、前記シリンダ１内の中
心軸に沿って配される円柱状のロッド２と、前記シリン
ダ１とロッド２との環状空間に塑性流動物質を封入した
せん断変形室３を介して相対向して配されてなるゴム体
4,5と、前記シリンダ１とロッド２との間に介装され、
該ロッド２をシリンダ１の軸方向の移動を許容し半径方
向の移動を規定する規制手段と、からなることを特徴と
する。

〔作用〕

構造物間に地震動などの強大な周期エネルギーが作用
し、構造物が揺れると、構造物間の相対変位は本エネル
ギー吸収装置のシリンダ１とロッド２との軸線方向の相
対変位となる。

このシリンダ１とロッドとの相対変位により、鉛室３
に封入された鉛Ｐ及び該鉛室３の両側に配されたゴム体
4,5はそれぞれせん断変形を受け、鉛Ｐのせん断抵抗及
びゴム体4,5の変形抵抗に伴うエネルギー吸収作用によ
り周期エネルギーを吸収し、構造物間の揺れを減衰させ
る。

ゴム体4,5は弾性復元力によりシリンダ１とロッド２
とを原位置に復帰させる。

〔実施例〕

本発明の構造物用エネルギー吸収装置の実施例を図面
に基づいて説明する。

第１図〜第３図はその一実施例を示す。すなわち、第
１図はその全体構造を示し、第２図及び第３図はその部
分を示す。

このエネルギー吸収装置Ｓは、直円筒状のシリンダ１
と、該シリンダ１内の中心軸に沿って一端を突出して配
される円柱状のロッド２と、シリンダ１とロッド２との
環状空間に鉛Ｐを封入した鉛室３を介して相対向して配
される第１ゴム体４及び第２のゴム体５と、該第１及び
第２ゴム体4,5を固定保持する固定リング6,7と、を含
み、また、シリンダ１にはブラケット８が、ロッド２の
突出部にはブラケット９が取り付けられてなる。

以下、各部の細部構造について説明する。

シリンダ１は金属等の硬質体よりなり、その内面にお
いて、中央部に所定長さにわたって形成された縮径部10
を挟んで、両端部に向かって拡径部11及び雌ねじ部12が
形成される。雌ねじ部12の山と山との径すなわち最小径
は拡径部11の径と等しいか、それよりもわずかに大きく
される。11aは縮径部10と拡径部11との段部である。

シリンダ１の中心軸に沿って配されるロッド２は、正
規位置において、上述のシリンダ１の縮径部10、拡径部
11、雌ねじ部12に対応して、その外面にそれぞれ、拡径
部14、縮径部15、雄ねじ部16が形成される。雄ねじ部16
の山と山との径すなわち最大径は縮径部15の径と等しい
か、それよりもわずかに小さくされる。15aは拡径部14
と縮径部15との段部である。

ロッド２は一端に突出部17を有する。

せん断変形室としての鉛室３は、シリンダ１の縮径部
10とロッド２の拡径部14との間隙において、第１ゴム体
４及び第２ゴム体５によって狭まれる閉塞された環状空
間よりなり、該鉛室３にエネルギー吸収体としての鉛Ｐ
が封入される。使用される鉛Ｐは純粋鉛のほかに、鉛合
金あるいは鉛その他の物質との混合物を含む。

ゴム体4,5はともに同一の構成よりなり、外側スリー
ブ18と、内側スリーブ19と、これらのスリーブ18,19間
に介装されるゴム本体20とからなり、これらは加硫接着
により一体化されている。外側・内側スリーブ18,19は
所定の厚さを有し、外側スリーブ18の外径及び長さはシ
リンダ１の内側の拡径部11に等しく、内側スリーブ19の
内径及び長さはロッド２の外側の縮径部15に等しい。こ
れによって、ゴム体4,5はその外側スリーブ18をもって
シリンダ１の拡径部11に、また、内側スリーブ19をもっ
てロッド２の縮径部15に密接して嵌合される。

固定リング6,7はともに同一の構成よりなり、外側リ
ング22と内側リング23とからなり、外側リング22は外側
に雄ねじ22aが刻設され、シリンダ１の雌ねじ12に螺合
される。内側リング23は内面に雌ねじ23aが刻設され、
ロッド２の雄ねじ16に螺合される。外側リング22はその
鍔部22bの先端がゴム体４、５の外側スリーブ18に当接
され、内側リング23はその先端をゴム体４、５の内側ス
リーブ19に当接される。

外側リング22と内側リング23とは、互いにその内面22
cと外面23bとで摺接し、軸方向の変位を許容し、半径方
向への動き（ぶれ）は拘束される。

従って、固定リング6,7はゴム体4,5を鉛室３に向って
押圧するとともに半径方向の動きを規定する機能をもつ
ものであって、この機能を満足するならば他の適宜手段
を採りうる。

ブラケット８はシリンダ１の後部において、該シリン
ダ１嵌合された短筒25を介して、取り付けられ、ブラケ
ット９はロッド２の突出部17に嵌合固定によって取り付
けられる。

本実施例のエネルギー吸収装置Ｓの組立てにおいて、
シリンダ１内に外周面に鉛Ｐを固定したロッド２を挿入
し、ロッド２の両端からゴム体4,5をロッド２の縮径部1
5に嵌合させる。次いで、ロッド２の両端から固定リン
グ6,8の外側リング22及び内側リング23をシリンダ及び
ロッド２のねじ部12,16に螺合させる。外側・内側リン
グ22,23の締込みにより、ゴム体4,5をその先端面がシリ
ンダ１及びロッド２の段部11a,15aに当接するまで押し
込む。

しかる後、ロッド２の突出部17にブラケット９を取り
付けることにより、組立てが完了する。

（実施例の作用） 本エネルギー吸収装置Ｓはブラケット8,9を介して、
互いに相対運動する構造物間に設置される。

構造物間が地震動等の強大なエネルギーを受けて相対
変位すると、該変位はシリンダ１とロッド２とに伝達さ
れる。

シリンダ１とロッド２とは固定リング6,7の機能によ
り軸方向変位が選択され、鉛室３内の鉛Ｐ及びゴム体4,
5はこの変位に追従して変形させられる。すなわち、固
定リング6,7はそれらの外側リング22と内側リング23と
の摺接作用によって軸方向の動きのみが選択される。

第４図はこの動きを模式的に示す。今、ロッド２が図
中右方向（またはシリンダ１が左方向）へ移動したとす
ると、ゴム体4,5はこの変位に容易に追従するものであ
り、鉛Ｐはこれらのゴム体4,5間に拘束されたものであ
り、ゴム体4,5に押されて変形する。

図示されるように、これらの鉛Ｐ及びゴム体3,4の変
形はせん断変形であって、鉛Ｐはそのせん断変形のため
の抵抗エネルギーを消費し、また、ゴム体4,5はせん断
変形による弾性抵抗エネルギーを消費し、これらのエネ
ルギー消費により、ロッド２の運動に制動がかかる。

ロッド２が左方向へ移動する場合には上述と逆の変形
となり、この変形に伴う抵抗エネルギーの消費により左
方向への制動がかかり、このようにして、ロッド２の往
復動は急速に減衰される。

第５図はこれらの鉛Ｐ及びゴム体4,5のエネルギー吸
収特性（変位−せん断力履歴曲線）を示す。図におい
て、破線はゴム体4,5のみの履歴曲線であり、実線は鉛
Ｐとゴム体4,5との複合体の履歴曲線である。

図に示されるように、本複合体は大きなエネルギー吸
収能を示し、また、その勾配（水平剛性）はゴム単体の
ものと同等であり、特性値が確定されている。

従って、このことより、本エネルギー吸収装置の諸元
に対応して本装置ひいては複合体の特性値が確定され、
明確な設計をなすことができる。

本実施例装置Ｓの作動において、ロッド２はシリンダ
１の軸方向にぐら付くことなく移動が案内され、また、
ロッド２のねじれを許容するものである。

本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発
明の基本的技術思想の範囲内で種々設計変更が可能であ
る。すなわち、以下の態様は本発明の技術的範囲内に包
含されるものである。

（Ａ）第６図及び第７図にゴム体の他の構造を示す。

第６図に示すゴム体4Aは、鉛室３に対面する端面のゴ
ム本体20の端面20aを膨出状としたものである。この態
様によれば、膨出端面20aはその弾性力で常時鉛Ｐを予
圧し、ゴム体4Aと鉛Ｐとは一体的に変形し、本装置のエ
ネルギー吸収特性の応答速度を一層速めることができ
る。

第７図に示すゴム体4Bは、ゴム本体部20を補強板27と
ゴム弾性体28とを交互に積層したいわゆる積層ゴム構造
を採る。補強板27の端面は露出され、鉛Ｐに密着する。
この態様によれば、ゴム本体部20はより一層せん断変形
能が増大し、補強板27の鉛Ｐへの食込みも加わって鉛Ｐ
を確実に把持し、鉛Ｐの純せん断変形を促進させるとと
もに鉛Ｐに大きな変形能を付与させることができる。こ
れにより、本装置としては大きなエネルギー吸収能を発
揮させることができる。

（Ｂ）エネルギー吸収体として、鉛のほか、錫、亜
鉛、アルミニウム、ナトリウム、銅などの金属、鉛−
錫合金、亜鉛−アルミニウム−銅などの超塑性合金、あ
るいは、ガラスビーズ、金属粉（鋼球を含む）、セラ
ミック粒などの粒状物質、が使用される。更に、鉛、あ
るいは上記及びの物質が選ばれる場合は、これらの
物質の２以上の組合わせも可能である。においても、
２以上の組合わせも適宜採用される。

上記及びの物質をエネルギー吸収体として使用す
る場合においては、これらの物質は鉛体と同じくその塑
性流動化に伴うエネルギー吸収により減衰がなされる。

上記の粒状物質を使用する場合においては、密に詰
められた粒状物質相互間の摩擦による減衰機能を利用す
るものである。

ハ．発明の効果 本発明の構造物用エネルギー吸収装置は上記構成より
なり、作用を奏するものであるので、以下の特有の効果
を有する。

鉛室に封入された鉛は全体的に純せん断変形を受け、
かつ、ゴム体もせん断変形によるばね弾性特性を示すも
ので、エネルギー吸収特性が明確であり、本エネルギー
吸収装置を構成する各部材の諸元により一義的に定まり
設計上の自由度が向上する。

鉛は純せん断変形を受けることにより、上記と相ま
って、内圧の高まりが小さく、このため密封精度を厳密
にする必要がなく、本装置をかつ安価に製作することが
できる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の構造物用エネルギー吸収装置の実施例を
示し、第１図はその一実施例の縦断面図、第２図は第１
図のＡ−Ａ線断面図、第３図は第１図のＢ−Ｂ線断面
図、第４図はその作用を示す模式図、第５図は本実施例
装置のエネルギー吸収特性図、第６図及び第７図は本装
置に使用されるゴム体の他の態様図である。 １……シリンダ、２……ロッド、３……鉛室（せん断変
形室）、4,5……ゴム体、6,7……固定リング（規制手
段）、Ｐ……鉛（塑性流動物質）。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】相対変位する構造物間に設定されるエネル
   ギー吸収装置であって、 一方の構造物に固定される直円筒状のシリンダと、 他方の構造物に固定され、前記シリンダ内の中心軸に沿
   って配される円柱状のロッドと、 前記シリンダとロッドとの環状空間に塑性流動物質を封
   入したせん断変形室を介して相対向して配されてなるゴ
   ム体と、 前記シリンダとロッドとの間に介装され、該ロッドをシ
   リンダの軸方向の移動を許容し半径方向の移動を規定す
   る規制手段と、 からなることを特徴とする構造物用エネルギー吸収装
   置。
2. 【請求項２】ゴム体は補強板とゴム弾性体とが交互に環
   状に配されてなる請求項１に記載の構造物用エネルギー
   吸収装置。
3. 【請求項３】ゴム体のせん断変形室に当接する側面は膨
   出状に形成されてなる請求項１に記載の構造物用エネル
   ギー吸収装置。