JP2711712B2 - 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、建築物等の上部構造と基礎等の下部構造
との間に介装されて構造系に作用する地震・風荷重等の
振動エネルギーを吸収するいわゆる構造物用エネルギー
吸収装置に関し、更に詳しくは、鉛の塑性変形を利用し
たエネルギー吸収装置に関する。

〔従来の技術〕

鉛の塑性変形を利用したエネルギー吸収装置は、例え
ば特公昭58−30470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、相対変位
する対象物の変位がそのまゝロッドに伝わる構成になっ
ているので、ロッド表面と鉛との摩擦力が支配的となっ
て鉛を塑性流動化するための所定の力を得ることができ
ない場合があり、このため有効な減衰性能を発揮できな
いでいる。変位量に合わせたロッドの移動量（ストロ
ーク）を確保する必要があり、大変位になるとその変位
量に見合うロッド長さが必要となり、また座屈強度の観
点よりロッド径が大きくなり、その結果摩擦力が増大す
る。シリンダー構造であるので、所定のストロークに
対し、装置の寸法は該ストロークの数倍（通常４倍以
上）の長さとなり、装置が徒らに大型化する、等の問題
点がある。

一方、容器内に封入された鉛を回転体によって流動化
させ、この流動化した鉛を断面縮小部いわゆるオリフィ
ス部を通過させてその際のエネルギー吸収により周期エ
ネルギーを吸収する提案もなされているが、該技術にお
いては鉛の流動化に伴う内圧の急激な増大に対抗する容
器の密封化・耐圧化に問題がある。

また、上記のいずれの技術においても一方向の変位に
適用されるものであり、全方向に変位する構造物系には
適していない。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明は上述した実情に鑑み、この種エネルギー吸収
装置において、方向に対して制約を受けず全方向への変
位に対しても適用され、かつエネルギー吸収能が均等化
され、高い密封性を要求されない構造物用エネルギー吸
収装置を得ることを目的とするものである。

本発明は更に、このようにして得たエネルギー吸収装
置を利用し、かつ、このエネルギー吸収装置に適合する
免震構造を得ることもその目的の一つとする。

ロ．発明の構成 〔問題点を解決するための手段〕 本発明は上述した目的を達成するべく、以下の技術手
段（構成）を採る。すなわち、相対変位する上部構造と
下部構造との間に介装されるエネルギー吸収装置であっ
て、前記上部構造の下面に取り付けられ、鉛直下方に向
かって開口するシリンダ穴を有する上部ハウジングと、
前記上部ハウジングのシリンダ穴内に摺動自在に嵌装さ
れるとともにそれ自体で揺動自在な玉継手と、前記玉継
手の揺動体に連動し、下方に一体的に延設されるととも
に、下端部に切欠き面をもって切り欠かれた大径の球体
部を有する揺動腕と、前記揺動腕の球体部を凹部内に揺
動自在に抱持し、該凹部の周壁面と底面と前記球体部の
下面の切欠き面とで囲まれた密閉された作動室を形成
し、下部構造に取り付けられる下部ハウジングと、前記
作動室内に密封される金属塑性物質と、からなることを
特徴とする。

この構成において、作動室は球体部の動きによっても
容積を変化させないものとされる。

〔作用〕

構造物間に地震動・風荷重などの強大な周期エネルギ
ーが作用して構造物間に相対的変位が生じると、揺動腕
は上部ハウジング及び玉継手を介してこの相対的変位の
方向に追従して揺動し、その下部の球体部の下面の作動
室の容積形態を変化させる。

作動室の容積形態の変化に伴い該作動室内の鉛は塑性
変形を受け、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。

しかして、この周期エネルギーの吸収作用により本装
置に連動する構造物間の相対変位、換言すれば地震動等
による構造物の振動を吸収する。

〔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実施例） 第１図はその一実施例を示す。

図において、Ｇは建築物等の上部構造、Ｂは該上部構
造Ｇを適宜の支装置を介して支える基礎等の下部構造で
ある。

本実施例の構造物用エネルギー吸収装置Ｓはこれらの
上部構造Ｇと下部構造Ｂとの間に介装され、上部構造Ｇ
に作用する振動を吸収する機能を主体とするものであ
り、上部構造Ｇの荷重を支持する機能はない。

本エネルギー吸収装置Ｓは、上部構造Ｇに取り付けら
れる上部ハウジング１と、該上部ハウジング１に連動し
て摺動自在に装着されるとともにそれ自体で揺動自在な
玉継手３と、該玉継手３に連動するとともにその下部に
球体部６を有する揺動腕５と、該揺動腕５の球体部６を
回転自在に抱持し、内部に作動室７を有するとともに下
部構造Ｂに取り付けられる下部ハウジング８と、該下部
ハウジング８の作動室７内に密封状態で封入されている
鉛Ｐと、を含む。

以下、各部の詳細構造を説明する。

上部ハウジング１は、平板体10aと該平板体10aから垂
設される円筒状のシリンダ部10bとを有する上部取付け
体10と、該シリンダ部10b内に固設される円筒状のすべ
り軸受11とからなり、上部取付け体10は平板体10aの外
周のフランジ12に穿設されたアンカー挿通孔12aを介し
て、上部構造Ｇに埋設固定されたアンカーボルト13に螺
合されるナット14を締め付けて固定される。すべり軸受
11の内面は固体潤滑剤等をもってすべり加工されてな
る。

玉継手３は、揺動体としての玉部16と、該玉部16を抱
持しかつ回転自在に支承する軸受体17とからなり、上部
ハウジング１のすべり軸受11内に装入される。

もっと詳しくは、玉部16は球体状の玉本体16aの下部
から雄ねじ部16bが突設されてなり、軸受体17は玉本体1
6aをその上下から抱持するため２分割され、外軸受体18
と内軸受体19とからなる。

外及び内軸受体18,19の凹面18a,19aは玉本体16aの球
面に合致し、内軸受体19はその雄ねじ部19bをもって外
軸受体18の雌ねじ18bに螺合される。

しかして、外軸受体18の外周面20はすべり軸受11の内
面に摺動嵌合される。本実施例ではこのため、玉継手３
はすべり軸受け11を内面内をすべることになり、すべり
軸受11の内面がシリンダ穴を形成する。

揺動腕５は全体的に剛体に形成され、その上部の棒体
部22の上端に形成されたねじ凹部22aに玉継手３の雄ね
じ部16bが螺入され、両者は一体となる。なお、玉継手
３と棒体部22との一体化はその他の適宜手段、例えば溶
接等によることは自由である。

揺動腕５の下部の球体部６は下部の一部を切断面23を
もって切断されたいわゆる切欠き（切頭）球形状をな
す。球体部６の半径は十分に大きくされ、かつ、該切断
面23は揺動腕５の軸心に直交する。

下部ハウジング８は、上軸受体25と下軸受体26とから
なり、これらは取付けボルト27をもって一体とされると
ともに、下軸受体26のフランジ部28に穿設されたアンカ
ー挿入孔28aを介して、下部構造Ｂに埋設固定されたア
ンカーボルト29に螺合されるナット30を締め付けて固定
される。

上軸受体25の円筒状をなす本体部の内面には球体部６
の上半部の曲率に合致する凹部32が形成され、また、下
軸受体26の中央部に凹設される凹部33はその周壁面33a
が球体部６の曲率に合致し、底面33bは平面とされる。
該底面33bは揺動する球体部６の移動を許容するととも
に、可及的大きな面積となるようにして形成される。

これによって、球体部６は上軸受体25及び下軸受体26
の凹面32及び33aによって揺動自在に抱持される。

また、作動室７は球体部６の下面23と下軸受体26の凹
面33a及び底面33bによって囲まれる空間をもって形成さ
れる。留意されるべくは、作動室７は球体部６が揺動す
ることにより空間態様は変化するが、その容積は一定で
ある。

エネルギー吸収体としての鉛Ｐはこの作動室７内に充
填される。該鉛Ｐは、溶融した状態（融点327.5℃）で
作動室７内に鋳込まれるか、もしくは予め鋳型で鋳造さ
れたものを装入する方法が採られる。この使用される鉛
Ｐとしては純粋鉛の他に、鉛合金、あるいは鉛その他の
物質との混合物を含む。

なお、球体部６の下面23に臨む側面には環状の溝が形
成され、該溝に金属製のシール体35が装着される。

このように構成された本実施例のエネルギー吸収装置
Ｓは、次のように作動する。

地震あるいは風荷重等の強制振動力を受けて上部構造
Ｇが揺れると、この揺動運動は上部構造Ｇの動きに追従
して揺動する揺動腕５の下端の球体部６の回転運動とな
ってあらわれる。

今、上部構造Ｇが、第２図で左方向（イ方向）に平行
に変位したとすると、本装置Ｓは実線で示す状態とな
る。すなわち、玉継手３は上部構造Ｇと一体の上部ケー
シング１内にすべり軸受11とは上下動自在となってお
り、かつ、玉部16は軸受体17内に揺動自在となっている
ので、上部構造Ｇの水平移動に追従して移動する。ま
た、揺動腕５は剛体で、その下端の球体部６は下部ケー
シング８によって回転のみを許容して拘束されているの
で、揺動腕５は球体部６の球心を中心として反時計方向
に回転し、また、球体部６も回転する。

この球体部６の回転により、作動室７は容積形態を変
化させ、これに伴い作動室７内の鉛Ｐは塑性変形を受け
る。この塑性変形が始まると鉛Ｐは回復と組織の再結晶
化との相互作用により絶えず復元しようとし、このとき
の変形によりエネルギーが消費され、運動エネルギーが
吸収される。これにより、上部構造Ｇの左方向への運動
に制動がかかる。

上部構造Ｇが第２図の右方向（ロ方向）に変位する
と、本装置Ｓは破線で示すように、揺動腕５に並びに球
体部６は上述の逆の回転変位となり、鉛Ｐは逆方向に変
形し、右方向の運動に制動がかかる。

このようにして、上部構造Ｇの左右方向の揺れは急速
に減してゆく。前後方向の揺れも含む。

このような本装置Ｓの作動において、鉛Ｐを変形させ
る偶力は玉継手３の玉部16の球中心と球面体６の球中心
との距離ｒに依存するものであり、該偶力は大きな力で
あって鉛Ｐの変形は容易である。

また、本実施例装置Ｓでは、鉛Ｐの変形は断面縮小部
を持たず作動室７の容積形態の変化によるものであるの
で、内圧の急激な増大が起こらず、均等なエネルギー吸
収となる。従って、その結果、上部構造Ｇの揺れの制動
特性は滑らかなものとなる。

（第２実施例） 第３図及び第４図に本発明の他の実施例（第２実施
例）の構造物用エネルギー吸収装置を示す。図におい
て、先ず第１実施例と同等の部材については同一の符号
が付されている。

本実施例のエネルギー吸収装置Ｔにおいては、揺動腕
５の中間に互いに衝接する上部及び下部フランジ40,41
を介して、上部フランジ40より上部は第１実施例の構成
に準じ、下部フランジ41より下部は、一鉛直平面に沿っ
て動く構造とされていることを特徴とする。

すなわち、下部フランジ41に連接する揺動腕5Aは角柱
形状をなし、該揺動腕5Aの下端に両側面42が平行状に平
面とされた球体部6Aが一体的に固設される。43は該球体
部6Aの曲面部である。該球体部6Aは球体の両側面を截断
した形態のものであっても、また、通常の円板体であっ
てもよい。

下部ハウジング8Aにおいて、上軸受体25A及び下軸受
体26Aの前後の内面は、球体部6Aの曲面部43の曲率に合
致する凹部32,33とされるが、側面44,45は球体部6Aの側
面に当接する平面とされる。下軸受体26Aの凹部の底面3
3bが平板面であることは先の実施例に変わることがな
く、また、作動室７の容積が一定であることも先の実施
例に準じる。

以上の構成から明らかなように、揺動腕5Aひいては球
体部6Aは、該球体部6Aの両側方向への動きは規制され、
球体部6Aの曲面方向すなわち前後方向への動きを許容し
うる。

従って、本実施例装置Ｔの設置において、一方向への
移動性を示す上部構造Ｇ、例えば壁構造、橋桁等におい
ては、該構造物Ｇの移動方向と揺動腕5Aの移動方向とが
一致するように設置される。また、全方向への移動性を
示す上部構造Ｇであっても、本実施例装置Ｔを適用する
ことにより、一方向のみの移動を選択することができ、
該選択された方向と異なる方向への移動を規制すること
ができる。

このエネルギー吸収装置Ｓは構造物を支承する積層ゴ
ム支承と併用して免震システムを構成する。

すなわち、積層体よりなり、鉛直荷重に対しては高い
剛性を示すが、水平変位に対しては容易に変形するもの
であり、本装置Ｓと積属ゴム支承とは建築物の基礎部に
両者を対として、あるいは独立して配される。

この免震システムによれば、上部構造の荷重は積層ゴ
ムで支承され、上部構造の振動は本装置Ｓによって吸収
され、両者は互いにその機能を補い合って良好な免震シ
ステムを構成する。

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）上部ハウジング１のすべり軸受11を省略し、シリ
ンダ部10bの内面にすべり加工を施し、この面と玉継手
３とを摺接する態様を採ることができる。この場合シリ
ンダ部10bの内面がシリンダ穴を形成する。

（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。

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。

ハ．発明の効果 本発明の構造物用エネルギー吸収装置は、以下の特有
の効果を有する。

本装置によれば、水平方向の全方向の変位に対処で
き、構造物系への適用範囲が拡大する。

作動室内の容積形態の変化による鉛体の塑性変形が行
われるので内圧の急激な高まりがなく、エネルギー吸収
が均等化し、従って、制動作用が比較的穏やかに行われ
る。

上記と相まって、内圧の急激な高まりがないことか
ら、密封化が比較的簡単に行われ、それだけ製造に対す
る費用が低減できる。

揺動腕の腕長を適宜に変えることにより、本装置のエ
ネルギー吸収特性を容易に変更することができ、設計の
自由度が増大する。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の構造物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（第１実施例）の全体構造を
示す断面図、第２図はその作動状態を示す断面図、第３
図は他の実施例（第２実施例）の構造を示す断面図、第
４図は第３図のＸ−Ｘ線断面図である。 Ｇ……上部構造、Ｂ……下部構造、１……上部ハウジン
グ、３……玉継手、５……揺動腕、６……球体部、７…
…作動室、８……下部ハウジング、23……切欠き面、3
2,33……凹部、Ｐ……鉛

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】相対変位する上部構造と下部構造との間に
   介装されるエネルギー吸収装置であって、 前記上部構造の下面に取り付けられ、鉛直下方に向かっ
   て開口するシリンダ穴を有する上部ハウジングと、 前記上部ハウジングのシリンダ穴内に摺動自在に嵌装さ
   れるとともにそれ自体で揺動自在な玉継手と、 前記玉継手の揺動体に連動し、下方に一体的に延設され
   るとともに、下端部に切欠き面をもって切り欠かれた大
   径の球体部を有する揺動腕と、 前記揺動腕の球体部を凹部内に揺動自在に抱持し、該凹
   部の周壁面と底面と前記球体部の下面の切欠き面とで囲
   まれた密閉された作動室を形成し、下部構造に取り付け
   られる下部ハウジングと、 前記作動室内に密封される金属塑性物質と、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】相対変位する上部構造と下部構造との間に
   エネルギー吸収装置と支承とが介装され、 前記エネルギー吸収装置は、前記上部構造の下面に取り
   付けられ、鉛直下方に向かって開口するシリンダ穴を有
   する上部ハウジングと；前記上部ハウジングのシリンダ
   穴内に摺動自在に嵌装されるとともにそれ自体で揺動自
   在な玉継手と；前記玉継手の揺動体に連動し、下方に一
   体的に延設されるとともに、下端部に切欠き面をもって
   切り欠かれた大径の球体部を有する揺動腕と；前記揺動
   腕の球体部を凹部内に揺動自在に抱持し、該凹部の周壁
   面と底面と前記球体部の下面の切欠き面とで囲まれた密
   閉された作動室を形成し、下部構造に取り付けられる下
   部ハウジングと；前記作動室内に密封される金属塑性物
   質と；からなり、 前記支承装置はゴム板と鋼板との積層体からなるゴム支
   承である、 ことを特徴とする免震構造。