JP2895268B2 - 塑性エネルギー吸収装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 イ．発明の目的 （１）産業上の利用分野 この発明は、超塑性材料の塑性変形を利用して構造物系
に生じる振動エネルギーを吸収する塑性エネルギー吸収
装置に関する。

【０００２】（２）従来の技術 超塑性材料の塑性変形を利用した塑性エネルギー吸収装
置は、例えば特公昭５８−３０４７０号（特開昭４８−
７２９４１号）公報及び特開平２−２６３３２号公報な
どにより公知である。前者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凸状部すなわち断面縮小部を通過
することによって鉛が塑性変形され、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。

【０００３】また、後者の公知技術によれば、鉛が封入
されるとともに該封入された鉛の回り止め手段を具備す
る作動室を有する密閉容器と、この密封容器を貫通して
前記作動室に延設されているとともに該作動室内におい
て凸状部すなわち抵抗翼が形成されてなる抵抗翼軸とか
らなり、前記密封容器と抵抗翼軸とは、それぞれ相対変
位する構造物に連動し、該構造物間の相対変位を回転変
位に変換するリンク機構を介して前記抵抗翼軸回りに相
対的に回転可能とされてなるものである。しかして、こ
れら公知のいずれの構造においても、相対変位する構造
物に連動する凸状部の移動に伴う鉛の塑性変形によるエ
ネルギー吸収を期待するものである。

【０００４】しかしながら、上記従来のエネルギー吸収
装置の特性を検討するに、該エネルギー吸収装置は鉛の
塑性変形によりエネルギーを吸収する構成を採るため、
前者においてはロッドに作用する軸力が、また、後者に
おいては抵抗翼軸の回転トルクが所期の値より増加する
傾向にあるばかりでなく、軸力あるいは回転トルクが変
動し、かつ、小振幅でのエネルギー吸収性能が著しく低
下する傾向にあることが判明した。すなわち、これらの
公知の構造においては、凸状部が鉛を塑性変形させる
際、凸状部の進行方向前方に鉛の盛り上がりが生じて軸
力並びに回転トルクを増加させ、また、凸状部の進行方
向後方に鉛の空隙が生じてこの空隙が不感領域となり、
エネルギー吸収特性の不安定化に関与しているとの知見
が得られた。

【０００５】（３）発明が解決しようとする問題点 本発明は上記知見に基づいてなされたものであり、この
種の超塑性材料のせん断変形によるエネルギー吸収装置
において、凸状部での鉛の盛り上がりや空隙の発生を防
止すること、換言すればエネルギー吸収特性の変動要因
を除去することにより、鉛の純せん断変形を実現化し、
これによってエネルギー吸収特性を安定化させ、かつ、
小振幅域でのエネルギー吸収能の発揮できる塑性エネル
ギー吸収装置を提供することを目的とする。

【０００６】 ロ．発明の構成 （１）問題点を解決するための手段 本発明の塑性エネルギー吸収装置は上述した目的を達成
するため、次の構成を採る。すなわち、相対変位する構
造物間に介装され、一方の構造物に連結される第１の作
動体と；他方の構造物に連結される第２の作動体と；こ
れらの両作動体間に作動室が形成され、該作動室内に充
填され該両作動体の相対変位によって塑性変形する超塑
性材料よりなる塑性変形部材と；からなるエネルギー吸
収装置であって、前記両作動体のうちの少なくとも一方
の作動体には前記作動室内に突出する突起部が形成さ
れ、該作動体と前記塑性変形部材との間には、前記作動
体の突起部の少くとも頂上部を覆う厚さに、該塑性変形
部材よりも塑性降伏応力が大きく、かつ該塑性変形部材
との結合力が該塑性変形部材の塑性降伏応力よりも大き
な結合層が形成されてなることを特徴とする。

【０００７】本発明の超塑性材料としては例えば鉛、鉛
合金、銀合金、アルミニウム合金、亜鉛合金、銅合金、
マグネシウム合金、すず合金等が挙げられる。本発明の
結合層は、前記超塑性材料よりも塑性降伏応力が大き
く、かつ該超塑性材料との結合力が該超塑性材料の塑性
降伏応力よりも大きな金属材料が使用される。前記超塑
性材料に対する結合層の材料としては、例えば、超塑性
材料として鉛が使用された場合は、鉛合金が好ましく用
いられ、超塑性材料としてアルミニウム合金が用いられ
た場合は、該アルミニウム合金よりも塑性降伏応力の大
きなアルミニウム合金が好ましく用いられる。

【０００８】（２）作用 構造物の相対変位により第１の作動体と第２の作動体と
の間に相対変位が生じると、該相対変位は結合層を介し
て塑性変形部材に伝達される。結合層は塑性変形部材よ
りも塑性降伏応力が大きく、かつ結合層と塑性変形部材
との結合力は、塑性変形部材の塑性降伏応力よりも大き
いので、結合層における盛り上がり・空隙が生じること
がなく、前記相対変位はそのまま塑性変形部材へと伝達
され、塑性変形部材は純せん断塑性変形をなす。そし
て、この塑性変形部材の純せん断塑性変形に伴うエネル
ギー消費により構造物間の相対変位は速やかに減衰され
る。

【０００９】（３）実施例 本発明の塑性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） 図１〜図４はその一実施例の塑性エネルギー吸収装置
（以下、単に「エネルギー吸収装置」という）を示す。
すなわち、図１及び図２はその外形構造を示し、図３及
び図４はその内部構造を示す。本実施例のエネルギー吸
収装置Ｓは、第１の取付け部材１と；第２の取付け部材
２と；これらの取付け部材１，２間に介装され、本体部
３と腕部４とからなる回転体５（第１の作動体）と；を
含む。

【００１０】以下、各部の細部構造を説明する。第１の
取付け部材１は、基部１０と、該基部１０に一体的に立
設され所定間隔を存して相対する一対の支持部１１とか
らなり、該支持部１１の上部には軸孔１２が穿設され、
該軸孔１２に作動軸１３が挿通される。軸孔１２と作動
軸１３との固定は強固になされ、両者間にキー１４が装
入され、作動軸１３と軸孔１２との相対回転が阻止され
る。なお、基部１０は本エネルギー吸収装置Ｓの組立て
の関係上１０ａにおいて分割されているが、所定の組立
てがなされれば該１０ａは溶着等によって一体化され
る。第２の取付け部材２は、平板状をなし、両端部にそ
れぞれ軸孔１６，１７が穿設され、軸孔１７内には連結
軸１８が軸受ブッシュ１９を介して回転自在に挿通され
る。回転体５は全体的に内部に鉛を封入した密封容器を
なし、本体部３には作動軸１３が挿通され、腕部４には
連結軸１８が挿通され、第１・第２取付け部材１，２間
に回転可能に装着される。

【００１１】もっと詳しくは、該回転体５はその全体が
作動軸１３の軸心に垂直な面（回転面）に沿って２分割
（５Ａ，５Ｂ）されてなり、本体部３において作動軸１
３を受け入れる軸孔２０が、また、腕部４には連結軸１
８を受け入れる軸孔２１が、互いに距離Ｌをもって相隔
てて開設されている。該軸孔２０，２１にはそれぞれ軸
受けブシュ２２，２３を介して作動軸１３と連結軸１８
とが嵌挿される。回転体５の分割体５Ａ，５Ｂは本体部
３においてそれぞれ、軸孔２０の中心と一致して、相対
接する面内に、かつその内周壁面に隆起部２５が突設状
に形成され、実質的に円形状をなす鍋状凹部２６が凹設
され、これらの相対面する２つの鍋状凹部２６により作
動室２７が形成される。従って、該作動室２７は円筒状
の密閉された空間となる。この作動室２７内において、
作動軸１３回りには、四方に向けて作動突起２９が放射
状に突設された作動部材３０が固定的に取り付けられ
る。本実施例では作動部材３０はキー３１を介して作動
軸１３に固定されるが、他の固定手段を採用することは
自由である。また、該作動突起２９並びに作動部材３０
の幅は作動室２７の幅と実質的に一致し、隙間を形成し
ない。本実施例における作動軸１３、作動突起２９並び
に作動部材３０が第２の作動体を構成する。

【００１２】しかして、この作動部材３０の周りには、
所定の厚さでＰｂ−Ｓｎ合金よりなる結合層３３が形成
され、その外周には鉛よりなる塑性変形部材３４が作動
室２７内に密に封入され、該作動室２７の内周面に形成
された隆起部２５に係合する。Ｐｂ−Ｓｎ合金よりなる
結合層３３は、塑性変形部材３４である鉛よりも塑性降
伏応力が大きく、かつ、鉛とは極めて強力な結合力を有
する。その結合力は鉛の塑性降伏応力より大きい。この
ような特性を有するＰｂ−Ｓｎ合金としては、Ｓｎの割
合が３０％以上のものが好ましく、特に、Ｐｂ−６０Ｓ
ｎ合金が好適なものとして用いられる。また、Ｐｂ−Ｓ
ｎ合金の塑性降伏応力は鉛のそれに比べて２倍以上のも
のが好ましいものとして用いられる。

【００１３】以上、塑性変形部材３４を鉛、結合層３３
をＰｂ−Ｓｎ合金にて形成した例を示したが、塑性変形
部材３４と結合層３３の組合わせは、例えばＡｌ−３３
Ｃｕ−７Ｍｇ合金とＡｌ−４Ｃｕ−０．５Ｍｇ合金、Ｃ
ｕ−１５Ｎｉ−３７．５Ｚｎ合金とＣｕ−８Ｓｎ−０．
０３Ｐ合金等でもよい。結合層３３は作動突起２９の頂
部を覆う厚さとされる。換言すれば、作動突起２９の頂
部を同一半径で結ぶ包絡線（第４図二点鎖線表示）の外
方にまで充填される。しかして、結合層３３と塑性変形
部材３４とは境界面３５をもって結合されることにな
り、その結合力は前記した特性を示す。

【００１４】このように構成された本エネルギー吸収装
置Ｓは、相対変位する構造物間に、その第１及び第２取
付け部材１，２を介して設置される。すなわち、第１取
付け部材１は一方の構造物に静止態様で取り付けられ、
第２取付け部材２は他方の構造物に可動態様で取り付け
られる。これにより、第２取付け部材２は構造物から該
取付け部材２の長手方向に変位を受け、回転体５に回転
力を与える。

【００１５】次に、本実施例のエネルギー吸収装置Ｓの
作用について説明する。構造物に地震動等の周期的強制
振動力が作用すると、第２取付け部材２が該取付け部材
２の長手方向に変位を受け、該第２取付け部材２・連結
軸１８・回転体５の腕部４により構成されるリンク機構
により回転体５は作動軸１３回りに回転することにな
る。この回転により、回転体５の作動室２７内の塑性変
形部材３４はその外周部が該作動室２７の内周面に形成
された隆起部２５によって滑りが阻止され、一体となっ
て回転する。一方、作動部材３０並びに結合層３３は静
止されたものであるので、作動室２７において塑性変形
部材３４と結合層３３との間に相対的移動が起こり、塑
性変形部材３４は純せん断塑性変形する。

【００１６】ところで、作動室２７の隆起部２５の頂部
を同一半径で結ぶ包絡線に働くせん断応力は、結合層３
３と塑性変形部材３４との境界面３５に働くせん断応力
に比べて小さいため、隆起部２５には鉛の盛り上がりや
空隙が生じることがなく、安定したエネルギー吸収特性
を示す。これは、隆起部２５の包絡線の半径が結合層３
３と塑性変形部材３４との境界面の半径に比べて大きい
ことに起因する。従って、本実施例において、該隆起部
２５の包絡線の半径と、結合層３３と塑性変形部材３４
との境界面３５の半径との比率が僅かで、隆起部２５に
鉛の盛り上がりや空隙が生じるおそれがある場合には、
本発明思想に照らし、該隆起部２５と塑性変形部材３４
との間に結合層が適宜設けられうる。

【００１７】しかして、この塑性変形部材３４における
鉛の純せん断塑性変形に伴うエネルギー消費により回転
体５の回転動は減衰され、ひいては構造物間の相対変位
が減衰される。上記の変位は周期的なものであり、従っ
て、回転体５は周期的回転運動となるが、上述の鉛の純
せん断塑性変形に伴うエネルギー消費により、この周期
的回転運動は速やかに減衰される。

【００１８】本実施例装置Ｓにおいては、結合層３３を
介することにより作動突起２９周辺の不感領域が生じる
ことはなく、かつ、塑性変形部材３４において純せん断
変形が実現されるので、安定したエネルギー吸収持性を
発揮することができる。また、境界面３５は塑性変形部
材３４に対して変形応力を確実に伝達するので、小振幅
でのエネルギー吸収性能が向上する。また、作動軸１３
と連結軸１８間のアーム長Ｌを適宜に変えることにより
偶力の大きさを調整することができ、鉛をせん断変形さ
せるに足る所要の回転モーメントを得ることができる。
なお、本実施例装置Ｓにおいて、結合層３３の厚さを作
動突起２９を覆う厚さとしたが、作動突起２９の頂部と
一致させるまで小さくすることができる。また、作動室
２７は円筒状空間をなし、内周壁に隆起部２５を形成し
たが、塑性変形部材３４と作動室２７の内周壁との間に
滑りが生じないような措置、例えば作動室２７の内周壁
を角筒状にするなどの別途の係合手段を講じ、隆起部２
５を省略することも可能である。

【００１９】（第２実施例） 図５〜図７は本発明の他の実施例（第２実施例）を示
す。このエネルギー吸収装置Ｔは、２つの相対向する回
転体４０と；該回転体４０の回転中心を保持する回転中
心ピン４１と；該回転体４０相互間に形成された作動室
４２内に結合層４３を介して封入される塑性変形部材４
４（４５は結合層４３と塑性変形部材４４間の境界面）
並びにゴム弾性体４６と；を主要構成要素として含むと
ともに、更には、回転体４０相互を互いに逆回転駆動す
るリンク機構４７、及び回転体４０の外側に嵌合保持さ
れる連結リング４８を含む。本実施例においては２つの
回転体４０がそれぞれ第１・第２作動体を構成する。

【００２０】以下、各部の細部構造について説明する。
回転体４０は円板状をなし、中心部に中心孔５０が開設
され、この中心孔５０の中心軸を一致させて相対向して
配される。回転体４０の相対向する内面側には、この中
心孔５０に連通するとともに、中心孔５０を中心とする
円筒状の鍋状凹部５１が凹設される。この鍋状凹部５１
の底面５１ａには中心孔５０の中心から外周に向かって
放射状に延びる凸部５２が突設されている。凸部５２の
高さは鍋状凹部５１の深さよりも小さい。凸部５２は外
径方向に至るにつれ幅が漸増するが、この態様に限定さ
れない。そして、鍋状凹部５１は相対向して作動室４２
を構成する。

【００２１】回転体４０の外縁部にはフランジ５３が連
続状に張設され、このフランジ５３に連結リング４８が
嵌合されるが、該連結リング４８は回転体４０相互が互
いに逆回転するのを摺動案内するとともに、回転体４０
相互の間隔を拘束する役目を果たす。該連結リング４８
は円周方向に多分割（本実施例で２分割）され、周端部
において接合部材５４をもって着脱可能とされる。

【００２２】回転体４０の中心孔５０にはスリーブ５６
を介して回転中心ピン４１が挿通される。該回転中心ピ
ン４１はボルト５７・ナット５８よりなり、ボルト５７
の杆部をスリーブ５６に挿通し、ナット５８により固定
保持している。

【００２３】作動室４２内には、結合層４３、塑性変形
部材４４及びゴム弾性体４６が封入される。もっと詳し
くは、環状体をなすゴム弾性体４６は、相対向する回転
体４０の鍋状凹部５１の周壁部に沿って配されるととも
に、このゴム弾性体４６とスリーブ５６との空隙に結合
層４３と塑性変形部材４４が封入される。なお、ゴム弾
性体４６は回転体４０に接着剤をもって強固に固着さ
れ、その弾性復元力による初期位置への復帰作用も兼ね
る。作動室４２内においてゴム弾性体４６内に、Ｐｂ−
Ｓｕ合金よりなる結合層４３と鉛よりなる塑性変形部材
４４とが境界面４５をもって区画されて充填される。す
なわち、結合層４３は相対向する鍋状凹部５１の底面５
１ａ側に凸部５２を十分に埋める厚さを存して充填さ
れ、これらの結合層４３間に塑性変形部材４４が介装さ
れてなる構成を採る。

【００２４】リンク機構４７については、一方の回転体
４０の外面に、２つのリンクバー６０，６１が、回転中
心ピン４１を挟んで径方向の対称位置に、かつ両端近傍
部に回転ピン６２，６３を介して回転可能に枢着され
る。また、他方の回転体４０の外面には、同じく２つの
リンクバー６５，６６が、回転中心ピン４１を挟んで、
前記リンク６０，６１と直交するように径方向の両端近
傍部に回転ピン６７，６８を介して回転可能に枢着され
る。これらの回転ピン６２，６３，６７，６８は回転体
４０に埋込み固着される。そして、これらのリンクバー
６０，６１，６５，６６の相互は枢着ピン７０，７１，
７２，７３によって互いに枢着される。すなわち、リン
クバー６０と６５とは枢着ピン７０で、リンクバー６０
と６６とは枢着ピン７１で、リンクバー６１と６５とは
枢着ピン７２で、そして、リンクバー６１と６６とは枢
着ピン７３で、それぞれ枢着されている。以上によっ
て、４本のリンクバー６０，６１，６５，６６は四節連
鎖を構成する。これらの枢着ピン７０〜７３の回りには
スリーブ７５が回転自在に外嵌され、該スリーブ７５に
構造物の斜材との結合を図る介装部材７７が固設され
る。

【００２５】このように構成された本実施例のエネルギ
ー吸収装置Ｔの作用は次のようである。相対向する介装
部材７７Ａ，７７Ｂが互いに圧縮・引張りを交番的に受
けると４本のリンクバー６０，６１，６５，６６よりな
る四節連鎖を変形させ、２つの回転板４０を互いに逆方
向に回転させる。回転板４０相互の逆回転変位は、鍋状
凹部５１の底面凸部５２により一体回転可能に連結され
た結合層４３を介して塑性変形部材４４に伝達され、該
塑性変形部材４４において純せん断変形を引き起こす。
この塑性変形に伴うエネルギー消費により回転体４０の
回転動は吸収され、この装置Ｔに連動する構造物の周期
運動が減衰されることは先の実施例と同様である。この
エネルギー吸収装置Ｔにおいては、純塑性変形層４４が
両側面から塑性変形力を受けるので、大きなエネルギー
吸収能を発揮することができ、更にまた、塑性変形部材
４４において純せん断変形を実現するので、安定したエ
ネルギー吸収特性を得ることとなる。

【００２６】（第３実施例） 図８は本発明の更に他の実施例（第３実施例）を示す。
このエネルギー吸収装置Ｕは、直円筒状のハウジングす
なわちシリンダ８０と；該シリンダ８０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８１と；シ
リンダ８０とロッド８１との環状空間をなす作動室８２
内に結合層８３を介して封入される塑性変形部材８４
（８５は結合層８３と塑性変形部材８４間の境界面）
と；を含み、また、ロッド８１の突出部にはブラケット
８７が、シリンダ８０にはブラケット８８がそれぞれ取
り付けられてなる。本実施例においては、シリンダ８０
が第１の作動体、ロッド８１が第２の作動体となる。

【００２７】もっと詳しくは、シリンダ８０はその内面
において、軸方向に所定間隔を存して凹溝９０が形成さ
れ、連続した凹凸形状面とされ、一方、ロッド８１にも
軸方向に所定間隔を存して凹溝９１が形成されて連続し
た凹凸形状面とされる。作動室８２内には、シリンダ８
０側に配されるＰｂ−Ｓｎ合金よりなる結合層８３Ａと
ロッド８１側に配される結合層８３Ｂとの間に、境界面
８５を介して、鉛よりなる塑性変形部材８４が充填され
る。ブラケット８７，８８にはそれぞれ取付け孔８７
ａ，８８ａが開設され、該取付け孔８７ａ，８８ａをも
って相対変位する構造物に取り付けられる。

【００２８】構造物が変位すると、本エネルギー吸収装
置Ｕにおいてシリンダ８０とロッド８１との軸方向の相
対変位にとなってあらわれ、該相対変位はシリンダ８０
の凹溝９０とロッド８１の凹溝９１に結合された結合層
８３Ａ，８３Ｂを介して塑性変形部材８４に伝達され、
該塑性変形部材８４は純せん断塑性変形を起こす。この
せん断変形に伴うエネルギー消費によりシリンダ８０と
ロッド８１との相対変位は吸収され、この装置Ｕに連動
する構造物の周期運動が減衰されることは先の２つの実
施例と同様である。このエネルギー吸収装置Ｕにおいて
は、塑性変形部材８４において純せん断塑性変形が起こ
るので、常に安定してエネルギー吸収特性を得ることが
でき、更には、円筒面をなす境界面８５間に塑性変形部
材８４を介装させるので、大きな容量の純せん断塑性変
形域を確保でき、装置の小型化を達成することができ
る。

【００２９】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。

【００３０】ハ．発明の効果 本発明の塑性エネルギー吸収装置によれば、作動体と塑
性変形部材とを、該塑性変形部材よりも塑性降伏応力が
大きく、かつ塑性変形部材との結合力が塑性変形部材の
塑性降伏応力よりも大きい結合層を介して結合すること
により、塑性変形に伴う変動要因が除去され、塑性変形
部材において純せん断塑性変形の実現が達成され、これ
により、常に安定したエネルギー吸収持性を発揮するこ
とができるとともに、小振幅でのエネルギー吸収性能も
格段に向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の鉛塑性エネルギー吸収装置の一実施例
（第１実施例）の全体を示す正面図。

【図２】図１の側面図（図１のＩＩ線矢視図）。

【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線拡大断面図。

【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線断面図。

【図５】本発明の他の実施例（第２実施例）の正面図。

【図６】図５のＶＩ−ＶＩ線断面図。

【図７】図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図。

【図８】本発明の更に他の実施例（第３実施例）の構造
を示す縦断面図である。

【符号の説明】

Ｓ，Ｔ，Ｕ…鉛塑性エネルギー吸収装置、５，３０，４
０，８０，８１…作動体、３３，４３，８３…結合層、
３４，４４，８４…塑性変形部材

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 相対変位する構造物間に介装され、一方
   の構造物に連結される第１の作動体と；他方の構造物に
   連結される第２の作動体と；これらの両作動体間に作動
   室が形成され、該作動室内に充填され該両作動体の相対
   変位によって塑性変形する超塑性材料よりなる塑性変形
   部材と；からなるエネルギー吸収装置であって、前記両作動体のうちの少なくとも一方の作動体には前記
   作動室内に突出する突起部が形成され、 該作動体と前記塑性変形部材との間には、前記作動体の
   突起部の少くとも頂上部を覆う厚さに、 該塑性変形部材
   よりも塑性降伏応力が大きく、かつ該塑性変形部材との
   結合力が該塑性変形部材の塑性降伏応力よりも大きな結
   合層が形成されてなる、 ことを特徴とする塑性エネルギー吸収装置。
2. 【請求項２】超塑性材料は鉛であり、結合層は鉛合金で
   ある請求項１に記載の塑性エネルギー装置。
3. 【請求項３】結合層を形成する鉛合金は、鉛−すず合金
   である請求項１又は請求項２のいずれかに記載の塑性エ
   ネルギー吸収装置。
4. 【請求項４】超塑性材料は鉛合金、銀合金、アルミニウ
   ム合金、亜鉛合金、銅合金、マグネシウム合金、すず合
   金であり、結合層は該超塑性材料と同種の金属もしくは
   同種の合金である請求項１に記載の塑性エネルギー吸収
   装置。