JP3622618B2

JP3622618B2 - 変位履歴確認センサ

Info

Publication number: JP3622618B2
Application number: JP2000022063A
Authority: JP
Inventors: 靖彦辻
Original assignee: Obayashi Corp
Current assignee: Obayashi Corp
Priority date: 2000-01-31
Filing date: 2000-01-31
Publication date: 2005-02-23
Anticipated expiration: 2020-01-31
Also published as: JP2001208508A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、変位履歴確認センサに係り、特に、被評価部材の累積変形量に基づいてその損傷状態を確認するうえで好適な変位履歴確認センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、地震時に建物の揺れを抑える装置として、鋼材の塑性変形を利用したダンパー装置が知られている。このダンパー装置は、建物の架構または架構に組み込まれる耐震要素の一部に低降伏点鋼からなる部材（リンク材）を設け、建物が揺れた際に、その揺れに応じてリンク材を降伏させることにより、地震のエネルギーを吸収するものである。このようにリンク材は建物の揺れに応じて繰り返し塑性変形するため、リンク材の損傷状態を適切に評価して、破損が起きる前に交換等の措置を講ずることが必要である。
【０００３】
リンク材の損傷状態を評価する手法として、リンク材の累積変形量が所定値に達するとリンク材が破損するという知見に基づき、累積変位メータと称される変位メータを用いてリンク材の累積変形量を検出する方法が知られている。累積変位メータは、リンク材の変形に応じて回転できるように構成された回転部と、この回転部の回転を一方向に規制する爪部とを供えており、回転部はリンク材の一の向きの変形量に応じた角度だけ回転する。従って、累積変位メータによれば、回転部の回転角を目視で読み取ることにより、リンク材の累積変形量を検出することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ダンパー装置は建物の架構に組み込まれるものであるため、通常は、壁内部のように外部から見えない場所に設置される。一方、上記の如く、累積変位メータを用いる方法では、リンク材の累積変形量を累積変位メータから目視で読み取る必要がある。このため、累積変位メータを用いる方法では、リンク材の損傷状態を常時監視することは困難である。また、リンク材の損傷状態は累積塑性変形量に依存するため、リンク材の損傷状態をより正確に評価するうえでは、リンク材の弾性変形分を累積変形量に含めないことが好ましい。
【０００５】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、繰り返して変形する部材の損傷状態を、この部材が外部から見えない場所に設置された場合にも常時確認することが可能であり、かつ、弾性変形分を含まない累積変形量を評価することが可能な変位履歴確認センサを提供することを目的とする。
【０００６】
上記の目的は、被評価部材の変形に応じて変位するラックと、前記ラックに噛合し、前記ラックの変位に応じて回転する歯車と、回転可能に支持されたローラと、前記歯車の一方向への回転にのみ応じて前記ローラを回転させるラチェット機構と、前記ローラの回転量に応じた電気抵抗値を示す抵抗変化手段と、該抵抗変化手段の電気抵抗値を検出する抵抗検出手段と、を備える変位履歴確認センサであって、
前記ラックと前記被評価部材との間に、前記被評価部材の弾性限度に相当する所定量を超える変位のみを前記ラックに伝達する結合部材を備えることを特徴とする変位履歴確認センサにより達成される。
【０００８】
また、請求項２に記載する如く、請求項１記載の変位履歴確認センサにおいて、前記結合部材は、前記ラック側に連結された第１の部材と、前記被評価部材側に連結された第２の部材とを有し、
前記第２の部材は、前記被評価部材の変形量が前記所定量に達するまで前記第１の部材に当接しないように、前記被評価部材に変形が生じていない状態で前記第１の部材に対して前記所定量の隙間を隔てて配置されていることとしてもよい。
【００１０】
また、請求項３に記載する如く、請求項２記載の変位履歴確認センサにおいて、前記所定量の隙間を調整するネジ部材を備えることとしてもよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。本実施形態では、変位履歴確認センサによって、建物の揺れを抑えるダンパー装置のリンク材の損傷状態を検出する。
【００１３】
図１は、ダンパー装置１０が組み込まれた建物（例えば共同住宅）の平面図である。図１に示す如く、本実施形態において、ダンパー装置１０は住戸間を仕切る壁１２の内部に組み込まれている。図２は、ダンパー装置１０を表す立面図である。図２に示す如く、ダンパー装置１０は、リンク材１４と、一対のブレース１６とを備えている。リンク材１４は、建物の架構やブレース１６に比べて低い降伏点を有する材料（例えば低降伏点鋼）よりなる板状の部材である。リンク材１４の一端は下部の梁１８に連結されており、また、他端は各ブレース１６の下端部に連結されている。ブレース１６は斜め上方へ互いに対称に伸び、それらの他端において上部の梁２０の両脇部に連結されている。このように、ダンパー装置１０はＹ型のブレースダンパとして構成されている。リンク材１４には、変位履歴確認センサ２２が取り付けられている。
【００１４】
上記したダンパー装置１０によれば、地震によって建物が揺れると、リンク材１４に繰り返し横方向の塑性変形が生ずることで、地震のエネルギーが吸収される。なお、リンク材１４およびブレース１６の配置は図２に示すものに限らず、例えば、図２に示す配置を上下反転させてもよい。
【００１５】
本実施形態では、リンク材１４の損傷状態を検知すべく、変位履歴確認センサ２２によりリンク材１４の累積塑性変形量を検出する。ここで、リンク材１４の累積塑性変形量とは、左右各方向へのせん断塑性変形量の総和を意味する。すなわち、例えば、リンク材１４の変形挙動が図３に示す変位―荷重曲線で表されるとする。この場合、図４に示す如く、累積塑性変形量は各方向の塑性変形（図３および図４に点線矢印▲１▼〜▲５▼で示す）の変形量の絶対値の累積値δ１となる。一般に、累積変形量δ１と弾性限界δ０との比率δ１／δ０と部材の損傷状態との間に相関があることが知られており、この知見に基づいて、リンク材１４の累積変形量よりその損傷状態を評価することができるのである。
【００１６】
なお、本実施形態では、構成を簡易にするため、リンク材１４の左右へのせん断変形の累積量は互いに等しいとみなして一方向の累積変形量のみ（つまり、実際の累積変形量の半分）を検出するものとする。以下、本実施形態の変位履歴確認センサ２２について詳細に説明する。
【００１７】
図５は、変位履歴確認センサ２２の概略構成図である。図５に示す如く、変位履歴確認センサ２２はラック２４を備えている。ラック２４は図示しないガイド部材により、図５中左右方向に変位可能に保持されている。ラック２４の一端（図５における右端）はリンク材１４の上端部に連結されている。
【００１８】
ラック２４には、第１歯車２６が噛合している。第１歯車２６の内側には第２歯車２８が配設されている。第１歯車２６には、第２歯車２８に噛合するラッチェット機構３０が取り付けられている。ラチェット機構３０は、第１歯車２６の第２歯車２８に対する一方向（図５における反時計回り方向）の相対回転を許容し、他方向（図５における時計回り方向）の相対回転を阻止するように構成されている。このため、第１歯車２６が時計回り方向に回転した場合には、第２歯車２８は第１歯車２６と共に回転し、一方、第１歯車２６が反時計周り方向に回転した場合には、この回転は第２歯車２８に伝達されない。したがって、リンク材１４が図５中左向きにせん断変形して、ラック２４が左向きに変位すると、その変位量に応じた角度だけ第１歯車２６および第２歯車２８が共に時計回り方向に回転する。一方、リンク材１４が図５中右向きにせん断変形して、ラック２４が右向きに変位すると、その変位量に応じた角度だけ第１歯車２６のみが時計回り方向に回転し、第２歯車２８は回転しない。その結果、第２歯車２８は、リンク材１４の図５中左向きのせん断変形の累積量に応じた角度だけ回転することになる。
【００１９】
第２歯車２８には、巻取りローラ３２が同軸に固定されている。巻取りローラ３２には、テープ３４の一端部（図５における右端部）が巻き付けられている。テープ３４は、巻取りローラ３２から図５中左向きに伸び、ローラ対３５の間を下向きに通過した後、再び上向きに通過し、左端部において固定部４１に固定されている。
【００２０】
図６は、テープ３４の拡大断面図である。図６に示す如く、テープ３４は、絶縁体３６と、２本の抵抗体３８，４０とにより構成されている。抵抗体３８，４０は、何れも単位長さ当たり所定の電気抵抗値ｒを有している。抵抗体３８は絶縁体３６により完全に覆われており、一方、抵抗体４０はテープ３４の表面に露出している。
【００２１】
図７は、ローラ対３５の近傍におけるテープ３４を拡大して示す図である。図７に示す如く、テープ３４の表面に露出した抵抗体４０がローラ対３５の通過部分において短絡される。なお、ローラ対３５における短絡状態が確実に維持されるように、ローラ対３５を互いに押圧するバネ等の付勢手段を設けてもよい。
【００２２】
抵抗体３８および４０の両端部には、それぞれ、配線４２および４４を介して抵抗検出器４８が接続されている。抵抗検出器４８は、抵抗体３８，４０にそれぞれ定電流を供給した際に現れる電圧値に基づいて、抵抗体３８，４０の各電気抵抗値を検出し、その検出結果を表示する。
【００２３】
上述の如く、第２歯車２８は、リンク材１４の累積変形量に比例した角度だけ回転する。したがって、テープ３４は、リンク材１４の累積変形量に比例した長さだけ巻取りローラ３２に巻き取られることになる。テープ３４が巻取りローラ３２に巻き取られると、その巻き取られた長さだけ、ローラ対３５から垂れ下がる部分の長さ（つまり、抵抗体４０が短絡された２点間の長さ；以下、短絡長さｘと称す）は短くなる。
【００２４】
ここで、テープ３４の全長をＬとすると、抵抗体３８，４０の単位長さ当たりの抵抗値はｒであるから、抵抗体３８の抵抗値Ｒ０および抵抗体４０の抵抗値Ｒ１は、それぞれ次のように表される。
Ｒ０＝ｒ・Ｌ
Ｒ１＝ｒ（Ｌ−ｘ）
したがって、
ｘ＝Ｌ・（１−Ｒ１／Ｒ０）
が成り立つ。
【００２５】
上記したように、短絡長さｘは、リンク材１４の累積変形量に比例した長さだけ短くなる。このため、抵抗体３８および４０の抵抗値の比Ｒ１／Ｒ０に基づいてリンク材１４の累積変形量を検出することができるのである。なお、抵抗体の抵抗値は温度に依存して変化するが、２本の抵抗体３８，４０の抵抗値の比Ｒ１／Ｒ０を用いることで、抵抗値の温度変化を補償することが可能となっている。
【００２６】
より具体的には、初期状態（リンク材１４の累積変形量がゼロの状態）での短絡長さｘ、および抵抗体４０の抵抗値Ｒ１の値を、それぞれ、ｘ０およびＲ１，０とすると、
ｘ０＝Ｌ・（１−Ｒ１，０／Ｒ０）
が成り立つから、初期状態からのテープ３４の巻き取り長さは
ｘ−ｘ０＝Ｌ（Ｒ１，０／Ｒ０−Ｒ１／Ｒ０）
となる。この巻取り長さ（ｘ−ｘ０）がリンク材１４の累積変形量に比例するので、初期状態での抵抗体４０の抵抗値Ｒ１，０を予め求めておくことにより、抵抗体４０の抵抗値Ｒ１からリンク材１４の累積変形量を求めることができる。
【００２７】
なお、抵抗検出手段４８により上記の計算を行ってリンク材１４の累積変形量を直接表示することとしてもよい。あるいは、計算された累積変形量からリンク材１４の損傷状態をレベル分けしてその損傷レベルを表示することとしてもよく、また、累積変形量が所定値を超えた場合に、例えばランプを点灯すること等により警報を発することとしてもよい。
【００２８】
上述の如く、本実施形態では、リンク材１４の累積変形量に応じて抵抗体４０の抵抗値が変化し、この抵抗値変化を抵抗検出器４８により電気的に検出する構成となっている。このため、抵抗検出器４８を配線４２，４４によって壁の外部に引き出すことで、リンク材１４の損傷状態を常時監視することが可能となる。
【００２９】
また、上記実施形態では、２本の抵抗体３８および４０を１本のテープ３４に一体化したうえで一方の抵抗体４０のみをローラ対３５で短絡させることとした。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、２本の抵抗体を別体とし、一方の抵抗体のみをローラ対３５に通して短絡させることとしてもよい。また、抵抗値の温度変化がさほど問題にならないような場合は、１本の抵抗体のみを用いてローラ対３５で短絡させ、この抵抗体の抵抗値自体からリンク材１４の累積変形量を求めることとしてもよい。
【００３０】
更に、上記実施形態では、リンク材１４の左右へのせん断変形の累積量が互いに等しいとみなして、片方へのせん断変形の累積量のみを検出したが、図８に示すように、第１歯車２６および第２歯車２８とはラチェットの方向を逆向きにした第１歯車２６ａおよび第２歯車２８ａを設け、テープ３４の両端が第２歯車２８、２８ａの回転に応じてそれぞれ巻き取られるように構成することにより、両方向へのせん断変形の累積量を検出することができる。
【００３１】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図９は、本実施形態の変位履歴確認センサ１２２の構成図である。なお、図９において、上記図５と同様の構成部分については同一の符号を付してその説明を省略する。図９に示す如く、本実施形態において、履歴確認センサ１２２はテープ１３４を備えている。図１０はテープ１３４の拡大断面図である。図１０に示す如く、テープ１３４は、絶縁体１３６と、絶縁体１３６の上面に設けられた抵抗体１３８とにより構成されている。
【００３２】
図９に示す如く、テープ１３４の一端部は、巻取りローラ３２に巻き付けられている。一方、テープ１３４の他端部は、回転可能に支持された補助ローラ１００に巻き付けられている。テープ１３４の、巻取りローラ３２と補助ローラ１００との中間部分の上面（すなわち抵抗体１３８）には電極１０２が接触している。電極１０２とテープ１３４を隔てて対向する部位にはパッド１０４が設けられており、このパッド１０４をバネ等の付勢手段で付勢してテープ１３４を電極１０２へ向けて押圧することにより、抵抗体１３８と電極１０２との接触状態が確保されるようになっている。
【００３３】
抵抗検出器４８には、配線１４２を介して抵抗体１３８の両端が接続されていると共に、配線１０６を介して電極１０２が接続されている。本実施形態において、抵抗検出器４８は、抵抗体１３８に定電流を供給した際に現れる電圧値に基づいて、抵抗体１３８の両端間の抵抗値、および、電極１０２と抵抗体１３８の一端（例えば、巻取りローラ３２側の端部）との間の抵抗値を検出する。
【００３４】
第１の実施形態で説明したように、テープ１３４は、リンク材１４の累積変形量に比例した長さだけ巻取りローラ３２に巻き取られる。そして、その巻取られた長さだけ、抵抗体１３８の、電極１０２と巻取りローラ３２側の端部との間の長さは大きくなる。すなわち、テープ１３４の全長をＬ、抵抗体１３８の単位長さ当たりの抵抗値をｒ、テープ１３４の巻取りローラ３２への巻取り長さをｙとすると、抵抗体１３８の両端間の抵抗値Ｒ０、および電極１０２と巻取りローラ３２側の端部との間の抵抗値Ｒ１は、それぞれ、次のように表される。
【００３５】
Ｒ０＝ｒ・Ｌ
Ｒ１＝ｒ・ｙ
これらの関係より、
ｙ＝Ｌ・（Ｒ１／Ｒ０）
が成り立つ。
【００３６】
したがって、抵抗検出器４８により検出される抵抗値Ｒ０およびＲ１の比Ｒ１／Ｒ０に基づいて巻取り長さｙを求め、この巻取り長さｙよりリンク材１４の累積変形量を検出することができる。なお、第１の実施形態の場合と同様に、抵抗値の比Ｒ１／Ｒ０を用いることで、抵抗値の温度変化を補償することが可能となっている。
【００３７】
上記の如く、本実施形態でも、リンク材１４の累積変形量を電気的に検出する構成となっているため、抵抗検出器４８を配線１４２、１０６によって壁の外部に引き出すことで、リンク材１４の損傷状態を常時監視することが可能となる。また、本実施形態では、テープ１３４に単一の抵抗体１３８を設ければ足りるので、上記第１の実施形態のテープ３４に比べてテープ１３４の構成が簡単になる。更に、本実施形態では、テープ１３４の両端がローラに巻き取られる構成である（つまり、テープを外部に固定する部分がない）ので、巻取りローラ３２、補助ローラ１００、およびテープ１３４をカセットテープのようにユニット化することが可能となり、これにより、変位履歴確認センサ１２２のコンパクト化を図れると共に、交換を容易に行うことができる。
【００３８】
なお、上記第１および第２の実施形態では、本発明がＹ型のダンパー装置に適用された場合について説明したが、これに限らず、例えば、図１１に示すように、２本の間柱の間にリンク材１１４を設けてなるダンパー装置の場合にも、変位履歴確認センサ２２（又は１２２）をラック２４がリンク材１１４のせん断変形に応じて変位するように構成すればよい。また、図１２に示すように、上下の梁の間に斜めに架け渡した部材の一部をリンク材２１４とした場合は、リンク材２１４が伸縮変形することになるが、この場合にも同図中に示すように、リンク材２１４の伸縮変形に応じてラック２４が変位するように構成すればよい。
【００３９】
ところで、上述の如く、厳密には、リンク材１４の損傷状態は累積塑性変形量に依存する。このため、リンク材１４の損傷状態をより正確に評価するうえでは、リンク材１４の弾性変形分を累積変形量に含めないことが好ましい。図１３および図１４は、リンク材１４の弾性変形分を累積変形量から除外することが可能な構成の側面図および平面図を示す。図１３および図１４に示す構成では、リンク材１４とラック２４との間に結合部材５０および５２を介在させている。ラック２４側に連結された結合部材５０には、先端面が互いに離間して対向するネジ部材５４，５６が設けられている。そして、リンク材１４側に連結された結合部材５２は、リンク材１４に変形が生じていない状態で、その当接部５２ａがネジ部材５４，５６の先端から弾性限度δ０に相当する隙間を隔てるように配置されている。かかる構成によれば、リンク材１４の変形量が弾性限度δ０に達するまでは、当接部５２ａとネジ部材５４，５６とは当接しないため、リンク材１４の変形はラック２４に伝達されない。すなわち、ラック２４には、リンク材１４の弾性変形分を除いた塑性変形のみが伝達されることになる。なお、当接部５２ａとネジ部材５４，５６との間の隙間は、ネジ部材５４，５６で調整することができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、被評価部材の弾性変形分を含まない累積変形量を電気的に検出することができるため、被評価部材が外部から見えない場合にも、その損傷状態を常時確認することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の変位履歴確認センサが適用されるダンパー装置が組み込まれた建物の平面図である。
【図２】ダンパー装置を表す立面図である
【図３】リンク材の変形挙動を表す変位―荷重曲線の一例である。
【図４】リンク材の累積変形量を説明するための図である。
【図５】変位履歴確認センサの概略構成図である。
【図６】テープの拡大断面図である。
【図７】ローラ対の近傍におけるテープを拡大して示す図である。
【図８】リンク材の両方向へのせん断変形の累積量を検出可能な構成を示す図である。
【図９】本発明の第２の実施形態である変位履歴センサの概略構成図である。
【図１０】本実施形態におけるテープの拡大断面図である。
【図１１】本発明の変位履歴確認センサが異なる構成のダンパー装置に適用された場合の構成を示す図である。
【図１２】本発明の変位履歴確認センサが更に異なる構成のダンパー装置に適用された場合の構成を示す図である。
【図１３】リンク材の弾性変形分を累積変形量から除外することが可能な構成の側面図である。
【図１４】図１３に示す構成の平面図である。
【符号の説明】
１４リンク材
２２変位履歴確認センサ
２４ラック
２６第１歯車
２８第２歯車
３０ラチェット
３４テープ
３８，４０，１３８抵抗体
４８抵抗検出器
１０２電極

Claims

被評価部材の変形に応じて変位するラックと、前記ラックに噛合し、前記ラックの変位に応じて回転する歯車と、回転可能に支持されたローラと、前記歯車の一方向への回転にのみ応じて前記ローラを回転させるラチェット機構と、前記ローラの回転量に応じた電気抵抗値を示す抵抗変化手段と、該抵抗変化手段の電気抵抗値を検出する抵抗検出手段と、を備える変位履歴確認センサであって、
前記ラックと前記被評価部材との間に、前記被評価部材の弾性限度に相当する所定量を超える変位のみを前記ラックに伝達する結合部材を備えることを特徴とする変位履歴確認センサ。
前記結合部材は、前記ラック側に連結された第１の部材と、前記被評価部材側に連結された第２の部材とを有し、
前記第２の部材は、前記被評価部材の変形量が前記所定量に達するまで前記第１の部材に当接しないように、前記被評価部材に変形が生じていない状態で前記第１の部材に対して前記所定量の隙間を隔てて配置されていることを特徴とする請求項１記載の変位履歴確認センサ。
前記所定量の隙間を調整するネジ部材を備えることを特徴とする請求項２記載の変位履歴確認センサ。