JP3820523B2 - ブレースダンパー - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、建物にブレースとして設置されるとともに建物の振動エネルギーを吸収するダンパーとしても機能するブレースダンパー、特に大地震から中小地震まで幅広く制震効果が得られるブレースダンパーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
建物の要所に制震ダンパーを設置して地震による振動や損傷をコントロールする制震構造が一般化しつつある。この種の構造に適用する制震ダンパーとしては鋼材ダンパー、摩擦ダンパー、粘性系ダンパー等、各種のものがあるが、特に鋼材の降伏に伴う履歴吸収エネルギーを利用する鋼材ダンパーはローコストで大きな減衰性能を発揮できるものであることから広く採用される気運にあり、なかでもブレースタイプの鋼材ダンパーは機構が簡単で設計的にも扱い易く、設置スペースもさして必要としないことから、最も有効と考えられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、鋼材ダンパーは鋼材の降伏後の塑性変形を利用してエネルギーを吸収し制震効果を得るものであるから、当然に弾性変形限度内では制震効果が発揮されず、そのため従来の鋼材ダンパーはそれ自体では様々な規模の地震に対して幅広く適用できない点で不具合であった。すなわち、大地震時を対象として鋼材ダンパーにより充分な制震効果を得ようとすると、つまり大地震時におけるダンパー負担力を大きく設定して大きなエネルギー吸収効果を得ようとすると、必然的に制震効果を発揮し始める降伏変位が大きくなってしまい、そのため中小地震時には弾性変形するに留まって降伏変形するに到らず、制震効果が発揮できないものとなる。逆に、中小地震時にも有効になるように鋼材ダンパーが早期に降伏変形するようにした場合には、大地震時におけるダンパー負担力が小さくなって充分にエネルギー吸収ができなくなり、大地震時には充分な制震効果を得ることができなくなる。
【０００４】
そのような鋼材ダンパーに対し、粘性体や粘弾性体のせん断変形によるエネルギー吸収効果を利用する粘性系ダンパーは、中小地震あるいは風による微小振動から大地震まで幅広く制震効果を得ることが可能であるので、その点では鋼材ダンパーよりも有利であるといえるが、粘性系ダンパーは鋼材ダンパーに比較して構造が複雑にならざるを得ないし、かなりコスト高であり、保守も必要とし、また振動数や歪、温度等に依存して減衰性能が大きく変化するといった問題もあって必ずしも使い易いものではない。以上のことからローコストで最も使い易いブレースタイプの鋼材ダンパーを大地震から中小地震まで幅広く適用し得るものとしたい、という要請があった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、建物にブレースとして設置されるとともに建物の振動エネルギーを吸収するダンパーとしても機能するブレースダンパーであって、両端が建物に対して固定され所定軸力を受けた際に降伏する帯板状の鋼板からなるブレース本体と、ブレース本体の周囲に装着されることによりブレース本体の軸方向変形を許容しつつ面外座屈を防止する拘束部材とを主体として構成されてなり、前記拘束部材の一端部のみをブレース本体の一端部に対してボルト締結して該拘束部材をブレース本体に対して軸方向への相対変位を拘束した状態で装着するとともに、その拘束部材の他端部とブレース本体の他端部との間に、ブレース本体が軸方向に弾性変形した際に作動するサブダンパーを介装し、該サブダンパーが、ブレース本体に設けたリブプレートと、拘束部材に設けた取付リブとを、スプライスプレートを介して摩擦接合してなる摩擦ダンパーであることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１〜図３は本発明の実施形態であるブレースダンパーを示す。これは、ブレース本体１と、その周囲に装着されてブレース本体１の面外座屈を防止する拘束部材２を主体として構成されたもので、ブレース本体１をブレースとして機能させるばかりでなくそれを大地震時に制震効果を発揮させるダンパーとして機能させるものとし、さらに大地震時のみならず中小地震時にも制震効果を発揮させるためのサブダンパー３を備えた構成とされている。
【０００８】
ブレース本体１は帯板状の鋼板（フラットバー）からなり、その両端部が建物に対して固定されることでこれ自体が通常のブレースとして機能するものである。ブレース本体１の端部両面にはリブプレート４が溶接されていて、ブレース本体１の両端部における横断面形状は十字形をなすものとされている。また、本実施形態におけるブレース本体１は極軟鋼（低降伏点鋼）からなり、所定軸力を受けた際にはその中央部に設定されている降伏部１ａが降伏することでダンパーとして機能するものとなっている。本実施形態では、ブレース本体１の素材である帯板状の鋼板の中央部両側を切除して、そこでの幅寸法を小さくして断面積を絞ることにより降伏部１ａを形成しており、このブレース本体１は大地震時にはじめて降伏して充分な制震効果が得られるようにその降伏耐力（軸耐力）は充分に大きく設定されている。換言すれば、そのブレース本体１は中小地震時には降伏するに到らず弾性変形するに留まるものである。
【０００９】
拘束部材２は対のチャンネル鋼材５と帯鋼板からなる対のカバープレート６からなり、チャンネル鋼材５を背中合わせにした状態でそれらのウェブ部によりブレース本体１を両側から挟み込み、その状態でそれらのフランジ部にカバープレート６をボルト締結することで全体としてＨ型断面となるように組み立てられてブレース本体１の外側に装着されている。
【００１０】
そのように組み立てられた拘束部材２は、ブレース本体１の面外方向への変形を拘束してその座屈を防止するものであるが、チャンネル鋼材５にはこのチャンネル鋼材５自体が面外方向に変形することを防止するための補剛材７が取り付けられている。補剛材７はチャンネル鋼材５に溶接された鋼板からなる縦リブ７ａと、それら縦リブ７ａ間に溶接された同じく鋼板からなる横リブ７ｂからなり、本実施形態においては４枚の縦リブ７ａと３枚の横リブ７ｂとがブレース本体１の降伏部１ａを挟み込む位置に設けられることで、ブレース本体１に対する面外方向の拘束が十分に確保されるようになっている。
【００１１】
上記のように組み立てられてブレース本体１に装着される拘束部材２は、ブレース本体１の面外方向への変形を拘束して面外座屈を防止するものであるが、ブレース本体１をダンパーとして機能させるためにはブレース本体１の軸方向の変形は拘束しないものとする必要があり、そのため、図２に示すように各チャンネル鋼材５のウェブ部とブレース本体１の表面との間にはそれらをアンボンド（非付着）状態に維持して軸方向の相対変形を許容せしめるための緩衝材８が介装されている。緩衝材８としてはたとえばクロロプレンゴム等の高分子系材料からなるシート材が好適に採用可能である。
【００１２】
なお、図３（ｂ）に示すように、チャンネル鋼材５の端部には上記のリブプレート４との干渉を避けるためのスリット９が形成されていて、チャンネル鋼材５をブレース本体１に装着した状態ではリブプレート４がスリット９を通してチャンネル鋼材５の外側に位置するようになっている。そして、本実施形態のブレースダンパーは、そのリブプレート４と拘束部材２との間に上記のサブダンパー３を取り付けるようにしている。
【００１３】
すなわち、ブレース本体１に装着された拘束部材２はその一端側（図１において左側）においてチャンネル鋼材５およびブレース本体１を挿通する締結ボルト１０によりブレース本体１に対して締結され、したがって拘束部材２は上述のようにブレース本体１の軸方向変形を拘束はしないものの、締結ボルト１０がずれ止めとなって拘束部材２全体がブレース本体１に対して軸方向にずれてしまうことが防止されるようになっている。
【００１４】
また、図３に示すように、拘束部材２の他端側には、チャンネル鋼材５に取り付けられている補剛材７に連続するように取付リブ１１が溶接されて固定されており、このチャンネル鋼材５をブレース本体１に組み付けて、ブレース本体１のリブプレート４をスリット９からチャンネル鋼材５の外側に位置させると、リブプレート４と取付リブ１１とが同一平面内で軸方向に若干の隙間をあけた状態で横並びとなり、図３（ｂ）に示すようにそれらリブプレート４と取付リブ１１とを上下からスプライスプレート１２および締結ボルト１３により狭持して２面摩擦接合の形態で連結するようになっている。
【００１５】
ここで、スプライスプレート１２とリブプレート４および取付リブ１１との摩擦接合面には、有機系塗料やアルミ溶射等による表面処理が施されて適切な摩擦係数が与えられ、これによりこれらリブプレート４、取付リブ１１、スプライスプレート１２により、リブプレート４とスプライスプレート１２の滑りを利用した摩擦ダンパーとして機能するサブダンパー３が構成されている。このサブダンパー３の滑り始める軸耐力はブレース本体１の降伏耐力よりも充分に小さく設定されていて、ブレース本体１が降伏するに到らず微小な弾性変形を生じるに留まる中小地震時にこのサブダンパー３が作動するものとされている。つまりサブダンパー３は、中小地震時におけるブレース本体１の弾性変形に対して、スプライスプレート１２とリブプレート４との摩擦接合面が滑りを生じてその摩擦抵抗力により軽微なダンパーとして機能し、それにより中小地震時における振動減衰効果が得られるようになっている。なお、上記のようなスプライスプレート１２とリブプレート４との滑りを許容するために、リブプレート４に形成されているボルト孔は軸方向に長いルーズホールとされている。
【００１６】
以上のように、本実施形態のブレースダンパーは、大地震時にはブレース本体１が降伏することで従来一般のブレースタイプの鋼材ダンパーと同様に大きな減衰性能を持たせることができ、したがってブレース本体１により大地震時に優れた制震効果が得られることに加え、中小地震時には降伏耐力が小さく小さな変形から非線形性を示して履歴エネルギーを有効に吸収するサブダンパー３により優れた制震効果が得られ、したがってこのブレースダンパーは中小地震から大地震まで幅広く適用できるものである。
【００１７】
特に、本実施形態のブレースダンパーは、想定する中小地震の規模等に応じてサブダンパー３の負担力や剛性を調整することにより、変形に応じた種々の減衰性能を設定することができ、どの程度の変形でどのような減衰性能を与えるかを容易に設計することができる。また、サブダンパー３の負担力が多少変動するようなことがあってもその減衰性能への影響は少ないので、サブダンパー３の履歴性能（軸耐力）はあまり厳格に管理する必要はなく、たとえば上記実施形態におけるサブダンパー３の場合には摩擦面処理やボルト締結力には多少のばらつきを許容でき、設計および製作が容易である。
【００１８】
また、サブダンパー３はコンパクトなもので良いし、従来のブレースタイプの鋼材ダンパーの形態や外形寸法を変更することなくそれにサブダンパー３を付加することのみで従来のものと同様に取り扱うことができ、その製作作業や現場への設置作業も何等面倒ではない。勿論、大地震時にサブダンパー３が破損してもブレース本体１はそのまま本来のダンパーとして支障なく機能するし、破損したサブダンパー３は事後に容易に交換することができる。
【００１９】
図４に具体的な設計例を示す。（ａ）は本発明のブレースダンパーの構造を示す模式図であり、これは（ｂ）に力学モデルとして示すように、拘束部材２とサブダンパー３とが直列に設けられ、それらとブレース本体１が並列に設けられたものとなる。
【００２０】
ここで、Kcはブレース本体１の剛性であり、ブレース本体１の等価断面積Ae、最小断面積Ac、降伏点σy、長さL、ヤング係数Eとすると、
Kc＝E・Ae／L
で表され、ブレース本体１の降伏応力（荷重）Pyは、
Py＝σy・Ac
で表される。
【００２１】
また、Ksは拘束部材２（補剛材７を含む）の剛性であり、その断面積をAsとすると
Ks＝E・As／L
で表される。
【００２２】
Kfはサブダンパー３の剛性であり、拘束部材２とサブダンパー３との直列バネ剛性Ksfは、
Ksf＝{(1／Ks)＋(1／Kf）}−１
で表され、したがってブレースダンパー全体の剛性Kは、
K＝Ksf＋Kc＝{(L／E・As)＋(１／Kf)}−１＋(E・Ae／L)
で表される。
【００２３】
具体的な数値例を挙げてさらに説明する。
各部材の仕様が、
・ブレース本体：PL-25×374〜250(LY225)、L＝300cm、Ac＝62.5cm２、Ae＝80cm２、σy＝22.5kN/cm２
・拘束部材：2C-380×100×10.5×16＋2PL-12×227、As＝193ｃｍ２
・サブダンパー：Kf＝150MN/cm、負担力Pf＝270kN＝0.27MN
の場合、上記各式より
Kc＝5.6MN/cm
Py＝1.4MN
Ks＝13MN/cm
Ksf＝12MN/cm
サブダンパーが滑り出すときの変位σsfは
σsf＝Pf／Ksf＝0.022cm
全体剛性Kは
K＝Ksf＋Kc＝18MN/cm
となり、その結果を図４（ｃ）に示す。
【００２４】
このブレースダンパーの等価減衰定数heqを求める。
摩擦ダンパーが滑り出す変位0.02cmまでの減衰は0（ゼロ）であり、この変位からブレース本体が降伏する0.26cmまでの減衰を算定すると、変位量σとしたときの履歴吸収エネルギーΔWは
ΔW＝2×0.27×2(δ−0.02)＝1.08(δ−0.02)
変位δ時のポテンシャルエネルギーWは
W＝(5.6δ＋0.27)δ/2=(2.8δ＋0.135)δ
等価減衰定数heqは、
heq＝(1/4π)・(ΔW/W)＝0.086(δ−0.02)／(2.8δ＋0.135)δ
【００２５】
以上の結果を図４（ｄ）に示すが、これから、変位0.025cm以降、ブレース本体が降伏する0.26cmまでは８％以上の減衰が安定して確保されていることがわかる。この減衰にはブレース本体と並列させ、拘束部材と直列させているというロスを含んでいるが、それでもこの程度の減衰性能が確保され、本ブレースダンパーは充分に実用的であると判断できる。
【００２６】
さらに、ブレース本体の降伏後も含めたブレースダンパー全体の減衰特性を検討する。ブレース本体の降伏変位0.26cm以上の変位に対する１ループ当たりの履歴吸収エネルギーΔWは
ΔW＝4×(1.44−0.28×0.26)(δ−0.26)＋1.08(δ−0.02)
変位δ時のポテンシャルエネルギーWは
W＝{1.44＋0.27＋0.28(δ−0.26)}δ/2＝{0.86＋0.14(δ−0.26)}δ
等価減衰定数heqは、
【００２７】
以上の結果を図４（ｅ）に示す。これから、本実施形態のブレースダンパーは、減衰定数に２つのピークを持つ特性があり、中小地震や風などの小さな外力に対してはサブダンパー３が、大地震には本来のダンパーであるブレース本体１が有効に効く鋼材ダンパーとして挙動することがわかる。なお、一般にこの種のダンパーの軸変位は巨大地震でも30mm以内であり、サブダンパー３を付加しない単なるブレースタイプの鋼材ダンパーでは軸方向変位が2.6mm以下では弾性のために減衰機能を持たないが、サブダンパー３を付加したものでは１桁小さい0.25mm以上から減衰性能を発揮できるため、大地震だけでなく中小地震に対しても有効な制震ダンパーとなるのである。一般的な構造物がもつ鉄骨やコンクリートの躯体による減衰は0.02（2%）程度であり、0.25mmの微小変位から0.08（8%）以上の付加減衰を安定して与えられるこのブレースダンパーを使用することで大幅に減衰性能が向上し、大地震から中小地震まで応答低減を図ることができる。
【００２８】
以上で本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、ブレース本体よりも負担力が充分に小さい軽微なサブダンパーとしての摩擦ダンパーをブレース本体と拘束部材との間に介装する限りにおいて適宜の設計的変更が可能であり、たとえば、必要に応じて複数のサブダンパーを設けたり、上記の摩擦ダンパーの他に異種のサブダンパーを組み合わせて設けることも可能である。また、サブダンパーとしての摩擦ダンパーがブレース本体の弾性変形時に有効に作動するように、拘束部材の一端部のみをブレース本体に対してボルト締結して、その拘束部材の他端部において、ブレース本体に設けたリブプレートと拘束部材に設けた取付リブとをスプライスプレートを介して摩擦接合することによって摩擦ダンパーを構成する限りにおいて、ブレースダンパーに対するサブダンパーの設置の構造、組み込みの形態は任意である。
【００２９】
また、上記実施形態ではブレース本体１の中央部の幅寸法を小さくすることでそこでの断面積を絞って降伏部１ａを形成したが、ブレース本体１は所定軸力で降伏するものであれば良く、その限りにおいて全長にわたって同一断面のものであっても良いし、中央部にスリットや長穴を形成する等により降伏部を形成するものも採用可能である。
【００３０】
また、上記実施形態ではチャンネル鋼材５とカバープレート６とをＨ形に組み立てる形態の拘束部材２を採用したが、拘束部材２はブレース本体１の面外座屈を防止できるものであれば良く、その限りにおいて適宜の材質や形態のものが考えられし、ブレース本体１の形態によってはその幅方向の面内座屈を拘束し得るものとしておくことがより好ましい。
【００３１】
【発明の効果】
請求項１の発明は、ブレース本体が軸方向に弾性変形した際に作動する軽微なサブダンパーをブレース本体と拘束部材との間に介装したので、大地震時にはブレース本体により優れた制震効果が得られることに加え、中小地震時にもサブダンパーにより優れた制震効果が得られるものであり、ローコストで使い易いブレースタイプの鋼材ダンパーを中小地震から大地震まで幅広く適用することが可能である。
【００３２】
特に、拘束部材の一端部のみをブレース本体の一端部に対してボルト締結してその拘束部材の他端部とブレース本体の他端部との間にサブダンパーを介装し、かつ、サブダンパーとして、ブレース本体に設けたリブプレートと、拘束部材に設けた取付リブとを、スプライスプレートを介して摩擦接合してなる摩擦ダンパーを採用したので、従来一般のブレースタイプの鋼材ダンパーに対してサブダンパーを簡単に付加することで本発明のブレースダンパーを構成することができ、したがって従来のブレースタイプの鋼材ダンパーと同様に取り扱うことができ、その製作作業や現場への設置作業も何等面倒ではなく、サブダンパーが破損してもブレース本体はそのまま本来のダンパーとして支障なく機能するし、破損したサブダンパーは容易に交換することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態であるブレースダンパーの概略構成を示す図であって、（ａ）は側面図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は（ａ）におけるIｃ−Iｃ線視平断面図である。
【図２】 同、横断面図であり、（ａ）は図１（ａ）におけるIIａ−IIａ線視図、（ｂ）は同じくIIｂ−IIｂ線視図、（ｃ）は同じくIIｃ−IIｃ線視図である。
【図３】 同、要部の組立図である。
【図４】 同、具体的な設計例を説明するための図である。
【符号の説明】
１ ブレース本体
１ａ 降伏部
２ 拘束部材
３ サブダンパー
４ リブプレート
５ チャンネル鋼材
６ カバープレート
７ 補剛材
７ａ 縦リブ
７ｂ 横リブ
８ 緩衝材
９ スリット
１０ 締結ボルト
１１ 取付リブ
１２ スプライスプレート
１３ 締結ボルト
【発明の属する技術分野】
本発明は、建物にブレースとして設置されるとともに建物の振動エネルギーを吸収するダンパーとしても機能するブレースダンパー、特に大地震から中小地震まで幅広く制震効果が得られるブレースダンパーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
建物の要所に制震ダンパーを設置して地震による振動や損傷をコントロールする制震構造が一般化しつつある。この種の構造に適用する制震ダンパーとしては鋼材ダンパー、摩擦ダンパー、粘性系ダンパー等、各種のものがあるが、特に鋼材の降伏に伴う履歴吸収エネルギーを利用する鋼材ダンパーはローコストで大きな減衰性能を発揮できるものであることから広く採用される気運にあり、なかでもブレースタイプの鋼材ダンパーは機構が簡単で設計的にも扱い易く、設置スペースもさして必要としないことから、最も有効と考えられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、鋼材ダンパーは鋼材の降伏後の塑性変形を利用してエネルギーを吸収し制震効果を得るものであるから、当然に弾性変形限度内では制震効果が発揮されず、そのため従来の鋼材ダンパーはそれ自体では様々な規模の地震に対して幅広く適用できない点で不具合であった。すなわち、大地震時を対象として鋼材ダンパーにより充分な制震効果を得ようとすると、つまり大地震時におけるダンパー負担力を大きく設定して大きなエネルギー吸収効果を得ようとすると、必然的に制震効果を発揮し始める降伏変位が大きくなってしまい、そのため中小地震時には弾性変形するに留まって降伏変形するに到らず、制震効果が発揮できないものとなる。逆に、中小地震時にも有効になるように鋼材ダンパーが早期に降伏変形するようにした場合には、大地震時におけるダンパー負担力が小さくなって充分にエネルギー吸収ができなくなり、大地震時には充分な制震効果を得ることができなくなる。
【０００４】
そのような鋼材ダンパーに対し、粘性体や粘弾性体のせん断変形によるエネルギー吸収効果を利用する粘性系ダンパーは、中小地震あるいは風による微小振動から大地震まで幅広く制震効果を得ることが可能であるので、その点では鋼材ダンパーよりも有利であるといえるが、粘性系ダンパーは鋼材ダンパーに比較して構造が複雑にならざるを得ないし、かなりコスト高であり、保守も必要とし、また振動数や歪、温度等に依存して減衰性能が大きく変化するといった問題もあって必ずしも使い易いものではない。以上のことからローコストで最も使い易いブレースタイプの鋼材ダンパーを大地震から中小地震まで幅広く適用し得るものとしたい、という要請があった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、建物にブレースとして設置されるとともに建物の振動エネルギーを吸収するダンパーとしても機能するブレースダンパーであって、両端が建物に対して固定され所定軸力を受けた際に降伏する帯板状の鋼板からなるブレース本体と、ブレース本体の周囲に装着されることによりブレース本体の軸方向変形を許容しつつ面外座屈を防止する拘束部材とを主体として構成されてなり、前記拘束部材の一端部のみをブレース本体の一端部に対してボルト締結して該拘束部材をブレース本体に対して軸方向への相対変位を拘束した状態で装着するとともに、その拘束部材の他端部とブレース本体の他端部との間に、ブレース本体が軸方向に弾性変形した際に作動するサブダンパーを介装し、該サブダンパーが、ブレース本体に設けたリブプレートと、拘束部材に設けた取付リブとを、スプライスプレートを介して摩擦接合してなる摩擦ダンパーであることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１〜図３は本発明の実施形態であるブレースダンパーを示す。これは、ブレース本体１と、その周囲に装着されてブレース本体１の面外座屈を防止する拘束部材２を主体として構成されたもので、ブレース本体１をブレースとして機能させるばかりでなくそれを大地震時に制震効果を発揮させるダンパーとして機能させるものとし、さらに大地震時のみならず中小地震時にも制震効果を発揮させるためのサブダンパー３を備えた構成とされている。
【０００８】
ブレース本体１は帯板状の鋼板（フラットバー）からなり、その両端部が建物に対して固定されることでこれ自体が通常のブレースとして機能するものである。ブレース本体１の端部両面にはリブプレート４が溶接されていて、ブレース本体１の両端部における横断面形状は十字形をなすものとされている。また、本実施形態におけるブレース本体１は極軟鋼（低降伏点鋼）からなり、所定軸力を受けた際にはその中央部に設定されている降伏部１ａが降伏することでダンパーとして機能するものとなっている。本実施形態では、ブレース本体１の素材である帯板状の鋼板の中央部両側を切除して、そこでの幅寸法を小さくして断面積を絞ることにより降伏部１ａを形成しており、このブレース本体１は大地震時にはじめて降伏して充分な制震効果が得られるようにその降伏耐力（軸耐力）は充分に大きく設定されている。換言すれば、そのブレース本体１は中小地震時には降伏するに到らず弾性変形するに留まるものである。
【０００９】
拘束部材２は対のチャンネル鋼材５と帯鋼板からなる対のカバープレート６からなり、チャンネル鋼材５を背中合わせにした状態でそれらのウェブ部によりブレース本体１を両側から挟み込み、その状態でそれらのフランジ部にカバープレート６をボルト締結することで全体としてＨ型断面となるように組み立てられてブレース本体１の外側に装着されている。
【００１０】
そのように組み立てられた拘束部材２は、ブレース本体１の面外方向への変形を拘束してその座屈を防止するものであるが、チャンネル鋼材５にはこのチャンネル鋼材５自体が面外方向に変形することを防止するための補剛材７が取り付けられている。補剛材７はチャンネル鋼材５に溶接された鋼板からなる縦リブ７ａと、それら縦リブ７ａ間に溶接された同じく鋼板からなる横リブ７ｂからなり、本実施形態においては４枚の縦リブ７ａと３枚の横リブ７ｂとがブレース本体１の降伏部１ａを挟み込む位置に設けられることで、ブレース本体１に対する面外方向の拘束が十分に確保されるようになっている。
【００１１】
上記のように組み立てられてブレース本体１に装着される拘束部材２は、ブレース本体１の面外方向への変形を拘束して面外座屈を防止するものであるが、ブレース本体１をダンパーとして機能させるためにはブレース本体１の軸方向の変形は拘束しないものとする必要があり、そのため、図２に示すように各チャンネル鋼材５のウェブ部とブレース本体１の表面との間にはそれらをアンボンド（非付着）状態に維持して軸方向の相対変形を許容せしめるための緩衝材８が介装されている。緩衝材８としてはたとえばクロロプレンゴム等の高分子系材料からなるシート材が好適に採用可能である。
【００１２】
なお、図３（ｂ）に示すように、チャンネル鋼材５の端部には上記のリブプレート４との干渉を避けるためのスリット９が形成されていて、チャンネル鋼材５をブレース本体１に装着した状態ではリブプレート４がスリット９を通してチャンネル鋼材５の外側に位置するようになっている。そして、本実施形態のブレースダンパーは、そのリブプレート４と拘束部材２との間に上記のサブダンパー３を取り付けるようにしている。
【００１３】
すなわち、ブレース本体１に装着された拘束部材２はその一端側（図１において左側）においてチャンネル鋼材５およびブレース本体１を挿通する締結ボルト１０によりブレース本体１に対して締結され、したがって拘束部材２は上述のようにブレース本体１の軸方向変形を拘束はしないものの、締結ボルト１０がずれ止めとなって拘束部材２全体がブレース本体１に対して軸方向にずれてしまうことが防止されるようになっている。
【００１４】
また、図３に示すように、拘束部材２の他端側には、チャンネル鋼材５に取り付けられている補剛材７に連続するように取付リブ１１が溶接されて固定されており、このチャンネル鋼材５をブレース本体１に組み付けて、ブレース本体１のリブプレート４をスリット９からチャンネル鋼材５の外側に位置させると、リブプレート４と取付リブ１１とが同一平面内で軸方向に若干の隙間をあけた状態で横並びとなり、図３（ｂ）に示すようにそれらリブプレート４と取付リブ１１とを上下からスプライスプレート１２および締結ボルト１３により狭持して２面摩擦接合の形態で連結するようになっている。
【００１５】
ここで、スプライスプレート１２とリブプレート４および取付リブ１１との摩擦接合面には、有機系塗料やアルミ溶射等による表面処理が施されて適切な摩擦係数が与えられ、これによりこれらリブプレート４、取付リブ１１、スプライスプレート１２により、リブプレート４とスプライスプレート１２の滑りを利用した摩擦ダンパーとして機能するサブダンパー３が構成されている。このサブダンパー３の滑り始める軸耐力はブレース本体１の降伏耐力よりも充分に小さく設定されていて、ブレース本体１が降伏するに到らず微小な弾性変形を生じるに留まる中小地震時にこのサブダンパー３が作動するものとされている。つまりサブダンパー３は、中小地震時におけるブレース本体１の弾性変形に対して、スプライスプレート１２とリブプレート４との摩擦接合面が滑りを生じてその摩擦抵抗力により軽微なダンパーとして機能し、それにより中小地震時における振動減衰効果が得られるようになっている。なお、上記のようなスプライスプレート１２とリブプレート４との滑りを許容するために、リブプレート４に形成されているボルト孔は軸方向に長いルーズホールとされている。
【００１６】
以上のように、本実施形態のブレースダンパーは、大地震時にはブレース本体１が降伏することで従来一般のブレースタイプの鋼材ダンパーと同様に大きな減衰性能を持たせることができ、したがってブレース本体１により大地震時に優れた制震効果が得られることに加え、中小地震時には降伏耐力が小さく小さな変形から非線形性を示して履歴エネルギーを有効に吸収するサブダンパー３により優れた制震効果が得られ、したがってこのブレースダンパーは中小地震から大地震まで幅広く適用できるものである。
【００１７】
特に、本実施形態のブレースダンパーは、想定する中小地震の規模等に応じてサブダンパー３の負担力や剛性を調整することにより、変形に応じた種々の減衰性能を設定することができ、どの程度の変形でどのような減衰性能を与えるかを容易に設計することができる。また、サブダンパー３の負担力が多少変動するようなことがあってもその減衰性能への影響は少ないので、サブダンパー３の履歴性能（軸耐力）はあまり厳格に管理する必要はなく、たとえば上記実施形態におけるサブダンパー３の場合には摩擦面処理やボルト締結力には多少のばらつきを許容でき、設計および製作が容易である。
【００１８】
また、サブダンパー３はコンパクトなもので良いし、従来のブレースタイプの鋼材ダンパーの形態や外形寸法を変更することなくそれにサブダンパー３を付加することのみで従来のものと同様に取り扱うことができ、その製作作業や現場への設置作業も何等面倒ではない。勿論、大地震時にサブダンパー３が破損してもブレース本体１はそのまま本来のダンパーとして支障なく機能するし、破損したサブダンパー３は事後に容易に交換することができる。
【００１９】
図４に具体的な設計例を示す。（ａ）は本発明のブレースダンパーの構造を示す模式図であり、これは（ｂ）に力学モデルとして示すように、拘束部材２とサブダンパー３とが直列に設けられ、それらとブレース本体１が並列に設けられたものとなる。
【００２０】
ここで、Kcはブレース本体１の剛性であり、ブレース本体１の等価断面積Ae、最小断面積Ac、降伏点σy、長さL、ヤング係数Eとすると、
Kc＝E・Ae／L
で表され、ブレース本体１の降伏応力（荷重）Pyは、
Py＝σy・Ac
で表される。
【００２１】
また、Ksは拘束部材２（補剛材７を含む）の剛性であり、その断面積をAsとすると
Ks＝E・As／L
で表される。
【００２２】
Kfはサブダンパー３の剛性であり、拘束部材２とサブダンパー３との直列バネ剛性Ksfは、
Ksf＝{(1／Ks)＋(1／Kf）}−１
で表され、したがってブレースダンパー全体の剛性Kは、
K＝Ksf＋Kc＝{(L／E・As)＋(１／Kf)}−１＋(E・Ae／L)
で表される。
【００２３】
具体的な数値例を挙げてさらに説明する。
各部材の仕様が、
・ブレース本体：PL-25×374〜250(LY225)、L＝300cm、Ac＝62.5cm２、Ae＝80cm２、σy＝22.5kN/cm２
・拘束部材：2C-380×100×10.5×16＋2PL-12×227、As＝193ｃｍ２
・サブダンパー：Kf＝150MN/cm、負担力Pf＝270kN＝0.27MN
の場合、上記各式より
Kc＝5.6MN/cm
Py＝1.4MN
Ks＝13MN/cm
Ksf＝12MN/cm
サブダンパーが滑り出すときの変位σsfは
σsf＝Pf／Ksf＝0.022cm
全体剛性Kは
K＝Ksf＋Kc＝18MN/cm
となり、その結果を図４（ｃ）に示す。
【００２４】
このブレースダンパーの等価減衰定数heqを求める。
摩擦ダンパーが滑り出す変位0.02cmまでの減衰は0（ゼロ）であり、この変位からブレース本体が降伏する0.26cmまでの減衰を算定すると、変位量σとしたときの履歴吸収エネルギーΔWは
ΔW＝2×0.27×2(δ−0.02)＝1.08(δ−0.02)
変位δ時のポテンシャルエネルギーWは
W＝(5.6δ＋0.27)δ/2=(2.8δ＋0.135)δ
等価減衰定数heqは、
heq＝(1/4π)・(ΔW/W)＝0.086(δ−0.02)／(2.8δ＋0.135)δ
【００２５】
以上の結果を図４（ｄ）に示すが、これから、変位0.025cm以降、ブレース本体が降伏する0.26cmまでは８％以上の減衰が安定して確保されていることがわかる。この減衰にはブレース本体と並列させ、拘束部材と直列させているというロスを含んでいるが、それでもこの程度の減衰性能が確保され、本ブレースダンパーは充分に実用的であると判断できる。
【００２６】
さらに、ブレース本体の降伏後も含めたブレースダンパー全体の減衰特性を検討する。ブレース本体の降伏変位0.26cm以上の変位に対する１ループ当たりの履歴吸収エネルギーΔWは
ΔW＝4×(1.44−0.28×0.26)(δ−0.26)＋1.08(δ−0.02)
変位δ時のポテンシャルエネルギーWは
W＝{1.44＋0.27＋0.28(δ−0.26)}δ/2＝{0.86＋0.14(δ−0.26)}δ
等価減衰定数heqは、
以上の結果を図４（ｅ）に示す。これから、本実施形態のブレースダンパーは、減衰定数に２つのピークを持つ特性があり、中小地震や風などの小さな外力に対してはサブダンパー３が、大地震には本来のダンパーであるブレース本体１が有効に効く鋼材ダンパーとして挙動することがわかる。なお、一般にこの種のダンパーの軸変位は巨大地震でも30mm以内であり、サブダンパー３を付加しない単なるブレースタイプの鋼材ダンパーでは軸方向変位が2.6mm以下では弾性のために減衰機能を持たないが、サブダンパー３を付加したものでは１桁小さい0.25mm以上から減衰性能を発揮できるため、大地震だけでなく中小地震に対しても有効な制震ダンパーとなるのである。一般的な構造物がもつ鉄骨やコンクリートの躯体による減衰は0.02（2%）程度であり、0.25mmの微小変位から0.08（8%）以上の付加減衰を安定して与えられるこのブレースダンパーを使用することで大幅に減衰性能が向上し、大地震から中小地震まで応答低減を図ることができる。
【００２８】
以上で本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、ブレース本体よりも負担力が充分に小さい軽微なサブダンパーとしての摩擦ダンパーをブレース本体と拘束部材との間に介装する限りにおいて適宜の設計的変更が可能であり、たとえば、必要に応じて複数のサブダンパーを設けたり、上記の摩擦ダンパーの他に異種のサブダンパーを組み合わせて設けることも可能である。また、サブダンパーとしての摩擦ダンパーがブレース本体の弾性変形時に有効に作動するように、拘束部材の一端部のみをブレース本体に対してボルト締結して、その拘束部材の他端部において、ブレース本体に設けたリブプレートと拘束部材に設けた取付リブとをスプライスプレートを介して摩擦接合することによって摩擦ダンパーを構成する限りにおいて、ブレースダンパーに対するサブダンパーの設置の構造、組み込みの形態は任意である。
【００２９】
また、上記実施形態ではブレース本体１の中央部の幅寸法を小さくすることでそこでの断面積を絞って降伏部１ａを形成したが、ブレース本体１は所定軸力で降伏するものであれば良く、その限りにおいて全長にわたって同一断面のものであっても良いし、中央部にスリットや長穴を形成する等により降伏部を形成するものも採用可能である。
【００３０】
また、上記実施形態ではチャンネル鋼材５とカバープレート６とをＨ形に組み立てる形態の拘束部材２を採用したが、拘束部材２はブレース本体１の面外座屈を防止できるものであれば良く、その限りにおいて適宜の材質や形態のものが考えられし、ブレース本体１の形態によってはその幅方向の面内座屈を拘束し得るものとしておくことがより好ましい。
【００３１】
【発明の効果】
請求項１の発明は、ブレース本体が軸方向に弾性変形した際に作動する軽微なサブダンパーをブレース本体と拘束部材との間に介装したので、大地震時にはブレース本体により優れた制震効果が得られることに加え、中小地震時にもサブダンパーにより優れた制震効果が得られるものであり、ローコストで使い易いブレースタイプの鋼材ダンパーを中小地震から大地震まで幅広く適用することが可能である。
【００３２】
特に、拘束部材の一端部のみをブレース本体の一端部に対してボルト締結してその拘束部材の他端部とブレース本体の他端部との間にサブダンパーを介装し、かつ、サブダンパーとして、ブレース本体に設けたリブプレートと、拘束部材に設けた取付リブとを、スプライスプレートを介して摩擦接合してなる摩擦ダンパーを採用したので、従来一般のブレースタイプの鋼材ダンパーに対してサブダンパーを簡単に付加することで本発明のブレースダンパーを構成することができ、したがって従来のブレースタイプの鋼材ダンパーと同様に取り扱うことができ、その製作作業や現場への設置作業も何等面倒ではなく、サブダンパーが破損してもブレース本体はそのまま本来のダンパーとして支障なく機能するし、破損したサブダンパーは容易に交換することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態であるブレースダンパーの概略構成を示す図であって、（ａ）は側面図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は（ａ）におけるIｃ−Iｃ線視平断面図である。
【図２】 同、横断面図であり、（ａ）は図１（ａ）におけるIIａ−IIａ線視図、（ｂ）は同じくIIｂ−IIｂ線視図、（ｃ）は同じくIIｃ−IIｃ線視図である。
【図３】 同、要部の組立図である。
【図４】 同、具体的な設計例を説明するための図である。
【符号の説明】
１ ブレース本体
１ａ 降伏部
２ 拘束部材
３ サブダンパー
４ リブプレート
５ チャンネル鋼材
６ カバープレート
７ 補剛材
７ａ 縦リブ
７ｂ 横リブ
８ 緩衝材
９ スリット
１０ 締結ボルト
１１ 取付リブ
１２ スプライスプレート
１３ 締結ボルト
Claims (1)
- 建物にブレースとして設置されるとともに建物の振動エネルギーを吸収するダンパーとしても機能するブレースダンパーであって、
両端が建物に対して固定され所定軸力を受けた際に降伏する帯板状の鋼板からなるブレース本体と、ブレース本体の周囲に装着されることによりブレース本体の軸方向変形を許容しつつ面外座屈を防止する拘束部材とを主体として構成されてなり、
前記拘束部材の一端部のみをブレース本体の一端部に対してボルト締結して該拘束部材をブレース本体に対して軸方向への相対変位を拘束した状態で装着するとともに、その拘束部材の他端部とブレース本体の他端部との間に、ブレース本体が軸方向に弾性変形した際に作動するサブダンパーを介装し、
該サブダンパーが、ブレース本体に設けたリブプレートと、拘束部材に設けた取付リブとを、スプライスプレートを介して摩擦接合してなる摩擦ダンパーであることを特徴とするブレースダンパー。
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