JP3882325B2

JP3882325B2 - 摩擦ダンパー

Info

Publication number: JP3882325B2
Application number: JP07588798A
Authority: JP
Inventors: 康正鈴井
Original assignee: Obayashi Corp
Current assignee: Obayashi Corp
Priority date: 1998-03-24
Filing date: 1998-03-24
Publication date: 2007-02-14
Anticipated expiration: 2018-03-24
Also published as: JPH11269984A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、建物架構の制振構造に関し、特に梁部材を柱部材、間仕切壁等（以下単に壁と称する）に接続する部分に摩擦ダンパーを構成して、建物架構を効果的に制振するようにした制振構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、中，高層建築物の建物架構は、柱部材と梁部材とが剛節となるラーメン構造をもって構成される。このようなラーメン構造となる建物架構では制振手段が設けられて、地震や強風等によって建物が大きく揺動するのが防止される。制振手段は従来から各種装置が提案され、例えば免震ゴムによって建物を全体的に支持する方法や、質量体をアクティブまたはパッシブに移動させる方法が知られている。しかし、免震ゴムを用いた制振装置は、建物の過大重量を支持するため装置が著しく大掛かりとなり、大幅なコストアップが来される。また、質量体を移動させる装置（ＡＭＤ，ＴＭＤ）は、入力振動に対して建物頂部に水平方向の制御モーメントを発生させるもので、これで大振動を制振しようとした場合は質量体の振幅を装置の許容ストローク以下に抑える必要があり、このため過大な付加質量が必要となってその実現が困難になってしまうこともある。
【０００３】
ところで、建物の揺動を抑制するためには建物架構に入力された振動エネルギーを吸収すれば良く、このため、建物架構の剛節部分をボルト，ナット結合し、この結合部分に摩擦ダンパーを構成することにより、簡単な構造の制振装置を得ることができる。この摩擦ダンパー１は、図９に示すように互いに結合される一方の部材に滑り板２を設けるとともに、他方の部材に摩擦板３を設け、そして、これら滑り板２と摩擦板３とを、一方に形成したルーズホール４を介してボルト５，ナット６結合して圧着固定したものである。従って、上記摩擦ダンパー１に地震や強風を起因とする過大な水平力が入力された場合に、ボルト５，ナット６の締め付けによる軸力で設定される摩擦力に抗して滑り板２と摩擦板３が相対摺動し、これによって振動エネルギーを効果的に吸収して振動減衰するようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、建物架構に設けた従来の摩擦ダンパーでは、ボルト５，ナット６により所定の圧接力をもって締め付けられた滑り板２および摩擦板３は、これらの相対摺動が繰り返されることにより摩耗が生じてしまう。つまり、このように摩耗が生ずると必然的に上記ボルト５，ナット６による初期軸力が低下し、延いては滑り板２と摩擦板３との間の摩擦力が低減されてしまう。このように摩擦力が低減されると、当初設定した減衰性能を得ることができず、十分な制振機能を発揮できなくなってしまう。このため、上記滑り板２と摩擦板３の摩耗に応じてその都度ボルト５，ナット６を締め付けて軸力を入れ直す必要があり、その作業が著しく大掛かりなものになってしまうという課題があった。
【０００５】
そこで、本発明はかかる従来の課題に鑑みて成されたもので、摩擦ダンパーを構成する滑り板と摩擦板の摺動面に摩耗が生じた場合にも、簡単な構造にして両者間の摩擦力の低下を抑制し、もって当初の振動減衰力を維持するようにした建物架構の制振構造を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するための摩擦ダンパーは、（ａ）滑り板、及び、該滑り板に摺動自在に重ね合わされる摩擦板を貫通するボルトと、（ｂ）前記ボルトの頭部と前記摩擦板との間に配置されたワッシャと、（ｃ）前記ワッシャと前記摩擦板との間に配置され、内径が前記ワッシャの外径よりも小さい皿ばねであって、前記滑り板と前記摩擦板とを互いに圧接する方向に押圧する皿ばねと、（ｄ）前記ボルトの軸方向において、前記ワッシャと前記摩擦板との間に配置され、前記ボルトの径方向において、前記ボルトの外側、且つ前記皿ばねの内側に配置されたガイド環と、（ｅ）前記ボルトの前記頭部とは反対側にて、該ボルトと螺合するナットと、を備え、（ｆ）前記皿ばねが、弾発力の小さい非線形ばね領域内でたわみ変形されていることを特徴とする。
【０００７】
また、前記ワッシャと前記ガイド環は、一体に形成されていること、としてもよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。図１から図３は本発明の建物架構の制振構造の第１実施形態を示し、図１は制振構造を構成する建物架構の要部を示す正面図、図２は制振構造の要部拡大正面図、図３は図２中Ａ部の拡大断面図である。
【００１５】
即ち、本実施形態の建物架構の制振構造は、図１に示すように柱部材としての鉄骨柱１０と梁部材としての鉄骨梁１２との接続部分に適用され、これら鉄骨柱１０および鉄骨梁１２はＨ型鋼によって形成されてラーメン架構を構成する。鉄骨柱１０の梁接続部分には、鉄骨梁１２と同じＨ型鋼を短尺に切断した梁接続部１４を溶接して一体化し、この梁接続部１４に上記鉄骨梁１２の接続端部が結合される。本実施形態では上記梁接続部１４は鉄骨柱１０のフランジ１０ａ面に溶接されるとともに、該梁接続部１４の上下フランジ１４ａ，１４ｂ位置に対応して、鉄骨柱１０の両側フランジ１０ａ，１０ｂ間に跨って補強ブラケット１６が溶接されている。
【００１６】
上記鉄骨梁１２の接続端は上記梁接続部１４の先端に突き合わされ、これら鉄骨梁１２と梁接続部１４の互いに対応される上方フランジ１２ａと１４ａおよび下方フランジ１２ｂと１４ｂ、そして、ウェブ１２ｃと１４ｃの両側面間に跨って添板１８を配置する。そして、両側面に配置した添板１８間には、上記鉄骨梁１２の上下フランジ１２ａ，１２ｂおよびウェブ１２ｃ、そして、上記梁接続部１４の上下フランジ１４ａ，１４ｂとウェブ１４ｃをそれぞれ貫通して複数のボルト２０が取り付けられる。それぞれのボルト２０には図３に示すようにナット２２を螺合して締め付けることにより、上記鉄骨梁１２と上記梁接続部１４つまり鉄骨柱１０とが結合される。このとき、上記ボルト２０に高張力鋼で形成された高力ボルトが用いられる。
【００１７】
ここで、上記添板１８を介して鉄骨梁１２と梁接続部１４とが接続される部分を摩擦ダンパー２４として構成し、この摩擦ダンパー２４によって建物架構に入力される水平方向の振動を減衰する機能が付加される。上記添板１８は図２に示すように、梁接続部１４側にボルト２０，ナット２２を介して確実に締め付け固定（この部分は溶接でも良い）された上で、該添板１８と鉄骨梁１２とを摺動自在とし、これら両者間にボルト２０の軸力をもって摩擦力を発生させるようになっている。
【００１８】
即ち、上記摩擦ダンパー２４は、鉄骨梁１２の上下フランジ１２ａ，１２ｂ端部およびウェブ１２ｃ端部を滑り板とし、かつ、これらの両側面に配置される上記添板１８を摩擦板として用い、滑り板となった上下フランジ１２ａ，１２ｂおよびウェブ１２ｃには、ボルト２０の貫通部分に水平方向に長穴となるルーズホール２６が形成され、これによって鉄骨梁１２と梁接続部１４との水平方向の相対移動が許容される。また、上記ボルト２０には添板１８と上下フランジ１２ａ，１２ｂおよびウェブ１２ｃとの間に圧接力を付加するための付勢手段としての皿ばね組２８が設けられる。尚、この皿ばね組とは、複数枚の皿ばね単体を同一方向に積層して構成したもので、ここでは該皿ばね組を単なる皿ばねと同意として用いるものとする。
【００１９】
図３（ａ）は上記ボルト２０の取付け部分を拡大して示すが、同図に示すように上記皿ばね組２８はボルト頭部２０ａ側に設けられ、笠状に形成された該皿ばね組２８の下側が添板１８側に向けられ、頂部側がボルト２０の頭部２０ａ側に向けられて配置される。そして、該皿ばね組２８はボルト頭部２０ａ側に配置されたワッシャ２９，３０及びカラー３１と、添板１８側に配置されたカラー３２との間に挟まれるようにしてボルト２０が挿通され、かつ、該皿ばね組２８の内周にはボルト２０との同心性を保つためにガイド環３４が嵌挿される。また、ナット２２側にもワッシャ２９，３０が配置され、この状態でボルト２０，ナット２２を締め付けることにより、この締め付け力によって皿ばね組２８に最適な予圧力（設定圧接力）を付加できるようになっている。そして、この締め付けにより発生する皿ばね組２８の弾発力が、ボルト２０の軸力として添板１８とフランジ１２ａ（またはフランジ１２ｂ若しくはウェブ１２ｃ）との間に作用し、これら両者間に所定の摩擦力を発生させるようになっている。なお、図３（ｂ）に示すように、ガイド環３４はワッシャ３０と一体形成するようにしても良い。
【００２０】
ここで、上記皿ばね組２８に付加される設定圧接力は、該皿ばね組２８のたわみ変形に対して弾発力の変動が小さくなる非線形ばね領域内で作動するように設定される。非線形ばね領域とは、皿ばね組が備えた特有のばね特性で荷重−変位関係が非線形となる領域のことである。この非線形ばね領域では、設定圧接力（予圧力）の変動分に対する弾発力の変動分がごく小さくなり、つまり、皿ばね組２８をこの非線形ばね領域内で使用することにより、線形領域を超えて皿ばね組２８のたわみ量σが変化しても、その発生弾発力の変動がきわめて小さくなる。
【００２１】
以上の構成により本実施形態の建物架構の制振構造にあっては、鉄骨柱１０と鉄骨梁１２との接続部分にあって、該鉄骨梁１２の端部が鉄骨柱１０から突設する梁接続部１４に添板１８を介してボルト２０，ナット２２結合される部分を摩擦ダンパー２４として構成したので、地震や風等により建物架構に水平荷重が入力され、この力がラーメン架構を構成する鉄骨柱１０および鉄骨柱１２のたわみ変形を伴って、これら両鉄骨１０，１２の接続部分に設けられた上記摩擦ダンパー２４に入力されると、滑り板となる鉄骨梁１２と摩擦板となる添板１８とが相対移動してこれらの間に摩擦抵抗力が発生し、これが減衰力となって建物架構を効果的に制振する。
【００２２】
ところで、本実施形態では上記摩擦ダンパー２４は、鉄骨梁１２と添板１８との間に発生する摩擦力は、ボルト２０と同軸に配置された皿ばね組２８の弾発力によるものであり、該摩擦力は鉄骨梁１２の上下フランジ１２ａ，１２ｂおよびウェブ１２ｃに添板１８を圧接させる圧接力と、これら両者間の摩擦係数との積によって摩擦力が与えられ、このときの圧接力は、上記皿ばね組２８のばね定数とばね変形量との積として得られる。
【００２３】
そして、上記皿ばね組２８は、設定圧接力が加えられて弾発力の変動が小さい非線形ばね領域内でたわみ変形されるように設定されるので、上記上下フランジ１２ａ，１２ｂおよびウェブ１２ｃと添板１８との摺動面が摩耗して、皿ばね組２８のたわみ変形量が変化した場合にも、該皿ばね組２８の弾発力の変動はきわめて小さくなり、延いては、上下フランジ１２ａ，１２ｂおよびウェブ１２ｃと添板１８との間の圧接力が低下されるのを防止することができる。従って、上記摩擦ダンパー２４で発生される摩擦抵抗力を略一定に維持することができるため、振動減衰能力が変動することを防止し、皿ばね組２４を用いるという簡単な構成にもかかわらず、難しいとされたエネルギー吸収能力の安定性向上が大幅に改善され、延いては、建物の耐振性能を大幅に向上することができる。
【００２４】
図４，図５は本発明の第２実施形態を示し、上記第１実施形態と同一構成部分に同一符号を付して重複する説明を省略して述べる。尚、図４は制振構造が適用される壁を概略的に示す正面図、図５は図４中Ｂ部の拡大図である。
【００２５】
この実施形態では建物架構の梁部材としての鉄骨梁５０とプレキャストコンクリート板でなる間仕切壁５２との接続部分に摩擦ダンパー５４を構成し、この摩擦ダンパー５４に本発明を適用したものである。即ち、上記間仕切壁５２はある程度の入力荷重に対して十分に耐え得るように大きな強度を持って構成され、ラーメン架構を構成する上記鉄骨梁５０と鉄骨柱５６とで囲まれた空間部分に、これを閉塞するように取り付けられる。なお、接続対象となる壁は上記間仕切壁５２に限らず耐震壁であっても良いことは勿論のことである。
【００２６】
鉄骨梁５０と間仕切壁５２との接続は、図５に示すように間仕切壁５２の上端部を一部切欠いて、この切欠部分５２ａに露出する間仕切壁５２の枠板５８と、鉄骨梁５０の下方フランジ５０ａ下面にボルトまたは溶接等により結合される垂設ブラケット６０とが、ボルト６２および図外のナットを介して結合されるようになっている。また、上記垂設ブラケット６０は、枠板５８の両側面を挟むように一対設けられる。
【００２７】
そして、この実施形態にあっても上記枠板５８を滑り板とし、上記垂設ブラケット６０を摩擦板として用い、かつ、上記ボルト６２に皿ばね組６４を取付けることにより上記摩擦ダンパー５４が構成される。勿論、上記垂設ブラケット６０のボルト６２挿通部分に水平方向のルーズホール６０ａを形成して、枠板５８と垂設ブラケット６０とは水平方向の相対移動が可能となっている。
【００２８】
ところで、上記摩擦ダンパー５４のボルト６２および皿ばね組６４の取付け構造は、上記第１実施形態で図３に示したと同様の構成とすることができる。この場合、フランジ１２ａは枠板５８に対応し、添板１８は垂設ブラケット６０に対応し、かつ、ボルト２０は本実施形態のボルト６２に対応し、皿ばね組２８は本実施形態の皿ばね組６４に対応する。そして、上記皿ばね組６４は上記第１実施形態と同様に、該皿ばね組６４のたわみ変形に対して弾発力の変動が小さくなる非線形ばね領域内で作動するように設定される。
【００２９】
従って、本実施形態にあっても鉄骨梁５０と間仕切壁５２との間に構成される摩擦ダンパー５４の皿ばね組６４は、上記第１実施形態と同様に弾発力の変動が小さい非線形ばね領域内でたわみ変形されるように設定されるので、枠板５８と垂設ブラケット６０との摺動面が摩耗して、皿ばね組６４のたわみ変形量が変化した場合にも、該皿ばね組６４の弾発力の変動がきわめて小さくなる。このため、上記摩擦ダンパー５４で発生される摩擦抵抗力を略一定に維持して、振動減衰能力が変動することを防止し、建物の耐振性能を大幅に向上することができる。
【００３０】
また、上記摩擦ダンパー５４によって梁部材５０から間仕切壁５２に入力される過大荷重がある程度吸収されるため、該間仕切壁５２に作用する荷重を低減して間仕切壁５８が大きく破壊されるのを可及的に防止することができる。
【００３１】
ところで、上記第１，第２実施形態の摩擦ダンパー２４，５４は、滑り板を構成するフランジ１２ａ（またはフランジ１２ｂ若しくはウェブ１２ｃ）および枠板５８と、摩擦板を構成する添板１８および垂設ブラケット６０とは直接に当接させて摺動させるようにした場合を開示したが、これに限ることなく図６に示すように滑り板と摩擦板との間に摩擦材７０を介在させることができる。即ち、同図は第１実施形態の柱梁接続部に設けられた摩擦ダンパー２４に例をとって示すが、フランジ１２ａ（またはフランジ１２ｂ若しくはウェブ１２ｃ）と、これの両側面に配置される添板１８との間にそれぞれ摩擦材７０を設ける。
【００３２】
従って、フランジ１２ａと添板１８との間に摩擦材７０を介在することにより、構造材となるこれらフランジ１２ａおよび添板１８の摩擦係数に限定されること無く、摩擦材７０の摩擦係数をある程度自由に選択できるため、摩擦ダンパー２４の摩擦力をより最適となる状態に設定し、延いては、摩擦ダンパー２４による振動減衰力をより高めることができる。また、このことは第２実施形態の鉄骨梁５０と耐震壁５２との接続部に設けた摩擦ダンパー５４にあっても同様の機能を発揮することができる。
【００３３】
また、上記摩擦ダンパー２４，５４は、複数枚の皿ばね組単体を積層した皿ばね組２８，６４を１本のボルト２０，６２に対して１組設け、これをボルト頭部側に配置した場合を開示したが、これに限ることなく第１実施形態に例をとって示す図７のように、１組となった皿ばね組２８を抱き合わせ状態で一対設けることにより、それぞれの皿ばね組２８を合わせた全体の許容たわみ量を大きく変化させることができる。このため、１組の皿ばね組２８ではチューニングできなかった弾発力を、摩擦ダンパーによって目的の摩擦力を得るように緻密に調整することができる。
【００３４】
更に、このように一対の皿ばね組２８を設けた場合に、図８に示すようにボルト頭部２０ａ側とナット２２側とに分離して配置することもできる。また、このように一対の皿ばね組２８を設けた場合に上記摩擦材７０を設けたものを上記図７，図８に示したが、必ずしもこの摩擦材７０を設ける必要はない。更に、上記皿ばね組２８の組み合わせ配置構成は、上記図示した態様に限ることなく、本発明の皿ばねに求められる設定が可能である限り、種々に変更して組み合わせて構成、例えば、複数枚を直列にまたは並列に積層したり、その積層方向を正，逆に向けたりすることができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、滑り板、及び、該滑り板に摺動自在に重ね合わされる摩擦板を貫通するボルトと、前記ボルトの頭部と前記摩擦板との間に配置されたワッシャと、前記ワッシャと前記摩擦板との間に配置され、内径が前記ワッシャの外径よりも小さい皿ばねであって、前記滑り板と前記摩擦板とを互いに圧接する方向に押圧する皿ばねと、前記ボルトの軸方向において、前記ワッシャと前記摩擦板との間に配置され、前記ボルトの径方向において、前記ボルトの外側、且つ前記皿ばねの内側に配置されたガイド環と、前記ボルトの前記頭部とは反対側にて、該ボルトと螺合するナットと、を備えることにより、前記皿ばねについて、効果的に、弾発力の小さい非線形ばね領域内でたわみ変形させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す制振構造を構成する建物架構の要部を示す正面図である。
【図２】本発明の一実施形態を示す制振構造の要部拡大正面図である。
【図３】（ａ）は本発明の一実施形態を示す図２中Ａ部の拡大断面図であり、（ｂ）はその変形例である。
【図４】本発明の他の実施形態を示す制振構造が適用される壁の概略正面図である。
【図５】本発明の他の実施形態を示す図４中Ｂ部の拡大図である。
【図６】本発明の他の実施形態を示す摩擦材を設けた摩擦ダンパーの要部拡大断面図である。
【図７】本発明の他の実施形態を示す一対の皿ばねを抱き合わせた摩擦ダンパーの要部拡大断面図である。
【図８】本発明の他の実施形態を示す一対の皿ばねをボルト頭部側とナット側に設けた摩擦ダンパーの要部拡大断面図である。
【図９】従来の摩擦ダンパーを示す要部拡大断面図である。
【符号の説明】
１０鉄骨柱（柱部材）
１２鉄骨梁（梁部材）
１２ａ，１２ｂフランジ（滑り板）
１４梁接続部
１８添板（摩擦板）
２０ボルト
２２ナット
２４摩擦ダンパー
２８皿ばね組（皿ばね）
５０鉄骨梁
５２間仕切壁
５４摩擦ダンパー
５８枠板（滑り板）
６０垂設ブラケット（摩擦板）
６２ボルト
６４皿ばね組（皿ばね）

Claims

（ａ）滑り板、及び、該滑り板に摺動自在に重ね合わされる摩擦板を貫通するボルトと、
（ｂ）前記ボルトの頭部と前記摩擦板との間に配置されたワッシャと、
（ｃ）前記ワッシャと前記摩擦板との間に配置され、内径が前記ワッシャの外径よりも小さい皿ばねであって、前記滑り板と前記摩擦板とを互いに圧接する方向に押圧する皿ばねと、
（ｄ）前記ボルトの軸方向において、前記ワッシャと前記摩擦板との間に配置され、前記ボルトの径方向において、前記ボルトの外側、且つ前記皿ばねの内側に配置されたガイド環と、
（ｅ）前記ボルトの前記頭部とは反対側にて、該ボルトと螺合するナットと、
を備え、
（ｆ）前記皿ばねが、弾発力の小さい非線形ばね領域内でたわみ変形されていることを特徴とする摩擦ダンパー。
請求項１に記載の摩擦ダンパーにおいて、
前記ワッシャと前記ガイド環は、一体に形成されていることを特徴とする摩擦ダンパー。