JP3910278B2

JP3910278B2 - Seismic shock dampening device for road columns

Info

Publication number: JP3910278B2
Application number: JP32633297A
Authority: JP
Inventors: ジーアクソンマイケル
Original assignee: ジーアクソンマイケル
Priority date: 1997-08-19
Filing date: 1997-11-27
Publication date: 2007-04-25
Anticipated expiration: 2017-11-27
Also published as: JPH1161737A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は地震衝撃減衰装置に関し、より詳細には、橋、高架高速道路または他の大きい構造体を支持するのに使用される荷重支持柱に使用するのに適した地震衝撃減衰装置に関する。
【０００２】
【従来技術および発明が解決しようとする課題】
荷重支持柱に支持された橋、高架高速道路または他の大きい構造体はしばしば構造体のための地震保護が必要とされる地域に建設される。これらの構造体の構造保全性は地震中に課せられる応力から破壊されずに残るように荷重支持柱の容量に非常に依存している。構造体は１つまたはそれ以上の荷重支持柱の損失に耐えることができるのがよいが、各破損は構造体の残部に作用する荷重を増大し、且つ構造体全体を破損させるようにしがちである。かくして、地震中、柱内に発生される力およびモーメント下で荷重支持柱が破損しないようにすることが重要である。これらの荷重は水平および垂直の力ならびに捩じりモーメントおよび曲げモーメントを含む。
【０００３】
これまで、ビル用の地震保護装置の開発は主として構造体を基礎から遮断する方法に集中していた。基部遮断はこれらの方法に付けられた名称である。基部遮断装置により支持されたビルはその基礎上に浮遊（フロート）している。更に、構造が発生させるいずれの運動をも減少させるのに減衰装置も使用されている。一般に、米国特許第 3,606,704号（デントン）、米国特許第 3,794,227号（スメドレイ等) 、米国特許第 4,860,507号（ガーザ─タマズ) 、米国特許第 5,386,671号（ヒュー等) を参照せよ。基部遮断はビルを地震荷重から保護する効果的な方法であることが証明されている。基部遮断を使用したビルは比較的大きい領域（足跡）を有する基礎により支持され、代表的なビルは正方形または矩形の形状を有し、且つ４つの外部荷重支持壁部を有している。かくして、地震力は大きい領域にわたって散開される。更に、基礎遮断装置上のものでも、ビルはほとんどの荷重下で安定である。ビルは、その重心（ほぼビルの幾何学的中心）が外部荷重支持壁部のうちの１つの壁部の垂直平面の外側になるように移動されると、不安定になるだけである。ビルは不安定になると、傾くが、代表的なビルはこれをぐらつかせるのに必要な距離、ビルの重心を移動させるのに必要な力を発する負荷から助かることができそうにもない。
【０００４】
ビル用の地震減衰装置を開発する際の経過にかかわらず、橋、高架高速道路または同様な大型構造体用に開発され、荷重支持柱自身に使用するのに効果的であると証明されたいずれの地震減衰装置も無かった。更に、代表的な構成方法はクロスビームまたは橋脚頭を支持するのに単一の柱または単一列の柱を使用している。基部遮断の形態として作用する幾つかの地震保護装置が開発されてきた。これらの装置は橋のクロスビームまたは橋脚頭とガーダー構造体との間に設置されていた。米国特許第 3,986,222号（ミヤザキ等）および米国特許第 4,729,882号（ガロ）を参照せよ。ビームまたは橋脚とガーダー構造体との間に位置決めされた地震保護装置はガーダー構造体のいくらかの保護を行うかも知れないが、荷重支持柱およびクロスビームまたは橋脚、基礎と衝撃減衰装置との間に位置決めされた不可欠な構造部材は未保護のままにされている。
【０００５】
これらの柱用の地震保護装置の設計および構成はビル用の保護装置の設計および構成より困難である。この難点は柱と構造体との下記の相違（１）〜（４）のために生じる。（１）ビルにおける地震荷重は橋用の少ない数と比較して多い数の荷重支持部材のわたって散開される、（２）ビルにおける地震荷重は柱の小さい横断面と比較して比較的大きい領域にわたって散開され、（３）構造体は柱と比較して大きい範囲の安定性を有しており、（４）構造体はビルとその基礎との間に装着された基部遮断装置に浮遊（フロート）することができ、代表的な柱は適切な支持のためにそれらの基礎に固定されなければならない。
荷重支持柱用の地震保護は現在のところ、柱を地震中の発生する力およびモーメントすべてに耐えるように設計することよりなる。地震力およびモーメントに耐えるように柱を設計するのは、幾つかの欠点がある。この解決策に伴う主な問題は、（ａ）より強い柱を構築する付加コスト、および（ｂ）地震荷重に耐えるように全構造体を設計して構築する付加コスト、または地震減衰装置または遮断装置をクロスビームまたは橋脚頭と構造体の残部との間に設置するコストである。また、クロスビームまたは橋脚頭と構造体との間に使用するように開発された地震減衰装置／遮断装置は主に単一方向においてのみ地震荷重の減衰を行うが、地震力は普通、多方向、例えば、水平方向および垂直方向の両方に発生する。米国特許第 4,720,882号（ガロ）および米国特許第 3,986,222号（ミヤザキ等）を参照せよ。
【０００６】
不運にも、最近の地震は「地震防止」大型構造体の既存方法の欠陥を実証し、その結果地震中、荷重支持柱を破損から保護する必要を示した。かくして、新規な柱に使用することができ、方向にかかわらず、柱および支持構造体の両方を地震の力およびモーメントから保護するために既存の柱に改装されることができる地震減衰装置／遮断装置が必要である。
【０００７】
【課題を解決する手段】
本発明は上記問題を解決したものであり、広くは荷重支持柱用の地震衝撃制御装置よりなる。単一の開口を有する雌受け部が設けられている。雌受け部の底部に心だしされた半球形の窪みに摩擦ロッカーが載っている。摩擦ロッカーの上方で雌受け部の開口に嵌入するように雄プラグが形成されており、雄プラグと雌受け部および頂摩擦ロッカーとの間に隙間を残している。これらの隙間は代表的には、ポリウレタンで埋められる。雌受け部および雄プラグを荷重支持柱に取付けるために取付け手段が設けられている。
【０００８】
【実施例】
ａ．構造
図１は本発明による地震衝撃減衰装置１０を示している。衝撃減衰装置のこの実施例は比較的軽い荷重、代表的には５００ポンド／平方インチより非常に小さい荷重に耐えるように設計された柱に使用するようになっている。衝撃減衰装置１０は雌受け部２０と、隙間７０を残して雌受け部２０の内側に嵌合する雄プラグ４０と、雄プラグ４０と雌受け部２０との間の隙間７０を完全に或いは部分的に埋める衝撃挿入体６０とを備えている。第１グループのリバー部材１００が雌受け部２０に取付けられ、第２グループのリバー部材１０２が雄プラグ４０に取付けらており、これらのリバー部材は衝撃減衰装置１０を強化コンクリート柱に連結するように機能する。
【０００９】
雌受け部２０は頂縁部２２と、この頂縁部２２を外側底面２６に接合する外側受け部表面２４と、頂縁部２２を内側底面３０に接合する雌円錐形表面２８とを備えている。雄プラグ４０は頂面４２と、頂面４２を底縁部４６に接合する外側プラグ表面４４と、底縁部４６をプラグ底部５０に接合する雄円錐形表面４８とを備えている。雄プラグ４０は、これが雌受け部２０に一般に接触しないように隙間７０を残して雌受け部の内側に嵌まる。好ましくは、雌受け部２０と雄プラグ４０との間のこの空間を完全に埋めるのは衝撃挿入体６０である。しかしながら、或る用途では、衝撃挿入体６０は雌受け部２０と雄プラグ４０との間の空間を部分的にしか埋めない。例えば、衝撃挿入体６０は雌受け部２０の雌円錐形表面２８と雄プラグ４０の雄円錐形表面４８との間の空間を埋めるかも知れない。或いは、衝撃挿入体６０は雌受け部２０の雌円錐形表面２８と雄プラグ４０の雄円錐形表面４８との間の空間および雌受け部２０の頂縁部２２と雄プラグ４０の底縁部４６との間の空間を埋めてもよい。衝撃挿入体６０により埋められた空間の範囲の選択は特定の荷重支持柱についての規格、技術者の判断および後述の有限要素分析の結果により決まる。
【００１０】
下記対の表面は互いにほぼ平行である。ａ）頂面４２および底面２６、ｂ）底縁部４６および頂縁部２２、ｃ）雄円錐形表面４８および雌円錐形表面２８、ｄ）プラグ底部５０および内側底面３０。しかしながら、これらの対の表面は平行である必要がないが、これらの表面が平行である場合、衝撃挿入体６０はより均一に負荷される。更に、平行表面は、地震中、追加のモーメントを衝撃減衰装置１０に加えることなしに雌受け部２０に対して雄プラグ４０の一様な水平変位を促進する。しかしながら、構造技師が衝撃挿入体の不均一な負荷および特定の用途について衝撃減衰装置１０内のモーメントの発生を必要とするような幾つかの用途がある。更に、代表的な柱については、下記対の表面間の距離がほぼ等しいことが好ましい。ａ）底縁部４６および頂縁部二十二、ｂ）雄円錐形表面４８および雌円錐形表面、およびｃ）プラグ底部５０および内側底面３０。対向表面すべての間の等しい距離により、衝撃挿入体６０に均一な厚さをもたらし、衝撃挿入体６０の均一な負荷を促進する。しかしながら、構造の規格により、異なる対の表面がそれらの間に異なる間隔を有することを必要とするような幾つかの用途がある。かくして、衝撃挿入体６０は、特定の用途について、必要なら厚さが変化することができる。下記の表面が交差するようなコーナが鋭角であることができるが、下記コーナは１．２７ｃｍ〜３．８１ｃｍ（０．５〜１．５インチ）ｎｏ半径を有することが好ましい。ａ）頂縁部２２および雌円錐形表面２８、ｂ）ｍｅｓｕ円錐形表面２８および内側底面３０、ｃ）底縁部４６および雄円錐形表面４８、およびｄ）雄円錐形表面４８およびプラグ底部５０。半径の必要および半径の量は衝撃挿入体６０用の選択される材料、衝撃減衰装置１０に対する荷重および衝撃減衰装置１０が受け入れるような水平変位の量により決まる。各コーナの半径は衝撃挿入体６０の切込み、引裂き、または他の損傷を防ぐのに十分大きいべきである。
【００１１】
雌円錐形表面２８および雄円錐形表面４８の好適な傾斜は衝撃減衰装置１０に対する荷重、衝撃挿入体６０用に選択される材料、衝撃減衰装置１０が受け入れる水平変位の量および衝撃減衰装置１０の堅さにより変化し得る。しかしながら、６度の角度がほとんどの用途について作用するものと思われる。この角度を後述の設計法における特定の用途に最適化することができる。
第１グループのリバー部材１００は雌受け部２０に取付けられており、第２グループのリバー部材１０２は雄プラグ４０に取付けられている。この取付けは特定な用途について十分な強度で任意の手段により行い得る。幾つかの例をあげると、雄プラグ４０の頂面４２または雌受け部２０の外側底面２６への溶接、締結または接着、リバー部材１００、１０２のまわりへの雌プラグ２０および／または雄プラグ４０の鋳込み（これらの部材は適当な距離で鋳造物に挿入される）があるが、これらの例に限定されない。リバーの数、間隔、等級、材料および大きさは、衝撃減衰装置１０を橋、高架高速道路または同様な構造体を支持する強化コンクリート柱に容易に組入れることができるように、構造体／橋の技師により定められ、且つ特定される。
【００１２】
図１に示す地震衝撃減衰装置を通る２─２に沿った水平断面図である図２Ａを参照すると、衝撃減衰装置１０ａの外面２４ａが円形横断面を有するように形成された衝撃減衰装置１０ａの第１実施例が示されている。
本発明による地震衝撃減衰装置の他の実施例を通る水平横断面図である図２ｂを参照すると、雌受け部２０の外面２４ｂが正方形の横断面を有する衝撃減衰装置１０ｂの実施例が示されている。しかしながら、雄プラグ４０の外側プラグ表面４４および雌受け部２０の外側受け部表面２４は横断面が任意の形状であることができる。代表的には、雌受け部２０の外面２４および雄プラグ４０の外面４４の両方は同じ横断面を有しており、この横断面は衝撃減衰装置１０を用いた柱の横断面に合致する。
【００１３】
図３は、図１に示すものと概ね同様であるが、雌受け部２０の内側底部３０に心だしされた凹形の半球状窪み３２と、雄プラグ４０のプラグ底部５０に心だしされた対応する凸形の半球状隆起部５２とが設けられた地震衝撃減衰装置を通る水平横断面を示している。窪み３２の半径および隆起部５２の半径は橋／構造体の技師が望む再整合力の量により決まる。これらの半径は好ましくは、窪み３２と隆起部５２との間に距離が一定のままであり、且つ内側底面３０とプラグ底部５０との間の距離に略等しいように選択される。この均一な間隔により、衝撃挿入体６０のより均一な負荷をもたらす。しかしながら、この距離は特定な橋／構造体の特定な設計要件を満たすように変化することができる。発生される再整合力の量は衝撃挿入体６０の材料特性および窪み３２および隆起部５２用に選択された実際の半径により決まる。更に、雌受け部２０の凹形半球状窪み２１を凸形半教条隆起部と代え、且つ雄プラグ４０の凸形半教条隆起部５２を凹形半球状窪みと代えることによって同じ種類の再整合力を発生させることができる。
【００１４】
図３に示す衝撃減衰装置１０の変形例は以上で図１に付いて論述した衝撃挿入体６０の変形例を有する。衝撃挿入体６０が雌受け部２０の窪み３２と雄プラグ４０の隆起部５２との間の空間を埋めない場合、窪み３２および隆起部５２は互いに接触しているべきであり、また必要とされる再整合力を発生させるのに適した半径を有している。隆起部５２の構成および半径は図４に示す後述の摩擦ロッカー８０の低端部８６の半径と同じようにして定められる。同様に、窪み３２の構成および半径は図４にも示す後述の摩擦ロッカー座１４０の窪み１４４の半径と同じようにして定められる。
図４は図１に示すもの概ね同様な地震衝撃減衰装置を通る垂直横断面の斜視図を示しており、この地震衝撃減衰装置では、摩擦ロッカー８０、衝撃プラグ１２０および摩擦ロッカー座１４０が設けられている。この実施例は荷重が５００ポンド／平方インチを越えるような柱用の一般に好適な実施例である。図４でわかるように、雄プラグ４１は図１に示す構造から変更されており、更に、この雄プラグ４１はそのプラグ底部５０に心だしされた円筒形キャビティ５４を備えている。円筒形キャビティ５４は側壁部５６および上端面５８を有している。
【００１５】
雌受け部２１も変更されている。更に、雌受け部２１もは座キャビティ３４を有している。この座キャビティ３４は摩擦ロッカー座１４０を受入れのに十分大きく、摩擦ロッカー差１４０が雌受け部２０の内側底部３０および窪み３２の両方を交換するように設置されている。座キャビティ３４は底面３８と、雌円錐形表面２８を底面３８に接合する側面３６とを有している。摩擦ロッカー座１４０を特定の用途に使用しない場合、雌受け部２０は上記のように変更されない。
摩擦ロッカー８０は雄プラグ４１の円筒形キャビティ５４に摺動可能に挿入され、円筒形キャビティ５４の下端部から突出している。摩擦ロッカー８０は横断面が概ね円筒形であり、また上端部分８２と、下端部分８６と、上端部分８２を下端部分８６に連結するステム８４とを有している。下端部分８６は中央の半球形に湾曲した支持面９０と、管状の半球形に湾曲した縁面８８とを有している。半球形に湾曲した支持面９０は摩擦ロッカー８０の下端部分８６上に心だしされており、管状の半球形に湾曲した縁面８８は半球形に湾曲した支持面９０をステム８４の外面に接合している。管状の半球形に湾曲した縁面８８と半球形に湾曲した支持面９０との交差部に角度の著しい変化があってもよいが、この交差部は滑らかであることが好ましい。代表的には、管状の半球形に湾曲した縁面８８および半球形に湾曲した支持面９０は異なる半径を有しているが、或る用途では、管状の半球形に湾曲した縁面８８および半球形に湾曲した支持面９０の両方の半径は同じであることができる。
【００１６】
変更例として、摩擦ロッカー８０の下端部分８６はロッカー支持体およびソケットから形成してもよい。ロッカー支持体は形状が概ね球状である。支持体の一方の半球はソケットに存在し、半球状に湾曲した支持面は荷重に接触しこの荷重を摩擦ロッカーから雌受け部２０または摩擦ロッカー座１４０へ移送する。ロッカー支持体およびソケットの直径は発生された摩擦を最小にするように設計されている。更に、これらの半球の変形は下端部分８６の縁面８８および半球形に湾曲した支持面９０の半径と同じようにして定められる。これらの半径を定める方法を以下に説明する。
雄プラグ４０の円筒形キャビティ５２は摩擦ロッカー８０をわずかな即ち最小の摩擦で円筒形キャビティ５２内で摺動させるのに十分な大きい直径を有している。円筒形キャビティ５２の直径は摩擦ロッカー８０が円筒形キャビティ５２内で中心をあまりにも遠くずれるのを防ぐのに十分小さくなければならなく、そうでなければ、摩擦ロッカー８０がこれが載置している表面と協働して作用して所望の再整合力を発生させるの妨げてしまう。
【００１７】
摩擦ロッカー８０と雄プラグ４１の円筒形キャビティ５２の上端面５８との間には、衝撃プラグ１２０が位置しており、この衝撃プラグ１２０は摩擦ロッカー８０と上端面５８との間の空間を完全に埋めている。衝撃プラグ１２０は荷重の大部分を雄プラグ４１から摩擦ロッカー８０へ移送する。しかも、衝撃プラグ１２０は地震力を減衰し、且つ吸収し、また摩擦ロッカー８０から衝撃プラグ１２０を通って雄プラグ４１へ伝達されたこれらの力の周波数を低下させる。衝撃プラグ１２０は好ましくは衝撃挿入体６０と同じ材料から製造されている。更に、衝撃プラグ１２０は好ましくは衝撃挿入体６０と同じ厚さである。しかしながら、衝撃挿入体６０および衝撃プラグ１２０の材料および厚さの両方は特定の構造の規格を満たすように用いられるのがよい。衝撃プラグ１２０を製造するための可能な材料は衝撃挿入体６０用に挙げたものと同じである。
【００１８】
摩擦ロッカー８０は摩擦ロッカー座１４０に載っている。この座１４０はなさつロッカー８０に課せられた垂直荷重を雌受け部２１へ移送する。摩擦ロッカー座は内側底面１４２と、凹形の半球形窪み１４４と、底面１４８とを有している。凹形の半球形窪み１４４は内側底面１４２に心だしされており、上記雌受け部２０の窪み３２として本質的に同じ機能を果たす。座１４０の窪みを取り囲んでいるのは内側底面１４２である。或る用途では、窪み１４４の半径および衝撃減衰装置１１の大きさによっては、内側底面１４２は必要とされたり、望まれたりしない。しかしながら、一般には、側壁部１４６が内側底面１４２を底面１４８に連結する。摩擦ロッカー座１４０および雌受け部２１の両方の材料と適合する任意の方法により摩擦ロッカー座１４０を雌受け部２１に接合することができ、好適な方法は締り嵌めか、或いは鋳造前に摩擦ロッカー座１４０を雌受け部２１用の型に入れることによる。
【００１９】
摩擦ロッカー座１４０は摩擦ロッカーの下端８６により課せられる局部応力が雌受け部２０用に選択された材料の降伏応力を越えるような用途に必要とされるだけである。摩擦ロッカー座１４０の不在の場合、摩擦ロッカー８０は雌受け部２０の凹形半球形窪み３２に位置する。更に、小さい再整合力のみを必要とする或る用途では、雌受け部２０の凹形半球形窪み３２も、摩擦ロッカー座１４０の窪み１４４も必要とされない。窪み１４４または窪み３２の不在の場合、摩擦ロッカー８０の下端部８６は、どの実施例を用いるかに応じて、摩擦ロッカー座１４０の内側底面１４２にか、或いは雌受け部２０の内側底面３０に直接位置する。
摩擦ロッカー８０の下端部８６の半球形に湾曲した支持表面９０の半径は雌受け部２０の窪み３２または摩擦ロッカー座１４０の窪み１４４の半径と同じである。摩擦ロッカー８０の環状の半球形に湾曲した縁面８８と摩擦ロッカー座１４０の窪み１４４または雌受け部２０の窪み３２との半径の差は下記式により側／再整合力を発生する。
〔数１〕
但し、Ｆ_SR ＝２つの半径の差から望まれる側／再整合力
Ｆ_P＝柱に作用する垂直荷重
ｄ＝雌受け部２０に対する雄プラグ４０の水平変位
Ｒ₁＝摩擦ロッカー座１４０の窪み１４４または雌受け部２０の窪み３２の半径
Ｒ₂＝摩擦ロッカー８０の環状の半球形に湾曲した縁面８８の半径
表１は上記式のプロットであり、Ｒ₁＝６０．９６ｃｍ（２４インチ）、およびＲ₂＝３０．４８ｃｍ（１２インチ）。
【００２０】
上記式は、摩擦ロッカー座１４０の窪み１４４が平らであるか、或いはこれを使用しないなら、すなわち、摩擦ロッカー座１４０の内側底面１４２が摩擦ロッカー座１４０の全上面をなすなら、適用できない。この場合、Ｆ_SRはゼロに等しい。更に、摩擦ロッカー８０の半球形に湾曲した支持面９０はほぼ平らであり、摩擦ロッカー８０の環状の半球形に湾曲した縁面８８は平らでもよいし、湾曲していてもよい。この実施例では、摩擦ロッカー８０の下端部８６がこれが載っている表面を損傷しないようにするために縁面が或る半径を有するのが好ましい。この表面は摩擦ロッカー座１４０の内側底面１４２でもよいし、或いは雌受け部２０の内側底面３０でもよい。
発生された全側／再整合力（Ｆ_S）は下記式から求められる。
【００２１】
Ｆ_S＝Ｆ_SR＋Ｆ_SI
式中、Ｆ_SI＝衝撃挿入体６０により発生される側／再整合力
Ｆ_SIは衝撃挿入体６０用に選択された材料による。表２は９５の硬度ジュロメータを有するウレタンを使用して発生されたＦ_SIのプロット例である。Ｆ_Sは規格において橋／構造体の技師が設けるパラメータのうちの１つである。
図５は強化コンクリート柱の初めの構成中に装着される衝撃減衰装置１１ａを示す図４の地震衝撃減衰装置の垂直横断面図である。対照的に、図６は、地震衝撃減衰装置１１ｂの実施例の垂直横断面を示しており、この実施例では、衝撃減衰装置１１ｂを逆嵌合地震保護体としての既存の柱に取りつけるためのカラー１１０およびカラー１１２が設けられており、摩擦ロッカー座１４０の不在を示している。逆嵌合衝撃減衰装置１１ｂは、（１）工事されている柱から荷重を除去するように構造体を支持し、（２）カラー１１０、１１２なしで衝撃減衰装置１１ｂを装着すのに十分大きい柱の一部を切取り、すなわち、除去し、（３）切り取られた柱の各端部ごとに１つずつの２つのカラー１１０、１１２を装着し、（４）衝撃減衰装置１１ｂを柱における空間に挿入し、（５）カラー１１０を雌受け部に、またカラー１１２を雄プラグに取付け、（６）カラー１１０、１１２を柱に取付けることによって装着される。カラー１１０、１１２は好ましくは、複数のねじ留め具により、或いは溶接により衝撃減衰装置１１ｂに取付けられる。カラー１１０、１１２は柱およびカラー１１０、１１２に使用される材料と適合する任意の適当な手段により柱に取付けられる。
ｂ．作動
本発明により構成された地震減衰装置はこれを通って伝達された地震力の大きさを減衰し、且つその周波数を低下させる。これらの作用の両方は主として下記（１）および（２）の結果である。（１）衝撃減衰装置に課せられる力に応じて雌受け部を雄プラグに対して水平に変位させる際に衝撃挿入体を雄プラグのまわりに流す衝撃挿入体の能力、および（２）衝撃挿入体および衝撃プラグを通って伝達された地震の周波数を吸収したり、濾過したり、低下させたりする衝撃挿入体および衝撃プラグ両方の能力。また、衝撃挿入体の変位により、衝撃減衰装置が地震中に発生される力または他の摂動力を吸収することができる。これらの衝撃減衰装置の自己整合能力により、衝撃減衰装置は繰り返し地震衝撃の後でも設計通りに機能し続ける。更に、この衝撃減衰装置によれば、その下方の柱を、柱のこの部分が損傷される場合に離脱させることができる。衝撃減衰装置のこの能力は離脱柱が支持された構造体の残部を引き下げるのを防ぐ。
ｃ．材料／作製
雌受け部２０および雄プラグ４０は特定の用途について十分な強度および適当な弾性係数を有する任意の材料で製造することができる。可能性のある材料を挙げると、鉄、鋼、アルミニウム、他の金属、およびケブラー（Kevlar) 、炭素繊維、Ｓ−ガラス、およびＥ─ガラスをエポキシ、ビニルエステルまたはポリエステル樹脂に埋設したような複合体があるが、材料はこれらのものに限定されない。雌受け部２０および雄プラグ４０用の好適な材料はフェライト構造体の耐腐蝕性ニッケル合金化ダクタイル鋳鉄である（米国特許第 4,702,886 (ケント) ）。この鋳鉄はほとんどの用途について適切な強度および耐腐蝕性を有している。更に、この材料は比較的安価であり、加工容易である。雌受け部２０および雄プラグ４０の両方は好ましくは砂鋳造により形成される。衝撃挿入体６０と接触している表面、すなわち、頂縁部２２、雌円錐形表面２８、内側底部３０、底縁部４６、雄円錐形表面４８および底部５０は衝撃挿入体６０用に選択された材料と適合する表面仕上げ剤を有していなければならない。これらの表面用の好適な仕上げ剤は２５０仕上げ剤である。或る用途、特に、高荷重用途は、より滑らかな仕上げ剤および／またはシリコーン、テフロンのような皮膜、または他の潤滑性／底摩擦皮膜を必要とすることもある。
【００２２】
衝撃挿入体６０は特定の用途で適当な応力歪曲線および十分な粘度を有する任意の比較的可撓性の材料から製造されるのがよい。衝撃挿入体６０用の好適な材料は特定の用途で適切なジュロメータを有するウレタン（ポリウレタン）である。衝撃挿入体６０は好ましくは雄プラグ４０と雌受け部２０との間の特定の距離で雌受け部２０を雌受け部２０に支持することによって形成される。この距離はウレタン（ポリウレタン）の硬化中のウレタン（ポリウレタン）予期収縮を考慮して衝撃挿入体６０の仕上げ厚さプラス追加の量により定められる。適切なジュロメータのウレタン（ポリウレタン）を混合し、次いで雌受け部２０と雄プラグ４０との間の空間に注入する。ウレタンが硬化したら、雄プラグ４０をもはや支持する必要がない。図４に示す衝撃減衰装置１１を構成すると、まず、ウレタンワッシャを摩擦ロッカー８０のまわりで雄プラグ４１のプラグ底部５０と摩擦ロッカー座１４０の内側底部１４２または雌受け部２０の内側底部３０との間の空間に設置する。このワッシャはウレタンが空気空間１５０（図４）に流入しないようにする。ウレタンが空気空間１５０に流入すると、ウレタンが摩擦ロッカー８０の作動に影響する可能性がある。或る用途では、この可能性のある作用は許容されることもあり、かくしてウレタンワッシャは使用されない。このワッシャは、残りのうれたんを注入すると、衝撃挿入体６０の一体的な一部となる。
【００２３】
摩擦ロッカー８０十分な強度および硬度（雌受け部２０および雄プラグ４０に付いての上記リストを参照せよ）を有する任意の材料から製造し得る。好適な材料は摩擦ロッカー８０の下端部分８６が６０〜６５のロックウェル硬度まで硬化されるASTM A 325、対応 3、グレード Bの高強度底合金体腐蝕性鋼である。更に、摩擦ロッカー８０が電解腐蝕または他の腐蝕の種類が起こらないように雄受け部用に選択された材料と適合できることが好ましい。しかも、或る用途では、テフロンまたはシリコーンのような摩擦低減皮膜の使用が性能を高めるために望まれるか、或いは衝撃減衰装置１１の適切な性能を得るために必要とされる。
摩擦ロッカー座１４０は十分な強度および硬度（雌受け部２０および雄プラグ４０用の上記リストを参照せよ）を有する任意の材料から製造し得る。
好適な材料は９０〜９５のロックウェル硬度まで硬化され且つ摩擦ロッカー８０と適合できる工具鋼である。摩擦ロッカー座１４０は衝撃減衰装置が適切に機能するように摩擦ロッカー８０より硬いことが好ましい。更に、或る用途では、内側底面１４２および窪み１４４はテフロンまたはシリコーンにような摩擦低減皮膜で被覆されるのがよい。これらの皮膜は性能を高めるために望まれ、或いは衝撃減衰装置の適切な性能を得るために必要とされる。
ｄ．摺動シュー実施例
図７および図８は衝撃減衰装置組立体２００を示しており、この衝撃減衰装置組立体２００はその雄部材とおよび雌部材との間で種々の荷重の一部を移送するための摩擦インターフェースがあると言う点で図４および図５に示すものと幾らか同様である。しかしながら、この場合、（上記ロッカー座の大きい窪みと対向するように）２つの部材間に平らな平面状インターフェースがあり、シュー地震が比較的小さい半球形ソケットに揺動可能に設けられている。
【００２４】
従って、図７でわかるように、上記雄および雌部材に概ね相当する雄プラグ部材２１０および雌受け部材２１３が設けられている。尚、図７および図８では、これらの部材は図１ないし図６の図と比較した逆の配向出示されており、これは単に設計の選択の問題である。
雌受け部材２１２の内面には、概ね水平な方向に整合された実質的に平らな平面状の基表面２１４が設けられている。また、雄プラグ部材２１０の上端部には、受け部の基表面２１４に摺動で当接する平らな実質的に平面状の上面２１８を有する摺動シュー部材２１６が設けられている。図８でもわかるように、シュー部材は支持カップ２２４の対応する半球形ソケット２２２内に受入れられる半球形の底面２２０を有しており、支持カップ２２４は雄プラグ部材のテーパな上端部の開口２２６に設けられている。荷重をプラグ部材の端部に供給するために、カップ２２４の環状の荷重支持ショルダー２２８プラグ部材の対応リップ２３０に係合している。シュー部材を支持するために別体の支持カップ２２４を使用することにより、このシュー部材を高強度工具高で製造することができ、プラグ部材全体をこの材料で製造しなけれなならない（これは余りにも高価である）ことはない。
【００２５】
最後に、ウレタン衝撃挿入体２４０は上記と本質的に同じようにプラグ２１０と受け部２１２との間に形成される。図７でわかるように、頂部の摺動シュー組立体を含めて雄プラグ部材の高さは、好ましくは、挿入体の変形が起こると妨げられない移動を許容するように挿入体の可撓性材料で埋められる垂直隙間２４２が受け部のリップ２４４とプラグの基部２４７との間に形成されるような高さである。上記のように、挿入体は適切には、部材間に流動される可撓性ウレタン挿入体であるのがよい。しかしながら、受け部の底部は好ましくはシューぶああいを基表面２１４畳を自由に摺動させるポケット２４８を形成するようにウレタンまたは他の材料から自由に保たれる。
図示の実施例では、雄プラグ部材および雌受け部材は、柱または同様な構造体に衝撃減衰装置組立体を取付けるために強化ロッド２５２が延びている基部フランジ２５０ａ、２５０ｂに取付けられている。しかしながら、上記のように、ロッド部材に加えて、あるいはそれに代えて、他の適当な取付け手段を用いてもよく、例えば、柱の諸部分の端部にスリーブまたは他の手段により取付けられる対応するフランジ（図示せず）に図７に示す基部フランジ２５０ａ、２５０ｂをボルト止めしたり、或いは他の方法で取付けることができる。
【００２６】
地震の場合、衝撃減衰装置組立体の作動は図４および図５に示す組立体のものと概ね同様であり、雌受け部をプラグに対して水平方向に変位させるように衝撃挿入体が雄プラグのまわりを流動する。しかしながら、図７に示す実施例では、シュー部材および雌受け部上の平らな支持表面の摺動係合により側─側運動が許容され、図７に矢印で示すように、半球形支持表面２２０により、柱の上部分と下部分との間の軸方向整合の変化を受け入れるようにシューを傾動させたり揺動させたりする。また、図７および図８に示す実施例は特に転動型地震を受ける領域で使用するように構成されているが、特に垂直方向における地震力の追加の減衰／吸収を行うために、上記のもの（衝撃プラグ１２０参照）と実質的に同様な衝撃挿入体／プラグをシュー／カップ組立体２１６、２２４の下に組み入れてもよい。
【００２７】
図７および図８に示す実施例についての設計の考慮問題、変更要素の構成および材料の選択は上記のものと実質的に同様である。しかしながら、この実施例では、（上記のASTM A 325 タイプ 3、グレード Bの高強度硬化鋼のような）高強度材料で形成された支持表面を有すること、および組立体の性能を高めるようにテフロンまたはシリコーンのような適当な低摩擦および／または潤滑性材料で少なくともシュー部材を被覆することが特に好ましいことがわかるであろう。また、図７および図８に示す実施例の摺動支持表面がすべて実質的に平らであるか、或いは半球形であるので、加工コストが最小にされることがわかるであろう。更に、望むなら、半球形摺動シュー部材の表面にのみ塗布することによって低摩擦／潤滑性皮膜材料の量を最小にすることができる。
ｄ．設計
各衝撃減衰装置は橋／構造体を設計する構造技師により課せられる規格を満たすように設計しなければならない。技師は、下記の事（ａ）〜（ｇ）、すなわち、（ａ）構造体を支持するのに使用される柱の数、（ｂ）柱の形状寸法、（ｃ）柱の横方向等方性材料特性、（ｄ）衝撃減衰装置の必要とされる堅さ、（ｅ）衝撃減衰装置の予想位置、（ｆ）所望される最大の水平振れ、および（ｇ）各柱の水平方向および垂直方向の設計荷重を規定する。衝撃減衰装置の設計は MARC ANALYSIS^TMのような有限要素分析プログラムを使用することにより立証される。下記の情報（ａ）〜（ｅ）、すなわち、（ａ）衝撃減衰装置の各部片の寸法形状、（ｂ）雌受け部２０または２１、雄プラグ４０または４１、摩擦ロッカー８０（図４に示す）、摩擦ロッカー座１４０（図４に示す）およびカラー１１０、１１２（図６に示す）のような比較的剛性な部品についての弾性係数（Ｅ）およびポアソン被（ν）、（ｃ）衝撃挿入体６０用に選択された材料の応力歪曲線および／または粘度および／またはジュロメータ、（ｄ）橋の技師により提供される情報（注、橋の技師により提供される情報のすべてが各部品の各分析に関係するわけではなく、有限要素分析プログラムと関係する技師がどの情報を必要とするかを知っている）、および（ｅ）周辺条件をプログラムにインプットする。有限要素プログラムは下記情報（ａ）〜（ｂ）、すなわち、（ａ）各部品に作用する応力、（ｂ）雌受け部２０／２１と雄プラグ４０／４１との間の相対移動量および衝撃挿入体６０の変形を与える。この設計の評価は反復方法であり、特定の用途で設計を最適にするように変化を行うごとに繰り返さなかればならない。代表的な設計は有限要素分析プログラムを通して１０回ほどの実施後に終了することができるべきである。各データ実施後、技師は選択した材料が衝撃減衰装置内に特定の用途で必要とされる材料特性を有することを保証しなければならない。
【００２８】
この衝撃減衰装置を荷重支持柱におけるいずれの箇所にも装着することができる。代表的には、衝撃減衰装置を柱のモーメントがゼロの箇所に装着する。しかしながら、特定の位置は構造体／柱の技師による分析により定められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による道路用の地震衝撃減衰装置を通る垂直横断面図であり、本発明は雌受け部と、この雌受け部の内側にある雄プラグとを備えており、雄プラグはこれと雌受け部との間に空間を残すように形成されており、この空間は衝撃吸収挿入体で埋められている。
【図２】図１に示す地震衝撃減衰装置を通る２─２に沿った水平横断面図である。
【図３】雄プラグの底部に半球形に成形された隆起部が形成されており、雌受け部の内側底部に対応する半球形の窪みが形成されている本発明による地震衝撃減衰装置を通る図１と同様な垂直横断面図である。
【図４】摩擦ロッカーが雌受け部の内側にあり、雄プラグがこれと雌受け部および摩擦ロッカーの上端部分との間に空間が残るように形成されておりこれらの空間が衝撃吸収挿入体で埋められている本発明により示された道路の柱用の地震衝撃減衰装置を通る図１とおおよそ同様な垂直横断面斜視図である。
【図５】元の構成の一部として柱に装着された図４の地震衝撃減衰装置を通る垂直横断面図である。
【図６】既存の柱に改装された図４の地震衝撃減衰装置を通る垂直横断面図である。
【図７】雄部材と雌部材との間の垂直荷重移送を行うための摩擦インターフェースが半球形ソケット内に揺動可能に構成された摺動シューにより設けられている、本発明の他の実施例による地震衝撃減衰装置を通る垂直横断面図である。
【図８】図７の衝撃減衰装置の雄部分および雌ソケット、および雄プラグ部材に嵌入する摺動シューおよびソケット部材を示す分解斜視図である。
【符号の説明】
１０地震衝撃減衰装置
２０雌受け部
３２凸形の半球状窪み
４０雄プラグ
５２凹形の半球状隆起部
６０衝撃挿入体
７０隙間
８０摩擦ロッカー
１００リバー部材
１０２リバー部材
１２０衝撃プラグ
１４０摩擦ロッカー座
１４４窪み[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to seismic shock dampening devices, and more particularly to seismic shock dampening devices suitable for use in load bearing columns used to support bridges, elevated highways or other large structures.
[0002]
[Background Art and Problems to be Solved by the Invention]
Bridges, elevated highways or other large structures supported by load bearing columns are often built in areas where seismic protection for the structures is required. The structural integrity of these structures is highly dependent on the capacity of the load-bearing columns so that they remain intact from the stress imposed during the earthquake. The structure should be able to withstand the loss of one or more load-bearing columns, but each failure tends to increase the load acting on the rest of the structure and damage the entire structure. is there. Thus, it is important that the load bearing column is not damaged during the earthquake under the forces and moments generated in the column. These loads include horizontal and vertical forces and torsional and bending moments.
[0003]
So far, the development of seismic protection devices for buildings has mainly focused on the method of isolating the structure from the foundation. Base block is the name given to these methods. The building supported by the base blocker floats on the foundation. In addition, damping devices are also used to reduce any movement generated by the structure. See generally US Pat. No. 3,606,704 (Denton), US Pat. No. 3,794,227 (Smedley et al.), US Pat. No. 4,860,507 (Garza-Tamaz), US Pat. No. 5,386,671 (Hugh et al.). Base blockage has proven to be an effective way to protect buildings from seismic loads. Buildings using a base block are supported by a foundation having a relatively large area (footprint), a typical building having a square or rectangular shape and four external load bearing walls. Thus, the seismic force is spread over a large area. In addition, the building is stable under most loads, even on the basic breaker. The building will only become unstable if its center of gravity (approximately the geometric center of the building) is moved outside the vertical plane of one of the external load bearing walls. When a building becomes unstable, it leans, but a typical building is unlikely to be able to help from the load required to move the center of gravity of the building, the distance needed to wobble it.
[0004]
Regardless of the course of development of seismic attenuation devices for buildings, any one that has been developed for bridges, elevated highways or similar large structures and has proven effective for use on load bearing columns themselves There was no earthquake attenuation device. Further, typical construction methods use a single column or a single row of columns to support the cross beam or pier head. Several seismic protection devices have been developed that act as a form of base block. These devices were installed between the bridge cross beam or pier head and the girder structure. See US Pat. No. 3,986,222 (Miyazaki et al.) And US Pat. No. 4,729,882 (Galo). Seismic protection devices positioned between the beam or pier and the girder structure may provide some protection for the girder structure, but between the load-bearing column and the cross beam or pier, between the foundation and the impact damping device. The positioned essential structural members are left unprotected.
[0005]
The design and configuration of seismic protection devices for these pillars is more difficult than the design and configuration of building protection devices. This difficulty arises due to the following differences (1) to (4) between the column and the structure. (1) Seismic loads in buildings are spread over a large number of load support members compared to a small number for bridges, (2) Seismic loads in buildings are relatively large compared to small cross sections of columns Spread over the area, (3) the structure has a greater range of stability compared to the pillar, and (4) the structure floats to the base blocker mounted between the building and its foundation ( Typical pillars must be fixed to their foundation for proper support.
Seismic protection for load bearing columns currently consists of designing the column to withstand all the forces and moments generated during the earthquake. Designing a column to withstand seismic forces and moments has several drawbacks. The main problems with this solution are: (a) the added cost of building stronger columns, and (b) the added cost of designing and building the entire structure to withstand seismic loads, or seismic attenuators or intercepts It is the cost of installing the device between the cross beam or pier head and the rest of the structure. Also, seismic attenuators / interrupters developed for use between cross beams or pier heads and structures primarily attenuate seismic loads in only one direction, but seismic forces are usually multi-directional For example, it occurs in both the horizontal and vertical directions. See US Pat. No. 4,720,882 (Galo) and US Pat. No. 3,986,222 (Miyazaki et al.).
[0006]
Unfortunately, recent earthquakes have demonstrated deficiencies in the existing methods of “earthquake prevention” large structures, and as a result indicated the need to protect load bearing columns from failure during the earthquake. Thus, seismic attenuators / interrupts that can be used for new pillars and can be retrofitted to existing pillars to protect both pillars and support structures from seismic forces and moments, regardless of orientation Equipment is needed.
[0007]
[Means for solving the problems]
The present invention solves the above-described problems, and generally includes a seismic impact control device for a load supporting column. A female receptacle having a single opening is provided. A friction rocker is placed in a hemispherical depression centered on the bottom of the female receptacle. A male plug is formed so as to fit into the opening of the female receiving portion above the friction rocker, leaving a gap between the male plug and the female receiving portion and the top friction rocker. These gaps are typically filled with polyurethane. Attachment means are provided for attaching the female receptacle and the male plug to the load support column.
[0008]
【Example】
a.Construction
FIG. 1 shows a seismic shock attenuation device 10 according to the present invention. This embodiment of the impact dampening device is intended for use with columns designed to withstand relatively light loads, typically much less than 500 pounds per square inch. The impact attenuating device 10 has a female receptacle 20, a male plug 40 that fits inside the female receptacle 20 leaving a gap 70, and a gap 70 between the male plug 40 and the female receptacle 20 completely or partially. The impact insertion body 60 is provided. A first group of river members 100 are attached to the female receptacle 20 and a second group of river members 102 are attached to the male plug 40 so that these river members connect the impact damping device 10 to the reinforced concrete column. To work.
[0009]
The female receptacle 20 includes a top edge 22, an outer receptacle surface 24 that joins the top edge 22 to the outer bottom surface 26, and a female conical surface 28 that joins the top edge 22 to the inner bottom surface 30. Yes. The male plug 40 includes a top surface 42, an outer plug surface 44 that joins the top surface 42 to the bottom edge 46, and a male conical surface 48 that joins the bottom edge 46 to the plug bottom 50. The male plug 40 fits inside the female receiving portion leaving a gap 70 so that it generally does not contact the female receiving portion 20. Preferably, it is the impact insert 60 that completely fills this space between the female receptacle 20 and the male plug 40. However, in some applications, the impact insert 60 only partially fills the space between the female receptacle 20 and the male plug 40. For example, the impact insert 60 may fill the space between the female conical surface 28 of the female receptacle 20 and the male conical surface 48 of the male plug 40. Alternatively, the impact insert 60 may include a space between the female conical surface 28 of the female receptacle 20 and the male conical surface 48 of the male plug 40 and the top edge 22 of the female receptacle 20 and the bottom edge of the male plug 40. You may fill the space between 46. The selection of the range of the space filled by the impact insert 60 is determined by the standard for the particular load bearing column, the judgment of the engineer and the results of finite element analysis described below.
[0010]
The following pairs of surfaces are substantially parallel to each other. a) top surface 42 and bottom surface 26, b) bottom edge 46 and top edge 22, c) male conical surface 48 and female conical surface 28, d) plug bottom 50 and inner bottom surface 30. However, these pairs of surfaces need not be parallel, but when these surfaces are parallel, the impact insert 60 is loaded more uniformly. Furthermore, the parallel surface facilitates a uniform horizontal displacement of the male plug 40 relative to the female receptacle 20 without applying an additional moment to the impact damping device 10 during an earthquake. However, there are several applications where a structural engineer requires the generation of moments in the impact damping device 10 for non-uniform loading of the impact insert and for certain applications. Further, for representative columns, the distance between the following pairs of surfaces is preferably approximately equal. a) bottom edge 46 and top edge 22; b) male conical surface 48 and female conical surface; and c) plug bottom 50 and inner bottom surface 30. The equal distance between all opposing surfaces provides a uniform thickness for the impact insert 60 and promotes uniform loading of the impact insert 60. However, there are some applications where structural standards require different pairs of surfaces to have different spacing between them. Thus, the impact insert 60 can vary in thickness if desired for a particular application. Although corners such that the following surfaces intersect can be acute, the following corners preferably have a no-radius of 1.27 cm to 3.81 cm (0.5 to 1.5 inches). a) top edge 22 and female conical surface 28, b) mesu conical surface 28 and inner bottom surface 30, c) bottom edge 46 and male conical surface 48, and d) male conical surface 48 and plug bottom 50. . The required radius and the amount of radius depend on the material selected for the impact insert 60, the load on the impact attenuator 10 and the amount of horizontal displacement that the impact attenuator 10 will accept. The radius of each corner should be large enough to prevent cuts, tears, or other damage to the impact insert 60.
[0011]
The preferred slopes of the female conical surface 28 and the male conical surface 48 are the load on the impact damping device 10, the material selected for the impact insert 60, the amount of horizontal displacement that the impact damping device 10 will accept, and the impact damping device 10. Can vary depending on stiffness. However, an angle of 6 degrees seems to work for most applications. This angle can be optimized for specific applications in the design method described below.
The first group of river members 100 is attached to the female receptacle 20, and the second group of river members 102 is attached to the male plug 40. This attachment can be done by any means with sufficient strength for the particular application. Some examples include welding, fastening or bonding the top surface 42 of the male plug 40 or the outer bottom surface 26 of the female receptacle 20, the female plug 20 and / or the male plug 40 around the river members 100, 102. (These components are inserted into the casting at an appropriate distance), but are not limited to these examples. The number, spacing, grade, material, and size of the river are such that the structure / bridge can be easily incorporated into a reinforced concrete column that supports the impact damping device 10 on a bridge, elevated highway or similar structure. Determined and specified by an engineer.
[0012]
Referring to FIG. 2A, which is a horizontal sectional view taken along the line 2-2 through the seismic shock attenuator shown in FIG. 1, the shock attenuator 10a is formed so that the outer surface 24a of the shock attenuator 10a has a circular cross section. A first embodiment is shown.
Referring to FIG. 2b, which is a horizontal cross-sectional view through another embodiment of the seismic shock attenuation device according to the present invention, an embodiment of the shock attenuation device 10b in which the outer surface 24b of the female receiving portion 20 has a square cross section is shown. ing. However, the outer plug surface 44 of the male plug 40 and the outer receiving portion surface 24 of the female receiving portion 20 can have any shape in cross section. Typically, both the outer surface 24 of the female receptacle 20 and the outer surface 44 of the male plug 40 have the same cross-section, which matches the cross-section of the column using the impact damping device 10.
[0013]
3 is generally the same as that shown in FIG. 1, but centered on the concave hemispherical recess 32 centered on the inner bottom 30 of the female receptacle 20 and on the plug bottom 50 of the male plug 40. A horizontal cross section through a seismic shock dampening device provided with a corresponding convex hemispherical bulge 52 is shown. The radius of the recess 32 and the radius of the ridge 52 are determined by the amount of realignment force desired by the bridge / structure engineer. These radii are preferably selected such that the distance between the recess 32 and the ridge 52 remains constant and is approximately equal to the distance between the inner bottom surface 30 and the plug bottom 50. This uniform spacing results in a more uniform load on the impact insert 60. However, this distance can vary to meet the specific design requirements of a specific bridge / structure. The amount of realignment force generated depends on the material properties of the impact insert 60 and the actual radius selected for the recess 32 and ridge 52. Further, the same kind of realignment is achieved by replacing the concave hemispherical depression 21 of the female receptacle 20 with a convex semi-curved ridge and the convex semi-curved ridge 52 of the male plug 40 with a concave hemispherical dent. Can generate power.
[0014]
The modification of the impact damping device 10 shown in FIG. 3 has the modification of the impact insert 60 discussed above with reference to FIG. If the impact insert 60 does not fill the space between the depression 32 of the female receptacle 20 and the raised portion 52 of the male plug 40, the depression 32 and the raised portion 52 should and should be in contact with each other. A radius suitable for generating a realignment force. The configuration and radius of the raised portion 52 are determined in the same manner as the radius of the lower end portion 86 of the friction rocker 80 described later shown in FIG. Similarly, the configuration and radius of the recess 32 are determined in the same manner as the radius of the recess 144 of the friction rocker seat 140 described later shown in FIG.
4 shows a perspective view of a vertical cross section through a generally similar seismic shock dampening device as shown in FIG. 1, in which a friction rocker 80, a shock plug 120 and a friction rocker seat 140 are provided. ing. This embodiment is a generally preferred embodiment for columns where the load exceeds 500 pounds per square inch. As can be seen in FIG. 4, the male plug 41 has been modified from the structure shown in FIG. 1, and the male plug 41 further includes a cylindrical cavity 54 centered at the plug bottom 50. The cylindrical cavity 54 has a side wall 56 and an upper end surface 58.
[0015]
The female receiving part 21 is also changed. Further, the female receiving portion 21 also has a seat cavity 34. The seat cavity 34 is large enough to receive the friction rocker seat 140 and the friction rocker difference 140 is installed such that it replaces both the inner bottom 30 and the recess 32 of the female receiver 20. The seat cavity 34 has a bottom surface 38 and side surfaces 36 that join the female conical surface 28 to the bottom surface 38. When the friction rocker seat 140 is not used for a specific application, the female receiving portion 20 is not changed as described above.
The friction rocker 80 is slidably inserted into the cylindrical cavity 54 of the male plug 41 and protrudes from the lower end of the cylindrical cavity 54. The friction rocker 80 is generally cylindrical in cross section, and has an upper end portion 82, a lower end portion 86, and a stem 84 that connects the upper end portion 82 to the lower end portion 86. The lower end portion 86 has a central hemispherically curved support surface 90 and a tubular hemispherically curved edge surface 88. A hemispherically curved support surface 90 is centered on the lower end portion 86 of the friction rocker 80 and a tubular hemispherically curved edge surface 88 joins the hemispherically curved support surface 90 to the outer surface of the stem 84. is doing. There may be a significant change in angle at the intersection of the tubular hemispherically curved edge surface 88 and the hemispherically curved support surface 90, but this intersection is preferably smooth. Typically, the tubular hemispherically curved edge surface 88 and the hemispherically curved support surface 90 have different radii, but in some applications, the tubular hemispherically curved edge surface 88 and Both radii of the hemispherically curved support surface 90 can be the same.
[0016]
As a modification, the lower end portion 86 of the friction rocker 80 may be formed from a rocker support and a socket. The rocker support is generally spherical in shape. One hemisphere of the support exists in the socket, and the hemispherically curved support surface contacts the load and transfers this load from the friction rocker to the female receiver 20 or the friction rocker seat 140. The diameter of the rocker support and socket is designed to minimize the generated friction. Furthermore, these hemispherical deformations are defined in the same way as the radii of the edge surface 88 of the lower end portion 86 and the hemispherically curved support surface 90. A method for determining these radii will be described below.
The cylindrical cavity 52 of the male plug 40 has a large enough diameter to allow the friction rocker 80 to slide within the cylindrical cavity 52 with little or minimal friction. The diameter of the cylindrical cavity 52 must be small enough to prevent the friction rocker 80 from moving too far in the center within the cylindrical cavity 52, otherwise the friction rocker 80 rests. Acting in concert with the surface prevents the desired realignment force from being generated.
[0017]
An impact plug 120 is located between the friction rocker 80 and the upper end surface 58 of the cylindrical cavity 52 of the male plug 41, and the impact plug 120 completely fills the space between the friction rocker 80 and the upper end surface 58. Is buried in. The impact plug 120 transfers most of the load from the male plug 41 to the friction rocker 80. Moreover, the impact plug 120 attenuates and absorbs seismic forces and reduces the frequency of these forces transmitted from the friction rocker 80 through the impact plug 120 to the male plug 41. The impact plug 120 is preferably made from the same material as the impact insert 60. Further, the impact plug 120 is preferably the same thickness as the impact insert 60. However, both the material and thickness of the impact insert 60 and impact plug 120 should be used to meet specific structural standards. Possible materials for manufacturing the impact plug 120 are the same as those listed for the impact insert 60.
[0018]
The friction rocker 80 is placed on the friction rocker seat 140. This seat 140 transfers the vertical load imposed on the rocker 80 to the female receiving portion 21. The friction rocker seat has an inner bottom surface 142, a concave hemispherical depression 144, and a bottom surface 148. A concave hemispherical depression 144 is centered on the inner bottom surface 142 and performs essentially the same function as the depression 32 of the female receptacle 20. Surrounding the recess in the seat 140 is an inner bottom surface 142. In some applications, depending on the radius of the recess 144 and the size of the impact damping device 11, the inner bottom surface 142 may not be required or desired. In general, however, the side wall 146 connects the inner bottom surface 142 to the bottom surface 148. The friction rocker seat 140 can be joined to the female receiver 21 by any method compatible with the material of both the friction rocker seat 140 and the female receiver 21, with a preferred method being an interference fit or friction locker prior to casting. By placing the seat 140 in the mold for the female receptacle 21.
[0019]
The friction rocker seat 140 is only required for applications where the local stress imposed by the lower end 86 of the friction rocker exceeds the yield stress of the material selected for the female receptacle 20. In the absence of the friction rocker seat 140, the friction rocker 80 is located in the concave hemispherical recess 32 of the female receptacle 20. Further, in certain applications requiring only a small realignment force, neither the concave hemispherical recess 32 of the female receptacle 20 nor the recess 144 of the friction rocker seat 140 is required. In the absence of the indentation 144 or indentation 32, the lower end 86 of the friction rocker 80 is either on the inner bottom surface 142 of the friction rocker seat 140 or on the inner bottom surface 30 of the female receptacle 20 depending on which embodiment is used. Located directly.
The radius of the hemispherically curved support surface 90 at the lower end 86 of the friction rocker 80 is the same as the radius of the recess 32 in the female receptacle 20 or the recess 144 in the friction rocker seat 140. The difference in radius between the annular hemispherically curved edge surface 88 of the friction rocker 80 and the recess 144 of the friction rocker seat 140 or the recess 32 of the female receptacle 20 generates a side / realignment force according to the following equation:
[Equation 1]
However, F_SR = Side / realignment force desired from the difference between the two radii
F_P= Vertical load acting on the column
d = horizontal displacement of male plug 40 relative to female receptacle 20
R₁= Radius of the recess 144 of the friction rocker seat 140 or the recess 32 of the female receiving portion 20
R₂= Radius of curved hemispherical edge 88 of friction rocker 80
Table 1 is a plot of the above formula and R₁= 60.96 cm (24 inches), and R₂= 12.48 cm (12 inches).
[0020]
The above formula is not applicable if the recess 144 of the friction rocker seat 140 is flat or does not use it, that is, if the inner bottom surface 142 of the friction rocker seat 140 forms the entire top surface of the friction rocker seat 140. In this case, F_SRIs equal to zero. Further, the hemispherically curved support surface 90 of the friction rocker 80 may be substantially flat, and the annular hemispherically curved edge surface 88 of the friction rocker 80 may be flat or curved. In this embodiment, it is preferred that the edge surface has a radius to prevent the lower end 86 of the friction rocker 80 from damaging the surface on which it is resting. This surface may be the inner bottom surface 142 of the friction rocker seat 140 or the inner bottom surface 30 of the female receptacle 20.
Generated all-side / realignment force (F_S) Is obtained from the following equation.
[0021]
F_S= F_SR+ F_SI
Where F_SI= Side / realignment force generated by impact insert 60
F_SIDepends on the material selected for the impact insert 60. Table 2 shows the F generated using urethane with a hardness durometer of 95._SIIt is an example of a plot. F_SIs one of the parameters provided by the bridge / structure engineer in the standard.
5 is a vertical cross-sectional view of the seismic shock attenuator of FIG. 4 showing the impact attenuator 11a mounted in the initial construction of the reinforced concrete column. In contrast, FIG. 6 shows a vertical cross-section of an embodiment of a seismic shock attenuator 11b, in this embodiment for attaching the impact attenuator 11b to an existing column as a reverse fitting seismic protector. A collar 110 and a collar 112 are provided, indicating the absence of the friction rocker seat 140. The reverse fitting impact damping device 11b (1) supports the structure so as to remove the load from the column being constructed, and (2) is large enough to mount the impact damping device 11b without the collars 110, 112. A part of the pillar is cut off, i.e. removed, (3) two collars 110, 112 are mounted, one for each end of the cut pillar, and (4) the shock attenuator 11b is placed in the space in the pillar. And (5) the collar 110 is attached to the female receptacle, the collar 112 is attached to the male plug, and (6) the collars 110 and 112 are attached to the pillar. The collars 110, 112 are preferably attached to the impact damping device 11b by a plurality of screw fasteners or by welding. The collars 110, 112 are attached to the pillars by any suitable means compatible with the pillars and the materials used for the collars 110, 112.
b.Operation
The seismic attenuation device constructed in accordance with the present invention attenuates the magnitude of seismic force transmitted therethrough and reduces its frequency. Both of these actions are mainly the results of (1) and (2) below. (1) the ability of the impact insert to cause the impact insert to flow around the male plug when the female receptacle is displaced horizontally relative to the male plug according to the force imposed on the impact damping device; and (2) impact insertion. The ability of both impact inserts and impact plugs to absorb, filter, or reduce seismic frequencies transmitted through the body and impact plugs. Also, the displacement of the impact insert allows the impact attenuator to absorb forces or other perturbations that are generated during an earthquake. Due to the self-alignment capability of these shock attenuators, the shock attenuators continue to function as designed even after repeated earthquake impacts. Furthermore, this shock damping device allows the column below it to be detached if this part of the column is damaged. This ability of the shock dampening device prevents the rest of the structure on which the release column is supported from being pulled down.
c.Material / Production
The female receptacle 20 and the male plug 40 can be made of any material having sufficient strength and appropriate elastic modulus for a particular application. Possible materials include iron, steel, aluminum, other metals, and composites such as Kevlar, carbon fiber, S-glass, and E-glass embedded in epoxy, vinyl ester or polyester resin There is a body, but the material is not limited to these. A suitable material for the female receptacle 20 and male plug 40 is a corrosion resistant nickel alloyed ductile cast iron with a ferrite structure (US Pat. No. 4,702,886 (Kent)). This cast iron has adequate strength and corrosion resistance for most applications. Furthermore, this material is relatively inexpensive and easy to process. Both the female receptacle 20 and the male plug 40 are preferably formed by sand casting. The surfaces in contact with the impact insert 60 are selected for the impact insert 60, namely the top edge 22, the female conical surface 28, the inner bottom 30, the bottom edge 46, the male conical surface 48 and the bottom 50. Must have a surface finish compatible with the material. A preferred finish for these surfaces is 250 finish. Certain applications, particularly high load applications, may require smoother finishes and / or coatings such as silicone, Teflon, or other lubricity / bottom friction coatings.
[0022]
The impact insert 60 may be made from any relatively flexible material having a suitable stress strain curve and sufficient viscosity for a particular application. A preferred material for the impact insert 60 is urethane (polyurethane) with a suitable durometer for the particular application. The impact insert 60 is preferably formed by supporting the female receptacle 20 on the female receptacle 20 at a specific distance between the male plug 40 and the female receptacle 20. This distance is determined by the finished thickness of the impact insert 60 plus an additional amount, taking into account the expected shrinkage of the urethane (polyurethane) during curing of the urethane (polyurethane). A suitable durometer urethane (polyurethane) is mixed and then injected into the space between the female receptacle 20 and the male plug 40. Once the urethane is cured, the male plug 40 no longer needs to be supported. When the impact damping device 11 shown in FIG. 4 is configured, first, a urethane washer is placed around the friction rocker 80 between the plug bottom 50 of the male plug 41 and the inner bottom 142 of the friction rocker seat 140 or the inner bottom 30 of the female receptacle 20. Install in the space between. This washer prevents urethane from flowing into the air space 150 (FIG. 4). If urethane flows into the air space 150, the urethane may affect the operation of the friction rocker 80. In some applications, this potential effect may be tolerated and thus urethane washers are not used. This washer becomes an integral part of the impact insert 60 when the remaining gut is injected.
[0023]
Friction rocker 80 may be made from any material that has sufficient strength and hardness (see list above for female receptacle 20 and male plug 40). A preferred material is ASTM A 325, Corresponding 3, Grade B high strength bottom corrosive steel in which the lower end portion 86 of the friction rocker 80 is hardened to a Rockwell hardness of 60-65. Furthermore, it is preferred that the friction rocker 80 be compatible with the material selected for the male receptacle so that electrolytic corrosion or other types of corrosion do not occur. Moreover, in some applications, the use of a friction reducing coating such as Teflon or silicone is desired to enhance performance or is required to obtain adequate performance of the impact damping device 11.
The friction rocker seat 140 may be made from any material having sufficient strength and hardness (see list above for female receptacle 20 and male plug 40).
A preferred material is tool steel that is hardened to a Rockwell hardness of 90-95 and is compatible with the friction rocker 80. The friction rocker seat 140 is preferably harder than the friction rocker 80 so that the impact damping device functions properly. Further, in some applications, the inner bottom surface 142 and the recess 144 may be coated with a friction reducing coating such as Teflon or silicone. These coatings are desired to enhance performance or are required to obtain adequate performance of the impact damping device.
d.Example of sliding shoe
7 and 8 show an impact damper assembly 200 which has a friction interface for transferring some of the various loads between its male and female members. It is somewhat similar to that shown in FIGS. 4 and 5 in that it is. However, in this case, there is a flat planar interface between the two members (so as to face the large indentation of the rocker seat), which is swingably provided in a hemispherical socket with relatively little shoe earthquake.
[0024]
Therefore, as can be seen in FIG. 7, a male plug member 210 and a female receiving member 213 that are substantially equivalent to the male and female members are provided. In FIGS. 7 and 8, these members are shown in the opposite orientation compared to the views of FIGS. 1-6, which is merely a matter of design choice.
On the inner surface of the female receiving member 212 is provided a substantially flat planar base surface 214 aligned in a generally horizontal direction. Also, a sliding shoe member 216 having a flat, substantially planar upper surface 218 that slides against the base surface 214 of the receiving portion is provided at the upper end of the male plug member 210. As can also be seen in FIG. 8, the shoe member has a hemispherical bottom surface 220 that is received within a corresponding hemispherical socket 222 of the support cup 224, the support cup 224 having an opening 226 at the tapered upper end of the male plug member. Is provided. In order to supply the load to the end of the plug member, it engages the corresponding lip 230 of the annular load bearing shoulder 228 plug member of the cup 224. By using a separate support cup 224 to support the shoe member, the shoe member can be manufactured with high strength tool height and the entire plug member must be manufactured from this material (this is too much Is also expensive).
[0025]
Finally, the urethane impact insert 240 is formed between the plug 210 and the receptacle 212 in essentially the same manner as described above. As can be seen in FIG. 7, the height of the male plug member, including the top sliding shoe assembly, is preferably flexible to allow uninterrupted movement when deformation of the insert occurs. The height is such that a vertical gap 242 filled with material is formed between the receiving lip 244 and the plug base 247. As noted above, the insert may suitably be a flexible urethane insert that is flowed between members. However, the bottom of the receptacle is preferably kept free from urethane or other material to form a pocket 248 that allows the shoe surface to slide freely over the base surface 214 mat.
In the illustrated embodiment, the male plug member and female receiver member are attached to base flanges 250a, 250b from which the reinforcing rods 252 extend to attach the shock dampener assembly to a post or similar structure. However, as noted above, other suitable attachment means may be used in addition to or instead of the rod member, for example correspondingly attached to the ends of the column portions by sleeves or other means. The base flanges 250a, 250b shown in FIG. 7 can be bolted or otherwise attached to a flange (not shown).
[0026]
In the event of an earthquake, the operation of the shock attenuating device assembly is generally the same as that of the assembly shown in FIGS. 4 and 5, and the shock insert is a male plug so as to displace the female receiving portion in the horizontal direction with respect to the plug. Flow around. However, in the embodiment shown in FIG. 7, side-to-side movement is permitted by sliding engagement of the flat support surface on the shoe member and female receptacle, and as shown by the arrows in FIG. Thus, the shoe is tilted or swung so as to accept the change in axial alignment between the upper part and the lower part of the column. The embodiment shown in FIGS. 7 and 8 is particularly adapted for use in areas subject to rolling earthquakes, but in order to provide additional attenuation / absorption of seismic forces, particularly in the vertical direction, An impact insert / plug substantially similar to the one (see impact plug 120) may be incorporated under the shoe / cup assembly 216,224.
[0027]
The design considerations for the embodiment shown in FIGS. 7 and 8, the configuration of the changing elements and the selection of materials are substantially the same as described above. However, in this example, Teflon has a support surface formed of a high strength material (such as ASTM A 325 Type 3, Grade B high strength hardened steel above) and enhances the performance of the assembly. It will also be appreciated that it is particularly preferred to coat at least the shoe member with a suitable low friction and / or lubricious material such as silicone. It will also be appreciated that the processing costs are minimized because the sliding support surfaces of the embodiments shown in FIGS. 7 and 8 are all substantially flat or hemispherical. Further, if desired, the amount of low friction / lubricating coating material can be minimized by applying only to the surface of the hemispherical sliding shoe member.
d.design
Each impact damping device must be designed to meet the standards imposed by the structural engineer designing the bridge / structure. The engineer must: (a) the number of columns used to support the structure, (b) the column geometry, (c) the lateral isotropy of the columns Material properties, (d) required stiffness of impact damping device, (e) expected location of impact damping device, (f) desired maximum horizontal runout, and (g) horizontal and vertical of each column. Specifies the design load in the direction. The shock absorber design is MARC ANALYSIS^TMIt is verified by using a finite element analysis program such as The following information (a) to (e), that is, (a) dimensional shape of each part of the impact damping device, (b) female receiving portion 20 or 21, male plug 40 or 41, friction rocker 80 (shown in FIG. 4) ), Elastic modulus (E) and Poisson covered (ν), (c) impact insertion for relatively rigid parts such as friction rocker seat 140 (shown in FIG. 4) and collars 110, 112 (shown in FIG. 6) Stress strain curves and / or viscosities and / or durometers of materials selected for the body 60, (d) information provided by the bridge engineer (note, all information provided by the bridge engineer is (E) knows what information the engineer associated with the finite element analysis program needs), and (e) inputs the ambient conditions into the program. The finite element program has the following information (a) to (b): (a) stress acting on each component, (b) relative movement amount and impact between the female receptacle 20/21 and the male plug 40/41 The deformation of the insert 60 is given. This design evaluation is an iterative method and must be repeated each time a change is made to optimize the design for a particular application. A typical design should be able to finish after as many as 10 runs through a finite element analysis program. After each data run, the engineer must ensure that the selected material has the material properties required for the particular application within the impact damping device.
[0028]
This impact damping device can be attached to any part of the load supporting column. Typically, an impact damping device is mounted at a location where the column moment is zero. However, the specific location is determined by analysis by a structure / pillar technician.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a vertical cross-sectional view through a seismic shock damping device for a road according to the present invention. The present invention comprises a female receptacle and a male plug inside the female receptacle, It is formed so as to leave a space between this and the female receptacle, and this space is filled with a shock absorbing insert.
2 is a horizontal cross-sectional view along 2-2 through the seismic shock attenuation device shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 3 shows a seismic shock attenuation device according to the present invention in which a hemispherical bulge is formed at the bottom of the male plug and a hemispherical depression corresponding to the inner bottom of the female receptacle is formed. It is the same vertical cross-sectional view as FIG.
FIG. 4 shows that the friction rocker is inside the female receiving portion, and the male plug is formed so that a space remains between the female receiving portion and the upper end portion of the friction rocker, and these spaces are formed as shock absorbing inserts. FIG. 2 is a vertical cross-sectional perspective view substantially similar to FIG. 1 through a seismic shock dampening device for a road pillar shown in accordance with the present invention, embedded in FIG.
5 is a vertical cross-sectional view through the seismic shock attenuator of FIG. 4 mounted on a pillar as part of the original configuration.
6 is a vertical cross-sectional view through the seismic shock attenuation device of FIG. 4 refurbished to an existing column.
FIG. 7 shows another embodiment of the present invention in which a friction interface for vertical load transfer between the male member and the female member is provided by a sliding shoe configured to be swingable in the hemispherical socket. 1 is a vertical cross-sectional view through an example seismic shock attenuation device. FIG.
8 is an exploded perspective view showing a male shoe and a female socket of the impact damping device of FIG. 7, and a sliding shoe and a socket member fitted into the male plug member.
[Explanation of symbols]
10 Seismic shock attenuator
20 Female receptacle
32 Convex hemispherical depression
40 male plug
52 concave hemispherical ridges
60 Impact insert
70 gap
80 friction rocker
100 River member
102 River member
120 Shock plug
140 Friction rocker seat
144 Dimple

Claims

In an earthquake shock attenuating device for protecting a load supporting column and a structure supported so as not to be damaged during an earthquake,
a) a female receiving member having a top edge, an inner bottom, and a female surface connecting the top edge to the inner bottom;
b) a male plug member having a bottom edge, a plug end face, and a male surface connecting the bottom edge to the plug end face;
c) an impact insert for separating the female receiving member and the male plug member, wherein the impact insert is tightly fitted to both the female receiving member and the male plug member. Damping device.

2. The earthquake shock attenuating apparatus according to claim 1, further comprising: a) means for attaching the female receiving member to the pillar; and b) means for attaching the male plug to the pillar.

3. The earthquake shock attenuating apparatus according to claim 2, further comprising friction support means for transmitting a load in a substantially vertical direction between the male plug member and the female receiving member.

The friction support means includes a) a first friction portion provided on the plug end surface of the male plug member, and b) the inner bottom surface of the female receiving member capable of being pressed against the first friction portion in a sliding engagement state. The earthquake shock attenuating device according to claim 3, further comprising a second friction portion provided on the seismic shock absorber.

The second friction portion is a generally flat horizontal second support surface formed on the inner bottom surface of the female receiving member, and the first friction portion forms a flat load support interface to the second support surface. said a generally planar first supporting surface formed on the end surface of the male plug member, during the relative movement of the male plug member and a female receiving member, the first so that the flat load-bearing interface is retained for 5. The earthquake shock attenuating device according to claim 4, further comprising means capable of tilting the support surface on the male plug member.

6. The earthquake shock according to claim 5, wherein the first friction support means includes a shoe member attached to the end face of the male plug member and having the first support surface formed on a first side portion thereof. Damping device.

The means capable of tilting the first support surface on the male plug member is configured such that the shoe member is positioned on the receiving member so that the first support surface is in a plane contact with the second support surface. 7. The earthquake shock attenuating device according to claim 6, further comprising means pivotally attached to the tip of the male plug member.

Means for pivotally attaching the support member to the tip of the male plug member includes a first substantially hemispherical support surface formed on a second side of the shoe member, and the shoe member attached to the male member. a second substantially hemispherical support surface formed on the distal end of the male plug member so as to match with the first hemispherical surface so that it can be tilted on the tip of the plug The earthquake shock attenuating device according to claim 7, further comprising:

The first hemispherical support surface is a convexly curved dome surface of the second side of the shoe member, and the second hemispherical support surface is a concavely curved cup at the tip of the plug member. The seismic shock attenuation device according to claim 8, wherein the device is a surface.

The first friction portion is composed of a first curved support surface provided on the end surface of the male plug member, and the second friction portion is composed of a second curved support surface provided on the bottom surface of the female receiving member, 5. A seismic shock dampening device according to claim 4, wherein the second support surface is configured to correspond to and engage with the first support surface to form a curved support interface. .

The first curved support surface is a convex dome portion provided on the end face of the male plug member, and the second curved support surface is a concave shape provided on the inner bottom surface of the female receiving member. The earthquake shock attenuating apparatus according to claim 10, comprising a curved dish portion.

A shock absorbing means is provided between the first friction portion and the male plug member, and further absorbs a substantially vertical shock load between the male plug and the receiving member. Item 5. The earthquake shock attenuator according to Item 4.

13. The earthquake shock attenuating apparatus according to claim 12, wherein the shock absorbing means comprises an elastic yielding body that connects the first friction member to the male plug member.

13. The earthquake shock attenuating apparatus according to claim 12, wherein the impact insert comprises an insert formed of a flexible yielding material.

The earthquake impact attenuating apparatus according to claim 12, wherein the flexible yielding material is made of a flexible urethane material.