JP3954019B2 - 摩擦ダンパー - Google Patents

Description

この発明は、摩擦ダンパーに関し、さらに詳細には、２つの構造物間に地震等により発生する相対運動を減衰させるための摩擦ダンパーに関する。

近年、大規模地震の発生に備えて、建築物には免震構造が多く採用されつつある。この免震構造は、一般に、建築物と基礎との間に、地震による振動を長周期化して建築物に伝達する積層ゴム等からなるアイソレータ（免震支承）と、振動エネルギを吸収して振動を減衰させるダンパーとを配置することにより達成される。

ダンパーとしては、アイソレータに鉛プラグを埋め込んだり、あるいは積層ゴムのゴム材料を高減衰性のものとすることにより、アイソレータそれ自体に減衰機能を持たせたものと、アイソレータとは別個にこれと組み合わせて使用される鉛棒や鋼棒からなるダンパーが知られている。しかしながら、前者は設計の自由度が小さく、後者は価格が高くなるという欠点がある。

アイソレータの下面にテフロン（登録商標、以下同じ）プレートを張り付け、また基礎側のベースプレートにステンレスプレートを張り付け、テフロンプレートとステンレスプレートとの間で滑り摩擦力を発生させることにより、減衰機能を持たせたアイソレータも知られている。しかしながら、この場合、アイソレータの支持荷重が摩擦力を発生させるための荷重となることから、荷重の変動を考慮しなければならない。また、滑り面が１カ所しか取れないので、得られる減衰力も限られる。

このような摩擦によるダンパーとして、皿ばねを組み込んだものも知られている。この摩擦ダンパーは、アイソレータとは別個に設置されるものであるが、皿ばねに付与する荷重は支持荷重から得るため、荷重の変動の影響は少なからずある。また、滑り面も１カ所しか取れない。

さらに、特許文献１に開示されているような摩擦ダンパーも知られている。この摩擦ダンパーは、皿ばねをボルトにより圧縮するので、荷重を調節することが可能であり、また荷重を一定に保つことができる。しかしながら、この摩擦ダンパーは、皿ばねの設置数が制限されることから、荷重の調節にも制限がある。さらに、この先行技術の装置は、変位量を大きく取ることができず、過大な振動に対応することができない。
特開平６−３２３３５５号公報

この発明は上記のような技術的背景に基づいてなされたものであって、次の目的を達成するものである。
この発明の目的は、設計の自由度が大きく、摩擦を発生させる要素あるいは因子を種々変えることを可能とし、これにより１つの装置で大きな大きな減衰力が得られ、ダンパーの数を減らして全体価格を低減することができる摩擦ダンパーを提供することにある。

この発明は上記課題を達成するために、次のような手段を採用している。
すなわち、この発明は、２つの構造物間に発生する相対運動を摩擦力により減衰させるための摩擦ダンパーであって、
一方の前記構造物に設置される摩擦発生装置と、他方の前記構造物に設置される連結軸とを含み、
前記摩擦発生装置は、保持フレームと、
前記保持フレームに保持され、積層して配置された複数枚の押さえプレートと、
互いに隣接する前記押さえプレート間に滑動可能に配置され、端部が前記連結軸に回転可能に連結される少なくとも１枚の滑りプレートと、
前記保持フレームに組み込まれ、前記押さえプレート及び前記滑りプレートの全体に亘って、それらの厚さ方向に荷重を付与する荷重付与手段とを備え、
前記保持フレームは、上下部にフランジを有し、かつ周壁に開口部が設けられた円筒体からなり、
前記連結軸は前記円筒体の内方に延びるように設置され、
前記押さえプレート及び前記滑りプレートは前記上下部のフランジ間に配置され、
前記滑りプレートは前記開口部を通って前記円筒体の内方に延び、その端部が前記連結軸に連結されていることを特徴とする摩擦ダンパーにある。

地震等が発生して、２つの構造物間で相対運動が生じると、摩擦発生装置の滑りプレートは運動に追従して連結軸に対して回転するとともに、押さえプレートとの間で滑りを生じる。運動エネルギは、この滑りプレートの滑りの際に発生する摩擦により吸収され、減衰される。摩擦を発生させるための荷重は、荷重付与手段が保持フレームに組み込まれているので常に一定であり、また減衰力の大きさは、荷重付与手段の数、滑りプレートの枚数等を変えることにより、自由に設定可能である。

より具体的には、前記押さえプレートの各両端部は、前記上部フランジを貫通して下部フランジに向けて延びるロッドにより、互いに連結されている。前記荷重付与手段は、前記上部フランジ上において前記ロッドに装着されたばね部材と、前記ロッドに螺着され、前記ばね部材を前記上部フランジに向けて押圧するナットとを含む。

前記押さえプレート及び前記滑りプレートからなるプレート群が、前記上下部フランジ間に等角度間隔を置いて複数配置されている。前記連結軸に環状プレートが回転不能に嵌合され、前記滑りプレートの端部は前記環状プレートに回転可能に連結されている。

以上のように、この発明によれば、設計の自由度が大きく、摩擦を発生させる要素あるいは因子を種々変えることが可能となり、したがって１つの装置で大きな大きな減衰力が得られ、ダンパーの数を減らして全体価格を低減することができる。

この発明の実施の形態を図面を参照しながら以下に説明する。図１は、この発明による摩擦ダンパーの適用例を示し、摩擦ダンパー１は２つの構造物である建築物２と基礎３との間に、アイソレータ４と組み合わせてこれに隣接して設置される。

図２乃至図９は参考例としての摩擦ダンパーを示し、図２は摩擦ダンパー１の全体を示す正面図である。摩擦ダンパー１は摩擦発生装置５と、連結軸６とからなる。摩擦発生装置５及び連結軸６は、アンカーボルト７ａ，８ａをそれぞれ有するベースプレート７，８を介して、それぞれ基礎３及び建築物２に固定されている。

図３は摩擦発生装置５及び連結軸６の詳細を示す一部破断した正面図、図４及び図５はそれぞれ図３のＡ−Ａ線及びＢ−Ｂ線によって得られる断面図である。摩擦発生装置５は保持フレーム９を備えている。保持フレーム９は、底部プレート１０と、１対の側部プレート１１，１１と、上部プレート１２とからなっている。側部プレート１１，１１は底部プレート１０の上にボルト１３により固定され、また上部プレート１２は側部プレート１１，１１の上にボルト１４により固定されている。

保持フレーム９の内部には複数枚の押さえプレート１５が積層して配置されている。押さえプレート１５の各両側部には突起１６が形成されている。これらの突起１６は、側部プレートに形成された開口部１７に嵌合されている。これにより、押さえプレート１５は保持フレーム９に、これとの間で相対運動を生じないように保持されている。

互いに隣接する押さえプレート１５，１５間及び最下部の押さえプレート１５と底部プレート１０との間には滑りプレート１８が滑動可能に配置されている。これらの滑りプレート１８の両端部は、側部プレート１１，１１間から保持フレーム９の外方に突出して延びている。滑りプレート１８は、少なくとも１枚あれば摩擦力を発生するが、複数枚設けることにより減衰力の調節を容易に行える。

連結軸６には複数枚の環状プレート１９が嵌合され、これらの環状プレート１９と連結軸６との間には環状プレート１９の回り止めのためのキー２０が介在されている。連結軸６の下端には環状プレート１９の抜け止めのためのプレート２１が固定されている。

滑りプレート１８の一方の端部は環状プレート１９，１９間に延び、滑りプレート１８及び環状プレート１９はそれらを貫通するピン２２により互いに連結されている。これにより、滑りプレート１８は、環状プレート１９すなわち連結軸６に対し回転可能となっている。滑りプレート１８の各他方の端部は、それらを貫通するボルト２３及びその先端に螺着されたナット２４により、互いに連結されている。滑りプレート１８，１８間のボルト２３部分には、間隔を保持するためのカラー２５が装着されている。

押さえプレート１５及び滑りプレート１８は鋼板等で作られている。それらの滑りを良くする一方、所要の摩擦力を得るために、押さえプレート１５及び滑りプレート１８の各対向面及び滑りプレート１８と底部プレート１０の各対向面には滑り材２６，２７が固定されている。

押さえプレート１５及び底部プレート１０に設けられる滑り材２６としては、テフロンプレートあるいは砲金などの合金製プレートが用いられ、滑りプレート１８の滑り材２７としてはステンレスプレート等が用いられる。滑り材２６は各プレート１０，１５に設けた適宜深さの凹部に嵌め込まれ、固定される。

最上部の押さえプレート１５の上には、ばね部材である皿ばね２８が複数配置されている。保持フレーム９の上部プレート１２には、各皿ばね２８に対応して六角穴付きボルト２９が螺着されている。六角穴付きボルト２９は中間に段部を有し、段部よりも先端側のガイド部分３０が座金３１及び皿ばね２８を貫通している。さらに、ガイド部分３０の先端は、最上部の押さえプレート１５に設けられた孔３２に収容されている。このボルト２９により、皿ばね２８は最上部の押さえプレート１５に向けて押圧され、圧縮されている。この結果、押さえプレート１５及び滑りプレート１８の全体に亘って、皿ばね２８の復元力による荷重が付与されている。

底部プレート１０の下部には断面円形のボス３３が形成されている。一方、ベースプレート７には、ボス孔３６を有する固定プレート３５がボルト３４により固定されている。ボス３３はボス孔３６に嵌合され、これにより底部プレート１０すなわち保持フレーム９が基礎３に対し回転可能となっている。ボス３３の先端には、抜け止めのためのプレート３７が固定されている。

上記のような摩擦発生装置５は１つあるいは連結軸６の外周に等角度間隔を置いて複数設置することができ、図６及び図７はその態様を示している。図６において、（ａ），（ｂ），（ｃ）は摩擦発生装置５をそれぞれ１つ、２つ、３つとした場合を示している。図７は摩擦発生装置５を４つとした場合を示している。

次に、上記摩擦ダンパーの作用を摩擦発生装置５を４つとした場合を例にとり、図８を参照して説明する。地震が発生して、建築物２と基礎３との間で図８矢印方向の相対運動が生じると、各摩擦発生装置５の滑りプレート１８は運動に追従して連結軸６に対して回転するとともに、押さえプレート１５との間で滑りを生じる。また、各摩擦発生装置５の保持フレーム９も、運動に追従してボス３３を中心に回転する。運動エネルギは、主として、この滑りプレート１８の滑りの際に発生する摩擦により吸収され、減衰される。

このとき、運動方向と滑りプレート１８の延伸方向とのなす角度が小さい摩擦発生装置５は、保持フレーム９の回転角度が小さく、滑りプレート１８の変位が大きくなる。逆に、運動方向と滑りプレート１８の延伸方向とのなす角度が大きい摩擦発生装置５は、保持フレーム９の回転角度が大きく、滑りプレート１８の変位が小さい。すなわち、摩擦発生装置５の設置数が多ければ、いずれの方向に運動が生じても、いずれかの摩擦発生装置が減衰作用に大きく寄与し、確実に運動を減衰させることができる。減衰力の大きさは、摩擦発生装置５の設置数を変えることにより、自由に設定することができる。

摩擦発生装置５各々についての摩擦による減衰力の大きさは、摩擦力は荷重にほぼ比例することから、皿ばね２８の重ね個数、大きさ、あるいは設置数を変えることにより自由に変えることができる。摩擦面を増やしても各摩擦面に加わるる荷重は変わらないため、摩擦力は摩擦面の数に比例することとなる。したがって、滑りプレート１８の数を増やすことにより、摩擦面が増加し、摩擦による減衰力を大きくすることができる。

また、滑り材２６，２７にテフロンプレートや合金製プレートを用いることにより、摩擦がクーロン摩擦となるため、滑り出すまでの抵抗が大きく、風や微少地震等による揺れを防止することができる。すなわち、上記のような摩擦ダンパーは、トリガー機能を持っていると言える。

さらに、上記摩擦ダンパーによれば、保持フレーム９に組み込まれた皿ばね２８の力で摩擦力を制御するため、滑りプレート１８に加わる荷重の変動が起きず、減衰力が安定する。大地震時の大変位によりアイソレータ４に残留変位が生じても、皿ばね２８を押圧しているボルト２９を緩めることにより摩擦力が解除されるので、残留変位の解除が簡単である。また、滑りプレート１８の長さを変えることにより、その移動量を変えることができる。

摩擦発生装置５を複数設置する場合、図２に示したように、各摩擦発生装置ごとにベースプレート７を設置してもよいが、図９に示すようにベースプレート７を１枚とし、その上に複数の摩擦発生装置５を設置するようにしてもよい。

図１０乃至図１２は、この発明の実施の形態を示し、図１０は正面図、図１１は水平断面図、図１２は図１１のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。この実施の形態では、保持フレーム９は上下部にフランジ４０，４１を有する円筒体４２からなっている。連結軸６は前記実施の形態と同様の構造であるが、円筒体４２の内方に延びるように配置されている。保持フレーム９は、下部フランジ４１に設けられたアンカーボルト４３を介して基礎３に固定されている。

押さえプレート１５及び滑りプレート１８は、上下部フランジ４０，４１間に配置されている。円筒体４２の周壁には開口部４４が形成されている。滑りプレート１８の一方の端部は、この開口部４４を通って円筒体４２の内方に延び、連結軸６に設けられた環状プレート１９に回転可能に連結されている。

このような押さえプレート１５及び滑りプレート１８からなるプレート群４５は、円筒体４２の外周に等角度間隔を置いて複数配置されている。押さえプレート１５及び滑りプレート１８にそれぞれ設けられる滑り材２６，２７は前記実施の形態で示したものと同様のものを用いることができる。

各押さえプレート１８の両端部は、上部フランジ４０を貫通して下部フランジ４１に向けて延びる１対のロッド４６，４６により互いに連結されている。これらのロッド４６，４６の下端は、下部フランジ４１に設けられた位置決め孔４７に収容されている。ロッド４６，４６の上部フランジ４０からの突出部分には、皿ばね２８が装着されている。この皿ばね２８は、ロッド４６に螺着されたナット４８により、上部フランジ４０に向けて押圧され、圧縮されている。これにより、押さえプレート１５及び滑りプレート１８の全体に亘って、荷重が付与されている。

この実施の形態によるダンパーの作動時の状態が、図１１に鎖線で示されている。この実施の形態によれば、保持フレーム９が基礎３に対して固定されているので、作動時に押さえプレート１５と滑りプレート１８との間に回転が生じる。したがって、振動方向と滑りプレート１８の延伸方向とのなす角度が大きくても回転滑りによる摩擦が発生する。その他、この実施の形態のものによっても、前記実施の形態で説明したと同様の利点が得られる。

上述したところでは、この発明による摩擦ダンパーを建築物の免震システムに適用した場合を例にとって説明したが、この発明は振動による相対運動が発生する２つの構造物間であれば他のシステムにも適用できる。

この発明による摩擦ダンパーの適用例を示す図である。 参考例としての摩擦ダンパーの全体を示す正面図である。 摩擦発生装置及び連結軸の詳細を示す一部破断した正面図である。 図３のＡ−Ａ線によって得られる断面図である。 図３のＢ−Ｂ線によって得られる断面図である。 摩擦発生装置の設置態様を示す図である。 摩擦発生装置の設置態様を示す図である。 作動説明のための図である。 摩擦発生装置を複数設置する場合のベースプレートの別の態様を示す図である。 この発明の実施の形態を示す正面図である。 同実施の形態を示す水平断面図である。 図１１のＢ−Ｂ線によって得られる断面図である。

符号の説明

１：摩擦ダンパー
２：建築物
３：基礎
４：アイソレータ
５：摩擦発生装置
６：連結軸
７：ベースプレート
９：保持フレーム
１０：底部プレート
１１：側部プレート
１２：上部プレート
１５：押さえプレート
１６：突起
１７：開口部
１８：滑りプレート
１９：環状プレート
２６：滑り材
２７：滑り材
２８：皿ばね
２９：六角穴付きボルト
３３：ボス
３５：固定プレート
３６：ボス孔
４０：上部フランジ
４１：下部フランジ
４２：円筒体
４４：開口部
４５：プレート群
４６：ロッド
４７：位置決め孔
４８：ナット

Claims (5)

1. ２つの構造物間に発生する相対運動を摩擦力により減衰させるための摩擦ダンパーであって、
   一方の前記構造物に設置される摩擦発生装置と、他方の前記構造物に設置される連結軸とを含み、
   前記摩擦発生装置は、保持フレームと、
   前記保持フレームに保持され、積層して配置された複数枚の押さえプレートと、
   互いに隣接する前記押さえプレート間に滑動可能に配置され、端部が前記連結軸に回転可能に連結される少なくとも１枚の滑りプレートと、
   前記保持フレームに組み込まれ、前記押さえプレート及び前記滑りプレートの全体に亘って、それらの厚さ方向に荷重を付与する荷重付与手段とを備え、
   前記保持フレームは、上下部にフランジを有し、かつ周壁に開口部が設けられた円筒体からなり、
   前記連結軸は前記円筒体の内方に延びるように設置され、
   前記押さえプレート及び前記滑りプレートは前記上下部のフランジ間に配置され、
   前記滑りプレートは前記開口部を通って前記円筒体の内方に延び、その端部が前記連結軸に連結されていることを特徴とする摩擦ダンパー。
2. 前記押さえプレートの各両端部は、前記上部フランジを貫通して下部フランジに向けて延びるロッドにより、互いに連結されていることを特徴とする請求項１記載の摩擦ダンパー。
3. 前記荷重付与手段は、前記上部フランジ上において前記ロッドに装着されたばね部材と、
   前記ロッドに螺着され、前記ばね部材を前記上部フランジに向けて押圧するナットとを含むことを特徴とする請求項２記載の摩擦ダンパー。
4. 前記押さえプレート及び前記滑りプレートからなるプレート群が、前記上下部フランジ間に等角度間隔を置いて複数配置されていることを特徴とする請求項１，２又は３記載の摩擦ダンパー。
5. 前記連結軸に環状プレートが回転不能に嵌合され、
   前記滑りプレートの端部は前記環状プレートに回転可能に連結されていることを特徴とする請求項１，２，３又は４記載の摩擦ダンパー。

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