JP4022379B2 - 地震・風に兼用できる軸力型制振装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、エネルギ吸収部材として、材料強度が高ひずみ速度感受性を有し、エネルギ吸収過程における温度上昇に対して強度が安定しており、塑性化による加工硬化を殆ど起さず、十分大きい変形性能を有する超塑性金属材料を用い、これを軸力で変形（軸変形）させることにより塑性エネルギを吸収せしめて構造物の振動（又は震動、以下同じ。）を軽減ないし抑制する軸力型制振装置の技術分野に属し、更に云えば、実質的に地震応答及び風応答に兼用でき、必要十分な制振（又は制震、以下同じ。）効果を発揮する軸力型制振装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、建築建造物の振動を吸収、緩和する制振装置は、大きく分けて、
（ａ）地震時に生ずる揺れを低減ないし抑制することを目的とした制震装置、
（ｂ）風等により生ずる揺れを低減ないし抑制し居住性を向上させる制振装置、の２種類が使い分けられている。
【０００３】
上記（ａ）の地震力を対象とした履歴系の制振装置の分野では、従来、エネルギ吸収部材に極低降伏点鋼を用いた制振装置、或いは鉛を用いた鉛封入型制震装置などが多数用いられている。
【０００４】
（ｃ）特に、ブレース等に使用される軸力型制振装置の分類に関して云えば、先ず特開２０００−２１３２００号公報には、極軟鋼からなるダンパー部材を、平板状若しくは横断面を十字形状として用い、その中央部分の断面積を両端部よりも小さくして所謂「軸変形のエネルギ吸収部」に形成し、その外周を座屈防止管等で補剛して成り、ダンパー部材の両端に軸力を作用させる構成の「制震構造」が開示されている。
【０００５】
（ｄ）また、特開２０００−１４４９３０号公報には、極軟鋼による平板を、角鋼管で形成した座屈補剛管の対角線方向にきっちり挿入し、他の対角線方向には補剛用のスチフナーを配置して成り、前記極軟鋼による平板の両端に軸力を作用させる構成の「制震装置」が開示されている。
【０００６】
（ｅ）上記（ｂ）の風荷重等による高層建物の振動応答を軽減する目的で使用される制振装置には、従来、エネルギ吸収部材として粘性体や粘性系材料等（以下、まとめて粘性系材料と云う）を用いた制振装置が多く公知であり使用されている。これら粘性系材料を用いた制振装置は、一般的に変形性能には優れている。
【０００７】
（ｆ）その他、最近では制振装置のエネルギ吸収部材に好適な超塑性金属材料として、たとえば特開平１１−２２２６４３号公報に開示された「亜鉛・アルミニューム合金（Zn-Al合金）」を使用することも知られている。この超塑性金属材料は、加工硬化、ひずみ劣化を起こさない為、安定した制震性能が長期にわたり持続する性質のものであることが知られている。
【０００８】
（ｇ）そこで本特許出願人らは、前記の「亜鉛・アルミニューム合金（Zn-Al合金）」をエネルギ吸収部材に使用した地震・風兼用の制振装置を、特願２０００−３８６０６８号公報及び特願２００１−３７２１３号公報にそれぞれ開示している。
【０００９】
【本発明が解決しようとする課題】
（Ｉ）上記（ｃ）（ｄ）のようにダンパー部材に極軟鋼（極低降伏点鋼）を用いた履歴系の軸力型制振装置は、地震等により一度塑性ひずみ履歴を受けると、極軟鋼自体の加工硬化により降伏荷重が上昇する。このため２回目以降は、極軟鋼の弾性領域が長くなり、エネルギ吸収性能が低下するなど、エネルギ吸収性能が不安定となる。
極軟鋼はまた、塑性ひずみを受けると、機械的性質の劣化を起こすため、継続使用する際の性能把握が困難であり、初期の制振性能を維持できなくなるので、往々にしてエネルギ吸収部材（極低降伏点鋼）を交換する必要がある、等々の問題がある。
【００１０】
（II）鉛を用いた鉛封入型制振装置の場合は、鉛自体の室温強度が低く、したがって、極低降伏点鋼を用いた制振装置と同程度の制振性能を実現するためには大量の鉛を必要とする。ところが、鉛は比重が大きいため、結局は制振装置全体の重量が増大し、ハンドリングが悪くなるし、構造物への負荷も大きい。更に、鉛は毒性のある金属であるため、その使用は環境保全のためには好ましくない。その他、鉛を用いた鉛封入型制振装置に関しては、鉛を封入し等体積変形を生じさせる機構が提案されているが、実際には補剛部材の弾性変形が存在するため、完全な等体積変形の実現は難しい。その上、鉛はエネルギ吸収による発熱に関して、熱を伝導、逸散する性能が悪く、繰り返し変形時における強度低下が著しい。そのためダレを発生し易く、封入初期には存在しなかった加力部材との間の隙間が発生し、スリップ型の塑性ひずみ履歴となって耐振性能が不安定になる問題点などが指摘されている。
【００１１】
（III） 次に、上記「粘性系材料」を用いた制振装置は、諸特性の温度依存性が非常に大きい。エネルギ吸収過程での発熱により、数１０℃の温度上昇で剛性、減衰特性等が著しく低下するため、ダンピング特性が急激に低下する。
例えば夏と冬では「粘性系材料」が晒される温度が大きく異なるため、制振性能も大きく異なってしまう。そのため粘性系制振装置を構造物へ設置する場所としては、温度変化の激しい外壁周りは適さず、居住スペースに近く温度変化の少ない場所に制限される。
「粘性系材料」は一般的に材料強度が小さいため、装置自体が大型化する。必然、構造物の有効な設置スペースが更に制限されるという問題もある。
【００１２】
（IV）次に、制振装置のエネルギ吸収部材として、上記特開平１１−２２２６４３号公報に開示されている超塑性金属材料「亜鉛・アルミニューム合金（Zn-Al合金）」を使用する場合には、次の検討事項を克服しなければならない。
即ち、この種の超塑性材料は、加工硬化、ひずみ劣化を起こさないため、安定した耐振性能が長期にわたり持続する。その一方、微細結晶粒組織を有する超塑性材料「室温高速超塑性合金」は金属組織の安定性が失われるため、力を伝える加力部材（又は加力冶具）との接合手段に「溶接」のように大きな入熱を伴う加工方法を実施できない。また、超塑性材料「室温高速超塑性合金」は、低降伏点鋼に比べて、局部座屈が発生すると「ひずみ集中」を生じ易く、従来の座屈補剛方法を適用できないという問題がある。
更に、鉛ほどではないが、超塑性材料はエネルギ吸収の際の発熱によって材料強度が低下するため、放熱対策が重要な課題である。
【００１３】
（Ｖ）なお、現状の制振技術の致命的とも言うべき欠点は、地震応答を対象とした履歴系の制振装置と、風応答を対象にした粘性系の制振装置とを目的別に使い分ける他ないことである。１種類の制振装置が実質的に地震及び風に兼用できて、十分大きな制振効果を発揮するものは存在しない。それは以下の理由による。
例えば極低降伏点鋼（極軟鋼）を用いた制振装置を、地震外力に対して塑性化するように設計した場合には、履歴型エネルギ吸収材料の変形性能を安定に確保する目的を優先する結果として、居住性の向上を目的とした風荷重のような極小振幅領域では、極低降伏点鋼を弾性領域のまま使うこととなり、エネルギ吸収能力を殆ど発揮できない。
逆に、例えば極低降伏点鋼を用いた制振装置を、居住性を対象とし風荷重に対して塑性化するように設計した場合には、より大きな振幅の地震応答を経験して塑性化すると、先に述べたように履歴型のエネルギ吸収材料の変形性能の限界があることに加え、機能面では以後、加工硬化により強度が上昇するため、もはや風荷重に対しては弾性挙動しか示さなくなり、有効なエネルギ吸収能力を発揮できない、等々の問題が生じてくる。そのため、必ずエネルギ吸収部材の交換を余儀なくされる問題がある。
つまり、極低降伏点鋼等を用いた履歴系の制振装置は、建物の居住性の向上を目的とした風応答の低減、或いは建物の地震応答を低減することを目的として両方の機能を兼備させることは困難である。
【００１４】
（VI）上記の「粘性系材料」を用いた制振装置の場合は、材料強度がひずみ速度依存性を有しており、変形性能も履歴系材料に比べて良好であることから、居住性の向上を目的とした風荷重に対しても、大地震時の荷重に対しても、エネルギ吸収性能を発揮できるが、次のような欠点を有している。
大地震の際の大振幅領域では、エネルギ吸収の際の発熱により耐力が急激に低下するため、制振性能が不安定である。また、極低降伏点鋼（極軟鋼）に比べて応力レベルが低いことに加え、上記したような耐力低下の問題から、地震応答を対象にすると制振装置の必要個数が非常に多くなり、制振装置の設置スペースの確保が非常に難しくなる。つまり、粘性系の制振装置でも、建物の居住性の向上を目的とした風応答、及び建物の地震応答の低減を目的とした両方の制振機能を兼備させることは困難である。
【００１５】
（VII） 従来の軸力型制振装置の多くは所謂履歴型の構成であり、地震・風に兼用できる制振機能は備えていない。
【００１６】
（VIII）本発明の目的は、上述した「超塑性金属材料」を制振装置のエネルギ吸収部材（ダンパー部材）に使用し、その使用に際して発生する課題を全て克服した軸力型制振装置を提供することである。
本発明の次の目的は、変形性能に優れ、塑性化による加工硬化を殆ど起こさず、しかも高ひずみ速度感受性を有する「超塑性金属材料」をエネルギ吸収部材として用いて、その材料特性を最大限に生かすべく改良工夫した軸力型の制振装置、とりわけ建築構造物の風応答および地震応答の２種類の振動に対する制振効果に優れ、しかも制振機能が長期にわたり安定して働き、ひずみ履歴を受けてもエネルギ吸収部材の交換が不要である、地震・風に兼用できる軸力型制振装置を提供することである。
本発明の究極の目的は、風荷重による微小な変形、および地震荷重による大変形の両方に対して制振機能が働く「超塑性金属材料」をエネルギ吸収部材として用いながら、極めて簡単な構造で安価に製作できる、地震・風に兼用できる軸力型制振装置を提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上述した従来技術の課題を解決するための手段として、請求項１記載の発明に係る地震・風に兼用できる軸力型制振装置は、
エネルギ吸収部材１として、材料強度が高ひずみ速度感受性を有し、エネルギ吸収過程における温度上昇に対して強度が安定しており、塑性化による加工硬化を殆ど起さず、十分大きい変形性能を有する超塑性金属材料を丸棒状で用い、軸変形させることにより構造物の振動を軽減ないし抑制する軸力型制振装置である。
丸棒状の超塑性金属材料は、その両端の加力部１ｂ、１ｂを除く中央部分が小径に加工されて軸力による軸変形が集中するエネルギ吸収部１ａとして長く形成されており、前記加力部１ｂとエネルギ吸収部１ａとの境界部分２は応力集中を生じない丸みのＲ加工とされ、前記両端の加力部１ｂ、１ｂがそれぞれ繋ぎ部材５，９を介して両サイドの取付けプレート３、３と接合されている。
エネルギ吸収部材１のうち中央部分の小径に加工されて軸変形が集中するエネルギ吸収部１ａの外周に、座屈補剛部材として鋼管６が軸変形を阻害しない構造で、即ち、前記座屈補剛部材６の内周面とエネルギ吸収部１ａの外周面との間、および座屈補剛部材６の端部と前記加力部１ｂとの間にそれぞれエネルギ吸収部１ａの軸変形を阻害しない隙間を設けて配置されており、
更に同座屈補剛部材６の外周面、および前記エネルギ吸収部１ａの両端の加力部１ｂの外周面、並びに同加力部と接合された繋ぎ部材５，９の外周面がそれぞれ、座屈補剛鋼管７により拘束されている。
前記両サイドの取付けプレート３、３は、構造物の振動を軸力として伝達するブレース１２等の軸力部材と接合されることを特徴とする。
【００１８】
請求項２記載の発明は、請求項１に記載した地震・風に兼用できる軸力型制振装置において、
エネルギ吸収部材１の両端の加力部１ｂ、１ｂに軸方向に突き出る雄ネジ部４が設けられ、前記雄ネジ部４とネジ接合された繋ぎ材５を介して両サイドの取付けプレート３、３との接合が行われている。
エネルギ吸収部材１のうち中央部分の小径に加工されて軸変形が集中するエネルギ吸収部１ａの外周に配置された座屈補剛部材としての鋼管６は、座屈補剛鋼管７との隙間を埋める厚さの二つ割り鋼管で構成されていることを特徴とする。
【００１９】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２に記載した地震・風に兼用できる軸力型制振装置において、エネルギ吸収部材は、亜鉛・アルミニューム合金であることを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施形態及び実施例】
以下に、請求項１〜３記載の発明に係る地震・風に兼用できる軸力型制振装置の実施形態を図１〜図３に基いて説明する。
【００２１】
図１に示した軸力型制振装置は、エネルギ吸収部材１として、材料強度が高ひずみ速度感受性を有し、エネルギ吸収過程における温度上昇に対して強度が安定しており、塑性化による加工硬化を殆ど起さず、十分大きい変形性能を有する超塑性金属材料、更に具体的に云えば、上記の特開平１１−２２２６４３号公報に開示された「亜鉛・アルミニューム合金」（請求項３記載の発明）を丸棒状で用いている。
【００２２】
前記丸棒状の超塑性金属材料は、軸変形を容易ならしめ、且つ集中させる手段として、その両端の加力部１ｂ、１ｂを除く中央部分を旋盤などにより小径に切削加工して、軸力による軸変形が集中するエネルギ吸収部１ａが適度な長さに形成されている。その場合、加力部１ｂとエネルギ吸収部１ａとの境界部分２は、応力集中を発生しないように十分に大きな半径で丸みを付けたＲ加工が行われている。このエネルギ吸収部材１を具体的に説明すると、加力部１ｂの外径が５０mm程度であるとき、小径の軸変形エネルギ吸収部１ａは外径が１５mm〜２０mm程度とし、軸方向の有効長さは２００mm程度の大きさとしている。
【００２３】
エネルギ吸収部材１の両端の加力部１ｂ、１ｂがそれぞれ両サイドの取付けプレート３、３と接合されており、この取付プレート３をブレース等の軸力部材と接合することにより、構造物の地震応答などが軸力として当該制振装置に入力するものとしている。
【００２４】
その具体的手段として、エネルギ吸収部材１の両端の加力部１ｂには軸方向に突き出る雄ネジ部４が、やはり、前記丸棒状の超塑性金属材料の旋盤加工としてねじ切りして設けられている。そして、前記雄ネジ部４とはダブルナット８を介してガタつかないように強力に締め付けてネジ接合された繋ぎ材５、及び前記繋ぎ材５と溶接等で一連に接合した繋ぎパイプ９を介して両サイドの取付けプレート３との接合が行われている（請求項２記載の発明）。つまり、上述したように超塑性金属材料「室温高速超塑性合金」は金属組織の安定性が失われるため、力を伝える加力部材（又は加力冶具）との接合手段に「溶接」のように大きな入熱を伴う加工方法を実施できないという問題を、前記のように解決している。
【００２５】
次に、エネルギ吸収部材１の小径に加工された軸変形エネルギ吸収部１ａの外周には、座屈補剛部材として、二つ割り鋼管６が、軸変形エネルギ吸収部１ａの軸変形を阻害しない構造で、即ち、具体的には図２と図３に拡大して示したように、二つ割り鋼管６の内周面とエネルギ吸収部１ａの外周面との間、および二つ割り鋼管６の端部と前記加力部１ｂとの間にそれぞれエネルギ吸収部１ａの軸変形を阻害しない隙間を設けて配置されている。更に、前記座屈補剛部材６の外周面、および前記エネルギ吸収部１ａの両端の加力部１ｂ、１ｂの外周面、並びに同加力部と接合された繋ぎ材５、繋ぎパイプ９の外周面がそれぞれ、座屈補剛管７によりきっちり拘束されている（図２、図３を参照）。座屈補剛管７には通常の鋼管が使用されており、前記座屈補剛部材としての二つ割り鋼管６は、座屈補剛管７の内面との隙間を埋める目的の材であり、その目的に適合する厚さの鋼管が使用されている。
【００２６】
ちなみに、図１に示した軸力型制振装置全体の大きさは、例えば左右の取付プレート３、３間の寸法が、５０〜６０cmぐらいとしている。
【００２７】
したがって、軸力型制振装置の適用形態としては、図４に例示したように、柱１０と梁１１とに囲まれた面内の対角線方向に配置したブレース１２を中央部分で二つに分断し、分断した各ブレース１２の端部に、垂直な上下の梁１１へ固定して垂直に接合した取付柱１３、１３を接合して設け、前記左右の取付柱１３、１３の内側面に、上記構成とした軸力型制振装置１５を１個ないし複数個水平に配置し、それぞれの取付プレート３を前記取付柱１３と剛結して設置する。
【００２８】
つまり、当該柱梁架構に入力した地震力による上下の梁１１、１１間の層間変形を、ブレース１２と取付柱１３により、水平方向の軸力（軸変形）として軸力型制振装置へ作用させる。
【００２９】
その結果、エネルギ吸収部材１の小径に加工された軸変形エネルギ吸収部１ａに軸変形が集中し、超塑性金属材料に特有の変形性能で効率的なエネルギ吸収が行われ、地震応答の低減ないし抑制効果が発揮されるのである。
【００３０】
その場合、超塑性金属材料に固有の性質として、風荷重による微小な変形、および地震荷重による大変形の両方に対して効果的な制振機能（制振作用）が長期にわたり常に安定に働くのである。
【００３１】
【本発明が奏する効果】
請求項１〜３に記載した発明に係る地震・風に兼用できる軸力型制振装置は、上述した「超塑性金属材料」を制振装置のエネルギ吸収部材（ダンパー部材）に使用しており、その使用に際して発生する課題を全て克服して、しかも極めて簡単な構造で安価に提供できる。
【００３２】
本発明によれば、変形性能に優れ、塑性化による加工硬化を殆ど起こさず、しかも高ひずみ速度感受性を有する「超塑性金属材料」をエネルギ吸収部材として用いているので、建築構造物の風応答および地震応答の２種類の振動に対する制振効果に優れ、しかも制振機能が長期にわたり安定して働き、ひずみ履歴を受けてもエネルギ吸収部材の交換が不要な軸力型制振装置を提供することである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る軸力型制振装置を示した縦断面図である。
【図２】図１のエネルギ吸収部材の加力部近傍を示した拡大図である。
【図３】図２のIII−III線矢視断面図である。
【図４】本発明に係る制振装置の適用例を示した立面図である。
【符号の説明】
１ エネルギ吸収部材
１ａ エネルギ吸収部
１ｂ 加力部
２ 境界部分
３ 取付けプレート
４ 雄ネジ部
５ 繋ぎ材
６ 座屈補剛部材（二つ割り鋼管）
７ 座屈補剛管
８ ダブルナット
９ 繋ぎパイプ

Claims (3)

1. エネルギ吸収部材として、材料強度が高ひずみ速度感受性を有し、エネルギ吸収過程における温度上昇に対して強度が安定しており、塑性化による加工硬化を殆ど起さず、十分大きい変形性能を有する超塑性金属材料を丸棒状で用い、軸変形させることにより構造物の振動を軽減ないし抑制する軸力型制振装置であり、
   丸棒状の超塑性金属材料は、その両端の加力部を除く中央部分が小径に加工されて軸力による軸変形が集中するエネルギ吸収部として長く形成されており、前記加力部とエネルギ吸収部との境界部分は応力集中を生じない丸みのＲ加工とされ、前記両端の加力部がそれぞれ繋ぎ部材を介して両サイドの取付けプレートと接合されていること、
   エネルギ吸収部材のうち中央部分の小径に加工されて軸変形が集中するエネルギ吸収部の外周に、座屈補剛部材として鋼管が軸変形を阻害しない構造で、即ち、前記座屈補剛部材の内周面とエネルギ吸収部の外周面との間、および座屈補剛部材の端部と前記加力部との間にそれぞれエネルギ吸収部の軸変形を阻害しない隙間を設けて配置されていること、
   更に同座屈補剛部材の外周面、および前記エネルギ吸収部の両端の加力部の外周面、並びに同加力部と接合された繋ぎ部材の外周面がそれぞれ、座屈補剛鋼管により拘束されていること、
   前記両サイドの取付けプレートが、構造物の振動を軸力として伝達するブレース等の軸力部材と接合されること、
   を特徴とする、地震・風に兼用できる軸力型制振装置。
2. エネルギ吸収部材の両端の加力部に軸方向に突き出る雄ネジ部が設けられ、前記雄ネジ部とネジ接合された繋ぎ材を介して両サイドの取付けプレートとの接合が行われており、
   エネルギ吸収部材のうち中央部分の小径に加工されて軸変形が集中するエネルギ吸収部の外周に配置された座屈補剛部材としての鋼管は、座屈補剛鋼管との隙間を埋める厚さの二つ割り鋼管で構成されていることを特徴とする、請求項１に記載した地震・風に兼用できる軸力型制振装置。
3. エネルギ吸収部材は、亜鉛・アルミニューム合金であることを特徴とする、請求項１又は２に記載した地震・風に兼用できる軸力型制振装置。

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