JP4087026B2 - 超塑性金属ダンパー - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、亜鉛・アルミニウム合金（Ｚｎ・Ａｌ合金）のように延性に非常に富んだ超塑性金属の剪断変形を利用して振動エネルギーを吸収させる超塑性金属ダンパーの技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、金属の機械的性質を応用する、いわゆる金属系ダンパーとしては、鋼棒の曲げ変形を利用するものが多い。その欠点は、曲げ降伏が鋼棒の一点の屈曲に集中してしまい、ダンパーとしての変形性能が小さく、ひいてはエネルギー吸収能力が小さいことである。
【０００３】
そこで、鋼棒の曲げ変形を一点に集中させない工夫として、特開平６−１４６６５１号公報には、曲げモーメント分布と相似形状に加工した鋼棒による鋼棒ダンパーが開示されている。特開昭６１−１７９９７２号公報には、曲げ塑性域を拡大するために変形ガイドを設けた構成のダンパーが開示されている。特開平２−１２８８４４号及び特開平７−３３２４１９号公報には、同様な考え方に基づく鼓状ダンパーが開示されている。しかし、いずれも実装時の応力状態が想定通りになるとは限らず、また、単純な形状でもないため設計、製作が容易でないという問題点もある。
【０００４】
次に、鉛のような塑性金属の剪断変形を利用してダンパーを構成する場合は、その取付け方法（力の伝達方法）に課題がある。そのため特許第２６５０１５３号の発明は、鉛の上端及び下端と取付け板とを双方の金属のアロイ（合金）として直接接合した構成のダンパーを提案している。特許第２６４７６０９号公報の発明は、両端のフランジ（取付け板）を含む部分に剪断強度が大きい鉛合金が使用され、その中間部に鉛金属が使用され、各々を鉛合金の強度を上回る強度で接着したダンパーを提案している。
【０００５】
【本発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、形状が単純で設計、製作が容易であり、実装時の取付け方法や力の伝達方法を機械的に明快に実現でき、ダンパーとしての変形性能に優れ、エネルギー吸収能力が大きい超塑性金属ダンパーを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するための手段として、請求項１に記載した発明に係る超塑性金属ダンパーは、
亜鉛・アルミニウム合金（Ｚｎ・Ａｌ合金）の如く延性に富んだ超塑性金属を剪断変形が卓越する円柱形状に加工した超塑性金属体２の上下の両端が、前記超塑性金属２よりも強度、剛性が大きい金属で上下方向に一定の拘束幅を有する円筒形に製作したリング状体３により、上下二つのリング状体３、３の間の有効高さｈが、高さ／直径の比が１以下となるように拘束されて成り、
上下の構造体４、５の間に前記超塑性金属体２が垂直に配置され、前記上下両端のリング状体３、３を介して上下の構造体４、５へ取り付けられ、前記上下両端のリング状体３、３を介して地震等による水平外力が超塑性金属体２に加えられ超塑性金属体２の前記有効高さｈの範囲に剪断変形が生ずるように使用されることを特徴とする。
【０００７】
請求項２記載の発明に係る超塑性金属ダンパーは、
亜鉛・アルミニウム合金（Ｚｎ・Ａｌ合金）の如く延性に富んだ超塑性金属を剪断変形が卓越する円柱形状に加工した超塑性金属体２の上下の両端が、前記超塑性金属２よりも強度、剛性が大きい金属で上下方向に一定の拘束幅を有する円筒形に製作したリング状体３により、上下二つのリング状体３、３の間の有効高さｈが、高さ／直径の比が１以下となるように拘束した構成を１単位とし、
複数の単位を上下方向に一連に積層しリング状体３で接合して成る長尺円柱形状の超塑性金属ダンパーユニット１１が複数、上下の構造体４、５の間に前記超塑性金属体２を垂直に配置され、上下両端のリング状体３、３を介して上下の構造体４、５へ取り付けて並立され、
並立して隣接する超塑性金属ダンパーユニット１１、１１同士のリング状体３、３の間が、強度、剛性が大きい梁状拘束部材１２で水平方向に連結され、上下両端のリング状体３、３を介して地震等による水平外力が超塑性金属体２に加えられ超塑性金属体２の前記有効高さｈの範囲に剪断変形が生ずるように使用され、各リング状体３による拘束位置では超塑性金属体２の曲げ変形が拘束されることを特徴とする。
【０００８】
請求項３記載の発明は、請求項２に記載した超塑性金属ダンパーにおいて、
複数の単位を一連に積層し接合して成る長尺円柱形状の超塑性金属ダンパーユニット１１における各リング状体３に、各単位の超塑性金属体２に一定大きさ以上の剪断変形が生ずることを規制する変形拘束ガイド１３が設けられていることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、請求項１に記載した発明に係る超塑性金属ダンパー１の実施形態を示している。
【００１０】
これは亜鉛・アルミニウム合金（Ｚｎ・Ａｌ合金）の如く延性に富んだ超塑性金属を、剪断変形が卓越する形状（円柱の場合に、高さ／直径の比が通常約１以下）に加工してなる超塑性金属体２の上下の両端を、前記超塑性金属よりも強度、剛性が大きい金属（例えば鉄鋼）のリング状体３、３で拘束して構成されている。
【００１１】
この超塑性金属ダンパー１は、免震層を形成する上下の構造体４、５に対して超塑性金属体２を垂直（鉛直）に配置し、上下両端のリング状体３、３を直接構造体４、５へ取り付けて、地震等による水平力（外力）が超塑性金属体２へ剪断力として加えられ、超塑性金属体２に剪断変形が生ずるように使用される（図２を参照）。
【００１２】
リング状体３を利用することにより、上下の構造体４、５に対して通常の取付け方法を実施可能である。例えばリング状体３自体を取付け部に兼用して直接に、又はリング状体３へ別途取付け板などを設けて間接的に構造体４、５へ取り付ける手段などを種々実施できる。
【００１３】
図１の超塑性金属ダンパー１が、水平力Ｑを受けて図２のように剪断変形した場合、その水平弾性剛性Ｋは、超塑性金属の剪断弾性係数をＧ、超塑性金属体２の剪断面積をＡ、超塑性金属体２の高さをｈ、超塑性金属の降伏応力をτ_ｙとするとき、Ｋは概ね、Ｋ＝Ｇ・Ａ／ｈの式で求められる。
【００１４】
前記の負荷剪断力Ｑが、図３に示す特定の降伏点Ｑｙに達すると塑性変形δを生じ、振動に伴う正負の変形に従ってヒステリシスループを描いてエネルギー吸収が行われる。特に、この超塑性金属ダンパー１の場合は、従来の棒鋼ダンパーとは異なって、前記の塑性変形δは、図２に例示したように、超塑性金属体２の高さ方向には上下両端のリング状体３、３による拘束部位を除く全長（有効高さｈ）にわたりほぼ等しく剪断降伏するので、ダンパーとしての変形性能が大きく、ひいてはエネルギー吸収能力がすこぶる大きいことが特長である。
【００１５】
次に、図４〜図６は、請求項２記載の発明に係る超塑性金属ダンパーの実施形態を示している。
【００１６】
この超塑性金属ダンパーは、図１に示した実施形態の超塑性金属ダンパー１、即ち、亜鉛・アルミニウム合金（Ｚｎ・Ａｌ合金）の如く延性に富んだ超塑性金属を剪断変形が卓越する形状（高さ／直径の比が１以下）に加工してなる超塑性金属体２の両端を、前記超塑性金属よりも強度、剛性が大きい金属のリング状体３、３で拘束して成るものを１単位として、図４の場合は３単位（但し、設計上必要な複数の単位で可。）を一連に積層し接合して成る「長尺の超塑性金属ダンパーユニット１１」を基本として構成される。何故なら、図１に示す１単位の超塑性金属ダンパー１のみでは、超塑性金属体２を使用しているとはいえ、上下両端のリング状体３、３間の相対水平変位δはさして大きくはないからである。図４のダンパーユニット１１は、単純計算で３倍の相対水平変位量δを実現出来ることになる。
【００１７】
なお、図４に示す長尺の超塑性金属ダンパーユニット１１を製作する方法としては、単純に図１の超塑性金属ダンパー１を３個積層してそれぞれのリング状体３、３同士を相互に一連に接合する方法と、予め全長がＨの超塑性金属体２を用意して、これに間隔ｈをあけて４個のリング状体３を嵌めて拘束する方法などを適宜選択して実施できる。
【００１８】
図５は、上記のように構成した図４の長尺の超塑性金属ダンパーユニット１１を図６のように４個並立させ、隣接するダンパーユニット１１同士のリング状体３、３間を、強度、剛性が大きい形鋼のような梁状拘束部材１２で相互に連結して、少なくとも各リング状体３による拘束位置において曲げ変形を拘束された、長尺型で且つ複合型の超塑性金属ダンパーの実施例を示している。図４の長尺の超塑性金属ダンパーユニット１１は、その高さＨが高くなるのに比例して水平力による剪断変形が卓越してくる。そこで、各リング状体３による拘束位置において梁状拘束部材１２の剛性により曲げ変形の卓越を防止し、超塑性金属体２の実質的剪断変形を確保しているのである。
【００１９】
次に、図７は、上記第２実施形態の図４のように構成される長尺の超塑性金属ダンパーユニット１１においては、いずれかの単位の超塑性金属体２に変形が集中する場合のあることを考慮して、最上位のものを除く各リング状体３に、各単位の超塑性金属体２に一定大きさ以上の剪断変形が生ずることを規制する変形拘束ガイド１３が上向きに設けられている構成を特徴とする（請求項３記載の発明）。各単位の超塑性金属体２の剪断変形は、変形拘束ガイド１３が許容する限度の変形量に規制され、各単位が全体とし平均した大きさの剪断変形を生ずることになる。
【００２０】
なお、前記変形拘束ガイド１３を下向きに設ける場合は、最下位のものを除く各リング状体３に変形拘束ガイド１３が設置される。
【００２１】
【本発明が奏する効果】
請求項１〜３に記載した発明に係る超塑性金属ダンパーは、超塑性金属の塑性フローを利用するから、免震層の大きな層間変形に追従する変形性能に優れ、エネルギー吸収能力が大きく、大きな減衰性能を発揮するダンパーを提供出来る。その上、ダンパーの初期剛性、降伏耐力を任意に設計できる利点がある。
【００２２】
しかも、ダンパー形状が単純で設計、製作が容易であり、実装時の取付け方法や力の伝達方法を機械的に明快に実現できる利点もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１記載の発明の実施形態を示した立面図である。
【図２】上記ダンパーの変形性能の説明図である。
【図３】上記ダンパーの荷重−変形性能図である。
【図４】長尺化したダンパーユニットの立面図である。
【図５】請求項２記載の発明の実施形態を示した立面図である。
【図６】上記ダンパーの平面図である。
【図７】上記ダンパーの異なる実施例の立面図である。
【符号の説明】
１ 超塑性金属ダンパー
２ 超塑性金属体
３ リング状体
１１ 長尺のダンパーユニット
１２ 梁状拘束部材
１３ 変形拘束ガイド

Claims (3)

1. 亜鉛・アルミニウム合金（Ｚｎ・Ａｌ合金）の如く延性に富んだ超塑性金属を剪断変形が卓越する円柱形状に加工した超塑性金属体の上下の両端が、前記超塑性金属よりも強度、剛性が大きい金属で上下方向に一定の拘束幅を有する円筒形に製作したリング状体により、上下二つのリング状体の間の有効高さが、高さ／直径の比が１以下となるように拘束されて成り、
   上下の構造体の間に前記超塑性金属体が垂直に配置され、前記上下両端のリング状体を介して上下の構造体へ取り付けられ、前記上下両端のリング状体を介して地震等による水平外力が超塑性金属体に加えられ超塑性金属体の前記有効高さの範囲に剪断変形が生ずるように使用されることを特徴とする、超塑性金属ダンパー。
2. 亜鉛・アルミニウム合金（Ｚｎ・Ａｌ合金）の如く延性に富んだ超塑性金属を剪断変形が卓越する円柱形状に加工した超塑性金属体の上下の両端が、前記超塑性金属よりも強度、剛性が大きい金属で上下方向に一定の拘束幅を有する円筒形に製作したリング状体により、上下二つのリング状体の間の有効高さが、高さ／直径の比が１以下となるように拘束した構成を１単位とし、
   複数の単位を上下方向に一連に積層しリング状体で接合して成る長尺円柱形状の超塑性金属ダンパーユニットが複数、上下の構造体の間に前記超塑性金属体を垂直に配置され、上下両端のリング状体を介して上下の構造体へ取り付けて並立され、
   並立して隣接する超塑性金属ダンパーユニット同士のリング状体の間が、強度、剛性が大きい梁状拘束部材で水平方向に連結され、上下両端のリング状体を介して地震等による水平外力が超塑性金属体に加えられ超塑性金属体の前記有効高さの範囲に剪断変形が生ずるように使用され、各リング状体による拘束位置では超塑性金属体の曲げ変形が拘束されることを特徴とする、超塑性金属ダンパー。
3. 複数の単位を一連に積層し接合して成る長尺円柱形状の超塑性金属ダンパーユニットにおける各リング状体に、各単位の超塑性金属体に一定大きさ以上の剪断変形が生ずることを規制する変形拘束ガイドが設けられていることを特徴とする、請求項２に記載した超塑性金属ダンパー。

Images