JP4112728B2

JP4112728B2 - 弾塑性ダンパー、および耐震構造

Info

Publication number: JP4112728B2
Application number: JP03469199A
Authority: JP
Inventors: 茂光高井; 格英吉田
Original assignee: Nishimatsu Construction Co Ltd
Current assignee: Nishimatsu Construction Co Ltd
Priority date: 1999-02-12
Filing date: 1999-02-12
Publication date: 2008-07-02
Anticipated expiration: 2019-02-12
Also published as: JP2000234454A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、構造物に設置されて地震による振動エネルギーを吸収する弾塑性ダンパーと、これを用いる耐震構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、構造物の耐震性能を向上させるべく、鋼材からなる弾塑性ダンパーがよく用いられている。
図８には、従来用いられている鋼製の弾塑性ダンパーの一般的な例を示した。図８（ａ）の弾塑性ダンパー１００は、伸び能力の高い低降伏点を有する鋼材ブロックに、六角形の穴を形成したハニカムダンパーである。この弾塑性ダンパー１００は、構造物が地震により振動した場合、リブ部１０１の中央部分が塑性変形することによって振動エネルギーを吸収し、減衰させる。
また、同図（ｂ）の鋼製の弾塑性ダンパー２００は、鋼材ブロックの中央部分に、複数のスリットを形成し、それにより、リブ部２０１、２０１…を複数形成したものである。この弾塑性ダンパー２００においては、構造物が地震により振動した場合、一定の幅を有するように形成されている各リブ部２０１の上端および下端が塑性変形することによって振動エネルギーを吸収し、減衰させる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図８（ａ）、（ｂ）に示した弾塑性ダンパー１００、２００には、それぞれ次のような問題がある。
図８（ａ）の弾塑性ダンパー１００に用いる低降伏点鋼は、一般鋼材に比べて生産量が少なく、高価である上に、受注生産のため製作期間が長くなり工期の点で不都合が生じることがあるといった問題があった。
【０００４】
また、図８（ｂ）の弾塑性ダンパー２００では、振動により各リブ部２０１の上下端が、まず塑性変形してしまい、それによって中央部分は塑性変形しないまま、それ以上、振動エネルギーを吸収することができなくなってしまう。すなわち、塑性変形することによって振動エネルギーを減衰させることを目的とする弾塑性ダンパーでありながら、十分に塑性変形できない構造であり、鋼材の能力を十分に発揮できるものではなかった。
加えて、以上の理由により、減衰能力が小さいことから、必要な耐震効果を得るために、多数の弾塑性ダンパーを設置しなければならず、構造物によっては適さない場合もあった。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑み、安価で入手しやすく、また、高い減衰能力を有し、様々な構造物に適用可能な弾塑性ダンパーを提供することを目的とする。さらに、本発明は、このような弾塑性ダンパーを用いた耐震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】
以上の課題を解決すべく、請求項１に記載の発明は、
構造物に設置されて地震による振動エネルギーを吸収する弾塑性ダンパーにおいて、
ウェブ部とこのウェブ部をはさんで互いに対向する１組のフランジ部を有し、断面略コ字状の溝型鋼からなり、
前記１組のフランジ部の一方を上に、他方を下にして前記構造物に設置され、
前記ウェブ部には、水平方向に連続して孔あるいは切欠きが設けられ、
前記孔あるいは前記切欠きの間には、一定の幅を有する棒状の中央部から上下のフランジ部に向かって太くなるような形状である、塑性変形部が形成されていることを特徴とする。
【０００７】
請求項１に記載の弾塑性ダンパーによれば、ウェブ部とこのウェブ部をはさんで互いに対向する１組のフランジ部を有し、断面コ字状の溝型鋼からなる。このような溝型鋼は、一般的に多く利用されているので、安価で、しかも、容易に入手でき、工期の点においても、不都合が生じるようなことはない。
【０００８】
また、ウェブ部には、水平方向に連続して孔あるいは切欠きが設けられ、これら孔あるいは切欠きの間には、一定の幅を有する棒状の中央部から上下のフランジ部に向かって太くなるような形状である塑性変形部が形成されている。この形状であれば、この弾塑性ダンパーに地震によって振動が伝わった場合、棒状の中央部と上下端部の間の台形部分から塑性変形し始め、その変形が中央部にまで及び、塑性変形部全体が変形することによって、鋼材の力学的な特性を十分に発揮して、地震エネルギーを吸収することができる。
【０００９】
ここで、ウェブ部に設けられる孔や切欠きについては、ウェブ部の両端には切欠きを設け、それ以外の部分には孔を設ければよい。
その形状は、上記のような形状の塑性変形部が形成されるものであればよいが、たとえば、八角形の孔や、八角形の半分の大きさの切欠きが挙げられる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、
構造物に請求項１に記載の弾塑性ダンパーを設置することを特徴とする耐震構造である。
【００１１】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の弾塑性ダンパーは、安価で入手しやすいことから、コストの点において、各種構造物に適用しやすい耐震構造となる。
また、構造物に請求項１に記載の弾塑性ダンパーを設置することを特徴とする耐震構造であることから、その構造物が地震により振動した場合、弾塑性ダンパーの塑性変形部が十分に塑性変形することによって、地震エネルギーを吸収し、減衰させることから、十分な耐震効果が得られる。
また、減衰能力が高い弾塑性ダンパーを設置することから、設置する数が少なくて済み、多くの弾塑性ダンパーを設置しにくいような状況の構造物にも適用できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の弾塑性ダンパー、およびそれを用いた耐震構造について図面を参照しながら説明する。
【００１３】
図１は、本発明の弾塑性ダンパーの一例を示すもので、（ａ）は正面図、（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った断面図、（ｃ）は上または下から見た平面図である。図１において、１０は弾塑性ダンパー、１１は孔、１２はリブ部、３はフランジ部、１５は切欠きである。
【００１４】
弾塑性ダンパー１０は、図２に示すような断面形状がコ字状で、ウェブ部２とフランジ部３、３とからなる、溝型鋼１を機械加工して製造される。このような溝型鋼１は、一般鋼材として、しばしば用いられているものである。
すなわち、弾塑性ダンパー１０は、ウェブ部２に水平方向に連続して八角形の孔１１、１１と、ウェブ部２の両端に孔１１の半分の大きさの切欠き１５、１５を設けたものである。これにより、切欠き１５と孔１１の間、２つの孔１１、１１間に、一定の幅を有する棒状の中央部１２ａ（図４）から上下のフランジ部３、３に向かって太くなるような形状である、リブ部（塑性変形部））１２、１２、１２が、形成される。弾塑性ダンパー１０に外力が加わった場合、これらリブ部１２…全体が変形することにより、その外力を吸収することになる。
【００１５】
また、弾塑性ダンパー１０のフランジ部３、３それぞれには、図１（ｃ）に示すように、構造物の鉄骨梁等へ取り付けるためのボルト穴１４、１４、１４が、設けられている。したがって、フランジ部３、３を取付部として利用して、構造物の鉄骨梁や壁等に対して容易に取り付けることができる。
【００１６】
図３は、上記の弾塑性ダンパー１０、１０を構造物に設置した際の、耐震構造の一例を示すものである。図３において、２０は構造物、２１は柱、２２は梁、２３は壁を示す。
このように、弾塑性ダンパー１０、１０は、図３に示すように、前記ボルト穴１４…においてボルト（図示せず）によって、たとえば、壁２３、２３間に、固定されて設置される。
【００１７】
以上の弾塑性ダンパー１０およびこの弾塑性ダンパー１０を設置した耐震構造によれば、地震により構造物２０が振動した場合、棒状の中央部１２ａと上下端部の間の台形部分から塑性変形し始め、その変形が中央部１２ａにまで及び、最終的にはリブ部１２全体が変形することから、鋼材の物性を十分に生かして地震エネルギーを吸収し、高い減衰能力を発揮する。
しかも、高い減衰能力を有するということは、１つの構造物に設置する数も比較的少なくて済む。したがって、様々な構造物に利用することが可能であり、多くの弾塑性ダンパーを設置しにくい状況の構造物であっても、適用しやすい。
【００１８】
また、弾塑性ダンパー１０は、一般鋼材である溝型鋼１に簡単な機械加工を施すことにより得ることができるので、安価で、入手しやすく、工期の点でも不都合が生じることもない。
【００１９】
さらに、フランジ部３、３を取付部として利用しているので、溝型鋼全体を効率よく利用できる。
【００２０】
なお、上記実施の形態で、弾塑性ダンパー１０に設けられる孔や切欠きの具体的な形状は、八角形に限定されるものではなく、溝型鋼１に対する相対的な大きさや、設ける数も、適宜、変更可能である。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。
【００２２】
Ａ．降伏実験
溝型鋼（ＪＩＳＧ３１９２−１９７７に相当するもの）を加工して、図５に示す、弾塑性ダンパー２０を製造した。弾塑性ダンパー２０は、上下のフランジ部２３、２３の間のウェブ部に孔２１、２１…、及び切欠き２５、２５を開け、５本のリブ部２２、２２…を形成したものである。上下のフランジ部２３、２３にはそれぞれボルト穴２４、２４、２４が形成されている。
なお、図５中、矢印と共に示した数字は、長さをミリ（ｍｍ）単位で示したものである。
【００２３】
この弾塑性ダンパーを用いて次のようにして降伏実験を行った。
この降伏実験においては、２軸１０ｔ、３０ｔ動特性試験機（サギノミヤ製作所製）を用いた。
この試験機に図５の弾塑性ダンパー２０をフランジ部２３、２３が上下方向に位置するようにセットした。このとき、図５（ａ）に示すように、右端のリブ部２２の縁部を、上からイ〜リの９点マーキングした。試験前のこれら９点の左右方向の位置をそれぞれ０（ゼロ）位置とした。
【００２４】
この状態で試験を開始した。弾塑性ダンパー２０に対して上から一定の荷重（０．３ｔｆ）をかけた状態で、上下のフランジ部２３、２３を固定している試験機の面板を、それぞれ左右に互い違いの方向に、つまり、弾塑性ダンパー２０にせん断力がかかるように、所定の周期（０．００５Ｈｚ）で往復動作させた。このとき、前記イ〜リの９点それぞれの左右方向の位置を検出しながら、前記面板から弾塑性ダンパー２０に加える左右方向の力（せん断方向荷重）を少しずつ大きくしていった。
中央のホ点の位置から最も離れている、イ点、リ点が最も元の位置に対するずれ（ひずみ）が大きくなるが、これらの点のひずみが、約２０００マイクロ（μｍ）に達したときを降伏点とした。このときのせん断方向荷重は、２．１６ｔｆであった。この荷重をダンパーの降伏耐力とした。
また、ひずみが２０００マイクロに達した後も、そのまま試験を続け、リブ２２の１本が破断したところで、試験を止めた。このときまでの最大せん断方向荷重は、４．５９ｔｆであった。
この試験の結果、弾塑性ダンパー２０の降伏耐力は２．１６ｔｆであり、十分実用に耐え得るものであった。
【００２５】
Ｂ．計算上の実験
本発明の弾塑性ダンパーのリブ部と、従来の図８（ｂ）で示したような一定の幅で形成されているリブ部の特性を計算により求め、比較した。計算に用いた、モデルの形状は、図６に示すもので、（ａ）は本発明の弾塑性ダンパーのリブ部の形状を示したもので、（ｂ）（ｃ）は従来用いられている一定の幅のリブ部の形状を示したものである。
計算は、弾性力学理論に基づいて行った。
この計算においては、ダンパーとして用いる鋼材を、厚さ８ｍｍ、ヤング率（Ｅ）＝２０５２（ｔｆ／ｃｍ２）、剛性率（Ｇ）＝８１０（ｔｆ／ｃｍ２）、降伏応力度＝３．２（ｔｆ／ｃｍ２）であると、仮定した。
そして、図６に示す矢印方向（せん断方向）に力を加えたときの、降伏耐力、初期剛性を求め、さらに、降伏耐力／初期剛性を降伏変位として求めた。
この結果について、図６（ａ）は実施例、（ｂ）（ｃ）はそれぞれ比較例１、２として、図７に示した。
【００２６】
図７の表より、実施例の形状は、比較例１より、降伏耐力、初期剛性ともに高く、弾塑性ダンパーとして有利である。
比較例２は、降伏耐力に関して、実施例に合わせるため、リブ部の幅を比較例１よりも広げたものである。この場合、初期剛性は、実施例より高いが、板厚に対しリブ部全体の幅が大きいため、曲げねじれ座屈を起こす可能性が高い。本発明の弾塑性ダンパーは、リブ部の形状を工夫することにより、曲げねじれ座屈を防止し安定した性能を得ることができるため、比較例2より弾塑性ダンパーとして有利である。
【００２７】
また、この計算により、それぞれのリブ部における塑性変形域の中心は図６中の○印を付した部分であることが分かった。
実施例については、台形部分の中央部に塑性域が生じ、載荷を繰り返すと塑性変形域が台形全体に広がっていき、やがて、リブ部中央部の一定の幅の部分にまで、変形が及び、エネルギー吸収量が大きいことが明らかになった。
一方、比較例１、２では、塑性域はリブ部の端部であり、ここに生じた塑性域は載荷を繰り返しても、あまり広がらず、エネルギー吸収量が、実施例に比較して小さいことが分かった。
【００２８】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、一般的に多く利用されている溝型鋼を加工して得られることから、安価で、しかも、容易に入手でき、工期の点においても、不都合が生じることはない。
また、ウェブ部には、水平方向に連続して孔あるいは切欠きが設けられ、これら孔あるいは切欠きの間には、一定の幅を有する棒状の中央部から上下のフランジ部に向かって太くなるような形状である塑性変形部が形成されている。この形状であれば、この弾塑性ダンパーに地震によって振動が伝わった場合、棒状の中央部と上下端部の間の台形部分から塑性変形し始め、その変形が中央部にまで及び、塑性変形部全体が変形することから、鋼材の力学的な特性を十分に発揮して、地震エネルギーを吸収することができる。
【００２９】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の弾塑性ダンパーは、安価で入手しやすいことから、コストの点において、各種構造物に適用しやすい耐震構造となる。
また、構造物に請求項１に記載の弾塑性ダンパーを設置することを特徴とする耐震構造であることから、その構造物が地震により振動した場合、塑性変形部全体が塑性変形することによって、地震エネルギーを吸収し減衰させることから、十分な耐震効果が得られる。
また、減衰能力が高い弾塑性ダンパーを設置することから、設置する数が少なくて済み、多くの弾塑性ダンパーを設置しにくいような状況の構造物にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の弾塑性ダンパーの一例を示すものである。
【図２】図１の弾塑性ダンパーを製造するために用いた溝型鋼を示すもので、（ａ）は正面図、（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った断面図である。。
【図３】図１の弾塑性ダンパーを構造物に設置した場合の、耐震構造を示す断面図である。
【図４】構造物に設置されている弾塑性ダンパーが、変形した状態を示す、正面図である。
【図５】本発明の実施例で用いた弾塑性ダンパーを示したもので、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は上下方向から見た平面図である。
【図６】本発明の実施例で計算上の実験で用いた形状モデルを示したもので、（ａ）は本発明の弾塑性ダンパーの形状モデル、（ｂ）および（ｃ）は比較例の弾塑性弾塑性ダンパーの形状モデルを示したものである。
【図７】実施例、比較例１および２の計算結果を表す、図表である。
【図８】従来の鋼製の弾塑性ダンパーの例を示す、正面図である。
【符号の説明】
１溝型鋼
２ウェブ部
３フランジ部
１０、２０弾塑性ダンパー
１１、２１孔
１２、２２リブ部（塑性変形部）
１２ａ中央部
１４、１４、１４、２４、２４、２４ボルト穴
１５、２５切欠き

Claims

構造物に設置されて地震による振動エネルギーを吸収する弾塑性ダンパーにおいて、
ウェブ部とこのウェブ部をはさんで互いに対向する１組のフランジ部を有し、断面略コ字状の溝型鋼からなり、
前記１組のフランジ部の一方を上に、他方を下にして前記構造物に設置され、
前記ウェブ部には、水平方向に連続して孔あるいは切欠きが設けられ、
前記孔あるいは前記切欠きの間には、一定の幅を有する棒状の中央部から上下のフランジ部に向かって太くなるような形状である、塑性変形部が形成されていることを特徴とする弾塑性ダンパー。
構造物に請求項１に記載の弾塑性ダンパーを設置することを特徴とする耐震構造。