JP4181680B2

JP4181680B2 - 制震ブレースダンパー及びそれに用いるエネルギー吸収体とこれの設計方法

Info

Publication number: JP4181680B2
Application number: JP04030099A
Authority: JP
Inventors: 実則栗山; 慶治安藤; 祐史山本; 照卓小崎; 恭士奥谷; 清三郎東
Original assignee: Nippon Steel Corp; Nippon Steel Engineering Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp; Nippon Steel Engineering Co Ltd
Priority date: 1998-11-02
Filing date: 1999-02-18
Publication date: 2008-11-19
Anticipated expiration: 2019-02-18
Also published as: JP2000199279A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、鉄骨構造物等のブレース（筋かい）部分に設けられて地震時や強風下の振動エネルギーを吸収するための剪断変形型の制震ブレースダンパーの改良に関する。前記の剪断変形型のダンパーとは、地震時等に板部材（エネルギー吸収板）に主として剪断作用を付与させることにより振動エネルギーを吸収するものである。
【０００２】
また、他の発明におけるエネルギー吸収体は、前記の制震ブレースダンパーに用いられるもので、そのブレースダンパーの主要部を構成する。
【０００３】
【従来の技術】
従来のこの種の剪断変形型のダンパーとしては、例えば、特開平２−３００４７６号公報に開示されたものを挙げることができる。
【０００４】
同公報に示されたものは、ダンパー本体が、２枚のベースプレートを有し、前記ベースプレート間に板状に形成された振動エネルギー吸収格子をベースプレート間を接続する形で１個以上備え、前記振動エネルギー吸収格子にスリットを介してエネルギー吸収部分をベースプレート方向に複数個有しており、ダンパー本体はフレームを介して構造物の骨組に取り付けられて構成されている。
【０００５】
しかしながら、前記公報に開示された従来の剪断変形型のダンパーにはなお改善されるべき問題点が見られる。すなわち、一つには、フレームを含む全体構造が極めて大形であるため、柱や梁が構成する構造物の骨組付近の空間の有効利用については支障を来たすことであり、他の一つには、振動エネルギー吸収格子の形状が複雑であるため、その製作には切削加工等を要し、コスト高になることである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この発明の制震ブレースダンパー及びそれに用いるエネルギー吸収体は、ダンパー全体を小形化し、ダンパー近傍の空間を有効利用できるようにすると共に、その製作においてコストダウンを計ることを目的として提案されたものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の請求項１に係る制震ブレースダンパーは、間隔を隔てて対向して設けられる横断面Ｈ形の一対のブレース主材の間に、３段のフランジ部分とそれらフランジ部分と直角をなして連続する２段のウエブ部分とをその横断面形状が「王」字状をなすように形成したエネルギー吸収体を配設し、前記一方のブレース主材のウエブにはフランジ状の中間取付板が固設されており、一方のブレース主材の中間取付板とエネルギー吸収体の中フランジ部分との間及び、他方のブレース主材の２枚のフランジとエネルギー吸収体の外フランジ部分との間をそれぞれ任意数のスプライスプレートを介してボルト結合させ、更に、ブレース主材の軸線方向において、エネルギー吸収体のウエブ部分の前・後端と一対のブレース主材の内端との間にはそれぞれ逃がし用の間隙を設けたことを特徴とする。
【０００９】
また、請求項２の制震ブレースダンパーは、横断面Ｈ形のブレース主材と任意形状のブレース副材とが直交配置され、その交点部に、３段のフランジ部分とそれらフランジ部分と直角をなして連続する２段のウエブ部分とをその横断面形状が「王」字状をなすように形成したエネルギー吸収体を配設し、前記ブレース主材のウエブにはフランジ状の中間取付板が固設されており、ブレース主材の中間取付板とエネルギー吸収体の中フランジ部分との間はスプライスプレートを介してボルト結合させ、上記ブレース副材とエネルギー吸収体の２枚の外フランジ部分との間はボルト結合させ、更に、ブレース主材の軸線方向において、エネルギー吸収体のウエブ部分とブレース主材の対向端部との間には逃がし用の間隙を設けたことを特徴とする。
【００１０】
更に、この発明の請求項３に係るエネルギー吸収体は、請求項１又は２記載の制震ブレースダンパー用のものであり、３段のフランジ部分とそれらフランジ部分と直角をなして連続する２段のウエブ部分とをその横断面形状が「王」字状をなすように形成したことを特徴とする。
【００１１】
それに加えて、請求項４又は５に係るエネルギー吸収体又は制震ブレースダンパーは、ウエブ部分に開口を設けたことを特徴とする。
【００１２】
また、請求項６における、請求項１記載の制震ブレースダンパーの設計方法は、横断面Ｈ形のブレース主材の断面形状を決定するにあたり、制震ブレースダンパーを設置したフレームを対象に、ブレース主材の断面積をパラメータとした静的解析または動的解析を行い、想定する外力が作用した時に制震ブレースダンパーに働く軸力を算定し、該軸力が収束し始める断面積をもとに決定する事を特徴とする。
【００１３】
また、請求項７における、請求項１記載の制震ブレースダンパーの設計方法は、横断面「王」字状のエネルギー吸収体のウエブ部分のフランジ面に平行な断面の形状を決定するにあたり、制震ブレースダンパーを設置したフレームを対象に、静的解析または動的解析を行い、想定する外力が作用した時に制震ブレースダンパーに働く軸力を算定し、該軸力の１０〜３０％の軸力が作用した場合に各エネルギー吸収体のウエブ部分が塑性化し、エネルギー吸収を開始するように構成する事を特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に示す７つの実施形態に基づいてこの発明について説明する。図１〜図４はこの発明の第１実施形態の制震ブレースダンパーを、図５〜図７は同じく第２実施形態の制震ブレースダンパーを、図８は同じく第３実施形態〜第５実施形態を、図９及び図１０は同じく第６実施形態を、図１１、図１２は第７実施形態の制震ブレースダンパー又はエネルギー吸収体をそれぞれ表わしている。これらの各実施形態において、同一の符号で指し示す部材ないし部位は相互に等効の部材ないし部位を示している。
【００１５】
図１は、鉄骨構造物その他の構造物に対し、２組の本発明の制震ブレースダンパーが装着されている例を示している。同図で符号１は柱、２は梁、３は本発明の制震ブレースダンパーにおける対をなすブレース主材、４は制震ブレースダンパーの一部をなすエネルギー吸収体をそれぞれ示している。
【００１６】
図１〜図４に示す第１実施形態において、ブレース主材３，３はエネルギー吸収体４を中間部に配置し、柱１と梁２とで成る構造物の骨組の隅角部に掛け渡して固定してあるが、本発明の制震ブレースダンパーは構造物の筋かい部分に設けるならば、どのように組み込んでもよい。基本的には、この制震ブレースダンパーは柱と梁との間又は、梁と梁との間に傾斜させて設けるのが普通である。
【００１７】
１本の直線軸ｌ上に間隔を隔てて対向して設けられる横断面Ｈ形の一対のブレース主材３，３は、例えばＨ形鋼等で作られており、その間には、３段のフランジ部分４１，４２，４１とウエブ部分４３とで横断面「王」字状に形成されたエネルギー吸収体４が配置される。エネルギー吸収体４におけるウエブ部分４３は剪断作用のためのパネル部分を構成する。
【００１８】
エネルギー吸収体４は鋼鉄，軟鋼鉄，アルミニウムその他の金属材料で製作するのが普通である。「王」字状のエネルギー吸収体４は、図４（ａ），（ｂ）に示すように３段のフランジ部分４１，４２，４１と２段のウエブ部分４３，４３とを溶接等で接合して形成してもよいし、図示はしないが全体を一体として成形することもできる。
【００１９】
接合タイプのエネルギー吸収体４においては、例えば、フランジ部分４１，４２を鋼鉄とし、ウエブ部分４３を極軟鋼として製作することもできる。
【００２０】
要するに、エネルギー吸収体４において、フランジ部分４１，４２及びウエブ部分４３は、材質又は硬度が互いに異なっていても同一であってもよい。
【００２１】
そして、上記の対をなすブレース主材３，３の内、一方のブレース主材３におけるウエブ３２の幅方向の中間部、すなわち両フランジ３１，３１の中間部には、予め両側に向けフランジ状に延びる中間取付板３３が溶接等により固設してあり、一方のブレース主材３の中間取付板３３とエネルギー吸収体４の中フランジ部分４２との間及び、他方のブレース主材３の２枚のフランジ３１とエネルギー吸収体４の２枚の外フランジ部分４１との間はそれぞれ任意数のスプライスプレート５を介してボルト結合させてある。
【００２２】
鋼板等で作られるスプライスプレート５は、それを２枚１組として、一方のブレース主材３の中間取付板３３とエネルギー吸収体４の中フランジ部分４２及び他方のブレース主材３のフランジ３１とエネルギー吸収体４の外フランジ部分３１の接続部をそれぞれ挟み付けるようにして、それらの重合部をボルト結合手段６で締着結合させる。各ボルト結合手段６は、例えばボルトとナットの組又はボルトとスプライスプレート５に設けた雌ねじ孔の組等で成る。
【００２３】
更に、ブレース主材３，３の軸線方向ｌにおいて、エネルギー吸収体４のウエブ部分４３の前・後端と一対のブレース主材３，３の内端との間にはそれぞれ逃がし用の間隙Ｓを設けるものとする。この間隙Ｓは、地震時等の構造物の変形に伴ってブレース主材３，３からエネルギー吸収体４に対し該ブレース主材３の軸線方向（長さ方向）について引張力又は圧縮力が付与された際、エネルギー吸収体４のウエブ部分４３がブレース主材３のウエブ３２に初期の段階で衝突することを避けられるようにしたもので、この構成により、エネルギー吸収体４のウエブ部分４３は、スムーズな剪断作用を通じ効率的にエネルギーの吸収が達成されることになる。
【００２４】
上述のブレース主材３における軸線方向ｌの外端側は構造物の柱１又は梁２に対し任意の手段で固定することができる。その固定手段の一例としては、図示はしないが、構造物に固設した取付板に対しボルト及びナットを用いて締着する手段を挙げることができる。
【００２５】
次に、本発明に係る第１実施形態の制震ブレースダンパーの作用について図２及び図３を参照して説明する。
図２はブレースダンパーの常態を示しており、図３は地震等により構造物における柱及び梁で成る骨組に変形を生じ、ブレースダンパーに引張力が作用した状態を示している。
【００２６】
ブレースダンパーに引張力が作用すると、一方のブレース主材３の中間取付板３３に中フランジ部分４２が取り付けられ、かつ、他方のブレース主材３のフランジ３１，３１に外フランジ部分４１，４１が取り付けられたエネルギー吸収体４の矩形をなすウエブ部分４３は、図３においてＶ字状をなすようにして弾性変形の領域又は塑性変形の領域で剪断的に変形し、ここに、地震や風から付与される振動エネルギーが吸収される。
【００２７】
図示はしないが、ブレースダンパーに圧縮力が作用すると、エネルギー吸収体４の矩形をなす部分４３は、上述の作用に準じて逆Ｖ字状に変形し、同様に地震や風から付与される振動エネルギーが吸収される。
【００２８】
図５〜図７に示す第２実施形態の制震ブレースダンパーにおいては、横断面Ｈ形のブレース主材３と任意形状のブレース副材７とが直交配置され、その交点部に、横断面「王」字状のエネルギー吸収体４が配設連結されている。
【００２９】
前記ブレース主材３におけるウエブ３２には、第１実施形態のものと同様、中間取付板３３が溶接等により固設してあり、ブレース主材３の中間取付板３３とエネルギー吸収体４の中フランジ部分との間は任意数のスプライスプレート５を介してボルト結合６させてある。
【００３０】
他方、エネルギー吸収体４に連接されるブレース副材７は例えばブレース主材３と直角をなすようにして構造物の柱１と梁２の隅角部に装着固定される。ブレース副材７は例えば一対１組の横断面Ｈ形の形鋼等で成り、各ブレース副材７の内端とエネルギー吸収体４の各外フランジ部分４１との間はボルト結合６させてある。
【００３１】
更に、ブレース主材３の軸線方向において、エネルギー吸収体４のウエブ部分４３とブレース主材３の対向端部との間には逃がし用の間隙Ｓを設けるものとする。
【００３２】
なお、上述のブレース主材３の外端側及びブレース副材７の外端側は構造物の柱１又は梁２に対し任意の手段で固定することができる。図５及び図６で符号８は構造物に固設した取付板、７１はブレース副材７に溶接したベースプレートである。第２実施形態の制震ブレースダンパーの作用は上述の第１実施形態のものに準ずる。特にブレース主材３を長尺に構成した場合には、エネルギー吸収体はブレース主材３の中間部でなくその端部においてブレース構面外に対する剛性を確保するのが好ましく、第２実施形態は、このようなブレース主材３が長尺の場合における制震ブレースダンパーの構成に適している。
【００３３】
次に、図８（ａ）〜（ｃ）の第３実施形態、図８（ｄ）の第４実施形態及び図８（ｅ）の第５実施形態の制震ブレースダンパーについて説明する。これら第３実施形態〜第５実施形態のものにおいては、エネルギー吸収体４のウエブ部分４３に任意数の開口４４が形成してある。この開口４４の数や形状や位置を変えることにより、ウエブ部分４３の剪断変形によるエネルギーの吸収量に関し設計上任意に増減できることは言うまでもない。
【００３４】
第３実施形態の開口４４は列設された長孔であり、第４実施形態の開口４４は千鳥状に配された円孔であり、第５実施形態の開口４４はＸ字状の孔としてある。
なお、第３実施形態〜第５実施形態の制震ブレースダンパーの作用は上述した第１実施形態のものに準ずる。
【００４４】
図９，図１０は、請求項６に対応する第６実施形態を説明する図である。図９に示すように、柱１と梁２の間に制震ブレースダンパー３を組み込んだフレーム（建物）を対象に、ブレース主材の断面形状（断面積）をパラメータとした静的解析または動的解析を行った。解析前提は、ブレース主材の断面積は全て同様、エネルギー吸収体の断面積は任意でよい、フレームを構成する全ての部材は完全弾性体とする、ものとし、想定する外力が作用した時に制震ブレースダンパーに働く軸力を算定し、該軸力が収束しはじめる断面積をもとに、断面形状を選定した。
【００４５】
図１０は前述のフレームを対象に一次設計用地震力を想定して静的解析を行なった場合の軸力−断面積関係である。このシミュレーション結果によると、ブレース主材の断面積２００ｃｍ²以上になると軸力は収束しており、ＨＷ４１４（断面積２９５．４ｃｍ²）やＨＷ４２８（断面積３６０．７ｃｍ²）などが好適であることが確認された。
【００４６】
図１１，図１２は、請求項７に対応する第７実施形態を説明する図である。第７実施形態では、第６実施形態にて断面形状を決定したブレース主材３を組み込んだフレーム（建物）を対象に、静的解析および動的解析を行った。解析前提は、エネルギー吸収体の断面積は任意とする。フレームを構成する全ての部材は完全弾性体とする、ものとし、想定する外力が作用した時に制震ブレースダンパーに働く軸力を算定し、該軸力の１０〜３０％の軸力が作用した場合に、各エネルギー吸収体４のウエブ部分が塑性化し、エネルギー吸収を開始するように当該エネルギー吸収体４の軸線方向耐力を決定する。それをもとにウエブ部分の断面形状を使用する材料の強度をもとに選定した。
【００４７】
図１２は、前述のフレーム（建物）を対象に、地震波をElCentro（ＮＳ方向）、地表面最大加速度は３００（gal)を想定して動的解析を行なった結果を一例に示している。このシミュレーション結果によると、エネルギー吸収体の軸線方向耐力は、部材を完全弾性体とした時にブレースダンパーに働く軸力の２０％が好適であることが確認された。
【００４８】
【発明の効果】
以上に説明したこの発明の制震ブレースダンパー及びそれに用いるエネルギー吸収体によれば、次に示すような効果が達成される。
【００４９】
この発明の制震ブレースダンパー及びそれに用いるエネルギー吸収体は、いずれも新規な構成のものとして提案されており、しかも全体は小形化され、それらが組み付けられる構造物の骨組における空間は有効利用されることになる。剪断作用のためのパネル部分であるエネルギー吸収体のウエブ部分は単なる平板体であるから、その製作においてコストダウンが計れ、振動エネルギーの吸収量についての設計の変更は、エネルギー吸収体のウエブ部分の材質、大きさ（長さや厚さ等）又はそれに形成される開口を変えるだけで容易に行うことができる。
ブレース主材又は、ブレース副材としては市販のＨ形鋼を用いることができるので、低価格にして容易に供給できる。
エネルギー吸収体はブレース主材、ブレース副材又はブレース主材にボルト結合されているので、エネルギー吸収体のウエブ部分が塑性変形したり損傷した場合は、容易に交換することができる。本発明による制震ブレースダンパーを適用することによって、従来フレームに比して地震時の最大応答水平変位が６割〜７割に低減する。さらに、大地震に対しては、従来のフレームでは柱および梁の一部に許容応力度を上回る外力が作用する場合でも、本発明の制震ブレースダンパーを適用することによって、当該制震ブレースダンパーが振動エネルギーを吸収するので、全ての部材が許容応力度以内となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る第１実施形態の制震ブレースダンパーの使用態様を示す側面図。
【図２】図１のブレースダンパーの要部を常態において示す拡大側面図。
【図３】図１のブレースダンパーの要部を振動エネルギー吸収の作用状態で示す拡大側面図。
【図４】（ａ）は図１のブレースダンパーから取り外したブレース主材及びエネルギー吸収体の拡大斜視図、（ｂ）は図１のブレースダンパーの要部における拡大横断面図。
【図５】この発明に係る第２実施形態の制震ブレースダンパーの使用態様を示す側面図。
【図６】図５のブレースダンパーの要部を示す拡大側面図。
【図７】（ａ）は図６のVIIA−VIIA線による部分断面図、（ｂ）は図６VIIB−VIIB線による部分断面図。
【図８】（ａ）はこの発明に係る第３実施形態の制震ブレースダンパーの要部を示す側面図、（ｂ）はその横断面図、（ｃ）はそのブレースダンパーから取り外したエネルギー吸収体の側面図、（ｄ）はこの発明の第４実施形態の制震ブレースダンパーから取り外したエネルギー吸収体の側面図、（ｅ）はこの発明の第５実施形態の制震ブレースダンパーから取り外したエネルギー吸収体の側面図。
【図９】第６実施形態を説明するために制震ブレースダンパーを取付けたフレーム（建物）の側面図。
【図１０】図９のフレームを対象に一次設計用地震力を想定して静的に行った場合の軸力−断面積関係を示すグラフの図。
【図１１】図９，図１０に基づくブレースダンパーを組込んだフレームに想定する外力が作用した時の状況を示す説明図。
【図１２】図１１のフレームを対象に、複数の地震波を想定して動的解析を行った結果を示すグラフの図。
【符号の説明】
１柱
２梁
３ブレース主材
３１フランジ
３２ウエブ
３３中間取付板
４エネルギー吸収体
４１外フランジ部分
４２中フランジ部分
４３ウエブ部分
４４開口
５スプライスプレート
６ボルト結合手段
６１ボルト孔
７ブレース副材
７１止め板
８ベースプレート
Ｓ間隙

Claims

間隔を隔てて対向して設けられる横断面Ｈ形の一対のブレース主材の間に、３段のフランジ部分とそれらフランジ部分と直角をなして連続する２段のウエブ部分とをその横断面形状が「王」字状をなすように形成したエネルギー吸収体を配設し、前記一方のブレース主材のウエブにはフランジ状の中間取付板が固設されており、一方のブレース主材の中間取付板とエネルギー吸収体の中フランジ部分との間及び、他方のブレース主材の２枚のフランジとエネルギー吸収体の外フランジ部分との間をそれぞれ任意数のスプライスプレートを介してボルト結合させ、更に、ブレース主材の軸線方向において、エネルギー吸収体のウエブ部分の前・後端と一対のブレース主材の内端との間にはそれぞれ逃がし用の間隙を設けたことを特徴とする制震ブレースダンパー。
横断面Ｈ形のブレース主材と任意形状のブレース副材とが直交配置され、その交点部に、３段のフランジ部分とそれらフランジ部分と直角をなして連続する２段のウエブ部分とをその横断面形状が「王」字状をなすように形成したエネルギー吸収体を配設し、前記ブレース主材のウエブにはフランジ状の中間取付板が固設されており、ブレース主材の中間取付板とエネルギー吸収体の中フランジ部分との間はスプライスプレートを介してボルト結合させ、上記ブレース副材とエネルギー吸収体の２枚の外フランジ部分との間はボルト結合させ、更に、ブレース主材の軸線方向において、エネルギー吸収体のウエブ部分とブレース主材の対向端部との間には逃がし用の間隙を設けたことを特徴とする制震ブレースダンパー。
３段のフランジ部分とそれらフランジ部分と直角をなして連続する２段のウエブ部分とをその横断面形状が「王」字状をなすように形成したことを特徴とする請求項１又は２記載の制震ブレースダンパー用のエネルギー吸収体。
エネルギー吸収体のウエブ部分に開口を形成したことを特徴とする請求項１又は２記載の制震ブレースダンパー。
ウエブ部分に開口を形成したことを特徴とする請求項３記載のエネルギー吸収体。
横断面Ｈ形のブレース主材の断面形状を決定するにあたり、制震ブレースダンパーを設置したフレームを対象に、ブレース主材の断面積をパラメータとした静的解析または動的解析を行い、想定する外力が作用した時に制震ブレースダンパーに働く軸力を算定し、該軸力が収束し始める断面積をもとに決定することを特徴とする請求項１記載の制震ブレースダンパーの設計方法。
横断面「王」字状のエネルギー吸収体のウエブ部分のフランジ面に平行な断面の形状を決定するにあたり、制震ブレースダンパーを設置したフレームを対象に、静的解析または動的解析を行い、想定する外力が作用した時に制震ブレースダンパーに働く軸力を算定し、該軸力の１０〜３０％の軸力が作用した場合に各エネルギー吸収体のウエブ部分が塑性化し、エネルギー吸収を開始するように構成することを特徴とする請求項１記載の制震ブレースダンパーの設計方法。