JP4660722B2 - 制振装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム合金（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金等）等の金属の塑性特性を利用した制振装置に係り、特に、Ｓ字形状をなすＳ字ダンパを使用することにより優れた制振効果を得ることができるように工夫したものに関する。

金属の塑性特性を利用した金属ダンパを開示するものとして、例えば、特許文献１、特許文献２等がある。

特開２００１−１４０９６５号公報 特開２００３−２７７６６号公報

上記特許文献１、特許文献２に開示されている金属ダンパは、例えば、上側構造体と下側構造体の間に、支持体を介して塑性を有する金属体を配置したものである。そして、上記塑性を有する金属体の塑性変形を利用して振動エネルギを吸収しようとするものである。

上記従来の構成によると次のような問題があった。
すなわち、従来の金属ダンパは、単にブロック状のものを設置しただけであり、高い制振効果を得る上では決して十分な構成であるとはいえなかった。
又、従来の金属ダンパは、ある種の塑性を有する金属体を使用しただけの構成であり、その場合、その塑性を有する金属体からなる金属ダンパの剛性、降伏点等については、その塑性を有する金属体が有する履歴特性によって一義的に決定されてしまい、そのため、金属ダンパとしての効果には限界があると共に適用範囲が限定されてしまうという問題があった。
より具体的に説明すると、例えば、大きな降伏点を備えた単一の材料から金属ダンパを構成した場合には、地震により発生した振動エネルギによる荷重がその降伏点を越えない限りは金属ダンパが塑性変形することはない。したがって、それまでは地震によって発生した振動エネルギは吸収されることはなく建築物に作用してしまうことになる。
逆に、例えば、小さな降伏点を備えた単一の材料から金属ダンパを構成した場合には、地震により発生した振動エネルギによる荷重がその降伏点を越えることにより金属ダンパが早々に塑性変形する。それによって、地震によって発生した振動エネルギは吸収されることになる。しかしながら、それ以上の振動エネルギが作用することに対しては最早何等ダンパ機能を発揮することができなくなってしまうものである。

本発明はこのような点に基づいてなされたものでその目的とするところは、その形状を工夫することにより優れた制振効果を発揮することができる制振装置を提供することにある。

上記目的を達成するべく本願発明の請求項１による制振装置は、構造物の任意箇所に配置されＳ字形状をなす１個又は複数個のＳ字ダンパから構成され所定の制振機能を発揮し、上記Ｓ字ダンパは点対称の形状になっていて中心点と両端の支点とそれぞれの頂点を備えていて、上記中心点から頂点までの寸法と両端の支点から頂点までの寸法が等しく設定されていて、上記中心点からの両端までのＹ方向寸法は共に（ｌ _１ ）であり、上記中心点から各頂点までのＸ方向寸法は共に（ｌ _２ ）であり、上記Ｙ方向寸法（ｌ _１ ）と上記Ｘ方向寸法（ｌ _２ ）は等しく設定されていることを特徴とするものである。
又、請求項２による制振装置は、請求項１記載の制振装置において、上記Ｓ字ダンパは両端と中心位置にピン孔を備えていて、これらピン孔を介して隣接・配置された別のＳ字ダンパに連結されるものであることを特徴とするものである。
又、請求項３による制振装置は、請求項１記載の制振装置において、構造物の任意箇所に複数個のＳ字ダンパを連結・設置したことを特徴とするものである。
又、請求項４による制振装置は、請求項３記載の制振装置において、上記複数個のＳ字ダンパは夫々異なる履歴特性を備えていて、連結・設置されることにより全体として任意の新たな履歴特性を備えるものとして構成されたことを特徴とするものである。
又、請求項５による制振装置は、請求項４記載の制振装置において、降伏点が異なる複数種類のＳ字ダンパを組み合わせることにより複数個の降伏点を有する任意の新たな履歴特性を備えるものとして構成されたことを特徴とするものである。
又、請求項６による制振装置は、請求項５記載の制振装置において、降伏点が小さなＳ字ダンパから降伏点が大きなＳ字ダンパを順次組み合わせることにより複数個の降伏点を有する任意の新たな履歴特性を備えるものとして構成されたことを特徴とするものである。
又、請求項７による制振装置は、請求項１〜請求項６の何れかに記載の制振装置において、上記Ｓ字ダンパはアルミ合金製であることを特徴とするものである。

以上述べたように本願発明による制振装置は、構造物の任意箇所に配置されＳ字形状をなす１個又は複数個のＳ字ダンパから構成され所定の制振機能を発揮するように構成されているので、効果的な制振機能を発揮することができ、特に、Ｓ字形状をなしているので、剛性と耐力を任意に設定することができ、且つ、その履歴減衰によって地震による振動エネルギを効果的に吸収して構造物への影響を軽減させることができる。又、Ｘ、Ｙ両方向から作用する地震に対して降伏する箇所が略全長にわたることになり、疲労による繰り返しを分散させることができる。そして、構造物に過度な荷重が作用することを防止することができ、それによって、構造物の健全性の維持を図ることができる。
尚、本発明による制振装置は、１個のＳ字ダンパによって構成する場合もあれば、複数個のＳ字ダンパによって構成する場合もある。
又、上記Ｓ字ダンパは点対称の形状になっていて、且つ、中心点からの各Ｘ方向寸法と各Ｙ方向寸法が等しくなるように設定した場合には、上記効果をより高めることができる。
又、上記Ｓ字ダンパの両端と中心位置にピン孔を設けて、これらピン孔を介して隣接・配置された別のＳ字ダンパに連結されるように構成した場合には、Ｓ字ダンパを複数個使用する場合に好都合である。
又、構造物の任意箇所に複数個のＳ字ダンパを連結・設置し、その際、上記複数個のＳ字ダンパは夫々異なる履歴特性を備えていて、連結・設置されることにより全体として任意の新たな履歴特性を備えるものとして構成するようにした場合には、任意の履歴特性を備えた制振装置を容易に得ることができる。
又、上記Ｓ字ダンパをアルミ合金製とした場合には、優れた制振効果を得ることができると共に加工も容易である。

以下、図１乃至図８を参照して本発明の一実施の形態を説明する。図１は本実施の形態による制振装置を構成するＳ字ダンパ１の構成を模式的に示す図である。Ｓ字ダンパ１は、図示するように、文字通りＳ字形状をなしている。また、上記Ｓ字ダンパ１の両端にはピン支点３、５が設けられていて、又、中心位置が中心点７、夫々の湾曲部の頂点位置が頂点９、１１となっている。

又、上記Ｓ字ダンパ１は、中心点７を中心にして点対称の形状に形成されている。又、Ｘ方向の寸法とＹ方向の寸法をみてみると、次の式（Ｉ）に示すような関係が成立している。
ｌ_１＝ｌ_２---（Ｉ）
但し、
ｌ_１：中心点７とピン支点３、５とのＹ方向距離
ｌ_２：中心点７と頂点９、１１とのＸ方向距離

上記のような構成とすることにより、Ｘ方向とＹ方向の剛性と耐力を同じにすることができる。又、Ｘ方向から荷重が作用した場合には中心点７が降伏することになり、Ｙ方向から荷重が作用した場合には頂点９、１１が降伏することになる。そして、地震により作用する荷重の方向は任意であり、よって、一回の地震に対して降伏する箇所が略全長にわたることになる。それによって、疲労による繰り返しを分散させることができるものである。

又、本実施の形態による上記Ｓ字ダンパ１はアルミ合金（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金等）製である。
尚、アルミ合金（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金等）製に限定されるものではなく他の種類の金属から構成することも考えられる。

上記Ｓ字ダンパ１の実際の形状例を図２に示す。基本的な構成は図１に示した通りである。又、その横断面形状は全長にわたって均一である。又、上記ピン支点３、５、中心点７の位置には夫々ピン孔３ａ、５ａ、７ａが形成されている。隣接・配置される別のＳ字ダンパ１と連結する場合は、夫々のピン孔３ａ、５ａ、７ａに図示しないピンを差し込むことにより行なうものである。
尚、上記横断面形状を特に限定するものではないが、例えば、正方形や長方形等の四角形、円形、楕円形等、様々な形状が想定される。

次に、上記Ｓ字ダンパ１を実際にどのような状態で設置するのかについて説明する。
まず、図３（ａ）に示す例であるが、柱部材２１と梁部材２３との間にＳ字ダンパ１を１個介在させた構成を示している。これが基本形である。
又、図３（ｂ）に示すように、柱部材２１と梁部材２３との間に３個のＳ字ダンパ１−１、１−２、１−３を連結・配置する構成も考えられる。これが高耐力型である。
さらに、図３（ｃ）に示すように、柱部材２１、２１、梁部材２３、床部材２５との間にｎ個（この例の場合には１６個）のＳ字ダンパ１−１〜１−１６を連結・配置する構成も考えられる。これがラチスパネル型である。

図３（ｂ）、図３（ｃ）に示すように複数個のＳ字ダンパ１−１〜１−ｎを使用する場合には、全て同じ履歴特性を備えたＳ字ダンパ１−１〜１−ｎを使用する場合と、夫々異なる履歴特性を備えたＳ字ダンパ１−１〜１−ｎを使用する場合の二通りが考えられる。

以下、夫々異なる履歴特性を備えたＳ字ダンパ１−１〜１−ｎを使用する場合について説明する。上記ｎ個のＳ字ダンパ１−１〜１−ｎであるが、この場合は個々の履歴特性は異なっており、履歴特性が異なるｎ個のＳ字ダンパ１−１〜１−ｎを組み合わせて新たな所望の履歴特性を備えた制振装置を構成するものである。

以下、上記履歴特性に関して詳細に説明する。図４は任意のＳ字ダンパ１−１〜１−ｎの履歴特性を示す特性図であり、横軸に変形量（δ）をとり、縦軸に荷重（Ｐ）をとり、上記任意のＳ字ダンパ１−１〜１−ｎの降伏点荷重（_ｉＰ_ｙ）とその時の変形量（_ｉδ_ｙ）を示す図である。このようにＳ字ダンパ１−１〜１−ｎは夫々固有の履歴特性を備えている。本実施の形態ではそれら履歴特性が異なるｎ個のＳ字ダンパ１−１〜１−ｎを組み合わせることにより、新たな所望の履歴特性を備えた制振装置を構成しているものである。
因みに、一例として、ｎを「３」として、３種類のＳ字ダンパ１−１、１−２、１−３を使用した例が図３（ｂ）に示す構成であり、ｎを
「１６」として、１６種類のＳ字ダンパ１−１〜１−１６を使用した例が図３（ｃ）に示す構成である。

図５（ａ）に示すｎ個の特性図は、ｎ個のＳ字ダンパ１−１〜１−ｎの夫々の履歴特性を示すものである。Ｓ字ダンパ１−１から始まってＳ字ダンパ１−ｎに至るまで降伏点荷重（_ｉＰ_ｙ）とその時の変形量（_ｉδ_ｙ）が徐々に大きくなっている。そして、それらｎ個のＳ字ダンパ１−１〜１−ｎを組み合わせることにより図５（ｂ）に示すような新たな履歴特性を得ることができるものである。

図５（ｂ）において、Ｋ_１は初期剛性、Ｋ_２は第２剛性、Ｋ_ｎは第ｎ剛性である。又、第１折れ点における降伏点荷重Ｐ_１、第２折れ点における降伏点荷重Ｐ_２、第ｉ折れ点における降伏点荷重Ｐ_ｉ、第ｎ折れ点における降伏点荷重Ｐ_ｎは、次に示す式（ＩＩ）、（ＩＩＩ）、（ＩＶ）、（Ｖ）によって表されるものである。

そして、そのように構成することにより、全体としての剛性のコントロール、降伏点のコントロール、固有周期のコントロールが可能になり、それによって、地震発生時の振動エネルギを効果的に吸収して、構造物が受ける地震エネルギを最小限に抑制してその健全性を維持することを可能にするものである。又、地震発生時の振動エネルギによって変型した後においては、降伏前のＳ字ダンパの剛性によって原点近傍に復帰することができ、それによって、繰り返しの使用が可能になるものである。

上記固有周期のコントロールであるが、まず、変位に応じて任意の等価剛性（_ｉＫ_ｅｑ）を
設定することができる。これは、次の式（ＶＩ）に示すように、変位に応じて任意の等価周期（_ｉＴ_ｅｑ）を 設定できることを意味するものである。
_ｉＴ_ｅｑ＝２π√（Ｍ／_ｉＫ_ｅｑ）―――（ＶＩ）
但し、
Ｍ：:建築物の質量

そして、例えば、地震が発生して建築物に振動エネルギにより荷重が作用したとする。その荷重が第１折れ点の降伏点荷重（Ｐ₁）を越えた場合には、まず、変形量（_ｉδ_ｙ）の分だけ塑性変型する。それによって、振動エネルギを吸収して建築物への影響を軽減させる。そして、例えば、荷重が第２折れ点の降伏点荷重（Ｐ₂）を越えることなく振動が終了した場合には、図５（ｂ）中復帰線ａで示すような経路で復帰する。これに対して、荷重が第２折れ点の降伏点荷重（Ｐ₂）を越えるような場合にはさらに塑性変型する。それによって、振動エネルギを吸収して建築物への影響を軽減させる。そして、例えば、荷重が上記第２折れ点の降伏点荷重（Ｐ₂）を越えるがさらにその次の第３折れ点の降伏点荷重（Ｐ₃）を越えることなく振動が終了した場合には、図５（ｂ）中復帰線ｂで示すような経路で復帰する。
以下、地震によって発生した荷重の大小によって復帰する原点位置は異なるが上記と同様の作用がなされることになり、それによって、地震により発生した振動エネルギを効果的に吸収することができると共に、建築物が受ける振動エネルギの影響を大幅に軽減させることができる。
又、振動エネルギが収束した後には再度次の事態に備えることができる。

次に、さらに具体的な適用例を図６乃至図８を参照して説明する。図６は建築物の一階床梁伏図である。この場合には、滑節構造の複数箇所に既に説明した一対のＳ字ダンパ１−１、１−２から構成された制振装置３１を適用したものである。ここでいう滑節構造とは、滑り板の上に建築物を載せて、地震発生時に建築物を動かすことにより地震エネルギによる影響を低減させるものである。その際、建築物と基礎との接合部に一対のＳ字ダンパ１−１、１−２から構成された制振装置３１を適所に組み込んだものである。

すなわち、図６に示すように、基礎３２の上面側であって適所には、上記制振装置３１が設置されている。上記制振装置３１は図７及び図８に示すような構成になっている。まず、基礎３２側から対角線上の４箇所において上下各１個ずつの連結手段３３、３３が張り出されている。上側に張り出された４個の連結手段３３の先端には上側プレート３５が連結されている。又、下側に張り出された４個の連結手段３３の先端には下側プレート３７が連結されている。上記上側プレート３５と下側プレート３７との間には、一対のＳ字ダンパ１−１、１−２は逆向きの状態で重合・配置されている。上記一対のＳ字ダンパ１−１、１−２はピン結合されている。又、図中符号３９、４１は調整部材である。又、図８に示すように、鋼材４１、４３等の上には構造物の一部である床材４５が設置・固定されている。

このような構成の制振装置３１を、図６に示すように、適所に配置することにより所望の制振効果を発揮させ、それによって、その上に設置される建築物の健全性を維持するものである。すなわち、地震による振動エネルギは上記一対のＳ字ダンパ１−１、１−２からなる複数の制振装置３１により効果的に吸収され、建築物への影響は大幅に軽減されるものである。

以上、本実施の形態によると次のような効果を奏することができる。
まず、Ｓ字形状をなすＳ字ダンパ１を使用して制振装置を構成しているので、剛性と耐力を確保しつつその履歴減衰によって地震による振動エネルギを効果的に吸収して構造物への影響を軽減させることができ、特に、Ｓ字形状をなしているので、地震によって発生する振動エネルギによって降伏する箇所が略全長にわたることになり、それによって、疲労による繰り返しを分散させることができるものである。そして、柱部材２１や梁部材２３に過度の力が作用することを防止することができる。このように優れた制振機能を発揮することができるものである。
又、Ｓ字ダンパ１のＳ字形状を適宜設定することにより、所望の剛性、耐力を提供することができる。それによって、上記効果をより確実なものとすることができる。本実施の形態の場合には、Ｓ字ダンパ１が中心点７を中心にして点対称の形状に形成されていると共に、Ｘ方向の寸法とＹ方向の寸法をみてみると、前記式（Ｉ）に示すような関係が成立しているので、Ｘ方向とＹ方向の剛性と耐力を同じにすることができる。又、Ｘ方向から荷重が作用した場合には中心点７が降伏し、Ｙ方向から荷重が作用した場合には頂点９、１１が降伏する。そして、地震により作用する荷重の方向は任意であり、よって、既に説明したように、一回の地震に対して降伏する箇所が略全長にわたることになり、それによって、疲労による繰り返しを分散させることができるものである。
又、任意の履歴特性を備えた制振装置を得ることができる。そして、剛性のコントロール、降伏点のコントロール、固有周期のコントロールが可能になる。すなわち、組み合わせるＳ字ダンパ１−１〜１−ｎの個数、各Ｓ字ダンパ１−１〜１−ｎの履歴特性によって、任意の新たな履歴特性を備えた制振装置を得ることができるからである。
そして、このような制振装置によれば、地震により発生した振動エネルギを効果的に吸収することができ、建築物が受ける影響を最小限に止めることが可能になる。
因みに、組み合わせるＳ字ダンパ１−１〜１−ｎの個数が多ければ多い程図５（ｂ）に示す特性は細かな折れ線状のものとなり、より効果的な振動エネルギの吸収が可能になる。
又、地震が発生して建築物に振動エネルギにより荷重が作用して変形しても、降伏前の制振装置の剛性によって原点近傍に復帰することが可能になり、それによって、繰り返しの使用が可能になる。
又、本実施の形態によるＳ字ダンパ１−１〜１−ｎはアルミ合金（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金等）製であり、加工が容易であるという利点がある。

尚、本発明は前記一実施の形態に限定されるものではない。
まず、図示したＳ字ダンパは一例として示したものであり、実際の構造としては様々な形態が考えられる。
又、使用するＳ字ダンパの個数、各Ｓ字ダンパの履歴特性の内容、等についてはこれを特に限定するものではない。
又、Ｓ字ダンパの横断面形状についてはこれを特に限定するものではなく、例えば、正方形や長方形等の四角形、円形、楕円形等、様々な形状が想定される。
又、前記一の実施の形態の場合には、Ｓ字ダンパをアルミ合金（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金等）製としたが、それに限定されるものではなく、様々な材質が想定される。

本発明は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム合金（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金等）等の金属の塑性特性を利用した制振装置に係り、特に、Ｓ字形状をなすＳ字ダンパを使用することにより優れた制振効果を得ることができるように工夫したものに関し、各種建築物に組み込まれる金属ダンパ装置として好適である。

本発明の一実施の形態を示す図で、Ｓ字ダンパの構成を模式的に示す正面図である。 本発明の一実施の形態を示す図で、Ｓ字ダンパの構成を示す正面図である。 本発明の一実施の形態を示す図で、図３（ａ）は１個のＳ字ダンパを柱と梁の間に設置した様子を示す正面図、図３（ｂ）は３個のＳ字ダンパを柱と梁との間に設置した様子を示す正面図、図３（ｃ）は１６個のＳ字ダンパを柱と梁の間に設置した様子を示す正面図である。 本発明の一実施の形態を示す図で、Ｓ字ダンパの履歴特性を示す特性図である。 本発明の一実施の形態を示す図で、図５（ａ）は複数個のＳ字ダンパの履歴特性を示す特性図、図５（ｂ）は複数個のＳ字ダンパを組み合わせて構成された制振装置の履歴特性を示す特性図である。 本発明の一実施の形態を示す図で、制振装置を建築物の床梁構造に組み込んだ状態を示す平面図である。 本発明の一実施の形態を示す図で、図６のＶＩＩ部を拡大して示す一部平面図である。 本発明の一実施の形態を示す図で、図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ断面図である。

符号の説明

１ Ｓ字ダンパ
１−１〜１−ｎ Ｓ字ダンパ
３ ピン支点
５ ピン支点
７ 中心点
９ 頂点
１１ 頂点
２１ 柱部材
２３ 梁部材

Claims (7)

1. 構造物の任意箇所に配置されＳ字形状をなす１個又は複数個のＳ字ダンパから構成され所定の制振機能を発揮し、
   上記Ｓ字ダンパは点対称の形状になっていて中心点と両端の支点とそれぞれの頂点を備えていて、
   上記中心点から頂点までの寸法と両端の支点から頂点までの寸法が等しく設定されていて、
   上記中心点からの両端までのＹ方向寸法は共に（ｌ _１ ）であり、
   上記中心点から各頂点までのＸ方向寸法は共に（ｌ _２ ）であり、
   上記Ｙ方向寸法（ｌ _１ ）と上記Ｘ方向寸法（ｌ _２ ）は等しく設定されていることを特徴とする制振装置。
2. 請求項１記載の制振装置において、
   上記Ｓ字ダンパは両端と中心位置にピン孔を備えていて、これらピン孔を介して隣接・配置された別のＳ字ダンパに連結されるものであることを特徴とする制振装置。
3. 請求項１記載の制振装置において、
   構造物の任意箇所に複数個のＳ字ダンパを連結・設置したことを特徴とする制振装置。
4. 請求項３記載の制振装置において、
   上記複数個のＳ字ダンパは夫々異なる履歴特性を備えていて、連結・設置されることにより全体として任意の新たな履歴特性を備えるものとして構成されたことを特徴とする制振装置。
5. 請求項４記載の制振装置において、
   降伏点が異なる複数種類のＳ字ダンパを組み合わせることにより複数個の降伏点を有する任意の新たな履歴特性を備えるものとして構成されたことを特徴とする制振装置。
6. 請求項５記載の制振装置において、
   降伏点が小さなＳ字ダンパから降伏点が大きなＳ字ダンパを順次組み合わせることにより複数個の降伏点を有する任意の新たな履歴特性を備えるものとして構成されたことを特徴とする制振装置。
7. 請求項１〜請求項６の何れかに記載の制振装置において、
   上記Ｓ字ダンパはアルミ合金製であることを特徴とする制振装置。

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