JP4838898B1 - 制震ダンパ - Google Patents

Abstract

【課題】長孔の形成により継手部に生じる断面欠損範囲を抑えることができるとともに、塑性化部が破断したとしても、破断した位置よりも先端の塑性化部が完全に分離することのない制震ダンパを提供する。
【解決手段】一対の履歴型ダンパ部１１と、中間部２０と、変位規制部と、からなる。一対の履歴型ダンパ部１１は、中間部２０を間に挟んで、軸方向の両端に配置される。各々の履歴型ダンパ部１１は、塑性化部１２と補剛部１９とを備える。塑性化部１２は、軸方向に作用する交番軸力に対向する。補剛部１９は、塑性化部１２の周囲に設けられて塑性化部１２の座屈を拘束する。中間部２０は、一対の履歴型ダンパ部１１を構成する各々の塑性化部１２の一端側が接続されて一対の履歴型ダンパ部１１を繋ぐ。変位規制部は、補剛部に対する塑性化部の軸方向の伸縮量を規制する。本発明の制震ダンパ１０は、一対の履歴型ダンパ１１の各々に変位規制部が設けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、建築構造物に組み込まれる履歴型ダンパ部を備える制震ダンパに関する。

構造物の柱、梁間に対角線状に挿設される斜材（ブレース）は、一般に柱、梁間の変形に伴って生ずる引張り力又は圧縮力を支持するもので、その耐力は引張り力に対しては降伏耐力（Ｎｙ）、圧縮力に対しては降伏耐力よりも小さい座屈耐力(Ｎｃｒ)で決まり、座屈後は耐力が低下する。ところが、座屈を拘束することにより、圧縮に対しても引張りと同等の耐力を保持させる構造のブレースが開発されており、地震荷重のように引張り・圧縮の交番軸力（繰返し変位）が作用する際の履歴型ダンパとして用いられている。このダンパの基本的な構成は、塑性変形を生ぜしめる芯材（塑性化部）と、この芯材と所定の隙間をあけ、あるいは緩衝材を介することで緩く嵌合・外接する補剛部とを備えている。

その中で、特許文献１に開示される制震ダンパ１００は、図５に示すように、鋼製の塑性化部１１２を断面十字形とし、山形形状の鋼材からなる補剛部１１９を塑性化部１１２の四方から組み付け、補剛部１１９同士をボルトで接合する構造を有している。この制震ダンパ１００は、一方の側（図中の左側）において塑性化部１１２と一体的に形成される継手部１１３と補剛部１１９とをボルト１１５が貫通することで、補剛部１１９に対して継手部１１３（塑性化部１１２）の相対的な変位が拘束される。しかし、他方の側（図中の右側）の継手部１１３においては、補剛部１１９に固定されているボルト１１５が継手部１１３に形成される長孔１１６に挿通されている。したがって、塑性化部１１２に引張り・圧縮の交番軸力が作用すると、ボルト１１５が長孔１１６内で相対的に移動できる範囲（図中、矢印で示す）で、塑性化部１１２の伸縮による軸方向の変形が許容される。このように、ボルト１１５と長孔１１６は、補剛部１１９とともに、変位規制部を構成する。

また、特許文献２に開示される制震ダンパ２００は、図６に示すように、軸方向（長手方向）の両端に配置される一対の履歴型ダンパ部２１１と、一対の履歴型ダンパ部２１１を繋ぐ中間部２２０とを備える。履歴型ダンパ部２１１は、軸方向に作用する引張荷重と圧縮荷重からなる交番軸力に対向する塑性化部２１２を備える。この塑性化部２１２は一端が中間部２２０に連結される。塑性化部２１２の周囲には塑性化部２１２の座屈を拘束する鋼管からなる補剛部２１９が設けられる。

特開２００６−３２８６８８号公報 特許第３９９７２８９号公報

特許文献１の制震ダンパ１００は長孔１１６が設けられた側で全体の軸方向の変形量を吸収する。この長孔１１６の軸方向に沿う長径は、塑性化部１１２に想定される軸方向の変形量を超えるサイズに設定される。そのために、継手部１１３の断面欠損範囲が大きくなり、長孔１１６が形成される継手部１１３の強度が低下するという課題がある。
また、長孔１１６の長径は想定変形量を許容するように余裕を持って設定されているため、想定以上の変形が生じた場合には、塑性化部１１２は設計で想定しているよりも早期に破断（図５（ｃ））するという課題がある。

特許文献２は、塑性化部２１２が引張方向の変位が規制されていないために、塑性化部２１２が破断すると、破断位置よりも先端の塑性化部２１２は制震ダンパ２００から完全に分離してしまうという課題がある（図６（ｃ））。
また、引張方向の変位規制がなされていないことで、想定以上の変形が生じた場合には、特許文献１と同様に、設計で想定しているよりも早期に塑性化部２１２が破断するという課題がある。

本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、長孔の形成により継手部に生じる断面欠損範囲を抑えることができるとともに、塑性化部が破断したとしても、破断した位置よりも先端の塑性化部が完全に分離することのない制震ダンパを提供することを課題とする。
さらに本発明は、想定しているよりも早期に塑性化部が破断するのを抑制することのできる制震ダンパを提供することを目的とする。

本発明に係る制震ダンパは、一対の履歴型ダンパ部と、中間部と、変位規制部と、からなる。
一対の履歴型ダンパ部は、中間部を間に挟んで、軸方向の両端に配置される。各々の履歴型ダンパ部は、塑性化部と、継手部と、補剛部とを備える。塑性化部は、軸方向に作用する引張荷重と圧縮荷重からなる交番軸力に対向する。継手部は、塑性化部に連なり建築構造物と接続される。補剛部は、塑性化部の周囲に設けられて塑性化部の座屈を拘束する。
中間部は、一対の履歴型ダンパ部を構成する各々の塑性化部の一端側が接続されて一対の履歴型ダンパ部を繋ぐ。
変位規制部は、一対の履歴型ダンパの各々に設けられる。この変位規制部は、補剛部に対する塑性化部の軸方向の変形を規制する。
本発明は、一対の履歴型ダンパ部と、中間部と、を有する制震ダンパに対して、一対の履歴型ダンパ部の両方に変位規制部を設ける。そうすることで、変位規制部の要素である長孔により生じる断面欠損範囲を各々の履歴型ダンパ部において抑えることができるとともに、塑性化部が破断したとしても、破断した位置よりも先端の塑性化部が完全に分離することがない。

本発明の変位規制部は、一対の係止壁と、係止体と、を少なくとも備えることができる。
一対の係止壁は、軸方向に沿う所定距離の間隙を隔てて配置される。上述した長孔１１６は、軸方向に沿う所定距離の間隙を隔てて配置される一対の係止壁を備えるための典型的な例である。
係止体は、一対の係止壁の間隙内を塑性化部の伸縮に伴って軸方向に相対的に移動する。上述したボルト１１５は、係止体として機能する典型的な例である。
一対の係止壁は、継手部及び補剛部のいずれかの一方に設けることができる。また、係止体は、継手部及び補剛部のいずれかの他方に設けられる。つまり、一対の係止壁が継手部に設けられる場合には、係止体は補剛部に設けられ、逆に、一対の係止壁が補剛部に設けられる場合には、係止体は継手部に設けられる。
以上の構成からなる変位規制部において、一対の係止壁間の距離は、塑性化部の軸方向の長さの１．５〜３．５％に設定されることが好ましい。この１．５〜３．５％という値は、塑性化部に求められる想定歪量に相当する。このように、一対の係止壁間の距離を塑性化部に求められる想定歪量に相当するものとすれば、塑性化部に実際に生じる歪は許容範囲内に抑えられるので、想定しているよりも早期に塑性化部が破断するのを抑制できる。

制震ダンパには、曲げ応力が現実には負荷される。この曲げに対する補剛効果を向上させるために、本発明の制震ダンパは、係止体がボルトからなる場合に、軸方向に沿って複数本のボルトを設けることが好ましい。

本発明によれば、一対の履歴型ダンパ部の両方に変位規制部を設けたことで、変位規制部の要素である長孔により生じる断面欠損範囲を各々の履歴型ダンパ部において抑えることができるとともに、塑性化部が破断したとしても、破断した位置よりも先端の塑性化部が完全に分離することがない。
また、一対の係止壁間の距離を、塑性化部の軸方向の長さの１．５〜３．５％に設定すると、想定しているよりも早期に塑性化部が破断するのを抑制できる。
さらに、係止体がボルトからなる場合に、一対の係止壁の間隙内に、軸方向に沿って複数本のボルトを設けることで、曲げに対する補剛効果を向上できる。

本実施の形態における制震ダンパを示し、（ａ）はその正面図、（ｂ）は（ａ）の１ｂ−１ｂ矢視断面図、（ｃ）は（ａ）の１ｃ−１ｃ矢視断面図、（ｄ）は（ａ）の１ｄ−１ｄ矢視断面図である。 塑性化部が破断した状態の本実施の形態における制震ダンパを示し、（ａ）はその正面図（補剛部を除いている）、（ｂ）は部分拡大図である。 本実施の形態における制震ダンパの履歴曲線（軸力Ｎ−歪δ）を示すグラフであり、（ａ）塑性化部が破断する前の特性を示し、（ｂ）は長孔のサイズを規定しないときの破断後の特性を含むグラフ、（ｃ）は長孔のサイズを規定したときの破断後の特性を含むグラフである。 可動側のボルトを２本にした本実施の形態における制震ダンパの部分拡大図である。 従来の制震ダンパを示し、（ａ）はその正面図、（ｂ）は（ａ）の５ｂ−５ｂ矢視断面図、（ｃ）は塑性化部が破断した状態（補剛部を除いている）を示す。 従来の他の制震ダンパを示し、（ａ）はその正面図、（ｂ）は（ａ）の６ｂ−６ｂ矢視断面図、（ｃ）は塑性化部が破断した状態（補剛部を除いている）を示す。 本発明に適用される、補剛部に長孔１６を設け、ボルトを芯材（継手部）で固定する形態を示す図である。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
本実施の形態に係る制震ダンパ１０は、柱及び梁からなる鉄骨構造物の斜材（ブレース）として用いられ、地震の際に軸方向に作用する引張り力と圧縮力からなる交番軸力を受けたときに、制震ダンパ１０の塑性化部１２のみを塑性化させることにより、鉄骨構造物は弾性状態を保持するように構成される。したがって、鉄骨構造物は塑性変形部位が制震ダンパ１０に特定されるため、制震ダンパ１０の破断や鉄骨構造物の崩壊を回避することができる。また、制震ダンパ１０を除く鉄骨構造物は常に弾性状態を保つようにも設計できるので、地震後は元の形状・位置に復元し、塑性化した制震ダンパ１０のみを交換することで、鉄骨構造物を継続して使用することができる。

図１に示すように、制震ダンパ１０は、その軸方向の両端に配置される一対の履歴型ダンパ部１１と、一対の履歴型ダンパ部１１同士を繋ぐ中間部２０とを備えている。一対の履歴型ダンパ部１１は、各々、塑性化部１２と、継手部１３と、補剛部１９とを備える。

＜塑性化部１２＞
塑性化部１２は、均一な厚さの鋼板を組合せることで断面が十字状をなしている。塑性化部１２は、一端が中間部２０に接続され、また他端に継手部１３が設けられる。塑性化部１２は、継手部１３及び中間部２０と軸方向に一体的に形成されている。履歴型ダンパ部１１は、所定の大きさ以上の引張力または圧縮力が作用すると、中間部２０と継手部１３までの間の塑性化部１２の領域が塑性変形することでエネルギを吸収する。

＜継手部１３＞
制震ダンパ１０は、鉄骨構造物を構成する柱と梁の間の対角接合部にそれぞれ取付けられた接合部材に継手部１３を介して固定される。継手部１３は、一体に形成されている塑性化部１２よりも幅広に形成されており、中間部２０と同様に塑性化部１２が弾性域を超えて塑性化しても、弾性域での変形挙動を維持する。また、継手部１３にはボルト１５が挿通される長孔１６が形成されている。長孔１６の軸方向の両端が、各々係止壁１６ａとなり、この一対の係止壁１６ａは所定距離（長径）を隔てて配置される。長孔１６に挿通されるボルト（係止体）１５は、一対の係止壁１６ａに係止されることで、それを超える変位が規制される。

＜補剛部１９＞
補剛部１９は、山形鋼（アングル材）を断面十字形の塑性化部１２の４つの隅部に配置される。そして、各補剛部１９は、緩衝材１７を介してそれぞれ塑性化部１２の４つの片を挟むように断面十字状に組み付けられ、引張時と圧縮時に塑性化部１２の降伏変形を拘束し、圧縮時には塑性化部１２の座屈を防止する。そうすることで、塑性化部１２は圧縮軸力を受けたときにも引張り力を受けたときと同様の弾塑性挙動を示す。
この補剛部１９は、一対の履歴型ダンパ部１１の各々の塑性化部１２（降伏部）の全長と継手部１３の一部と、さらに一対の履歴型ダンパ部１１の間に配置される中間部２０とを覆う長さを有している。そして、隣り合う一対の補剛部１９同士で、塑性化部１２、継手部１３及び中間部２０を各々挟み込み、その軸方向に間隔を空けてボルト１５及びナット（図示省略）で固定する。塑性化部１２で満たされない補剛部１９同士の隙間にはスペーサ１８を介在させる。

塑性化部１２、継手部１３及び中間部２０、さらに補剛部１９には、ボルト１５が挿通されるボルト孔１４が設けられているが、前述したように、補剛部１９に覆われる継手部１３に形成されるボルト孔は、軸方向の径の長い長孔１６とされている。このように、継手部１３に形成されるボルト孔を長孔１６とすることで、塑性化部１２の軸方向への伸縮を許容している。つまり、塑性化部１２は、この長孔１６の一対の係止壁１６ａ間の距離である長径の範囲で変形が許容される。
長孔１６以外のボルト孔１４は、ボルト１５の径に応じた円形の開孔形状を有している。したがって、補剛部１９のボルト孔１４に挿通されるボルト１５は、補剛部１９に対して固定される。

＜緩衝材１７＞
例えばゴム製シートからなる緩衝材１７は、塑性化部１２と補剛部１９の間に配置される。この緩衝材１７は、鋼材から構成される塑性化部１２と補剛部１９が直接接触することを避けるとともに容易に変形することで、塑性化部１２から補剛部１９への荷重の伝達を軽減するために設けられる。なお、ゴム製シートは一例であり、低摩擦係数の部材などを用いることでも、ゴム製シートと結果として同様の機能を発揮することができる。

＜中間部２０＞
中間部２０は、塑性化部１２と一体的に形成されており、一対の履歴型ダンパ部１１，１１の間に位置して両者を繋ぐ。中間部２０は、交番軸力が作用したときに、一対の履歴型ダンパ部１１，１１に軸力を伝達する。中間部２０は、塑性化部１２よりも高強度に構成されており、塑性化部１２が弾性域を超えて塑性化しても、弾性域での変形挙動を維持する。制震ダンパ１０は、補剛部１９が中間部２０をも覆うように構成されている。
中間部２０を設けることで、本発明における形式の履歴型ダンパ構造が全長にわたる構造に比べて、履歴型ダンパ部１１の製作精度の管理が容易になり、制震ダンパ１０の長尺化が可能となるとともに、降伏軸力の調整は履歴型ダンパ部１１で、また、軸剛性の調整は中間部２０でというように、個別に調整できるので、制震ダンパ１０について最適な部材特性を設定することが可能となる。

＜履歴型ダンパ構造体の基本的な作用＞
例えば、地震荷重が作用すると制震ダンパ１０は引張りと圧縮の交番軸力を受けるが、この軸力は制震ダンパ１０の両端に位置する継手部１３を介して履歴型ダンパ部１１の塑性化部１２を経て中間部２０に伝わる。そして、引張り軸力が塑性化部１２の降伏軸力（＋Ｎｙ）に達すると塑性軸変形（＋δ）が生じ、圧縮軸力が塑性化部１２の降伏軸力（−Ｎｙ）に達すると塑性変形（−δ）が生ずる。この際、圧縮軸力を受けた塑性化部１２は座屈変形しようとしても、周囲に設けられる補剛部１９によってその変形が拘束されて座屈が防止される。
こうして制震ダンパ１０は、図３（ａ）に示すようにａ→ｂ→ｃ→ｄのように履歴曲線を描いて応答し、その結果、地震エネルギを吸収して振動を減衰させる。

＜本実施形態の特徴的な作用・効果＞
継手部１３に設けられる長孔１６の長径は、塑性化部１２が地震により伸縮する変形量を想定し、この想定変形量Ｌ１にマージンＬ２を加えた長さＬ（Ｌ１＋Ｌ２）に設定される。
本実施形態による制震ダンパ１０は、中間部２０の両側に一対の履歴型ダンパ部１１を設け、その各々で塑性化部１２の変形を吸収する。そのため、例えば、塑性化部１２の長さが同じで、想定変形量Ｌ１が同じである場合には、図５に示した制震ダンパ１００のように一つの長孔１１６を設けるのに比べて、長孔１６の長径を１／２にすることができる。このように長孔１６のサイズが小さくなるので、継手部１３の断面欠損部が小さくなり、制震ダンパ１００よりも継手部１３の強度を向上できる。
また、想定変形量を超えて塑性化部１２が延びて破断したとしても、図２に示すように、各々の塑性化部１２が長孔１６に挿通されるボルト１５により軸方向の移動が拘束されるため、図６に示した制震ダンパ２００のように塑性化部２２０が制震ダンパ２００から完全に分離することはない。

＜長孔１６の好ましい形態＞
長孔１６の長径は、想定変形量Ｌ１にマージンＬ２を加えた長さＬ（Ｌ１＋Ｌ２）に設定されるが、その中で、一方の塑性化部１２の長さの１．５〜３．５％の範囲とすることが好ましく、２〜３％とすることがより好ましい。長孔１６の長径をこの範囲に制限することで、想定変形量を超える変形が塑性化部１２に生じることを防止し、塑性化部１２が早期に破断するのを回避できる。
また、一対のうちの一方の側の塑性化部１２が繰返し荷重により破断した後に、変形量が長孔１６の長径まで達すると（図２参照）、長孔１６に挿通されるボルト１５が長孔１６の係止壁１６ａに接触するので、軸力がボルト１５を介して補剛部１９に伝達される。そうすると、破断していない他方の側の塑性化部１２に軸力が補剛部１９を通って伝達されるため、軸力は塑性化部１２の塑性荷重で頭打ちする。よって、想定以上の荷重が伝達されることはなく、制震ダンパ１０の周囲の部材（柱、梁）を損傷させることがない。また、破断後の履歴挙動は図３の（ｃ）に示すように、Ａ→Ｂ→Ｃ'→Ｄ→Ｃ→Ｂ'→Ａとなり、引張側（図中＋側）においては、一方の側の塑性化部１２が破断した後も、破断していない他方の側の塑性化部１２の挙動により履歴エネルギの吸収が期待できる。なお、図３の長孔１６の長径をより大きく設定したときの履歴挙動を図３の（ｂ）に示しておくが、引張側においては履歴エネルギが吸収されない。

＜曲げに対する補剛効果向上＞
制震ダンパ１０は、軸方向（長手方向）に作用する荷重に対向するものであるが、現実には、曲げ応力も負荷される。
これまで説明した制震ダンパ１０は、長孔１６にボルト１５を１本だけ挿通しているに過ぎないので、曲げに対しては、１本のボルト１５のみからなるピン結合状態となり補剛部１９の補剛効果が弱い。そこで、図４に示すように、２本のボルト１５を長径方向に並べると、ピン結合状態を排除して複数点で支持できるので、補剛部１９の補剛効果を向上できる。
なお、ここでは２本のボルト１５を用いた例を示すが、長径方向に長い矩形断面のピン材を２本のボルト１５に代えて長孔１６に挿通することでも、曲げに対する補剛効果の向上に寄与できる。

なお、制震ダンパ１０は、継手部１３に長孔１６を設け、ボルト１５を補剛部１９で固定しているが、本発明はこれに限定されない。例えば、図７に示すように、補剛部１９に長孔１６を設け、ボルト１５を継手部１３で固定することもできる。
また、長孔１６に挿通されるボルト１５は、係止壁１６ａに係止される部材の一例であり、同様の機能を発揮することのできるボルト１５以外の部材（係止体）を用いることを本発明は許容する。
また、制震ダンパ１０は、補剛部１９をアングル材から構成しているが、本発明はこれに限定されない。例えば、特許文献２に示されるように、補剛部を鋼管から構成してもよい。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。

１０ 制震ダンパ
１１ 履歴型ダンパ部
１２ 塑性化部
１３ 継手部
１４ ボルト孔
１５ ボルト
１６ 長孔
１７ 緩衝材
１８ スペーサ
１９ 補剛部
２０ 中間部

Claims (3)

1. 軸方向に作用する引張荷重と圧縮荷重からなる交番軸力に対向する塑性化部と、前記塑性化部に連なり建築構造物と接続される継手部と、前記塑性化部の周囲に設けられて前記塑性化部の座屈を拘束する補剛部とを有し、軸方向の両端に配置される一対の履歴型ダンパ部と、
   一対の前記履歴型ダンパ部を構成する各々の前記塑性化部の一端側が接続されて一対の前記履歴型ダンパ部を繋ぐ中間部と、
   一対の前記履歴型ダンパの各々に設けられ、前記補剛部に対する前記塑性化部の前記軸方向の変形量を規制する変位規制部と、
   を備えることを特徴とする制震ダンパ。
2. 前記変位規制部は、
   前記継手部及び前記補剛部のいずれかの一方に設けられ、前記軸方向に沿う間隙を隔てて配置される一対の係止壁と、
   前記継手部及び前記補剛部のいずれかの他方に設けられ、一対の前記係止壁の前記間隙内を前記塑性化部の伸縮に伴って前記軸方向に相対的に移動する係止体と、からなり、
   前記間隙は、前記塑性化部の前記軸方向の長さの１．５〜３．５％に設定される、
   請求項１に記載の制震ダンパ。
3. ボルトからなる前記係止体が、一対の前記係止壁の前記間隙内に、前記軸方向に沿って複数設けられる、
   請求項１又は２に記載の制震ダンパ。

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