JP5002383B2

JP5002383B2 - 制震ダンパー

Info

Publication number: JP5002383B2
Application number: JP2007238282A
Authority: JP
Inventors: 友和高田
Original assignee: Sumitomo Riko Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Riko Co Ltd
Priority date: 2007-09-13
Filing date: 2007-09-13
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2027-09-13
Also published as: JP2009068612A

Description

本発明は、ビルや住宅等の建物に風や地震等の外力が作用したときに、その振動エネルギーを吸収させて建物の揺れ動きや振動を減衰させるように、建物における構造用骨組内に組み込んで用いられる制震ダンパーに関するものである。

住宅等の建物においては、柱と横架材とから形成される軸組フレーム内に、制震ダンパーを対角線状に架設して、当該制震ダンパーにより振動エネルギーを熱エネルギーに変換することにより、振動エネルギーの吸収を図る技術が開発されている（特許文献１）。そして、そのような制震ダンパーとしては、オイルダンパー、粘性ダンパー、鋼材ダンパー、摩擦ダンパー等が実用化されている。

制震ダンパーを設置した軸組フレームにおいて、地震等が原因で振動が生じた際には、制震ダンパーの復元力特性曲線（変位−荷重曲線）は図８のＲ_１の如き楕円となる。また、規模の大きい地震等により、制震ダンパーにかかる荷重が大きくなった場合には、復元力特性曲線はＲ_２の如く大きな楕円となる。その結果、軸組フレームにおいて制震ダンパーを固定している固定部材や軸組フレームを固定している梁等の周囲の構造部材に加わる荷重が、破壊限界値Ｃを越えた過大なものとなり、制震ダンパー自体が壊れたり、周囲の構造部材を破損させたりする事態が発生する。

それゆえ、そのような不具合を是正するための制震ダンパーとして、特許文献２の如く、振動を減衰させる第一ダンパー（たとえば、オイルダンパー）と、その第一ダンパーに加わる負荷が一定値以上となったときに当該負荷が第一ダンパーに伝達されるのを遮断する第二ダンパー（たとえば、摩擦ダンパー）とを直列に接続した制震ダンパーが開発されている。

特開２００２−２１３５３１号公報特開平９−２６８８０２号公報

しかしながら、上記特許文献２の如き制震ダンパーは、構造が複雑であるため、安価に製造することができない。また、第一ダンパーおよび第二ダンパーに十分な機能を発現させるためには大きなものとせざるを得ず、設置される場所が限定されてしまう、という不具合がある。

本発明の目的は、上記従来の制震ダンパーが有する問題点を解消し、安価に製造することができ、設置場所が限定されない上、中小規模の地震等の際には、振動を効果的に減衰させることができるとともに、大規模な地震等により過度の荷重が加わった場合には、摩擦ダンパーとして機能し、荷重の増大を抑えて、壊れたり周囲の構造部材を破損させたりする事態を防止することができ、安全性が高く、修理、交換などのコストがかからない実用的な制震ダンパーを提供することにある。

かかる本発明の内、請求項１に記載された発明は、第一部材と、その第一部材と同一直線状に配置されて部分的に重合する第二部材と、それらの２つの部材の重合部分の間に設置される粘弾性体とからなり、前記第一部材と前記第二部材との相反方向への動作によって前記粘弾性体を剪断変形させて減衰作用を生じさせる制震ダンパーであって、前記第一部材と前記粘弾性体との界面、あるいは前記第二部材と前記粘弾性体との界面の内のいずれかにおいては、前記部材の表面と粘弾性体とが接着剤によって接着されているとともに、他方の界面においては、前記部材の表面と粘弾性体とが接着剤によって接着されておらず、粘弾性体が自己粘着力によって前記部材の表面に粘着していることを特徴とするものである。

請求項２に記載された発明は、請求項１に記載された発明において、前記接着剤による単位面積当たりの接着力が粘弾性体の単位面積当たりの自己粘着力よりも大きいことを特徴とするものである。

請求項３に記載された発明は、請求項１、または請求項２に記載された発明において、粘弾性体の自己粘着力が５Ｎ／ｃｍ^２以上５０Ｎ／ｃｍ^２以下に調整されていることを特徴とするものである。

請求項４に記載された発明は、請求項１〜３のいずれかに記載された発明において、接着剤によって接着された界面の耐剪断強度が、粘弾性体の耐剪断強度よりも大きいことを特徴とするものである。

請求項５に記載された発明は、請求項１〜４のいずれかに記載された発明において、粘弾性体が、スチレン系エラストマー、ジエン系エラストマーであることを特徴とするものである。

請求項６に記載された発明は、請求項１〜５のいずれかに記載された発明において、前記第一部材および第二部材にエポキシ樹脂塗料が塗布されていることを特徴とするものである。
請求項７に記載された発明は、請求項１〜６のいずれかに記載された発明において、前記第一部材を筒状体とし、前記第二部材を、前記第一部材に外装されて部分的に重合する筒状体として、両筒状体の重合部分の間に前記粘弾性体を介在させたことを特徴とするものである。

［作用］
本発明の制震ダンパー（粘弾性ダンパー）は、構造骨組内において、地震等により粘弾性体の自己粘着力に満たない負荷が加わった場合には、部材と粘弾性体との界面において相対位置がずれないので、粘弾性体が剪断変形することによって、振動エネルギーを熱エネルギーに変換する。また、粘弾性体の自己粘着力を上回る大きな荷重が加わった場合には、部材と粘弾性体との非接着界面（粘着界面）において、部材が粘弾性体の自己粘着力に抗して粘弾性体の表面を滑り出す。それゆえ、本発明の制震ダンパーの復元力特性曲線は図１の如きものとなり、従来の制震ダンパー（部材と粘弾性体との全ての界面を接着したもの）に比べて、加わる荷重の最大値（すなわち、図１におけるＣ、以下、閾値という）が低い。

したがって、加わる荷重の大きさが閾値Ｃに達しない場合（たとえば、復元力特性曲線がＲ_１として得られる場合）には、粘弾性体が振動エネルギー（復元力特性曲線Ｒ_１で囲まれた面積に相当するもの）を熱エネルギーに変換することによって吸収する。また、加わる荷重の大きさが閾値Ｃを上回る場合（たとえば、復元力特性曲線がＲ_２として得られる場合）には、部材が粘弾性体の表面を滑ることによって振動エネルギーを吸収し、荷重の増大を抑制する。

それゆえ、制震ダンパーを構造骨組内に設置する際に、制震ダンパー自体の破壊限界力、および、制震ダンパーの周囲の構造部材（固定部材や柱や梁等）の破壊限界力を超えないように荷重の閾値Ｃを設定することにより、制震ダンパー自体や周囲の構造部材の破損を防止することが可能となる。

請求項１に記載の制震ダンパーは、荷重（閾値に満たない荷重）が加わると、粘弾性体の剪断変形によって振動エネルギーを吸収して振動を減衰させることができる。また、所定量以上の荷重（閾値を上回る荷重）が加わった場合には、片方の部材の表面と粘弾性体との非接着界面において、部材が粘弾性体との接触面上を摺動することにより摩擦ダンパーとして機能し、過大な荷重によって破損したり周囲の構造部材を破損させたりする事態を防止することができる。したがって、請求項１に記載の制震ダンパーによれば、そのもの自体や周辺構造部材を修理、交換する必要がなくなるため、メンテナンスのコストや手間を低減することができる。加えて、負荷の閾値を任意に設定することによって、安全性を確保しながら十分な制震効果を発現させることができる。その反面、他方の部材の表面と粘弾性体との界面が接着剤によって強固に接着されているので、振動を減衰させる機能を何度でも安定して発現させることができる。

請求項２に記載の制震ダンパーは、接着剤による単位面積当たりの接着力が粘弾性体の単位面積当たりの自己粘着力よりも大きいため、片方の部材の表面と粘弾性体との非接着界面において部材が粘弾性体との接触面上を摺動するよりも前に、他方の部材の表面と粘弾性体との接着界面において接着破壊が生じる、という事態が発生しない。したがって、制震ダンパーとしての機能の信頼性が高い。

請求項３に記載の制震ダンパーは、粘弾性体の自己粘着力が５Ｎ／ｃｍ^２以上５０Ｎ／ｃｍ^２以下に調整されているため、非常に低い揺れが生じただけで、片方の部材の表面と粘弾性体との非接着界面において、部材が粘弾性体との接触面上を摺動する事態や、強い揺れが生じたにも拘わらず、部材が粘弾性体との接触面上を摺動しないため過大な荷重が加わる事態が生じない。

請求項４に記載の制震ダンパーは、接着剤によって接着された界面の耐剪断強度が、粘弾性体の耐剪断強度よりも大きいため、揺れが生じた際に、粘弾性体が剪断強度によって破損する前に、制震部材の表面と粘弾性体との接着界面において接着破壊が生じ、制震部材が粘弾性体との接触面上を摺動する、という事態が生じない。したがって、振動エネルギーを減衰させる機能を安定して発現させることができる。

請求項５に記載の制震ダンパーは、粘弾性体が、スチレン系エラストマー、ジエン系エラストマーであるため、温度依存性（０〜４０℃）が少なく、バネと減衰の変化および自己粘着力の変化が少なく調整が容易である。そのため、第一部材、第二部材に対する粘弾性体の自己粘着力の調整も容易である。

請求項６に記載の制震ダンパーは、第一部材および第二部材にエポキシ樹脂塗料が塗布されているため、表面状態が均一化（安定化）し、第一部材、第二部材に対する粘弾性体の自己粘着力の調整がきわめて容易である。

以下、本発明の制震ダンパーの一実施形態について図面に基づいて説明する。

［制震ダンパーの構造］
図２（ａ）は、本発明に係る制震ダンパー（粘弾性ダンパー）の正面を示したものであり、図２（ｂ）は、制震ダンパーの側面を示したものである。制震ダンパー１は、第一部材２、第一部材２の外側に配置された第二部材３，３、第一部材２と第二部材３，３との間に取り付けられた粘弾性体４，４等によって構成されている。

第一部材２は、鋼板によって矩形の板状に形成されており、長さ×幅×高さ（厚さ）＝１５０ｍｍ×８０ｍｍ×９ｍｍの大きさを有している。また、第一部材２の表面には、カチオン電着塗装によって、エポキシ樹脂がコーティングされている。一方、第二部材３は、第一部材２と同様な鋼板によって、第一部材２と同一形状に形成されている。さらに、第二部材３の表面には、第一部材２と同様に、カチオン電着塗装によって、エポキシ樹脂がコーティングされている。また、粘弾性体４は、スチレン系エラストマーによって矩形の板状に形成されており、長さ×幅×高さ（厚さ）＝７５ｍｍ×７５ｍｍ×５ｍｍの大きさを有している。

制震ダンパー１は、第一部材２の左側の部分の表裏に、粘弾性体４，４を粘着させ（粘弾性体４，４の有する自己粘着力によって粘着させ）、それらの粘弾性体４，４の第二部材３，３側に、それぞれ、第二部材３，３の右側の部分を、接着剤（ゴム糊；天然ゴムあるいは合成ゴムを有機溶剤に溶かしたもの）７で接着することによって一体的に組み付けられている。そして、第一部材２の左側の部分の上下に、２枚の第二部材３，３が積層されており、第一部材２と上側の第二部材３との積層部分の略中央、および、第一部材２と下側の第二部材３との積層部分の略中央に、それぞれ、粘弾性体４，４が介在した状態になっている。

なお、制震ダンパー１においては、第一部材２の表面と粘弾性体４，４との界面における粘着強度が２０Ｎ／ｃｍ^２に調整されており、第二部材３，３の表面と粘弾性体４，４との界面における接着強度が５０Ｎ／ｃｍ^２以上かつ接着破断強度以下に調整されている。加えて、制震ダンパー１においては、接着剤によって接着された界面の耐剪断強度（すなわち、接着界面において剪断応力を加えた場合に、接着破壊を生じない最大の剪断強度）が５０Ｎ／ｃｍ^２以上かつ接着破断強度以下に調整されており、各粘弾性体４，４の耐剪断強度（すなわち、粘弾性体４に剪断応力を加えた場合に、粘弾性体４が破損しない最大の剪断強度）が５０Ｎ／ｃｍ^２以上かつ接着破断強度以下に調整されている。

［制震ダンパーの性能］
上記の如く構成された制震ダンパー１を水平方向に変形させ、そのときの復元力特性曲線（変位−荷重曲線）を測定した。また、比較のために、部材（第一部材および第二部材）と粘弾性体との全ての界面を接着剤によって接着した制震ダンパーを形成し、その制震ダンパーを同一の条件で水平方向に変形させたときの復元力特性曲線も測定した。それらの測定結果を図３に示す。図３より、第二部材３と粘弾性体４，４との界面を接着していない制震ダンパー１によれば、荷重の最大値（閾値）を低減できることが分かる。

［制震ダンパーの変更例］
本発明の制震ダンパーの構成は、上記実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、部材（第一部材、第二部材）、粘弾性体、接着剤の材質・形状・構造等の構成を、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することができる。

たとえば、制震ダンパーは、上記実施形態の如く、矩形で板状の第一部材の表裏両側にそれぞれ粘弾性体を介在させて矩形で板状の第二部材を積層したものに限定されず、図４の如く、中空の四角柱状の第一部材２’の外周を中空の四角柱状の第二部材３’で覆い、それらの部材の間に粘弾性体４’を介在させたものや、図５の如く、小径の円筒状の第一部材２”の外周を大径の円筒状の第二部材３”で覆い、それらの部材の間に粘弾性体４”を介在させたもの等に変更することも可能である（なお、図６は、図４の制震ダンパー１’、図５の制震ダンパー１”の長手方向に沿った断面を示したものである）。加えて、制震ダンパーを、上記実施形態の如く、矩形で板状の第一部材の表裏両側に粘弾性体を介在させて矩形で板状の第二部材を積層したものとする場合には、ネジ等により第二部材同士の間隔を所定の間隔に保つように構成することも可能である。

また、制震ダンパーは、上記実施形態の如く、第一部材と粘弾性体との間を粘弾性体の自己粘着力によって粘着するとともに第二部材と粘弾性体との間を接着したものに限定されず、図７の如く、第一部材２と粘弾性体４，４との間を接着剤７で接着するとともに第二部材３と粘弾性体４，４との間を粘弾性体４，４の自己粘着力によって粘着したものに変更することも可能である。

また、部材は、鋼板によって形成されたものに限定されず、ステンレスやアルミニウム等のその他の金属によって形成されたもの等に変更することも可能である。なお、上記実施形態の如き鋼製の部材を用いた場合には、部材が錆びたりしないようにエポキシ樹脂塗料の塗布によるカチオン電着塗装や溶融亜鉛メッキの処理をすることによって、長期間に亘って性能が変化しないものとなる。加えて、表面状態が均一化（安定化）するため、表面摩擦力が一定になることにより、粘弾性体の制震部材に対する自己粘着力の調整が容易となる。

一方、第一部材と第二部材との間に介在させる粘弾性体の材質は、スチレン系エラストマーに限定されず、その他のウレタン系エラストマー、アクリル系エラストマー、合成ゴムや天然ゴム等に変更することも可能である。加えて、部材と粘弾性体を接着する接着剤もゴム糊に限定されず、粘弾性体の材質に合わせて適宜変更することができる。

本発明に関する制震ダンパーの復元力特性曲線を示す説明図である。実施例の制震ダンパーを示す説明図である（ａは正面図であり、ｂは側面図である）。実施例の制震ダンパーの復元力特性曲線を示す説明図である。制震ダンパーの変更例を示す説明図（側面図）である。制震ダンパーの変更例を示す説明図（側面図）である。制震ダンパーの変更例を示す説明図（断面図）である。制震ダンパーの変更例を示す説明図（側面図）である。従来の制震ダンパーの復元力特性曲線を示す説明図である。

符号の説明

１・・制震ダンパー
２・・第一部材
３・・第二部材
４・・粘弾性体
７・・接着剤

Claims

第一部材と、その第一部材と同一直線状に配置されて部分的に重合する第二部材と、それらの２つの部材の重合部分の間に設置される粘弾性体とからなり、前記第一部材と前記第二部材との相反方向への動作によって前記粘弾性体を剪断変形させて減衰作用を生じさせる制震ダンパーであって、
前記第一部材と前記粘弾性体との界面、あるいは前記第二部材と前記粘弾性体との界面の内のいずれかにおいては、前記部材の表面と粘弾性体とが接着剤によって接着されているとともに、
他方の界面においては、前記部材の表面と粘弾性体とが接着剤によって接着されておらず、粘弾性体が自己粘着力によって前記部材の表面に粘着していることを特徴とする制震ダンパー。
前記接着剤による単位面積当たりの接着力が粘弾性体の単位面積当たりの自己粘着力よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の制震ダンパー。
粘弾性体の自己粘着力が５Ｎ／ｃｍ^２以上５０Ｎ／ｃｍ^２以下に調整されていることを特徴とする請求項１、または請求項２に記載の制震ダンパー。
接着剤によって接着された界面の耐剪断強度が、粘弾性体の耐剪断強度よりも大きいことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の制震ダンパー。
粘弾性体が、スチレン系エラストマー、ジエン系エラストマーであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の制震ダンパー。
前記第一部材および第二部材にエポキシ樹脂塗料が塗布されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の制震ダンパー。
前記第一部材を筒状体とし、前記第二部材を、前記第一部材に外装されて部分的に重合する筒状体として、両筒状体の重合部分の間に前記粘弾性体を介在させたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の制震ダンパー。