JP5181278B2 - ブレースダンパー - Google Patents

Description

本発明は、建物にブレースとして設置されるとともに建物の振動エネルギーを吸収するダンパーとしても機能するブレースダンパー、特に大地震から中小地震まで幅広く制震効果が得られるブレースダンパーに関する。

従来、建物の要所に制震ダンパーを設置して地震による振動や損傷をコントロールする制震構造が一般化しつつある。この種の構造に適用する制震ダンパーとしては、鋼材ダンパー、摩擦ダンパー、粘性系ダンパー等、各種のものがある。とくに、鋼材の降伏に伴う履歴吸収エネルギーを利用する鋼材ダンパーは低コストで大きな減衰性能を発揮できるものであることから広く採用されている。なかでもブレースタイプの鋼材ダンパーは機構が簡単で設計的にも扱い易く、設置スペースもさして必要としないことから、最も有効と考えられている。

ところで、鋼材ダンパーは鋼材の降伏後の塑性変形を利用してエネルギーを吸収し制震効果を得るものであり、大地震時の建物の応答を低減させることを目的とするものであるから、当然に弾性変形限度内では制震効果が発揮されず、そのため従来の鋼材ダンパーはそれ自体では様々な規模の地震に対して幅広く適用できない点で不具合であった。
また、粘性体や粘弾性体のせん断変形によるエネルギー吸収効果を利用する粘性系ダンパーは、中小地震あるいは風による微小振動から大地震まで幅広く制震効果を得ることが可能であるので、その点では鋼材ダンパーよりも有利であるといえるが、粘性系ダンパーは鋼材ダンパーに比較して構造が複雑にならざるを得ないことから、コスト高となっている現状がある。

これに対し、中小地震時にも制震効果を得ることが可能な構造のブレースダンパーが、例えば特許文献１に提案されている。
特許文献１は、帯状の鋼板からなるブレース本体と、ブレース本体の周囲に装着される拘束部材とから構成され、さらに拘束部材に取り付けたリブとブレース本体に取り付けたリブとをスプライスプレートを介して摩擦接合した摩擦ダンパーを設けたブレースダンパーであって、中小地震時には摩擦ダンパーを作動させ、大地震時にはブレース本体の軸方向変形を許容しつつ面外座屈を防止する拘束部材によって制震させることで、中小地震から大地震までの幅広く適用可能とした構造について開示したものである。
特開２００４−１９３６１号公報

しかしながら、従来のブレースダンパーでは以下のような問題があった。
すなわち、特許文献１の摩擦ダンパーを使用したブレースダンパーでは、スプライスプレートと拘束部材およびブレース本体とが接触する面圧の管理が難しいことから、中小地震による小変形領域での振動エネルギーの吸収を確実に行うことができ、高い制震効果を得ることが可能なブレースダンパーが求められており、その点で改善の余地があった。また、摩擦ダンパーの面圧を調整するためには、複雑な機構となり、コストが増大するという欠点があった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、簡単且つ安価な構造で、小変形領域において制震効果を発揮することができるブレースダンパーを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るブレースダンパーでは、建物にブレースとして設置されるとともに建物の振動エネルギーを吸収するダンパーとしても機能するブレースダンパーであって、両端が建物に対して固定され、所定軸力を受けた際に降伏する降伏部を軸方向の中央部に設けられた帯板状の鋼板からなるブレース本体と、ブレース本体の周囲に装着されることによりブレース本体の軸方向変形を許容しつつ面外座屈を防止する拘束部材と、拘束部材とブレース本体との間に介装され、降伏部よりも先行して降伏する平板形状のシアパネルダンパーとから構成され、拘束部材は、ブレース本体の軸方向の両端のうち、降伏部を挟んで一端側のみに固定されるとともに、他端部側に対して軸方向に相対変形可能な状態で装着され、シアパネルダンパーは、その平面方向が軸方向に平行配置されてなり、一端が拘束部材に固定され、他端がブレース本体に設けたリブプレートに固定されていることを特徴としている。

本発明では、ブレース本体が軸方向に弾性変形した際に作動する軽微なシアパネルダンパーをブレース本体と拘束部材との間に介装し、例えばシアパネルダンパーにブレース本体より先に降伏変形する低降伏点鋼や極低降伏点鋼などの平板部材を採用することで、大地震時にはブレース本体により優れた制震効果が得られることに加え、中小地震時においてもブレース本体の弾性変形に対してシアパネルダンパーが早期に降伏し、小変形領域の振動エネルギーをシアパネルダンパーによって確実に吸収することが可能となり、優れた制震効果を得ることができる。そして、従来一般のブレースタイプの鋼材ダンパーにシアパネルダンパーを簡単に取り付けることで構成できる構造であるので、製作や現場での取り扱いが容易であるという利点がある。

また、本発明では、ブレース本体が弾性変形を起こす方向と、シアパネルダンパーのせん断変形方向とが同じ向きとなるので、ブレース本体の軸方向に作用する振動エネルギーを効率よくシアパネルダンパーに伝達させることができる。

また、本発明に係るブレースダンパーでは、シアパネルダンパーには、そのパネル面に補強リブが固定されていることが好ましい。
本発明では、補強リブの形状、大きさなどを適宜設定することで、シアパネルダンパーの負担力や剛性を調整することができる。

本発明のブレースダンパーによれば、大地震時にはブレース本体が降伏することで従来一般のブレースタイプの鋼材ダンパーと同様に大きな減衰性能を持たせることができ、したがってブレース本体により大地震時に優れた制震効果が得られることに加え、中小地震時には降伏耐力が小さく、小さな変形から非線形性を示して履歴エネルギーを有効に吸収するシアパネルダンパーにより優れた制震効果が得られることから、ブレースダンパーとして中小地震から大地震まで幅広く適用することができる。また、面圧調整機構などの複雑な構造を要する摩擦ダンパーに比べてシアパネルダンパーが簡単な構造であるので、設計や製作が容易であり、構造のコストを低減することができる。

以下、本発明の実施の形態によるブレースダンパーについて、図１乃至図５に基づいて説明する。
図１は本発明の実施の形態によるブレースダンパーの概略構成を示す側面図、図２は図１に示すブレースダンパーの断面図であって、（ａ）はＡ−Ａ線断面図、（ｂ）はＢ−Ｂ線断面図、図３はブレースダンパーの組立状態を示す図であって、（ａ）はその斜視図、（ｂ）はその分解斜視図、図４はシアパネルダンパーの構成を示す図であって、（ａ）はその正面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線矢視図、図５は本ブレースダンパーにおけるせん断ひずみ範囲とせん断回数の関係を示す図である。

図１乃至図３の符号１は、本実施の形態によるブレースダンパーを示している。ブレースダンパー１は、ブレース本体２と、その周囲に装着されてブレース本体２の面外座屈を防止する拘束部材３とを主体として構成されたもので、ブレース本体２をブレースとして機能させるばかりでなく、それを大地震時に制震効果を発揮させるダンパーとして機能させるものとし、さらに大地震時のみならず中小地震時にも制震効果を発揮させるためのシアパネルダンパー４とを備えた構成とされている。

ブレース本体２は、帯板状の鋼板（フラットバー）からなり、その両端部が建物に対して固定されることでこれ自体が通常のブレースとして機能するものである。ブレース本体２の端部両側面２ｂにはリブプレート５、５が溶接されていて、ブレース本体２の両端部における横断面形状は十字形をなすものとされている。また、ブレース本体２は、鋼材からなり、所定軸力を受けた際にはその中央部に設定されている降伏部２ａが降伏することでダンパーとして機能するものとなっている。

本実施の形態では、ブレース本体２の素材である帯板状の鋼板の中央部両側を切除して、そこでの幅寸法を小さくして断面積を絞ることにより降伏部２ａを形成しており、このブレース本体２は大地震時にはじめて降伏して充分な制震効果が得られるようにその降伏耐力（軸耐力）は充分に大きく設定されている。換言すれば、そのブレース本体２は中小地震時には降伏するに到らず弾性変形するに留まるものである。

拘束部材３は、対のチャンネル鋼材６、６と帯鋼板からなる対のカバープレート７、７からなり、チャンネル鋼材６、６どうしを背中合わせにした状態でそれらのウェブ部によりブレース本体２を両側から挟み込み、その状態でそれらのフランジ部にカバープレート７、７をボルト締結することで全体としてＨ型断面となるように組み立てられてブレース本体２の外側に装着されている。

そのように組み立てられた拘束部材３は、ブレース本体２の面外方向への変形を拘束してその座屈を防止するものであるが、チャンネル鋼材６にはこのチャンネル鋼材６自体が面外方向に変形することを防止するための補剛材８が取り付けられている。補剛材８はチャンネル鋼材６に溶接された鋼板からなる縦リブ８ａと、それら縦リブ８ａどうしの間に溶接された同じく鋼板からなる横リブ８ｂからなり、これら縦リブ８ａと横リブ８ｂとがブレース本体２の降伏部２ａを挟み込む位置に設けられることで、ブレース本体２に対する面外方向の拘束が十分に確保されるようになっている。

上記のように組み立てられてブレース本体１に装着される拘束部材３は、ブレース本体２の面外方向への変形を拘束して面外座屈を防止するものであるが、ブレース本体２をダンパーとして機能させるためにはブレース本体２の軸方向の変形は拘束しないものとする必要があり、そのため、図２に示すように各チャンネル鋼材６、６のウェブ部とブレース本体２の表面とは、それらが互いにアンボンド（非付着）状態に維持され、軸方向に相対変形可能な状態となっている。

なお、図１、図２（ａ）、および図３（ｂ）に示すように、チャンネル鋼材６の端部には上記のリブプレート５との干渉を避けるためのスリット６ａが形成されていて、チャンネル鋼材６をブレース本体２に装着した状態ではリブプレート５がスリット６ａを通してチャンネル鋼材６の外側に位置するようになっている。そして、本実施の形態のブレースダンパー１は、そのリブプレート５と拘束部材３との両者にシアパネルダンパー４が取り付けられた構造となっている。

すなわち、ブレース本体２に装着された拘束部材３は、補剛材８が配置されてない位置においてチャンネル鋼材６およびブレース本体２を挿通する図示しない締結ボルト（図１では符号６ｂのボルト孔のみが記載されている）によりブレース本体１に対して締結され、したがって拘束部材３は上述のようにブレース本体１の軸方向変形を拘束はしないものの、締結ボルトがずれ止めとなって拘束部材３全体がブレース本体１に対して軸方向にずれてしまうことが防止されるようになっている。

図１および図２に示すように、シアパネルダンパー４は、拘束部材３とブレース本体２との間に介装されている。具体的には、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、シアパネルダンパー４は、平板形状をなすパネル本体４１と、パネル本体４１の一端に設けられたブレース本体側固定部４２と、パネル本体４１の一端面４１ａ（パネル面）に溶接により固着させた一対の縦リブ４３、４３（補強リブ）とを備えて構成されている（図３（ｂ）参照）。パネル本体４１は、その一端面４１ａの平面方向がブレース本体２の軸方向に平行配置されている。一対の縦リブ４３、４３は、それぞれ所定間隔をもって平行配置されている。パネル本体４１は、図４（ａ）に示す正面視で略Ｔ字形状に形成され、ブレース本体側固定部４２とその反対側の位置に複数のボルト挿通孔４１ｂ、４１ｂ、…を形成した拘束部材側固定部４１ｃを有している。また、ブレース本体側固定部４２には、その厚さ方向に貫通する複数のボルト挿通孔４２ａが形成されている。

すなわち、図２（ａ）に示すように、シアパネルダンパー４は、ブレース本体側固定部４２がブレース本体２の端部側面２ｂに固定されているリブプレート５にボルト挿通孔４２ａを使用してボルト締結されるとともに、拘束部材側固定部４１ｃがカバープレート７に取り付けられた断面Ｌ字形状のアングル鋼材１０を介してボルト挿通孔４１ｂを使用してボルト締結される構造となっている。そして、シアパネルダンパー４は、ブレース本体２の軸方向に対して直交する面内において、ブレース本体２を挟んだ両側の位置と、リブプレート５を挟んだ両側の位置のそれぞれの４箇所（符号４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ）に設置されている。

このように構成されるシアパネルダンパー４のパネル本体４１は、ＳＮ４００やＳＮ４９０を用いても良いし、それらに比べて降伏点が低く、延性が高い性質を有する低降伏点鋼や極低降伏点鋼を採用しても良い。本実施の形態では、従来の鋼材ダンパーに比べてシアパネルダンパー４によって早期に降伏変形を促すことが可能とされ、比較的小変形時から減衰性能を発揮することから、拘束部材３とブレース本体２との間でせん断力が作用したときに、パネル本体４１が降伏することでダンパーとして機能するものとなっている。

つまり、シアパネルダンパー４の軸耐力はブレース本体２の降伏耐力よりも充分に小さく設定されており、ブレース本体２が降伏変形するに到らず微小な弾性変形を生じるに留まる中小地震時において、シアパネルダンパー４が作動する機能をもたせたものとなっている。そのため、シアパネルダンパー４は、中小地震時におけるブレース本体２の弾性変形に対して、パネル本体４１が早期に降伏し、降伏後に振動エネルギーを吸収して振動を減衰することにより軽微なダンパーとして機能し、それにより中小地震時における振動減衰効果が得られるようになっている。
そして、ブレース本体２が弾性変形を起こす方向と、シアパネルダンパー４のせん断変形方向とが同じ向きとなるので、ブレース本体２の軸方向に作用する振動エネルギーを効率よくシアパネルダンパー４に伝達させることができる。

また、本実施の形態のブレースダンパー１は、想定する中小地震の規模等に応じてシアパネルダンパー４の負担力や剛性を調整することにより、変形に応じた種々の減衰性能を設定することができ、どの程度の変形でどのような減衰性能を与えるかを容易に設計することができる。具体的には、パネル本体４１の厚さ寸法、幅寸法、或いは縦リブ４３の形状、大きさなどを適宜変更することで、シアパネルダンパー４の負担力や剛性を調整することができる。
さらに、従来一般のブレースタイプの鋼材ダンパーにシアパネルダンパー４を簡単に取り付けることで構成できる構造であるので、製作や現場での取り扱いが容易であるという利点がある。

次に、上述したシアパネルダンパー４の具体的な設計例について、図５などを使用して説明する。
図４に示すシアパネルダンパー４の材料としてＳＮ４００を使用すると、このときのせん断降伏歪γｙが０．１７２％であるので、シアパネルダンパー４の幅寸法Ｄを１２０〜１８０ｍｍとすれば、降伏変位は０．２〜０．３ｍｍとなる。なお、図１〜図３に示すように、このシアパネルダンパー４の降伏変位は、実際にはシアパネルダンパー４に対してブレース本体２の軸方向に直列に接続されている補剛材８の軸変形によって、これより大きくなるが、ブレース本体２の降伏変位が２〜３ｍｍであることと比べると、小さくなり、小変形領域での制震効果が発揮されることになる。

つまり、大地震時のダンパー力は、ブレース本体２が負担するので、シアパネルダンパー４は、その１０〜２０％を負担すればよいことになる。したがって、シアパネルダンパー４として、例えば、以下のように設計することができる。
シアパネルダンパーの幅寸法Ｄ １２０ｍｍ
シアパネルダンパーの厚さ寸法ｔ ２．３ｍｍ
せん断降伏応力度 １３６Ｎ／ｍｍ^２
シアパネルダンパー１台の負担力 ３７．５ｋＮ
シアパネルダンパー４台の負担力 １５０ｋＮ

上記のように設計されたシアパネルダンパー４では、ブレース本体２の負担力をシアパネルダンパーの１０倍とすると、１５００ｋＮクラスのダンパーを想定することができる。そして、シアパネルダンパー４の幅寸法Ｄと厚さ寸法ｔとの比（Ｄ／ｔ）が５２となり、図５に示す既往の実験によるとＤ／ｔ＝３０と、Ｄ／ｔ＝５０の低サイクル疲労曲線はほぼ同じであり、差異がないことから、本シアパネルダンパー４は実用的であると判断できる。
また、図５によると、両振幅△γが１０％〜１５％以上になると、降伏による破断回数は１０回以下となる。そして、シアパネルダンパー４の幅寸法Dが小さいので、大地震時には変形が過大となり、繰り返し変形に対して低サイクル疲労による破断を想定する必要があるが、ブレース本体２は大地震を想定して設計されているので、ダンパー全体としては問題はなく、また破断したシアパネルダンパー４は大地震後に交換すればよい。

上述した本実施の形態によるブレースダンパーでは、大地震時にはブレース本体２が降伏することで従来一般のブレースタイプの鋼材ダンパーと同様に大きな減衰性能を持たせることができ、したがってブレース本体２により大地震時に優れた制震効果が得られることに加え、中小地震時には降伏耐力が小さく、小さな変形から非線形性を示して履歴エネルギーを有効に吸収するシアパネルダンパー４により優れた制震効果が得られることから、ブレースダンパーとして中小地震から大地震まで幅広く適用することができる。
また、面圧調整機構などの複雑な構造を要する摩擦ダンパーに比べてシアパネルダンパー４が簡単な構造であるので、設計や製作が容易であり、構造のコストを低減することができる。

次に、上述した実施の形態の変形例について、添付図面に基づいて説明する。
図６は実施の形態の変形例によるシアパネルダンパーの構成を示す図であって、（ａ）、（ｂ）はそれぞれ図４（ａ）、（ｂ）に対応する図である。
図６に示すように、変形例によるシアパネルダンパー９は、上述した実施の形態のシアパネルダンパー４と比べてパネル本体９１の幅寸法Dは小さく、且つ一端面９１ａ（パネル面）において一対の縦リブ９３の長さ寸法が短く、一対の縦リブ９３、９３どうしを繋ぐようにして横リブ９４を配した構成である点で上述した実施の形態と異なっている。なお、符号９２はブレース本体側固定部であり、パネル本体９１の一端側（ブレース本体側固定部９２と反対側）には拘束部材固定部９１ｃを有しており、これらは上述した実施の形態と同様にボルト挿通孔９１ｂ、９２ａが形成された構造となっている。
本変形例による制震構造では、上述した実施の形態と同様に、中小地震時には降伏耐力が小さく、小さな変形の振動エネルギーを吸収するシアパネルダンパー９により制震効果を得ることができる構造であることから、本ブレースダンパー１は中小地震から大地震まで幅広く適用することができる。

以上、本発明によるブレースダンパーの実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、シアパネルダンパー４の形状、寸法は、ブレース本体２よりも負担力が十分に小さくなる場合に限って、適宜な設計的変更が可能である。例えば、本実施の形態および変形例では、縦リブを上下方向に延ばして配置させているが、この縦リブの厚さ寸法、幅寸法（ブレース本体２の軸方向に沿う長さ寸法）、配置間隔など、配置形態、或いは、パネル本体４１、９１の厚さ寸法など任意に設定することができる。要は、シアパネルダンパー４、９がブレース本体２より先に降伏し、小変形領域の振動エネルギーを吸収できればよいのである。
また、シアパネルダンパー４、９の組み込み構造、つまり取り付け構造もボルト締結によるものに制限されることはない。

本発明の実施の形態によるブレースダンパーの概略構成を示す側面図である。 図１に示すブレースダンパーの断面図であって、（ａ）はＡ−Ａ線断面図、（ｂ）はＢ−Ｂ線断面図である。 ブレースダンパーの組立状態を示す図であって、（ａ）はその斜視図、（ｂ）はその分解斜視図である。 シアパネルダンパーの構成を示す図であって、（ａ）はその正面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線矢視図である。 本ブレースダンパーにおけるせん断ひずみ範囲とせん断回数の関係を示す図である。 実施の形態の変形例によるシアパネルダンパーの構成を示す図であって、（ａ）、（ｂ）はそれぞれ図４（ａ）、（ｂ）に対応する図である。

符号の説明

１ ブレースダンパー
２ ブレース本体
２ａ 降伏部
３ 拘束部材
４、４Ａ〜４Ｄ、９ シアパネルダンパー
５ リブプレート
６ チャンネル鋼材
７ カバープレート
８ 補剛材
４１、９１ パネル本体
４１ａ、９１ａ 一端面（パネル面）
４１ｃ、９１ｃ 拘束部材側固定部
４２、９２ ブレース本体側固定部

Claims (2)

1. 建物にブレースとして設置されるとともに建物の振動エネルギーを吸収するダンパーとしても機能するブレースダンパーであって、
   両端が建物に対して固定され、所定軸力を受けた際に降伏する降伏部を軸方向の中央部に設けられた帯板状の鋼板からなるブレース本体と、
   該ブレース本体の周囲に装着されることにより前記ブレース本体の軸方向変形を許容しつつ面外座屈を防止する拘束部材と、
   該拘束部材と前記ブレース本体との間に介装され、前記降伏部よりも先行して降伏する平板形状のシアパネルダンパーと、
   から構成され、
   該拘束部材は、該ブレース本体の軸方向の両端のうち、前記降伏部を挟んで一端側のみに固定されるとともに、他端部側に対して前記軸方向に相対変形可能な状態で装着され、
   前記シアパネルダンパーは、その平面方向が前記軸方向に平行配置されてなり、一端が前記拘束部材に固定され、他端が前記ブレース本体に設けたリブプレートに固定されていることを特徴とするブレースダンパー。
2. 前記シアパネルダンパーには、そのパネル面に補強リブが固定されていることを特徴とする請求項１に記載のブレースダンパー。

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