以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。ただし、本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、以下に示す実施形態に限定されるものではない。なお、本明細書においては同一又は同様の機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
(実施形態1)
図1に、本実施形態に係るエネルギー吸収支持装置1を示す。本図に示すとおり、本実施形態に係るエネルギー吸収支持装置1は、一方向に沿って延びる支持部材2と、支持部材2の延びる方向に沿って支持部材2と摺動可能な摺動部材3と、貫通孔41が形成され、支持部材2に固定される第一の固定部材4と、貫通孔51が形成され、摺動部材3に固定される第二の固定部材5と、第一の固定部材4における貫通孔41と第二の固定部材5における貫通孔51とを貫通するよう挿入される棒状部材6と、第一の固定部材4及び第二の固定部材5を挟むように棒状部材6に固定される第一のストッパー部材71及び第二のストッパー部材72と、を少なくとも有している。また、本実施形態に係るエネルギー吸収支持装置1は、上記構成のほか、長さ調節部材83を介して支持部材2に接続される第一の連結部材81と、摺動部材3に接続される第二の連結部材82と、を有している。
支持部材2は、摺動部材3が摺動する方向を規制し、摺動部材3との組み合わせにより、第一の連結部材81と第二の連結部材82との間の相対変位を第一の固定部材4と第二の固定部材5に伝達することができるものである。支持部材2は、上記機能を奏する限りにおいて限定されないが、例えば図2の例で示すように、凹部21のある円形断面を有する円柱状の棒を採用することは好ましい一例である(凹部21の機能については後述する。)。なお、図2は、図1におけるAーA線で支持部材2を切断し、斜めから見た場合のイメージ図である。また、摺動部材3も、上記機能を奏する限りにおいて限定されず、例えば、図2の例で示すように、支持部材2が挿入可能な空間31が形成された円筒状の部材を採用することは好ましい一例である。支持部材2の材質については特段に限定されず、例えばS45C、SCM435であることが好ましく、摺動部材3の材質についても特に限定されないが、例えばSTKM13A、STKM13Cであることが好ましい。
なお、図2で示す例の場合、支持部材2と摺動部材3は、摺動する過程において、支持部材2の凹部21と摺動部材3との間にすべりキー32を配置し、このすべりキー32を摺動部材3に対して固定させることで(例えば図3の例で示すように、摺動部材3を貫通してすべりキー32の位置を固定する皿ボルト33を用いて固定させることで)、摺動部材3が支持部材2に対する(軸22と垂直な面内の)回転を制限することが容易に可能となり、後述する棒状部材6が通る2つの貫通孔41,51の中心軸がずれるのを防止することができる(図3は、図1におけるすべりキー32近傍部分の拡大図である。)。なお、軸22と垂直な面内における回転を制限することができる構造については、上記以外の方法を採用することが当然に可能であり、例えば図4の例で示すように、支持部材2にスリット23を形成し、摺動部材3に軸22と垂直な方向の貫通孔34を形成し、これらをピン35で貫通させることも好ましい(例えば図4参照。なお図4(A)は組立前の部分斜視図を示し、図4(B)は組立後の部分断面図を示す。)。
また、本実施形態に係るエネルギー吸収支持装置は、上記記載のとおり、貫通孔41、51がそれぞれ形成された第一の固定部材4及び第二の固定部材5と、貫通孔41、51を貫通するよう挿入されている棒状部材6と、第一の固定部材4と第二の固定部材5を間に挟むように第一のストッパー部材71及び第二のストッパー部材72と、を有して構成されている。これにより本実施形態に係るエネルギー吸収支持装置は、棒状部材6に引張荷重のみを加えることが可能となる。ここで、これらが組み合わされることによるエネルギー吸収の動作について図5の概念図を用いて詳細に説明する。図5は、説明を簡略化するため、本実施形態に係るエネルギー吸収支持装置における第一の固定部材4、第二の固定部材5、棒状部材6、第一のストッパー部材71、第二のストッパー部材72の構成要件のみを簡略化して記載している。
支持部材2と摺動部材3とは、上記説明から明らかなように、支持部材2の軸22の方向に沿って摺動可能である。一方、第一の固定部材4及び第二の固定部材5はそれぞれ支持部材2、摺動部材3に固定されている。したがって、第一の固定部材4と第二の固定部材5の距離は、支持部材2と摺動部材3との摺動に応じて可変となる。ここで、第一の連結部材81と第二の連結部材82の間に相対変位が生じた場合について考えると、第一の固定部材4及び第二の固定部材5の距離は増大し、これら固定部材はいずれ第一のストッパー部材71及び第二のストッパー部材72と接触する(図5(A)参照)。そしてこの状態から更に第一の固定部材4及び第二の固定部材5の距離を増大させる方向に力が加わると、棒状部材6は第一のストッパー部材71及び第二のストッパー部材72を介して軸22の方向の弾性変形の力で抵抗する。そして発生する応力が降伏点を越えると軸22の方向に一様に塑性変形を起こし、エネルギーを吸収し始める(図5(B))。一方、第一の固定部材4と第二の固定部材5との距離が減少する場合、第一のストッパー部材71、第二のストッパー部材72の少なくとも一方が第一の固定部材4又は第二の固定部材5から離れるため(図5(C)参照)、棒状部材6には引張の力も圧縮の力も生じない。つまり、これにより引張荷重のみを棒状部材6に加えさせることが可能となる。なお、支持部材2と摺動部材3との摺動過程において第一の固定部材4の貫通孔41及び第二の固定部材5の貫通孔51を貫通して挿入されている必要があるため、一の棒状部材6が貫通する各貫通孔41、51の中心軸は(軸22に沿った方向からエネルギー吸収支持装置を見た場合)一致させておくことが好ましい。
第一の固定部材4は、上記機能を奏することができる限りにおいて限定されないが、例えば図6の例で示すように、軸22に対して垂直な面42を有し、ロックナット43で固定する平板により容易に実現可能である。また第二の固定部材5においても上記機能を奏することができる限りにおいて限定されず、図7の例で示すように、軸22に対して垂直な面52を有し、調整部材53で固定される平板により容易に実現可能である。なおもちろん、支持部材2と第一の固定部材4は一体に形成されていてもよく、摺動部材3と第二の固定部材5も一体に形成されている構成も採用可能である。また、第一の固定部材4及び第二の固定部材5は、棒状部材6を支持部材2及び摺動部材3の周囲に均等に複数配置することができるように、円形状の平板であることは好ましい一態様である。
棒状部材6は、上記機能を奏することができる限りにおいて限定されず、例えばボルトであることは好ましい一態様である。ボルトは全ねじであっても部分ねじであってもよく、限定されるわけではないが、部分ねじの場合は転造ねじであることが好ましい。転造ねじであれば、有効断面積が大きく、軸部に大きな塑性変形量を確保することができる。また、限定されるわけではないが、図8の例で示すように、棒状部材6には、軸方向に垂直な面で切った断面が小さくなる断面縮小部61を有していることも好ましい一態様である。断面縮小部61を有すると、棒状部材6に引張荷重が加わった場合、断面縮小部61を優先的に塑性変形させ、一様な塑性変形を確実にすることができる。また、棒状部材6の他の部分の塑性変形を防止し、上述した図6の例で示すようにストッパーなどにナットを用いた場合、ボルトの塑性変形後のナットの着脱を容易にするといった効果もある。断面縮小部は削りだしてもよいし、摩擦圧接などの溶接(溶接効率1.0以上)で接合してもよい。なお、棒状部材6の材質は、塑性変形を起こすことでエネルギー吸収ができる限りにおいて限定されないが、降伏比が小さくて延性に富んだ材料であることが好ましく、例えばSS400、SS330、低降伏点鋼、SUS304等を好適に採用することができる。また、棒状部材6の本数は一以上あれば限定されないが、支持部材2及び摺動部材3に生じる曲げモーメント及びこれによる曲げ変形を抑えるために支持部材2の周囲に均等に配置することが好ましく、更には、軸22を中心として対称に配置した二本一組の棒状部材6を複数組配置することが好ましい。
第一のストッパー部材71及び第二のストッパー部材72は、棒状部材2に固定可能である限りにおいて限定されず、棒状部材6がボルトである場合、例えば上述した図6の例で示すように、ナットであることは好ましい一態様である。
棒状部材6が複数ある場合、第一のストッパー部材71及び第二のストッパー部材72の間の距離は、他の棒状部材のそれと異なっていても同じであってもよい。異なる場合は、ストッパー部材間の距離が最も距離の短い一の棒状部材がまず塑性変形し、その塑性による変形に伴い順次他の棒状部材を段階的に塑性変形させていくことが可能となり、小さな地震から大きな地震まで対応できるエネルギー吸収支持装置とすることができる。もちろん、これらを組み合わせたものであってもよく、各棒状部材6の径や材質を変えることにより適宜調整することも可能である。なおここで、図9(A)に、複数の棒状部材におけるストッパー部材間の距離を異ならせた場合の荷重−変形曲線の概念図を示す。曲線と横軸の間の面積は、複数のボルト全体で吸収できるエネルギー量を示す。なお、図9(A)は同径、同材質の棒状部材を2本一組とした3組6本を摺動部材3の軸に対し対称に配置した例を示している(図9(B)参照。図9(B)は、第二の固定部材を軸22に沿った方向から見た場合の図である)。
また、第一のストッパー部材71及び第二のストッパー部材72のうちの一方は、第一の固定部材4又は第二の固定部材5の一方に対し固定されていることが好ましい。例えば上記した図1に示す例では、第一のストッパー部材71と第三のストッパー部材73により第一の固定部材4に固定されている。棒状部材6を一方、例えば第一の固定部材4に固定することで、棒状部材6の回転を防止するとともに、棒状部材6の摺動を第二の固定部材5における貫通孔51に限定し、棒状部材6の摺動を正確に制御することができるようになる。第一のストッパー部材71の直角度の狂いなどによって棒状部材6が固定部近傍や断面変化部などの局部に曲げによる塑性変形を初期の段階で生じても、棒状部材が回転しないことによって新たな曲げの発生がなくなり、交番の塑性歪の発生が避けられ、疲労による破断が防止される。
なお、第一のストッパー部材71と第一の固定部材4の間に球面座金を設けることも好ましい態様である。このようにすることで、第一の固定部材4の第一のストッパー部材71に当たる面又は第一のストッパー部材71の第一の固定部材4に当たる面の軸心22に対する直角度に狂いがあっても、球面座金を調整することによって棒状部材6の調芯が可能となる。
また、球面座金は凹部を厚みと径の大きい当たり部材に埋め込んだものを用いるのも好ましい態様である。当たり部材に埋め込むことは、球面座金に圧縮荷重が加わったときの半径方向の分力による凹部の割れを防止し、また、第一の固定部材4との接触面の面圧を小さくする効果がある。なお、当たり部材と球面座金の凹部は一体で製作されたものであってもよい。
また、当たり部材と第一の固定部材との間に緩衝部材を挟むことも好ましい態様である。緩衝部材は、第二のストッパー部材が第二の固定部材に当たったときの衝撃を緩和する効果があり、後述するように曲げモーメント等の発生を緩和する効果もある。緩衝部材には、例えばゴム、ゴム張りの鋼板等を用いることができる。
また、球面座金を均等に押圧する部材(球面座金押圧部材)を取り付けることはより好ましい。均等に押圧することによって、球面座金の球面が滑ることなく、調整された状態が維持される。図10により、これらを概念図によって説明する。なお、球面座金の凹部と当たり部材とは一体で表している。
図10(A)において、ボルトを2つの貫通孔41、51に通した状態で球面座金を調整することによって調芯が行われ、その状態が球面座金押圧部材によって維持される。矢印は球面座金押圧部材を押圧する方向を示す。これによって、第二のストッパー部材と第二の固定部材が当たって棒状部材6に引張荷重が生じたときに曲げモーメントや曲げによる局部塑性変形(以下、曲げモーメント等という)の発生が抑えられる。支持部材2と摺動部材3の摺動部のギャップなどによって第一の固定部材4の貫通孔41と第二の固定部材5の貫通孔51の中心軸にずれを生じても、球面座金の球面が滑り、調芯が行われる。ボルトに引張荷重が作用した際の圧縮荷重によって球面の摩擦力が大きくなり、球面が滑らなくなった場合には、緩衝部材の厚み方向の変形によって曲げモーメント等の発生が緩和される。
図11は球面座金押圧部材76の一態様であり、第三のストッパー部材73と第一の固定部材4との間に弾性体、例えば圧縮ばね75を有して構成されている。
更に、球面座金押圧部材76として、図12の他の例として示す構成も有用である。この球面座金押圧部材76は、第一のストッパー部材71と他のストッパー部材766に挟まれて固定された支持板761を有し、この支持板761と、第一の固定部材4に固定され、支持板761を貫通するボルト762a、762bと、支持板761とナット763a、763bとの間に配置される弾性体としての圧縮ばね765a、765bと、を有して構成されている。
更に、球面座金押圧部材76として、図13の他の例として示す構成も有用である。この球面座金押圧部材76は第一のストッパー部材71と他のストッパー部材766に固定された支持板761と、第一の固定部材4と支持板761との間に配置される弾性体としての引張ばね765c、765dと、を有して構成されている。
また、棒状部材6の第二のストッパー部材72と第二の固定部材5の間に球面座金74を設け、球面座金押圧部材76で押圧することも好ましい態様である。球面座金は第二の固定部材5に取り付けることもできるし、第二のストッパー部材72に取り付けることもできる。いずれの場合も、球面座金を調整することによってボルトの調芯が行われ、球面座金押圧部材によって維持される。図10(B)、(C)により、これらを概念図によって説明する。なお、球面座金の凹部と当たり部材とは一体で表している。
第二の固定部材5と第二のストッパー部材72の間に間隙がない場合には、第一の固定部材側と同じように球面座金を調整することによって調芯が可能となる。間隙がある場合も、間隙の調寸と併せ、適切な治具を用いて調整することが可能である。調整が不十分であっても、それぞれ図10(B)、(C)に示すように、第二のストッパー部材72が偏芯して球面座金に接したとき、または当たり部材が偏芯して第二の固定部材5に接したときに球面座金が球面を滑り、調芯が行われ、球面座金押圧部材によって維持される。こうして、第一の固定部材側と同じように、第二のストッパー部材と第二の固定部材が当たって棒状部材に引張荷重が生じたときに曲げモーメント等の発生が抑えられる。緩衝部材の効果も同様である。なお、球面座金には、摩擦係数と曲率の組み合わせが、球面座金または当たり部材が第二の固定部材または第二のストッパー部材に偏芯して接したときに球面が滑るに必要な条件を満たすものを用いる。
図14は球面座金を第二の固定部材5に取り付けた場合の球面座金押圧部材76の一態様であり、球面座金74を挟むように配置される支持板761と、第二の固定部材5に固定されて支持板761を貫通するボルト762a、762bと、支持板761とナット763a、763bのそれぞれの間に配置される弾性体としての圧縮ばね765a、765bと、を有して構成されている。
球面座金押圧部材76は図14の例に限定されることはなく、例えば図15で示すような構成を採用することもできる。図15の例で示す球面座金押圧部材76は、球面座金74を挟むように配置される支持板761と、第二の固定部材5に固定されて押え板767を貫通するボルト762a、762bと、押え板767を挟んでボルト762a、762bにそれぞれ固定されるナット763a、763bと、支持板761と押え板767の間に配置される弾性体としての圧縮ばね765と、を有している。なお、図16で示すとおり、押え板767の中心には穴があけられており、第二のストッパー部材72が貫通可能となっている。
更に球面座金押圧部材76は、図16で示すような構成を採用することもできる。図16の例で示す球面座金押圧部材76は、ほぼ図15と同様であるが、球面座金74を挟むように配置される支持板761と、固定部材5に固定される中間支持部材768を有し、支持板761と中間支持部材768に固定される締付部材7611の間に配置される弾性体としての圧縮ばね765と、を有している。このような構成によって圧縮ばね765の位置決めと押圧力の制御が容易に行われるようになる。なお、中間支持部材768と締付部材7611は中心に穴を有しており、第二のストッパー部材72が通過できるようになっている。
図17は球面座金を第二のストッパー部材72に取り付けた場合の球面座金押圧部材の一態様である。図17の例で示す球面座金押圧部材76は、棒状部材6に固定されたスリーブ62と第二のストッパー部材72との間に弾性体としての圧縮ばねを有して構成されている。スリーブは摺動に必要な長さがあり、圧縮ばね63の外径は第二の固定部材5の貫通孔51よりも小さく、スリーブ62と同様に貫通孔51内を移動可能となっている。スリーブの材質は、上記機能を奏する限りにおいて限定されず、例えばポリエチレンテレフタレートなどの樹脂でもよい。
本実施形態におけるエネルギー吸収支持装置1は、上記の構成により、引張荷重のみを棒状部材6に加え、軸22の方向にのみ延伸させることができるが、更に、図18で示すように、支持部材2、摺動部材3、第一の固定部材4及び第二の固定部材5並びに棒状部材6を覆うように配置されかつ支持部材2に固定されるカバー部材91と、摺動部材3に固定される第三の固定部材96と、カバー部材91と第三の固定部材96にわたって摺動部材3を覆う伸縮自在のベローズ95と、カバー部材91に固定されるインジケータ部材94と、第三の固定部材96に固定され、かつ、このインジケータ部材94を貫通するインジケータ用棒状部材93と、を有して構成されている。インジケータ用棒状部材93にはインジケータ部材94を挟むように2つの移動インジケータ部材941a、941bがはめ込まれている。カバー部材91と第三の固定部材96とベローズ95は雨水や砂塵などから要部を保護するものであり、インジケータ用棒状部材93とインジケータ部材94はボルトの累積塑性変形量を観測するためのものである。例えば摺動部材3が支持部材2に対し軸22の方向に摺動した場合、第三の固定部材96及びこれに固定されるインジケータ用棒状部材93がこれに伴い移動する。すると、インジケータ用棒状部材93がインジケータ部材94を貫通する点の位置がずれ、移動インジケータ部材941aが押されて移動する。この結果、この構成がインジケータとなり、移動インジケータ部材941aの起点(初期状態)からの移動量を観測することによって、装置内部における棒状部材6の塑性変形の状態が分かるようになる。累積塑性変形量の正確な値は、棒状部材6を取り出し、組立時からの伸び量を測定することによって知ることができる。
第一の連結部材81、第二の連結部材82は、このエネルギー吸収支持装置を配管又は支持構造物に接続させるために設けられるものであり、貫通孔811、821をそれぞれ有して構成されている。実際の設置状態においては、例えば配管に固定したアタッチメントにクレビスを設置し、クレビスの貫通孔と第一の連結部材81の貫通孔とを貫通するピン又はボルトを挿入してピン又はボルトの軸を中心に回転可能に接続させ、一方、支持構造物にも貫通孔を有するクレビスを設置し、クレビスの貫通孔と第二の連結部材82の貫通孔とを貫通するピン又はボルトを挿入してこの軸を中心に回転可能に接続させることで設置が可能となる。この設置の例を例えば図19に示す。図19(A)は設置の概略を、図19(B)はクレビス近傍(支持構造物側)の部分をそれぞれ示す図である。連結部材の貫通孔の位置には、貫通孔を有する球面軸受を配してもよい。球面軸受にすれば、任意の方向の比較的大きな角変位にも追従することができる。1台のエネルギー吸収支持装置の荷重―変形曲線が、例えば図9(A)に示したようなものであれば、2台をこのように対称に配置することにより、2台一組で図20に示すようなスリップ型の復元力特性を有するものとなり、2倍のエネルギー吸収能力をもって正負両方向の地震力に抵抗し、振動を抑制する。地震が去った後、塑性変形によって伸びたボルトを交換すれば、復元力特性は元に戻される。
なお、本エネルギー吸収支持装置1は、ストッパー部材が固定部材から離れる方向の配管の変位には抵抗することなく追従する。したがって、配管の管軸方向の振動を抑制しようとするとき、運転停止時の変位の方向が互いに逆向きとなる領域がある場合、それらの領域を選んで2台を配置すれば、安全に運転を停止することができる。このような場合に限定すれば、熱膨張等のある配管にも使用することができる。
以上により、本発明は、安定していて再現性のある復元力特性を有し、地震力の大きさに応じて塑性変形する部材の数が増大し、また、累積塑性変形量を目視で判断できるエネルギー吸収支持装置となる。
(実施形態2)
本実施形態に係るエネルギー吸収支持装置は、実施形態1とほぼ同様の構成を有するが、これに加え、弾性変形に基づく変位吸収機構及びそれに伴う部材を設けた点が異なる。以下、本実施形態に係るエネルギー吸収支持装置について説明する。なお、実施形態1と同様な構成については特に言及する場合を除き説明を省略し、同様な機能を有する部材については同じ符号を付する。
図21に、本実施形態に係るエネルギー吸収支持装置1を示す。本図に示すとおり、本実施形態に係るエネルギー吸収支持装置1は、実施形態1と同様、一方向に沿って延びる支持部材2と、支持部材2の延びる方向に沿って支持部材2と摺動可能な摺動部材3と、貫通孔41が形成され、支持部材2に固定される第一の固定部材4と、貫通孔51が形成され、摺動部材3に固定される第二の固定部材5と、第一の固定部材4における貫通孔41と第二の固定部材5における貫通孔51とを貫通するよう挿入される棒状部材6と、第一の固定部材4及び第二の固定部材5を挟むように棒状部材6に固定される第一のストッパー部材71及び第二のストッパー部材72と、を少なくとも有しており、更に、支持部材2上を摺動可能に配置される第一のスペーサ91と、摺動部材3の周囲に摺動可能に配置される第二のスペーサ部材92と、第一のスペーサ部材91及び第二のスペーサ部材92の間に配置される弾性体93と、第一の固定部材4と第二のスペーサ92の間の長さを調整するための調整部材94と、を有して構成されている。なお、本実施形態に係るエネルギー吸収支持装置1も、上記構成のほか、実施形態1と同様、長さ調節部材83を介して支持部材2に接続される第一の連結部材81と、摺動部材3に接続される第二の連結部材82と、を有している。
第一のスペーサ部材91は、限定されるわけではないが、平板911、913と、平板911、913に固定される長さ部材912と、を有して構成されており、支持部材2上を摺動可能に配置されている。
第一のスペーサ部材91における平板911、913は、中空となっており、この中空部分に支持部材2が間隙を有して貫通するよう配置されている。なお、本実施形態においては、この中空部分に摺動部材3の先端部分も間隙を有して貫通するよう配置されており、更に、摺動部材3の先端には返し部材36が配置されている。これにより第一のスペーサ部材91は、摺動部材3が支持部材2と離れる方向に摺動するに伴い摺動することができる。なお、第一のスペーサ部材91における長さ部材912は、第一の固定部材4と平板911との距離を調整するための部材となっている。
第二のスペーサ部材92は、平板921、924と、平板921、924に固定される長さ部材922と、を有して構成されており、摺動部材3の周囲に配置されている。
第二のスペーサ部材92における平板921、924は中空となっており、この中空部分に摺動部材3が貫通するよう配置されている。第二のスペーサ部材92における長さ部材922は、平板921と第二の固定部材5との距離を調整するための部材であるが、本実施形態においては、長さ部材922には更に予圧縮部材923により予圧縮力の大きさの調整が可能となっている。なお、予圧縮部材923としては、限定されるわけではないが、ボルトで構成されていると調整が容易であり好ましい。
弾性体93は、第一のスペーサ部材91及び第二のスペーサ部材92の間に配置され、第一のスペーサ部材91及び第二のスペーサ部材92の距離に応じて抵抗力を発生させることができるものである。弾性体93の材質は、上記の機能を有する限り限定されるものではないが、図21の例で示すように、例えば圧縮ばねであることは好ましい態様である。
調整部材94は、第一の固定部材4と第二のスペーサ部材92との間の最大長さを調整するための部材であり、限定されるわけではないが、図21の例で示すように、第一の固定部材4と第二のスペーサ部材92を貫通するスペーサ用棒状部材941と、第一の固定部材4及び第二のスペーサ部材92を挟むように配置される第一の調整部材用ストッパー部材942及び第二の調整部材用ストッパー部材943と、を有している。調整は、予圧縮部材923で弾性体93に予圧縮を与えた状態で行なわれる。なお、本実施形態におけるスペーサ用棒状部材941は、図21の例に示すように、第一のスペーサ部材91及び第二のスペーサ部材92の摺動方向を規定できるよう、第一のスペーサ部材91の平板911、913及び第二のスペーサ部材92の平板921、924も貫通している。なお、本実施形態においてはスペーサ用棒状部材941の貫通のため、第一の固定部材4、第一のスペーサ部材91の平板911、913、第二のスペーサ部材92の平板921、924、第二の固定部材5には貫通孔がそれぞれ形成されている。
本実施形態に係るエネルギー吸収支持装置は、上記の構成を採用することで、弾性体の圧縮による変位吸収及び復元力による抵抗力を加えることができる。具体的に図22を用いて説明する。まず、荷重の無い状態(図22(A))から、第一及び第二の連結部材81、82の間に引張荷重が発生すると、摺動部材3は支持部材2から離れる方向に摺動を開始する。すると、摺動部材3における返し部材36が第一のスペーサ部材91の平板911を押し、第一のスペーサ部材を摺動させる(図22(B))。この際、第二のスペーサ部材92は、調整部材94により第一の固定部材4との距離が一定に保たれているため、第一のスペーサ部材91と第二のスペーサ部材92との間の距離は小さくなる。この距離が小さくなると、弾性体93が圧縮されて復元力が生じ、引張荷重に対する抵抗力となる。そして、更に摺動部材3が摺動すると、第二の固定部材5が第二のストッパー部材72に接し、その後は実施形態1と同様の塑性変形による変位吸収も可能とする(図22(C))。なお、荷重の無い状態(図22(A))から、摺動部材3が支持部材2に近づく方向に摺動したときには、弾性体93が圧縮されて復元力が生じ、圧縮荷重に対する抵抗力となる。このとき、第二のストッパー部材72は第二の固定部材5から離れるため、棒状部材6には圧縮荷重は作用しない。
以上により、熱膨張等による変位への追従を含めて所定の変位までは従来のばね式防振器と同様の機能を果たし、所定の変位を超えてからは実施形態1の機能が加わるエネルギー吸収支持装置とすることができる。これによって、従来のばね式防振器では大きな地震力に対応できなかったという問題も解決される。
(実施形態3)
図23に、本実施形態に係るエネルギー吸収支持装置の概略図を示す。なお本実施形態において、実施形態1と同様な機能を有する部材については同じ符号を付し、説明を省略する。
本図に示すとおり、本実施形態に係るエネルギー吸収支持装置1は、支持部材2と、支持部材2に沿って支持部材と摺動可能な摺動部材3と、貫通孔41が形成され、支持部材2に固定される第一の固定部材4と、貫通孔51が形成され、摺動部材3に固定される第二の固定部材5と、第一の固定部材4における貫通孔41と第二の固定部材5における貫通孔51とを貫通するよう挿入される棒状部材6と、第一の固定部材4及び第二の固定部材5を間に挟むように棒状部材6に固定される第一のストッパー部材71及び第二のストッパー部材72と、を少なくとも有して構成されている。また本実施形態に係るエネルギー吸収支持装置1では、摺動部材3側に、軸部材84に接続される第一の連結部材81及び長さ調節部材83を有している。なお、軸部材84には軸部材用ストッパー部材841が固定されており、第一の連結部材81を介して接続される配管が移動した場合、この軸部材用ストッパー部材841が第二の固定部材5に接触し、実施形態1と同様の作用により棒状部材6を塑性変形させ、エネルギー吸収を行うことができる。
本実施形態では、第一の固定部材4と第二の固定部材5との間に弾性体を配置し、常に圧縮力がかかるようにしておいてもよい。図23に示す例はその一態様であり、摺動方向に合わせて摺動部材3に固定された圧縮ばねガイド部材373と、圧縮ばねガイド部材373に挿入された圧縮ばね372と、第一の固定部材4に空けられたねじ穴を通り、ばね座を介してばねを圧縮する押込みボルト371よりなる。こうすることによって、摺動部材3および棒状部材6の摺動方向を一方向に限定でき、第二のストッパー部材72と第二の固定部材5とが接触してからはその状態が維持され、第二のストッパー部材72と第二の固定部材5が一時離れることにより生ずる軸芯のずれを防止でき、棒状部材6の断面縮小部を養生したり摺動用の部位を残したりする必要もなくなる。なお、本実施形態において、支持部材2及び摺動部材3の形状は円筒形であっても角筒形であってもよいが、角筒形であれば回転防止部材を必要としない。
本実施形態では、支持部材2は、支持部材2と軸部材84が軸心22を共有するようにボルト、溶接等で支持構造物に固定される。固定する面は、軸心22に平行な側面でも軸心22に直角な後面であってもよい。
また、本実施形態においては、例えば図24で示すように、第二の固定部材側においても第四のストッパー部材77を設け、第二のストッパー72と第四のストッパー部材77とで第二の固定部材5を挟み込み固定しておくことは好ましい一態様である。このようにすることで、弾性体を配置することなく、摺動部材3及び棒状部材6の摺動方向を一方向に限定でき、弾性体を配置した場合と同様な効果を得ることができる。
本実施形態においても球面座金押圧部材は実施形態1に同じものを採用できるが、第二の固定部材側については図25に示すような構成を採用することもできる。図25の例に示す球面座金押圧部材76は、棒状部材6に固定されたストッパー66と、一対の中空の平板64、65の間に配置されるスリーブ62と、スリーブ62と第二のストッパー部材72との間に配置される弾性体としての圧縮ばね63と、を有して構成されている。圧縮ばね63の外径は第二の固定部材5の貫通孔51よりも小さく、スリーブ62と同様に貫通孔51内を移動可能となっている。本実施形態ではボルトの摺動は一方向に限定されるため、スリーブを長くすることは必要としない。スリーブの材質は、例えばポリエチレンテレフタレート等の樹脂でよい。
また、本実施形態においては、軸部材84の調芯のため、第二の固定部材5側に球面座金74と球面座金押圧部材76とを有することも好ましい態様である。図25は、軸部材用球面座金押圧部材の一態様である。この球面座金押圧部材76は、球面座金74を挟むよう配置される支持板761と、第二の固定部材5及び支持板761を貫通するボルト762a、762bと、第二の固定部材5と支持板761とを間にはさんでボルト762a、762bのそれぞれに固定されるナット763a、763bと、支持板761とナット763a、763bのそれぞれの間に配置される弾性体765a、765bと、を有して構成されている。弾性体765a、765bとしては、限定されるわけではないが、たとえば圧縮ばねであることは好ましい一態様である。第一の連結部材81が配管側のクレビスに接続された状態で軸部材用ストッパー部材841と第二の固定部材5の面を合わせ、球面座金を調節して調芯し、その状態を球面座金押圧部材で球面座金を均等に押圧することによって、調芯された状態が維持される。これによって、棒状部材6の場合と同じように、軸部材用ストッパー841が固定部材5に当たったときに曲げモーメント、曲げによる局部塑性変形の発生が抑えられる。棒状部材6の場合に同じく、当たり部材と固定部材5の間に緩衝部材を挟むことも好ましい。
以上本実施形態によると、摺動部材3の摺動方向を一方向に限定する機構ができるため、装置をコンパクトにできるという利点がある。また、熱膨張などのある配管に用いる場合において、運転停止時の逆方向の変位を吸収しようとした場合、大きな変位を吸収できるといった利点がある。一方では、支持構造物に固定される支持部材2の軸心と軸部材84の軸心とを合わせる必要があり、しかも振動を抑制しようとする方向に直角な方向の変位が少ない場所という設置上の制約がある。したがって、本実施形態は軸直角方向の変位をガイドなどで拘束された直管長の長い配管の軸方向の振動を抑制しようとする場合等に有用である。なお、図27に本実施形態に係るエネルギー吸収支持装置を設置した場合における側面図を示す。
(実施例)
次に、上記実施形態に係るエネルギー吸収支持装置について、実際に設置した場合の効果を具体的な値による計算を用いて確認した。以下、図28を用いて説明する。
配管は呼径が16インチの液配管で、直管部分A−Dの長さは80m。専用の架台にほぼ等間隔で自重を支持され、一つおきに管軸に直角水平方向の変位をガイドで拘束されている。管軸方向の変位を抑制するため、B,Cの2点に2台のエネルギー吸収支持装置を互いに逆向き(それぞれ運転停止に伴う変位を吸収できる方向)に設置する。配管及び支持架台はこの区間で管軸方向に一質点系を形成し、質量は20000kgで、ばね定数はエネルギー吸収支持装置をつけない状態で10000N/mm。地震動は地震動1(通常起こりうる地震動)と地震動2(発生確率の小さい高レベルの地震動)を考慮することとし、許容できる配管の変位(管軸方向の架台との相対変位)は地震動1、地震動2それぞれに対して25mm、50mmとする。使用するボルトの材質はSS400で、ヤング率は206000N/mm2、降伏点及び引張強さはそれぞれ300N/mm2、450N/mm2(塑性歪20%のとき)。塑性歪は地震動1、地震動2それぞれに対して5%以内、10%以内に収めることを目途とする。ボルトは断面縮小部の径が8mmで有効長500mmのものを10本使用し、第二の固定部材5と第二のストッパー部材72との間の間隙を2本は0mm、2本は25mm、2本は50mm、あと4本は75mmとする。図29に各ボルトとも応力が引張強さに達するまで一様に塑性変形するとしたときの荷重−変形曲線を示す。変位が75mmに達すると抵抗力が大きくなるように設定されている。ボルトの弾性を無視したときの一質点系の固有周期は0.281秒で、2本のボルトの弾性を考慮すると0.313秒、同じく4本を考慮すると0.298秒となる。地表面加速度は地震動1、地震動2それぞれ0.24G、0.60Gで、応答倍率はピーク領域にあって2.5倍とする。したがって、応答加速度はそれぞれ0.60G、1.5Gとなる。
入ってくる地震のエネルギー量と塑性変形によるエネルギー吸収量が等しいとすると、地震動1ではボルト2本が塑性変形し、塑性歪は2.8%で、ボルトの累積塑性変形量は14mmとなる。配管の最大変位はこの累積塑性変形量に等しい。配管に作用する地震力は、弾性応答するとしたときの0.27倍に低減される。地震動2では次のボルト2本も塑性変形し、塑性歪は最初の2本、次の2本それぞれ8.5%、3.5%で、最初の2本のボルトの累積塑性変形量は42.5mmとなる。配管の最大変位はこの累積塑性変形量に等しい。配管に作用する地震力は、弾性応答するとしたときの0.25倍に低減される。この結果、本実施例におけるエネルギー吸収支持装置は十分にエネルギー吸収を行うことができるのを確認した。併せて、質量の大きい長大な配管などについて、配管の支持構造物からの変位を許容範囲に抑えつつ配管に作用する地震力を低減する設計が可能であることを確認した。
1…エネルギー吸収支持装置,2…支持部材,3…摺動部材,4…第一の固定部材,5…第二の固定部材,6…棒状部材,21…凹部,22…軸,23…スリット,31…空間,32…すべりキー,33…皿ボルト,34…貫通孔,41…貫通孔,42…軸22に対して垂直な面,43…ロックナット,51…貫通孔,52…軸22に対して垂直な面,53…調整部材,61…断面縮小部,62…スリーブ,63…圧縮ばね、64…平板、65…平板、66…ストッパー、71…第一のストッパー部材,72…第二のストッパー部材,73…第三のストッパー部材,74…球面座金,75…圧縮ばね,76…球面座金押圧部材,77…第四のストッパー部材、81…第一の連結部材,82…第二の連結部材,83…長さ調節部材,84…軸部材、91…カバー部材,92…第二のスペーサ部材,93…インジケータ用棒状部材,94…インジケータ部材,95…ベローズ,96…第三の固定部材,371…押込みボルト、372…圧縮ばね、373…圧縮ばねガイド部材、741…当たり部材、761…支持板,762a、762b…ボルト,763a、763b…ナット、765a、765b…圧縮ばね,765c、765d…引張ばね,766…他のストッパー部材,767…押え板,768…中間支持部材,811…貫通孔,821…貫通孔,841…軸部材用ストッパー部材、911…平板,912…長さ部材,913…平板,921…平板,922…長さ部材,923…予圧縮部材,924…平板,941…スペーサ用棒状部材,941a…移動インジケータ部材,7611…締付部材