JP5398419B2

JP5398419B2 - 構造物用ダンパー

Info

Publication number: JP5398419B2
Application number: JP2009189895A
Authority: JP
Inventors: 宜和高稻; 誠丸田; 覚永井; 淳久保田
Original assignee: Kajima Corp
Current assignee: Kajima Corp
Priority date: 2009-08-19
Filing date: 2009-08-19
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2029-08-19
Also published as: JP2011042929A

Description

本発明は、建築および土木の構造体間をつなぐ構造物用ダンバーに関するものであり、構造物に大きな地震が作用した時にそのエネルギーを効率良く吸収し、構造物の損傷を回避できるようにしたものである。

地震による構造物の損傷を防ぐ方法としては、制震装置やダンパー等を設置して、地震による構造物の振動エネルギーを積極的に吸収する方法が知られている。

本発明と同様の用いられ方をする構造物用ダンパーに関する先行技術文献として、例えば特許文献１、非特許文献１、２記載の発明がある。

特許文献１には、ＲＣまたはＳＲＣ造の構造体間（例えば、高層建物コア部分の耐震壁間）をつなぐダンパーとして、繊維補強コンクリート製の梁状体の断面内にＰＣ鋼材とエネルギー吸収用の低降伏点鉄筋を配置したものが記載されている。

ＰＣ鋼材はコンクリート断面の中央に配置され、繊維補強コンクリート製の梁状体を構造体間に圧着するとともに梁状体にプレストレスを導入し、前記低降伏点鉄筋はＸ形状に配筋され、当該鉄筋の一部はコンクリートとの付着が絶縁された状態となっている。

また非特許文献１や非特許文献２のように、アンボンドプレキャストプレストレストコンクリート(以下、アンボンドＰＣａＰＣ)圧着部材とＬ形アングルやオイルダンパーなどを併用して、セルフセンタリング特性と高エネルギー吸収を有するフラグ型の履歴を実現する技術がある。

特開２００４−０５２４９４号公報

Brad D. Weldon and Yahya C. Kurama: Nonlinear Behavior of Precast Concrete Coupling Beams under Lateral Loads，ASCE，JOURNAL OF STRUCTURAL ENGNEERING，NOVEMBER 2007, pp.1571-1580 Pampanin, S., Amaris, A. and Palermo, A: Implementation and Testing of Advanced Solutions for Jointed Ductile Seismic Resisting Frames, fib, Proceedings of the 2nd International Congress, June 2006, ID8−20

前述した特許文献１記載の発明の場合は、エネルギー吸収材である低降伏点鉄筋がコンクリート断面内にＸ形状に配筋され、コンクリート断面中央に配筋したＰＣ鋼材によりプレストレスが導入されているため、大地震時に損傷した場合、ダンパーの一部分である低降伏点鉄筋およびＰＣ鋼材を交換することが難しい。

また、非特許文献１、２記載の発明では、アンボンドＰＣａＰＣ圧着部材の損傷低減に対する対策は行われておらず、大地震後の損傷程度によっては、アンボンドＰＣａＰＣ圧着部材も取り替える必要性が生じる可能性が高いが、アンボンドＰＣａＰＣ圧着部材の交換作業は非常に手間も費用もかかってしまう。

本発明は、従来技術における上述のような課題の解決を図ったものであり、構造躯体と制震効果を生じる装置を兼用でき、ダンパーを構成する圧着部材の大地震時における損傷低減を実現するとともに、大地震後、エネルギー吸収材を交換可能とすることを目的としている。

本願の請求項１に係る発明は、構造体間に設置される構造物用ダンパーであって、柱状または梁状の圧着部材と、前記構造体間に配置され、緊張することにより、前記圧着部材の両端を両側の構造体に圧着するとともに、該圧着部材にプレストレスを導入するプレストレス導入用緊張材と、前記構造体間に配置された低降伏点鋼からなるエネルギー吸収用鉄筋とからなり、前記プレストレス導入用緊張材および前記エネルギー吸収用鉄筋が、前記圧着部材の断面外に配置されており、前記エネルギー吸収用鉄筋が前記構造体間に圧着された前記圧着部材の全長にわたって配筋され、前記エネルギー吸収用鉄筋の端部は、前記構造体に対し、該エネルギー吸収用鉄筋に引張力のみが作用するように接合されていることを特徴とするものである。

前記圧着部材は、主としてコンクリート系のプレキャスト部材を対象としているが、鉄骨部材等を用いてもよい。
前記プレストレス導入用緊張材および前記エネルギー吸収用鉄筋を前記圧着部材の断面外に配置することで、大地震時に損傷した場合であっても、容易に取り替えることができる。

前記プレストレス導入用緊張材は、構造体間に掛け渡し、緊張することにより、圧着部材にプレストレスを導入し、構造体間の圧着を高めるものである。

大きい地震動では、前記エネルギー吸収用鉄筋として低降伏点鋼（極低降伏点鋼等も含む）を組み込んであることで、その塑性域において地震時の振動エネルギーを効率的に吸収することができる。

請求項２に係る発明は、請求項１記載の構造物用ダンパーにおいて、前記圧着部材が繊維補強コンクリート部材であることを特徴としている。

コンクリート系部材であるアンボンドＰＣ圧着部材の角欠けや地震時の損傷を低減するために、繊維補強コンクリートを用いることとしたものである。さらに損傷を低減させるためには、超高強度繊維補強コンクリートを用いるのが好ましい。補強繊維としては、例えば鋼繊維や炭素繊維を使用することができる。

請求項３に係る発明は、請求項１または２記載の構造物用ダンパーにおいて、前記エネルギー吸収用鉄筋が前記圧着部材の断面外にＸ形状に配置されていることを特徴としている。

エネルギー吸収用鉄筋をＸ形に配置することによって、効率良く軸方向変形する。

圧縮力による前記エネルギー吸収用鉄筋の座屈を防ぐため、前記エネルギー吸収用鉄筋の端部に引張力のみが作用する構造であり、引張力による塑性伸びに対応できる端部接合としている。

請求項４に係る発明は、請求項１、２または３記載の構造物用ダンパーにおいて、前記エネルギー吸収用鉄筋の端部は、前記構造物に設けられたダンパー固定部材の鉄筋定着部の貫通孔を貫通させた状態で、前記貫通孔との間にバネで該エネルギー吸収用鉄筋の軸方向とほぼ直交する方向に付勢されたクサビを介して定着されていることを特徴とするものである。

前記エネルギー吸収用鉄筋の端部を前記構造物に設けられたダンパー固定部材の貫通孔に貫通させ、クサビを介して、エネルギー吸収用鉄筋を定着させる。

前記エネルギー吸収用鉄筋に生じている引張力が減少すると、前記エネルギー吸収用鉄筋の塑性伸びによって生じようとするダンパー固定部材と鉄筋定着部の間の隙間に、バネの付勢力によってクサビが入り込み、エネルギー吸収用鉄筋の塑性伸びを調整することができる。

請求項５に係る発明は、請求項１〜４いずれか記載の構造物用ダンパーにおいて、前記クサビは、スライド方向と逆方向に徐々に厚さが増す形状を有し、かつ該クサビにはスライド方向に延び、前記エネルギー吸収用鉄筋が貫通するスリットが形成されていることを特徴とするものである。

前記クサビがスライド方向と逆方向に徐々に厚さが増す形状を有しているため、Ｘ型に配置されているエネルギー吸収用鉄筋の端部が鉄筋定着部に密着することができる構造になっている。

前記クサビに形成されたスリットによって、前記エネルギー吸収用鉄筋の引張力が減少した時、前記クサビが前記バネの付勢力によってスライドすることができ、前記貫通孔と前記エネルギー吸収用鉄筋の端部の間隔を広げることで、前記エネルギー吸収用鉄筋に引張力のみが作用するようになっている。

請求項６に係る発明は、請求項１〜５いずれか記載の構造物用ダンパーにおいて、前記エネルギー吸収用鉄筋の端部は、前記構造体に設けられたダンパー固定部材の鉄筋定着部の貫通孔を貫通させた状態で、該エネルギー吸収用鉄筋を通したクサビ受け部材と、該クサビ受け部材に嵌合させたクサビを介して定着されており、前記クサビはバネにより前記エネルギー吸収用鉄筋の引張方向と逆向きに付勢されていることを特徴としている。

該エネルギー吸収用鉄筋の引張力が増加し、クサビが緩みかけると、バネの付勢力によってクサビがスライドしてクサビ受け部材への嵌合状態を維持し、前記貫通孔と前記エネルギー吸収用鉄筋の端部の間隔を縮めることで、前記エネルギー吸収用鉄筋に引張力のみが作用するようにしてある。

本発明は以上のような構成となるため、以下のような効果が得られる。

(1) 地震が作用した時、初期段階ではＰＣ鋼材などのプレストレス導入用緊張材が地震力に抵抗し、所定以上の地震力が作用すると、低降伏点鋼からなるエネルギー吸収用鉄筋が大きなエネルギー吸収能力を発揮し、塑性エネルギーを効率良く吸収し、構造物の応答を低減することができる。

(2) エネルギー吸収用鉄筋やプレストレス導入用緊張材を断面外に配することにより、地震後、容易に交換が可能となり、ランニングコストを削減することができる。

(3) 請求項２に係る発明によれば、圧着部材に超高強度鋼繊維補強コンクリートを用いることにより、大地震後のアンボンドＰＣａＰＣ圧着部材の損傷が削減されるので、大変な作業であるアンボンドＰＣａＰＣ圧着部材の取替えが不要となる。

本発明の構造物用ダンパーの一例を表しており、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。エネルギー吸収用鉄筋端部の定着部の一例であり、（ａ）初期状態、（ｂ）塑性時、(ｃ)クサビ移動時を示している。エネルギー吸収用鉄筋端部の定着部の一例であり、（ａ）初期状態、（ｂ）塑性時、(ｃ)クサビ部分の拡大図である。本発明の構造物用ダンパーの適用対象としての建物の立面図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。

図１は、本発明に係る構造物用ダンパーの一例を表し、（ａ）は平面図、（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面を示したもので、例えば図４に示すような建物に適用することができる。

本実施例では、図４の梁５２の間に構造物用ダンパー１を間柱的に設置している。図１（ａ）に示すように梁５２にダンパー固定部材５を固定し、該ダンパー固定部材５の間に圧着部材としての柱状ブロック２を配置している。本実施例における柱状ブロック２は、図１（ｂ）に示すように断面がＨ形で、水平方向に軸方向鉄筋２ａを、垂直方向にせん断補強筋２ｂを配筋したコンクリート系部材であるが、断面等はこの仕様に限られるものではない。

また、柱状ブロック２の断面外に、プレストレス導入用緊張材としてＰＣ鋼材３をダンパー固定部材５の間に掛け渡し、緊張することによって、柱状ブロック２の圧着を強化するとともに、柱状ブロック２に作用する応力が所定の応力に達するまでは、後述するエネルギー吸収用鉄筋４の負担がないようにしている。プレストレス導入用緊張材は、ピアノ線や新素材からなる緊張材などを用いてもよい。

さらにＰＣ鋼材３の外側に、引張力のみが作用するようにエネルギー吸収用鉄筋４をＸ型になるように配筋し、ダンパー固定部材５に貫通させ、鉄筋定着部６を介して固定されている。エネルギー吸収用鉄筋４には、低降伏点鋼や極低降伏点鋼を用いる。

柱状ブロック２には、地震時の損傷を低減するために、繊維補強コンクリート（超高強度鋼繊維補強コンクリートを含む）を用いることが好ましい。

ＰＣ鋼材３およびエネルギー吸収用鉄筋４は、圧着部材としての柱状ブロック２の断面外に配置しているので、地震等で損傷した場合にも、取替えが容易である。

図２は、図１（ａ）における鉄筋定着部６の一例で、（ａ）は初期状態、（ｂ）は塑性伸び、（ｃ）はクサビの移動を示したものである。

エネルギー吸収用鉄筋４をダンパー固定部材５の貫通孔に貫通させ、エネルギー吸収用鉄筋４の軸方向とほぼ直交方向にバネ１２によって付勢されているクサビ１１を配置し、ナット１３で固定する。クサビ１１は、スライド方向と逆方向に徐々に厚さが増す形状を有しており、Ｘ型に配置されているエネルギー吸収用鉄筋４の端部が鉄筋定着部６に密着することができる構造になっている。

また、該クサビ１１にはスリット（図示省略）が形成されており、エネルギー吸収用鉄筋４が貫通し、水平方向にスライドできる。該スリットは、閉じた楕円形でも溝の端部が開口している形でもよく、エネルギー吸収用鉄筋４が水平方向にスライドできる形状であればよい。

鉄筋定着部６には地震動によって、エネルギー吸収用鉄筋４に引張力が働き、エネルギー吸収用鉄筋４が伸び、降伏点を越えると塑性変形する。

振動方向が逆向きになり、図２（ｂ）に示すように、引張力が減少すると、エネルギー吸収用鉄筋４の塑性伸びによってダンパー固定部材５の貫通孔とナット１３との間に隙間が生じようとするが、バネ１２に付勢されているクサビ１１がその隙間に入り込んで行くため、図２（ｃ）に示すようにエネルギー吸収用鉄筋４の端部には常に引張力が作用することになる。

図３は図２同様、図１（ａ）における鉄筋定着部６の一例で、（ａ）は初期状態、（ｂ）は塑性伸び、（ｃ）は図３（ｂ）のＢ部分の拡大図を示したものである。

鉄筋定着部６は、エネルギー吸収用鉄筋４をダンパー固定部材５の貫通孔に貫通させ、エネルギー吸収用鉄筋４を通したクサビ受け部材２４と、該クサビ受け部材２４に嵌合させたクサビ２１を介してナット２３によって定着されている。このクサビ２１とナット２３の間には、バネ２２があり、エネルギー吸収用鉄筋４の引張方向とは逆向きに付勢されている。

エネルギー吸収鉄筋のエネルギー吸収効率を上げるため、図３（ｃ）に示すように、クサビ受け部材２４の頭をナット２３の反力としてバネ２２で抑えることにより、エネルギー吸収用鉄筋４の下方向への移動は許容するが、上方向への移動は拘束する仕組みとなっている。

エネルギー吸収用鉄筋４に、所定以上の引張力が働いた時に生じる縮もうとする力をバネ２２とクサビ型ナット２１で吸収する仕組みで、引張力とは逆の方向に変わった時、すぐにエネルギー吸収用鉄筋４が引張力を負担することができるため、エネルギー吸収効率を上げることができる。

図２および図３のような鉄筋定着部６の仕組みにより、エネルギー吸収用鉄筋４が座屈することなく、常に引張力が作用し、エネルギー吸収効率が上がる。

以上に述べたように、本発明は建築、土木構造物の耐震性能を保持したまま、容易に交換できる構造物用ダンパーであり、高層建物などに利用することができる。

１…構造物用ダンパー、２…柱状ブロック、２ａ…軸方向鉄筋、２ｂ…せん断補強筋、３…ＰＣ鋼材、４…エネルギー吸収用鉄筋、５…ダンパー固定部材、６…鉄筋定着部、１１…クサビ、１２…バネ、１３…ナット、２１…クサビ、２２…バネ、２３…ナット、２４…クサビ受け部材、５１…柱、５２…梁

Claims

構造体間に設置される構造物用ダンパーであって、柱状または梁状の圧着部材と、前記構造体間に配置され、緊張することにより、前記圧着部材の両端を両側の構造体に圧着するとともに、該圧着部材にプレストレスを導入するプレストレス導入用緊張材と、前記構造体間に配置された低降伏点鋼からなるエネルギー吸収用鉄筋とからなり、前記プレストレス導入用緊張材および前記エネルギー吸収用鉄筋が、前記圧着部材の断面外に配置されており、前記エネルギー吸収用鉄筋が前記構造体間に圧着された前記圧着部材の全長にわたって配筋され、前記エネルギー吸収用鉄筋の端部は、前記構造体に対し、該エネルギー吸収用鉄筋に引張力のみが作用するように接合されていることを特徴とする構造物用ダンパー。
前記圧着部材が繊維補強コンクリート部材であることを特徴とする請求項１記載の構造物用ダンパー。
前記エネルギー吸収用鉄筋が前記圧着部材の断面外にＸ形状に配置されていることを特徴とする請求項１または２記載の構造物用ダンパー。
前記エネルギー吸収用鉄筋の端部は、前記構造物に設けられたダンパー固定部材の鉄筋定着部の貫通孔を貫通させた状態で、前記貫通孔との間にバネで該エネルギー吸収用鉄筋の軸方向とほぼ直交する方向に付勢されたクサビを介して定着されていることを特徴とする請求項１、２または３記載の構造物用ダンパー。
前記クサビは、スライド方向と逆方向に徐々に厚さが増す形状を有し、かつ該クサビにはスライド方向に延び、前記エネルギー吸収用鉄筋が貫通するスリットが形成されていることを特徴とする請求項１〜４いずれか記載の構造物用ダンパー。
前記エネルギー吸収用鉄筋の端部は、前記構造体に設けられたダンパー固定部材の鉄筋定着部の貫通孔を貫通させた状態で、該エネルギー吸収用鉄筋を通したクサビ受け部材と、該クサビ受け部材に嵌合させたクサビを介して定着されており、前記クサビはバネにより前記エネルギー吸収用鉄筋の引張方向と逆向きに付勢されていることを特徴とする請求項１〜５いずれか記載の構造物用ダンパー。