JP5596378B2 - Friction damper - Google Patents
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Description
本発明は、免震構造物に設置される摩擦ダンパーに関する。 The present invention relates to a friction damper installed in a seismic isolation structure.
免震構法は、構造物(上部構造物)と基礎(下部構造物)との間に積層ゴムやリニアガイド等の免震装置を設置して免震層を設けることにより構造物の固有周期を長周期化し、構造物に入力される地震加速度の低減を図る構法である。従来より、免震構法では、層間変形が過大にならないようにするため、免震層に減衰機構を設けている。例えば、特許文献1では、アーム構造の第1のディスクと、摩擦材を介して第1のディスクに圧接され、第1のディスクに対して相対回転運動が可能なアーム構造の第2のディスクとからなり、上記両ディスクの先端可動部分の一方を構造物に、他方を基礎に連結するようにした免震システム用ディスクダンパが開示されている。
In the seismic isolation method, the natural period of the structure is set by installing a seismic isolation layer such as laminated rubber and linear guides between the structure (upper structure) and the foundation (lower structure). It is a construction method that reduces the earthquake acceleration input to the structure by increasing the period. Conventionally, in the seismic isolation system, a damping mechanism is provided in the seismic isolation layer so that the interlayer deformation does not become excessive. For example, in
免震構造物の場合、免震層の減衰が小さいほうが、高振動数域における加速度応答倍率(応答加速度/入力加速度)は小さくなる。即ち、免震効果は大きくなる。このため、入力加速度が小さく免震層の層間変形が小さい中小地震に対しては、免震層の減衰は小さいほうが望ましい。一方、入力加速度が大きい大地震に対しては、免震層の層間変形が過大とならないように、免震層の減衰は大きいほうが望ましい。従って、入力加速度が小さく免震層の層間変形が小さい場合は小さな減衰力を、入力加速度が大きく免震層の層間変形が大きい場合は大きな減衰力を発揮できるダンパーが理想的といえる。しかしながら、免震構造物に設置される従来の摩擦ダンパーは、免震層の層間変形の大きさにかかわらず常に一定の摩擦力(減衰力)しか発揮することができない。 In the case of a seismic isolation structure, the smaller the damping of the seismic isolation layer, the smaller the acceleration response magnification (response acceleration / input acceleration) in the high frequency range. That is, the seismic isolation effect is increased. For this reason, it is desirable that the damping of the seismic isolation layer be small for small and medium earthquakes where the input acceleration is small and the interlayer deformation of the seismic isolation layer is small. On the other hand, for large earthquakes with high input acceleration, it is desirable that the seismic isolation layer has a large attenuation so that the interlayer deformation of the seismic isolation layer does not become excessive. Therefore, a damper that can exhibit a small damping force when the input acceleration is small and the interlayer deformation of the base isolation layer is small, and a damper that can exhibit a large damping force when the input acceleration is large and the interlayer deformation of the base isolation layer is large is ideal. However, the conventional friction damper installed in the base isolation structure can always exhibit only a constant frictional force (damping force) regardless of the magnitude of the interlayer deformation of the base isolation layer.
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、入力加速度が小さく免震層の層間変形が小さい場合は小さな摩擦力を、入力加速度が大きく免震層の層間変形が大きい場合は大きな摩擦力を発揮できる摩擦ダンパーを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances. When the input acceleration is small and the interlayer deformation of the seismic isolation layer is small, a small friction force is obtained. When the input acceleration is large and the interlayer deformation of the seismic isolation layer is large, a large friction force is obtained. It aims at providing the friction damper which can be exhibited.
上記目的を達成するため、第1の発明は、上部構造物と下部構造物との間に設けられた免震層に設置される摩擦ダンパーであって、
上下方向に伸縮可能な弾性部材を介して前記上部構造物の底面に設置された摺動部材と、前記下部構造物の上面に形成され、平坦な頂部とその周囲に形成された傾斜部とを有する円錐台状の突起部とを有し、
平面視して格子状に配置された前記突起部間に形成された谷部に前記摺動部材が配置され、前記免震層の層間変形に伴って、前記摺動部材が前記突起部上を摺動することを特徴としている。
To achieve the above object, a first invention is a friction damper installed in a seismic isolation layer provided between an upper structure and a lower structure,
A sliding member installed on the bottom surface of the upper structure via an elastic member that can be expanded and contracted in the vertical direction , a flat top portion formed on the upper surface of the lower structure, and an inclined portion formed around the top portion. A frustoconical protrusion having
The sliding member is disposed in a valley formed between the projecting portions arranged in a lattice shape in plan view, and the sliding member moves on the projecting portion in accordance with interlayer deformation of the seismic isolation layer. It is characterized by sliding.
また、第2の発明は、上部構造物と下部構造物との間に設けられた免震層に設置される摩擦ダンパーであって、
上下方向に伸縮可能な弾性部材を介して前記下部構造物の上面に設置された摺動部材と、前記上部構造物の底面に形成され、平坦な頂部とその周囲に形成された傾斜部とを有する円錐台状の突起部とを有し、
平面視して格子状に配置された前記突起部間に形成された谷部に前記摺動部材が配置され、前記免震層の層間変形に伴って、前記摺動部材が前記突起部上を摺動することを特徴としている。
The second invention is a friction damper installed in a seismic isolation layer provided between the upper structure and the lower structure,
A sliding member installed on the upper surface of the lower structure via an elastic member that can expand and contract in the vertical direction , a flat top portion formed on the bottom surface of the upper structure, and an inclined portion formed around the top portion. A frustoconical protrusion having
The sliding member is disposed in a valley formed between the projecting portions arranged in a lattice shape in plan view, and the sliding member moves on the projecting portion in accordance with interlayer deformation of the seismic isolation layer. It is characterized by sliding.
摺動面に作用する面圧が大きくなるにつれて摩擦力は増大する。第1及び第2の発明では、摺動部材が突起部の傾斜部を登ることにより弾性部材が圧縮され、摺動部材と突起部との間に作用する面圧が上昇する。その結果、摺動部材に作用する摩擦力が増大し、突起部の頂部において面圧は最大となり、摩擦力も最大となる。第1及び第2の発明に係る摩擦ダンパーでは、中小地震時には、免震層の層間変形量が小さいので、摺動部材も突起部の低い位置で往復運動し、小さな摩擦力しか発生しないが、大地震時には、免震層の層間変形量が大きいので、摺動部材も突起部の頂部に達する往復運動をするため、大きな摩擦力が発生する。 As the surface pressure acting on the sliding surface increases, the frictional force increases. In the first and second inventions, the elastic member is compressed as the sliding member climbs the inclined portion of the protruding portion, and the surface pressure acting between the sliding member and the protruding portion increases. As a result, the frictional force acting on the sliding member is increased, the surface pressure is maximized at the top of the protrusion, and the frictional force is also maximized. In the friction damper according to the first and second inventions, since the amount of interlayer deformation of the seismic isolation layer is small at the time of a small and medium earthquake, the sliding member also reciprocates at a low position of the protrusion, and only a small frictional force is generated. At the time of a large earthquake, since the amount of interlayer deformation of the seismic isolation layer is large, the sliding member also reciprocates to reach the top of the protrusion, and thus a large frictional force is generated.
また、第1及び第2の発明に係る摩擦ダンパーでは、前記摺動部材及び前記突起部の少なくとも一方の表面が摩擦材で形成されていてもよい。これにより、安定した大きな摩擦力を発生させることができる。 In the friction damper according to the first and second inventions, at least one surface of the sliding member and the protrusion may be formed of a friction material. Thereby, a stable large frictional force can be generated.
本発明に係る摩擦ダンパーでは、上部構造物と下部構造物との間に設けられた免震層の層間変形に伴って、摺動部材が突起部上を摺動することにより、中小地震時における小さな層間変形に対しては小さな摩擦力を、大地震時における大きな層間変形に対しては大きな摩擦力を発揮することができ、理想的な免震構造物を実現することができる。 In the friction damper according to the present invention, the sliding member slides on the protruding portion in accordance with the interlayer deformation of the seismic isolation layer provided between the upper structure and the lower structure. A small frictional force can be exerted for small interlaminar deformation, and a large frictional force can be exerted for large interlaminar deformation during a large earthquake, and an ideal seismic isolation structure can be realized.
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態に付き説明し、本発明の理解に供する。なお、下部構造物の上面に摺動部材を設置すると共に、上部構造物の底面に突起部を形成する場合も基本的に同様であるため、以下では、上部構造物の底面に摺動部材を設置すると共に、下部構造物の上面に突起部を形成する場合についてのみ説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings for understanding of the present invention. The same applies to the case where the sliding member is installed on the upper surface of the lower structure and the protrusion is formed on the bottom surface of the upper structure. Only the case of installing and forming a protrusion on the upper surface of the lower structure will be described.
本発明の一実施の形態に係る摩擦ダンパー10を図1及び図2に示す。免震装置の一例である積層ゴム11が上部構造物12と下部構造物13の間に介装され、平面視して積層ゴム11と積層ゴム11との間の空間に摩擦ダンパー10が設置される(図2参照)。
1 and 2 show a
摩擦ダンパー10は、下部構造物13の上面に形成された側断面が台形状の複数の突起部16と、突起部16上を摺動する摺動部材15と、摺動部材15に一端が連結され、上部構造物12の底面に一端が固定された上下方向に伸縮可能な弾性部材14とから概略構成されている。
The
各突起部16は、平坦な頂部16aとその周囲に形成された傾斜部16bとを有する円錐台状とされ、図2に示すように、平面視して格子状に配置されている。一方、摺動部材15は、突起部16間に形成された谷部17に配置される。突起部16の材質としてはコンクリートあるいは鉄などの金属を使用することができ、摺動部材15の材質としては鉄などの金属を使用することができる。
また、弾性部材14は、1方向に伸縮可能で伸縮に伴って摺動部材15に付勢力を付与できるものであれば良く、例えばスプリングなどのバネを使用することができる。
Each
The
なお、摺動部材15及び突起部16の表面を摩擦材で形成しても良い。摩擦材の材質については特に限定する必要はなく、従来より使用されている公知のものを使用することができる。
In addition, you may form the surface of the sliding
次に、本実施の形態に係る摩擦ダンパー10の原理について図3を用いて説明する。なお、図3において、A、Dは傾斜部16bの最下点を、B、Cは頂部16aの両端をそれぞれ示している。
突起部16の傾斜部16bの傾斜角度をθ、弾性部材14(摺動部材15)が、傾斜部16bの最下点であるAから水平方向に変位x移動したときの弾性部材14の鉛直方向の弾性力をFとし、傾斜面に対するFの法線方向成分をFv、Fの傾斜面方向成分をFuとする。また、弾性部材14の鉛直方向のバネ定数をk、摺動部材15と突起部16との間の動摩擦係数をμ’とすると、以下の式が成立する。
Next, the principle of the
The inclination angle of the
F=k・tanθ・x ……(1)
Fv=Fcosθ ……(2)
Fu=μ’Fv ……(3)
F = k · tanθ · x (1)
Fv = Fcosθ (2)
Fu = μ'Fv (3)
(1)及び(2)式を(3)式に代入すると、Fuは以下のようになる。
Fu=μ’Fv=μ’k・tanθcosθ・x
=μ’k・sinθ・x ……(4)
Substituting Equations (1) and (2) into Equation (3) gives Fu as follows.
Fu = μ′Fv = μ′k · tan θ cos θ · x
= Μ'k · sinθ · x (4)
一方、弾性部材14(摺動部材15)が傾斜面に沿って移動した変位をLとすると、Lは次式で表すことができる。
L=x/cosθ ……(5)
On the other hand, when the displacement of the elastic member 14 (sliding member 15) moved along the inclined surface is L, L can be expressed by the following equation.
L = x / cos θ (5)
図4は、縦軸にFu、横軸にLを採ったグラフであり、折線で囲まれた領域の面積が摩擦ダンパー10によって消費されたエネルギーに相当する。図4より明らかなように、弾性部材14(摺動部材15)が突起部16の傾斜部16bをAからBに向けて移動するにつれて摩擦力は増大し、頂部16a(即ちB〜Cの範囲)において摩擦力は最大となる。さらに、弾性部材14(摺動部材15)が突起部16の傾斜部16bをCからDに向けて移動すると摩擦力は減少に転じる。
FIG. 4 is a graph with Fu on the vertical axis and L on the horizontal axis. The area surrounded by the broken line corresponds to the energy consumed by the
摩擦ダンパー10を免震構造物に適用した場合、中小地震時には、免震層の層間変形が小さいので、摺動部材15が傾斜部16bの低い位置及び谷部17間で往復運動することにより小さな摩擦力(減衰力)を発揮し、大地震時には、免震層の層間変形が大きいので、摺動部材15が傾斜部16bから頂部16aにかけて往復運動することにより大きな摩擦力(減衰力)を発揮する。
摩擦ダンパー10の設計に当たっては、地震応答解析等により中小地震時及び大地震時における免震層の層間変形量を想定したうえで、摺動部材15の摺動量に基づいて傾斜部16b及び頂部16aの幅(長さ)をそれぞれ決定することになる。
When the
In designing the
図5は、弾性部材14及び摺動部材15の一例を示したものである。
本例では、弾性部材14が水平方向に変形しないような配慮がなされている。具体的には、上部構造物12の底面に基端部が固定され、下方に延びる内筒22と、内筒22に外装される外筒21と、外筒21の外周部に一端が固定され、他端が上部構造物12の底面に固定されたバネ20とから弾性部材14が概略構成され、外筒21の底面に半球状の摺動部材15が固着されている。また、内筒22と外筒21との間には、摩擦係数の小さな低摩擦材23、例えばポリ4フッ化エチレンなどが介装され、外筒21の周壁には空気孔24が設けられている。
本例では、半球状の摺動部材15が突起部16上を摺動する際、外筒21が上下方向にのみ移動し、弾性部材14の水平方向変形を拘束している。
FIG. 5 shows an example of the
In this example, consideration is given so that the
In this example, when the hemispherical sliding
図6及び図7に、変形例に係る弾性部材18を示す。
この例では、弾性部材18は、上部構造物12の底面に基端部が固定された内筒26と、内筒26の底面に装着されたガイド部27と、ガイド部27にガイドされて上下方向に移動可能とされた外筒25と、外筒25の外周部に一端が固定され、他端が上部構造物12の底面に固定されたバネ20とから概略構成されている。また、外筒25の底面には、半球状の摺動部材15が固着されている。
6 and 7 show an
In this example, the
ガイド部27は、内筒26の底面に装着され水平面内で回動自在とされた回動板28と、回動板28上に並設され、外筒25の内壁面に接する一対の滑車29、30と、一対の滑車29、30間にタスキ掛けされたベルト31とを備えている。
本例では、ベルト31の搬送方向と異なる方向から水平力Hが作用した場合(図7左図参照)、回動板28が水平面内で回動し、平面視してベルト31の搬送方向と水平力Hの作用方向が一致する(図7右図参照)。
The
In this example, when a horizontal force H is applied from a direction different from the conveying direction of the belt 31 (see the left figure in FIG. 7), the rotating
以上、本発明の一実施の形態について説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、上記実施の形態では、突起部の形状を円錐台状かつ摺動部材の形状を半球状としたが、これに限定されるものではなく他の形状でも良いことは言うまでもない。また、上記実施の形態では、平面視して格子状に突起部を配置したが、平面視して千鳥状に突起部を配置するなど他の異なる配置パターンでも良い。 Although one embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the configuration described in the above-described embodiment, and is within the scope of matters described in the claims. Other possible embodiments and modifications are also included. For example, in the above-described embodiment, the shape of the protrusion is a truncated cone and the shape of the sliding member is a hemispherical shape, but it is needless to say that the shape is not limited to this and may be other shapes. In the above-described embodiment, the projections are arranged in a lattice shape in plan view, but other different arrangement patterns such as arranging the projection portions in a staggered pattern in plan view may be used.
10:摩擦ダンパー、11:積層ゴム、12:上部構造物、13:下部構造物、14:弾性部材、15:摺動部材、16:突起部、16a:頂部、16b:傾斜部、17:谷部、18:弾性部材、20:バネ、21:外筒、22:内筒、23:低摩擦材、24:空気孔、25:外筒、26:内筒、27:ガイド部、28:回動板、29、30:滑車、31:ベルト 10: friction damper, 11: laminated rubber, 12: upper structure, 13: lower structure, 14: elastic member, 15: sliding member, 16: protrusion, 16a: top, 16b: inclined part, 17: valley Part, 18: elastic member, 20: spring, 21: outer cylinder, 22: inner cylinder, 23: low friction material, 24: air hole, 25: outer cylinder, 26: inner cylinder, 27: guide part, 28: times Moving plate, 29, 30: pulley, 31: belt
Claims (3)
上下方向に伸縮可能な弾性部材を介して前記上部構造物の底面に設置された摺動部材と、前記下部構造物の上面に形成され、平坦な頂部とその周囲に形成された傾斜部とを有する円錐台状の突起部とを有し、
平面視して格子状に配置された前記突起部間に形成された谷部に前記摺動部材が配置され、前記免震層の層間変形に伴って、前記摺動部材が前記突起部上を摺動することを特徴とする摩擦ダンパー。 A friction damper installed in a seismic isolation layer provided between the upper structure and the lower structure,
A sliding member installed on the bottom surface of the upper structure via an elastic member that can be expanded and contracted in the vertical direction , a flat top portion formed on the upper surface of the lower structure, and an inclined portion formed around the top portion. A frustoconical protrusion having
The sliding member is disposed in a valley formed between the projecting portions arranged in a lattice shape in plan view, and the sliding member moves on the projecting portion in accordance with interlayer deformation of the seismic isolation layer. Friction damper characterized by sliding.
上下方向に伸縮可能な弾性部材を介して前記下部構造物の上面に設置された摺動部材と、前記上部構造物の底面に形成され、平坦な頂部とその周囲に形成された傾斜部とを有する円錐台状の突起部とを有し、
平面視して格子状に配置された前記突起部間に形成された谷部に前記摺動部材が配置され、前記免震層の層間変形に伴って、前記摺動部材が前記突起部上を摺動することを特徴とする摩擦ダンパー。 A friction damper installed in a seismic isolation layer provided between the upper structure and the lower structure,
A sliding member installed on the upper surface of the lower structure via an elastic member that can expand and contract in the vertical direction , a flat top portion formed on the bottom surface of the upper structure, and an inclined portion formed around the top portion. A frustoconical protrusion having
The sliding member is disposed in a valley formed between the projecting portions arranged in a lattice shape in plan view, and the sliding member moves on the projecting portion in accordance with interlayer deformation of the seismic isolation layer. Friction damper characterized by sliding.
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