JP5719200B2 - シリンダ型ダンパー装置 - Google Patents

Description

本発明は、地震や風などによる構造物の振動を低減させるために構造物に設置されるシリンダ型ダンパー装置に関する。

従来より、シリンダ型ダンパー装置は、ビルや橋梁などの構造物の部材間に介装することにより、地震や風などによる構造物の振動を低減させ、構造物の安全性や居住性を向上させている。
このようなシリンダ型ダンパー装置としては、一方の部材に接続されたシリンダと、他方の部材に接続されてシリンダ内に進退自在に挿通されたロッドと、シリンダ内に充填された減衰材とを備えたものが知られている。
そして、このようなシリンダ型ダンパー装置は、地震や風などにより構造物が振動して部材同士が相対変位すると、シリンダおよびロッドが相対変位し、これにより減衰材が移動して変形することで振動のエネルギーを吸収するように構成されている。

また、特許文献１に開示されたシリンダ型ダンパー装置は、図８（ａ）乃至（ｄ）に示すように、シリンダ８２に挿通されるロッド８３が、ねじれ棒状で、外周面に螺旋状の突条８３ａが形成されている。ロッド８３に螺旋状の突状８３ａ形成されていることにより、減衰材８４がロッド８３に対して、突条８３ａに沿って螺旋を描くように斜め方向に相対的に移動可能となり、スムーズに移動することができる。

特開２００６−２８３９５７号公報

しかしながら、特許文献１によるシリンダ型ダンパー装置８１では、減衰材８４がロッド８３の突条８３ａに沿って螺旋を描くように相対的に移動するため、ロッド８３に回転力が作用して、ロッド８３と部材との接続部に力がかかり、接続部に不具合が生じることがある。

本発明は、上述する事情に鑑みてなされたもので、地震や風などによる構造物の振動のエネルギーを効率よく吸収することができるとともに、減衰材からロッドへ作用する回転力を低減させることができるシリンダ型ダンパー装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るシリンダ型ダンパー装置は、異なる２つの部材間に介装されて、該部材間の相対変位のエネルギーを吸収するシリンダ型ダンパー装置であって、一方の部材に接続されたシリンダと、該シリンダ内に充填された減衰材と、他方の部材に接続されるとともに前記シリンダ内に挿通され前記減衰材内を進退自在なロッドと、を備え、該ロッドの外周面には、該ロッドの延在方向の中間部から一方の端部側および他方の端部側において互いに逆方向へ回転する螺旋状の突条がそれぞれ前記減衰材内に形成されていることを特徴とする。

本発明では、地震や風などによる振動により２つの部材が相対変位してシリンダとロッドとが相対変位すると、シリンダ内に充填された減衰材が塑性変形し、振動のエネルギーを吸収して、２つの部材の相対変位を抑制している。
そして、ロッドの外周面には、ロッドの延在方向の中間部から一方の端部側および他方の端部側において互いに逆方向へ回転する螺旋状の突条がそれぞれ減衰材内に形成されていることにより、減衰材は、ロッドの突条に沿って螺旋状にスムーズに移動できるとともに、ロッドの一方の端部側および他方の端部側において逆方向に回転するため、振動のエネルギーを効率よく吸収することができる。
また、減衰材は、ロッドの一方の端部側および他方の端部側において逆方向に回転するため、減衰材がロッドの外周面に沿って螺旋状に回転することによってロッドに作用する回転力は、ロッドの一方の端部側と他方の端部側で逆方向となり互いに打ち消されるため、ロッドに作用する回転力を低減させることができる。

また、本発明に係るシリンダ型ダンパー装置では、前記シリンダは、前記ロッドを延在方向へ進退自在に支持する支持部を備えていることが好ましい。
このように構成されることにより、ロッドをシリンダ内の所望の位置に確実に設置することができる。

また、本発明に係るシリンダ型ダンパー装置では、前記減衰材は、鉛含有率９９．９０％以上の鉛地金からなる高純度の鉛であることが好ましい。
このように構成されることにより、鉛含有率９９．９０％以上の鉛地金である高純度の鉛は常温において再結晶可能で復元力を有するため、減衰材を交換する必要がなく、長期にわたって使用することができる。また、振動によるエネルギーを安定して吸収することができるとともに、微小振動のエネルギーも確実に吸収することができるため、精密な制動を行うことができる。

本発明によれば、ロッドの外周面には、ロッドの延在方向の中間部から一方の端部側および他方の端部側において互いに逆方向へ回転する螺旋状の突条がそれぞれ減衰材内に形成されていることにより、減衰材は、ロッドの突条に沿ってスムーズに移動できるとともに、ロッドの一方の端部側および他方の端部側において逆方向に回転するため、振動のエネルギーを効率よく吸収することができる。
また、減衰材は、ロッドの一方の端部側および他方の端部側において逆方向に回転するため、減衰材がロッドの外周面に沿って螺旋状に回転することによってロッドに作用する回転力が、ロッドの一方の端部側と他方の端部側とで逆方向となり互いに打ち消すことができるため、ロッドに作用する回転力を低減させることができる。

（ａ）は本発明の実施形態によるシリンダ型ダンパー装置の一例を示す図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図、（ｄ）は（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。 シリンダ型ダンパー装置の動作を説明する図である。 シリンダ型ダンパー装置の動作を説明する図である。 載荷装置を説明する図である。 載荷試験における変位と荷重との関係を示す図である。 載荷試験において繰り返し載荷したときの変位と荷重との関係を示す図である。 （ａ）は本発明の実施形態の変形例によるシリンダ型ダンパー装置の一例を示す図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ線断面図、（ｃ）は（ａ）のＥ−Ｅ線断面図、（ｄ）は（ａ）のＦ−Ｆ線断面図である。 （ａ）は従来のシリンダ型ダンパー装置の一例を示す図、（ｂ）は（ａ）のＧ−Ｇ線断面図、（ｃ）は（ａ）のＨ−Ｈ線断面図、（ｄ）は（ａ）のＩ−Ｉ線断面図である。

以下、本発明の実施形態によるシリンダ型ダンパー装置について、図１乃至図３に基づいて説明する。
図１（ａ）に示すように、本実施形態によるシリンダ型ダンパー装置１は、ビルや橋等の構造物において延在方向に隣り合う第１梁材（一方の部材）１０ａと第２梁材（他方の部材）１０ｂとの間に介装されている。
シリンダ型ダンパー装置１は、第１梁材１０ａに接続されたシリンダ部２と、該シリンダ部２に進退自在に挿通可能に構成されるとともに第２梁材１０ｂに接続されたロッド部３と、シリンダ部２内に充填された減衰材４とを備えている。

シリンダ部２は、例えば金属製のパイプの一方の端部を塞ぐようにして有底筒状に形成されたシリンダ本体（シリンダ）２１と、シリンダ本体２１と第１梁材１０ａとを接続する接続部２２と、を備えている。
シリンダ本体２１は、一方の端部に底部２１ａが形成され、他方の端部にロッド部３のロッド本体（ロッド）３１（後述する）が挿通される開口部２１ｂが形成されている。
接続部２２は、例えばクレビスなどで構成されていて、シリンダ本体２１の底部２１ａ側に取り付けられている。

ロッド部３は、シリンダ本体２１内に挿通される棒状のロッド本体３１と、ロッド本体３１と第２梁材１０ｂとを接続する接続部３２とを備えている。
ロッド本体３１は、鋼材などで形成され、一方の端部３１ａ側からシリンダ本体２１内に挿通されていて、他方の端部３１ｂ側に接続部３２が取り付けられている。ここで、一方の端部３１ａを先端部３１ａとし、他方の端部３１ｂを基端部３１ｂとして以下説明する。

また、ロッド本体３１は、外周面３１ｃに、螺旋状の突条３３が複数形成されている。そして、この突条３３は、ロッド本体３１の長さ方向の略中央に位置する中央部（中間部）３１ｄから先端部３１ａ側と基端部３１ｂ側とにおいて、螺旋の回転方向が互いに逆方向となっている。
本実施形態では、ロッド本体３１は、外周面３１ｃの中央部３１ｄから先端部３１ａおよび基端部３１ｂ側へそれぞれ約４００ｍｍの範囲Ｌ１，Ｌ２に、これらの範囲Ｌ１，Ｌ２において９０°回転する螺旋状の突条３３が周方向に間隔をあけて４つずつ形成されている（図１（ｂ）参照）。

また、ロッド本体３１の先端部３１ａおよび基端部３１ｂ側には、突条３３が形成されておらず、断面形状が外径約５０ｍｍの略円形となっている。図１（ｂ）にロッド本体３１の先端部３１ａ側の断面形状を示す。ロッド本体３１の基端部３１ｂ側の断面形状は、先端部３１ａ側の断面形状と略同じに形成されている。
そして、図１（ｂ）乃至（ｄ）に示すように、突条３３が形成されている部分（範囲Ｌ１，Ｌ２）は、断面形状が５０ｍｍ角の略正方形となっていて、この略正方形の４つの角部がそれぞれ突条３３を構成している。
なお、ロッド本体３１の寸法や形状はこれ以外としてもよく、突条３３の数や形状もこれ以外としてもよい。
図１（ａ）に戻り、ロッド本体３１の中央部３１ｄから先端部３１ａ側に形成された突条３３を第１突条３３ａとし、基端部３１ｂ側に形成された突条３３を第２突条３３ｂとして以下説明する。

接続部３２は、例えばクレビスなどで構成されていて、ロッド本体３１の基端部３１ｂ側に取り付けられている。
また、ロッド本体３１と接続部３２との間には、ロッド本体３１と接続部３２との間隔を調整し、ロッド部３全体の長さを調整するロッド長さ調整部３４が設けられている。

また、シリンダ本体２１の内部には、挿通されたロッド本体３１を支持する第１支持部２３および第２支持部２４が設けられている。
第１支持部２３は、シリンダ本体２１の底部２１ａ側に設けられていて、ロッド本体３１の先端部３１ａを支持している。また、第２支持部２４は、シリンダ本体２１の開口部２１ｂ側に設けられていて、ロッド本体３１の基端部３１ｂ側を支持している。

第１支持部２３および第２支持部２４は、外周面がシリンダ本体２１の内周面と密着するように形成されている。そして、第１支持部２３および第２支持部２４には、ロッド本体３１の外径よりもやや大きい内径の孔部２３ａ，２４ａが形成されていて、この孔部２３ａ，２４ａにロッド本体３１が挿通されている。
また、第１支持部２３および第２支持部２４には、孔部２３ａ，２４ａの内周面とロッド本体３１の外周面３１ｃとの隙間からシリンダ本体２１内の減衰材４が外部に流出することを防止するシール材２５が設けられている。

減衰材４は、シリンダ本体２１の内部で、シリンダ本体２１の内周面と、ロッド本体３１の外周面との間に充填されている。本実施形態では、減衰材４に流動性を有する鉛を用いている。
本実施形態では、この鉛に、ＪＩＳ Ｈ ２１０５に示される３種（鉛含有率９９．９０％以上）以上の鉛地金を使用している。
このような純度の高い鉛を使用することにより、減衰材４が常温において再結晶可能で復元力を有するため、減衰材４を交換する必要がなく、長期にわたって使用することができる。
また、振動によるエネルギーを安定して吸収することができるとともに、微小振動のエネルギーも確実に吸収することができる。

次に、地震などの振動により第１梁材１０ａと第２梁材１０ｂとが相対変位したときの、本実施形態によるシリンダ型ダンパー装置１の動作について説明する。
図１（ａ）、図２および図３に示すように、第１梁材１０ａ（図１（ａ）参照）と第２梁材１０ｂ（図１（ａ）参照）とが相対変位すると、シリンダ部２とロッド部３とが相対変位し減衰材４が移動する。
このとき、ロッド本体３１の外周面３１ｃに螺旋状の突条３３ａ，３３ｂが形成されていることにより、減衰材４が外周面３１ｃに沿って螺旋状にスムーズに移動することができる。

そして、減衰材４が移動して変形することにより振動のエネルギーが吸収され、振動が抑制される。
このとき、ロッド本体３１の中央部３１ｄから先端部３１ａ側と、中央部３１ｄから基端部３１ｂ側とでは、突条３３ａ，３３ｂの回転方向が逆であることにより、減衰材４が逆方向に回転するため、振動のエネルギーを効率よく吸収することができる。

また、減衰材４からロッド本体３１に作用する回転力は、ロッド本体３１の中央部３１ｄから先端部３１ａ側と、中央部３１ｄから基端部３１ｂ側とでは、逆方向となるため、互いに打ち消されることになる。

次に、本実施形態によるシリンダ型ダンパー装置１の効果について説明する。
本実施形態によるシリンダ型ダンパー装置１によれば、減衰材４が効率よく移動して変形することにより、振動のエネルギーを効率よく吸収することができる効果を奏する。
また、減衰材４が移動することによりロッド本体３１に作用する回転力の方向が、ロッド本体３１の先端部３１ａ側と基端部３１ｂ側で逆となり、これらの回転力は互いに打ち消されるため、ロッド本体３１と第２梁材１０ｂとの接続部３２に回転力が作用することがないため、接続部３２が変形することを防止することができる。

ここで、本実施形態によるシリンダ型ダンパー装置１の載荷試験を行った。このシリンダ型ダンパー装置１の載荷試験について説明する。
図４に示すように、本載荷試験では、シリンダ型ダンパー装置１は、シリンダ部２の接続部２２とロッド部３の接続部３２間の長さが１６５０ｍｍとしている。
また、載荷装置６では、最大±１０００ｋＮの動的荷重、また、最大±１１５０ｋＮの静的荷重を載荷可能で、試験体の変位は最大±１００ｍｍとしている。また、この載荷装置６では、動的荷重における最大速度は６ｃｍ／ｓで、周波数範囲は、ＤＣ０．００１〜３０Ｈｚとしている。

載荷試験では、最大荷重を約±６００ｋＮとし、変位量と荷重との関係を測定した。図５に、この変位量と荷重との関係を示す。
図５によれば、載荷を開始して約−４００ｋＮまでの間に急激に変位量が増加し、その後は大きな履歴ループを描いているため、減衰材４による減衰力が大きいことがわかる。

また、載荷試験では、最大変位を約±１０ｍｍから約±１０ｍｍずつ約±６０ｍｍまで変え、この最大変位ごとに繰り返し載荷を行い、変位量と荷重との関係を測定した。図６に、この変位量と荷重との関係を示す。
図６から、繰り返し載荷を行ったときに、各履歴ループが略同じ形状となっているため、減衰材４の復元力が高いことがわかる。

以上、本発明によるシリンダ型ダンパー装置１の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施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、上述した実施形態では、ロッド本体３１の外周面３１ｃには、中央部３１ｄから先端部３１ａおよび基端部３１ｂ側へそれぞれ４００ｍｍの範囲Ｌ１，Ｌ２に、これらの範囲Ｌ１，Ｌ２において９０°回転する螺旋状の突条３３が形成されているが、図７に示すシリンダ型ダンパー装置７１ように、ロッド本体７２のこれらの範囲Ｌ１，Ｌ２において１８０°回転する螺旋状の突条７３が形成されていてもよい。

また、上述した実施形態では、シリンダ型ダンパー装置１は、建物や橋等の構造物において延在方向に隣り合う第１梁材１０ａと第２梁材１０ｂとの間に介装されているが、延在方向に隣り合う梁材間に限らず、上下方向に架設された梁材間や、梁材と柱材の間、柱材間や、ブレース材と梁材または柱材との間など任意の部材間に設置されてもよい。
また、上述した実施形態では、減衰材４に鉛を使用しているが、鉛に限られることはなく、振動のエネルギーを吸収可能なほかの材料を使用してもよい。

１，７１ シリンダ型ダンパー装置
２ シリンダ部
３ ロッド部
４ 減衰材
１０ａ 第１梁材（部材）
１０ｂ 第２梁材（部材）
２１ シリンダ本体（シリンダ）
２３ 第１支持部（支持部）
２４ 第２支持部（支持部）
３１，７２ ロッド本体
３１ａ 先端部
３１ｂ 基端部
３１ｃ 外周面
３１ｄ 中央部（中間部）
３３，７３ 突条
３３ａ 第１突条
３３ｂ 第２突条

Claims (3)

1. 異なる２つの部材間に介装されて、該部材間の相対変位のエネルギーを吸収するシリンダ型ダンパー装置であって、
   一方の部材に接続されたシリンダと、
   該シリンダ内に充填された減衰材と、
   他方の部材に接続されるとともに前記シリンダ内に挿通され前記減衰材内を進退自在なロッドと、を備え、
   該ロッドの外周面には、該ロッドの延在方向の中間部から一方の端部側および他方の端部側において互いに逆方向へ回転する螺旋状の突条がそれぞれ前記減衰材内に形成されていることを特徴とするシリンダ型ダンパー装置。
2. 前記シリンダは、前記ロッドを延在方向へ進退自在に支持する支持部を備えていることを特徴とする請求項１に記載のシリンダ型ダンパー装置。
3. 前記減衰材は、鉛含有率９９．９０％以上の鉛地金からなる高純度の鉛であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のシリンダ型ダンパー装置。

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