JP5762780B2 - 履歴型ダンパー - Google Patents

Description

本発明は、超弾性合金の引張力により形状の自己復元能力を付与した履歴型ダンパーに関するものである。

一般に、土木構造物に用いられるパッシブ型の制震装置は地震後に自動的に元位置へ復旧する自己復元能力は持ち合わせてはいない。そのため、制震装置はレベル１地震動（中程度の地震）に対しては機能しないように設計されている。さらにレベル２地震動（極大地震動）に対して制震装置として機能した後には、制震装置に発生した残留変形を取り除くための作業が必要であるとともに制震装置に用いられる履歴型金属ダンパーは地震時の繰り返し荷重下での塑性変形によりその性能が低下するため、ダンパー部材の交換も必要となる。

そこで、地震後のメンテナンスフリーを目的とした制震技術がいくつか提案されている。
まず、非特許文献１は超弾性合金を対象に、超弾性効果をダンパー部材へ適用することについて検討しているが、超弾性挙動を利用すると自己復元能力は有するもののエネルギ吸収能が低くなってしまいダンパーとしては不適当であることを明らかにしている。一方、形状記憶能力を利用した場合には元位置への復旧には地震後の加熱作業が必要となり、高エネルギ吸収能を持つメンテナンスフリーな制震装置を実現するには至っていない。
非特許文献１での低いエネルギ吸収能を補う構造として、特許文献１ではダンパーのエネルギ吸収部材に超塑性合金を用い、超弾性合金と組み合わせてメンテナンスフリーを実現しようとした制震装置を提案している。この装置では超弾性合金に引張力および圧縮力が作用するが、一般に板厚が大きい超弾性合金や径の大きい超弾性合金の製作は難しく圧縮時に座屈が生じる危険性がある。
それを解決する機構として、非特許文献２、特許文献２の軸降伏型ブレースでは、ブレース全体が引張、圧縮時のいずれの場合にも、超弾性合金には引張力が作用する構造となっている。しかし、引張、圧縮時ともに同一の超弾性合金に引張力を作用させる機構が複雑であるため工夫を要し、また引張時と圧縮時での軸降伏型ブレースの特性を変化させることが難しい。

後藤芳顯，海老澤健正：履歴型ダンパー，特願2008-332420． Robert TREMBLAY and Constantin CHRISTOPOULOS : Self-centering energy dissipative brace apparatus with tensioning elements，PCT/CA2005/000339．

足立幸郎，運上茂樹，近藤益央：形状記憶合金の橋梁ダンパーへの適用性に関する研究，土木技術資料，Vol.40，No.10，pp.54-59，1998． C. Christopoulos, R. Tremblay, H.-J. Kim and M. Lacerte：Self-Centering Energy Dissipative Bracing System for the Seismic Resistance of Structures: Development and Validation，Journal of Structural Engineering, Vol.134, No.1, pp.96-107, 2008.

ａ）超弾性合金を利用した自己復元能力を有した制震装置では、エネルギ吸収能が小さく本来の制震装置としての能力に乏しい。
ｂ）超弾性合金に引張力および圧縮力を作用させる制震機構では、圧縮時に座屈が生じる可能性があり、自己復元能力を適切に発揮することが難しい。
ｃ）引張、圧縮時ともに同一の超弾性合金に引張力を作用させる軸降伏型ブレースでは、超弾性合金への力の伝達機構が引張時および圧縮時ともに適切に機能する機構が必要である。超弾性合金は任意の形状の製作が難しく、加工性も劣ることから、機構がより簡便であることが汎用性を高める。
ｄ） 引張、圧縮時ともに同一の超弾性合金に引張力を作用させる軸降伏型ブレースでは、同一の超弾性合金を用いるため引張時と圧縮時の特性を変化させることが難しい。

本発明は上記点に鑑みて、超弾性合金の引張力により形状の自己復元能力を付与した履歴型ダンパーにおいて、引張時と圧縮時の特性を自由に設定可能にすることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、
制震装置に用いられる履歴型ダンパーにおいて、
引張時に引張力のみが作用する第１の超弾性合金部材（１）と、
圧縮時に引張力のみが作用する第２の超弾性合金部材（２）と、
前記第１の超弾性合金部材（１）および前記第２の超弾性合金部材（２）に連結する第１及び第２の連結部材（４、５）とを備えること、
前記第１の連結部材（４）は筒状である連結筒を有すること、
前記第２の連結部材（５）は、前記連結筒の内壁に摺動可能な連結板を有すること、
前記第１の超弾性合金部材（１）は、前記連結板の一端面と前記連結筒の一端に取り付けられ、前記第２の超弾性合金部材（２）は、前記第１の超弾性合金部材（１）と反対向きに、前記連結板の他端面と前記連結筒の他端に取り付けられること、
を特徴とする。
これによると、引張時と圧縮時とで引張力が作用する超弾性合金部材が異なるので、引張時と圧縮時の特性を自由に設定することができる。
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載する制震装置に用いられる履歴型ダンパーにおいて、前記第１の超弾性合金部材（１）および第２の超弾性合金部材（２）は、ダンパー軸方向に２段に設置されていることを特徴とする。
請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載する制震装置に用いられる履歴型ダンパーにおいて、
引張時に引張力が作用し、圧縮時に圧縮力が作用するエネルギ吸収部材（３）を備え、前記エネルギ吸収部材（３）は、前記第１及び第２の連結部材（４、５）により、前記第１の超弾性合金部材（１）および前記第２の超弾性合金部材（２）に連結することを特徴とする。
請求項４に記載の発明では、請求項３に記載する制震装置に用いられる履歴型ダンパーにおいて、
前記エネルギ吸収部材（３）は、超塑性合金で構成されていることを特徴とする。
請求項５に記載の発明では、請求項３に記載する制震装置に用いられる履歴型ダンパーにおいて、
前記エネルギ吸収部材（３）は、軸降伏型履歴ダンパーで構成されていることを特徴とする。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本ダンパーの第１実施形態の構造を模式的に示した図である。 本ダンパーの動作を引張時（ａ）および圧縮時（ｂ）について模式的に示した図である。 本ダンパーの第３実施形態の構造を模式的に示したものである ． 本ダンパーを橋脚と上部構造との間に取り付けた例を示した図である。 本ダンパーをアーチ橋に取り付けた例を示した図である。

（第１実施形態）
まず、実施形態の概要を説明する。本実施形態の履歴型ダンパーは、自己復元能力を備えたメンテナンスフリーな履歴型ダンパーであり、中規模地震動でも機能する高効率な制震構造を実現する。また、従来ダンパーと同等の施工性を有し、新設および既設の構造物に容易に設置できる。
上記課題ａ）の欠点の改善のため、超弾性合金は自己復元能力を担うものとし、地震エネルギの吸収を担うエネルギ吸収部材をダンパー内に取り付ける。
上記課題ｂ）の欠点の改善のため、超弾性合金をダンパーの軸方向に２段に設置し、１段目の超弾性合金はダンパー部材が引張時のみに作用し、２段目の超弾性合金はダンパー部材が圧縮時にのみ作用する。そして、両者の超弾性合金には引張力のみが作用する機構とする。
この機構では、超弾性合金の両端に取り付けたナット等を介して一方向の力のみを伝達する構造であり、力の伝達機構の簡便化が図られ、上記課題ｃ）を解決することができる。
また、この機構では、ダンパーの引張時と圧縮時において機能する超弾性合金が異なるため、それぞれの断面積や長さを容易に変化させることができる。また、履歴型金属ダンパーの断面積や長さも自由に決定できる。これにより上記課題ｄ）を解決し、引張時と圧縮時における制震装置の性能を自由に設定可能とし、高効率な制震構造を得ることが容易となる。
以下、第１実施形態を具体的に説明する。図１は第１実施形態の構造を模式的に示したものである。部材１、２が超弾性合金、部材３がエネルギ吸収を担う超塑性合金である。部材４、５は連結部材であり、部材４、５の端部４ａ、５ａを構造物に固定し、超弾性合金部材１、２および超塑性合金３へ力を伝達する。
連結部材４、５での変形を抑制するため、連結部材４、５は超弾性合金１、２および超塑性合金３と比べ十分に大きな強度と剛性を持つ。連結部材４と連結部材５との接触部４ｂ、４ｃのどちらかあるいはその両者は接触しており、接触している場合には摩擦が十分小さくなるよう表面加工あるいはテフロンシート等の摩擦低減材の取り付けを行う。
超弾性合金１（第１の超弾性合金部材）の両端にはナット６、７が取り付けられ、ナット６と連結部材４、ナット７と連結部材５は接触している。同様に、超弾性合金２（第２の超弾性合金部材）の両端にはナット８、９が取り付けられ、ナット８と連結部材５、ナット９と連結部材４は接触している。
また、エネルギ吸収部材である超塑性合金３の両端は連結部材４、５にそれぞれ連結される。超塑性合金３は圧縮時の座屈を防止するため、必要に応じて超塑性合金３の周囲に拘束部材１０を取り付ける。なお、拘束部材１０に軸方向（ダンパー軸方向）の力が作用しないよう拘束部材１０と連結部材４、５との間には隙間が設けられる。
図２（ａ）は引張力が作用したときの第１実施形態の動作を模式的に示したものである。連結部材の両端４ａ、５ａに引張力が作用すると、超弾性合金１にはナット６、７を介して引張力が作用する。一方、ナット８、９と連結部材５、４との間には離間が生じるため、超弾性合金２には力が作用しない。また、超塑性合金３には引張力が作用する。なお、連結部材４、５が接触部４ｂ、４ｃで接触していることにより、軸直角方向への変位は抑制される。
図２（ｂ）は圧縮力が作用したときの第１実施形態の動作を模式的に示したものである。連結部材の両端４ａ、５ａに圧縮力が作用すると、超弾性合金２にはナット８、９を介して引張力が作用する。一方、ナット６、７と連結部材４、５との間には離間が生じるため、超弾性合金１には力が作用しない。また、超塑性合金３には圧縮力が作用する。この際、拘束部材１０により超塑性合金３の軸直角方向への変形が拘束され座屈の発生が抑制される。なお、連結部材４、５が接触部４ｂ、４ｃで接触していることにより、軸直角方向への変位は抑制される。
このように、地震時にダンパーに引張、圧縮力の繰り返し荷重が作用した際には、超弾性合金１、２のどちらかに引張力が作用して自己復元能力を担う。一方、超塑性合金３には引張力および圧縮力が繰り返し作用し地震エネルギの吸収が図られる。
（第２実施形態）
第１実施形態におけるエネルギ吸収部材である超塑性合金３および拘束材を他の軸降伏型履歴ダンパーに置き換えたものである。この部材には任意の耐劣化性を備えた軸降伏型履歴ダンパーを用いることができる。
（第３実施形態 ）
第１実施形態のダンパー引張時に引張力が作用する超弾性合金１およびダンパー圧縮時に引張力が作用する超弾性合金２をそれぞれ1段ずつ配置したものである。第３実施形態では、図３に示すように超弾性合金１、２をそれぞれ２段ずつ設置したものである。このように、超弾性合金１、２を複数段にわたって設置することが可能である。
超弾性合金１、２と連結部材４、５との連結の仕方は第１実施形態と同様である。図３の例では超弾性合金１、２を交互に配置している。
（第４実施形態）
本ダンパー１１を橋脚１２と上部構造１３との間に取り付けた実施形態を図４に示す。橋脚１２と上部構造との相対変位によりダンパー１１が動作する。
（第５実施形態）
本ダンパー１１をアーチ橋１４に取り付けた実施形態を図５に示す。
（他の実施形態）
なお、上述の実施形態は、超弾性合金１、２と他の部材との連結構造の一例を示したものに過ぎず、超弾性合金１、２と他の部材との連結構造を種々変更可能である。

１ 超弾性合金（第１の超弾性合金部材）
２ 超弾性合金（第２の超弾性合金部材）
３ 超塑性合金（エネルギ吸収部材）
４、５ 連結部材

Claims (5)

1. 制震装置に用いられる履歴型ダンパーにおいて、
   引張時に引張力のみが作用する第１の超弾性合金部材（１）と、
   圧縮時に引張力のみが作用する第２の超弾性合金部材（２）と、
   前記第１の超弾性合金部材（１）および前記第２の超弾性合金部材（２）に連結する第１及び第２の連結部材（４、５）とを備えること、
   前記第１の連結部材（４）は筒状である連結筒を有すること、
   前記第２の連結部材（５）は、前記連結筒の内壁に摺動可能な連結板を有すること、
   前記第１の超弾性合金部材（１）は、前記連結板の一端面と前記連結筒の一端に取り付けられ、前記第２の超弾性合金部材（２）は、前記第１の超弾性合金部材（１）と反対向きに、前記連結板の他端面と前記連結筒の他端に取り付けられること、
   を特徴とする履歴型ダンパー。
2. 請求項１に記載する制震装置に用いられる履歴型ダンパーにおいて、
   前記第１の超弾性合金部材（１）および第２の超弾性合金部材（２）は、ダンパー軸方向に２段に設置されていることを特徴とする履歴型ダンパー。
3. 請求項１または２に記載する制震装置に用いられる履歴型ダンパーにおいて、
   引張時に引張力が作用し、圧縮時に圧縮力が作用するエネルギ吸収部材（３）を備え、前記エネルギ吸収部材（３）は、前記第１及び第２の連結部材（４、５）により、前記第１の超弾性合金部材（１）および前記第２の超弾性合金部材（２）に連結することを特徴とする履歴型ダンパー。
4. 請求項３に記載する制震装置に用いられる履歴型ダンパーにおいて、
   前記エネルギ吸収部材（３）は、超塑性合金で構成されていることを特徴とする履歴型ダンパー。
5. 請求項３に記載する制震装置に用いられる履歴型ダンパーにおいて、
   前記エネルギ吸収部材（３）は、軸降伏型履歴ダンパーで構成されていることを特徴とする履歴型ダンパー。