JP5822203B2 - ブレースダンパー - Google Patents

Description

本発明は、建物にブレースとして設置されるとともに建物の振動エネルギーを吸収するダンパーとしても機能するブレースダンパーに関する。

地震や強風などに対する建物の応答性を低減させるために、建物の要所にダンパーを設置することが行われている。近年の建物の地震被害では、ブレースの座屈による被害が多く見られることから、その対抗策として、例えば特許文献１に開示されたブレースダンパーの使用が広く検討されている。

特許文献１のブレースダンパーは、帯板状の鋼板からなるブレース芯材と、このブレース芯材を両側から挟みこむように配置された一対の溝形鋼（狭持部材）と、溝形鋼のフランジ部同士をブレース芯材を跨いで連結するカバープレート（接続部材）とを備えている。
ブレース芯材の長手方向の中間部には、両端部よりも小さな断面となるように形成された降伏部が形成されている。ブレースダンパーが長手方向に所定以上の力を受けたときに降伏部が降伏することで減衰効果を発揮し、ブレースダンパーに作用する振動エネルギーを吸収することができる。

特開２００９−０１９４２５号公報

一般的に、ブレースダンパーの耐力は芯材における長手方向に直交する平面による断面積で決定されるため、同じ鋼材を使用しながらも耐力を高めるには、この断面積を大きくする必要がある。芯材の断面積を大きくするには、芯材の板厚（芯材の厚さ方向の長さ。）を大きくしたり、幅を大きくしたり、あるいは、主となる平鋼の両主面に垂直に他の平鋼を溶接して前述の断面を大きくしたりする方法がある。しかし、これらの方法には、以下に説明する問題点がある。

まず、芯材の板厚を大きくする場合には、鋼材の製造会社の規格による制限を受けて、芯材の価格が割高となる。特に、芯材に低降伏点鋼を使用する場合は、大臣の認定を受けるために厚さが４０ｍｍ以下であることが必要となり、厚さが４０ｍｍを越える場合には対応できない。
芯材の幅を大きくすると、ブレースダンパーの外形が大きくなってしまう。また、芯材の座屈を防止するために芯材を挟むように用いる溝形鋼も大きくなり、溝形鋼に規格材を使用して低コストで芯材の座屈を防止することが難しくなる。

一方で、芯材の長手方向に直交する断面を十字形とすると、降伏部を形成するために溶接する必要があり、芯材の疲労性能が低下してしまう。また、従来技術として実用化されている座屈防止用の芯材の拘束方法としては、前述の断面が十字形の芯材の外周にコンクリートを配置したり、十字形の芯材において周方向に隣り合う一対の突出部をそれぞれ山形鋼で接続したりする方法がある。
前者のコンクリートを配置する方法は、ブレースダンパーの重量が増加したり製造コストが高くなったりする問題がある。後者の山形鋼を用いる方法は、芯材が大きくなると規格の山形鋼が使えなくなったり、製造コストが高くなったりしてしまう。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、製造コストを抑えつつ長手方向の耐力を高めることができるブレースダンパーを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明のブレースダンパーは、板状に形成され、長手方向の中央部の幅が両端部の幅よりも狭く形成された主芯材と、前記主芯材に対する前記主芯材の厚さ方向の一方に配置されるとともに、前記長手方向の中央部が前記主芯材の前記中央部に接続されることなく、前記長手方向の端部が前記主芯材の前記端部にそれぞれ固定され、前記長手方向の中央部の幅が両端部の幅よりも狭く形成された補助芯材と、前記主芯材および前記補助芯材を前記厚さ方向に挟むように配置され、前記長手方向の端部が前記主芯材の前記端部にそれぞれ固定された一対の狭持部材と、それぞれの前記狭持部材における前記主芯材の幅方向の端部同士を接続する一対の接続部材と、を備えることを特徴としている。

また、上記のブレースダンパーにおいて、前記補助芯材は、前記主芯材を前記厚さ方向に挟むように一対配置されていることがより好ましい。
また、上記のブレースダンパーにおいて、前記補助芯材と前記狭持部材と間に配置された弾性部材を備えることがより好ましい。

また、上記のブレースダンパーにおいて、前記狭持部材における前記補助芯材とは反対側に設けられた補強部材を備えることがより好ましい。
また、上記のブレースダンパーにおいて、前記補助芯材の前記厚さ方向の長さは、前記主芯材の前記厚さ方向の長さより短く設定されていることがより好ましい。

本発明のブレースダンパーによれば、製造コストを抑えつつ長手方向の耐力を高めることができる。

本発明の一実施形態のブレースダンパーの側面図である。 図１中の切断線Ａ１−Ａ１の断面図である。 同ブレースダンパーの中心部材の側面図である。 図１中の切断線Ａ２−Ａ２の断面図である。 同ブレースダンパーの増厚部材の側面図である。 同ブレースダンパーにおける中心部材および増厚部材の平面図である。 図１中の切断線Ａ３−Ａ３の断面図である。 本発明の変形例の実施形態におけるブレースダンパーの要部断面図である。 本発明の変形例の実施形態におけるブレースダンパーの要部断面図である。

以下、本発明に係るブレースダンパーの一実施形態を図１から図７を参照しながら説明する。
図１および図２に示すように、本実施形態のブレースダンパー１は、板状に形成された中心部材（主芯材）１０と、中心部材１０を中心部材１０の厚さ方向Ｄに挟むように配置された一対の増厚部材（補助芯材）２０と、中心部材１０および増厚部材２０を厚さ方向Ｄに挟むように配置された一対の溝形鋼（狭持部材）３０と、溝形鋼３０における中心部材１０の幅方向Ｅの端部同士を接続する一対のカバープレート（接続部材）４０とを備えている。

中心部材１０は、図３に示すように、中心部材１０の長手方向Ｆの中央部１１の幅方向Ｅの長さ（以下、単に「幅」と称する。）が長手方向Ｆの両端部１２の幅よりも狭く形成されている。この例では、中心部材１０の長手方向Ｆの中央部１１において、幅方向Ｅの両側が切り欠かれることで中央部１１が形成されている。中心部材１０は、中央部１１において、長手方向Ｆに直交する平面による断面積が最も小さい最小断面部位、すなわち、降伏しやすい降伏部となる。
図３および図４に示すように、中心部材１０の端部１２における幅方向Ｅのそれぞれの縁部には、主フランジ１３が設けられている。主フランジ１３が設けられた中心部材１０の端部１２は、長手方向Ｆに見てＨ字形に形成されている。中心部材１０の端部１２、主フランジ１３には、固定用の貫通孔１２ａ、貫通孔１３ａがそれぞれ形成されている。

増厚部材２０は、図５および図６に示すように、板状に形成されるとともに、長手方向Ｆの中央部２１の幅が長手方向Ｆの両端部２２の幅よりも狭く形成されている。この例では、増厚部材２０の長手方向Ｆの中央部２１において、幅方向Ｅの両側が切り欠かれることで中央部２１が形成されている。
増厚部材２０の厚さ方向Ｄの長さ（以下、単に「厚さ」と称する。）は、中心部材１０の厚さより短く（薄く）設定されている。増厚部材２０の厚さは、中心部材１０の厚さの０．６倍以下に設定されていることが好ましい。増厚部材２０は、自身の厚さ方向が中心部材１０の厚さ方向Ｄと平行になるように配置されている。増厚部材２０は、中央部２１において、長手方向Ｆに直交する平面による断面積が最も小さい最小断面部位、すなわち降伏部となる。
中心部材１０および増厚部材２０としては、例えば、ＬＹ１００やＬＹ２５５などの建築構造用低降伏点鋼、ＳＮ４００などの建築構造用圧延鋼材を好適に用いることができる。

増厚部材２０は、自身の端部２２が中心部材１０の端部１２に溶接されることにより中心部材１０に固定されている。すなわち、中心部材１０および増厚部材２０の端部１２、２２で中心部材１０と一対の増厚部材２０とを一体化し、３枚の板状部材でブレースダンパー１の芯材を構成している。中心部材１０の中央部１１と増厚部材２０の中央部２１とは、溶接による接続は行わず、隣り合うように配置するだけである。
図６中に、中心部材１０と増厚部材２０との溶接部位２６を示す。本実施形態では、中心部材１０に増厚部材２０を固定したときに厚さ方向Ｄに見て、中心部材１０の中央部１１と増厚部材２０の中央部２１との形状が重なるように形成されている。すなわち、中心部材１０の中央部１１および増厚部材２０の中央部２１の幅は等しく設定されている。

図２および図７に示すように、増厚部材２０と溝形鋼３０と間には、ゴムシート（弾性部材）５０が配置されている。ゴムシート５０としては、クロロプレンゴムなどの高分子系材料を適宜選択して用いることができる。ゴムシート５０は、例えば、予め溝形鋼３０のウェブ部３１に貼り付けられた状態で組み立てられ、増厚部材２０とウェブ部３１と間に配置される。

図１に示すように、溝形鋼３０の長手方向Ｆの端部３５は、前述の溶接部位２６により中心部材１０の端部１２および増厚部材２０の端部２２にそれぞれ固定されている。図２に示すように、溝形鋼３０のフランジ部３２には、幅方向Ｅに延びる透孔３２ａが形成されている。
この例では、幅方向Ｅにおいて中心部材１０および増厚部材２０に対して溝形鋼３０がそれぞれ突出するように形成されることで、中心部材１０および増厚部材２０とカバープレート４０との間に隙間Ｓが形成されている。

図１および図２に示すように、ウェブ部３１におけるゴムシート５０とは反対側には、補強部材６０が設けられている。本実施形態では、補強部材６０は、一対のフランジ部３２の間を長手方向Ｆに延びる横リブ６１と、横リブ６１に直交するように幅方向Ｅに延びる縦リブ６２とにより格子状に構成されている。溝形鋼３０に設けられたリブ６１、６２は、その溝形鋼３０が有する一対のフランジ部３２の間から外部に突出しないように形成されている。
この例では、長手方向Ｆにおいて中心部材１０の中央部１１の一部となる範囲には、横リブ６１は設けられていない。横リブ６１および縦リブ６２は、溝形鋼３０に溶接により接続されるとともに、互いに溶接により接続されている。

カバープレート４０には、図２に示すように、幅方向Ｅに延びる透孔４１が形成されている。カバープレート４０は溝形鋼３０に対して、透孔３２ａ、４１に挿通された高力ボルト６６により固定されている。

以上のように構成されたブレースダンパー１は、ダンパーとしての性能を決定する中心部材１０および増厚部材２０の断面積は、中心部材１０の中央部１１および増厚部材２０の中央部２１の断面積となる。
ブレースダンパー１は、従来のブレースと同様に、ブレースダンパー１の長手方向Ｆの両端部、すなわち、中心部材１０の両端部１２や主フランジ１３に形成された貫通孔１２ａ、１３ａに挿通させたボルトなどにより不図示の建物本体と接合する。
このとき、中心部材１０および一対の増厚部材２０は厚さ方向Ｄにおいて溝形鋼３０に挟まれているため、溝形鋼３０が中心部材１０および一対の増厚部材２０の座屈を有効に防止することができ、座屈強度に優れたものとなっている。また、ブレースダンパー１が長手方向Ｆに引張りまたは圧縮の変動荷重を受けたときに、中心部材１０および増厚部材２０の中央部１１、２１が長手方向Ｆに変形して降伏することで減衰効果を発揮し、中心部材１０および増厚部材２０が鋼材ダンパーとして機能する。
このとき、増厚部材２０と溝形鋼３０と間にゴムシート５０が配置されているため、溝形鋼３０に対して増厚部材２０が長手方向Ｆに相対的に滑るように移動することができる。

このように、ブレースダンパー１は、ブレースとしての機能とダンパーとしての機能を併せ持つものである。ブレースダンパー１を建物に設置することで、建物に対する優れた補剛効果と振動エネルギーの吸収効果とを同時に発揮することができる。

以上説明したように、本実施形態のブレースダンパー１によれば、芯材を中心部材１０および一対の増厚部材２０で構成している。芯材の長手方向Ｆの耐力を高めるためには芯材の厚さを厚く設定する必要があるが、ブレースダンパー１では芯材が厚さ方向Ｄに中心部材１０と一対の増厚部材２０とに分割されている。このため、芯材の厚さが、例えば４０ｍｍを越えるような場合であっても、この芯材を中心部材１０と増厚部材２０とに分割してそれぞれの厚さを４０ｍｍ以下とすることで、中心部材１０や増厚部材２０に規格品の低降伏点鋼を用いることができる。これにより、ブレースダンパー１の製造コストを抑制することができる。
複数枚の板状部材を厚さ方向Ｄに重ねることで芯材の長手方向Ｆの耐力を高めているため、芯材の幅が長くならない。このため、溝形鋼３０の幅も長くならず、溝形鋼として従来と同様の規格品を使うことができ、ブレースダンパー１の製造コストを抑えることができる。この場合、ブレースダンパー全体の製造コストに占める溝形鋼３０のコストの割合は低下する。

中心部材１０の中央部１１と増厚部材２０の中央部２１とは、溶接による接続は行われていない。したがって、溶接により中央部１１、２１の材質や物性が局所的に変化することを防止し、ブレースダンパー１のダンパーとしての疲労性能を向上させることができる。また、降伏部としての中央部１１、２１の断面積を大きく確保することで、ブレースダンパー１の耐力を増加させることができる。
従来のいわゆるＣＳダンパーに対して、中心部材１０の端部１２と増厚部材２０の端部２２とを溶接するだけで本実施形態のブレースダンパー１を構成できるため、ブレースダンパーの耐力を高める際の製造コストの増加を抑えることができる。

増厚部材２０は、中心部材１０を厚さ方向Ｄに挟むように一対配置されている。このため、ブレースダンパー１が長手方向Ｆに荷重を受けたときに芯材が偏芯曲げすること、すなわち、厚さ方向Ｄに偏った曲がり方をするのを抑制することができる。
増厚部材２０と溝形鋼３０と間にゴムシート５０が配置されている。したがって、増厚部材２０と溝形鋼３０とが長手方向Ｆに相対的に移動するのを容易にし、芯材を安定して降伏させることができる。

溝形鋼３０には補強部材６０が設けられている。これにより、補強部材６０が設けられた溝形鋼３０の断面２次モーメントを増加させ、ブレースダンパー１の曲げ剛性を高めることができる。
リブ６１、６２は、リブ６１、６２が設けられた溝形鋼３０が有する一対のフランジ部３２の間から外部に突出しないように形成されている。これにより、補強部材６０が設けられたブレースダンパー１の外形を小さく抑えることができる。
増厚部材２０の厚さは中心部材１０の厚さより薄く設定されているため、中心部材１０の中央部１１より増厚部材２０の中央部２１の方が座屈しやすくなる。しかし、増厚部材２０が中心部材１０と溝形鋼３０とにより厚さ方向Ｄに拘束されているため、増厚部材２０の中央部２１が座屈しても増厚部材２０が高次モードに移行する（増厚部材２０が座屈したときに波形となる増厚部材２０の１つの波長が短くなる。）だけで増厚部材２０の長手方向Ｆの耐力が低下することなく、長手方向Ｆに中心部材１０と増厚部材２０とが一体となって荷重に抵抗できることが確認されている。
このように、芯材を厚さ方向Ｄに分割して１枚当たりの厚さが薄くなっても、溝形鋼３０の性能が充分に確保されていれば、芯材の座屈によってブレースダンパー１の耐力が低下することはない。

中心部材１０および増厚部材２０とカバープレート４０との間に隙間Ｓが形成されている。したがって、カバープレート４０に対して中心部材１０および増厚部材２０を相対的に長手方向Ｆに移動しやすくし、中央部１１、２１が降伏するように変形しやすくすることができる。
本実施形態において、増厚部材２０の厚さを中心部材１０の厚さの０．６倍以下に設定することは設計条件として必須なものではない。ただし、このように構成することで、ブレースダンパー１の両端のＨ型断面（接合部）の長さやフランジ厚を過大にせずに、現実的なサイズに納めることができる。

なお、本実施形態においては、図１に示すように、横リブ６１における、最も端部１２側の縦リブ６２より端部１２側の部分６１ａについては、ウェブ部３１に設けなくてもよい。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更なども含まれる。
たとえば、前記実施形態では、中心部材１０と増厚部材２０とを同一の材料で形成した。しかし、中心部材１０および増厚部材２０は、低降伏点鋼や建築構造用圧延鋼材で形成されていれば、互いに異なる材料で形成されていてもよい。

また、前記実施形態では、補強部材６０は厚さ方向Ｄに見て格子状に構成されていた。しかし、補強部材の形状はこれに限ることなく、例えば、図８に示すブレースダンパー２のように、前記実施形態のブレースダンパー１における補強部材６０に代えて補強部材７０を備える構成としてもよい。
補強部材７０は、長手方向Ｆに延びるように配置されたアングル材７１と、前述の縦リブ６２とで構成されている。アングル材７１は、長手方向Ｆに直交する断面形状がＶ字形に形成されている。
アングル材７１の端部７１ａは溝形鋼３０のウェブ部３１に溶接により接続されていて、アングル材７１と縦リブ６２とは互いに溶接により接続されている。
補強部材７０をこのように構成することで、補強部材７０の断面２次モーメントを増加させ、ブレースダンパー２の曲げ剛性をさらに高めることができる。また、アングル材７１により溝形鋼３０のウェブ部３１を幅方向Ｅの２カ所で拘束するため、芯材の回転捻れを伴う座屈を効果的に防止することができる。

なお、本変形例では、アングル材の長手方向Ｆに直交する断面形状はＶ字形に限られることなく、例えばコ字形などの複数の線分を接続した形状や、円弧状などでもよい。

また、図９に示すブレースダンパー３のように、前記実施形態のブレースダンパー１における補強部材６０の横リブ６１に代えて、カバープレート４０に設けられたリブ部材８１を備えてもよい。リブ部材８１は、長手方向Ｆに延びるように形成され、カバープレート４０における厚さ方向Ｄの両端部に配置されている。リブ部材８１は、カバープレート４０に溶接などにより接続されている。
ブレースダンパー３をこのように構成することによっても、ブレースダンパー３の曲げ剛性をさらに高めることができる。
なお、カバープレート４０およびリブ部材８１に代えて、これらと長手方向Ｆに直交する断面形状が略同一に形成された溝形鋼を備えてもよい。

前記実施形態では、ブレースダンパー１の芯材を、中心部材１０と一対の増厚部材２０とを一体化することで構成した。しかし、ブレースダンパー１の芯材を構成する板状部材の数に制限は無く、芯材が中心部材１０と１枚以上の増厚部材２０とで構成されていればよい。増厚部材２０が１枚の場合には、増厚部材２０は中心部材１０に対する幅方向Ｅの一方のみに配置されることになる。
ブレースダンパー１において建物本体と接合される中心部材１０の端部１２は、前記実施形態では長手方向Ｆに見てＨ字形に形成されていた。このブレースダンパーの端部の形状は、建物本体と接合強度に応じて、例えば長手方向Ｆに見て十字形になるように主フランジの取り付け位置を調節することが好ましい。

また、前記実施形態では、増厚部材２０と溝形鋼３０と間の摩擦力が小さい場合には、ブレースダンパー１にゴムシート５０は備えられなくてもよい。
ブレースダンパー１に作用する荷重が比較的小さい場合には、ブレースダンパー１に補強部材６０は設けられなくてもよい。

１、２、３ ブレースダンパー
１０ 中心部材（主芯材）
１１、２１ 中央部
１２、２２、３５ 端部
２０ 増厚部材（補助芯材）
３０ 溝形鋼（狭持部材）
４０ カバープレート（接続部材）
５０ ゴムシート（弾性部材）
６０、７０ 補強部材
Ｄ 厚さ方向
Ｅ 幅方向
Ｆ 長手方向

Claims (5)

1. 板状に形成され、長手方向の中央部の幅が両端部の幅よりも狭く形成された主芯材と、
   前記主芯材に対する前記主芯材の厚さ方向の一方に配置されるとともに、前記長手方向の中央部が前記主芯材の前記中央部に接続されることなく、前記長手方向の端部が前記主芯材の前記端部にそれぞれ固定され、前記長手方向の中央部の幅が両端部の幅よりも狭く形成された補助芯材と、
   前記主芯材および前記補助芯材を前記厚さ方向に挟むように配置され、前記長手方向の端部が前記主芯材の前記端部にそれぞれ固定された一対の狭持部材と、
   それぞれの前記狭持部材における前記主芯材の幅方向の端部同士を接続する一対の接続部材と、
   を備えることを特徴とするブレースダンパー。
2. 前記補助芯材は、前記主芯材を前記厚さ方向に挟むように一対配置されていることを特徴とする請求項１に記載のブレースダンパー。
3. 前記補助芯材と前記狭持部材と間に配置された弾性部材を備えることを特徴とする請求項１または２に記載のブレースダンパー。
4. 前記狭持部材における前記補助芯材とは反対側に設けられた補強部材を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のブレースダンパー。
5. 前記補助芯材の前記厚さ方向の長さは、前記主芯材の前記厚さ方向の長さより短く設定されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のブレースダンパー。

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