JP6192961B2 - 制震装置 - Google Patents

Description

この発明は、住宅等の建物に適用され地震等の外力による震動を減衰させる制震装置に関する。

従来、建物の柱と横架材とで構成される軸組フレーム内に設ける制震装置として、粘弾性ダンパーが一般的に用いられている。しかし、粘弾性ダンパーで吸収できるエネルギーを超えた負荷が加わると、粘弾性ダンパーが損傷する恐れがある。このような問題を解消するものとして、摩擦接触により制震機能を果たす摩擦ダンパーを粘弾性ダンパーと併用し、過大な負荷が作用した場合に摩擦ダンパーを機能させ、粘弾性ダンパーを保護するハイブリット構造のものが提案されている（例えば、特許文献１〜４）。

特許第４２４５２５８号公報 特開２０１２−１３２１５号公報 特開２００６−２５７６７４号公報 特開２００９−２５０３５４号公報

住宅に採用する制震装置の場合、層間変形１／１５の大変形に追従して安定した減衰効果を発揮する必要がある。しかし、従来の制震装置は、ハイブリット構造のものであっても、このような大変形にまで追従する機能を備えたものが殆どない。また、その変形時には、水平方向の変形だけでなく、垂直方向の変形にも考慮しなくてはならないが、このような水平、垂直の両方の変位に対応できて、大変形に追従して安定した減衰効果を発揮できるものは、提案されるに至っていない。

この発明の目的は、小変形時から大変形時まで安定した減衰効果を発揮でき、かつ水平方向の変形だけでなく、垂直方向の変形にも対処できるハイブリット構造の制震装置を提供することである。

この発明の第1の制震装置は、
建物における震動で相対変位する一方および他方の部分にそれぞれ取付けられる第１および第２の躯体側部材と、
これら第１および第２の躯体側部材の間に設けられて粘弾性体を有しこの粘弾性体の変形により前記第１の躯体側部材と第２の躯体側部材との相対変位を許容する粘弾性ダンパー機構と、
前記第１および第２の躯体側部材の間に設けられて互いに摩擦接触する複数の接触部材を有しこの接触部材間の最大静止摩擦力を超える外力が作用すると前記複数の接触部材の相対移動が生じかつ前記粘弾性ダンパー機構に前記第１の躯体側部材と第２の躯体側部材の相対変位が作用することを解消または緩和する摩擦ダンパー機構
とを備えた制震装置において、
前記摩擦ダンパー機構は、前記互いに摩擦接触する一対の接触部材の一方に貫通して設けられて横方向に延びるガイド長孔と、他方の接触部材に取付けられて前記ガイド長孔内に移動可能に挿通され、前記一対の接触部材に互いの押し付け力を与える軸状締め付け部材とを有し、
前記ガイド長孔を、水平方向に延びる円弧状で、左右対称な形状としたことを特徴とする。

この構成によると、常時は、地震等により建物が変形して第１の躯体側部材と第２の躯体側部材との間に外力が作用したときに、前記粘弾性ダンパー機構の粘弾性体がせん断変形することで震動エネルギーを吸収し、制震効果を発揮する。摩擦ダンパー機構は、接触部材間の最大静止摩擦力を超える外力が作用するまでは動作しない。そのため、粘弾性ダンパー機構のみが動作し、震動エネルギーを吸収する。建物の通常の地震等による小変形時は、この粘弾性体のせん断変形で吸収される。

建物の変形が大きくなったり応答速度が大きくなると，粘弾性体の抵抗力によって摩擦ダンパー機構の接触部材間に作用する力が最大静止摩擦力を超える。これにより、摩擦ダンパー機構の摩擦部材間に相対移動が生じ、摩擦接触しながらの相対移動により摩擦減衰作用が生じる。すなわち摩擦ダンパーとして機能する。そのため、小変形時から大変形時まで安定した減衰効果を発揮できる。
また、摩擦ダンパー機構の摩擦部材の間に相対移動が生じることにより、粘弾性ダンパー機構の前記粘弾性体に過大な負荷が作用することが回避され、粘弾性体の損傷が保護される。

摩擦ダンパー機構における摩擦部材の移動方向は、前記ガイド長孔とこれに挿通された前記締付け部材とにより規制され、そのため、この制震装置によって建物の大きな変形を許容する方向が規制される。この制震装置を壁フレーム等となる制震フレーム等に組み込む場合、ガイド長孔の延びる方向を水平とすることで、地震時等に生じる建物の水平方向の変形を許容することになる。しかし、この制震装置を、制震フレーム等に組み込んだ場合、制震フレームはせん断変形成分と曲げ変形成分とが混成された変形となり、前記ガイド長孔に挿通された締付け部材は、複雑な挙動を示そうとする。前記ガイド長孔は、この挙動を許容できる必要がある。前記ガイド長孔が直線状で水平方向に延びる場合、前記垂直方向の変形を許容できず、この制震装置に無理な荷重が作用することになる。しかし、前記ガイド長孔を左右に対称な円弧状としたため、前記締付け部材の前述の複雑な挙動を許容でき、水平方向の変形を円滑に許容することができる。
これらのため、小変形時から大変形時まで安定した減衰効果を発揮でき、かつ水平方向の変形だけでなく、垂直方向の変形にも対処できる。
なお、前記ガイド長孔の長手方向中央の幅は前記締付け部材の軸径と同等であることが好ましく、これにより、摩擦ダンパー機構に原点回帰性を持たせることができる。

この発明において、前記ガイド長孔の前記円弧状の形状は、長手方向に沿う下側の縁が円弧状であって、上側の縁が直線状であっても良い。
前記ガイド長孔の円弧状の形状が、長手方向に沿う下側の縁が円弧状であって、上側の縁が直線状であると、ガイド長孔の両端に至るに従ってガイド長孔の幅が広がる。そのため、前述のせん断変形成分と曲げ変形成分とが混成された変形による前記締付け部材の複雑な挙動に対する許容効果が大きく得られる。このガイド長孔の形状の場合も、ガイド長孔の中間部の幅寸法を軸状の締付け部材の軸径に合わせられるので、前記摩擦ダンパー機構の原点回帰性も維持することができる。

この発明の制震装置において、前記粘性ダンパー機構は、互いに隙間を介して対面し一端で互いに結合された一対の前後プレートと、これら前後プレートの前記隙間に介在した中央プレートと、この中央プレートの両面と前記両前後プレートとの隙間にそれぞれ介在して前記中央プレートと前記前後プレートとに固定された複数の粘弾性体とでなり、前記摩擦ダンパー機構は、前記中央プレートと前記第１の躯体側部材とが互いに接触する前記接触部材となり、かつ前記一対の前後プレートと前記第２の躯体側部材とが互いに接触する前記接触部材となるものであっても良い。
この構成の場合、粘弾性ダンパー機構が、摩擦ダンパー機構を介して躯体側部材に取付られることになり、摩擦ダンパー機構による粘弾性ダンパー機構の保護が行い易い。

この発明の第1の制震装置は、建物における震動で相対変位する一方および他方の部分にそれぞれ取付けられる第１および第２の躯体側部材と、これら第１および第２の躯体側部材の間に設けられて粘弾性体を有しこの粘弾性体の変形により前記第１の躯体側部材と第２の躯体側部材との相対変位を許容して吸振を行う粘弾性ダンパー機構と、前記第１および第２の躯体側部材の間に設けられて互いに摩擦接触する複数の接触部材を有しこの接触部材間の最大静止摩擦力を超える外力が作用すると前記複数の接触部材の相対移動が生じかつ前記粘弾性ダンパー機構に前記第１の躯体側部材と第２の躯体側部材の相対変位が作用することを解消または緩和する摩擦ダンパー機構とを備えた制震装置において、前記摩擦ダンパー機構は、前記互いに摩擦接触する一対の接触部材の一方に貫通して設けられて横方向に延びるガイド長孔と、他方の接触部材に取付けられて前記ガイド長孔内に移動可能に挿通され、前記一対の接触部材に互いの押し付け力を与える軸状締め付け部材とを有し、前記ガイド長孔を、水平方向に延びる円弧状で左右対称な形状としたため、小変形時から大変形時まで安定した減衰効果を発揮でき、かつ水平方向の変形だけでなく、垂直方向の変形にも対処できる。

この発明の第１実施形態の制震装置を示すもので、図（イ）は正面図、図（ロ）は側面図である。 図（イ）は粘弾性ダンパー機構を示す正面図、図（ロ）は粘弾性ダンパー機構と躯体側部材とを分離状態にして示す側面図である。 同制震装置の大変位時の作動状態を示す正面図である。 図（イ）は同実施形態におけるガイド長孔の形状を示す拡大正面図、図（ロ）は、ガイド長孔の変形例の形状を示す正面図である。 制震装置が適用された制震パネルの正面図である。 同制震フレームのせん断変形および曲げ変形の説明図である。 同制震フレームの最大変形を示す説明図である。 参考提案例の制震装置を示すもので、図（イ）は正面図、図（ロ）は側面図である。 図（イ）は同提案例における第１の躯体側部材の正面図、図（ロ）は同実施形態における中央プレートおよび前後プレートの正面図である。

この発明の第１の実施形態を図１ないし図４（イ）と共に説明する。この制震装置１は、住宅等の建物に用いられて地震等の外力による震動を減衰させる装置であって、図５に示すような建物用の制震パネル２用の制震装置として構成した場合のものである。制震パネル２は、階上側に一体化され、階上側から階下側に垂れ下がる上側フレーム３と、階下側に一体化され、階下側から階上側に立ち上がる下側フレーム４とを備え、パネル２の高さ方向の中間部位置において上側フレーム３の下端部と下側フレーム４の上端部とを制震装置１を介して連結したものである。震動によって建物に層間変位を生じると、上下のフレーム３，４が左右方向に相対変位をして制震装置１がエネルギーを吸収し、制震作用を行うようになされている。前記上下のフレーム３，４が、請求項１で言う「建物における震動で相対変位する一方および他方の部分」である。

制震装置１は、図１及び図２に示すように、中央プレート５と一対の前後プレート６，６が面部を向き合わせるように前後方向に配列されると共に、これら中央プレート５と前後プレート６，６間に粘弾性体７，７が接着状態に介在している。一対の前後プレート６，６は、下端で互いに一体化されている。これら中央プレート５、前後プレート６，６、および粘弾性体７，７により、粘弾性ダンパー機構Ａが構成される。粘弾性体６には、粘弾性を有する高分子物質等が用いられる。中央プレート５と前後の第１プレート６，６とが左右方向に相対変位を行うと、各粘弾性体７，７がせん断変形をしてエネルギーを吸収する。なお、前記中央プレート５および前後プレート６，６は、互いに相対移動する相対変位部材である。

摩擦ダンパー機構Ｂは、次のように構成される。前記粘弾性ダンパー機構Ａの中央プレート５に対応して、プレートからなる第１の躯体側部材８が備えられ、この躯体側部材８は、溶接などにより上側フレーム３に一体的に取り付けられている。
また、粘弾性ダンパー機構Ａの前後プレート６，６に対応して、プレートからなる第２の躯体側部材９が備えられ、この躯体側部材が溶接などにより下側フレーム４に一体的に取り付けられている。

前記中央プレート５および前後プレート６，６は、前述のように粘弾性ダンパー機構Ａにおける相対変位部材となるが、これら中央プレート５および前後プレート６，６は、摩擦ダンパー機構Ｂにおける、第１，第２の躯体側部材８，９にそれぞれ摩擦接触する接触部材となる。また、第１，第２の躯体側部材８，９は、中央プレート５および前後プレート６，６に摩擦接触する相手側の接触部材となる。

中央プレート５と第１の躯体側部材８とは重なり状態にされ、この重なり部分において、中央プレート５には、左右方向に延びる貫通したガイド長孔１０が設けられると共に、第１の躯体側部材８には軸状締め付け部材であるボルト１１が溶接などで一体化されて設けられ、各ボルト１１の軸部１１ａは、ガイド長孔１０に通され、各軸部１１ａには抜止め用のナット１２が螺合されている。ナット１２は、軸部１１ａがガイド長孔１０から抜け出てしまうのを阻止するもので、中央第１プレート５と第１の躯体側部材８とを摩擦接合状態にしているものではない。

前後プレート６，６と第２の躯体側部材９についても、重なり状態にされ、この重なり部分において、前後プレート６，６には、左右方向に延びる貫通したガイド長孔１０が設けられると共に、第２の躯体側部材９には軸状締め付け部材であるボルト１１が溶接などで一体化されて設けられ、各ボルト１１の軸部１１ａは、ガイド長孔１０に通され、各軸部１１ａには抜止め用のナット１２が螺合されている。このナット１２も、軸部１１ａがガイド長孔１０から抜け出てしまうのを阻止するもので、前後の第１プレート５と第２の躯体側部材９とを摩擦接合状態にしているものではない。

ガイド長孔１０は図４（イ）に示すように円弧状とされ、水平方向に延び、左右に対称であり、その円弧状の円弧中心はガイド長孔１０に対して下側とされている。ガイド長孔１０は、この実施形態では長手方向に沿う上下両方の側縁とも円弧状とされ、長手方向の全域にわたって前記ボルト４の軸径Ｄ0 に合わせた同一幅寸法Ｄ1 とされている。
図４（ロ）は、ガイド長孔９の形状の他の例を示す。この例では、ガイド長孔１０の円弧状の形状は、長手方向に沿う下側の縁が円弧状であって、上側の縁が直線状とされている。これによりガイド長孔１０の両端部の幅寸法Ｄ1 は、前記ボルト４の軸径Ｄ０に合わせた中間部の幅寸法よりも大きくされている。

この構成によると、常時は、地震等により建物が変形して第１の躯体側部材８と第２の躯体側部材９との間に左右方向の外力が作用したときに、前記粘弾性ダンパー機構Ａの粘弾性体５がせん断変形することで震動エネルギーを吸収し、制震効果を発揮する。すなわち、摩擦ダンパー機構Ｂは、それぞれ接触部材である中央プレート５と第１の躯体側部材８間、および前後プレート６と第２の躯体側部材９間の最大静止摩擦力を超える外力が作用するまでは、接触部材間に相対的な動作は生じない。そのため、第１の躯体側部材８と第２の躯体側部材９との間に外力が作用すると、第１の躯体側部材８と第２の躯体側部材９とにそれぞれ摩擦接触で保持された中央プレート５と前後プレート６間に介在する粘弾性体７にその外力が伝わり、粘弾性体７がせん断変形することで、第１の躯体側部材８と第２の躯体側部材９との相対移動を許容する。この粘弾性体７のせん断変形により、粘弾性ダンパーとして機能し、震動エネルギーが吸収される。建物の通常の地震等による小変形時は、この粘弾性体７のせん断変形で吸収される。

建物の変形が大きくなったり応答速度が大きくなって粘弾性体７の抵抗力が摩擦ダンパー機構Ａの接触部材間の静止摩擦力を超えると、互いに摩擦接触する接触部材間、つまり中央プレート５と第１の躯体側部材８間、および前後プレート６と第２の躯体側部材９間に図３のように相対移動が生じる。なお、この相対移動は、ボルト１１の軸部１１ａが長孔１０内を移動可能な構成により許容されている。これにより粘弾性体７に過大な変形が作用することが回避され、過大な変形による粘弾性体７の損傷が保護されると共に、摩擦接触しながらの相対移動により摩擦減衰作用が生じる。すなわち摩擦ダンパーとして機能する。そのため、小変形時から大変形時まで安定した減衰効果を発揮できる。

上記構成の制震フレーム２に地震等の外力が加わったときの変形を図６に示す。図６（イ）に示す制震フレーム２に外力が加わったときの変形は、図６（ロ）に示すせん断変形だけでなく、図６（ハ）に示すように曲げ変形が加わった混成の変形となる。例えば、制震フレーム２が水平方向に変形した場合、制震装置取付距離は変形前の（ＨD）から、曲げ変形時（Ｈ′D）や、せん断変形時（Ｈ″D）に変化する。特に、制震フレーム２の大変形時には、図７に示すように上下方向の変形量ｈo が大きくなる。なお、この場合の上下方向の変形量ｈo は、制震フレーム２の高さをＨP 、最大層間変形角をθとしたとき、次式
ｈo ＝ＨP （１−ｃｏｓθ）………（１）
で与えられる。このため、摩擦ダンパー機構Ｂの構成要素である前記ボルト１１は複雑な挙動を示す。中央プレート５および前後プレート６，６のガイド長孔１０は、ボルト１１の動きに追従できる形状とする必要がある。

そこで、図４（イ）に示した例では、ガイド長孔１０の形状は、長手方向の全域にわたって前記ボルト１１の軸径Ｄ0 に合わせた同一幅寸法Ｄ1 の円弧状とされている。これにより、上記した上下方向への変形に一応対応することができ、摩擦ダンパー機構に原点回帰性を持たせることができる。これにより、ボルト１１とガイド長孔１０との干渉を緩和して摩擦ダンパー機構としての減衰効果を発揮でき、ボルト１１とガイド長孔１０との干渉による金属擦れ音も低減できる。

図４（ロ）に示した例では、ガイド長孔１０の形状は、長手方向に沿う下側の縁が円弧状であって、上側の縁が直線状とされている。これによりガイド長孔１０の両端部の幅寸法Ｄ1 は、前記ボルト１１の軸径Ｄ０に合わせた中間部（センタープレート２の中央位置）の幅寸法よりも大きくされている。その両端部の幅寸法Ｄ１は、図７のように大変形時の制震動フレーム２０の上下方向の変形量ｈo を用いて、次式
Ｄ1 ＝Ｄ0 ＋αｈo ………（２）
として与えることができる。ただし、αは、曲げ等による付加変形量を見込んだ余裕率（α≧１）である。これにより、小変形時から大変形時にわたって、ボルト１１とガイド長孔１０との干渉を緩和して摩擦ダンパー機構としての減衰効果を十分発揮できる。この場合、ガイド長孔１０の中間部の幅寸法がボルト１１の軸径Ｄ０に合わせているので、摩擦ダンパー機構の原点回帰性も維持することができる。

このように、この実施形態の制震装置１０によると、小変形時から大変形時まで安定した減衰効果を発揮でき、かつ水平方向の変形だけでなく、垂直方向の変形にも対処することができる。

図８，図９は、参考提案例に係る制震装置を示す。この実施形態は、特に説明する事項の他は、図１〜図４（イ）と共に前述した第１の実施形態と同様であり、重複する説明を省略する。
この実施形態は、図１〜図４（イ）に示す第１の実施形態において、中央プレート５および前後プレート６に横方向に円弧状に延びるガイド長孔１０を設け、かつボルト１１を躯体側部材８，９に固定とした構成に代えて、次の構成としている。

すなわち、この提案例では、中央プレート５および前後プレート６には横方向に直線状に延びる横ガイド長孔１０Ａを設け、第１，第２の躯体側部材８，９には上下方向に直線状に延びる縦ガイド長孔１３を設けている。１本のボルト１１は、中央プレート５の横ガイド長孔１０Ａと第１の躯体側部材８の縦ガイド長孔１３に渡って挿通され、また他のボルト１１は、前後プレート６の横ガイド長孔１０Ａと第２の躯体側部材９の縦ガイド長孔１３に渡って挿通されている。各ボルト１１は、それぞれ互いに重なる中央プレート５と第１の躯体側部材８との間の締め付け、および前後プレート６と第２の躯体側部材９との間の締め付けを行うが、各ガイド長孔１０Ａ，１３の長手方向に移動可能とする。
この制震装置は、例えば図５の制震パネル２に、第１の実施形態と同様に設置される。

この構成の場合、摩擦ダンパー機構Ｂは、軸状締め付け部材であるボルト１１が、互いに接する中央プレート５の横ガイド長孔１０Ａと第１の躯体側部材８の縦ガイド長孔１３、および前後プレート６の横ガイド長孔１０Ａと第２の躯体側部材９の縦ガイド長孔１３とに渡って挿通されている。このように横ガイド長孔１０Ａと縦ガイド長孔１３とに挿通されているため、互いに接する中央プレート５と第１の躯体側部材８、および前後プレート６と第２の躯体側部材９とは、左右だけでなく、上下の相対移動も許容される。
建物の小変形時に粘弾性ダンパー機構Ａが制震効果を奏すること、および建物の変形が大きくなったり応答速度が大きくなると、摩擦ダンパー機構Ｂの接触部材間に作用する力が最大静止摩擦力を超え、摩擦ダンパー機構Ｂの接触部材間に相対移動が生じことは、第１の実施形態の場合と同様である。
したがって、この提案例の制震装置においても、小変形時から大変形時まで安定した減衰効果を発揮でき、かつ水平方向の変形だけでなく、垂直方向の変形にも対処することができる。

なお、この提案例では、中央プレート５および前後プレート６に横ガイド長孔１０Ａを設けたが、中央プレート５および前後プレート６に縦ガイド長孔１３を設け、第１、第２の躯体側部材８，９に横ガイド長孔１０Ａを設けても良い。

また、上記実施形態および提案例では、粘弾性ダンパー機構Ａを中央プレートと前後プレートとで構成したが、この発明および提案例は、図示の粘弾性ダンパー機構Ａや摩擦ダンパー機構Ｂに限らず、種々の構成の粘弾性ダンパー機構および摩擦ダンパー機構を併用した制震装置に適用することができる。

１…制震装置
２…制震パネル
３…上側フレーム（一方の部材）
４…下側フレーム（他方の部材）
５…中央プレート（接触部材）
６…前後プレート（接触部材）
７…粘弾性体
８…第１の躯体側部材（接触部材）
９…第２の躯体側部材（接触部材）
１０…ガイド長孔
１０Ａ…横ガイド長孔
１１…ボルト（軸状締め付け部材）
１１ａ…軸部
１３…縦ガイド長孔
Ａ…粘弾性ダンパー機構
Ｂ…摩擦ダンパー機構

Claims (3)

1. 建物における震動で相対変位する一方および他方の部分にそれぞれ取付けられる第１および第２の躯体側部材と、
   これら第１および第２の躯体側部材の間に設けられて粘弾性体を有しこの粘弾性体の変形により前記第１の躯体側部材と第２の躯体側部材との相対変位を許容して吸振を行う粘弾性ダンパー機構と、
   前記第１および第２の躯体側部材の間に設けられて互いに摩擦接触する複数の接触部材を有しこの接触部材間の最大静止摩擦力を超える外力が作用すると前記複数の接触部材の相対移動が生じかつ前記粘弾性ダンパー機構に前記第１の躯体側部材と第２の躯体側部材の相対変位が作用することを解消または緩和する摩擦ダンパー機構
   とを備えた制震装置において、
   前記摩擦ダンパー機構は、前記互いに摩擦接触する一対の接触部材の一方に貫通して設けられて横方向に延びるガイド長孔と、他方の接触部材に取付けられて前記ガイド長孔内に移動可能に挿通され、前記一対の接触部材に互いの押し付け力を与える軸状締め付け部材とを有し、
   前記ガイド長孔を、水平方向に延びる円弧状で左右対称な形状としたことを特徴とする制震装置。
2. 請求項１に記載の制震装置において、前記ガイド長孔の前記円弧状の形状は、長手方向に沿う下側の縁が円弧状であって、上側の縁が直線状である制震装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の制震装置において、
   前記粘弾性ダンパー機構は、互いに隙間を介して対面し一端で互いに結合された一対の前後プレートと、これら前後プレートの前記隙間に介在した中央プレートと、この中央プレートの両面と前記両前後プレートとの隙間にそれぞれ介在して前記中央プレートと前記前後プレートとに固定された複数の粘弾性体とでなり、
   前記摩擦ダンパー機構は、前記中央プレートと前記第１の躯体側部材とが互いに接触する前記接触部材となり、かつ前記一対の前後プレートと前記第２の躯体側部材とが互いに接触する前記接触部材となる、
   制震装置。

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