JP6411297B2

JP6411297B2 - 制震ダンパ

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Publication number: JP6411297B2
Application number: JP2015148463A
Authority: JP
Inventors: 小竹　祐治; 祐治小竹; 匠新飯田; 小鹿　紀英; 紀英小鹿; 薫上野; 芳隆鈴木
Original assignee: Senqcia Corp
Current assignee: Senqcia Corp
Priority date: 2015-07-28
Filing date: 2015-07-28
Publication date: 2018-10-24
Anticipated expiration: 2035-07-28
Also published as: JP2017025674A

Description

本発明は、累積変形能力に優れる制震ダンパに関するものである。

従来、柱と梁を有する門型の構造物の耐震性を高める為、ブレースや方杖等が用いられているが、構造物の制震を行うため、これらの一部に制震ダンパを設ける場合がある。制震ダンパには、流体抵抗を利用した油圧ダンパ、摩擦抵抗を利用した摩擦ダンパ、部材の弾塑性変形を利用した弾塑性ダンパ等がある。特に弾塑性ダンパは、コストや取り扱いやすさに優れている。

このような弾塑性ダンパとしては、ブロック（板材）に孔を形成し、孔によって形成される柱部を変形させることで、構造物の制震を行う方法がある（例えば特許文献１）。

特開平１−１９０８８０号公報

図６は、形状を単純化した制震ダンパ１００を示す図である。制震ダンパ１００は、例えば軟鋼製の部材からなる。本体１０１は、ブレース等と取り付けるための取り付け部と、それらの間に設けられる孔１０３とを具備する。孔１０３によって、取り付け部同士の間に柱部１０５が形成される。

制震ダンパ１００は、構造物のブレース等に接合される。地震等が発生した際には、柱部１０５が弾塑性変形し、これによりエネルギーを吸収し、構造物に減衰力を与える。

図７は、柱部１０５の変形時の塑性断面係数と降伏せん断力の関係を示す図である。柱部１０５は、簡単のため、完全な直方体とし、幅をＢ、厚みをＤとした。図７の（ａ）は、高さ方向Ｘにおける、面内方向（幅方向）の変形に対する塑性断面係数Ｚ_ｐ０を示し、図７の（ｂ）は、高さ方向Ｘにおける、面内方向（幅方向）の変形に対する降伏せん断力Ｑ_ｐ０を示す。

塑性断面係数Ｚ_ｐ０は、Ｂ^２Ｄ／４で表される。柱部１０５は、Ｘに対して幅Ｂと厚みＤが一定であるため、（ａ）に示すように、Ｘの位置によらず、塑性断面係数Ｚ_ｐ０は一定となる。この場合、降伏せん断力Ｑ_ｐ０は、（ｂ）に示すように、柱部１０５のＸ方向の端部において最も小さく（図中Ｒ）、中央で最も大きくなる。すなわち、面内方向（幅方向）の変形に対して、柱部１０５は基部において最も降伏せん断力が小さくなるため、繰り返しの変形において、最も早く損傷する部位（以下、危険断面位置）は、柱部１０５の基部となる。

同様に、図７の（ｃ）は、高さ方向Ｘにおける、面内方向に垂直な面外方向（厚み方向）の変形に対する塑性断面係数Ｚ_ｐ９０を示し、図７の（ｄ）は、高さ方向Ｘにおける、面外方向（厚み方向）の変形に対する降伏せん断力Ｑ_ｐ９０を示す。

塑性断面係数Ｚ_ｐ９０は、ＢＤ^２／４で表される。柱部１０５は、Ｘに対して幅Ｂと厚みＤが一定であるため、（ｃ）に示すように、Ｘの位置によらず、塑性断面係数Ｚ_ｐ９０は一定となる。この場合、降伏せん断力Ｑ_ｐ９０は、（ｄ）に示すように、柱部１０５のＸ方向の端部において最も小さく（図中Ｓ）、中央で最も大きくなる。すなわち、面外方向（厚み方向）の変形に対しても、柱部１０５は基部において最も降伏せん断力が小さくなるため、繰り返しの変形において、危険断面位置は、柱部１０５の基部となる。

このように、危険断面位置を考慮せずに設計を行うと、面内方向および面外方向のいずれに対しても、危険断面位置が柱部１０５の基部近傍となる。通常、制震ダンパ１００は、面内方向の制震を目的に用いられるため、面内方向の累積変形能力（損傷するまでに繰り返し弾塑性変形可能な能力）が重要である。しかし、意図しない面外方向の変形が起こった際、危険断面位置が一致してしまうと、柱部１０５の基部における累積変形能力が損なわれる恐れがある。

前述した特許文献１も、かかる危険断面位置について考慮されたものではないため、面内方向および面外方向の危険断面位置が近接し、累積変形能力が損なわれる恐れがある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、累積変形能力が損なわれることを抑制することが可能な制震ダンパを提供することを目的とする。

前述した目的を達成するため、本発明は、構造物に取り付けられて、振動エネルギーを吸収する制震ダンパであって、板状の本体には、断面形状が略矩形の柱部が形成され、前記柱部の外形は、前記柱部の中央と基部との間の所定の範囲に、前記柱部の中央方向に凸となる二次曲線からなる曲線部と、前記曲線部と前記柱部の基部とをつなぐ柱端部とからなり、前記曲線部と前記柱端部とがなだらかに接続され、前記柱端部は、前記柱部の基部に設けられた円弧部と、前記曲線部と前記円弧部とをつなぐ直線部と、を具備し、前記柱端部が、前記曲線部の二次曲線の延長線よりも外側に形成され、前記柱端部の部位で、前記曲線部の二次曲線の延長線の幅よりも前記柱部の幅が大きく、前記本体の面内方向における前記柱部の危険断面位置と、前記面内方向に垂直な方向の面外方向における前記柱部の危険断面位置と、が異なり、前記面外方向の危険断面位置は、前記柱部の基部であり、前記面内方向の危険断面位置は、前記柱部の基部から、前記柱部の中央部側にずれた前記曲線部と前記柱端部との接続位置となることを特徴とする制震ダンパである。

前記柱部の高さＨに対して、前記面内方向の危険断面位置は、前記柱部の基部から、Ｈ／２０以上離れた位置であることが望ましい。

前記柱部の高さＨに対して、前記面内方向の危険断面位置は、前記柱部の基部から、Ｈ／１０以上離れた位置であることが望ましい。

本発明によれば、面内方向の変形に対する危険断面位置と、面外方向の変形に対する危険断面位置と、が異なるため、意図せずに面外方向の変形が生じた場合でも、面内方向の累積変形能力を損なうことを抑制することができる。

特に、柱部の高さＨに対して、面内方向の危険断面位置が、柱部の基部から、Ｈ／２０以上離れた位置であれば、その効果を確実に得ることができる。さらに面内方向の危険断面位置を、柱部の基部から、Ｈ／１０以上離れた位置とすれば、より確実にその効果を確実に得ることができる。

また、柱部の一部に二次曲線からなる曲線部が形成されることで、柱部の降伏せん断力を過剰に高くすることなく、効率よく累積変形能力を確保することができる。

この場合、柱端部を、円弧部と直線部として、曲線部と柱端部とをなだらかに接続し、柱端部を、曲線部の二次曲線の延長線よりも外側に形成することで、応力集中部などが生じにくく、確実に、面内方向の変形に対する危険断面位置を柱部の中央部側にずらすことができる。

本発明によれば、累積変形能力が損なわれることを抑制することが可能な制震ダンパを提供することができる。

制震構造１を示す図。（ａ）は、制震ダンパ９を示す図、（ｂ）は、柱部１５の部分拡大図。（ａ）は、制震ダンパ９の面内方向の変形を示す図、（ｂ）は、制震ダンパ９の面外方向の変形を示す図。柱部１５の形状における、面内方向および面外方向のそれぞれの塑性断面係数と、降伏せん断力とを示す図。理想状態の塑性断面係数と、降伏せん断力とを示す図。制震ダンパ１００を示す図。柱部１０５の形状における、面内方向および面外方向のそれぞれの塑性断面係数と、降伏せん断力とを示す図。

以下、本発明の実施の形態にかかる制震構造１について説明する。図１は、制震構造１を示す図である。構造物の柱３、梁５の合流部から、上下いずれかの方向の梁５までＶ型のブレース７が接合される。ブレース７の端部と梁５との間には、制震ダンパ９が接合される。すなわち、制震構造１においては、構造物のＶ型（横向き、逆向きに設置されるものを含む。以下同じ）のブレース７へ制震ダンパ９が設けられる。なお、制震ダンパ９の取り付け位置やブレース７等の態様については図示した例には限られない。

地震などにより構造物が振動し、ブレース７と梁５とが相対的に変位すると、制震ダンパ９は弾塑性変形する。すなわち、制震ダンパ９は、その一部が弾塑性変形することで、振動エネルギーを吸収する。

次に、制震ダンパ９について詳細に説明する。図２（ａ）は、制震ダンパ９の正面図である。制震ダンパ９は、軟鋼などの鋼材からなる板状の部材である。すなわち、制震ダンパ９の厚みは略一定である。

制震ダンパ９の本体１１の上下には、前述した構造物への取り付け部１１ａが設けられる。取り付け部１１ａには、例えばボルトなどを挿通可能な複数の孔が設けられる。

本体１１の取り付け部１１ａ同士の間には、本体１１を貫通する複数の孔１３が形成される。また、孔１３によって、複数の柱部１５が形成される。すなわち、柱部１５は、上下の取り付け部１１ａ同士を連結する部位となる。なお、柱部１５の本数は、図示した例には限られず、１本であってもよい。この場合には、柱部１５の両側には孔１３が形成されるのではなく切欠きが形成される。なお、以下の説明では、孔１３によって、複数の柱部１５が形成される例について説明するが、柱部１５が1本の場合には、孔１３に代えて、切欠きであるものとする。

図２（ｂ）は、柱部１５の部分拡大図である。柱部１５は、中央部がくびれた形状である。柱部１５の中央部から基部（取り付け部１１ａとの境界近傍）との間の所定の範囲には、曲線部（図中Ｌ）が設けられる。曲線部Ｌは、柱部１５の中央方向に凸となるような二次曲線（図中Ｅ）からなる。

曲線部Ｌと柱部１５の基部との間には、直線部（図中Ｍ）と、円弧部（図中Ｎ）が連続する。なお、曲線部Ｌと柱部１５の基部との間を柱端部と称する。すなわち、柱端部は、柱部１５基部に設けられた円弧部Ｎと、曲線部Ｌと円弧部Ｎとをつなぐ直線部Ｍとからなる。曲線部Ｌと直線部Ｍとはなだらかに接続される。また、直線部Ｍと円弧部Ｎとはなだらかに接続される。このようにすることで、各部の境界に応力集中などが生じることがない。

ここで、柱端部（円弧部Ｎと直線部Ｍ）は、曲線部Ｌの二次曲線Ｅの延長線よりも外側にはみ出すように形成される。すなわち、柱端部（円弧部Ｎと直線部Ｍ）の部位では、二次曲線Ｅの延長線の幅よりも柱部１５の幅が大きい。

次に、制震ダンパ９の変形方向について説明する。図３（ａ）は、制震ダンパ９の上下の取り付け部１１ａが相対的に変位した状態を示す図である。図３（ａ）に示す例では、本体の孔１３が形成される面に平行な方向（図中矢印Ｆ方向）の変形である。したがって、変形後においても、上下の取り付け部１１ａが同一平面上に位置する。この方向の変形を面内方向の変形と称する。

これに対し、図３（ｂ）は、面内方向の変形に垂直な方向（図中矢印Ｇ方向）の変形を示す。すなわち、変形後において、上下の取り付け部１１ａが、互いに平行に異なる面上に位置する。この方向の変形を面外方向の変形と称する。

制震ダンパ９は、面内方向の変形を意図して設計される。したがって、制震ダンパ９は、面内方向の変形に対して必要な減衰力を発生し、所定の累積変形能力を確保できるように設計される。しかし、実際の地震等の振動は、面内方向の振動に加えて、面外方向の振動も生じることとなる。このため、制震ダンパ９は、面内方向の変形に加えて、面外方向の変形も考慮する必要がある。

図４は、柱部１５の面内方向および面外方向のそれぞれの塑性断面係数と、降伏せん断力とを示す図である。柱部１５の高さＸにおける幅をＢ、厚みをＤとする。図４の（ａ）は、高さ方向Ｘにおける、面内方向（幅方向）の変形に対する塑性断面係数Ｚ_ｐ０を示し、図４の（ｂ）は、高さ方向Ｘにおける、面内方向（幅方向）の変形に対する降伏せん断力Ｑ_ｐ０を示す。

塑性断面係数Ｚ_ｐ０は、Ｂ^２Ｄ／４で表される。したがって、図４の（ａ）に示すように、塑性断面係数Ｚ_ｐ０は、位置によって変化する。この場合、降伏せん断力Ｑ_ｐ０は、（ｂ）に示すように、柱部１５の基部から、中央部にずれた位置で最も小さく（図中Ｐ）、中央で最も大きくなる。すなわち、面内方向（幅方向）の変形に対して、柱部１５は基部から中央部にずれた位置で最も降伏せん断力が小さくなるため、繰り返しの変形において、危険断面位置は、柱部１５の基部から中央にずれた位置となる。

同様に、図４の（ｃ）は、高さ方向Ｘにおける、面外方向（厚み方向）の変形に対する塑性断面係数Ｚ_ｐ９０を示し、図４の（ｄ）は、高さ方向Ｘにおける、面外方向（厚み方向）の変形に対する降伏せん断力Ｑ_ｐ９０を示す。

塑性断面係数Ｚ_ｐ９０は、ＢＤ^２／４で表される。したがって、図４の（ａ）に示すように、塑性断面係数Ｚ_ｐ０は、位置によって変化する。この場合、降伏せん断力Ｑ_ｐ０は、（ｄ）に示すように、柱部１５のＸ方向の端部近傍において最も小さく（図中Ｑ）、中央で最も大きくなる。すなわち、面外方向（厚み方向）の変形に対して、柱部１５は基部近傍において最も降伏せん断力が小さくなるため、繰り返しの変形において、危険断面位置は、柱部１５の基部近傍となる。

このように、本実施形態では、面外方向の変形における危険断面位置（柱部１５の基部近傍）に対して、面内方向の変形における危険断面位置が、柱部１５の中央方向にずれた位置となる。

ここで、図５の（ａ）は、理想状態の塑性断面係数Ｚ_ｐ０を示す図である。柱部の形状を完全な２次曲線で構成し、中央部で凸同士が接するような形状であれば、図５の（ｂ）に示すように、降伏せん断力は、部位によらず一定となる。すなわち、危険断面位置が柱部の１点（上下２点）のみに形成されず、全体が均一な降伏せん断力であるため、無駄がなく、必要以上に高い降伏せん断力を有する部位がない。このため、制震ダンパを軽量化し、材料コストも削減することができる。

そこで、本実施形態では、柱部１５の基部から所定の距離離れた部位に、曲線部Ｌを形成する。曲線部Ｌの二次曲線を適切に設定することで、曲線部Ｌにおける降伏せん断力を略一定にすることができる。このため、危険断面位置が１点（上下２点）とならず、過剰な降伏せん断力を得るために柱部１５の幅を必要以上に大きくする必要がない。

ここで、前述した様に、柱端部の部位では、二次曲線Ｅ（図２（ｂ））の延長線の幅よりも柱部１５の幅が大きい。このため、柱端部においては、曲線部Ｌにおける降伏せん断力よりも大きくなる。この結果、危険断面位置は、柱部１５の基部から柱部１５の中央方向にずれた位置となる。

なお、面内方向の変形における危険断面位置は、柱部１５の全高をＨとした際に、柱部１５の基部（面外方向の変形における危険断面位置）から、Ｈ／２０以上離れた位置とすることが望ましく、さらに好ましくは、Ｈ／１０以上離れた位置とすることが望ましい。面内方向の変形における危険断面位置と面外方向の変形における危険断面位置とが近すぎると、その効果が小さくなるためである。

なお、面内方向の変形における危険断面位置が１点（上下２点）ではなく、所定の範囲に形成される場合には、面内方向の変形における危険断面位置の内、柱部１５の基部に最も近い点と、面外方向の変形における危険断面位置とを、Ｈ／２０以上（さらにはＨ／１０以上）離すことが望ましい。

以上、本実施の形態によれば、面内方向の変形に対する危険断面位置と、面外方向の変形に対する危険断面位置とが異なるため、面外方向の変形が生じた場合でも、面内方向の累積変形能力を損なうことを抑制することができる。

また、柱部１５の一部に、二次曲線からなる曲線部Ｌを形成することで、柱部１５の降伏せん断力を過剰に高くすることなく、効率よく累積変形能力を確保することができる。

また、柱部１５の高さＨに対して、面内方向の危険断面位置が、柱部１５の基部から、Ｈ／２０以上離れた位置（さらにＨ／１０以上離れた位置）とすることで、面内方向の変形が面外方向の変形によって影響を受けることをより確実に抑制することができる。なお、曲線部Ｌを形成する場合には、曲線部Ｌを柱部１５の基部からＨ／２０以上離れた位置（さらにＨ／１０以上離れた位置）から柱部１５の中央部までの所定範囲に形成すればよい。

以上、添付図を参照しながら、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の技術的範囲は、前述した実施の形態に左右されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、柱部１５の形状は、図示した例には限られない。面内方向の変形に対する危険断面位置と、面外方向の変形に対する危険断面位置とを異なる位置にすることができれば、必ずしも曲線部Ｌを設けなくてもよく、柱端部の形状も、直線部と円弧部以外の形状としてもよい。

１………制震構造
３………柱
５………梁
７………ブレース
９………制震ダンパ
１１………本体
１１ａ………取り付け部
１３………孔
１５………柱部
１００………制震ダンパ
１０１………本体
１０３………孔
１０５………柱部

Claims

構造物に取り付けられて、振動エネルギーを吸収する制震ダンパであって、
板状の本体には、断面形状が略矩形の柱部が形成され、
前記柱部の外形は、前記柱部の中央と基部との間の所定の範囲に、前記柱部の中央方向に凸となる二次曲線からなる曲線部と、前記曲線部と前記柱部の基部とをつなぐ柱端部とからなり、
前記曲線部と前記柱端部とがなだらかに接続され、
前記柱端部は、前記柱部の基部に設けられた円弧部と、前記曲線部と前記円弧部とをつなぐ直線部と、を具備し、
前記柱端部が、前記曲線部の二次曲線の延長線よりも外側に形成され、前記柱端部の部位で、前記曲線部の二次曲線の延長線の幅よりも前記柱部の幅が大きく、
前記本体の面内方向における前記柱部の危険断面位置と、
前記面内方向に垂直な方向の面外方向における前記柱部の危険断面位置と、が異なり、
前記面外方向の危険断面位置は、前記柱部の基部であり、
前記面内方向の危険断面位置は、前記柱部の基部から、前記柱部の中央部側にずれた前記曲線部と前記柱端部との接続位置となることを特徴とする制震ダンパ。
前記柱部の高さＨに対して、前記面内方向の危険断面位置は、前記柱部の基部から、Ｈ／２０以上離れた位置であることを特徴とする請求項１記載の制震ダンパ。
前記柱部の高さＨに対して、前記面内方向の危険断面位置は、前記柱部の基部から、Ｈ／１０以上離れた位置であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の制震ダンパ。