JP7487065B2 - 摩擦ダンパーおよび免震建物 - Google Patents

Description

本発明は、摩擦ダンパーおよび免震建物に関する。

従来、図２０に示すような一般的な摩擦ダンパー１００は、外筒１０１から内筒１０２に締付力（図中の符号Ｔ）を加え、外筒１０１と内筒１０２との間の相対変位と接触面の摩擦力（図中の符号Ｍ）による履歴吸収エネルギーで地震エネルギーを吸収するものである。この場合には、締付力が一定で、内筒と外筒との間の摩擦係数も一定であれば、その復元力特性は、図２１（ａ）に示すように、変位の増減に依存せず摩擦力が一定の矩形となる。

一方、既往技術として、変位依存型の摩擦ダンパーも提案されている（例えば、特許文献１参照）。変位依存型の摩擦ダンパーの復元力特性は、図２１（ｂ）に示すように、変位が増加すると共に摩擦力が増大する特徴があり、変位が小さい中小地震時には小さな摩擦力となり、変位が大きくなると大きな摩擦力を生じることなる。すなわち中小地震時には、変位依存型の摩擦ダンパーを免震層に設置した構造物の応答加速度は、最大摩擦力を同一にした従来の変位依存しない摩擦ダンパーを設置した構造物の応答加速度より小さくなる。一方、大地震時には、変位依存型の摩擦ダンパーを設置した構造物の応答変位や応答加速度は、従来の変位依存しない摩擦ダンパーを設置した構造物の応答変位や応答加速度と同等になる。
このような変位依存型の摩擦ダンパーとして、傾斜滑り支承と図２２に示すような鉛直変位依存型の摩擦ダンパー１１０を免震層に設置し、免震層変位の大きさに応じて減衰量を変化できる免震システムが提案されている。この免震システムは、傾斜滑り支承の水平方向変位の増加に伴い鉛直方向変位が増加する特性を利用した原理となっている。

実開昭６３－１７８６４２号公報

しかしながら、従来の傾斜滑り支承と鉛直変位依存型の摩擦ダンパーを免震層に備えた免震システムでは、以下のような問題があった。
すなわち、例えば、傾斜滑り支承の傾斜勾配が約０．０２６（＝ｔａｎ１．５°）で、水平変位が５００ｍｍ時の鉛直方向変位は、僅か１３ｍｍしかなく、僅かな鉛直変位（０ｍｍ～１３ｍｍ）の変化の間に減衰力の高い追従性が求められる。そのため、鉛直変位依存型の摩擦ダンパーの製造にあたっては、高精度で材料のばらつきを抑制することと、施工にあたっては高精度に水平設置することが求められており、その点で改善の余地があった。

また、鉛直変位依存型の摩擦ダンパーの設置位置について、免震構造の上部と非免震構造との間に設置する場合には、ダンパーを設置する上部構造体と下部構造体には十分な水平剛性が必要となる。この水平剛性が不足すると、免震層の水平変位に比例した鉛直変位が得られず、変位依存型の摩擦ダンパーの効果を発揮できなくなるという問題があった。
また、免震構造の下部に設置する場合には、構造体から片持ち形式で延伸した部材で摩擦ダンパーを支持することになるため、免震構造の上部に設置した場合よりも免震構造体による鉛直剛性が不足し、設置位置部材の弾性変位もあるため、鉛直変位依存型の摩擦ダンパーの効果が発揮しにくい。そのため、免震クリアランスも水平移動に必要なクリアランスの倍程度を設ける必要があった。

また、上述した特許文献１に記載される変位依存型の摩擦ダンパーは、シリンダーの内面において、摩擦材を取り付けることで中立軸からの距離に応じて摩擦抵抗力を変化させようとするものである。しかし、接触板が円筒状の場合には、くさびによってシリンダーの内面に接触板を押し付けることができないことから、接触板は円周方向に分割することになる。ところが、分割されると接触板には摩擦力により回転が生じるため、シリンダーの内面との接触面圧が一定に保持されなくなる。そのため、摩擦抵抗力も計画通りに発揮されず、面圧が過大になった場所では摩擦材が損傷してしまう可能性もある。
また、特許文献１では、くさびをばねで押し付ける形態としているため、ばねにダンパーの摩擦力以上のプレロードをかけておく必要がある。すなわち、ばねにダンパーの摩擦力以上のプレロードを付与することができない場合には、摩擦ダンパーのロッドに引張力が作用した場合と圧縮力が作用した場合とでくさびに作用する力が変わり、摩擦材の面圧が変化して摩擦力も正負軸力で異なってしまう。プレロードは、ばねを予め圧縮して与えることになるので組立後には調整できず、くさびや接触板を含めて高い寸法精度が要求されシリンダーの内面に取り付ける摩擦材の内径も高精度に管理する必要がある。そのためこの形態ではコストが増大することから、採用しにくいという問題があった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、高い製造精度が不要で製作や設置施工が容易であり、かつ中小地震から大地震まで変位に追従する摩擦力にて揺れを効果的に低減し、中小地震時には免震建物の加速度増加を抑制しつつ、大地震時には過大変位に対して一定の抵抗力による抑制を図ることができる摩擦ダンパーおよび免震建物を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る摩擦ダンパーは、下部構造体と、該下部構造体に対して相対的に移動自在な上部構造体と、に接続され、軸方向を水平方向に向けて配置される軸変位依存型の摩擦ダンパーであって、前記上部構造体に取り付けられた第１鋼板と、前記下部構造体に取り付けられ、前記第１鋼板に前記軸方向に直交する板厚方向に重なるように配置された第２鋼板と、前記第１鋼板および前記第２鋼板のうちいずれか一方の他方側を向く面に設けられ、前記軸方向に沿って複数の摩擦係数に設定された摩擦材と、前記他方に設けられ、前記第１鋼板および前記第２鋼板の水平方向の相対変位により前記摩擦材との間で摩擦力を発生させて接触する摺動部と、を備え、前記第１鋼板と前記第２鋼板とが前記軸方向に軸変位したときの前記摩擦材と前記摺動部との間で生じる摩擦力は、軸変位に概ね比例して増大する第１摩擦力と、一定の軸変位を超えると一定となる第２摩擦力と、を得るように設定されていることを特徴としている。

また、本発明に係る免震建物は、上述した摩擦ダンパーを備えた免震建物であって、前記摩擦ダンパーに併設され、前記下部構造体に対して相対的に移動自在な前記上部構造体の水平方向の変位量の増加に応じて鉛直方向上方の移動量が増加するように前記上部構造体を支持する傾斜滑り支承を備えていることを特徴としている。

本発明では、第１鋼板と第２鋼板とが軸方向（水平方向）に軸変位したときの摩擦材と摺動部との間で生じる摩擦力が、軸変位に概ね比例して増大する第１摩擦力と、一定の軸変位を超えると一定となる第２摩擦力と、を得るように設定されているので、軸変位が増加すると摩擦力が増大する軸変位依存型の摩擦ダンパーを実現することができる。すなわち、本発明の摩擦ダンパーでは、物理的な勾配等ではなく、複数の摩擦係数が組み合わせされた摩擦材とすることによって変位依存型の履歴特性をもたせることができる。
したがって、巨大地震が生じた際には、一定変位を超えたら抵抗力を一定にしているのでフェイルセーフになり、過大変位だけでなく加速度による損害も抑制することができる。そして、長周期地震動であっても傾斜滑り支承の残留変位はほぼ生じないことから、地震後であっても直ぐに継続使用することができる。

また、本発明では、摩擦ダンパーが水平軸変位抵抗型のダンパー部材であるため、鉛直変位依存型の摩擦ダンパーのような高い製造精度や製造材料のばらつきの抑制が必要なく、製作しやすいという効果がある。摩擦材に圧縮力を付与するボルトが鋼板の外側から締め付けられるので、摩擦ダンパーの組立後に摩擦力を調整することも容易である。

本発明による摩擦ダンパーは、軸抵抗型のダンパーであるため、滑り支承と異なり自重により摩擦抵抗力が変化しない構造となる。そのため、水平方向の軸方向とこの軸方向に直交する方向の二方向それぞれに摩擦抵抗力を任意に設定することができる。
さらに、摩擦ダンパーが水平軸変位抵抗型のダンパーであるため、免震構造体下部の免震層に設置することができ、免震構造体の上部への設置の必要がなく、簡単な構造にできる。

また、本発明では、上部構造体の上下変位に依存しない摩擦ダンパーと傾斜滑り支承とを組み合わせることにより、地震波の種類による影響がなく、高い免震効果が得られる免震建物を実現できる。とくに、長周期地震動に対して、応答加速度も応答変位も従来の天然ゴム（積層ゴム）支承よりも低減することができ、従来の免震よりも効果的である。

また、本発明に係る免震建物は、前記摩擦材は、前記軸方向の中央部から前記軸方向の両側に離れるに従い、前記摩擦係数が大きくなるように設定され、地震力が作用しない軸変位が０となるときの前記摺動部は、前記摩擦材の中央部となるように配置されていることが好ましい。

本発明の摩擦ダンパーおよび免震建物によれば、高い製造精度が不要で製作や設置施工が容易であり、かつ中小地震から大地震まで変位に追従する摩擦力にて揺れを効果的に低減し、中小地震時には免震建物の加速度増加を抑制しつつ、大地震時には過大変位に対して一定の抵抗力による抑制を図ることができる。

本発明の実施形態による摩擦ダンパーと傾斜滑り支承を建物に備えた免震建物の構成を示す概略図である。 傾斜滑り支承の構成を示す図であって、（ａ）は図１に示す傾斜滑り支承を拡大した図、（ｂ）は軸方向から見た図である。 図１に示す摩擦ダンパーの構成を示す側面図である。 外鋼板の平面図である。 図３に示すＡ－Ａ線矢視図であって、摩擦ダンパーを摩擦材側から見た平面図である。 摩擦ダンパーの端部処理状態を示す図であって、（ａ）は摩擦板の図、（ｂ）は中板の摺動部の図である。 （ａ）～（ｆ）は、摩擦ダンパーの各段階を示す側面図である。 摩擦ダンパーの復元力特性を示す図であって、締付力と軸変位の関係を示す図である。 摩擦ダンパーの復元力特性を示す図であって、摩擦係数と軸変位の関係を示す図である。 摩擦ダンパーの復元力特性を示す図であって、締付力と軸変位の関係を示す図である（各段階を示す）。 （ａ）、（ｂ）は、実施例による解析モデルを示す図である。 実施例による摩擦ダンパーの復元力図である。 （ａ）～（ｃ）は、実施例による地震波図を示す図である。 （ａ）～（ｃ）は、告示神戸波で実施例ケースの解析結果を示す図である。 （ａ）～（ｃ）は、告示神戸波で比較例ケースの解析結果を示す図である。 （ａ）～（ｃ）は、告示関東波で実施例ケースの解析結果を示す図である。 （ａ）～（ｃ）は、告示関東波で比較例ケースの解析結果を示す図である。 （ａ）～（ｃ）は、告示八戸波で実施例ケースの解析結果を示す図である。 （ａ）～（ｃ）は、告示八戸波で比較例ケースの解析結果を示す図である。 従来の摩擦ダンパーの構成を示す図である。 従来の復元力特性を示す図であって、（ａ）は摩擦ダンパーの図、（ｂ）は変位依存性ダンパーの図である。 従来の鉛直方向変位依存型の摩擦ダンパーの構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態による摩擦ダンパーおよび免震建物について、図面に基づいて説明する。

本実施形態による免震建物１は、図１に示すように、免震対象の建物２０（上部構造体）と、建物２０を免震する免震システム３と、を備えている。
建物２０は、免震対象となる構造体と、構造体を支持する基礎２１（下部構造体）と、を備える。免震システム３は、建物２０の下部を支持する傾斜滑り支承４と軸変位型の摩擦ダンパー５とを備えている。

建物２０は、箱状に形成されている。建物２０は、下部構造体となる基礎２１と別体に形成されている上部構造体である。建物２０は、１階分のフロアであってもよいし、内部に複数のフロアを有していてもよい。建物２０は、傾斜滑り支承４及び軸変位型の摩擦ダンパー５を介して基礎２１に対して移動自在に支持されている。

基礎２１は、地盤側に構築されている例えば鉄筋コンクリート製の下部構造体である。基礎２１は、地震時に地盤と連動して変位する。基礎２１は、建物２０を下方より支持する土台が形成されたものである。

次に、免震システム３の傾斜滑り支承４の構成について説明する。
図１に示すように、傾斜滑り支承４は、建物２０を鉛直方向に支持しつつも水平方向に柔軟に変位させることができる免震機構である。傾斜滑り支承４は、地盤に設けられた基礎２１に対して相対的に移動自在な建物２０の水平方向の移動量の増加に応じて鉛直方向上方の移動量が増加するように建物２０を支持する。
傾斜滑り支承４は、基礎２１と建物２０との間に設けられている。基礎２１と建物２０との間には、例えば、建物２０の四隅を支持するために４個（図１では１個のみが示されている）の傾斜滑り支承４が設けられている。なお、傾斜滑り支承４は、４個以上設けられていてもよい。

図１及び図２（ａ）、（ｂ）に示すように、傾斜滑り支承４は、例えば、基礎２１上に支持部２４を介して設けられた下側傾斜支持部材４Ａと、建物２０の底面２０ａに固定された上側傾斜支持部材４Ｂと、下側傾斜支持部材４Ａおよび上側傾斜支持部材４Ｂの間に設けられた移動部材４Ｃと、を備えている。
下側傾斜支持部材４Ａと上側傾斜支持部材４Ｂとは、それぞれ矩形断面の棒状に形成され、平面視して長手方向が直交するように配置されている。基礎２１と建物２０とは、傾斜滑り支承４を介して水平方向に相対的に移動自在に構築されている。基礎２１と建物２０の底面２０ａとは、水平方向の相対変位の変位量に応じて鉛直方向上方に相対変位が生じる。

下側傾斜支持部材４Ａは、長手方向が建物２０の一辺に沿った方向に配置されている。下側傾斜支持部材４Ａは、長手方向に直交する方向から側面視して上面の中央部から両端部に向かうほど上方に跳ね上がるように傾斜するＶ字状の第１傾斜面４ａ、４ａが形成されている。第１傾斜面４ａの水平面に対する傾斜角θは、絶対値がそれぞれ所定値になるように形成されている。第１傾斜面４ａの表面には、摩擦係数を低減させるためのポリテトラフルオロエチレン（Polytetrafluoroethylene：PTFE）、いわゆるテフロン（登録商標）等の樹脂製の滑り材がコーティング加工されている。第１傾斜面４ａの表面は、ステンレス製の鋼板等の滑り材が貼り付けられていてもよい。

第１傾斜面４ａには、移動部材４Ｃが載置されている。移動部材４Ｃは、ブロック状に形成されている。移動部材４Ｃは、図２（ａ）に示すように、下側傾斜支持部材４Ａの短手方向から見て下側傾斜支持部材４Ａより幅が広くなるように形成されている。移動部材４Ｃの下方には、下側傾斜支持部材４Ａの短手方向から見て下側傾斜支持部材４Ａが幅方向に挟持されて嵌るように段差が形成されている。

移動部材４Ｃは、図２（ｂ）に示すように、段差内に中央部に向かうほど下方に突出するようにＶ字形の第３傾斜面４ｃ、４ｃが形成されている。第３傾斜面４ｃの表面には、摩擦係数を低減させるためのテフロンなどの滑り材が貼り付けられている。第３傾斜面４ｃの水平面に対する傾斜角θは、絶対値がそれぞれ所定値になるように形成されている。第３傾斜面４ｃは、第１傾斜面４ａに当接している。

移動部材４Ｃは、上側傾斜支持部材４Ｂの短手方向から見て上側傾斜支持部材４Ｂより幅が広くなるように形成されている。移動部材４Ｃの上方には、上側傾斜支持部材４Ｂの短手方向から見て上側傾斜支持部材４Ｂが幅方向に挟持されて嵌るように段差が形成されている。
移動部材４Ｃは、図２（ａ）に示すように、段差内に中央部に向かうほど上方に突出するように逆Ｖ字形の第４傾斜面４ｄ、４ｄが形成されている。第４傾斜面４ｄの表面には、摩擦係数を低減させるためのテフロンなどの滑り材が貼り付けられている。第４傾斜面４ｄの水平面に対する傾斜角θは、絶対値がそれぞれ所定値になるように形成されている。第４傾斜面４ｄは、第２傾斜面４ｂに当接している。

上側傾斜支持部材４Ｂは、図２（ａ）に示すように、長手方向に直交する方向から側面視して下面の中央部から両端部に向かうほど下方に下がるように傾斜する逆Ｖ字状の第２傾斜面４ｂ、４ｂが形成されている。第２傾斜面４ｂ及び第４傾斜面４ｄの水平面に対する傾斜角θは、絶対値がそれぞれ所定値になるように形成されている。

第２傾斜面４ｂの表面には、摩擦係数を低減させるためのテフロンなどの滑り材がコーティング加工されている。第２傾斜面４ｂの表面には、コーティング加工の他に、ステンレス製の鋼板等の滑り材が貼り付けられていてもよい。第２傾斜面４ｂの下方には、移動部材４Ｃが配置されており、第２傾斜面４ｂに移動部材４Ｃが当接している。

次に、軸変位型の摩擦ダンパー５の構成について図面に基づいて詳細に説明する。
図１に示すように、摩擦ダンパー５は、建物２０と軸方向Ｘに複数の摩擦係数を設定することで、変位に概ね比例して増大する摩擦力、および一定変位を超えると一定の摩擦力を得る機能を有し、後述する図８に示す復元力を構成するものである。

図３乃至図５に示すように、摩擦ダンパー５は、中間鋼板５１（第１鋼板）と、中間鋼板５１を両側から挟むように設けられた一対の外鋼板５２、５２（第２鋼板）と、一対の外鋼板５２、５２の中間鋼板５１側を向く内面５２ａに設けられた摩擦板５３（摩擦材）と、を備えている。一対の外鋼板５２、５２及び中間鋼板５１は、それぞれ軸方向Ｘに厚さが変化しない鋼板であり、それぞれの板面を水平方向に向けて平行にした状態で配置されている。
図１に示すように、中間鋼板５１は、第１支持部２２を介して建物２０の底面２０ａに固定されている。一対の外鋼板５２、５２は、第２支持部２３を介して基礎２１に固定されている。

図３に示すように、外鋼板５２の外周部のうち幅方向Ｙ両側および軸方向Ｘの一方には、板厚方向Ｚに貫通する複数のボルト孔５２ｃ（図４参照）が設けられている。一対の外鋼板５２、５２は、複数の高力ボルト５４によって固定されている。一対の外鋼板５２の各ボルト孔５２ｃを一方から貫通させて他方をナットを螺合させて締め付けられている。また、高力ボルト５４には、ボルト軸と同軸になるように複数の皿ばね５６を挿通させている。この皿ばね５６によって、摩擦板５３と中間鋼板５１の摺動部５１Ｂ（後述する）とが所定の摩擦力となるように設定することができる。高力ボルト５４と皿ばね５６は、摩擦ダンパー５における板厚方向Ｚに締め付け荷重を与えることができる。
一対の外鋼板５２、５２は、それぞれの内面５２ａに複数の摩擦係数を有する摩擦板５３を設置している。

中間鋼板５１は、一対の外鋼板５２、５２同士の間の隙間Ｓで軸方向Ｘ（水平方向）に摺動可能に設けられている。中間鋼板５１は、軸方向Ｘに延びる鋼板部５１Ａと、鋼板部５１Ａの長さ方向の一端に設けられた摺動部５１Ｂと、を有している。
鋼板部５１Ａの厚みは、鋼板部５１Ａと上下の摩擦板５３との間に隙間が形成されるように、隙間Ｓの高さ寸法より小さく設定されている。中間鋼板５１は、建物２０の水平方向の移動に連動して一対の外鋼板５２、５２に対して相対的に水平方向に摺動する。

摺動部５１Ｂは、鋼板部５１Ａから板厚方向Ｚで外方に突出した突起状に形成され、中間鋼板５１と外鋼板５２との接触箇所であり、摩擦力を発生する箇所となる。
隙間Ｓにおいて、摺動部５１Ｂは、外鋼板５２に設けられる摩擦板５３に接触した状態で設けられている。すなわち、中間鋼板５１が一対の外鋼板５２、５２に対して軸方向Ｘに相対的に平行に摺動することで、摺動部５１Ｂの上下の摩擦面５１ａが摩擦板５３に接触した状態で摺動する。

なお、中間鋼板５１における各高力ボルト５４の貫通箇所に長穴（図示省略）を形成するようにより、中間鋼板５１が長穴の範囲内で摺動するようにしてもよい。

図６（ｂ）に示すように、中間鋼板５１の摺動部５１Ｂは、側方から見た４つの角部５１ｂに面取りでＲ加工が施されている。すなわち、面取りされる角部５１ｂは、上方から見て摺動方向（軸方向Ｘ）に直交する位置の角部である。このように、摺動部５１Ｂの角部５１ｂを面取り加工した断面形状にすることにより、摩擦板５３の摩擦面５３ａ（図６（ａ）参照）との摩擦によって摺動部５１Ｂが変位しても面圧が変化しないようにすることができる。

図３に示すように、一対の外鋼板５２、５２同士の間には、軸方向Ｘの一端を固定する高力ボルト５４（この高力ボルトを軸移動規制ボルト５４Ａとする）に挿通され、外鋼板５２、５２の軸方向Ｘへの移動を規制する拘束鋼板５５が固定されている。拘束鋼板５５は、板状に形成され、一対の外鋼板５２、５２同士の間の隙間Ｓに配置されている。図１に示すように、拘束鋼板５５の一端５５ａは軸移動規制ボルト５４Ａに固定され、他端５５ｂが第２支持部２３に固定されている。

摩擦板５３の材料としては、例えばステンレス製の鋼板を採用することができる。

図６（ａ）に示すように、摩擦板５３は、側方から見て摩擦面５３ａの軸方向Ｘに直交する角部５３ｂに面取りでＲ加工が施されている。このように、摩擦板５３の角部５３ｂを面取り加工した断面形状にすることにより、中間鋼板５１の摺動部５１Ｂとの摩擦によって摩擦板５３が変位しても面圧が変化しないように設定されている。

図５に示すように、摩擦板５３は、軸方向Ｘに沿って摩擦係数を変えた複数（本実施形態では１１枚）の摩擦板５３Ａ～５３Ｆが配列されている。これら摩擦板５３Ａ～５３Ｆは、異なる表面処理方法によって所定の摩擦係数μ（μ０、μ１、μ２、μ３、μ４、μｍ）となるように製作されている。例えば表面処理により摩擦係数μの一例として、鏡面仕上げによる加工では０．２（μ１）となり、小球によるブラスト加工では０．３（μ２）となり、中球によるブラスト加工では０．４（μ３）となり、大球によるブラスト加工では０．５（μ４）となり、アルミ溶射による加工では０．６（μｍ）となる。なお、摩擦係数μ０は、表面処理がされていない状態のものである。

これら摩擦板５３Ａ～５３Ｋの配列としては、軸方向Ｘで中央に摩擦係数μ０の第１摩擦板５３Ａが配置され、その第１摩擦板５３Ａの軸方向Ｘの両側のそれぞれから離れるに従い、摩擦係数μ１の第２摩擦板５３Ｂ、摩擦係数μ２の第３摩擦板５３Ｃ、摩擦係数μ３の第４摩擦板５３Ｄ、摩擦係数μ４の第５摩擦板５３Ｅ、摩擦係数μ５の第６摩擦板５３Ｆがその順で配置されている。
中間鋼板５１の摺動部５１Ｂは、地震力が作用しない軸変位が０の位置（図７（ａ）に示す初期位置Ｐ１）で、第１摩擦板５３Ａが配置される軸方向Ｘの中央に位置している。

第１摩擦板５３Ａから第５摩擦板５３Ｅの軸方向Ｘの幅寸法ｈ０（図５参照）は、摺動部５１Ｂの軸方向Ｘに延びる有効幅寸法Ｈ０（図６（ｂ）参照）に一致している。また、第６摩擦板５３Ｆの幅寸法は、摺動部５１Ｂの有効幅寸法Ｈ０（幅寸法ｈ０も同じ）以上（≧ｈ０）に設定されている。なお、第２摩擦板５３Ｂから第５摩擦板５３Ｅの幅寸法はｈ０より小さく設定されていてもよい。

図７（ａ）～（ｆ）は、摩擦力Ｆ（摩擦係数μ）の変化を示している。
図７（ａ）に示すように、摺動部５１Ｂにおける軸変位δが０で初期位置Ｐ１となり、図７（ｄ）に示す摺動部５１Ｂの最大変位となる位置Ｐ２は軸変位δがμｍとなる。図７（ａ）は、摩擦係数μ０で、摩擦力Ｆ０=μ０×Ｎ（締付力）となる初期変位が無しの段階を示している。 図７（ｂ）は、変位が生じる段階（０＜軸変位δ＜δｄ）を示している。図７（ｃ）は、変位が生じる段階（δｄ＜軸変位δ＜δｍ）を示している。図７（ｄ）は、大変位が生じた段階（δｍ＜軸変位δ＜δｕ）を示している。図７（ｅ）は、マイナス側に変位が生じる段階（－δｄ＜軸変位δ＜０）を示している。図７（ｆ）は、マイナス側に最大変位の段階（－δｕ＜軸変位δ＜－δｍ）を示している。
ここで、δｄは、設計変位であって軸変位の目標値である。δｍは、軸変位の最大応答変位である。δｕは、限界変位である。

以上のことから、軸変位依存型の摩擦ダンパー５による最適設計方法は以下のようになる。
図８は、上述した構成の軸変位型の摩擦ダンパー５の復元力を示している。
図８は、締付力Ｎと軸変位δの関係を示している。ここで、締付力Ｎは、軸変位δの大きさに関係なく一定とする。
図９は、摩擦係数μと軸変位δの関係を示している。軸変位δは、０～δｍまでは摩擦係数μと概ね比例関係とする。δｍを超えるときには、摩擦係数μを一定とする。
図１０は、摩擦力Ｆと軸変位δの関係を示している。ここで、図１０のグラフで示す（１）～（６）は、図７（ａ）～（ｆ）のそれぞれの状態（１）～（６）を示している。
図８に示す締付力Ｎと軸変位δの関係と、図９に示す摩擦係数μと軸変位δの関係とにより、軸変位δが０～δｍのとき、軸変位δの増加に概ね比例して摩擦力Ｆ（以下、第１摩擦力という）が増加する。そして、軸変位がδｍを超えると、装置のフェイルセーフとして摩擦力（以下、第２摩擦力という）を一定にする。また、摩擦力が一定値となることで加振力も頭打ちされ、構造物の加速度増加も抑制されることとなる。

摩擦力Ｆは、摩擦力Ｆ＝摩擦係数μ×締付力Ｎの式で表わせる。締付力Ｎが一定であるため、摩擦力Ｆと軸変位δの関係は、摩擦係数μと軸変位δの関係図と同じ形になる。
図８～図１０において、δｄは、設計変位であって軸変位の目標値である。δｍは、軸変位の最大応答変位であって、δｄ×１．１とする。δｕは、限界変位であり、設計変位δｄ×１．２とする。但し、δｕ≧δｍ＋ｈ０である。Ｆ０は、初期摩擦力であって、最大応答変位δｍの摩擦力の４～６％とする。そして、初期摩擦力Ｆｉは、軸変位５０ｃｍにおける摩擦力Ｆ_５０の２５％とする。

次に、上述した免震建物１及び摩擦ダンパー５の動作について、図面を用いて詳細に説明する。
まず、免震建物１の傾斜滑り支承４の動作について説明する。
なお、以下の説明において、図１に示す軸方向Ｘに沿う方向をｘ軸方向、図１に示す幅方向Ｙに沿う方向をｙ軸方向とする。

図１に示すように、地震が発生すると、基礎２１は水平方向に移動し、建物２０は慣性によりその場に留まろうとし、建物２０と基礎２１との間に、相対的な水平方向の変位が生じる。このとき、建物２０のｙ軸方向の変位に連動して上側傾斜支持部材４Ｂがｙ軸方向に変位すると、段差に上側傾斜支持部材４Ｂが引っ掛けられて上側傾斜支持部材４Ｂと共に移動部材４Ｃがｙ軸方向に移動する。このとき、図２（ｂ）に示すように、移動部材４Ｃは、第３傾斜面４ｃが下側傾斜支持部材４Ａの第１傾斜面４ａに対して摺動し、登り勾配を上る方向に移動する。

水平変位が反対方向の場合、移動部材４Ｃは、第３傾斜面４ｃが下側傾斜支持部材４Ａの第１傾斜面４ａに対して摺動し、登り勾配を上る方向に移動する。それに伴い、移動部材４Ｃに載置された上側傾斜支持部材４Ｂは鉛直方向上方に変位する。

また、建物２０のｘ軸方向の変位に連動して上側傾斜支持部材４Ｂがｘ軸方向に変位すると、図２（ａ）に示すように、上側傾斜支持部材４Ｂの第２傾斜面４ｂが移動部材４Ｃの第４傾斜面４ｄを摺動し、登り勾配を上る方向のｘ軸方向に移動する。

水平変位が反対方向の場合、建物２０のｘ軸方向の変位に連動して上側傾斜支持部材４Ｂがｘ軸方向に変位すると、上側傾斜支持部材４Ｂの第２傾斜面４ｂが移動部材４Ｃの第４傾斜面４ｄを摺動し、登り勾配を上る方向のｘ軸方向に移動する。移動部材４Ｃは、段差に下側傾斜支持部材４Ａが引っ掛けられて下側傾斜支持部材４Ａと共に上側傾斜支持部材４Ｂに対して相対的に移動する。

建物２０が水平方向に移動すると、傾斜滑り支承４の動作により、水平方向の移動量に応じて鉛直方向上方に変位が生じる。建物２０の鉛直方向上方の変位の量に応じて建物２０の位置エネルギーが増加する。鉛直方向上方に変位した建物２０には、鉛直方向下方に重力が作用して元の位置に戻ろうとする復元力が働く。

そうすると、移動部材４Ｃには、下側傾斜支持部材４Ａの第１傾斜面４ａを滑って下側傾斜支持部材４Ａの中央部に戻る力が働く。同様に、移動部材４Ｃには、上側傾斜支持部材４Ｂの第２傾斜面４ｂを滑って下側傾斜支持部材４Ａの中央部に戻る力が働く。上記の傾斜滑り支承４の動作により、建物２０は、水平変位が生じた場合、復元力が生じて元の位置に戻る。

次に、摩擦ダンパー５の動作について説明する。
図１、図３乃至図５に示されるように、建物２０が水平方向に移動した際、摩擦ダンパー５の中間鋼板５１が建物２０に連動して移動する。建物２０の水平方向の移動に連動して中間鋼板５１の摺動部５１Ｂが摩擦板５３の表面（摩擦面５３ａ）を摺動する。これにより、中間鋼板５１は、建物２０の水平方向の移動量に応じて摺動部５１Ｂを摩擦板５３との間に生じる摩擦抵抗が生じる。

このとき、摩擦ダンパー５の摩擦板５３は、摺動部５１Ｂの変位量が大きくなる方向に摩擦係数μが大きくなるように複数の摩擦係数μが配置されている。そのため、軸変位が大きくなるほど、摺動部５１Ｂと摩擦板５３との間の摩擦抵抗が増大する。これにより摩擦ダンパー５は、建物２０と基礎２１との間において変位が大きくなるほど減衰力が大きくなる免震用のダンパーとして機能する。

次に、上述した摩擦ダンパー５および免震建物１の作用について、図面に基づいて詳細に説明する。
本実施形態では、図３及び図５に示すように、中間鋼板５１と一対の外鋼板５２、５２とが軸方向Ｘ（水平方向）に軸変位したときの摩擦板５３と摺動部５１Ｂとの間で生じる摩擦力が、軸変位に概ね比例して増大する第１摩擦力と、一定の軸変位を超えると一定となる第２摩擦力と、を得るように設定されているので、軸変位が増加すると摩擦力が増大する軸変位依存型の摩擦ダンパー５を実現することができる。すなわち、本実施形態の摩擦ダンパー５では、物理的な勾配等ではなく、複数の摩擦係数が組み合わせされた摩擦板５３とすることによって変位依存型の履歴特性をもたせることができる。
したがって、巨大地震が生じた際には、一定変位を超えたら抵抗力を一定にしているのでフェイルセーフになり、過大変位だけでなく加速度による損害も抑制することができる。そして、長周期地震動であっても傾斜滑り支承の残留変位はほぼ生じないことから、地震後であっても直ぐに継続使用することができる。

また、本実施形態では、摩擦ダンパー５が水平軸変位抵抗型のダンパー部材であるため、鉛直変位依存型の摩擦ダンパーのような高い製造精度や製造材料のばらつきの抑制が必要なく、製作しやすいという効果がある。

本実施形態による摩擦ダンパー５は、軸抵抗型のダンパーであるため、滑り支承と異なり自重により摩擦抵抗力が変化しない構造となる。そのため、水平方向の軸方向とこの軸方向に直交する方向の二方向それぞれに摩擦抵抗力を任意に設定することができる。
さらに、摩擦ダンパー５が水平軸変位抵抗型のダンパーであるため、免震構造体下部の免震層に設置することができ、免震構造体の上部への設置の必要がなく、簡単な構造にできる。

また、本実施形態による免震建物１では、上部構造体（建物２０）の上下変位に依存しない摩擦ダンパー５と傾斜滑り支承とを組み合わせることにより、地震波の種類による影響がなく、高い免震効果が得られる免震建物１を実現できる。とくに、長周期地震動に対して、応答加速度も応答変位も従来の天然ゴム（積層ゴム）支承よりも低減することができ、従来の免震よりも効果的である。

上述のように本実施形態による摩擦ダンパー５および免震建物１では、高い製造精度が不要で製作や設置施工が容易であり、かつ中小地震から大地震まで変位に追従する摩擦力にて揺れを効果的に低減し、中小地震時には免震建物の加速度増加を抑制しつつ、大地震時には過大変位に対して一定の抵抗力による抑制を図ることができる。

（実施例）
次に、本実施の形態による摩擦ダンパー５と免震建物１の効果を検証するために解析した結果について詳しく説明する。
本実施例の地震応答解析では、上述した実施形態の免震建物を模擬し、図１１（ａ）、（ｂ）に示す１質点系の解析モデルを用いて解析を実施した。解析モデルにおける構造物の条件は、質量Ｗを４２４０×１０^３ ｋｇとした。

解析は、上述した実施形態の変位依存型の摩擦ダンパー５及び傾斜滑り支承４を建物２０と基礎２１との間に配置した実施例ケースと、摩擦ダンパー５及び滑りゴム支承を建物２０と基礎２１との間に配置した比較例ケースと、を用いた２つの解析ケースで以下のパラメータを用いて時刻歴応答解析を行った。

変位依存型の摩擦ダンパー５は、上述した実施形態で図１２に示す復元力図のものである。
軸変位δが５０ｃｍにおける摩擦力は、Ｆ_５０＝Ｒ_５０×Ｗ×ｇで表される。ｇは重力加速度（９．８ｍ／ｓｅｃ^２）である。ここで、Ｒ_５０＝３％、４％、５％、６％、７％とする。また、初期摩擦力Ｆｉは、Ｆ_５０の２５％、５０％、７５％とする。

時刻歴応答解析を行うための解析パラメータとして、表１および図１３（ａ）～（ｃ）に示す地震波を使用した。表１に示すように、地震波は、告示神戸、告示関東、告示八戸の３パターンである。表１において、それぞれの告示波は長周期によるものであり、それぞれ強震記録、レベル、最大加速度（ｃｍ／ｓｅｃ^２）を示している。レベルのＬ２は、極めて希に発生する地震動を示している。図１３（ａ）～（ｃ）に示す地震波図は、横軸に時間（ｓｅｃ）、縦軸に加速度（ｃｍ／ｓｅｃ^２）の波形を示したものである。

実施例ケースは、変位依存型の摩擦ダンパーと傾斜滑り支承との組み合わせである。このときの傾斜滑り支承は、摩擦係数を０．０１２とし、傾斜角度を１．５°とした。
比較例ケースは、変位依存型の摩擦ダンパーと天然ゴム支承との組み合わせである。このときの天然ゴムは、水平剛性ｋを５．８×１０^３ ｋＮ／ｍとし、減衰定数ｈを２％とした。

図１４～図１９は、解析結果を示している。これらの解析結果、３つの地震波（告示神戸、告示関東、告示八戸）の応答値を解析ケース（実施例ケース、比較例ケース）毎に比較したものである。図１４～図１９に示す応答値は、摩擦力（減衰力）Ｆ_５０／重量Ｗｇの比率と加速度（ｃｍ／ｓｅｃ^２）との関係を示すグラフ、前記比率と免震応答変位（ｍｍ）との関係を示すグラフ、前記比率と残留変位（ｍｍ）との関係を示すグラフである。図１４（ａ）～（ｃ）は、告示神戸波で実施例ケースの解析結果である。図１５（ａ）～（ｃ）は、告示神戸波で比較例ケースの解析結果である。図１６（ａ）～（ｃ）は、告示関東波で実施例ケースの解析結果である。図１７（ａ）～（ｃ）は、告示関東波で比較例ケースの解析結果である。図１８（ａ）～（ｃ）は、告示八戸波で実施例ケースの解析結果である。図１９（ａ）～（ｃ）は、告示八戸波で比較例ケースの解析結果である。

上述した解析結果より、応答加速度は、摩擦力Ｆ_５０／重量Ｗｇの比率が大きくなるほど大きくなる。応答変位は、摩擦力Ｆ_５０／重量Ｗｇの比率が大きくほど小さくなる。
そして、応答加速度について、摩擦力Ｆ_５０／重量Ｗｇの比率が同じであれば、初期摩擦力ＦｉはＦ_５０に対する比率が小さい方が応答加速度も小さくなることがわかった。
長周期地震動（告示神戸、告示関東、告示八戸）は、実施例ケース（変位依存型の摩擦ダンパーと傾斜滑り支承の組み合わせ）が比較例ケース（変位依存型の摩擦ダンパーと天然ゴム支承の組み合わせ）よりも応答加速度も応答変位も小さくなることが確認された。

また、残留変位について比較すると、地震波の種類、摩擦力Ｆ_５０／重量Ｗｇの比率、初期摩擦力の比率に関係なく、実施例ケースでは僅か５ｍｍ以下であり、比較例ケースでは地震波に関係するが数ｍｍ～３０ｍｍとなる。これにより、実施例ケースでは、比較例ケースに比べて残留変位を小さく留めることができることがわかった。

本実施例による解析結果より、変位依存型の摩擦ダンパーは、傾斜滑り支承と組み合わせることにより高い免震効果が得られることを確認することができた。とくに、長周期地震動に対して、応答加速度も応答変位も従来の天然ゴム支承よりも低減することができ、従来の免震よりも効果的であることがわかった。

以上、本発明による摩擦ダンパーおよび免震建物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、本実施形態では、摩擦ダンパー５の構成として、１枚の中間鋼板５１と、その中間鋼板５１を挟み込むように一対の外鋼板５２、５２を設けた構成としているが、これらの数量であることに限定されることはない。例えば、２つの中間鋼板５１に対して３枚の鋼板（外鋼板に相当）で挟み込むように設けた構成であってもよい。

また、本実施形態では、中間鋼板５１を建物２０側に取り付け、外鋼板５２を基礎２１側に取り付けた構成としているが、軸方向Ｘに反転し、摺動部５１Ｂを有する中間鋼板５１を基礎２１に取り付け、外鋼板５２を建物２０側に設けるようにしてもよい。
さらに、摩擦板５３における複数の摩擦係数μの設定値は、上述した実施形態に限定されることはなく、異なる摩擦係数μの数量も適宜設定することができる。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。

１ 免震建物
３ 免震システム
４ 傾斜滑り支承
５ 摩擦ダンパー
２０ 建物（上部構造体）
２１ 基礎（下部構造体）
５１ 中間鋼板（第１鋼板）
５１Ａ 鋼板部
５１Ｂ 摺動部
５２ 外鋼板（第２鋼板）
５３ 摩擦板（摩擦材）
５２ａ 内面
５４ 高力ボルト
５５ 拘束鋼板

Claims (3)

1. 下部構造体と、該下部構造体に対して相対的に移動自在な上部構造体と、に接続され、軸方向を水平方向に向けて配置される軸変位依存型の摩擦ダンパーであって、
   前記上部構造体に取り付けられた第１鋼板と、
   前記下部構造体に取り付けられ、前記第１鋼板に前記軸方向に直交する板厚方向に重なるように配置された第２鋼板と、
   前記第１鋼板および前記第２鋼板のうちいずれか一方の他方側を向く面に設けられ、前記軸方向に沿って複数の摩擦係数に設定された摩擦材と、
   前記他方に設けられ、前記第１鋼板および前記第２鋼板の水平方向の相対変位により前記摩擦材との間で摩擦力を発生させて接触する摺動部と、を備え、
   前記第１鋼板と前記第２鋼板とが前記軸方向に軸変位したときの前記摩擦材と前記摺動部との間で生じる摩擦力は、軸変位に概ね比例して増大する第１摩擦力と、一定の軸変位を超えると一定となる第２摩擦力と、を得るように設定されていることを特徴とする摩擦ダンパー。
2. 前記摩擦材は、前記軸方向の中央部から前記軸方向の両側に離れるに従い、前記摩擦係数が大きくなるように設定され、
   地震力が作用しない軸変位が０となるときの前記摺動部は、前記摩擦材の中央部となるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の摩擦ダンパー。
3. 請求項１又は２に記載の摩擦ダンパーを備えた免震建物であって、
   前記摩擦ダンパーに併設され、前記下部構造体に対して相対的に移動自在な前記上部構造体の水平方向の変位量の増加に応じて鉛直方向上方の移動量が増加するように前記上部構造体を支持する傾斜滑り支承を備えていることを特徴とする免震建物。

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