JPH0674276A - 弾塑性ダンパ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 回転体形状をした弾塑性ダンパの機能を生か
しながら、両端部を固定することに伴う構造部材の大断
面化の問題を解消する。 【構成】 距離を隔てて互いに切り離された一方の構造
部材２に接続される、軸方向両端の接続部1₁，1₁と、他
方の構造部材２に接続されて支持される、中間部位置の
支持部1₂と、構造部材２，２間の相対変位時に弾塑性変
形する、支持部1₂と各接続部1₁，1₁間のダンパ部1₃，1₃
からなり、支持部1₂が構造部材２に接続されて支持され
ると同時に、接続部1₁，1₁が構造部材２に対して相対回
転変位可能にこれに接続されることにより接続部1₁，1₁
がピン支持状態で支持部1₂に軸に垂直な荷重を受け、単
純梁化することによりダンパ部1₃の機能を発揮しながら
構造部材２，２の高い曲げ剛性を不要にしてその小断面
化を図り、構造部材２，２の合理的な設計を可能にする
ものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は構造部材間の相対変位
時に構造物に入力する振動エネルギを吸収する、回転体
形状をした弾塑性ダンパに関するものである。

【０００２】

【従来技術及び発明が解決しようとする課題】構造的に
絶縁され、任意な水平面内で相対変位を生ずる構造物間
を始めとする構造部材間に跨って設置され、地震時等に
構造物に入力する振動エネルギを吸収する回転体形状の
弾塑性ダンパと、それに特有な設置方法を出願人はこれ
まで数多く提案している。

【０００３】この回転体形のダンパは構造物間の振動特
性の差による相対変形差や、構造物内の層間変形差によ
って両端間に作用する、軸に垂直な面内のせん断力によ
って曲げモーメントを負担し、曲げ降伏することにより
エネルギの吸収を行うもので、一端が自由で、他端が固
定される場合は釣り鐘形の、両端共固定される場合は鼓
形の，あるいはそれが２個直列に接続した形状をする
が、ダンパは軸が固定端回りの回転に対して拘束されな
がら外力によって曲げ変形やせん断変形を生ずることに
より機能することから、例えば一方の構造部材から他方
側へ張り出し、ダンパの固定端が直接接続する張出部材
の曲げ剛性がダンパのそれより小さければダンパが降伏
する以前に固定端に生ずる曲げモーメントによって張出
部材側に撓みや回転変形が生じ、ダンパの機能が生かさ
れなくなるため、ダンパに上記変形差に応じた変形を生
じさせ、有効にエネルギ吸収能力を発揮させるには張出
部材の曲げ剛性をダンパに対して十分に大きくしておく
ことが条件となる。

【０００４】ところが、ダンパと張出部材のいずれにも
鋼材を使用しながら、ダンパの一端に作用する外力に対
してダンパのみを降伏させる一方、その外力によって他
端に作用する曲げモーメントに対し、張出部材を剛に保
つには張出部材の寸法をダンパに対して極端に大きくす
る必要が生ずるため建築計画上の均衡を損ない、架構内
への設置が周辺の空間に犠牲を強いる場合がある。

【０００５】この発明は回転体形ダンパの設置上の問題
に着目してなされたもので、構造部材や張出部材の合理
的な設計を可能にする形状のダンパを新たに提案しよう
とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明では両端に一方の
構造部材に接続される接続部を、中間部に他方の構造部
材に接続される支持部を形成し、支持部を構造部材に支
持させると同時に、接続部を構造部材に対して相対回転
変位可能にこれに接続し、両端を固定させないことによ
り両端をピン支持させた状態で、両構造部材の相対変位
時に両端と中間部に互いに向きの異なる、軸に垂直な荷
重を作用させ、ダンパの機能を生かしながら端部を固定
することに伴う構造部材や張出部材の大断面化の問題を
解消し、両者の合理的な設計を可能にする。

【０００７】弾塑性ダンパは両端の接続部と中間部の支
持部と、接続部と支持部間の、降伏して塑性化するダン
パ部とからなり、両接続部が一方の構造部材に回転可能
に接続され、支持部が他方の構造部材に支持されながら
接続されることにより、構造部材への支持状態が、構造
部材間の相対変位時に両端が単純支持された梁の中間部
に正負の集中荷重が加わる単純梁となる。この結果、両
接続部が接続する構造部材や張出部材と接続部との接続
状態がピンとなり、構造部材や張出部材は接続部を把持
しながらダンパ部の変形による接続部の相対的な回転変
形を許容し、これに追従しないためその撓みや回転変形
が回避され、同時にダンパ部の機能が有効に発揮され
る。

【０００８】この構造部材や張出部材は接続部をピン支
持することにより接続部からの曲げモーメントの伝達が
なく、両構造部材の相対変位方向の軸方向力を負担すれ
ばよいことから、高い曲げ剛性は不要で、断面の縮小化
が可能となり、設置時の周辺架構への影響が回避され
る。接続部が接続する構造部材や張出部材は、支持部が
接続してこれに集中荷重を加える構造部材や張出部材と
対となってダンパ部にせん断力を作用させる。

【０００９】接続部の、構造部材に対する回転変形可能
な支持状態は接続部が構造部材や張出部材に単純に周囲
から把持されることにより確保されるが、接続部が特に
球形，もしくはそれに近い形状をすることにより構造部
材や張出部材との接触状態を維持しながらこれらに常に
回転可能に支持され、構造部材からの力の伝達が確実に
なる。

【００１０】ダンパ部は単純梁の中央に集中荷重が加わ
るときの曲げモーメント分布に対応し、軸に垂直な断面
が支持部側から接続部側へかけて次第に縮小される形状
をし、外力による曲げモーメント分布に対応することに
より全長が軸方向に均等に降伏して塑性化し、効率的に
エネルギの吸収を行う。

【００１１】

【実施例】以下本発明を一実施例を示す図面に基づいて
説明する。

【００１２】この発明の弾塑性ダンパ（以下ダンパ）１
は図３，図４に示すように距離を隔てて互いに切り離さ
れ、相対変位を生ずる構造部材２，２間に跨って設置さ
れ、構造部材２，２間の相対変位時に軸に垂直な面内の
外力を負担して降伏し、振動エネルギを吸収するもので
ある。

【００１３】ダンパ１は図５に示すように一方の構造部
材２に接続される、軸方向両端の接続部1₁，1₁と、他方
の構造部材２に接続されて支持される、中間部位置の支
持部1₂と、構造部材２，２間の相対変位時に弾塑性変形
する、支持部1₂と各接続部1₁，1₁間のダンパ部1₃，1₃か
らなり、図１，図２に示すように軸回りに直線や曲線の
母線を回転させてできあがる回転体形状をする。図１は
中実断面の鋼棒から形成した場合、図２は釣り鐘形，あ
るいは円錐形をした中空断面材を２個連結して製作した
場合を示す。前者の場合は製作時に接続部1₁，1₁と支持
部1₂が形成され、後者の場合は接続部1₁とフランジを形
成して製作された釣り鐘形ダンパの両フランジを互いに
ボルト締めする等により一体化されて製作される。

【００１４】両接続部1₁，1₁は一方の構造部材２に直
接，もしくは図３〜図５に示すように構造部材２から張
り出す張出部材３に相対回転変位可能に接続され、支持
部1₂は他方の構造部材２やそれから張り出す張出部材４
に接続されて支持され、ダンパ１は図１，図２に示すよ
うに両構造部材２，２間の相対変位時に接続部1₁，1₁と
支持部1₂が互いに逆向きに相対移動することによって中
間部の支持部1₂に軸に垂直な荷重を受ける。

【００１５】接続部1₁は図示するように球形，あるいは
それに近い形状をし、表面が球面状をすることにより構
造部材２や張出部材３との相対回転変位が円滑に生じ、
ダンパ部1₃の変形後も構造部材２や張出部材３との接触
状態を維持し、構造部材２や張出部材３に常にピン支持
される。接続部1₁が構造部材２や張出部材３との接触状
態を保つことにより接続部1₁，1₁への荷重の伝達が確実
となっている。

【００１６】支持部1₂は図５のＹ−Ｙ線断面図である図
７に示すように多角形状等、適当な平面形状の突起状に
形成され、後述するように張出部材４の把持部4₁に嵌合
することにより構造部材３を張出部材４に支持され、構
造部材２，２の相対変位によってダンパ１に軸に垂直な
荷重を作用させる。

【００１７】ダンパ１は両接続部1₁，1₁が一方の構造部
材２にピン支持され、支持部1₂が他方の構造部材２に支
持されることにより図１，図２に示す、構造部材２，２
間の相対変位による接続部1₁，1₁と支持部1₂への矢印の
向きの外力の作用時に、相対的に両接続部1₁，1₁が単純
支持された梁の中央の支持部1₂に集中荷重が作用する単
純梁として支持部1₂と両接続部1₁，1₁間でせん断力を受
け、曲げモーメントを負担する。

【００１８】ダンパ部1₃は両構造部材２，２の相対変位
時の、接続部1₁と支持部1₂間のせん断力によって曲げモ
ーメントを負担することにより曲げ降伏して塑性化し、
エネルギを吸収する。このダンパ部1₃は単純梁が集中荷
重を受ける場合の軸方向に生ずる曲げモーメント分布に
対応し、支持部1₂側から接続部1₁側へかけて軸に垂直な
断面が次第に縮小される形状をし、この形状をすること
により両ダンパ部1₃，1₃は全長が軸方向に均等に曲げ降
伏し、効率的にエネルギを吸収する。

【００１９】図３，図４は本ダンパ１の構造物内への設
置例を示したものであるが、ダンパ１は各構造部材２，
２からそれぞれ対向する側へ張り出す張出部材３，４間
に跨って設置され、接続部1₁と支持部1₂は各張出部材
３，４の先端に一体化した把持部3₁，4₁に支持される。
この実施例ではダンパ１の軸を鉛直に向けて設置した場
合を示しているが、ダンパ１は軸が外力の作用方向に直
交することにより機能することから、図３の実施例を含
め、構造部材２，２間に水平面内の相対変位が生ずる場
合には構造部材２，２間に軸を水平に寝かせた状態にも
設置される。

【００２０】張出部材３の把持部3₁は図３の拡大図であ
る図５及びそのＸ−Ｘ線矢視図である図６に示すように
接続部1₁の形状に対応し、外力の作用面内の周囲を包囲
して把持する環状をし、また接続部1₁の全高に亘る高さ
を持ち、高さ方向の中央部で接続部1₁の周面に接触する
ことによりダンパ１の軸に垂直な面内の任意の方向の構
造部材２，２間の相対変位時に接続部1₁の回転を許容
し、抜け出しを防止しながらこれを支持し、接続部1₁と
の接触状態を維持する。

【００２１】張出部材４の把持部4₁は図７に示すように
内周に支持部1₂が嵌合する形状をし、支持部1₂が把持部
4₁に嵌合して密着することによりダンパ１を支持し、支
持部1₂に軸に垂直な１方向の荷重を加える。

【００２２】図８は固有振動数の異なる、隣接する構造
物間にダンパ１を設置した場合の使用例を示したもので
あるが、この場合もダンパ１は構造物内への設置の場合
と同様に両構造物から対向する側へ張り出す張出部材
３，４間に設置され、両張出部材３，４に接続される。

【００２３】本ダンパ１は張出部材３，４に高い剛性を
要求しない目的から両接続部1₁，1₁をピン支持させるた
めにこれを球形状にし、この両接続部1₁，1₁と支持部1₂
に荷重を集中させることから、接続部1₁と張出部材３の
把持部3₁、及び支持部1₂と張出部材４の把持部4₁との接
触面積が小さくなっているため、接続部1₁や支持部1₂に
作用する単位面積当たりの支圧応力度が極めて高くな
る。従って、ダンパ部1₃を効率的に塑性化させるには接
続部1₁と支持部1₂は剛であることが必要であるにも拘わ
らず、ダンパ部1₃の塑性化と同時に、接続部1₁や支持部
1₂自身に塑性変形が生ずる可能性がある。

【００２４】すなわち、例えば図９に矢印で示す交番荷
重が接続部1₁，1₁と支持部1₂に作用する場合、ダンパ部
1₃は正負の方向に自由に変形して追従するが、このとき
接続部1₁，1₁と支持部1₂には１方向の支圧力が繰り返し
て作用するため、支圧変形が生じ、これが進行して塑性
化することにより把持部3₁，4₁との間にガタ（間隙）が
発生する可能性がある。接続部1₁，1₁と支持部1₂の支圧
変形が共に小さければ、ダンパ部1₃の荷重−変形の履歴
特性は図10に示すような安定したループを描くが、支圧
変形の発生によって図11に示すように除荷時にスリップ
を生ずるループとなり、この傾向は弾性変形から塑性変
形へ移行し、塑性域で変形量が累積されるに従って図12
に示すように大きくなるため、両端がピン支持される本
ダンパ１は接続部1₁や支持部1₂の塑性化によってダンパ
部1₃，1₃を軸方向に均等に降伏させることが難しくな
り、エネルギの吸収量を損失させる他、ガタの発生は衝
撃音を伴うため居住性を損なう等の問題に直面すること
になる。

【００２５】そこで接続部1₁，1₁と支持部1₂をダンパ部
1₃より硬質の材料で構成し、支圧変形を極力を抑え、ま
た両接続部1₁，1₁と支持部1₂の、張出部材３，４との接
続部分の曲率半径を大きくし、支圧面積を拡大すること
により接続部1₁や支持部1₂の塑性化を回避し、両端がピ
ン支持されることに伴うエネルギ吸収量の損失や居住性
低下の問題を解消する。

【００２６】接続部1₁と支持部1₂を硬質材料で構成する
具体的な方法には接続部1₁，1₁と支持部1₂の大部分をダ
ンパ部1₃より硬質の鋼材に置き換える、または表層の接
触面を焼き入れ処理した硬質の鋼材に置き換える，ある
いはコーティング処理により接触面を硬質化した部材に
置き換える、接触面をめっき処理により硬質化した部材
に置き換える等があり、これらの処理を単独で、または
組み合わせることにより接続部1₁，1₁と支持部1₂の硬質
化が図られ、加えて曲率半径の拡大によってエネルギ吸
収の効率の向上が図られる。

【００２７】接続部1₁と支持部1₂の硬質化は図13に示す
ようにダンパ１を、接続部1₁と支持部1₂の各軸部１₁₀，
１₂₀と共にダンパ部1₃，1₃が連続する本体1₀と、独立し
て硬質材料で形成された接続部1₁，1₁及び支持部1₂とか
ら構成し、接続部1₁，1₁及び支持部1₂を各軸部１₁₀，１
₂₀に焼き嵌め，または力嵌めすることにより実施され
る。図14，図15は図13のそれぞれｘ−ｘ線，ｙ−ｙ線断
面図である。

【００２８】接続部1₁と支持部1₂を硬質化した場合、こ
れらを支持する把持部3₁，4₁にも同様の処理が施され、
同等の硬度を持つ接続部1₁と把持部3₁、及び支持部1₂と
把持部4₁が互いに接触することにより双方の支圧変形が
防止される。

【００２９】図16は円柱状に形成した接続部1₁，1₁を軸
部１₁₀，１₁₀に焼き嵌め，または力嵌めした場合である
が、この場合は接続部1₁，1₁を支持する把持部3₁の内周
面が円弧断面形状に形成され、互いに曲面で接触する。

【００３０】図17は支持部1₂と把持部4₁を互いに面で接
触させる場合、図18，図19は互いに線で接触させる場合
の実施例であり、前者は支持部1₂の周面を球面状に形成
した場合、後者は把持部4₁の内周面を球面状に形成した
場合である。

【００３１】

【発明の効果】この発明は以上の通りであり、両端の、
一方の構造部材に接続される接続部と、中間部の、他方
の構造部材に接続される支持部と、構造部材間の相対変
位時に弾塑性変形する、接続部と支持部間のダンパ部か
らなり、接続部が構造部材に対して相対回転変位可能に
接続されると同時に、支持部が構造部材に接続されて支
持されることにより両端の支持状態をピンにしたもので
あるため、構造部材や張出部材をダンパ部の変形による
接続部の相対的な回転変形に追従させることがなく、そ
の撓みや回転変形を回避し、ダンパ部の機能を有効に発
揮させることができる。

【００３２】特に接続部を球形，もしくはそれに近い形
状をすることにより構造部材や張出部材に回転可能に支
持されながらこれらとの接触状態を維持するため構造部
材や張出部材からの力の伝達が確実になり、ダンパ部の
機能発揮の効果を高めることができる。

【００３３】また構造部材や張出部材は曲げモーメント
を負担しないことから、高い曲げ剛性が不要となるため
その小断面化が可能となり、設置時の周辺架構への影響
を回避することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本弾塑性ダンパの製作例を示した立面図であ
る。

【図２】他の製作例を示した立面図である。

【図３】弾塑性ダンパの構造物内への設置例を示した断
面図である。

【図４】図３の平面図である。

【図５】図３の一部拡大図である。

【図６】図５のＸ−Ｘ線矢視図である。

【図７】図５のＹ−Ｙ線断面図である。

【図８】弾塑性ダンパの構造物間への設置例を示した立
面図である。

【図９】弾塑性ダンパへの力の作用状態を示した立面図
である。

【図１０】ダンパ部の理想的な履歴特性を示した荷重−
変形曲線図である。

【図１１】接続部や支持部と把持部間にガタが生じた場
合の履歴特性を示した荷重−変形曲線図である。

【図１２】ガタが拡大した場合の履歴特性を示した荷重
−変形曲線図である。

【図１３】接続部と支持部に硬質材料を使用した場合の
製作例を示した立面図である。

【図１４】図13のｘ−ｘ線断面図である。

【図１５】図13のｙ−ｙ線断面図である。

【図１６】接続部を円柱状に形成した場合の弾塑性ダン
パと把持部を示した立面図である。

【図１７】支持部を把持部と面接触させた場合の弾塑性
ダンパと把持部を示した立面図である。

【図１８】支持部を把持部と線接触させた場合の弾塑性
ダンパと把持部を示した立面図である。

【図１９】支持部を把持部と線接触させた場合の他の弾
塑性ダンパと把持部を示した立面図である。

【符号の説明】

１……弾塑性ダンパ、1₀……本体、1₁……接続部、１₁₀
……軸部、1₂……支持部、１₂₀……軸部、1₃……ダンパ
部、２……構造部材、３……張出部材、3₁……把持部、
４……張出部材、4₁……把持部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮川 信幸 東京都港区元赤坂１丁目２番７号 鹿島建 設株式会社内 (72)発明者 黒川 泰嗣 東京都港区元赤坂１丁目２番７号 鹿島建 設株式会社内 (72)発明者 田中 直樹 東京都調布市飛田給２丁目19番１号 鹿島 建設株式会社技術研究所内 (72)発明者 福元 敏之 東京都調布市飛田給２丁目19番１号 鹿島 建設株式会社技術研究所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 距離を隔てて互いに切り離され、相対変
   位を生ずる構造部材間に跨って設置され、構造部材間の
   相対変位時に軸に垂直な面内の任意方向の外力を負担し
   て降伏する回転体形状の弾塑性ダンパであり、一方の構
   造部材にこれに対して相対回転変位可能に接続される、
   軸方向両端の接続部と、他方の構造部材に接続されて支
   持される、中間部位置の支持部と、構造部材間の相対変
   位時に弾塑性変形する、支持部と各接続部間のダンパ部
   とからなり、ダンパ部の軸に垂直な断面は支持部側から
   接続部側へかけて次第に縮小されていることを特徴とす
   る弾塑性ダンパ。
2. 【請求項２】 接続部は球形，もしくはそれに近い形状
   をしていることを特徴とする請求項１記載の弾塑性ダン
   パ。
3. 【請求項３】 接続部と支持部は共にダンパ部より硬質
   の材料で構成されていることを特徴とする請求項２記載
   の弾塑性ダンパ。