JPH08510540A - 大型構造物のための運動ダンパ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ふたつの部材間に誘起された運動のエネルギーを吸収するために当該両部材間に介設されるダンパであって、鉛のような塑性変形可能なエネルギー吸収材（３）の本体を囲む硬いジャケット（１）と、誘起された運動のあいだ前記コアの中を移動して当該コアを変形させる軸（２）とからなる。軸は、正弦形状、螺旋状、ネジ状などの不規則な形状をしている。エネルギー吸収材は当該エネルギー吸収材のせん断降伏応力を好ましくはこえるほぼ静水圧を受けるようにすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】 大型構造物のための運動ダンパ 本発明は一般に押し出しダンパ（extrusion damper）と呼ばれているタイプの ダンパに関するものであり、さまざまな構造物および装置において誘起された運 動や変位の効果を減少させるために用いられる。 本発明のダンパは、橋梁や建築物などの大型構造物に用いられ、地震や強風の 際に誘起される運動効果を減少させる。また大小の運動物体の運動を減衰させる ために用いてもよい。産業機械、エンジンなどの運動、洗濯機などの家庭用品か らの運動、あるいは何らかの運動、振動などを減衰させることが望まれる他のい かなるものからの運動を減衰させるために用いられる。さらに熱膨張により生じ る変位を減衰させるために用いることができる。本発明の押し出しダンパには、 種々の適用がある。 発明の背景 エネルギーを吸収するためにある材料の弾性または塑性変形を用いる押し出し ダンパとして知られている装置は、周知である。米国特許第３，８３３，０９３ 号明細書は、典型的にはシリンダーである細長の外部ジャケットと、該ジャケッ トの内部で長手方向に移動する軸とのあいだに閉じ込められたエネルギー吸収材 から構成される押し出しダンパの一態様を記載している。吸収材は、典型的には 鉛であり、ジャケットおよび軸は典型的には鋼から形成される。ジャケットおよ び軸の対向する端部 は構造物におけるふたつの部材のあいだに連結される。該ふたつの部材は地震ま たは他の誘起された運動のあいだ互いに移動することが期待される。これらおよ び関連する装置についての一般的な検討は、アール アイ スキナー（R I Skin ner）、ダブリュ エイチ ロビンスン（W H Robinson）およびジー エイチ マクベリー（G H McVerry）による“イントロダクション トゥー サイズミッ クアイソレーション（An Introduction to Seismic Isolation）”（１９９３年 、ワイリー（Wiley））によってなされている。 鉛はいくつかの理由で、好ましい変形しうるエネルギー吸収材である。第１に 、鉛は室温で約１０．５ＭＰａの剪断応力で降伏することであり、この１０．５ ＭＰａは他の金属や同等の可塑性材料に比べて小さい。第２に、鉛は再結晶およ び比較的急激な降伏変形後の関連プロセスにより、鉛の機械的特性を回復するこ とである。鉛は常温における周期的な剪断のもとでの硬化加工に対してきわだっ た抵抗を与える。第３に、これらの特性を示すために要求される純度で容易に入 手できることである。 実際にはかかるダンパは、構造物に付与されるある運動を減衰させることによ って、損傷に対して特定の構造物を保護するために個々に設計される。かかるダ ンパのふるまいは、ほぼ矩形の力−変位ヒステリシスループと、振動数の広い範 囲にわたって実質的に独立した比率とを有する理想クーロンダンパ（Coulomb da mper）の挙動によってかなり正確に近似される。かかる装置の性能の研究が進行 している。 発明の要旨 本発明の目的は、免震および他の用途のための、そのようなタンパの改良され た性能を提供することである 本発明は、概して、ふたつの部材間に誘起された運動を減衰させるために当該 両部材間に介設されるダンパであって、前記部材の一方に連結される細長の外部 ジャケット手段と、該ジャケット手段内に収容される塑性変形可能なエネルギー 吸収材の本体と、前記部材の他方に連結され、その全長にわたって変化する形状 を有し、かつ前記誘起された運動のあいだ前記エネルギー吸収材の中を移動させ られる軸とからなるダンパからなる。 本発明のダンパの一態様において、軸は、交互にあらわれる多数の縮径部と多 数の拡径部とを含んでいる。 本発明のダンパの他の態様において、軸は実質的に一定の断面を有しており、 この断面は少なくとも軸長の一部にわたって軸の中心軸から周期的に変位してい る。その結果、軸は軸の全長にわたって正弦形状、または振幅もしくは振動数が 規則的もしくは不規則である、他の「波」形状である。 本発明のダンパのさらに他の態様において、軸は、軸長の少なくとも一部にわ たって軸の中心軸の回りを周期的に回転する楕円形横断面を有しており、このた め当該軸は螺旋形状を呈している。 軸はエネルギー吸収材と直接接触してもよいし、またはその代わりに、エネル ギー吸収材内に埋設されておりかつ軸をとり囲んでいる一連の隣接する並列プレ ートを介して接触してもよい。前記プレートは、軸の動きにつれて、当該軸の移 動方向を横切るように前記エネルギー 吸収材の中でお互いに移動させられる。 エネルギー吸収材は当該吸収材の剪断降伏応力に少なくとも近いほぼ静水圧を 受けることが好ましい。前記エネルギー吸収材に加えられる静水は、当該エネル ギー吸収材の剪断降伏応力をこえるのが好ましい。前記静水圧は５ＭＰａ以上で あるのが好ましく、１０〜１００ＭＰａの範囲であるのが最も好ましい。 エネルギー吸収材は鉛であるのが好ましいが、他の使用可能なエネルギー吸収 材として、鉛の合金、たとえば約２００℃に昇温されたアルミニウム、すず、亜 鉛、しんちゅう、鉄、超プラスチック合金、および低い加工硬化率の他の材料を あげることができ、さらには鋼弾、ガラスビーズ、アルミナシリカ、シリコンカ ーバイドまたは他の非常に硬い粒状物などの密に充填された粒状物をあげること ができる。 本発明のダンパは、橋梁や建築物などの大型構造物における地震運動や非常に 強い風の一撃などからの運動を減衰させるために、免震用途に使用することがで きる。本発明のダンパは、何らかの運動、振動などを減衰させることが要求され る他のいかなる用途にも用いることができる。たとえば、本発明のダンパは、エ ンジンや他の産業機械の運動を減衰させるのに用いてもよい。家庭内においては 、本発明のダンパは、洗濯機、回転式乾燥機および皿洗い機において振動を絶縁 するのに用いることができる。本発明のダンパのうち小型のものは、「マイクロ アイソレータ（microisolators）」として、ビデオレコーダなどの機構などの高 感度の電子機器や他の類似の用途に用いることができる。本発明の押し出しダン パ は多数の用途が考えられ、本発明は免震ダンパのみに限定されるものではない。 図面の簡単な説明 本発明の好適なダンパを以下の図面を参照しつつ実施例によって説明する。 図１は本発明のダンパの一態様の透視図、 図２は図１のダンパの縦方向断面図、 図３は図１および図２のものに類似する、本発明のダンパの他の態様の縦方向 断面図、 図４は図１および図２のものに類似する、本発明のダンパのさらに他の態様の 縦方向断面図、 図５は図１および図２のものに類似する、本発明のダンパの他の態様の縦方向 断面図、 図６は本発明のダンパのさらに他の態様の縦方向断面図、 図７は図６のものに類似する、本発明のダンパの他の態様の縦方向断面図、 図８は図６のものに類似する、本発明のダンパの他の態様の縦方向断面図、 図９および図１０は本発明の押し出しダンパの説明において参照するモールの 円構成、 図１１は図１および図２に示したタイプの押し出しダンパに適用されるテスト を模式的に示す、対時間軸変位のグラフ、 図１２は、図１１の変位サイクルに曝される、図１および図２に示したタイプ の押し出しダンパの、時間に対する負荷抵抗のグラフ、および 図１３は変位に対する図１１のテストサイクル中にあらわれる負荷抵抗のグラ フであり、連続サイクルに対する連続履歴現象リーフを示す。 好適な態様の説明 図１〜５に示したダンパは各々外部ジャケット１を具備しており、この外部ジ ャケット１は、典型的には鋼で形成され、図示するように円筒形であってよいが 、たとえば楕円形などの他の横断面形状のものであってもよい。軸２は各々のば あいにおいて外部ジャケット１を貫いて矢印Ａの方向に縦に動くことができる。 軸は外部ジャケット１内の中央に配置される必要はなく、幾分オフセットされて いてよい。軸２も、典型的には鋼で形成される。 本発明によれば、軸２は軸の全長にわたって変化する形状を有する。図２のダ ンパでは、軸は正弦状に形成されている。すなわち、軸は軸の中心軸から離れて 周期的に変位する実質的に一定の横断面を有する。いかなる点においても軸の横 断面形状は、好ましくは四角ないしは矩形であるが、たとえば円形または楕円形 などの他の形状のものであってもよい。 図１〜５のダンパでは、一連の隣接する並列プレート４が軸を囲んでいる。各 プレート４は中心を貫通する四角ないしは矩形の孔を備えた、全体的に円形の形 状であってよく、四角ないしは矩形の横断面形状を有する軸のばあい、軸は前記 孔を通り抜ける。プレートはその代わりにたとえば、円形もしくは楕円形の軸の ためには、円形もしくは楕円形の孔を備えた、楕円形または他の全体 的な形状のものであってもよい。プレートは鋼、またはその代わりにガラスもし くは他の金属で形成することができる。好ましくは、Ｏ−リング（図示せず）が 各隣接するプレート４間に設けられる。Ｏ−リングはひとつのプレート面の円形 の溝の中に配置され、隣接するプレートの平坦な向かい合った面と接触し、プレ ートがお互いに対して摺動する際に、当該Ｏ−リングが両者のあいだをシールす る。外部ジャケット１と軸を囲むプレート４とのあいだのスペースには、鉛３な どの塑性変形可能なエネルギー吸収材が充填され、プレートが鉛の中に埋め込ま れるようになる。ダンパの両側のプレート４は外部ジャケットの一部を形成する 端プレート１ａに対して摺動する。外部ジャケット１の両端の端プレート１ａは 、図示するように、ボルト６で適所に固定される。 図１はダンパを外部から示し、図２〜５はダンパを縦方向断面で示している。 これらは構成上の変形を示しており、それについては後述する。 使用に際して、ダンパの外部ジャケット１は適当な機械的軸継手を介して建築 物または他の構造物のひとつの部材に連結され、軸は軸の端２ｂを介して別の部 材に連結され、当該別の部材は誘起された運動において前記ひとつの部材に対し て相対的に動くことができる。免震用途において、地震などのかかる運動中に、 軸１はダンパの中を移動させられる。正弦状に形成された軸が鉛３に埋設された 一連のプレート４を貫通して動くと、各プレート４は軸の移動方向を横切って鉛 の中をお互いに移動する。軸が動くと、プレートの積層体は鉛を横切って前後に 振動する。これは運動エネルギーの塑性変形エネル ギーおよび熱への変換によって、さらには再結晶および他の自発的な回復プロセ ス中の熱への変換によって減衰効果を生み出す。 図３は図２のものに類似するダンパを示しているが、正弦形状の軸２の振幅が 軸の端に向かうにつれて大きくなっている、つまり軸の中心軸から離れる軸の横 断面の変位が軸の中心から両端に向かうにつれて増加している点が異なる。この ダンパでは、ダンパにより示される負荷抵抗が軸の動きの両端に向かうにつれて 大きくなる。逆に、軸の動きに対する負荷抵抗は軸の変位の中心では低くなる。 これはダンパがある程度の初期減衰効果を提供する前に、ダンパに印加されるの に必要な力のしきい値を効果的に減少させる一方、たとえば強い地震において、 軸の動きが増大するにつれて減衰効果が増大する。 図４のダンパでは、中心軸から離れる軸２の横断面の変位の振動数は、軸の端 に向かうにつれて大きくなる。これは軸運動の両端でダンパによって提供される 負荷抵抗を相対的に増大させるのと実質的に同じ効果をもち、あるいはその代わ りに軸は軸の初期運動に必要な力のしきい値を低下させるように設計されてもよ い。この図および全ての図において、軸の波形の振幅は説明のために誇張されて いる。 本発明の他のダンパにおいて、中心軸からの軸の横断面の変位の振幅および振 動数を、軸の両端に向かうにつれて増大させるのを組み合わせる、つまり図３と 図４の軸の特徴を組み合わせることもできる。 図５のダンパでは、軸２は矩形の波状の軸ではなく、螺旋形に形成されている 、つまり軸は軸の中心軸の回り を周期的に回転する楕円形の横断面をもっている。このばあいも、軸３が誘起さ れた運動によって動くように強いられると、当該軸３はプレート４が鉛３内で振 動して減衰効果を作り出すようにする。 前述したように一連のプレート４を組み込んだダンパでは、軸２は容易に取り 外して別の特徴をもつ軸と交換できる。たとえば、とくに所望される減衰特性の ために、エンジニアが特別な軸デザインの「市販品」を指定してもよい。軸は鉛 ３と直接接触しないので、軸の長寿命が期待される。 図２〜５のダンパにおいて、軸２は鉛の中に埋め込まれた一連の隣接する並列 プレート４を通して鉛３と接触するが、これは必須のものではない。波形または 螺旋形または他の形状の軸が、前述したように、直接鉛と、つまり軸が突き抜け る鉛３に埋め込まれたプレート４もしくは同等のものを介在せずに鉛と接触して もよい。図６は不規則な形状の軸２をもつ本発明の他のダンパを示しており、こ のばあい軸２は図示するように、軸の全長にわたって変化する直径をもっている 。図６のダンパでは、軸２は鉛３と直接接触する。鉛は軸２を囲む外部ジャケッ ト１の内部を完全に埋め尽くしている。シュブロンシール（chevron seals）な どの調整エンドシール（expanding end seals）８が外部ジヤケット１の両端に 設けられ、外部ジャケットの端プレート１ａによって適所に保持される。このば あいも、免震用途において、地震などの運動のあいだ、軸２は鉛３の中を移動さ せられ、それは減衰効果を生み出す。 軸２はダブルスタート、またはツインカウンター回転 楕円として、または三角形または溝状の変形をもつものとして形成することがで きる。しかしながら、軸はいつでも鉛内に一定の軸体積を維持するように形作ら れ、鉛を圧縮しようとするダンパというよりはむしろ、軸が動くにつれて鉛がダ ンパ内で効果的に移動するようになることが望ましい。 本発明のダンパにおいては、鉛などのエネルギー吸収材が常に圧縮されている ように、エネルギー吸収材のせん断降伏応力に少なくとも近い、好ましくはそれ をこえる静水圧の下、予め応力をかけるようにしてもよい。５ＭＰａ以上、典型 的に１０ＭＰａ〜３０ＭＰａ、さらには１００ＭＰａまでのもしくはそれ以上の 鉛圧力が効果的であることが解っている。 静水圧の効果は、二次元で表される応力の適当なテンソル描写を可能にする、 図９および図１０に示したモールの円構成を用いて簡潔に説明することができる 。本体に加えられる静水圧はそれに作用する３つの主要な応力の合計の３分の１ であると定義される。図９において、静水圧は０であり、主要な引張応力σｘ、 主要な圧縮応力σｙ、および最大せん断応力σ′ｘｙはすべて等しい大きさであ る。図１０において、せん断応力σ′ｘｙに等しい静水圧ｐが加えられている。 そのときの最大せん断応力は本体が常に圧縮下にあるように０である。したがっ て、本体の張力が不足することはない。 鉛（もしくは他のエネルギー吸収材）に静水圧を加えるために様々な代わりの 構成が可能である。ゴムなどのエラストマー材のパッドもしくはディスク、ある いはばね鋼ディスクが、吸収材３の一端もしくは両端の外部ケ ーシング内に設けられてよい。外部ジャケットのエンドキャップ１ａは、エンド キャップが嵌合され、完全にボルトで締められるとき、直接鉛と接触し、所望の 静水圧を鉛に加えるように設計することができる。螺合エンドキャップ、多数の スクリューインプラグ、もしくは様々な点で鉛と接触し、圧力を加える水圧駆動 プラグなどをその代わりに使用してもよい。図８では、吸収材は強化ゴムなどの エラストマー材層に完全に包まれて、静水圧を加える。 図７では、炭素繊維、青銅、もしくは強化ゴムなどのエラストマー材の円形の 編体をもつスリーブ１０が軸２を囲んでいる。このスリーブ１０は、当該スリー ブの外側と鉛３とのあいだが滑らかにされていることが望ましい。図８では、同 様のケーシング１１が吸収材を完全に囲んでいる。 いずれのばあいにも、エネルギー吸収材３は軸２のまわりの外部ジャケット１ 内の適所に直接注入することができる。図７および図８の実施例では、エラスト マーのスリーブ１０またはケーシング１１は軸２のまわりに注入したのち、鉛本 体の回りに伸ばされ、そののち軸と鉛が外部ケーシング１に圧入される。 前述したように、ダンパの全体的な横断面の形状は、円形、もしくはその代わ りに楕円形、四角形、矩形、あるいは他の所望の形状であってよい。 軸および他のダンパ部分をテフロン、磁器、窒化チタン、硬質セラミック材、 ガラスなどで任意に被覆してもよい。 ダンパの組立中に、構成部品が高温グリースまたは他 の滑剤で被覆されるのが好ましい。 本発明の押し出しダンパのテストに関する以下の説明が、さらに本発明を説明 するであろう： テスト１ ダンパは内径５０ｍｍで内部の長さが３１２ｍｍの鋼製の円筒形外部ジャケッ トからなるように構成した。軸は矩形の横断面３３ｍｍ×３５ｍｍの正弦形状の 軸とした。各正弦波動は４２．８５ｍｍの波長と、軸長を通じて一定である±２ ｍｍの波の振幅を有していた。軸は直径１０２．５ｍｍで厚さ１０ｍｍの３１個 の円形鋼プレートの中心を貫通していた。９９．９％の純度の鉛が外部ジャケッ トと外部ジャケット内で軸を囲むプレート間の適所に注入された。軸および全て のプレートは組立の前に高圧潤滑剤で被覆した。外部ジャケットのエンドキャッ プをボルトで締め、鉛にほぼ３０ＭＰａの静水圧を加えた。インストロンテスト 機によりダンパを２００ｍｍ／分の最大クロスヘッド速度、および２５０ｋＮの 最大力で、変位±１９５ｍｍの軸運動のサイクルに委ねた。装置の全長は軸のス トローク長より短いものであった。その結果はインストンに接続されたチャート レコーダーにデータロガーによって直接記録された。図１１は軸の対時間変位を 示す。図１２はダンパによって示された対時間負荷抵抗を示す。図１３はダンパ によって示された対変位負荷抵抗を示し、連続サイクルに対する連続履歴現象ル ープを示す。延長したテストののち、サイクル毎の減衰力および吸収されたエネ ルギーは開始時の値の２０％以内であった。延長テストの完了時に、ダンパをテ ストリグから取り外し、分解した。鉛の中心部を目 視により検査し、良好な状態であることが解った。 以上、本発明とその好適な様々な態様を説明してきた。当業者に自明であろう 代替案および変更は請求の範囲において限定されるように本発明の範囲に含まれ るものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ， ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，Ｇ Ｂ，ＧＥ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＮＬ，ＮＯ， ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＩ，Ｓ Ｋ，ＴＪ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ふたつの部材間に誘起された運動を減衰させるために当該両部材間に介設 されるダンパであって、前記部材の一方に連結される細長の外部ジャケット手段 と、該ジャケット手段内に収容される塑性変形可能なエネルギー吸収材の本体と 、前記部材の他方に連結され、その全長にわたって変化する形状を有し、かつ前 記誘起された運動のあいだ前記エネルギー吸収材の中を移動させられる軸とから なるダンパ。 ２．前記軸が、交互にあらわれる多数の縮径部と多数の拡径部とを含む請求の 範囲第１項記載のダンパ。 ３．前記軸が、当該軸長の少なくとも一部にわたって、軸の中心軸から周期的 に変位する実質的に一定の断面を有してなる請求の範囲第１項記載のダンパ。 ４．前記軸が、当該軸長の少なくとも一部にわたって、軸の中心軸から実質的 に正弦形状に変位する一定の断面を有してなる請求の範囲第３項記載のダンパ。 ５．軸の中心軸からの、軸の横断面の変位が、軸の端に向かうにつれて大きい 請求の範囲第３項または第４項記載のダンパ。 ６．軸の中心軸からの、軸の横断面の変位の振動数が、軸の端に向かうにつれ て大きい請求の範囲第３項または第４項記載のダンパ。 ７．少なくとも軸長の一部にわたって、軸が軸の中心軸を周期的に回る楕円形 断面を有してなる請求の範囲第３項記載のダンパ。 ８．軸の横断面形状が円形または楕円形である請求の範 囲第３項、第４項、第５項、第６項または第７項記載のダンパ。 ９．軸長の少なくとも一部にわたって、軸が螺旋形状である請求の範囲第１記 載のダンパ。 １０．前記軸が、エネルギー吸収材内に埋設されておりかつ当該軸をとり囲んで いる一連の隣接する並列プレートを介して前記エネルギー吸収材と接触しており 、前記プレートが、前記誘起された運動のあいだ前記軸が外部ジャケットの中を 移動させられるときに、軸の移動方向を横切るように前記エネルギー吸収材の中 で互いに移動させられる請求の範囲第３項、第４項、第５項、第６項、第７項、 第８項または第９項記載のダンパ。 １１．外部ジャケット内のエネルギー吸収材の本体が、エネルギー吸収材の剪断 降伏応力に少なくとも近いほぼ静水圧を受ける請求の範囲第１項、第２項、第３ 項、第４項、第５項、第６項、第７項、第８項、第９項または第１０項記載のダ ンパ。 １２．エネルギー吸収材の本体が、エネルギー吸収材の剪断断降伏応力をこえる 静水圧を受ける請求の範囲第１１項記載のダンパ。 １３．エネルギー吸収材の本体が、１０ＭＰａ以上の静水圧を受ける請求の範囲 第１１項記載のダンパ。 １４．エネルギー吸収材の本体が、２０ＭＰａをこえる静水圧を受ける請求の範 囲第１１項記載の押し出しダンパ。 １５．エネルギー吸収材が鉛である請求の範囲第１項、第２項、第３項、第４項 、第５項、第６項、第７項、第 ８項、第９項、第１０項、第１１項、第１２項、第１３項または第１４項記載の ダンパ。 １６．軸がテフロン、磁器、窒化チタン、または他のセラミック材料、またはガ ラスで被覆されてなる請求の範囲第２項記載のダンパ。 １７．１または２以上の添付図面を参照しつつ本明細書において実質的に記載さ れているダンパ。