JPH08510820A - 大型構造物のための運動ダンパ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ２つの部材のあいだに誘起される運動エネルギーを吸収するために、該２つの部材のあいだに介装されるための押し出しダンパは、鉛などの塑性変形しうるエネルギー吸収材（３）の本体を取り囲む外部ジャケット（１）と、誘起された運動のあいだ鉛を変形するために前記外部ジャケットを貫いて移動する軸とから構成される。前記鉛の本体は外部ジャケットに対して固定され、軸は縮径部２ａを有しており、該縮径部は鉛を貫いて動く。他の態様としては、前記鉛の本体は軸に固定され、外部ジャケットが拡径部（２１ａ）を有しており、該拡径部を貫いてエネルギー吸収装置が通過する。エネルギー吸収材の本体は、エネルギー吸収材の剪断降伏応力を超える静水圧を選択的に受けることができるのが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】 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す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ている。また大小の運動物体の運動を減衰す 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、あるいはいかなる運動、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導起された運動 のあいだ互いに移動することが期待される。これらおよび関係する装置について の一般的な検討は、アール アイ スキナー（R I Skinner）、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 McVerr y）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 SeismicIsolation）”（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10.5MPa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 damper ）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 免震（seismic isolation）および他の応用のための改善された性能を有する ダンパを提供することが本発明の目的である。 本発明は、ふたつの部材のあいだに介装され、該ふたつの部材のあいだに誘起 される運動を減衰するためのダンパであって、長く延びた外部ジャケットと、誘 起された運動のあいだ前記外部ジャケットを貫通し、該外部ジャケットの中を移 動する軸と、前記外部ジャケットと軸とのあいだの空間をふさいでいる塑性変形 しうるエネルギー吸収材本体からなり、前記エネルギー吸収材本体が前記外部ジ ャケットに固定され、前記軸が、誘起された運動のあいだエネルギー吸収本体を 通して付勢される縮径部からなり、および（または）前記エネルギー吸収材本体 が前記軸に固定され、前記外部ジャケットが拡径部からなり、該拡径部を通して 誘起された運動のあいだエネルギー吸収材本体が付勢されてなるダンパからなる 。 前記エネルギー吸収材本体は、少なくとも吸収材の剪断降伏応力に達する静水 圧（hydrostatic pressure）を受けるのが好ましい。前記エネルギー吸収材に加 えられる静水圧は、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以上であることが好ましく、１０〜１００ＭＰａの範囲で あるのが最も好ましい。 前記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、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、または鋼弾、ガラスビーズ、アルミナ、シリ カ、シリコンカーバイト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免震運動や強い風 の一撃などからの運動を減衰させるために免震用途にも用いることができる。か かるダンパは、運動、振動などを減衰するために望まれる他のいかなる応用にも 用いることができる。本発明のダンパは、家庭内においては、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られる。本発明のダンパの うち小型のもの「マイクロアイソレータ（microisolator）」としては、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られるこ 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は長手方向の断面における本発明のダンパの一態様の斜視図であり、 図２は図１のダンパの長手方向の断面図示しており、 図３は図１および２のダンパに類する本発明のダンパの他の態様の長手方向の 断面図を示しており、 図４は図１および２のダンパに類する本発明のダンパのさらに他の態様の長手 方向の断面図を示しており、 図５は図１および２のダンパに類する本発明のダンパのさらに他の態様の長手 方向の断面図を示しており、 図６は本発明のダンパのさらに他の態様を示す断面図を示しており、 図７および８は、本発明の押し出しダンパの記載において言及されるモールの 応力円であり、 図９は、図１〜５に示されたタイプのダンパになされた試験を図示している軸 の変位対時間のグラフであり、 図１０は図９の変位サイクルに加えられた図１〜５に示されたタイプのダンパ のための負荷抵抗対時間のグラフであり、 図１１は連続したサイクルに対する連続したヒステリシスループを示している 、変位に対する図９のテストサイクルあいだに表わされた負荷抵抗のグラフであ る。 好ましい態様の説明 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 、たとえば楕円などの他の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。軸も典型的には鋼で形成される。 外部ジャケット１と軸２とのあいだの空間には、鉛などの塑性変形可能な材料 が充填され、その結果、使用に際しては軸が鉛を貫通して移動することになる。 軸２は、当該軸の一端の軸受を形成するエンドキャッ プ４および浮動状態の他方の側の軸受５を通って移動する。管状のスペーサ６が 外部ジャケット１の他端のエンドキャップ７と浮動状態の軸受５とのあいだに設 けられている。 軸２の中央部分２ａは図示するように拡大された直径を有する。図１はダンパ ーを外部から示し、図２〜５はダンパを縦方向で示している。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は適当な機械的軸縦手を介して建築 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 ２およびとくに拡径部２ａは鉛などの材料中を移動させられ、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。 エネルギー吸収材は、常に圧縮されているように、材料の剪断降伏応力に少な くとも近い、好ましくはそれをこえる静水圧の下、予め選択的に応力がかけられ る。５ＭＰａ以上、典型的には１０ＭＰａ〜約３０ＭＰａ、さらには１００ＭＰ ａまで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、図７および８に示されたモールの応力円によって簡単に説明 されるが、２次元で表される応力の適当なテンソル表示を可能にしている。本体 に加えられる静水圧は、本体上に作用する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７において、静水圧は０であり、主要な 引張応力σ_x、主要な圧縮応力σ_yおよび最大剪断応力σ′_xyはすべて等しい大き さである。図８において、剪断応力σ′_xyに等しい静水圧ｐが加えられている。 最大引張応力は０であるので、その結果本体は常に圧縮下にある。したがって、 本体の張力が不足することはない。 図２〜５には、鉛３（もしくは他のエネルギー吸収材）に静水圧を加えるため の多数の代わりの構成が示されている。図２では、ゴムなどのエラストマー材８ や鋼などの硬質材９の層からなるブロックが管状のスペーサ６とエンドキャップ ７のあいだに設けられている。図３では、ゴムなどのエラストマー材のパッド１ ０が吸収材３の両端に設けられている。いずれのばあいにおいても、スペーサ５ の長さは、エンドキャップ４が螺合されたときに所望の静水圧が鉛３に加えられ るような長さである。図４では、吸収材３の本体の外側がゴムもしくは強化ゴム などのエラストマー材または他の弾性材のスリーブ１１によって囲まれている。 図５では、吸収材がこのようなエラストマー材１２の層の中に完全に含まれてい る。 いずれのばあいにも、エネルギー吸収材３は、外部ジャケット３内で、かつ軸 ２の回りに直接所定の位置に注入することができる。図４および５の実施例のば あい、ゴムスリーブまたはケーシングは、軸のまわりに注入したのち鉛本体のま わりに伸ばされ、そののち軸と鉛がケーシングに圧入される。他の態様として鉛 は、鉛によって一定の直径のボアを有するプラグ（plug）として形成さ れてもよい。このばあい鉛のプラグがアウターケーシング内に挿入されると、軸 が鉛を貫通して中央のボア内に圧入される。そののち鉛に圧力が印加されると、 たとえば端部キャップ４またはその均等物を適合させることによって鉛を押圧し て、その結果鉛をして軸の縮径部２ａまわりを完全に移動せしめる。 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、短形、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潤滑剤で被覆されるの が好ましい。 図６は本発明のダンパの他のタイプを示している。このダンパも外部ジャケッ ト２１から構成されており、該外部ジャケットは典型的には鋼から形成され、円 柱状の形状を呈しているのが好ましいが、他の断面形状であってもよい。この外 部ジャケット２１の一部は、図示されているように、拡径部２１ａを有するよう に形成されている。両端部２２ａで拡大されている軸２２は、外部ジャケット２ １を貫通している。前記軸の両端は、外部ジャケット２１内でプランジャを形成 している。当該外部ジャケットの内側ボアと対向する軸のプランジャ部２２ａを 封じるためにシェブロンシール（chevron seal）などのシール２６が設けられて もよい。軸２２のプランジャ端２２ａの部分は、図示されているような断面形状 を呈している。軸の端部は、少なくとも一方の側において図 示されているよりも外部ジャケットの外に延出しており、軸をしてその使用の際 に所定の位置で連結されうるようにせしめている。軸は縮径された中央部２２ｂ を有している。図において、軸は縮径された中央部２２ａを備えた３つの部分の 軸の如くに示されており、該縮径中央部は、２２ｃで示されるように、軸の両端 の拡径部２２ｂと螺合している。 鉛２３もしくは他のエネルギー吸収材の本体は軸２２の縮径部２２ｂの回りに 固定される。鉛に所望の圧力を加えるとともに、外部ジャケット２１内に閉じ込 めるため、鉛はプランジャ端２２ａを中央軸部分２２ｂにねじ込むことによって 静水圧をうける。他の配置も可能である。 使用に際して、外部ジャケット２１は建築物または他の構造物のひとつの部材 に連結され、軸２２の一端もしくは両端が別の部材に取り付けられ、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移動することが できる。免震用途において、地震などのかかる運動のあいだ、軸２２は外部ジャ ケット２１に対して相対的に移動し、そうすることで外部ジャケットの拡径部２ １ａを含む外部ジャケット２１を貫いて鉛２３の本体を移動し、運動エネルギー の塑性変形エネルギー、および再結晶中の熱や他の自発的回復プロセスへの変換 によって減衰効果を生成している。 軸および外部ジャケット内部は、テフロン、磁器、窒化チタニウムなどで被覆 することができ、構成要素の部分は組み立てのあいだ、叙上のとおり、高温グリ ースで被覆することができる。 本発明のダンパのつぎのテストは、本発明を表わしている。テスト ダンパは、内径４０mmの鋼の外部ジャケットから構成した。軸は直径が１９mm の円柱状の鋼製の軸であり、長さ２０mmの中央部有しており、中央部における軸 の直径は最小で１２mmまで滑らかに減少したのち軸の通常の直径までふたたび増 加している。純度９９．９％の鉛が、外部ジャケットとその中央に位置づけられ た軸とのあいだに形成され、該外部ジャケットの内部で軸を取り囲んだ。ケーシ ング内に固定され、軸を取り囲んでいる鉛プラグの長さは１３０mmであった。鉛 を軸の所定の位置に形成する前に、軸は高温潤滑剤で被覆された。外部ジャケッ トの端部キャップが所定の位置までねじ込んで、鉛に約２０ＭＰａ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。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９は時間対変位を示す。図１０は、ダンパによって示 された対時間負荷抵抗を示す。図１１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祖家ループを示す。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。鉛を目視検査した結果、良好な状態が見いだ された。 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．ふたつの部材のあいだに介装され、該ふたつの部材のあいだに誘起される運 動を減衰するためのダンパであって、長く延びた外部ジャケットと、誘起された 運動のあいだ前記外部ジャケットを貫通し、該外部ジャケットの中を移動する軸 と、前記外部ジャケットと軸とのあいだの空間をふさいでいる塑性変形しうるエ ネルギー吸収材本体からなり、前記エネルギー吸収材本体が前記外部ジャケット に固定され、前記軸が、誘起された運動のあいだエネルギー吸収本体を通して付 勢される縮径部からなり、および（または）前記エネルギー吸収材本体が前記軸 に固定され、前記外部ジャケットが拡径部からなり、該拡径部を通して誘起され た運動のあいだエネルギー吸収材本体が付勢されてなるダンパ。 ２．前記エネルギー吸収材の本体が、少なくともエネルギー吸収材の剪断降伏応 力に達する静水圧を受けてなる請求の範囲第１項記載のダンパ。 ３．前記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を超える 静水圧を受けてなる請求の範囲第１項記載のダンパ。 ４．前記エネルギー吸収材の本体が、１０ＭＰａ以上の静水圧を受けてなる請求 の範囲第１項記載のダンパ。 ５．前記エネルギー吸収材の本体が、２０ＭＰａ以上の静水圧を受けてなる請求 の範囲第１項記載のダンパ。 ６．前記エネルギー吸収材が鉛から形成されてなる請求の範囲第１項、第２項、 第３項または第４項記載のダ ンパ。 ７．前記軸および（または）外部ジャケットの内部がテフロン、磁器、窒化チタ ン、または他のセラミック材料、またはガラスによって被覆されてなる請求の範 囲第１項、第２項、第３項、第４項、第５項または第６項記載のダンパ。 ８．１または２以上の添付図面を参照しつつ本明細書中に実質的に記載されてな るダンパ。