JPS62242145A - 免震用ダンパ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、免震用ダンパに係り、特に、３次元方向のエ
ネルギ吸収に有効で、しかもトリガ機能を有する免震用
ダンパに関するものである。

（従来の技術〕 従来軟鋼のごとき塑性変形材料を用いた免震用ダンパに
ついては、ニューフレア・エンジニアリング・アンド・
デザイン、　３６　（１９７６年）２８７頁から２９７
頁（Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ
Ｄｅｓｉｇｎ　　３６　（１９７６）　２８７−２９７
　）において論じられている。

以下、これを第５図にもとづいて説明すると、本ダジパ
は、例えば建物の下部に配置されるもので、その場合、
ベースアンカ１が建物の底面に固定され、基礎アンカ２
が建屋基礎に固定される。

ベースアンカ１に取りつけられた円筒スリーブ３は、基
礎アンカ２に取りつけられた軟鋼４の上部にはめ込まれ
ており、地震時、建物と建屋基礎との間に相対変位が生
じ、これはそのままベースアンカ１と基礎アンカ２との
相対変位となるが、既述のごとく、ベースアンカ１と基
礎アンカ２とは、軟鋼４によって結ばれているため、軟
鋼４が変形し、この変形が地震継続中繰り返えされると
、軟！Ｗ４の履歴特性に応じたエネルギ吸収が達成され
る。

また、従来、３次元方向のエネルギ吸収に有効な免震用
ダンパとして、第６図に示すごとき構造のものが提案さ
れており１本ダンパも１例えば建物の下部に配置される
もので、その場合、ベースアンカ１が建物の底面に固定
され、基礎アンカ２が建屋基礎に固定される。ベースア
ンカ１には、内筒５が取りつけられ、基礎アンカ２には
、外筒６が取りつけられ、また外筒６の内部には、粘性
流体が充填されており、地震時、ベースアンカ１と基礎
アンカ２との間に相対変位が生じると、そのエネルギは
、粘性流体によって吸収される。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記従来技術のうち、第５図に示すダン
パは、３次元方向のエネルギ吸収という点について認識
されておらず、したがって３次元免震用ダンパとしての
使用が難しかった。

すなわち、第５図に示す免震用ダンパによれば。

ベースアンカ１と基礎アンカ２とが図中横方向に相対変
位を生じた場合、軟鋼４の変形により、エネルギ吸収が
おこなわれるが、ベースアンカ１と基礎アンカ２とが図
中縦方向に相対変位を生じた場合は、円筒スリーブ３が
軟鋼４を拘束しないため、当該軟鋼４は変形せず、した
がってエネルギ吸収はおこなわれない。

なお、第５図に示す免震用ダンパにおいて、縦方向の相
対変位に対し軟鋼４を変形させることを目的として、当
該軟鋼４の上部を円筒スリーブ３で拘束することなく、
軟鋼４の上部をベースアンカ１に固定することも考えら
れるが、その場合、縦方向にも有効な免震用ダンパとす
るためには。

軟鋼４の縦方向の剛性を充分小さく設定することが必要
である。言い換えると、軟鋼４は、縦方向に比較的細長
い形状とする必要が生じ、その場合。

ベースアンカ１と基礎アンカ２との縦方向相対変位が生
じると、軟鋼４が座屈してしまう可能性があり、充分な
エネルギ吸収がなされないという問題がある。

また、上記従来技術のうち、第６図に示すダンパは、ト
リガ機能という点について認識されていない。

ここで、免震の考え方について述べると、免震とは、構
造物を剛性の低い部材（ゴムなど）で支持して系の固有
周期を長くしてやることにより、地震入力の大きな周期
領域での共振を避け、構造物の応答加速度を低減させる
という概念であるが、免震構造を採用する系にあっては
、剛性の低い部材を用いることにより、その構造物の応
答変位は。

免震構造を採用しない場合よりも必然的に大きくなると
いう結果をもたらし、この大きな応答変位は、しばしば
構造物にとって悪影響をおよぼす。

さらに、免震構造を採用する系にあっては、既述のごと
く、剛性の低い部材を用いることにより、地震以外の例
えば風荷重が作用した場合であっても、構造物が振動し
てしまう可能性があり、前者。

すなわち地震荷重のごとき比較的大きな荷重に対する応
答変位の低減に有効なのがダンパの併用であり、後者、
すなわち、風荷重のごとき小さな荷重に対する振動抑制
に有効なのが１−リガの併用である。

しかして、第６図に示すダンパによれば、３次元方向の
エネルギ吸収は可能であるが、反面、トリガ機能を有し
ておらず、免震装置として用いる場合には、別途トリガ
装置として機械ヒユーズなどを併用しなければならない
。

本発明は、上記した従来技術を見直しの結果なされたも
のであって、その目的とするところは、３次元方向のエ
ネルギ吸収に特に有効で、しかもトリガ機能を有する免
震用ダンパ、すなわち地震荷重のごとき比較的大きな荷
重に対する応答変位の低減に有効で、しかも風荷重のご
とき小さな荷重に対する振動抑制にも有効な、実利性に
すぐれた免震用ダンパを提供しようとするものである。

ｃ問題を解決するための手段〕 上記目的は、まず、ダンパ部材として例えば軟鋼のごと
き塑性変形材料を用い、これをコイル状に成形すること
によって達成される。

〔作用〕

ここで、本発明に係る免震用ダンパのエネルギ吸収作用
およびトリガ作用について説明する。

まず、本発明ダンパの軸方向における変形挙動について
述べると、本発明ダンパが軸方向に力を受けたとき、ダ
ンパ部材には、ねじりモーメント。

曲げモーメント、せん断力、それに圧縮力が生ずるが、
軸方向変形挙動に最も大きな影響をおよぼすのはねじり
モーメントである。そこで、このねじりモーメントのみ
を考えると、ダンパ部材の軸方向剛性は、 ｎＤａ Ｋ：コイルばねの軸方向剛性 Ｇ：索線のせん断弾性係数 ｄ：素線の直径 ｎ：コイル巻数 Ｄ：コイル径 で表わされる。

ここに、素線のせん断弾性係数Ｇは、素線のせん断応力
と歪みとの比として定義されるもので。

そのせん断応力と歪みとの関係は１例えば軟鋼の場合、
第２図実線図示のごとく表わされるものであり、第２図
の縦軸を荷重、横軸を変位と読み換えることができる。

そこで、第２図の縦軸を荷重、横軸を変位と読み換えて
１本発明ダンパの作用を以下に説明するまず、本発明ダ
ンパに対し、地震のごとき比較的大きな荷重が作用した
場合、ダンパ部材の挙動は、第２図において、Ｏｒ　ａ
、ｂ　ＨＱ　）　ｄ　ｇ　ｅ　ｇｆｌａｌｂｌ・・・・
・・とサイクリックループを描く。

このとき−上記したサイクリックループが描く平行四辺
形の面積が、各サイクル毎のエネルギ吸収量を表わして
いる。また、第２図中、ａ点が降伏点と呼ばれものであ
り、同図から明らかなように、降伏点（ａ点）を越える
と、せん断弾性係数（このせん断弾性係数は、第２図の
線の傾きで表わされる）は急激に低下する。しかして、
免震とは、既述のごとく、構造物を剛性の低い部材で支
持する概念であるから、ダンパとしても、少なくとも地
震のごとき比較的大きな荷重が作用した場合には、剛性
の低いことが要求されるが、本発明にあっては、ダンパ
部材が材料的に降伏することにより、この要求が達成さ
れる。また１本発明ダンパは、上記のごとく、材料降伏
後の挙動（サイクル）でエネルギを吸収するので、降伏
後破断までの変形裕度の比較的大きな材料が要求される
が、本発明にあっては、ダンパ部材を軟鋼のごとき塑性
変形材料により成形することにより、この要求が達成さ
れる。

一方、本発明ダンパに対し、風荷重のごとき小さな荷重
が作用した場合、ダンパ部材は、第２図において・ｄ・
０・ａの間の挙動を繰り返し、当該ダンパに対して地震
荷重が作用する場合のごときループは描かない、言い換
えると、本発明ダンパは、材料的に降伏せず、したがっ
てその剛性は低下しない。すなわち、本発明ダンパを免
震用ダンパとして用いた場合、ある一定値以上の荷重が
作用しないと、免震装置は働かず、これがトリガ機能と
呼ばれるものである。

次に、本発明ダンパの軸方向と直角をなす方向（以下、
横方向と呼ぶ）の変形挙動について述べると、この横方
向の挙動も、基本的には軸方向の挙動と同様であり、そ
の剛性は。

Ｋ’　＝αＫ Ｋ′　：ダンパ部材の横方向剛性 に：ダンパ部材の軸方向剛性 α：コイル径、コイル高さ、素線の直径などで決定され
る定数 で表すされる。

すなわち、本発明のダンパの横方向の変形挙動に対し、
最も大きな影響をおよぼすのは、軸方向変形挙動の場合
と同様、ねじりモーメントであり、本発明ダンパの横方
向の剛性は、材料のせん断弾性係数に依存し、したがっ
て本発明ダンパに横方向荷重が加わった場合は、当荷ダ
ンパに軸方向荷重が加わった場合と同様、エネルギ吸収
作用とトリガ作用との同作用が得られる。

〔実施例〕

以下、本発明を、第１図の一実施例にもとづいて説明す
ると、本発明に係る免震用ダンパは、ベースアンカ１と
、基礎アンカ２と、軟鋼のごとく塑性変形する材料によ
り成形されたコイル状ダンパ材７とによって構成され、
ダンパ材７の両端は。

それぞれベースアンカ１と基礎アンカ２とに固定されて
いる。しかして１本発明に係る免震用ダンパは、例えば
建物の下部に設置されるもので、その場合、ベースアン
カ１が建物の底部に固定され、基礎アンカ２が建屋基礎
に固定されるものであって、本発明ダンパと共に比較的
剛性の低いゴム。

例えば積層ゴムなどの部材（荷重支持部材と呼ぶ）９が
、建物と建屋基礎との間に設置される。そして、荷重支
持部材９の両端は、それぞれベースアンカ１０と基礎ア
ンカ１１とに固定され、ベースアンカ１０は建物の底部
に固定され、基礎アンカ１１は建屋基礎に固定される。

なお荷重支持部材９は、建物の荷重を支持するもので、
その剛性は。

定格荷重載荷時において水平方向固有振動数がＩＨｚ程
度、上下方向固有振動数が２Ｈｚ程度に設定されている
。

以上の構成において、建物と建屋基礎との間に設置した
荷重支持部材９に地震動が作用した場合。

荷重支持部材９の固有振動数は、建物そのものの固有振
動数よりも低いため、建物そのものは振動（変形）せず
、荷重支持部材９の固有振動数で剛体運動をするという
振動性状が卓越する。したがって、建物内部に生ずる応
力は、建物と建屋基礎との間に荷重支持部材９を設置し
ない場合よりもち低減する。

しかしながら、その反面、建物の地盤（建屋基ａりに対
する相対変位は、建物と建屋基礎との間に荷重支持部材
９を設置しない場合よりも増大する。この現象を１例え
ば原子力発電所の原子炉建物に当てはめてみると、これ
は、主蒸気配管の相対変位の増大を意味し１Ｍ子カプラ
ントの健全性を確保するためには、上記した相対変位を
低減することが非常に重要な課題であり、この課題を解
決するために、建物と建屋基礎との間に免震用ダンパが
設置される。

しかして、第１図に示す免震用ダンパが地震時に示す挙
動は、第２図実線図示のとおりである。

なお、第２図の破線は、第１図に示す免震装置全体とし
ての地震時における挙動特性、すなわち荷重支持部材９
に本発明ダンパを併用した免震装置全体としての挙動特
性を示しており、実線で示す本発明ダンパの挙動特性に
荷重支持部材９の挙動特性を重ね合わせたものである。

したがって、地震時、免震装置全体としては、第２図に
破線で示すループ特性を示し、その場合のエネルギ吸収
量は、ループの面積によって表わされる。なお、より厳
密には、荷重支持部材９の応カー歪み特性もヒステリシ
スを持っている（つまり、ループを描く）が、その面積
は、本発明ダンパに比較すると、非常に微少であるので
、これを無視して考えると、免震装置全体として吸収す
るエネルギの量は、本発明ダンパの吸収するエネルギ量
に等しい、言い換えると、第２図の破線の面積と実線の
面積とは等しい。したがって、地震時における免震装置
全体としてのエネルギ吸収作用は、先に述べたとおり１
本発明ダンパが弾塑性変形を起こし、その応カー歪み関
係がループを描くことによっておこなわれる。このエネ
ルギ吸収は、３次元方向の動きに対して有効に働くもの
で、−例として、コイル状ダンパ材７に５Ｓ４１のごと
き鋼を用い、その索線の直径を３０−、コイル径を１０
０ｍとして、地震時に想定される最大ぜん断歪みを求め
てみる。

コイル状ダンパ材について、せん断歪みの式は、ＰＤ πｄ”Ｇ γ：最大ぜん断歪み Ｐ：上下荷重 Ｄ＝コイル径 ｄ：素線の直径 Ｇ：せん断弾性係数 であり、たわみの式は。

ｄ４ δ：たわみ ｎ：コイル巻数 であるから、たわみとせん断歪みとの式は、δｄ γ　＝ πＤ”ｎ で表わされる。

地震時に想定されるたわみ量を１００ｍｍ＋程度とする
と、そのせん断歪みは、 πＸ　１００”Ｘ　６ 一方、降伏する歪みは、降伏応力を１３　ｋｇ　／　ｍ
ｍ”。

せん所外性係数を８０００ｋｇ／ｍｍ”とすると、＝０
．００１６ である。

したがって、最大ぜん断歪みは、降伏する歪みの約１０
倍となり、ダンパ部材は、塑性領域に入っていることが
判る。言い換えると、本発明ダンパに対し、例えば地層
荷重のごとき繰返荷重が加わった場合、その応カー歪み
関係はヒステリシスループを描き、エネルギ吸収がおこ
なわれる。

なお、以上の計算例は１本発明ダンパの軸方向変位に対
するものであるが、横方向変位についても、基本的には
、上記した軸方向変位の場合と同一様である。

次に、風荷重について考える。既述のダンパ部材が降伏
するたわみは、 このダンパが、例えば、加速度にして０．２（Ｇ）で降
伏するものとすれば、ダンパ部材の剛性（降伏する０丁
ｆの剛性）は ０．２Ｍｇ Ｋ１＝□ δ Ｍ；上部建屋の質量 ｇ；重力加速度 δ：降伏時のたわみ これに対して、荷重支持部材の剛性は Ｋｚ＝　（２ｙｔ　ｆ）”Ｍ ｆ；免震系の固有振動数（ダンパ無しの場合）Ｍ；上部
建屋の！！を量 従って、全体の剛性は。

δ となる。ここで風荷重を、加速度にして例えば０．０１
（Ｇ）とすると、系の応答変位はδ ｆ＝０．５（Ｈｚ）、δ＝０．０１（ｍ）とすれば０．
０１ これに対して、ダンパが無い場合には、となり、応答は
ダンパが有ることにより１／２０程度となる。

すなわち、風荷重のごとき小さな荷重に対し。

本発明ダンパは、材料的に降伏せず、高剛性を維持する
ことにより、トリガ効果が得られる。このトリガ効果は
、具体的には、上部建屋の居住性の向上等の利点に結び
つくものである。

次に５本発明の他の実施例を、第３図にもとづいて説明
する。

第３図に示す免震用ダンパは、ベースアンカ１と、基礎
アンカ２と、軟鋼のごとく塑性変形する材料により成形
された２種類のコイル状ダンパ材７および８とによって
構成されており、この２種類のダンパ材７，８は、それ
ぞれの降伏荷重が異なるように設定されており、その荷
重−変位関係は、第４図に示すごときである。すなわち
、第３図に示す免震用ダンパに対し、地震のごとき比較
的大きな荷重が作用した場合、ダンパ部材の挙動は、第
４図において、Ｑ、　ａ、ｂ、Ｑ、ｄ、ｅ。

ｆｅｂ＋ｃｔ・・・・・・とサイクリックループを描く
。

なお、第４図において、符号ａは、２種類のダンパ材７
，８のうちの一方のダンパ材８の降伏点。

また、符号すは、他のダンパ材７の降伏点を示しており
、第３図に示すように、ダンパ部材を２種類のダンパ材
によって構成することにより、その剛性（第４図の線の
傾き）の変化（第４図の０゜ａ、ｂ、ｃ）を、第１図の
実施例のそれよりも滑らかにすることができる。

しかして、第３図の実施例によれば、第１図の実施例と
同様のエネルギ吸収効果およびトリガ効果が得られるこ
とはもちろんであるが、その他に、ダンパ部材の剛性の
変化が第１図の実施例のそれよりも滑らがあるという利
点を有する。すなわち、ダンパ部材の剛性が急激に変化
した場合、構造物の応答として、免震装置の振動数より
も高い振動数の振動が誘起される可能性があるが、第３
図の実施例によれば、このような高次振動を効果的に低
減することができる。

なお、第３図の変形例として、それぞれ降伏荷重の異な
るコイル状ダンパ材を３種類以上組み合せてダンパ部材
を構成することももちろん可能で、このように構成する
ことにより、本発明ダンパの荷重−変位関係はより一層
滑らかとなる。

また１本発明ダンパを構成する軟鋼のごとき塑性変形材
料の断面形状、さらにはコイル状ダンパ部材の形状は、
何等円形に限定されるものではなく、他方、本発明ダン
パは、３次元免震にのみその使用を限定されるものでは
なく、２次元あるいは１次免震にも有効であることはも
ちろんである。

また、免震支持される構造物は前記の例に示した原子炉
建屋のみならずタービン建屋、計算機室あるいは機械類
等も同様に考えられる。

〔発明の効果〕

本発明は以上のごときであり、図示実施例の説明からも
明らかなように、本発明によれば、３次元方向のエネル
ギ吸収に特に有効で、しかもトリガ機能を有する免震用
ダンパ、すなわち地震荷重のごとき比較的大きな荷重に
対する応答変位の低減に有効で、しかも風荷重のごとき
小さな荷重に対する振動抑制にも有効な、実利性にすぐ
れた免震用ダンパを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る免震用ダンパの一実施例を示す据
付状態説明図、第２図は第１図に示すダンパに外力が加
わった場合のせん断路カー歪み特性線図、第３図は本発
明ダンパの他の実施例を示す据付状態説明図、第４図は
第３図に示すダンパに外力が加わった場合のせん断路カ
ー歪み特性線図、第５図は従来形免震用ダンパの一部破
断斜視図、第６図は第５図とは異なる従来形免震用ダン
パの一部縦断面図である。 １・・・ベースアンカ、２・・・基礎アンカ、７および
８早　／　　口 第　２　図 早　３　図 第　４　回

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、塑性変形する材料をコイル状に成形してなることを
   特徴とする免震用ダンパ。 ２、特許請求の範囲第１項記載の発明において、塑性変
   形材料によってコイル状に成形されたダンパ部材が、降
   伏荷重の異なる複数種類のダンパ部材の組合せによって
   構成されている免震用ダンパ。