TWI428494B - Hysteresis damping construct - Google Patents

Description

遲滯阻尼構造體

本發明係關於具備在建築構造物中作為斜材使用之遲滯阻尼之構造體。

成對角線狀插設於構造物之柱、梁間之斜材(斜撐)，一般係支持伴隨梁間之變形而產生之拉伸力或壓縮力者，其強度是由相對於拉伸力之降伏強度(Ny)、及相對於壓縮力之小於降伏強度之挫屈強度(Ncr)所決定，挫屈後則強度下降。但，現已開發出藉由約束挫屈，即使對於壓縮亦保持與拉伸同等強度之構造之斜撐，作為在遇到如地震負荷等拉伸、壓縮之交變軸力(重複變位)作用時之遲滯阻尼使用。該阻尼之基本構成具備產生塑性變形之芯材(或軸力材)，及與該芯材隔開特定間隔疏鬆嵌合、外接之強化構件。該強化構件係約束芯材之挫屈。

先前，作為強化體，已知有組合混凝土及鋼管者(例如專利文獻1、專利文獻2)，與典型上只由鋼管之鋼材所組成者(例如專利文獻3)。

其中，本案申請人之專利文獻3係揭示一種承受拉伸與壓縮之交變軸力之細長之構造體，於中間部之兩端分別設有另一端與其他構件連結之遲滯阻尼部。作為遲滯阻尼部，於專利文獻3中揭示為具備芯材及強化鋼管者，該芯材其一端與中間部接合，另一端與建築構造物接合之芯材，該強化鋼管以與芯材疏鬆嵌合、外接之方式固定於中間部。

[先行技術文獻] [專利文獻]

專利文獻1：日本特開2003-343116號公報

專利文獻2：日本專利第4263664號公報

專利文獻3：日本專利第3997289號公報

專利文獻3之構造體係使芯材對應於拉伸與壓縮而在強化鋼管內部伸縮，藉此對應重複作用之交變軸力。但，本發明者等使各種交變軸力對該構造體作用而進行研討後，發現尤其在強化鋼管之開放端部中之芯材行為變得不穩定，難以發揮設計上預定之剛性、強度、重複變形性能，無法充分吸收振動能量。

本發明係基於如此技術性問題而完成者，其目的係提供一種具備可使強化鋼管之開放端部中的芯材行為穩定之遲滯阻尼之構造體。

本發明者等針對行為不穩定之原因進行確認。其結果，判明以下2個問題。

問題1：芯材中與其軸方向正交的方向之變形(以下稱作橫變形)會受到包圍芯材之強化構件之約束故不會挫屈。但是，當芯材受到拉伸力而伸張時，位於強化構件內部之芯材之一部份會從強化構件之開放端部向外部露出。該露出之部份受到強壓縮力時會局部挫屈，而產生超過其與強化材料之間隙之變形。於是，變形部份會干擾到強化鋼管之開放端部，而妨礙芯材之收縮。其結果導致芯材之行為變得不穩定。

問題2：橫變形過大則芯材會對強化鋼管之開放端部賦予負荷，使得強化鋼管無法保持原來之剖面形狀因而管徑擴大。於是導致芯材之行為變得不穩定，難以發揮遲滯阻尼所期望之剛性、強度，且於管徑擴大之部份易使芯材產生挫屈。

本發明對應問題1而提案，以防止伴隨交變負荷之載荷而在從強化交換等強化構件之開放端部向外部露出之部份產生挫屈。

即，本發明之遲滯阻尼構造體具備：配置於長度方向之兩端之一對遲滯阻尼部，及連接一對遲滯阻尼部之中間部。各遲滯阻尼部具備：芯材，其與由作用於軸方向之拉伸力與壓縮力構成之交變軸力對向、且其一端連結於中間部；及第1強化構件，其設於芯材周圍，約束芯材之挫屈。

並且本發明之特徵在於：在各遲滯阻尼部之芯材，於伴隨交變軸力之載荷而從第1強化構件之開放端部向外部露出之第1區域，具備第2強化構件。

本發明由於在從第1強化構件之開放端部向外部露出之第1區域具備第2強化材料，從而可防止於該區域產生局部挫屈。因此，本發明之遲滯阻尼構造體之芯材行為穩定，且發揮設計上預定之剛性、強度、重複變形性能，因此可充分吸收振動能量。

本發明之遲滯阻尼構造中，較佳為第2強化構件不僅設於第1區域，亦設於在通常狀態下從開放端部露出之第2區域。如此，可使芯材之行為更穩定。

本發明之遲滯阻尼構造體可為4條突出板正交之十字形橫剖面之芯材。此情形之第2強化構件可在鄰接於芯材之圍繞軸線之方向之各突出板間設置肋條。肋條之形態如後述實施形態所示。

另，本發明之遲滯阻尼構造體可將橫剖面為矩形之4條鋼材排列成十字格子狀而構成芯材。此情形之第2強化構件可採用橫剖面為十字形之形態，而於4條鋼材間配置十字形之第2強化構件。

本發明對應問題2，提案在第1強化構件之開放端部，設置在與芯材之軸方向正交之方向上進行強化之第3強化構件。

藉由設置第3強化材料，在芯材之橫變形可能會過大之情形中，第1強化材料可對應橫力而保持其剖面形狀。

再者，以此方式可獲得如預想之強化效果，因此可按設計發揮第1強化構件之開放端部附近之約束力，可防止芯材因壓縮力產生挫屈。

另，第3強化構件具備芯材所貫穿之貫穿路徑，但較佳使該貫穿路徑之形狀與芯材之橫剖面之外部形狀相似。如此可藉由特定貫穿路徑之尺寸而管理第3強化材料與芯材之間隙量，因此易確保製作精度，且在低價製造遲滯阻尼構造體上有利。

設置第3強化構件時，第3強化構件與芯材間之間隙S2較佳設定為小於第1強化構件與芯材間之間隙S1。若間隙S2大於間隙S1，則作用於第1強化構件之開放端部之橫力變大，藉由使間隙S2比間隙S1小，可抑制使橫力變小。

根據本發明，由於在從第1強化構件之開放端部向外部露出之區域具備第2強化構件，故可防止在露出於外部之區域產生局部挫屈。

另，藉由設置第3強化構件，即使在芯材之橫變形可能過大之情形下，亦可保持第1強化構件之剖面形狀。

因此，本發明之遲滯阻尼構造體由於其芯材之行為穩定，可發揮設計上預定之剛性、強度、重複變形性能，因此可充分吸收振動能量。

以下，基於添加附圖所示之實施形態詳細說明本發明。

<第1實施形態>

如圖1所示，第1實施形態之遲滯阻尼構造體10係作為包含柱2及梁3之鋼筋而成之構造物1之斜材(斜撐)使用，其以下述方式構成：於地震時受到作用於軸方向之由拉伸力與壓縮力構成之交變軸力時，只使遲滯阻尼構造體10(芯材12)塑化性，藉此使鋼筋構造物1保持彈性狀態。因此，鋼筋構造物1由於其彈性變形部位特定於遲滯阻尼構造體10上，因此可避免遲滯阻尼構造體10之斷裂或鋼筋構造物1之倒塌。另，除遲滯阻尼構造體10外，鋼筋構造物1常時保持彈性狀態，因此地震後可恢復至原來之形狀、位置，只需交換塑性化之遲滯阻尼構造體10，從而可繼續使用鋼筋構造物1。

如圖1、圖2所示，遲滯阻尼構造體10具備配置於長度方向的兩端之一對遲滯阻尼部11，及連接一對遲滯阻尼部11彼此之中間部20。一對遲滯阻尼部11各自具備芯材12與強化鋼管(第1強化構件)18。

遲滯阻尼構造體10利用螺栓接頭15經由接頭部13而固定於分別安裝於柱2與梁3間之對角接合部之接合構件4、4。

<芯材12>

芯材12係組合均一厚度之鋼板從而成為剖面呈十字形。芯材12其一端與中間部20連接，而在另一端設有接頭部13。芯材12係自其與中間部20之連接端起包含接頭部13而於軸方向一體形成。遲滯阻尼部11在超過特定大小之拉伸力或壓縮力作用下，會在與中間部20之連接端至接頭部13之區域塑性變形而藉此吸收能量。芯材12與中間部20之連接，可以使用專利文獻3所記載之鑲嵌接合件等眾所周知之方法進行。於接頭部13設有用以由接合構件4及與螺栓接頭15接合之螺栓孔14。

芯材12上於設有接頭部13之側設有強化板16。鋼製的強化板(第2強化構件)16其對向之一對邊各自固定於在十字形芯材12之圍繞軸線方向而鄰接之突出板12a與突出板12b(圖2(c))，強化板1藉此6提高突出板12a及突出板12b間之剛性。突出板12b與突出板12c、突出板12c與突出板12d以及突出板12d與突出板12a亦相同，以此方式，提高芯材12之設有強化板16之區域之剛性。再者，強化板16對突出板12a~12d之固定，只要利用熔接等眾所周知之方法即可。

<強化鋼管18>

配設於芯材12的周圍之剖面為矩形之強化鋼管18，在芯材12受到交變軸力時約束挫屈。芯材12以使突出板12a~12d之各頂部對應於強化鋼管18之各角部之方式配置於強化鋼管18內部。並且，於各頂部與各角部間設有間隙S1(圖2(b))，藉此阻止變形超過該間隙S1之量，而約束芯材12挫屈。以此方式，芯材12即使在受到壓縮軸力時也會展現與受到拉伸力時相同之彈塑性行為。

強化鋼管18其一端連接於中間部20接，於另一端設有被芯材12所貫穿之開放端部19。藉由使芯材12貫穿開放端部19，而在受到交變軸力時允許伸縮。

<中間部20>

中間部20例如由圓鋼管構成。中間部20位於一對遲滯阻尼部11、11間並連接兩者。中間部20構成為剛性高於芯材12，於交變軸力作用時，向一對遲滯阻尼部11、11傳達軸力。

藉由設置中間部20，則相較於本發明形式之遲滯阻尼構造佔有全長之構造，遲滯阻尼部11之製作精度管理變得容易，可使遲滯阻尼構造體10細長化，且降伏軸力之調整及軸剛性之調整可分別以遲滯阻尼部11和中間部20個別調整，因此可設定對遲滯阻尼構造體10為最佳之構件特性。

<遲滯阻尼構造體之基本作用>

例如，當地震負荷作用時，遲滯阻尼構造體10受到拉伸力與壓縮之交變軸力，但該軸力會經由遲滯阻尼構造體10兩端之接頭部13、通過遲滯阻尼部11之芯材12而傳達至中間部20。並且，當拉伸軸力達到芯材12之降伏軸力(+Ny)時會產生塑性變形(+δ)，當壓縮軸力達到芯材12之降伏軸力(-Ny)時會產生塑性變形(-δ)。此時，受到壓縮軸力之芯材12雖將要挫屈變形，但藉由經由間隙S而設於周圍之強化鋼管18，會約束其變形並防止挫屈。如此，遲滯阻尼構造體10之全體描繪出遲滯曲線並應答，其結果使地震能量被吸收而震動減弱。

<第1實施形態之特徵作用>

在以上的遲滯過程中，芯材12在收納於強化鋼管18之區域內不會產生足至倒塌之挫屈。但，芯材12在交變軸力未作用之通常狀態下即使收納於強化鋼管18內部，當拉伸力作用時，仍會有通過開放端部19而露出於強化鋼管18外部之區域(第1區域)。該狀態下若受到壓縮軸力，則如圖8(b)所示，在芯材12露出於強化鋼管18外部之區域會產生局部挫屈變形B，而可能超過與強化鋼管18之間隙S1而變形。如此一來，挫屈變形B會干擾強化鋼管18之開放端部19，妨礙芯材12之收縮。再者，圖8(a)係顯示局部挫屈B產生前之正常狀態。

與此相對，遲滯阻尼構造體10於芯材12上設置強化板16，藉此防止局部挫屈之產生。即，由於遲滯阻尼構造體10因拉伸力之作用，於通過開放端部19向強化鋼管18外部露出之區域設置強化板16，因此即使受到壓縮軸力亦可防止於該區域產生局部挫屈。因此，遲滯阻尼構造體10其芯材12之行為穩定，可發揮設計上預定之剛性、強度、重複變形性能，因此可有效吸收振動能量。

遲滯阻尼構造體10設置為其強化板16之一部份即使在通常狀態下亦延伸至從強化鋼管18露出之區域(第2區域)。這是因為在交變軸力作用而使芯材塑性化之狀態下，該區域(第2區域)若挫屈則可能會減損設計上預定之剛性、強度、重複變形性能，為防止此故於通常狀態下亦跨越從強化鋼管18露出之整個區域而設置強化板16。再者，本發明中所言之通常狀態，是指未發生任何大小地震之狀態。另，設置強化板16之具體區域係按照遲滯阻尼構造體10之規格而適當規定，強化板16之規格亦相同。

<第2實施形態>

接著，針對本發明之第2實施形態之遲滯阻尼構造體50參照圖3進行說明。對於與第1實施形態之遲滯阻尼構造體10相同之構成要素，將與圖1、圖2相同之符號附加於圖3，省略其說明。

遲滯阻尼構造體50，於強化鋼管18之開放端部19固定有強化端板(第3強化構件)21。

強化端板21之外周形狀為矩形，形成為與強化鋼管18之外形相似之形狀，與開放端部19對向之面利用例如熔接而接合於開放端部19周緣。因此，強化端板21提升開放端部19附近之強化鋼管18之剛性。

於強化端板21空出貫穿其正背面之通路24。在強化端板21已固定於開放端部19之狀態下，使遲滯阻尼部11之芯材12及強化板16貫穿於大致矩形狀之通路24中。

此處，若橫變形過大使得芯材12對強化鋼管18之開放端部19賦予負荷，則如圖8(c)所示，強化鋼管18無法保持原來之剖面形狀，尤其開放端部19之管徑會擴大。但，遲滯阻尼構造體50以其強化端板21提升開放端部19附近之強化鋼管18之剛性，因此即使芯材12對強化鋼管18之開放端部19賦予負荷，強化鋼管18亦可保持其剖面形狀。因此，根據遲滯阻尼構造體50，芯材12之行為更穩定，且可發揮設計上預定之剛性、強度。

為有效獲得強化端板21所發揮之作用，強化端板21之板厚宜基於以下式(1)設定。

σ=Re/At≦σa　…　(1)

惟σ、Re、At及σa如下定義。

σ：於強化端板21產生之應力度(壓縮)，Re：作用於強化端板21之橫力，At：受到橫力之強化端板21之剖面積(面寬Bt(以強化端板21(矩形剖面)一邊之長度為代表)，板厚tt：參數)，σa：容許應力度

例如，相對於Re=100 kN之阻尼構造，Bt=230 mm之情形時，若設板厚tt=10 mm，則成為100000 N/(230 mm×10 mm)=43 N/m² 。若以JIS SS400(σa=235 N/mm² )製作強化端板21，可設計出強度上綽綽有餘者。

接著，針對設置強化端板21之情形之較佳形態進行說明。

設於兩側的遲滯阻尼部11之強化鋼管18之開放端部19之強化端板21的內周緣與芯材12之突出板12a~12d之頂部之間隙S2，較佳設為小於強化鋼管18各角部與芯材12之突出板12a~12d之頂部之間隙S1。

若將間隙S2設為大於間隙S1，則受到橫力時之芯材12朝向強化端板21移動之量變大，使得芯材12以大角度變形。當芯材12變形而碰撞到強化端板21之內緣之情形時，變形角度較大之一方受到從芯材12作用於強化端板21之橫力變大。因此，為抑制因芯材12變形之角度，故使間隙S2比間隙S1小，可降低因芯材12碰撞到強化端板21所產生之橫力降低。

另，較佳使區劃強化端板21之通路24之周緣與貫穿通路24之芯材12外側面形成為相似形狀，且該間隙在任何位置都為相同程度。如此，藉由特定通路24之尺寸可管理強化端板21與芯材12之間隙量，因此易確保製作精度，在低價製造遲滯阻尼構造體上有利。

再者，強化端板21亦可以混凝土製作，但以比混凝土強度高10倍程度之鋼製作，在獲得強化效果上較佳。另，以鋼製作強化端板21不僅強度上有利，加工通路24時之形狀管理亦容易，且製作精度亦高。

<強化端板之安裝位置>

以上，於強化鋼管18之開放端部19設有強化端板21。但，只要強化鋼管18可保持其剖面形狀，則其安裝位置無限定。例如，如圖4(a)所示，可於強化鋼管18內部設置強化端板22，或如圖4(b)所示，亦可於開放端部19設置強化端板21，且於強化鋼管18內部設置強化端板22。

<第2強化構件之變形例>

圖1、圖2中顯示了作為第2強化構件之強化板16，但本發明不限於此。

例如，如圖5所示，可將剖面為直角三角形之強化三角柱25用作為本發明之第2強化構件。該強化三角柱25係使夾直角R之2條斜邊與鄰接之突出板12a與12b(12b與12c、12c與12d、12d與12a亦相同)對向而配置。當然強化三角柱25是以熔接等適當方式與芯材12接合。

該強化三角柱25若同樣以鋼製作，則剛性會比強化板16高，因此防止芯材12挫屈之效果較大。

另，如圖6所示，可將貼附於芯材12之各突出板12a~12d正背面之強化板26用作為本發明之第2強化構件。

該強化板26可在與各突出板12a~12d之正背面呈水平之狀態下以熔接等方式固定，因此與需要以傾斜狀態固定之強化板16相比，對芯材12之固定作業容易且可獲得與強化板16相同之效果。

<第3實施形態>

接著，針對本發明之第3實施形態之遲滯阻尼構造體110參照圖7進行說明。

如圖7所示，遲滯阻尼構造體110具備配置於長度方向的兩端之一對遲滯阻尼部111，及連接一對遲滯阻尼部111彼此之中間部120。一對遲滯阻尼部111各自具備芯材112與強化鋼管(第1強化構件)118。再者，圖7只顯示一方側之遲滯阻尼111。

遲滯阻尼構造體110藉由螺栓接頭15經由接頭部113而固定於圖1所示之分別安裝於柱2與梁3間之對角接合部之接合構件4、4上。

<芯材112>

第3實施形態之芯材112由剖面為矩形之鋼材組成。遲滯阻尼構造體110係使用4條芯材112。各芯材112其一端連接於中間部120，而在另一端連接接頭部113。4條芯材112經由剖面為十字形之隔片117排列成十字格子狀，全體呈矩形之剖面。由於隔片117與各芯材112未接合而配置，因此各芯材112不受隔片117之存在所制約而允許向其軸方向伸縮。

遲滯阻尼部111藉由各芯材112塑性變形而吸收能量。芯材112與中間部120之連接及芯材12與接頭113之連接，可使用專利文獻3所記載之鑲嵌接合件等眾所周知之方法進行。於接頭部113設有用以被螺栓接頭15貫穿之螺栓孔114。

芯材112上，於設有接頭部113之側設有剖面為十字形之強化板(第2強化構件)116。鋼製的強化板116在其各突出板116a~116d分別接合4條芯材112之對向之面。因此，藉由強化板116使各芯材112之剛性提高。再者，芯材112與強化板116之接合可利用熔接等眾所周知之方法。

<強化鋼管118>

配設於芯材112周圍之剖面為矩形之強化鋼管18，在受到交變軸力時會約束芯材12挫屈，此點與第1實施形態相同。如此，當芯材112受到壓縮軸力時亦展現與受到拉伸軸力時相同之彈塑性行為。

強化鋼管118其一端連接於中間部120，於另一端設有芯材112所貫穿之開放端部119。芯材112貫穿開放端部119故而允許受到交變軸力時之伸縮。

<中間部120、強化端板121>

中間部120係與第1實施形態之中間部20為相同構成、作用者。

另，遲滯阻尼構造體110與第2實施形態之遲滯阻尼構造體50同樣地，於強化鋼管118之開放端部119接合有強化端板(第3強化構件)121。強化端板121之構成、作用與第2實施形態之遲滯阻尼構造體50之強化端板21相同。

第3實施形態之遲滯阻尼構造體110亦與第1實施形態相同，在拉伸力之作用下通過開放端部119而露出於強化鋼管118外部之區域設有強化板116，因此即使受到壓縮力亦可防止在該區域產生局部挫屈。因此，遲滯阻尼構造體110之芯材112行為穩定，可發揮設計上預定之剛性、強度、重複變形性能，因此可有效吸收振動能量。

另，根據第3實施形態之遲滯阻尼構造體110，可設計為較具有十字型剖面之芯材為大之降伏負荷。

以上說明了本發明之實施形態，但遲滯阻尼構造體之基本構成可適當變更。例如，以上說明之實施形態係將另行製作之芯材12與中間部20接合者，但亦可將自芯材12至中間部20且包含接頭部13於軸方向一體製作。另，作為本發明之第1強化構件乃揭示管狀者，但只要是約束芯材之挫屈者即可，不限於此。

1．．．鋼筋構造物

2．．．柱

3．．．梁

4．．．接合構件

10、50、110．．．遲滯阻尼構造體

11、111．．．遲滯阻尼部

12、112．．．芯材

12a~12d．．．突出板

16、26、116．．．強化板(第2強化構件)

18、118．．．強化鋼管(第1強化構件)

19、119．．．開放端部

20、120．．．中間部

21、22、121．．．強化端板(第3強化構件)

25．．．強化三角柱(第2強化構件)

117．．．隔片

圖1係顯示具備第1實施形態之遲滯阻尼構造體之全體構成之圖；

圖2係顯示第1實施形態之遲滯阻尼之構成，(a)係部份縱剖面圖，(b)係(a)之2b-2b箭視剖面圖，(c)係(a)之2c-2c箭視剖面圖；

圖3係顯示第2實施形態之遲滯阻尼之構成，(a)係部份縱剖面圖，(b)係(a)之3b-3b箭視剖面圖，(c)係(a)之3c-3c箭視剖面圖，(d)係(a)之3d-3d箭視剖面圖；

圖4係顯示第2實施形態中，強化端板之配置位置之例之剖面圖；

圖5係顯示本發明之第2強化構件之其他例，(a)係與圖3之3b-3b箭視剖面圖對應之圖，(b)係與圖3之3c-3c箭視剖面圖對應之圖；

圖6係顯示本發明之第2強化構件之其他例，(a)係與圖3之3b-3b箭視剖面圖對應之圖，(b)係與圖3之3c-3c箭視剖面圖對應之圖；

圖7係顯示第3實施形態之遲滯阻尼之構成，(a)係部份縱剖面圖，(b)係(a)之7b-7b箭視剖面圖，(c)係(a)之7c-7c箭視剖面圖，(d)係(a)之7d-7d箭視剖面圖；及

圖8係說明先前之遲滯阻尼構造體中芯材動作不穩定之原因之圖，(a)係顯示正常之遲滯阻尼構造體之模式圖，(b)係顯示在位於強化鋼管內部之芯材之一部份從開放端部向外部露出之部份產生局部挫屈之狀態之模式圖，(c)係顯示橫變形過大之強化鋼管無法保持原來之剖面形狀之狀態之模式圖。

10．．．遲滯阻尼構造體

11．．．遲滯阻尼部

12．．．芯材

12a~12d．．．突出板

16．．．強化板(第2強化構件)

18．．．強化鋼管(第1強化構件)

19．．．開放端部

20．．．中間部

S1．．．間隙

Claims (4)

1. 一種遲滯阻尼構造體，其特徵在於：其具備配置於長度方向的兩端之一對遲滯阻尼部，及連接一對前述遲滯阻尼部之中間部；各前述遲滯阻尼部具備：芯材，其與由作用於軸方向之拉伸力與壓縮力構成之交變軸力對向、且其一端連結於前述中間部，第1強化構件，其設於前述芯材周圍，約束前述芯材之挫屈；及第2強化構件，其設於各遲滯阻尼部之芯材之伴隨交變軸力之載荷而從前述第1強化構件之開放端部向外部露出之第1區域，其中前述芯材呈4條突出板正交之十字形橫剖面，前述第2強化構件設於在前述芯材之圍繞軸線方向上鄰接之各突出板之間。
2. 如請求項1之遲滯阻尼構造體，其中前述第2強化構件不僅設於前述第1區域，亦設於在通常狀態下從前述開放端部露出於外部之第2區域。
3. 如請求項1或2之遲滯阻尼構造體，其中於前述第1強化構件之開放端部，設置在與前述軸線方向正交之方向上進行強化之第3強化構件。
4. 如請求項3之遲滯阻尼構造體，其中前述第3強化構件與前述芯材間之間隙S2，設定為小於前述第1強化構件與前述芯材間之間隙S1。