JPH0660665B2 - 振動エネルギ吸収装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は，構造物の防振あるいは免震に供される振動エ
ネルギ吸収装置に係り，特に，材料の塑性変形を利用し
て振動エネルギを吸収するようにした振動エネルギ吸収
装置の改良に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

従来，地震力によって構造物が破壊されるのを防止する
ために，たとえば基礎と構造物本体との間に各種の振動
エネルギ吸収装置を介在させることが行われている。

このような振動エネルギ吸収装置は，エネルギ吸収のメ
カニズムから分類して，流体あるいは粘弾性体の粘性を
利用した粘性方式のものと，材料同志の摩擦を利用した
摩擦方式のものと，材料の塑性変形を利用した塑性方式
のものとに大別される。

このうち，塑性方式を採用したものは，金属材料の塑性
変形を利用したものが多く，他の方式のものに比べて構
造が簡単で，低価格であると言う利点を備えている。エ
ネルギ吸収に直接供される弾塑性部材としては通常，鉛
あるいは鉛系合金材や鉄材が使用されている。特に，鉛
系の材料は可塑性に優れており，大変位の伴う振動にお
いても充分な追随特性を有している。

ところで，材料の剪断変形による弾塑性特性を利用した
従来の振動エネルギ吸収装置は，一般に，第１０図，第
１１図および第１５図に示すように構成されている。す
なわち，第１０図に示すものは，対象とする２つの構造
物の部材１，２にそれぞれ端板３，４を互いに対面する
関係に固定し，これら端板３，４間に，たとえば鉛系材
料を円柱状に加工してなる弾塑性部材５を介在させた構
造となっている。なお，各端板３，４と弾塑性部材５と
はろう接着等によって接合されている。また，第１１図
に示すものは、端板３，４に弾塑性部材５と同径の凹部
６，７を形成し、これら凹部６，７に弾塑性部材５の両
端部を単純挿入，嵌合または挿入接着させ，これによっ
て弾塑性部材５と各端板３，４とを接合させるようにし
ている。さらに，第１５図に示すものは，端板３，４間
に，部材１に対して部材２を支持させるための弾性支持
体，たとえばラバーベアリング８を介在させるとともに
ラバーベアリング８に軸方向に延びる貫通孔９を設け，
この貫通孔９内に矩形断面を持つ螺旋状コイル１０で巻
かれた弾塑性部材５を収容したものとなっている。な
お，ラバーベアリング８は，金属板１１とゴム板１２と
を交互に積層したものとなっている。

これらの振動エネルギ吸収装置にあって、地震等によっ
て構造物が振動して部材１，２間に相対変位が生じる
と，部材１，２間に存在している弾塑性部材５が強制変
位を受ける。弾塑性部材５が塑性変形すると，その塑性
変形に必要な仕事量に等しいエネルギ損失が生じ，この
結果として部材１，２間の振動エネルギが吸収され，構
造物全体の振動応答が減少される。

しかしながら、上記のように構成された従来の振動エネ
ルギ吸収装置にあっては次のような問題があった。

すなわち，地震等によって弾塑性部材５が繰返し横方向
の変形を受けると，第１０図に示すものでは第１２図中
Ｐで示すように弾塑性部材５と端板３，４との接合面が
剥がれる虞れが多分にあった。また，第１１図に示すも
のにあっては第１３図中Ｑで示すように弾塑性部材５の
両端部で凹部６，７に挿入されている部分との境界部分
Ｒに亀裂が入り接合状態が解放される虞れが多分にあっ
た。このように接合面が破断したり，亀裂が入ると弾塑
性部材５の破断と同じ状態となりエネルギ吸収装置とし
ての機能を喪失する。また，弾塑性部材５と端板３，４
との接合部を強化しても，第１０図および第１１図に示
したものにあっては，弾塑性部材５が繰返し横方向に変
形すると，端板３，４に近い部分と中央部分との間の曲
げおよび引張り状態の相違により，比較的少ない繰返し
数で第１４図に示すように端板３，４に近い部分Ｘにく
びれ部が，また中央部分Ｙに膨出部が発生する。このた
め，塑性変形に要する抵抗力が次第に小さくなり，エネ
ルギ吸収能力が減少する。そして，最終的にはくびれ部
分で弾塑性部材５が破断して，エネルギ吸収装置として
の機能を喪失する問題があった。一方，第１５図に示す
ものにあっては，弾塑性部材５の外周に螺旋上コイル１
０を巻き付けているので，第１４図において説明したよ
うな問題は少ない。しかし，このような構造であると，
構造物の支持材であるラバーベアリング８内に弾塑性部
材５を収容しているので，弾塑性部材５の保守あるいは
交換が非常に面倒なものとなり，弾塑性部材５のエネル
ギ吸収性能低下による耐震性の脆弱化に速やかに対応で
きない問題があった。すなわち，何度かの地震あるいは
振動により弾塑性部材５が塑性変形を繰返すと，弾塑性
部材５の組織が変化してエネルギ吸収能力が低下する。
したがって，一般的には，弾塑性部材５を検査し，所定
の特性以下の場合には取替える必要がある。このような
交換を行なわないと，次回の地震時に所定の耐震性およ
び信頼性が得られず，構造物の安全性に重大な影響を及
ぼす。しかし，第１５図に示す構造であると，弾塑性部
材５がラバーベアリング８内に位置しているので，弾塑
性部材５の特性を簡単に検査することはできない。この
ため，交換のタイミングを誤る虞れが多分にあった。ま
た，弾塑性部材５の径方向の変形を拘束するとともに剪
断変形を許すために，螺旋状コイル１０を弾塑性部材５
の外周に巻回しているのであるが，このような構造であ
ると，部材１，２間の相対変位で弾塑性部材５が相対的
な変形力を受けて変形したとき，螺旋状コイル１０もそ
れぞれのコイル間で相対変形を受ける。この場合，螺旋
状コイル１０は連続しているので，この螺旋状コイル１
０にはねじり力が作用することになる。前述のように螺
旋状コイル１０は弾塑性部材５の径方向の変形力を受持
っているので，結局，この力と上述したねじり力とを加
えた過大な力が螺旋状コイル１０に作用することにな
り，螺旋状コイル１０が破断する虞れがある。もし破断
した場合には径方向の変形に対して拘束力が小さくなる
ので，第１０図および第１１図に示した装置と同様の問
題が発生することになる。

〔発明の目的〕

本発明は，このような事情に鑑みてなされたもので，そ
の目的とするところは，エネルギ吸収に供される弾塑性
部材のエネルギ吸収機能をより長期に亙って持続させる
ことができるとともに保守あるいは交換の容易な振動エ
ネルギ吸収装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明によれば、地震時等に互いに相対運動する２つの
部材に第１および第２の端板を支持させ，この第１およ
び第２の端板に設けられた凹部に両端部が挿入接合され
る関係に可塑性を有する弾塑性部材を設けてなる振動エ
ネルギ吸収装置において，前記弾塑性部材中に前記第１
の端板の凹部内から前記第２の端板の凹部に亙って埋め
込まれた第１の補強部材群と，前記弾塑性部材中に少な
くとも前記凹部に挿入されている部分と挿入されていな
い部分との境界部分を横切って埋め込まれた第２の補強
部材群とを設けてなる振動エネルギ吸収装置が提供され
る。

〔発明の効果〕

地震時のように２つの部材間に相対変位が生じる振動力
が加わると，弾塑性部材が上記２つの部材間の相対変形
量に応じた塑性変形を繰返す。このように繰返し変形を
受けると，弾塑性部材と各端板との間の接合部，特に凹
部に挿入されている部分と挿入されていない部分との境
界部分に亀裂を生じさせるような力が作用する。つまり
弾塑性部材と端板との接合部で破断を起こさせるような
力が作用する。しかし，弾塑性部材中には前記関係に第
１および第２の補強部材群が埋め込まれているので，弾
塑性部材の各部で最も変形歪みの大きい上述した境界部
分の強度を大幅に強化でき，この部分において亀裂や破
断が生じるのを防止できる。また，弾塑性部材が繰返し
変形を受けると，この弾塑性部材には両端部にくびれ部
を，中央部に膨出部を形成させる力が作用する。しか
し，弾塑性部材中には前記関係に第１および第２の補強
部材群が埋め込まれているので，これら補強部材群の存
在によって上述したくびれ部の発生や膨出部の発生を防
止できる。したがって，くびれ部の発生によって少ない
繰返し数で弾塑性部材が破断するのを防止できる。

このように，弾塑性部材と端板との間の接合強度を大幅
に増加できるとともに弾塑性部材にくびれ部が発生する
のを防止できるので，長期に亙って安定したエネルギ吸
収機能を発揮させることができる。

また，他の装置に関連させて弾塑性部材を配置する必要
がないので，弾塑性部材の表面を露出状態，あるいは腐
蝕を防ぐためのカバーまたは防錆処理膜で覆った状態だ
けにすることができる。このため，地震終了後に弾塑性
部材の現在の状態や特性を検査することが容易となり，
この結果，交換のタイミングの誤りにも寄与できる。さ
らに，他の装置，たとえばラバーベアリングのような荷
重支持装置とは独立して設置することができるので，装
置の交換の容易化にも寄与できる。

〔発明の実施例〕

以下，本発明の実施例を図面を参照しながら脱明する。

第１図は，本発明の一実施例に係る振動エネルギ吸収装
置２１を実際に対象とする２つの構造物の部材２２，２
３間に設置した例の側面図である。

この振動エネルギ吸収装置２１は，大きく分けて部材２
２，２３に互いに対面する関係に図示しないボルト等に
よって支持された端板２４，２５と，この端板２４，２
５間に挿設されたエネルギ吸収体２６とで構成されてい
る。

端板２４，２５には，第２図に示すように，これら端板
２４，２５をくり抜いて形成された凹部２７が設けられ
ている。この実施例の場合，これら凹部２７はそれぞれ
貫通孔の形に設けられている。そして，これら凹部２７
は，部材２２，２３とは反対側位置に形成された小径部
分２８と，この小径部分２８から一旦段付き状に広がっ
た後，部材２２，２３に近付くにしたがって徐々に拡口
する大径部分２９とで構成されている。

一方，エネルギ吸収体２６は，たとえば鉛で円柱状に形
成された弾塑性部材３０と，この弾塑性部材３０に軸方
向に複数埋め込まれた補強部材群３１ａ，３１ｂ，３１
ｃとで構成されている。弾塑性部材３０は，両端部が各
端板２４，２５の凹部２７に合致した形状に形成され，
中央部が小径部２８の直径と等しい径の円柱状に形成さ
れている。そして，両端部は各端板２４，２５の凹部２
７に挿入接合されている。すなわち，この弾塑性部材３
０は，端板２４，２５の凹部２７の内面を型面の一部と
して鋳造によって形成されたものである。そして，弾塑
性部材３０の上記各凹部２７に挿入されている部分外面
と凹部２７の内面とは嵌合あるいはろう付けによって接
合されている。前記補強部材群３１ａ，３１ｂ，３１ｃ
を構成している補強部材３２，３３，３４は，この実施
例の場合，弾塑性部材３０を構成している鉛より引張り
強度が大きい鉄で，かつ構造物の剛性に大きな影響を与
えない程度に弾塑性部材３０の径方向の変形に抗するこ
とができる太さのものが用いられている。補強部材群３
１ａを構成している補強部材３２は，弾塑性部材３０と
同じ長さ，つまり両端部が各端板２４，２５の凹部２７
内に位置し得る長さを有しており，しかも第３図および
第４図に示すように弾塑性部材３０内の外側寄りの位置
に周方向に等間隔に埋め込まれている。また，補強部材
群３１ｂを構成している補強部材３３は，端板２４の厚
みの倍程度の長さに形成されており，前記補強部材群３
１ａが埋め込まれている位置より内側に，一端側を端板
２４の凹部２７内に位置させるとともに他端側を端板２
４，２５間に位置させ，かつ第４図に示すように周方向
に等間隔に埋め込まれている。補強部材群３１ｃを構成
している補強部材３４も，端板２５の厚みの倍程度の長
さに形成されており，前記補強部材群３１ａが埋め込ま
れている位置より内側に，一端側を端板２５の凹部２内
に位置させるとともに他端側を端板２４，２５間に位置
させ，かつ第３図に示すように周方向に等間隔に埋め込
まれている。

このような構成であると，地震等によって部材２２，２
３に第１図中横方向の相対変位が生じると，弾塑性部材
３０は第５図に示すような変形を繰返し受ける。このた
め，弾塑性部材３０内で塑性変形に必要なエネルギ消費
が起こり，このエネルギ消費によって振動エネルギ吸収
装置としての機能が発揮される。

この場合，弾塑性部材３０が繰返し変形すると，弾塑性
部材３０と端板２４，２５との間の接合部，特に弾塑性
部材３０の両端部で凹部２７との境界部分Ｒに亀裂を発
生させるような力が作用する。しかし，弾塑性部材３０
の両端部で各端板２４，２５の凹部２７に挿入されてい
る部分と挿入されていない部分との境界部分Ｒには，こ
の境界部分Ｒを横切るように補強部材群３１ａ，３１
ｂ，３１ｃが埋め込まれている。このため，最も変形歪
みの大きい上記境界部分Ｒの強を従来のものに比べて非
常に大きくでき，この結果，境界部分Ｒへの亀裂の発生
を防止することができる。また，繰返し変形によって弾
塑性部材３０にくびれ部や膨出部が発生しようとして
も，この発生力が軸方向の全長に亙って埋め込まれた補
強部材群３１ａや補強部材群３１ｂ，３１ｃによって抑
えられ，結局，くびれ部や膨出部の発生も抑制される。
このように，弾塑性部材３０と各端板２４，２５との間
の接合部の機械的強度を大幅に増加させることができる
とともにくびれ部や膨出部の発生を防止できるので，長
期に亙って安定したエネルギ吸収機能を発揮させること
ができる。さらに，上記構成であると，弾塑性部材３０
を他の装置と関連させて設ける必要はない。このため弾
塑性部材３０の表面を露出させたり，あるいは腐蝕を防
止するためのカバーまたは被膜で覆った状態だけにする
ことができる。したがって，地震終了後に弾塑性部材３
０の現在の状態や特性を検査することが容易となり，こ
の結果，交換のタイミングの誤り防止にも寄与できる。
また，前述のように他の装置，たとえばラバーベアリン
グのような荷重支持装置とは独立して設置できるので，
装置の交換の容易化にも寄与でき，結局，前述した効果
を発揮させることができる。

なお，本発明は，上述した実施例に限定されるものでは
なく種々変形することができる。たとえば，第６図に示
すように補強部材群３１ａの内側に，各端板２４，２５
の凹部２７の中央部間を結ぶ長さと等しい長さを有した
補強部材３５からなる補強部材群３１ｄを埋め込むとと
ともに上記補強部材群３１ｄの両端と補強部材群３１ａ
とを連結部材３６ａ，３６ｂで連結し，上記連結部材３
６ａ，３６ｂで鋳造時の位置保持機能を行なわせるよう
にしてもよい。また，第７図に示すように補強部材群３
１ａの外側に補強部材群３１ｂ，３１ｃを埋め込むよう
にしてもよい。また，第８図に示すように補強部材群３
１ａ，３１ｂ，３１ｃを構成する各補強部材３２，３
３，３４を湾曲させて埋め込むようにしてもよい。ま
た，軸方向に埋め込まれた各補強部材群の補強部材を周
方向に連結する環状補強部材を軸方向に複数埋め込むよ
うにしてもよい。また，第１図に示した実施例では各端
板２４，２５を各部材２２，２３にボルト等で固定する
ようにしているが，第９図に示すように部材２２，２３
にそれぞれ支持用の凹部４１，４２を設け，これら凹部
４１，４２に各端板２４，２５を軸方向に抵抗を生じな
い程度に嵌め込み，これによって各端板２４，２５を相
対運動方向のみ拘束するように支持してもよい。このよ
うにすれば，たとえば荷重等で部材２２，２３間の距離
が変動しても，エネルギ吸収装置には軸方向の圧縮また
は引張り荷重が作用しないのでエネルギ吸収特性に影響
を与えずに上記変動分を吸収することができる。さら
に，弾塑性部材の形状は円柱状に限らず角柱状でもよ
く，その径および長さは，このエネルギ吸収装置を実際
に設置するときの総数，対象とする構造物の質量，構造
物の剛性，必要とされるエネルギ吸収量および使用する
弾塑性部材の塑性特性によって決定される。また，弾塑
性部材を形成する材料としては鉛に限らず，鉛系合金や
鉄も使用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る振動エネルギ吸収装置
を実際に２つの部材間に設置したときの側面図，第２図
は同振動エネルギ吸収装置の縦断面図，第３図は同振動
エネルギ吸収装置を第１図におけるＡ−Ａ線に沿って切
断し矢印方向に見た図，第４図は同振動エネルギ吸収装
置を第１図におけるＢ−Ｂ線に沿って切断し矢印方向に
見た図，第５図は同振動エネルギ吸収装置がエネルギ吸
収動作を行なっているときの縦断面図，第６図は本発明
の別の実施例に係る振動エネルギ吸収装置の縦断面図，
第７図および第８図は本発明のさらに異なる実施例に係
る振動エネルギ吸収装置をそれぞれ示す縦断面図，第９
図は振動エネルギ吸収装置の設置形態の別の例を説明す
るための図，第１０図および第１１図はそれぞれ従来の
振動エネルギ吸収装置の縦断面図，第１２図から第１４
図は上記従来装置の問題点を説明するための図，第１５
図は従来の振動エネルギ吸収装置のさらに別の例の縦断
面図である。 ２１……振動エネルギ吸収装置，２２，２３……地震時
等に相対運動する部材，２４，２５……端板，２６……
エネルギ吸収体，２７……凹部，３０……弾塑性部材，
３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ……補強部材群、３
２，３３，３４，３５……補強部材。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鶴谷 千明 東京都秋川市雨間413の４

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】２つの部材間の相対運動時の運動エネルギ
   を吸収するためのものであって，前記各部材にそれぞれ
   支持されるとともにそれぞれに凹部を有した第１および
   第２の端板と，両端部が前記第１および第２の端板の前
   記凹部に挿入接合されて上記第１の端板と上記第２の端
   板との間に挿設された可塑性を有する弾塑性部材とを備
   えてなる振動エネルギ吸収装置において、前記弾塑性部
   材中に前記第１の端板の凹部内位置から前記第２の端板
   の凹部内位置に亙って埋め込まれた第１の補強部材群
   と，前記弾塑性部材中に少なくとも前記凹部に挿入され
   ている部分と挿入されていない部分との境界部分を横切
   って埋め込まれた第２の補強部材群とを具備してなるこ
   とを特徴とする振動エネルギ吸収装置。
2. 【請求項２】前記弾塑性部材は，鉛，鉛系合金，鉄の中
   から選ばれた１種で形成されてなることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の振動エネルギ吸収装置。
3. 【請求項３】前記第１および第２の補強部材群は，それ
   ぞれ前記弾塑性部材より材料強度の大きい材料で形成さ
   れた複数の補強部材で構成されていることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の振動エネルギ吸収装置。
4. 【請求項４】前記第１および第２の補強部材群を構成し
   ている複数の補強部材は，それぞれ周方向に配列されて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の振動
   エネルギ吸収装置。