JPH0660666B2 - 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１４図，第
１５図および第１９図に示すように構成されている。す
なわち，第１４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１５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１９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１４図に示すものでは第１６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１５図に示すも
のにあっても第１７図中Ｑで示すように凹部６，７の内
面と弾塑性部材５と間の接合面が剥がれたり，あるいは
弾塑性部材５の両端部が凹部６，７から抜け出て接合状
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，接合状態が解放されると弾塑性部材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１４図および第１５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１８
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１９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１０を巻き付
けているので，第１８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１９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１０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が破暖する虞れがある。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１
４図および第１５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，前記弾塑性部材の前記凹部に
挿入接合される部分の少なくとも一部分を前記弾塑性部
材の前記第１および第２の端板間に位置する部分の径よ
り大径に形成し，かつ前記弾塑性部材中に上記弾塑性部
材より材料強度が大で，小径の補強部材を少なくとも軸
方向に複数埋め込んで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形が生じる振動力
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に，接合
状態を剥がしたり，凹部からの抜けを促進させるような
力が作用する。つまり接合部で破断を起こさせるような
力が作用する。しかし，弾塑性部材の両端で凹部に挿入
接合されている部分の少なくとも一部は，端板間に位置
する部分より大径に形成されているので，その接合面積
を従来のものに比べて非常に広くできる。このため，接
合強度を大幅に強化でき，この接合部分において破断が
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，
中央部に膨張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補強部材が埋め込まれている
ので，この補強部材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直径ｄ
_１の小径部分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３１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，中央部が直径ｄ_１の
円柱状に形成されている。そして，両端部は各端板２
４，２５の凹部２７に挿入接合されている。すなわち，
この弾塑性部材３０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３１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。これら
補強部材３１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
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との間の接合部に，この接合
部を剥がそうとする力や弾塑性部材３０の両端部２７か
ら抜き出そうとする力が作用する。しかし，弾塑性部材
３０の両端部は各端板２４，２５の凹部２７に挿入され
て上記凹部２７の内面に接合されており，しかも凹部２
７内に位置する部分の直径ｄ_２は他の部分より大径に形
成されている。このため，凹部２７の内面と弾塑性部材
３０の両端部との間の接合強度を従来のものに比べて非
常に大きくでき，この結果，接合部での剥がれや抜け，
つまり接合部での破断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に埋め込ま
れた複数の補強部材３１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３０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。すなわち，上述した実
施例では各端板２４，２５に設けられる凹部を貫通孔構
造としているが，第６図に示すように有底孔構造の凹部
２７ａとしてもよい。また，第７図に示すように弾塑性
部材３０の外周面で凹部２７へ挿入される部分と外部に
露出する部分との境界部分に滑らかな曲面部４１を形成
してもよいし，第８図に示すように小径部２８の反部材
側端部に滑らかな曲面部４２を設けてもよいし，さらに
第９図に示すように小径部２８と大径部２９との間に存
在する段部をなくしてもよい。また，第１０図に示すよ
うに凹部２７ｂにおける大径部２９ａの径を軸方向に等
しくしてもよい。また，第１１図に示すように弾塑性部
材３０の両端部で各端板２４，２５の凹部２７内で位置
する部分に各補強部材３１の端部を周方向に連結する環
状部材４３を埋め込むようにしてもよい。また，第１２
図に示すように弾塑性部材３０内に各補強部材３１を中
央部が互いに接近するように湾曲させて埋め込むように
してもよい。さらに，軸方向に埋め込まれた補強部材３
１を周方向に連結する環状補強部材を軸方向に複数埋め
込んでもよい。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１３図に示すように部材２２，２３
にそれぞれ支持用の凹部４４，４５を設け，これら凹部
４４，４５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に圧縮また
は引張り荷重が作用しな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図から第１１図は変形例を説明するための図，第１
２図は本発明のさらに別の実施例に係る振動エネルギ吸
収装置の縦断面図，第１３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１４図および
第１５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１６図から第１８図は上記従来装置の問題点を
説明するための図、第１９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，２７，２７ａ……凹部，３０……弾塑
性部材，３１……補強部材。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤本 滋 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝総合研究所内 (72)発明者 成川 昇 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝総合研究所内 (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
   材の前記凹部に挿入接合された部分の少なくとも一部分
   が前記弾塑性部材の前記第１および第２の端板間に位置
   する部分の径より大径に形成され，かつ前記弾塑性部材
   中に上記弾塑性部材より材料強度が大で，小径の補強部
   材が少なくとも軸方向に複数埋め込まれてなることを特
   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】前記軸方向に埋め込まれた複数の補強部材
   は，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。
4. 【請求項４】前記弾塑性部材の前記凹部に挿入接合され
   た部分は，上記弾塑性部材の中央部から遠ざかるにした
   がって径が大きくなる形状に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。