JPH0819788B2 - 弾塑性ダンパー - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、建造物の免震ないし制振構造に利用される
ダンパーに関し、更に詳しくは、地震等のエネルギーを
変形により吸収するもので、小変形では弾性、大変形で
は塑性変形する弾塑性材料の特性を利用した弾塑性ダン
パーに関する。

［従来の技術］ 従来の弾塑性ダンパーは、鋼・鉛などの金属材料の曲
げ・剪断・捩じりの各変形を単独に、或いは複合させて
用いることが多い。

金属材料は、曲げ・剪断・捩じり何れの変形において
も歪みが一定の大きさ以上になると材料の破断に至る。
従来の機構による弾塑性ダンパーにおいてはダンパーの
変形量の増加につれて塑性変形する部分の歪みが増加
し、しかも塑性歪みの発生およびその繰り返しが特定の
断面に集中するため、ダンパーとしての復元力特性はそ
の塑性率の実用上の限界値が５〜10程度である。変形能
力を大きくするためには弾性変形量を大きくする必要が
あるが、この場合には小さな外乱の作用に対してダンパ
ーとしての機能を発揮できないことになる。逆に、小さ
な外乱の作用に対してダンパーとしての機能を発揮する
ためには弾性限界を小さく定める必要があり、その場合
には、大きな外乱が作用する時に、幾何学的非線形性、
歪み効果など定量化の難しい要因の影響を強く受けて変
形能力に乏しくなるほか、破断に至る可能性も極めて高
い。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明は、既往の弾塑性ダンパーの機構では大きな塑
性率における変形の繰り返しに対して安定した履歴特性
を保有できない点を改良するために創作されたものであ
り、具体的には下記の項目を目的として行われた。

A.弾塑性材料の特定ヶ所に曲げ歪みが集中しないように
し、なおかつ、その全断面に亘って破断に直接影響する
ような大きな曲げ歪みが生じないようにすること。

B.小さな塑性率から大きな塑性率に至る間で、常に安定
した履歴ループを描き、変形量および繰返回数が増加し
ても耐力・剛性に大きな変化が無いようにすること。

C.幾何学的非線形性の影響を抑え、解析的に定量化が容
易な機構とすること。

D.復元力特性が脆性的に劣化しないようにすること。

［課題を解決するための手段］ 本発明の弾塑性ダンパーは、軟鋼・ステンレス鋼・銅
・鉛・アルミニウムから選択される１ないし複数の金属
材料及び／又は高分子材料の一種又はその複合材料で形
成され、Ｕ字形部分を有する弾塑性体と、この弾塑性体
のＵ字形部分に取り付けられ、その内径にほぼ等しい外
径を有するガイドホィールと、弾塑性体の脚部を固定す
る支持部材とから成ること、 ガイドホィールがワイヤーにより支持部材に固定され
ていること、 弾塑性体が両端にＵ字形部分を有するループ状に形成
されており、その両端に一対のガイドホィールが設けら
れており、該弾塑性体に直接軸方向力が加えられるこ
と、 弾塑性体が２以上の金属ないし高分子材料によって積
層構造に形成されていること、 層と層との間にゴム層が配置されていること、 弾塑性体が、支持部材と先端に結合手段を有するアー
ム部材との間に配置・固定されていること、を各々特徴
とする。

［実施例］ 次に、本発明を添付図面に示す実施例に従って詳細に
説明する。

第１図及び第２図は、本発明の第１の実施例を示すも
のであって、図中、１は弾塑性体として機能するＵ字形
部材であり、Ｕ字形部分はガイドホィール２に係合され
ており、両端部は支持部材３に接合されている。４はワ
イヤーである。

Ｕ字形部材１のＵ字形部分の内径は、ガイドホィール
２の外径にほぼ等しくなるように設定されている。弾塑
性体としてのＵ字形部材１は、主として、軟鋼・ステン
レス鋼・銅・鉛・アルミニウムなど比較的延性の高い金
属材料、或いは高分子材料を用いて形成する。高分子材
料や鉛などのように特に柔らかであり、曲げ変形及びそ
の繰返し回数の増加につれて延びが大きくなるおそれの
ある材料を用いる場合には、ワイヤーなどのように、曲
げ剛性が低く、引っ張り剛性の高い材料のもので補強を
行うのが好ましい。

なお、Ｕ字形部材１の断面形状、及び配置する本数に
は限定がない。

第３図に示すように、Ｕ字形部材１の軸に沿って矢印
の方向に力を加えた場合に、変形の増加に連れて破線の
ような不安定な形状に変化して行く。第１図及び第２図
に示す態様のものでは、２本のＵ字形部材１を互いに向
きを逆にして配置し、両者の間にガイドホィール２を挿
入したものである。この場合に矢印のように加力をする
と、個々のＵ字形部材１が第３図に示す破線のように変
形することを互いに拘束するため、全体はＵ形からＪ形
への安定した形状の変化を示す。

支持部材３に矢印の方向に相対的な変位が生じると、
Ｕ字形部材１ではこのガイドホィール２の回転につれて
歪みの生じる部分或いは歪みの解除される部分が移動し
て、全体の形が、Ｕ形からＪ形へと変化するが、ガイド
ホィール２により曲率が拘束されるために、特定断面に
歪みが集中することを避けることができる。ガイドホィ
ール２の曲率は第６図のようなσ−ε関係を持つ弾塑性
材料の歪みが降伏棚上にある範囲で用いれば、ダンパー
の耐力の推定が容易であるばかりでなく、材料の歪み効
果の影響も設け受けずに非常に安定したエネルギー吸収
性能が得られる。しかも、この履歴ループは降伏剛性が
ほとんどゼロに等しく、完全弾塑性形に近いという大き
な特徴を持つ。

ダンパーに対する繰り返し加力の回数が増大すると、
Ｕ字形部材１の一部に破断するものが生じることも予想
される。このような場合にガイドホィール２が外れてダ
ンパーの機構が脆性的に破壊することを防ぎ、安定した
履歴特性を継続して発揮できるようにするため、ガイド
ホィール２は予め、例えば４本のワイヤー４により支持
部材３に支持しておくのが好ましい。

ダンパーの組み立てに当たっては、支持部材３とＵ字
形部材１、Ｕ字形部材１とガイドホィール２との間にそ
れぞれ隙間が生じないように取り付ければ、ダンパーの
耐力は変わらないものの、より初期剛性の高い履歴特性
を得ることができる。

第４図は、本発明の第２の実施例を示すもので、間隔
を一定に保持して取り付けられた２個のガイドホィール
２・２の回りに第１図及び第２図に示したＵ字形部材１
と同一の素材で半円弧と直線とから成るループ状の弾塑
性体５を取り付け、この部材に直接軸方向力を加えるこ
とにより、前記第１実施例の場合と同様の履歴特性を得
ることができる。

Ｕ字形部材１（弾塑性体５）は、第５図に示すよう
に、積層構造にすることも好ましく、更に、各層ごとに
材質を異にする素材を用いた複合構造にすることも好ま
しい。また、図示しないが、層と層との間には、ゴム層
を配置するようにして、巾方向への若干の寸法変化に対
応できるように構成することも好ましい。

第７図〜第９図は、本発明の弾塑性ダンパーを制振構
造に適用した例を示すものである。

弾塑性ダンパーＡは、第７図に示すように、壁Ｂ・Ｃ
間に一定の間隔で配置し、例えば矢符で示す如く、壁Ｂ
・Ｃが反対方向に相対的なズレを生じさせる場合に機能
する。

第８図及び第９図に示すように、この実施例では、一
対のＵ字形部材10・11と、ガイドホィール20を介して連
結される単一のＵ字形部材12とで構成される。勿論、Ｕ
字形部材が各々一対である態様を排除するものではな
い。

各Ｕ字形部材10・11・12の開放端部は、支持部材30・
31にボルト・ナット60によって結合されており、ボルト
・ナット60の延長部分は、埋め込みボルトの如く壁Ｂ・
Ｃ中に埋設される。

第10図〜第12図は、本発明の弾塑性ダンパーを免震構
造に適用した例を示すものである。

第10図及び第11図は、本発明に係る弾塑性ダンパーＤ
・Ｄを建造物の基礎部に構築される免震構造に組み込ん
だ例を示すものである。

この実施例の弾塑性ダンパーＤは第12図に示すように
構成されている。即ち、この実施例のものは、二対のＵ
字形部材13・14・15・16の組み合わせで構成されてお
り、隣接するＵ字形部材13と14、及び15と16の開放端の
一方は、夫々アーム部材17に結合されており、開放端の
他方は支持部材18・18に結合されている。更に、支持部
材18・18は基板19に結合されており、この基板19は、免
震構造のアイソレーターＦを支持する基礎Ｅに結合され
ており、アーム部材17の先端に設けられている結合手段
を介して構造物の上部構造の基礎部に連結される。この
場合、図示の如く、弾塑性ダンパーＤを一対づつ配置し
て、そのアーム部材17の先端どうしを結合するのが好ま
しい態様である。

［発明の効果］ 1.U字形部材ないし弾塑性部材の断面形、棒の長さ、本
数、ガイドホィールの径を調節することにより任意の剛
性、耐力、弾塑性率、変形量、耐久性を得ることができ
る。

2.免震・制振装置として、装置に予め設定した以上の応
力が生じない機構とすることにより、構造物への入力の
増加を抑制し、制振効果を高めるとともに、制振効果の
定量化を容易にすることを可能とする理想的な弾塑性ダ
ンパーが得られる。

3.あらゆる制振構法システムに適用が可能である。

4.機構が簡単で製作が容易かつ安価であるため大量生産
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例を示す平面図、第２図は第１
図II−II線断面図、第３図は機能の説明図、第４図及び
第５図は他の実施例を示す平面図、第６図は弾塑性体の
応力と歪みの関係を示すグラフ、第７図は制振構造への
施工例を示す概略図、第８図は同じくダンパー部分の拡
大図、第９図は同じくダンパーの中央縦断平面図、第10
図及び第11図は免震構造への施工例を示す概略図、第12
図は同じくダンパーの拡大図である。 図中において各符号は下記を指示する。 1:U字形部材 2:ガイドホィール 3:支持部材 4:ワイヤー 5:弾塑性体 10:U字形部材 11: 〃 12: 〃 13: 〃 14: 〃 15: 〃 16:U字形部材 17:アーム部材 18:支持部材 19:基板 20:ガイドホィール 30:支持部材 31: 〃 60:ボルト・ナット A:弾塑性ダンパー B:壁 C:壁 D:弾塑性ダンパー E:アイソレーターを支持する基礎 F:アイソレーター

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】軟鋼・ステンレス鋼・銅・鉛・アルミニウ
   ムから選択される１ないし複数の金属材料及び／又は高
   分子材料の一種又はその複合材料で形成され、Ｕ字形部
   分を有する弾塑性体と、この弾塑性体のＵ字形部分に取
   り付けられ、その内径にほぼ等しい外径を有するガイド
   ホィールと、弾塑性体の脚部を固定する支持部材とから
   成る弾塑性ダンパー。
2. 【請求項２】ガイドホィールがワイヤーにより支持部材
   に固定されていることを特徴とする請求項１に記載した
   弾塑性ダンパー。
3. 【請求項３】弾塑性体が両端にＵ字形部分を有するルー
   プ状に形成されており、その両端に一対のガイドホィー
   ルが設けられており、該弾塑性体に直接軸方向力が加え
   られることを特徴とする弾塑性ダンパー。
4. 【請求項４】弾塑性体が２以上の金属ないし高分子材料
   によって積層構造に形成されていることを特徴とする請
   求項１〜３のいづれかに記載の弾塑性ダンパー。
5. 【請求項５】層と層との間にゴム層が配置されているこ
   とを特徴とする請求項４に記載の弾塑性ダンパー。
6. 【請求項６】弾塑性体が、支持部材と先端に結合手段を
   有するアーム部材との間に配置・固定されていることを
   特徴とする請求項１又は２に記載の弾塑性ダンパー。