JP4362328B2 - 超塑性合金による木造住宅用制震ダンパー - Google Patents

Description

この発明は、主として木造住宅の柱と梁の仕口部に取り付けて耐震補強に使用する、超塑性合金による制震ダンパーの技術分野に属する。

木造住宅の耐震補強に使用する制震ダンパーには、地震時における住宅の揺れを低減して住宅の損傷を抑え、人命や資産を健全に維持する働きが期待される。
木造住宅用の既往の制震ダンパーを大別すると、鋼材を用いたもの、粘弾性体を用いたもの、オイルダンパーを用いたもの等々が一般的である。

例えば下記の特許文献１、２には、木造住宅の軸組みに使用する鋼材系の制震ダンパーが開示されている。
また、特許文献３、４には、木造住宅の軸組みに使用する粘弾性体ダンパーが開示されている。
特許文献５、６には、オイルダンパーを利用した壁型のダンパー装置、制震装置が開示されている。

その他、特許文献７、８には弾塑性ダンパーが開示され、更に特許文献９、１０には、亜鉛・アルミニウム合金等の所謂超塑性合金を利用した制震装置がそれぞれ開示されている。

特開２００２−２３５４５６号公報 特開２００２−２３５４５７号公報 特開２０００−１６０６８３号公報 特開２００１−２９５５０６号公報 特開２０００−２１３２０２号公報 特開２００１−３５９７号公報 特開平５−２６２７４号公報 特開平５−２６２７５号公報 特開２００２−２４２９８８号公報 特開２００２−２５０１４９号公報

上記特許文献１、２に開示された鋼材系の制震ダンパーは、地震等により塑性ひずみ履歴を受けると、繰り返し変形に対して降伏荷重が漸次変動し、制震性能が変化する不安定さがある。即ち、鋼材の加工硬化により降伏荷重が上昇し、２回目以降は材料の弾性領域が長くなり、エネルギ吸収性能が不安定となる。この点は鋼材系の制震ダンパーに極低降伏点鋼を用いた場合にも顕著な性状である。
鋼材系の制震ダンパーは、塑性歪みを受けると、機械的性質の劣化を起こすため、継続使用の際の性能把握が困難で、往々にして点検・交換をする必要が大であり、メンテナンスに相当額の費用負担が発生することが問題である。

上記特許文献３、４に開示された粘弾性体ダンパーは、温度依存性が非常に大きく、地震エネルギの吸収による発熱に関して、熱の逸散が悪く、繰り返し変形時における強度低下が著しいため、制震性能が不安定となる。外気温の変動の差が大きい一般の木造住宅へ適用する場合には、夏と冬などの季節要因によって使用温度が大きく異なることになり、制震性能が大きく左右されることになって不都合である。

上記特許文献５、６に開示されたオイルダンパーは、通例直線運動機構により実施するため、オイルダンパーの円滑な動きを確保するために多くの補助部材や金具類を取り付ける必要があり、とうてい木造住宅の柱と梁の仕口部にコンパクトに納まる構造とはなり得ず、また、低コスト化は容易なことではない。即ち、直線運動機構その他が複雑な構成となるので、高価なものになってしまう。しかもオイル漏れなどによる性能劣化に注意が必要であり、定期的な保守・点検が必要で、費用が掛かる。

上記特許文献７、８に開示された弾塑性ダンパー、及び特許文献９、１０に開示された亜鉛・アルミニウム合金等の所謂超塑性合金を利用した制震装置はそれぞれ、ビル等の大規模建築物に適用されるもので、そもそも木造住宅の柱と梁の仕口部に適用出来るような構造、性能になっていない。

本発明の目的は、超塑性合金を利用した制震ダンパーであって、木造住宅の柱と梁の仕口部に適用出来るように小型にコンパクト化され、充分に安価であり、木造住宅への取り付け設置が簡単であり、木造住宅の耐震安全性を向上させることができ、大地震に遭遇しても木造住宅の耐用年数の間はメンテナンスフリーで使用可能な木造住宅用制震ダンパーを提供することである。

上述した課題を解決するための手段として、請求項１に記載した発明に係る超塑性合金による木造住宅用制震ダンパーは、
木造住宅の柱１と梁２の仕口部にほぼ４５°方向に配置して取り付けられる超塑性合金製の制震ダンパー３であって、
柱・梁フレームの面内方向に円弧形状に湾曲された細幅の変形部３１と、及びその両端の非変形とするために充分な大きさの幅寸に拡幅された支持部３０とから成り、少なくとも前記変形部３１を超塑性合金により製作された制震ダンパー３と、
前記制震ダンパー３の両端の前記支持部３０を住宅の柱・梁仕口部へ取り付ける取付金具４との組み合わせで構成され、
前記制震ダンパー３は、変形部３１の円弧形状を柱・梁フレームの面内方向とし、且つ両端の支持部３０の加力点の位置を結んだ直線Ｐ−Ｑから離れた変形部３１の円弧外縁を柱・梁仕口の隅部へ向け、両端の支持部３０は、同支持部３０の加力点に設けたピン孔３２へ通したピン５を取付金具４へも共通に通したピン接合とし、該取付金具４を介して柱・梁仕口部へ設置され、
制震ダンパー３の前記変形部３１は、木造住宅の柱・梁仕口部に作用する水平力が、両端の支持部３０のピン接合部を介して作用することにより生ずる軸力と曲げモーメントに対して、同変形部３１の端部から中央部にかけて一様な変形をするように、同変形部３１の端部から中央部にかけて断面積及び断面係数が漸次大きくなり、最大変形時にも円弧形状を維持するように形成されていることを特徴とする。

請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した超塑性合金による木造住宅用制震ダンパー３において、超塑性合金は、亜鉛・アルミニウム合金（Ｚｎ−Ａｌ合金）であることを特徴とする。

請求項１、２に記載した発明に係る超塑性合金による木造住宅用制震ダンパー３は、超塑性合金を利用して、木造住宅の柱と梁の仕口部に適用出来るように小型にコンパクト化されており、充分に安価である。しかも木造住宅への取り付け設置が簡単であり、木造住宅の耐震安全性を向上させることができ、大地震に遭遇しても木造住宅の耐用年数の間はメンテナンスフリーの使用が可能である。したがって、制震ダンパーの点検・交換に伴う仕上げ材の解体や復旧の手間と費用が不要である。木造住宅が新築であるか既存住宅であるかの別なく適用でき、汎用性が高い。木造の寺社、仏閣の伝統建築物の柱・梁仕口部に適用しても充分な制震効果を発揮する。
更に本発明の制震ダンパー３は、上述した考え方（形状設計法）に基づき、建物の規模に応じて大型化したものを製造すること、及び複数個組み合わせることが非常に容易であり、木造の他にも、中規模のボルト接合を主体とした鋼構造物やトラス構造、或いは鉄骨屋根等の制震ダンパーとしても充分な性能を発揮させることができる。

木造住宅の柱と梁の仕口部にほぼ４５°方向に配置して取り付けられる超塑性合金製の制震ダンパーとして実施する。
柱・梁フレームの面内方向に円弧形状に湾曲された細幅の変形部３１と、及びその両端の非変形とするために充分な大きさの幅寸に拡幅された支持部３０とから成り、少なくとも前記変形部３１を超塑性合金により製作された制震ダンパー３と、
前記制震ダンパー３の両端の前記支持部３０を住宅の柱・梁仕口部へ取り付ける取付金具４との組み合わせで構成する。
前記制震ダンパー３は、変形部３１の円弧形状を柱・梁フレームの面内方向とし、且つ両端の支持部３０の加力点の位置を結んだ直線Ｐ−Ｑから離れた変形部３１の円弧外縁を柱・梁仕口の隅部に向け、両端の支持部３０は、同支持部３０の加力点に設けピン孔３２へ通したピン５を取付金具４へも共通に通してピン接合とし、前記取付金具４を介して木造住宅の柱・梁仕口部へ設置され、
制震ダンパー３の前記変形部３１は、木造住宅の柱・梁仕口部に作用する水平力が、両端の支持部３０へピン接合部を介して作用することにより生ずる軸力と曲げモーメントに対して、同変形部３１の端部から中央部にかけて一様な変形をするように、同端部から中央部にかけて断面積及び断面係数が漸次大きくなり、最大変形時にも円弧形状を維持するように形成されている。

図１は、木造住宅の柱１と梁２の仕口部に、請求項１〜３に記載した発明に係る超塑性合金による制震ダンパー３を、取付金具４、４によりほぼ４５°方向の配置に取り付けた使用状態を示している。
図２に示したように、本発明に係る制震ダンパーは、超塑性合金により製作された制震ダンパー３と、前記制震ダンパー３の両端の支持部３０、３０を住宅の柱１、梁２の仕口部へ木ネジ等で取り付け固定する取付金具４との組み合わせで構成されている。
前記制震ダンパー３は、住宅の柱・梁フレームの面内方向にほぼ平行幅の円弧形状に湾曲された細幅の変形部３１と、その両端の非変形とするために必要充分な大きさの幅寸に拡幅された支持部３０とから成り、少なくとも前記変形部３１が超塑性合金により製作されている。

柱・梁フレームの面内方向にほぼ平行幅の円弧形状に湾曲された細幅の変形部３１は、具体的には、図３に示したように、板厚を一定とし、両端の支持部３０に設けられた加力点（後述するピン連結用孔３２の位置）を通じて入る地震等の入力が、軸力と曲げモーメントの合力として作用することを考慮した曲率の円弧形状に湾曲されている。一例として中立線の曲率半径の大きさは５０mm〜２５０mm程度に形成されている。
上記の変形部３１が直線形状であると、変形部３１の曲げ変形がスムーズに導入されないで、変形部３１の端部と支持部３０との境界部位に変形が集中する、いわゆるひずみ集中を起こす不都合がある。円弧形状に湾曲された変形部３１は、最大変形時にも円弧形状を維持することにより曲げ変形が維持され、引張り変形が生じない（突っ張らない）ようにする工夫である。このような工夫により、大変形を許容できる制震ダンパー３でありながら、座屈補剛部材によるダンパーの補剛が不要であり、非常に単純な構造を実施可能としている。

念のために言えば、前記円弧状に湾曲された変形部３１のうち、前記左右のピン連結孔３２の位置を結んだ直線Ｐ−Ｑから最も遠くに離れた中央部位が最大モーメントの位置となることから明らかなように、仮に変形部３１がその全長にわたり平行幅であると、中央部位に変形が集中してしまう。そうなると、変形性能には優れるものの、不必要な局部変形（ひずみ集中）を強いることとなり、変形部３１の全体で大きなエネルギ吸収を達成する、超塑性合金の利点を充分に活かすことができない。つまり、超塑性合金による高性能ダンパーとしては応力集中を避ける工夫が重要である。その手段として、本発明の制震ダンパー３は、前記のように軸力と曲げモーメントが同時に作用しても、変形部３１がその端部から中央部にかけて一様な変形をする（又は外力に応じてダンパーの縁応力度を均一化する）ように、同変形部３１の端部から中央部にかけての断面積及び断面係数が漸次大きくなるように形成されていることを特徴とする（請求項１に記載した発明）。かくして、本発明の制震ダンパー３は、その変形部３１の外観として、端部の幅寸が小さく、中央部位の幅寸の方が少し大きく太い形状を呈する（図３Ｂ参照）。

なお、本発明の制震ダンパー３を構成する超塑性合金としては、例えば特開平１１−２２２６４３号公報に開示されているように、加工硬化、ひずみ劣化を起こさない性質の亜鉛・アルミニウム合金（Ｚｎ−Ａｌ合金）を指す（請求項２に記載した発明）。両端の支持部３０に関しては、前記円弧状の変形部３１に変形を集中させるために必要な断面積と剛性が確保されておればよく、必ずしも変形部３１と同一の超塑性合金製であることを要しない。支持部３０は鋼製のパイプ等を被せた構造でも良く、それらを介して取付金具４へ取り付けても全く機能は損なわれない。

次に、上記構成の制震ダンパー３の両端の支持部３０を木造住宅の柱１及び梁２の仕口部に取り付ける取付金具４は、上述した加力点に地震力が伝達されるように支持すれば足りる。よって、図２に示す実施例は、制震ダンパー３の両端の支持部３０の両面へ組み付ける半割形状の一対の金具材４０、４０で構成されている。金具材４０は、制震ダンパー３の両端の支持部３０を木造住宅の柱１及び梁２の仕口部へほぼ４５°方向に取り付け固定することに適していれば良く、制震ダンパー３に生じる荷重を受け止めるのに十分な強度を有していれば、形状は特に限定されない。金具材４０のウエブ４１には、制震ダンパー３の両端の支持部３０の上述した加力点の位置に設けたピン孔３２と共通に鋼製のピン５を通して連結するピン孔４２が設けられている。また、底辺のフランジ部４３には当該金具材４０を木造住宅の柱１及び梁２の仕口部へ木ネジ等で取付け固定するための通孔４４が複数個設けられている。

上記構成の制震ダンパー３は、要するにその両端の支持部３０の両面に取付金具４を構成する一対の金具材４０、４０のウエブ４１を沿わせ、ピン５を差して連結した上で、各金具材４０のフランジ部４３を木ネジ等で木造住宅の柱１及び梁２の仕口部へ取付固定して使用される。
しかるときは、制震ダンパー３の円弧状の変形部３１は、その全体が地震時の弾塑性変形を集中的に誘導し、その端部から中央部にかけて一様な変形をして大きなエネルギ吸収性能を発揮して制震効果を奏する。そして、大変形を許容するにもかかわらず、座屈補剛部材等は必要なく、構成が非常に単純、簡素である。しかも超塑性合金製の変形部３１は、変形性能に優れて、ひずみの自己回復性（ひずみ履歴による機械的性質の劣化が極めて少ない性質）により、複数回の塑性履歴歪みを受けても機械的性質の劣化、即ち、加工硬化やひずみ劣化を起こさず、安定であるから、継続使用の性能把握が容易であり、点検・交換の必要がなく、耐用年数の間はメンテナンスフリーを実現可能である。勿論、外気温程度の変動によっては性能を左右されない。
超塑性合金性の制震ダンパー３は、機械加工の方法で製作することができるが、素材の特徴を生かした温間鍛造超塑性ニアネット成形加工法（例えば特開２００３−１２９２０４号公報記載の発明を参照）による製作が最も効率的である。超塑性合金の巨大な変形性能を利用したプレス成形法により安価に大量生産することも可能である。この場合も、成形加工による機械的性質の劣化は生じない。
なお、取付金具４は、上述したピン連結に限らず、木造住宅の柱１及び梁２の仕口部へ制震ダンパー３をいわゆる剛接合の構造で取り付ける構成であっても良い。

本発明に係る木造住宅用制震ダンパーの使用状態を示した立面図である。 前記制震ダンパーの構成を分解して示した斜視図である。 Ａ、Ｂは制震ダンパーの平面図と正面図である。

符号の説明

１ 柱
２ 梁
３ 制震ダンパー
３１ 変形部
３０ 支持部
４ 取付金具
３２ ピン孔（加力部）
４２ ピン孔
５ ピン

Claims (2)

1. 木造住宅の柱と梁の仕口部にほぼ４５°方向に配置して取り付けられる超塑性合金製の制震ダンパーであって、
   柱・梁フレームの面内方向に円弧形状に湾曲された細幅の変形部と、及びその両端の非変形とするために充分な大きさの幅寸に拡幅された支持部とから成り、少なくとも前記変形部を超塑性合金により製作された制震ダンパーと、
   前記制震ダンパーの両端の前記支持部を木造住宅の柱・梁仕口部へ取り付ける取付金具との組み合わせで構成され、
   前記制震ダンパーは、変形部の円弧形状を柱・梁フレームの面内方向とし、且つ両端の支持部の加力点の位置を結んだ直線から離れた変形部の円弧外縁を柱・梁仕口の隅部へ向け、両端の支持部は、同支持部の加力点に設けたピン孔へ通したピンを取付金具へも共通に通してピン接合とし、該取付金具を介して木造住宅の柱・梁仕口部へ設置され、
   制震ダンパーの前記変形部は、木造住宅の柱・梁仕口部に作用する水平力が、両端の支持部へピン接合部を介して作用することにより生ずる軸力と曲げモーメントに対して、その端部から中央部にかけて一様な変形をするように、同変形部の端部から中央部にかけて断面積及び断面係数が漸次大きくなり、最大変形時にも円弧形状を維持するように形成されていることを特徴とする、超塑性合金による木造住宅用制震ダンパー。
2. 超塑性合金は、亜鉛・アルミニウム合金（Ｚｎ−Ａｌ合金）であることを特徴とする、請求項１に記載した超塑性合金による木造住宅用制震ダンパー。

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