JP6909357B2 - 建築物用ｓｍａばね−ｓｔｆ粘性ダンパー - Google Patents

Description

本発明は、制震・耐震の分野に関し、特に、ＳＭＡ（形状記憶合金、Shape Memory Alloy）ばね−ＳＴＦ（Shear Thickening Fluid）粘性ダンパーに関する。

地震は、極めて破壊的な自然災害であり、短時間で果てしない損失を与え、人類の生存や発展に大きな脅威を与えるものである。地震は、中国でよく見られる自然災害であり、ひとたび起こると、大量の人命被害、及び家屋やインフラ等の構造の崩壊又は破壊を引き起す。近年、中国の数回の地震災害により人類が深刻な犠牲を払ったが、建築構造の地震による破壊は、人命被害及び経済的損失を引き起こす最も直接的な原因である。従って、建築構造の耐震防災性能の向上は、地震災害による損失を小さくするための最も基本的な対策である。しかしながら、従来の耐震工法によれば、構造に対する優れた制震効果を奏することができないため、耐震分野において、新しい設計概念及び方法を見出すことは特に重要である。

１９７２年に、アメリカのＰｕｒｄｕｅ大学の姚志平教授によって、構造制御の理論は、土木工学の分野に導入され、従来の耐震設計の方法に比べると、構造に自己調整及び自己制御の性能を持たせ、異なる地震荷重に対応する場合、地震の強度、スペクトル、持続時間に応じて一定範囲で自体の鋼性、ダンパーひいては品質等の特性を調整することができ、これは構造の動的応答の低減、及び構造安全や快適な基本的要件の満足にとって有利である。構造制御は、アクティブ制御、セミアクティブ制御、構造免震、エネルギーの消散や制震及びスマート制御等の幾つかの方面からなる。ただし、エネルギーの消散や制震についての研究及び適用は、比較的成熟している。

エネルギーの消散や制震系は、構造のある非耐力部材をエネルギー消費部材として設計し、又は構造物のある部位にエネルギー消費装置を装着するものであり、これらのエネルギー消費部材及び装置が大きく揺れる場合にまず塑性状態になり、構造のエネルギーの散逸を促進する。エネルギーの消散や制震機構のエネルギー消費のメカニズムの異なりによって、１）粘性ダンパー、２）金属ダンパー、３）摩擦ダンパー、４）粘弾性ダンパー、５）電（磁）誘導ダンパーの幾つかの類別に分けられる。

粘性ダンパーは、鋼性の無い、速度依存型のダンパーであり、主に家屋、工業用建物、橋梁等の大型高層建物の構造に用いられ、地震等による破壊的エネルギーを散逸させるためのものである。普通の粘性ダンパーは、その減衰力が速度によって決定されるため、低速な静的荷重による構造変形がダンパー作用をしなく又はほとんど作用しなく、構造変形が設計変位を超えると、構造は破壊される可能性がある。

本発明の目的は、従来技術における欠点を克服し、低周波で減衰力を提供でき且つ自己復帰機能を持つＳＭＡばね−ＳＴＦ粘性ダンパーを提出することにある。前記ＳＭＡばね−ＳＴＦ粘性ダンパーは、良好なエネルギー消費制震及び復帰機能を両立させ、且つ静荷重変形が設計ストロークを超えると、位置制限機能を提供することができ、その構造が簡単で、取り付けやすい。

本発明は、下記の技術案を採用する。

第１の接続部材、ピストンロッド、左端蓋、第１のダンパーキヤビティ、ダンパーシリンダ、ピストン、第２のダンパーキヤビティ、第１のＳＭＡばね、第２のＳＭＡばね、右端蓋及び第２の接続部材を備え、左端蓋がダンパーシリンダの一端に設けられ、右端蓋がダンパーシリンダの他端に設けられ、ダンパーシリンダの内部がピストンによって第１のダンパーキヤビティ及び第２のダンパーキヤビティに仕切られ、ピストンがピストンロッドに設けられ、ピストンロッドは、一端が左端蓋を貫通して第１の接続部材に接続され、他端が右端蓋を貫通し、右端蓋に第２の接続部材が固着され、第１のＳＭＡばね及び第２のＳＭＡばねがそれぞれピストンロッドに嵌設され、且つ第１のＳＭＡばねが第１のダンパーキヤビティ内に弾性的に当接し、第２のＳＭＡばねが第２のダンパーキヤビティ内に弾性的に当接し、第１のダンパーキヤビティ及び第２のダンパーキヤビティの何れにもＳＴＦせん断粘稠化流体が充填されるＳＭＡばね−ＳＴＦ粘性ダンパーである。

本発明のＳＭＡばね−ＳＴＦ粘性ダンパーは、低周波荷重の作用下で、主に第１のＳＭＡばね及び第２のＳＭＡばねによって減衰力を提供し、中高周波荷重の作用下で、同時に第１のＳＭＡばね、第２のＳＭＡばね及び剪断減衰液によって減衰力を提供し、普通の使用条件の要求を満足することもできるし、低周波荷重の作用下で、普通の粘性ダンパーの減衰力の不足の欠点を補い、建築物のより多くのエネルギー消費を促進することもできる。且つＳＭＡばねが位置制限機能を有し、ＳＭＡばね−ＳＴＦ粘性ダンパーに対する静荷重変形が設計ストロークを超えると、ＳＭＡばねの圧縮によって位置制限の作用が果たされる。且つ、本発明のＳＭＡばね−ＳＴＦ粘性ダンパーは、自己復帰機能を有し、除荷後で初始状態に復帰することができる。ピストンの両端のピストンロッドのそれぞれに第１のＳＭＡばね及び第２のＳＭＡばねが実装され、ＳＭＡばね−ＳＴＦ粘性ダンパーピストンロッドが押されたり引かれたりする場合に第１のＳＭＡばね及び第２のＳＭＡばねの減衰力が参与することが保証される。その同時に、減衰液及び第１のＳＭＡばね、第２のＳＭＡばねは各々機能して、ＳＭＡばね−ＳＴＦ粘性ダンパーの良好なエネルギー消費制震及び復帰機能を両立させる。

本発明のＳＭＡばね−ＳＴＦ粘性ダンパーの構造模式図である。

以下、添付図面及び具体的な実施方法に合わせて、本発明を詳しく説明する。

図１に示すように、ＳＭＡばね−ＳＴＦ粘性ダンパーは、第１の接続部材１、ピストンロッド２、左端蓋３、第１のダンパーキヤビティ４、ダンパーシリンダ５、ピストン６、第２のダンパーキヤビティ７、第１のＳＭＡばね８１、第２のＳＭＡばね８２、右端蓋９及び第２の接続部材１０を備える。ＳＭＡばね−ＳＴＦ粘性ダンパーは、両方向へ押し出すようにしている。左端蓋３はダンパーシリンダ５の一端に設けられるが、右端蓋９はダンパーシリンダ５の他端に設けられる。ダンパーシリンダ５の内部は、ピストン６によって第１のダンパーキヤビティ４及び第２のダンパーキヤビティ７に仕切られる。ピストン６がピストンロッド２に嵌設される。ピストンロッド２は、一端が左端蓋３に貫通して第１の接続部材１に接続され、他端が右端蓋９を貫通する。右端蓋９に第２の接続部材１０が固着される。第１のＳＭＡばね８１及び第２のＳＭＡばね８２がそれぞれピストンロッド２に嵌設され、且つ第１のＳＭＡばね８１が第１のダンパーキヤビティ４内に弾性的に当接し、第２のＳＭＡばね８２が第２のダンパーキヤビティ７内に弾性的に当接しる。第１のダンパーキヤビティ４及び第２のダンパーキヤビティ７の何れにもＳＴＦせん断粘稠化流体１１が充填される。

第１のＳＭＡばね８１及び第２のＳＭＡばね８２はピストンロッド２に沿って変形することができ、第１のＳＭＡばね８１及び第２のＳＭＡばね８２の一方が伸長すると、第１のＳＭＡばね８１及び第２のＳＭＡばね８２の他方は短縮し、第１のＳＭＡばね８１及び第２のＳＭＡばね８２は協働する。

ピストン６が第１のダンパーキヤビティ４に沿って第２のダンパーキヤビティ７の方向へ移動する場合、ピストンロッド２における第２のＳＭＡばね８２は圧縮され、第１のＳＭＡばね８１はもとの長さへ復帰する。

ストローク範囲において、第１のＳＭＡばね８１と第２のＳＭＡばね８２との伸縮量の合計は、０である。

ＳＭＡばね−ＳＴＦ粘性ダンパーが加圧され且つ設計ストロークを超えるような静的変形になると、第２のＳＭＡばね８２は圧縮され、第１のＳＭＡばね８１は動作を停止するまで、もとの長さへ復帰する。

外部負荷から解除された後で、圧縮された第２のＳＭＡばね８２は伸長してピストン６を反対方向へ運動するように押し、第１のＳＭＡばね８１は圧縮され且つ動作を再開する。

ピストンロッド２と左端蓋３及び右端蓋９の何れとの間にもシールリングが設けられる。

ＳＭＡばね−ＳＴＦ粘性ダンパーに張力がかけられると、第１の接続部材１はピストンロッド２及びピストン６を左へ運動するように連動させ、第１のダンパーキヤビティ４内の第１のＳＭＡばね８１が加圧されて短くなり、第２のダンパーキヤビティ７内の第２のＳＭＡばね８２がもとの長さへ伸長する。引張力が緩やかである場合、ピストン６のオリフィスの減衰液に対する剪断による減衰力が小さく、ＳＭＡばね−ＳＴＦ粘性ダンパーによる減衰力は主に第１のＳＭＡばね８１及び第２のＳＭＡばね８２により提供される。引張力が一定速度以上に達すると、ＳＭＡばね−ＳＴＦ粘性ダンパーによる減衰力は、同時に第１のＳＭＡばね８１、第２のＳＭＡばね８２及び減衰液の剪断による減衰力により提供される。ＳＭＡばね−ＳＴＦ粘性ダンパーが圧力を受けると、第２のダンパーキヤビティ７内の第２のＳＭＡばね８２が加圧されて短くなり、第１のダンパーキヤビティ４内の第１のＳＭＡばね８１がもとの長さへ伸長する。同様に、圧縮力が緩やかである場合、ＳＭＡばね−ＳＴＦ粘性ダンパーによる減衰力は、主に、第１のＳＭＡばね８１及び第２のＳＭＡばね８２により提供される。圧縮力が一定速度に達すると、ＳＭＡばね−ＳＴＦ粘性ダンパーによる減衰力は、同時に第１のＳＭＡばね８１、第２のＳＭＡばね８２及び減衰液の剪断による減衰力により提供される。

外力がなくなった後で、第１のＳＭＡばね８１及び第２のＳＭＡばね８２の超弾性回復力によりピストン６が押されることで、ＳＭＡばね−ＳＴＦ粘性ダンパーが復帰し、且つ復帰の間に、ピストン６が減衰媒体をオリフィスから通過するように押す。従って、本発明に係るＳＭＡばね−ＳＴＦ粘性ダンパーは、ＳＴＦせん断粘稠化流体１１がオリフィスを流れる内部摩擦や第１のＳＭＡばね８１の圧縮、第２のＳＭＡばね８２の復帰によって共にエネルギーを消費し、構造に対するエネルギーの消散や制震を達成させる。

前記第１のＳＭＡばね８１及び第２のＳＭＡばね８２の抵抗力は、負荷速度に依存せず、構造の変形位置にのみ依存する。変形制御が設計範囲内にあることを保証するために、第１のＳＭＡばね８１及び第２のＳＭＡばね８２のパラメータについては、荷重と変形との関係によって選用することができる。

本発明は、構造の動的応答や自復帰を改善する作用を有すると共に、構造の超量変位に対して一定の位置制限や抵抗作用を果たし、且つ取り付けが簡単で、操作が便利であること等の特点を有する。

１ 第１の接続部材
２ ピストンロッド
３ 左端蓋
４ 第１のダンパーキヤビティ
５ ダンパーシリンダ
６ ピストン
７ 第２のダンパーキヤビティ
９ 右端蓋
１０ 第２の接続部材
１１ ＳＴＦせん断粘稠化流体
８１ 第１のＳＭＡばね
８２ 第２のＳＭＡばね

Claims (5)

1. 第１の接続部材、ピストンロッド、左端蓋、第１のダンパーキヤビティ、ダンパーシリンダ、ピストン、第２のダンパーキヤビティ、第１のＳＭＡばね、第２のＳＭＡばね、右端蓋及び第２の接続部材を備え、
   左端蓋がダンパーシリンダの一端に設けられ、右端蓋がダンパーシリンダの他端に設けられ、ダンパーシリンダの内部がピストンによって第１のダンパーキヤビティ及び第２のダンパーキヤビティに仕切られ、
   ピストンがピストンロッドに嵌設され、
   ピストンロッドは、一端が左端蓋を貫通して第１の接続部材に接続され、他端が右端蓋を貫通し、
   右端蓋に第２の接続部材が固着され、
   第１のＳＭＡばね及び第２のＳＭＡばねがそれぞれピストンロッドに嵌設され、且つ第１のＳＭＡばねが第１のダンパーキヤビティ内に弾性的に当接し、第２のＳＭＡばねが第２のダンパーキヤビティ内に弾性的に当接し、前記第１のＳＭＡばね及び前記第２のＳＭＡばねは、前記ピストンロッドに沿って変形することができ、その一方が伸長すると、その他方が短縮するように協働し、前記ピストンが前記第１のダンパーキヤビティに沿って前記第２のダンパーキヤビティ方向へ移動する場合、前記ピストンロッドにおける前記第２のＳＭＡばねは圧縮され、前記第１のＳＭＡばねはもとの長さへ復帰し、
   第１のダンパーキヤビティ及び第２のダンパーキヤビティの何れにもＳＴＦせん断粘稠化流体が充填されることを特徴とする建築物用ＳＭＡばね−ＳＴＦ粘性ダンパー。
2. ストローク範囲において、第１のＳＭＡばねと第２のＳＭＡばねとの伸縮量の合計は、０であることを特徴とする請求項１に記載の建築物用ＳＭＡばね−ＳＴＦ粘性ダンパー。
3. 粘性ダンパーが加圧されて且つ設計ストロークを超えるような静的変形になると、第２のＳＭＡばねは圧縮され、第１のＳＭＡばねは動作を停止するまで、もとの長さへ復帰することを特徴とする請求項１に記載の建築物用ＳＭＡばね−ＳＴＦ粘性ダンパー。
4. 外部負荷から解除された後で、圧縮された第２のＳＭＡばねは、伸長してピストンを反対方向へ運動するように押し、第１のＳＭＡばねは圧縮され且つ動作を再開することを特徴とする請求項３に記載の建築物用ＳＭＡばね−ＳＴＦ粘性ダンパー。
5. ピストンロッドと左端蓋及び右端蓋の何れとの間にもシールリングが設けられることを特徴とする請求項１に記載の建築物用ＳＭＡばね−ＳＴＦ粘性ダンパー。

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