JP7611066B2 - ダンパー - Google Patents

Description

本発明は、ダンパーに関する。

免震建物や制振建物では、地震時に建物に生じる振動エネルギーを吸収して建物に減衰効果を与えるダンパーが重要な要素となる。従来、このダンパーには建物の変形の大きさによらずに安定した履歴特性を発揮することが求められていた。そして、これが可能な、座屈補剛した鋼材ダンパー、粘弾性ダンパー、オイルダンパーなどの多種多様なダンパーが開発されてきた。例えば、特許文献１には、弾塑性材料からなる複数の彎曲状部材によって構成された減衰機構が開示されている。

特開２０００－１０４７８７号公報

一方、昨今懸念されている設計レベルを超えた地震による建物への過大入力に対して、建物に生じる過大変形を抑制することが求められている。

しかし、引用文献１の減衰機構は、建物への過大入力に対して、建物に生じる過大変形を抑制することができないので、過大変形を抑制する手段を別途備える必要があり、過大変形を抑制する手段を備えるためのスペースやコストが掛かってしまう。

本発明は、上記の事実を考慮し、建物への過大入力に対して、建物に生じる過大変形を抑制することができるダンパーを提供することを目的とする。

第１態様に係るダンパーは、平行に配置された２つの直線部と、２つの前記直線部の端部同士をつなぐ曲り部と、を備えた金属製のダンパーユニットが同一面内に一対配置され、一対の前記ダンパーユニットの前記曲り部の頂部同士がつながって構成されている。

第１態様に係るダンパーによれば、相対移動する一の構造体と二の構造体との間にダンパーを取り付ける。すなわち、同一面内に配置された一対のダンパーユニットのそれぞれに備えられた一方の直線部の端部を一の構造体にそれぞれ固定し、他方の直線部の端部を二の構造体にそれぞれ固定する。

面内方向に対して一の構造体と二の構造体とが小さく相対移動する小変位時においては、一対のダンパーユニットが、これらのダンパーユニットに生じる歪を局部的に集中させずに分散させるようにして弾塑性変形する。これにより、ダンパーは、安定した履歴特性を発揮し、振動エネルギーを吸収して、一の構造体と二の構造体との相対移動（一の構造体に対する二の構造体の揺れ）を減衰することができる。

また、面内方向に対して一の構造体と二の構造体とが小変位時よりも大きく相対移動する中変位時においては、ダンパーは、小変位時と同様に安定した履歴特性を発揮し、振動エネルギーを吸収して、一の構造体と二の構造体との相対移動（一の構造体に対する二の構造体の揺れ）を減衰することができる。

さらに、面内方向に対して一の構造体と二の構造体とが過大に相対移動する大変位時においては、一対のダンパーユニットのそれぞれに備えられ互いにつながりあう曲り部が直線状となり、引張ブレース材の様に抵抗して、ダンパーはハードニングの履歴特性を発揮する。これにより、一の構造体と二の構造体との過大な相対移動（一の構造体に対する二の構造体の過大変位）を抑制することができる。すなわち、建物への過大入力に対して、建物に生じる過大変形を抑制することができる。

第２態様に係るダンパーは、第１態様に係るダンパーにおいて、前記曲り部は、円弧状に形成されている。

第２態様に係るダンパーによれば、曲り部が円弧状に形成されているので、滑らかな形状となり、ダンパーユニットに生じる歪をより局部的に集中させずに分散させることができ、これによってダンパーはより安定した履歴特性を発揮することができる。

第３態様に係るダンパーは、第１又は第２態様に係るダンパーにおいて、前記ダンパーユニットの一方の前記直線部の端部は、建物の制振階に配置された間柱を構成する下柱の上面に固定され、前記ダンパーユニットの他方の前記直線部の端部は、前記間柱を構成し前記下柱と離して前記下柱の上方に配置された上柱の下面に固定されている。

第３態様に係るダンパーによれば、ダンパーを、間柱の中間部に設けた制振ダンパーとして使用することができる。

本発明は上記構成としたので、建物への過大入力に対して、建物に生じる過大変形を抑制することができるダンパーを提供することができる。

一実施形態に係るダンパーを示す立面図である。 一実施形態に係るダンパーを示す斜視図である。 図３（ａ）～（ｃ）は、一実施形態に係るダンパーの形状の変化を示す立面図である。 比較例としてのダンパーを示す立面図である。 図４の５－５線断面図である。 図６（ａ）～（ｃ）は、比較例としてのダンパーの形状の変化を示す立面図である。 一実施形態に係るダンパーの数値解析結果を示す線図である。 比較例としてのダンパーの数値解析結果を示す線図である。 一実施形態に係るダンパーのバリエーションを示す立面図である。 図９の１０－１０線断面図である。 一実施形態に係るダンパーのバリエーションを示す斜視図である。 図１２（ａ）～（ｅ）は、一実施形態に係るダンパーのバリエーションを示す立面図である。 一実施形態に係るダンパーの配置バリエーションを示す立面図である。 一実施形態に係るダンパーの配置バリエーションを示す平面図である。 一実施形態に係るダンパーの配置バリエーションを示す平面図である。

以下、図面を参照しながら、一実施形態に係るダンパーについて説明する。

（ダンパー）
図１の立面図に示すように、ダンパー１０は、制振建物である建物１２に備えられ、水平方向へ相対移動可能に構築された、一の構造体としての下部構造体である床スラブ１００と、二の構造体としての上部構造体である梁１０４との間に形成された制振階層１４に配置されている。ダンパー１０は、床スラブ１００の上に設けられて間柱１０２を構成する下柱１６と、梁１０４の下に設けられて間柱１０２を構成する上柱１８との間に設けられて制振ダンパーとして機能する。

図２の斜視図に示すように、ダンパー１０は、平行となるように上下に水平に配置された２つの直線部２０、２２と、横方向へ凸となるように配置され２つの直線部２０、２２の端部同士をつなぐ曲り部２４とを備えて同一面内に一対配置されたダンパーユニット２６Ａ、２６Ｂを有している。

一対のダンパーユニット２６Ａ、２６Ｂは、互いの曲り部２４が反対方向へ凸となるようにして配置されている。そして、ダンパー１０は、この一対のダンパーユニット２６Ａ、２６Ｂの曲り部２４の頂部同士がつながって構成されている。

なお、以下の説明において、一対のダンパーユニット２６Ａ、２６Ｂが配置された同一面内の方向を「面内方向Ｘ」とする。すなわち、ダンパー１０は、直線部２０、２２が面内方向Ｘの水平方向へ沿って配置されるようにして設けられている。

ダンパーユニット２６Ａ、２６Ｂは、鋼材により形成された金属製の部材であり、曲り部２４は、円弧状に形成されている。また、一対のダンパーユニット２６Ａ、２６Ｂの曲り部２４の頂部同士は、溶接により接合されている。

図１に示すように、ダンパー１０は、一対のダンパーユニット２６Ａ、２６Ｂのそれぞれに備えられた一方の直線部２２の端部３６を下柱１６の上面に設けられたベースプレート２８にボルト３２によりそれぞれ固定し、一対のダンパーユニット２６Ａ、２６Ｂのそれぞれに備えられた他方の直線部２０の端部３４を上柱１８の下面に設けられたベースプレート３０にボルト３２によりそれぞれ固定することにより、下柱１６と上柱１８との間に設けられている。

（効果）
次に、本実施形態の効果について説明する。

図３（ａ）～（ｃ）の立面図は、面内方向Ｘの水平方向に対する床スラブ１００と梁１０４との相対移動にともなって変形したダンパー１０の形状を示したものであり（図１を参照のこと）、変形前のダンパー１０の形状を一点鎖線で示し、変形したダンパー１０の形状を実線で示している。

本実施形態のダンパー１０によれば、図３（ａ）に示すように、面内方向Ｘの水平方向に対して床スラブ１００と梁１０４とが小さく相対移動する小変位時においては、面内方向Ｘの水平方向に対して下柱１６と上柱１８とが小さく相対移動する。これにより、一対のダンパーユニット２６Ａ、２６Ｂが、これらのダンパーユニット２６Ａ、２６Ｂに生じる歪を局部的に集中させずに分散させるようにして弾塑性変形する。

これにより、ダンパー１０は、安定した履歴特性を発揮し、振動エネルギーを吸収して、床スラブ１００と梁１０４との相対移動（制振階層１４の変位）を減衰することができる。よって、建物１２の揺れを減衰することができる。

また、図３（ｂ）に示すように、面内方向Ｘの水平方向に対して床スラブ１００と梁１０４とが小変位時よりも大きく相対移動する中変位時においては、面内方向Ｘの水平方向に対して下柱１６と上柱１８とが小変位時よりも大きく相対移動する。これにより、ダンパー１０は、小変位時と同様に安定した履歴特性を発揮し、振動エネルギーを吸収して、床スラブ１００と梁１０４との相対移動（制振階層１４の変位）を減衰することができる。よって、建物１２の揺れを減衰することができる。

さらに、図３（ｃ）に示すように、面内方向Ｘの水平方向に対して床スラブ１００と梁１０４とが過大に相対移動する大変位時においては、面内方向Ｘの水平方向に対して下柱１６と上柱１８とが過大に相対移動する。これにより、一対のダンパーユニット２６Ａ、２６Ｂのそれぞれに備えられ互いにつながりあう曲り部２４が直線状となり（以下、つながりあう曲り部２４が直線状となった部分を「直線部３８」とする）、引張ブレース材の様に抵抗する。この際、直線部３８の軸剛性がこの抵抗に大きく寄与し、ダンパー１０はハードニングの履歴特性を発揮する。

また、下柱１６に対する上柱１８の移動の向きが反対側へ変わり、直線部３８の変形が戻る際には、この直線部３８の上下に設けられた曲り部２４（図３（ｃ）の例では、ダンパーユニット２６Ａの曲り部２４の上半分を構成している部材４０と、ダンパーユニット２６Ｂの曲り部２４の下半分を構成している部材４２）によって、ダンパーユニット２６Ａ、２６Ｂは座屈することなく、下柱１６に対する上柱１８の反対側への移動に対してもダンパー１０は、下柱１６に対する上柱１８の先の側への移動のときと同様のハードニングの履歴特性を発揮する。

これらにより、面内方向Ｘの水平方向に対する床スラブ１００と梁１０４との過大な相対移動（制振階層１４の過大変位）を抑制することができる。すなわち、建物１２への過大入力に対して、建物１２に生じる過大変形を抑制することができる。また、建物１２に生じる過大変形を抑制するための手段をダンパー１０と別途に備える必要がないので、建物１２に生じる過大変形を抑制するための手段を別途備えるためのスペースやコストが掛からない。

また、本実施形態のダンパー１０によれば、図２に示すように、曲り部２４が円弧状に形成されているので、滑らかな形状となり、ダンパーユニット２６Ａ、２６Ｂに生じる歪をより局部的に集中させずに分散させることができ、これによってダンパー１０はより安定した履歴特性を発揮することができる。

ここで、本実施形態のダンパー１０の効果を確認するために実施した、本実施形態のダンパー１０と、比較例としてのダンパー４４との数値解析の結果を示す。

図４の立面図、及び図４の５－５線断面図である図５に示すように、比較例としてのダンパー４４は、ダンパー１０を構成するダンパーユニット２６Ａ、２６Ｂを並設して構成されたものである。ダンパーユニット２６Ａとダンパーユニット２６Ｂとは、直線部２０、２２が面内方向Ｘの水平方向へ沿って配置されるようにして離して設けられており、ダンパーユニット２６Ａの曲り部２４とダンパーユニット２６Ｂの曲り部２４とはつながっていない。

また、ダンパー４４は、ダンパーユニット２６Ａ、２６Ｂのそれぞれに備えられた一方の直線部２２の端部を下柱１６の上面に設けられたベースプレート４６にボルト３２によりそれぞれ固定し、ダンパーユニット２６Ａ、２６Ｂのそれぞれに備えられた他方の直線部２０の端部を上柱１８の下面に設けられたベースプレート４８にボルト３２によりそれぞれ固定することによって、下柱１６と上柱１８との間に設けられている。

図６（ａ）～（ｃ）の立面図は、面内方向Ｘの水平方向に対する床スラブ１００と梁１０４との相対移動にともなって変形したダンパー４４の形状を示したものであり（図４を参照のこと）、変形前のダンパー４４の形状を一点鎖線で示し、変形したダンパー４４の形状を実線で示している。

ダンパー４４では、面内方向Ｘの水平方向に対して床スラブ１００と梁１０４とが小さく相対移動する小変位時（図６（ａ））、面内方向Ｘの水平方向に対して床スラブ１００と梁１０４とが小変位時よりも大きく相対移動する中変位時（図６（ｂ））、及び面内方向Ｘの水平方向に対して床スラブ１００と梁１０４とが過大に相対移動する大変位時（図６（ｃ））においてともに、ダンパーユニット２６Ａ、２６Ｂが、ダンパーユニット２６Ａ、２６Ｂに生じる歪を局部的に集中させずに分散させるようにしてそれぞれ弾塑性変形する。

これにより、ダンパー４４は、安定した履歴特性を発揮し、振動エネルギーを吸収して、床スラブ１００と梁１０４との相対移動（制振階層１４の変位）を減衰することができる。

しかし、ダンパー４４は、面内方向Ｘの水平方向に対して床スラブ１００と梁１０４とが過大に相対移動する大変位時（図６（ｃ））においても、ダンパーユニット２６Ａ、２６Ｂが弾塑性変形するために、ハードニングの履歴特性は発揮されない。よって、面内方向Ｘの水平方向に対する床スラブ１００と梁１０４との過大な相対移動（制振階層１４の過大変位）を抑制することはできない。

図７のグラフは、ダンパー１０（図１を参照のこと）に対して数値解析により求めた、ダンパー１０の面内方向Ｘの水平変位量（横軸）に対する、ダンパー１０に発生する面内方向Ｘの水平方向荷重（縦軸）の値５０を示したものである。

値５０の内の値５０Ａは、ダンパー１０の面内方向Ｘの小変位時の値であり、値５０Ｂは、ダンパー１０の面内方向Ｘの中変位時の値であり、値５０Ｃは、ダンパー１０の面内方向Ｘの大変位時の値である。

値５０Ａから、小変位時においては、ダンパー１０が安定した履歴特性を発揮することがわかる。

また、値５０Ｂから、中変位時においては、ダンパー１０が安定した履歴特性を発揮することがわかる。

さらに、値５０Ｃから、大変位時においては、ダンパー１０がハードニングの履歴特性を発揮することがわかる。

図８のグラフは、ダンパー４４（図４を参照のこと）に対して数値解析により求めた、ダンパー４４の面内方向Ｘの水平変位量（横軸）に対する、ダンパー４４に発生する面内方向Ｘの水平方向荷重（縦軸）の値５２を示したものである。

値５２の内の値５２Ａは、ダンパー４４の面内方向Ｘの小変位時の値であり、値５２Ｂは、ダンパー４４の面内方向Ｘの中変位時の値であり、値５２Ｃは、ダンパー４４の面内方向Ｘの大変位時の値である。

値５２Ａから、小変位時においては、ダンパー４４が安定した履歴特性を発揮することがわかる。

また、値５２Ｂから、中変位時においては、ダンパー４４が安定した履歴特性を発揮することがわかる。

さらに、値５２Ｃから、大変位時においては、ダンパー４４が安定した履歴特性を発揮し、ハードニングの履歴特性は発揮しないことがわかる。

また、図７の値５０と図８の値５２とから、ダンパー１０、４４に発生する面内方向Ｘの水平方向荷重は、ダンパー４４よりもダンパー１０の方が大きいことがわかる。これにより、ダンパー１０は、大きな水平方向荷重を負担できるので、建物１２の制振階層１４に設置する数を減らすことが可能であることがわかる。

（変形例）
次に、上記実施形態の変形例について説明する。

上記実施形態では、図１及び図２に示すように、一対のダンパーユニット２６Ａ、２６Ｂの曲り部２４の頂部同士を溶接により接合して、ダンパー１０を構成した例を示したが、一対のダンパーユニット２６Ａ、２６Ｂはつながっていればよい。

例えば、一対のダンパーユニット２６Ａ、２６Ｂの曲り部２４の頂部同士を他の接合方法によって接合してもよいし、一対のダンパーユニット２６Ａ、２６Ｂを板材から一体の形で切り抜いて形成してもよい。

図９、及び図９の１０－１０線断面図である図１０には、一対のダンパーユニット２６Ａ、２６Ｂの曲り部２４の頂部同士をボルト６６及びナット６８によって接合した例が示されている。このように、一対のダンパーユニット２６Ａ、２６Ｂの曲り部２４の頂部同士をボルト６６及びナット６８によって接合する場合、ボルト孔による断面欠損を考慮して、曲り部２４を部分的に拡幅するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、図１に示すように、ダンパーユニット２６Ａ、２６Ｂに備えられた直線部２２の端部３６を下柱１６の上面に設けられたベースプレート２８にボルト３２により固定し、ダンパーユニット２６Ａ、２６Ｂに備えられた直線部２０の端部３４を上柱１８の下面に設けられたベースプレート３０にボルト３２により固定することにより、ダンパー１０を下柱１６と上柱１８との間に設けた例を示したが、図１１の斜視図に示すように、ダンパーユニット２６Ａ、２６Ｂの直線部２０、２２の端部３４、３６は、ボルト孔による断面欠損を考慮して拡幅するようにしてもよい。

さらに、上記実施形態では、図１及び図２に示すように、ダンパー１０を構成するダンパーユニット２６Ａ、２６Ｂの曲り部２４の形状を円弧状とした例を示したが、曲り部の形状は、曲がっている形状であれば他の形状であってもよい。例えば、ダンパーは、図１２（ａ）～（ｅ）の立面図に示すダンパー７０、７２、７４、７６、７８であってもよい。図１２（ｅ）に示されたダンパー７８を構成するダンパーユニット２６Ａ、２６Ｂの曲り部２４は、二次曲線状に形成されている。

また、上記実施形態では、図１に示すように、ダンパー１０のダンパーユニット２６Ａ、２６Ｂを、鋼材により形成された金属製の部材とした例を示したが、ダンパーユニット２６Ａ、２６Ｂは弾塑性を有する金属製の部材であればよい。例えば、Ｆｅ－Ｍｎ－Ｓi合金等の合金やアルミ材等によって、ダンパーユニット２６Ａ、２６Ｂを形成してもよい。

さらに、上記実施形態では、図１に示すように、間柱１０２を構成する下柱１６と上柱１８との間にダンパー１０を設けた例を示したが、ダンパー１０は、制振建物の制振階を構成する柱梁架構内に設置する壁、パネルなどの中間部に設置して、制振ダンパーとして機能させてもよい。

また、上記実施形態では、図１に示すように、ダンパー１０を、制振建物である建物１２に備えられた制振階層１４に配置して制振ダンパーとして機能させた例を示したが、ダンパー１０は、免震建物の基礎免震層や中間免震層等の免震層に配置して免震ダンパーとして用いてもよい。すなわち、水平方向に対して相対移動する下部構造体と上部構造体との間に形成された免震層に、一対のダンパーユニット２６Ａ、２６Ｂのそれぞれに備えられた一方の直線部２２の端部３６を下部構造体の上面にそれぞれ固定し、一対のダンパーユニット２６Ａ、２６Ｂのそれぞれに備えられた他方の直線部２０の端部３４を上部構造体の下面にそれぞれ固定して、ダンパー１０を設けるようにしてもよい（図１を参照のこと）。

さらに、上記実施形態では、図１に示すように、建物１２の制振階層１４に１つのダンパー１０を配置した例を示したが、ダンパー１０は、いくつ配置してもよいし、どのように配置してもよい。

図１３の立面図には、建物８６の制振階８８に配置された間柱９０の中間部に３つの制振ダンパーとしてのダンパー１０が横方向へ並んで設置されている例が示されている。ダンパーユニット２６Ａ、２６Ｂの一方の直線部２２の端部は、間柱９０を構成するとともに床スラブ９４上に設けられた下柱９２の上面に固定され、ダンパーユニット２６Ａ、２６Ｂの他方の直線部２０の端部は、間柱９０を構成するとともに梁９６下に設けられ、下柱９２と離して下柱９２の上方に配置された上柱９８の下面に固定されている。このようにすれば、ダンパー１０を、間柱９０の中間部に設けた制振ダンパーとして使用することができる。

図１４の平面図、及び図１５の平面図には、免震層に、平面視にて建物８０の桁行方向８２に沿って２つの免震ダンパーとしてのダンパー１０を対向させて配置するとともに、平面視にて建物８０の梁間方向８４に沿って２つの免震ダンパーとしてのダンパー１０を対向させて配置した例が示されている。

また、上記実施形態では、図１に示すように、水平方向へ相対移動可能に構築された、一の構造体としての下部構造体である床スラブ１００と、二の構造体としての上部構造体である梁１０４との間にダンパー１０を設けた例を示したが、ダンパー１０は、鉛直方向又は鉛直方向に対する斜めの方向へ相対移動可能に構築された一の構造体と二の構造体との間に設けてもよい。

さらに、上記実施形態では、図１に示すように、建物１２にダンパー１０を適用した例を示したが、ダンパー１０は、鉄筋コンクリート造、鉄骨鉄筋コンクリート造、ＣＦＴ造（Concrete Filled Steel Tube：コンクリート充填鋼管構造）、木造等のさまざまな構造の建物に対して適用可能である。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に限定されるものでなく、一実施形態及び各種の変形例を適宜組み合わせて用いても良いし、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。

１０、７０、７２、７４、７６、７８ ダンパー
２０、２２ 直線部
２４ 曲り部
２６Ａ、２６Ｂ ダンパーユニット
３４、３６ 端部
８６ 建物
８８ 制振階
９０、１０２ 間柱
１６、９２ 下柱
１８、９８ 上柱

Claims (2)

1. 平行に配置された２つの直線部と、２つの前記直線部の端部同士をつなぐ曲り部と、を備えた金属製のダンパーユニットが同一面内に一対配置され、一対の前記ダンパーユニットの前記曲り部の頂部同士がつながって構成されており、
   前記ダンパーユニットの一方の前記直線部の端部は、建物の制振階に配置された間柱を構成する下柱の上面に固定され、前記ダンパーユニットの他方の前記直線部の端部は、前記間柱を構成し前記下柱と離して前記下柱の上方に配置された上柱の下面に固定されているダンパー。
2. 前記曲り部は、円弧状に形成されている請求項１に記載のダンパー。