JP4245258B2

JP4245258B2 - 制振部材の設計方法

Info

Publication number: JP4245258B2
Application number: JP2000166258A
Authority: JP
Inventors: 和彦笠井
Original assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2000-06-02
Filing date: 2000-06-02
Publication date: 2009-03-25
Anticipated expiration: 2020-06-02
Also published as: JP2001342749A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地震や風等による建築構造物の振動を減衰する制振部材の設計方法に係り、特に、粘弾性ダンパーと摩擦ダンパーとを組合せた、制振部材の設計方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、地震や強風による鉄骨建築構造物の振動を低減する手法として、建物架構にダンパー装置を設置する方法が多用されている。従来、この種の制振用ダンパーには、例えば、（イ）粘弾性ダンパーと（ロ）摩擦ダンパーなどがある。
【０００３】
ところで、（イ）は、風振動、小・中規模地震のような比較的小振幅域から大地震時に至るまで振動に対して制振効果を有効に発揮する。しかし、その履歴形状が振動に対して相似的に拡大するため、大地震時においてダンパーに作用する力が過大になり易くなり、これによって、主構造部材の破損を招くという欠点がある。
一方、（ロ）は、滑り荷重以下の弾性範囲ではエネルギーを吸収しないので、中小地震に対して減衰効果を有しない。また、外乱入力後の残留変形・応力が生じるという問題点も存在する。このように、（イ）と（ロ）にはそれぞれ一長一短がある。
【０００４】
そこで、上記（イ）と（ロ）の欠点を克服するための技術として、例えば、特開平９−２６８８０２号公報（制振ダンパー）と特許第２９８７３３１号公報（粘弾性ダンパーを用いたブレース構造）に記載されたものが知られている。
【０００５】
特開平９−２６８８０２号公報では、建築物の相対変位可能な２部材間には、粘弾性・粘性ダンパーからなる第１のダンパーと、鋼材ダンパー又は摩擦ダンパーからなる第２のダンパーを直列に接続した制振ダンパーを取付けられている（先行技術１）。
【０００６】
特許第２９８７３３１号公報に記載のブレースは、粘弾性ダンパーと、ブラケットをボルト結合で挟んだ接続プレートによる摩擦接合（以下、摩擦ダンパーという）とを接続して構成するものである（先行技術２）。
【０００７】
【本発明が解決しようとする課題】
前記の先行技術１又は先行技術２は、過大な負荷が加わった際、摩擦減衰力によって、粘弾性ダンパーの減衰機能を維持することにより、より広範囲の振動領域で制振効果を得るために提案されたものである。
【０００８】
しかしながら、上記した先行技術１では、ダンパー装置の具体的な構造は、記載されていないため、実用上の制振効果、装置のコスト、耐久性、信頼性等に不明点が多い。
【０００９】
また、先行技術２では、以下の問題がある。
＜イ＞摩擦ダンパーでは、通常の構造部材を摩擦材としているため、摩擦力と復元力特性が不安定な場合が多い。通常の構造部材の場合、材料同士のかみ合い、すべり等が不規則に起こるためである。また、温度、湿度、中小地震や強風による繰り返し荷重による摩擦消耗等によっても、変動し易い。
＜ロ＞また、構造物への長期間供用にあっては、錆び、鉄同士の密着等も問題となる。
＜ハ＞構造部材としてボルトは剛性が高く、よって摩擦面での摩耗による板厚の減少がボルト軸力に敏感に影響し、ボルト軸力の顕著な低下を誘発する。このため、必要に応じた摩擦力を確保することが極めて困難である。
＜ニ＞摩擦力が直接に粘弾性ダンパーの荷重となっているため、その不安定さにより、粘弾性ダンパーの挙動も不規則なものとなる。
【００１０】
一方、発明者らの最近研究により、主架構に制振部材を組み込む場合では、主架構の剛性及び耐力に対して、最適な制振効果を生むためには、制振部材の剛性、降伏力とエネルギー吸収量の調整が必要であり、ここで提案する制振部材は単体又は単一装置を使った場合に比べ調整の自由度が格段に増す。よって、地震等の外乱による構造物の応答変位と応答加速度を同時に低減することを、より効率的に行うことができる。
【００１１】
また、摩擦ダンパーと粘弾性ダンパーを組合せた制振部材において、前者のすべりにより、後者の変形がある一定値以下に抑えられることが、様々な地震入力を用いた実験と解析により確認された。この変形上限値は、前者の滑り荷重を、滑りが起こらない時の後者の剛性で割った値であることも分かった。これらにより、地震や風の大小にかかわらず、粘弾性ダンパーの変形を抑制し、破壊を防ぐことができる。
また、摩擦ダンパーの必要稼働範囲も制振部材全体への変形要求から上記上限値を差引いた値として求まる。
【００１２】
更に、現状では粘弾性ダンパーにおける粘弾性材の剛性、エネルギー吸収能力は、温度に依存している。低温では粘弾性材が硬く、それ由、単体で使用すると復元力が上昇することにより、また高温ではその逆が起こる。復元力の上昇は、エネルギー吸収増加となるが、取付け部、梁と柱のような構造部材及び基礎の応力上昇に繋がり、これら部分が破損する原因となる。
ここで、摩擦ダンパーを組み合わせることにより、装置全体として復元力を一定レベルに抑えることができるため、上記構造部材や基礎が守られ、その設計が容易になる。
【００１３】
【本発明の目的】
本発明は以上の点を鑑みなされたもので、その目的とするところは、以下のような項目を同時に満足でき、しかも経済性に優れる制振部材の設計方法を提供することにある。
＜イ＞安定した摩擦力と復元力特性を得ることができること。
＜ロ＞摩擦係数と摩擦減衰力の選択自由度が高いこと。
＜ハ＞制振部材全体として必要な剛性、耐力及び寸法に制約を受けることが少ないこと。
＜ニ＞様々な地震や風荷重に対して粘弾性ダンパーの変形を制御することにより、粘弾性材料の破壊を防ぐこと。
＜ホ＞摩擦ダンパーと粘弾性ダンパーへの変形要求を評価することにより、それぞれのダンパーの設計を効率的に行うこと。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記のような目的を達成するために、本発明の請求項１に係る制振部材の設計方法は、粘弾性体の変形により減衰力を発生する粘弾性ダンパーと、摩擦摺動により摩擦減衰力を発生する摩擦ダンパーとを直列に組合せた制振部材の設計方法であって、摩擦ダンパーは、摩擦材を介して摩擦摺動部材と圧接部材とを締付け手段で押圧して形成し、摩擦ダンパーの滑り荷重を粘弾性ダンパーの剛性で割った値の設定により、粘弾性ダンパーにおける変形を制御することを特徴とするものである。
【００１５】
また、請求項２に係わる発明は、粘弾性ダンパーの変形上限値を、粘弾性体の限界せん断歪値で割ることにより、粘弾性体の最小厚さが求まることを特徴とする、請求項１に記載の制振部材の設計方法である。
【００２０】
【本発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明に係る制振部材の設計方法の実施の形態について説明する。
【００２１】
＜イ＞制振部材の基本構成
図１は、本発明に係る制振部材１の一実施形態を示すもので、該制振部材１を柱ａと梁ｂより構成される主架構Ａ内に組込まれ、ブレース材として使用する場合を例示する概念図である。
図２は、前記制振部材１の一部の拡大図を示すものである。まず、本発明の制振部材１は、基本的に、粘弾性体のせん断変形により減衰力を発生する粘弾性ダンパー２と、摩擦摺動により摩擦減衰力を発生する摩擦ダンパー３とを備えている。
粘弾性ダンパー２は、本発明において特に限定しないが、例えば、粘弾性体を数枚の金属板で挟持し、金属板間に生じる粘弾性体のせん断変形により振動エネルギーを減衰させる公知のものを使用しても良い。
一方、摩擦ダンパー３は、摩擦材３１を介して摩擦摺動部材３２と圧接部材３３とを締付け手段４で押圧して形成するものである。
そして、前記粘弾性ダンパー２と摩擦ダンパー３とは、部材の軸方向に沿って直列結合する。この際、粘弾性ダンパー２の変形上限値としては、摩擦ダンパー３の滑り荷重と、粘弾性ダンパー２の（等価）剛性の比で設定するのが好ましい。
これによって、地震や風等の外乱の大小にかかわらず、粘弾性ダンパーの変形を抑制し、破壊を防ぐことが可能となる。両者の長所を生かすことができ、制振効果を最大限に得ることが可能となる。また、摩擦ダンパーの必要稼働範囲も所要の全体変形から上記上限値を差引くことにより容易に求まることができる。
【００２２】
また、粘弾性ダンパー２の変形上限値を粘弾性体の限界せん断歪値で割ることにより、粘弾性体の最小厚さが求まり、これにより粘弾性体の面積を必要剛性に対して最小化することが可能となる。
このように摩擦ダンパー３と組合わせることにより、粘弾性ダンパー２の最小化、そして信頼性の向上が達成できる。また、制振部材又は装置全体として復元力を一定レベルに抑えることができ、その設計が容易になる。さらに、装置全体としての剛性とエネルギー吸収能力の温度に対する依存性を顕著に緩和することができるので、主架構及び構造物全体の応答が温度変化に敏感になることを防ぐことが可能となる。
【００２３】
以下、図面を用いて本発明に係る摩擦ダンパーの実施の形態をより具体的に説明する。
【００２４】
＜イ＞実施形態１
本発明に係る摩擦ダンパー３は、図２（ａ）と（ｂ）に示すように、摩擦材３１を、摺動方向にコ字形に形成された圧接部材３３において、該部材３３の上下突縁部３３ａ、３３ｂと、摩擦摺動部材３２との間に挟み込み、前記突縁部３３ａ、３３ｂと摩擦摺動部材３２を締付け手段４で押圧して形成してある。
図示の例では、締付け手段４は、突縁部３３ａ、３３ｂと、摩擦摺動部材３２と、摩擦材３１を同時に貫通した高力ボルト４１と、このボルト４１に螺合したナット４２で締付けるように構成してある。
また、圧接部材３３には、摺動用の孔３３ｃが摺動方向に長く開設され、圧接部材３３と摩擦摺動部材３２は、この孔の方向に沿って相対摺動自在になっている。
【００２５】
上記摩擦材３１は、必要に応じた摩擦係数を有し、かつ、耐久性と信頼性に優れた材料を選択して使用することが出来る。このような材料としては、例えば、ブレーキパッドが好ましい。
また、摩擦摺動部材３２としては、その両面が前記摩擦材３１、３１の対向面に接触され、例えば、一般構造用炭素鋼（ＳＳ４００、ＳＭ４９０）、必要に応じて、ハードクロムメッキを施したもの、ステンレス鋼（ＳＵＳ４３０）等のような鋼材を使用する。
一方、圧接部材３３と摩擦摺動部材３２の一端との間には、両者の相対移動を許容する隙間を設けてある。また、必要に応じて、圧接部材３３のウェブ部３３ｄには、前記相対移動自在になるようなスリットを凹設しても良い。
これによって、摩擦材３１の摩擦係数と締付け手段４（圧接力、面圧の大きさ）とを組合せることによって、摩擦力を任意の値に設定することが容易になる。
【００２６】
以上の構成により、摩擦ダンパー３に引張り・圧縮力が作用すると、摩擦摺動部材３２と摩擦材３１の相対摺動による摩擦力によって、エネルギーを吸収すると共に、図示しない皿ばねを組み込んだ高力ボルトを使用することにより、圧接力（面力）を一定に保持したまま、従来技術よりも、安定した摩擦力と復元力特性を得ることが可能となる。
【００３４】
【本発明の効果】
本発明に係る制振部材の設計方法は、以上説明したようになるから、次のような効果を得ることができる。
＜イ＞安定した摩擦力と復元力特性を得ることができる。
＜ロ＞摩擦係数と摩擦減衰力の選択自由度を高めることができる。
＜ハ＞制振部材全体として必要な剛性、耐力及び寸法の設計自由度を高めることができる。
＜ニ＞様々な地震や風荷重に対して粘弾性ダンパーの変形を制御することにより、粘弾性材料の破壊を防ぐことができる。
＜ホ＞摩擦ダンパーと粘弾性ダンパーへの変形要求を評価することにより、それぞれのダンパーの設計を効率的に行うことができる。
＜ヘ＞＜イ＞〜＜ヘ＞によって、高剛性、高耐力を有し、減衰性能を向上する制振部材を提供することができる。
＜ト＞制振部材全体としての剛性とエネルギー吸収能力の温度に対する依存性を顕著に緩和することができるので、構造物全体の応答が温度変化に敏感になることを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る制振部材の使用例を示す概念図
【図２】（ａ）本発明の制振部材に係る摩擦ダンパーの第１実施形態の横断面図
（ｂ）（a）の一部の拡大斜視図
【符号の説明】
１制振部材
２粘弾性ダンパー
３摩擦ダンパー
３１摩擦材
３２摩擦摺動部材
３３圧接部材
３３ａ上突縁部
３３ｂ下突縁部
３３ｃ摺動用孔
３３ｄウェブ
４締付け手段
４１ボルト
４２ナット

Claims

粘弾性体のせん断変形により減衰力を発生する粘弾性ダンパーと、
摩擦摺動により摩擦減衰力を発生する摩擦ダンパーとを直列に組合せた制振部材の設計方法であって、
摩擦ダンパーは、摩擦材を介して摩擦摺動部材と圧接部材とを締付け手段で押圧して形成し、
摩擦ダンパーの滑り荷重を粘弾性ダンパーの剛性で割った値の設定により、粘弾性ダンパーにおける変形を制御することを特徴とする、
制振部材の設計方法。
粘弾性ダンパーの変形上限値を、粘弾性体の限界せん断歪値で割ることにより、粘弾性体の最小厚さが求まることを特徴とする、
請求項１に記載の制振部材の設計方法。