(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
建物における外力により相対移動する二つの部材間に用いられるエネルギー吸収用の板状のせん断ダンパであって、
前記二つの部材間を結ぶ第１の方向の両端に位置し前記二つの部材にそれぞれ固定される両側の固定部と、これら両側の固定部の間にそれぞれ前記固定部に隣り合って位置し外力による曲げによって損傷する両側の損傷部と、これら両側の損傷部の間に位置する連結部とを備え、
前記両側の固定部の前記第１の方向の長さは互いに等しく、かつ前記両側の損傷部の第１の方向の長さは互いに等しく、
前記損傷部は前記第１の方向と垂直な断面の形状が矩形であり、前記第１の方向の中心から距離ｙだけ離れた前記断面における、せん断力がかかる方向である第２の方向の辺の長さをｔ、これと直交する辺の長さをｂとした場合、次式
ｙ＝Ｘ・ｂ・ｔ２
但しＸは定数、
の関係が成り立ち、
かつ前記固定部および前記連結部の前記第１の方向と垂直な断面の面積は、いずれも、前記式を満たすｂ,ｔの値より導かれる面積（ｂ・ｔ）よりも大きいことを特徴とするせん断ダンパ。
【請求項２】
請求項１に記載のせん断ダンパにおいて、前記第２の方向の辺の長さｔ、および前記直交する辺の長さｂが、前記連結部の前記第１の方向の全長に亘って共に一定であるせん断ダンパ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のせん断ダンパにおいて、材料の許容せん断応力度をτ、建物ごとに決められる設計せん断力をＱとした場合、前記連結部の断面の面積が、次式
τ≧Ｑ／（ｂ・ｔ）
で与えられる条件を充足するせん断ダンパ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、住宅やその他各種の建物における地震等の外力により相対移動する二つの部材間に用いられるエネルギー吸収用の板状のせん断ダンパに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、せん断力に対して曲げで損傷させる板状のせん断ダンパでは、弱点となりうる溶接等による両端の接合部に損傷を発生させないように、接合部から離れた一部分に切欠きを設けることで損傷する箇所を接合部以外に限定させている。外力によりせん断ダンパに作用するモーメントの大きさは、両端の接合部間の中心を挟んでモーメントの正負が反転する逆対称曲げモーメントの勾配に対応して、前記中心からの距離で決定される。前記切欠きを設けたせん断ダンパの場合、外力によるモーメントに対して断面性能が下回った箇所で損傷することになる。
【０００３】
また、せん断ダンパの一部に切欠きを設けることで、広い範囲で損傷が発生するようにした例もあるが、切欠きの位置や大きさは経験的に決められているにすぎない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２０７２９２号公報
【特許文献２】特開昭６４−３６８４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の曲げによって損傷させる形式のせん断ダンパの場合、モーメント勾配と断面係数によって決定された位置に損傷を発生させることができるが、決定された位置となる断面に損傷が集中するため、一箇所に曲げによる亀裂が入る。このため、変形能力が小さく、繰り返してかかる力に対して耐久力が乏しい。また、モーメント勾配に合わせた断面係数となるように切欠きの形状が決められていないため、最も効率良く損傷させることができない。
【０００６】
この発明の目的は、地震等の外力によるせん断力を受けた場合に、ある領域を持つ一部分を同じ荷重で損傷させることで、変形能力が大きくかつ耐久力に優れたせん断ダンパを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明のせん断ダンパは、建物における外力により相対移動する二つの部材間に用いられるエネルギー吸収用の板状のせん断ダンパであって、前記二つの部材間を結ぶ第１の方向の両端に位置し前記二つの部材にそれぞれ固定される両側の固定部と、これら両側の固定部の間にそれぞれ前記固定部に隣り合って位置し外力による曲げによって損傷する両側の損傷部と、これら両側の損傷部の間に位置する連結部とを備える。前記両側の固定部の前記第１の方向の長さは互いに等しく、かつ前記両側の損傷部の第１の方向の長さは互いに等しく、前記損傷部は前記第１の方向と垂直な断面の形状が矩形であり、前記第１の方向の中心から距離ｙだけ離れた前記断面における、せん断力がかかる方向である第２の方向の辺の長さをｔ、これと直交する辺の長さをｂとした場合、次式
ｙ＝Ｘ・ｂ・ｔ２
但しＸは定数、
の関係が成り立ち、かつ前記固定部および前記連結部の前記第１の方向と垂直な断面の面積は、いずれも、前記式を満たすｂ,ｔの値より導かれる面積（ｂ・ｔ）よりも大きいことを特徴とする。
【０００８】
式ｙ＝Ｘ・ｂ・ｔ２は、第１の方向の中心から距離ｙにある断面の耐力となる曲げモーメントと、せん断ダンパがせん断力を受けたときに第１の方向の中心から距離ｙの位置に発生する曲げモーメントとの関係から導かれる。Ｘは、材料の降伏強度や建物ごとに決められる設計せん断力から計算される定数である。上記式から、せん断力が作用する方向の辺の長さｔを一定とした場合、式ｂ＝α・ｙ（α：定数）が導かれる。また、第１の方向の中心から距離ｙだけ離れた断面における第２の方向と直交する方向の辺の長さｂを一定とした場合、式ｔ＝β√ｙ（β：定数）が導かれる。このようにｂ，ｔを定めることで、損傷部の第１の方向の全領域において、第１の方向の中心から距離ｙにある断面の耐力となる曲げモーメントと、せん断ダンパがせん断力を受けたときに第１の方向の中心から距離ｙの位置に発生する曲げモーメントとが一致する。
【０００９】
固定部および連結部の断面の面積は、前記式ｙ＝Ｘ・ｂ・ｔ２で決定される断面の面積よりも大きいため、このせん断ダンパが設けられる二つの部材間に相対移動が発生すると、損傷部が変形することでエネルギーを吸収する。損傷部の断面の面積を式ｙ＝Ｘ・ｂ・ｔ２の関係が成り立つ形状としたため、損傷部が全領域で同程度に損傷する。つまり、損傷部の一部が局所的に損傷するのではなく、全体が少しずつ損傷する。そのため、変形能力が大きくかつ耐久力に優れる。
【００１０】
この発明において、前記第２の方向の辺の長さｔ、および前記直交する辺の長さｂが、前記連結部の前記第１の方向の全長に亘って共に一定であってもよい。この場合、連結部の両側縁の形状が平行となり、加工がし易い。
【００１１】
この発明において、材料の許容せん断応力度をτ、建物ごとに決められる設計せん断力をＱとした場合、前記連結部の断面の面積が、次式
τ≧Ｑ／（ｂ・ｔ）
で与えられる条件を充足するとよい。
逆対称曲げモーメントに対する耐力だけであれば、式ｙ＝Ｘ・ｂ・ｔ２で決定される断面の面積よりも大きくするだけでよいが、二つの部材間でせん断ダンパを介してせん断力を伝達させるために連結部の断面の面積を上記のように定める。
【発明の効果】
【００１２】
この発明のせん断ダンパは、建物における外力により相対移動する二つの部材間に用いられるエネルギー吸収用の板状のせん断ダンパであって、前記二つの部材間を結ぶ第１の方向の両端に位置し前記二つの部材にそれぞれ固定される両側の固定部と、これら両側の固定部の間にそれぞれ前記固定部に隣り合って位置し外力による曲げによって損傷する両側の損傷部と、これら両側の損傷部の間に位置する連結部とを備え、前記両側の固定部の前記第１の方向の長さは互いに等しく、かつ前記両側の損傷部の第１の方向の長さは互いに等しく、前記損傷部は前記第１の方向と垂直な断面の形状が矩形であり、前記第１の方向の中心から距離ｙだけ離れた前記断面における、せん断力がかかる方向である第２の方向の辺の長さをｔ、これと直交する辺の長さをｂとした場合、次式
ｙ＝Ｘ・ｂ・ｔ２
但しＸは定数、
の関係が成り立ち、かつ前記固定部および前記連結部の前記第１の方向と垂直な断面の面積は、いずれも、前記式を満たすｂ,ｔの値より導かれる面積（ｂ・ｔ）よりも大きいため、地震等の外力によるせん断力を受けた場合に、ある領域を持つ一部分を同じ荷重で損傷させることで、変形能力が大きくかつ耐久力に優れている。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明の基本的な考え方の説明図である。
【図２】逆対称曲げモーメントを示す図である。
【図３】（Ａ）はこの発明の第１の実施形態に係るせん断ダンパの正面図、（Ｂ）はその側面図、（Ｃ）はその水平断面図である。
【図４】従来のせん断ダンパの耐力試験結果を示すグラフである。
【図５】この発明のせん断ダンパの耐力試験結果を示すグラフである。
【図６】（Ａ）はこの発明の第２の実施形態に係るせん断ダンパの正面図、（Ｂ）はその側面図、（Ｃ）はその水平断面図である。
【図７】複合せん断ダンパを示す図である。
【図８】異なる複合せん断ダンパを示す図である。
【図９】（Ａ）はさらに異なる複合せん断ダンパの正面図、（Ｂ）はその側面図である。
【図１０】異なる複合せん断ダンパの斜視図である。
【図１１】（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）はせん断ダンパを用いた耐力壁の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
この発明の実施形態を図面と共に説明する。この発明のせん断ダンパは、戸建て住宅、集合住宅等の住宅やその他各種の建物における地震等の外力により相対移動する二つの部材間に用いられる。例えば、図１１（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示す各耐力壁において、パネルフレーム２１と斜材２５との接合部にせん断ダンパ１が用いられる。図１１（Ａ）の場合、パネルフレーム２１の縦フレーム材２２および斜材２５が相対移動する二つの部材であり、図１１（Ｂ）および図１１（Ｃ）の場合、パネルフレーム２１の横フレーム材２３および斜材２５が相対移動する二つの部材である。
【００１５】
実施形態の説明に先立ち、この発明の基本的な考え方について説明する。図１（Ａ）〜（Ｄ）は、外力により相対移動する二つの部材１０，１０間に板状のせん断ダンパ１を設けた状態を示す。上段は側面図、下段は正面図である。
図１（Ａ）に示すような幅が一定のせん断ダンパ１に厚さ方向のせん断力が作用すると、図１（Ｂ）のように、相対移動する二つの部材１０に固定された固定部１１に負担がかかり損傷する。溶接箇所である固定部１１は入熱の影響により他の部分よりも弱いため、固定部１１で損傷が発生する。固定部１１で損傷してしまうと、せん断ダンパ１が耐え得るせん断力の予測がたたない。
【００１６】
そこで、図１（Ｃ）のように、せん断ダンパ１の一部分に切欠き１２を設けることで、損傷する箇所を固定部１１以外に限定させることが行われている。しかし、単に切欠き１２を設けるだけでは、切欠き１２とそれ以外の箇所との境界部１３に損傷が集中するため、変形能力が小さくかつ耐久力に乏しいせん断ダンパとなる。前記境界部１３に損傷が集中するのは、次の理由による。せん断ダンパ１には、外力により中央でモーメントの正負が反転する逆対称曲げモーメントＭ（図２参照）が作用する。この逆対称曲げモーメントＭに対して断面係数が下回った箇所で損傷が発生する。このため、切欠き１２の範囲内で最も大きな曲げモーメントが作用する箇所である、長手方向の中心から最も離れた境界部１３に損傷が集中するのである。
【００１７】
この発明の主旨は、図１（Ｄ）のように、逆対称曲げモーメントＭと断面係数が一致するようにせん断ダンパ１の形状を工夫することで、所定の範囲１４で損傷が同程度に発生させる。これにより、せん断ダンパ１の変形能力を大きくかつ耐久力を向上させることである。
【００１８】
図３は、上記考え方に基づくせん断ダンパの第１の実施形態を示す。このせん断ダンパ１は、長手方向の両端に位置し外力により相対移動する二つの部材１０，１０にそれぞれ固定される両側の固定部２，２と、これら両側の固定部２，２の内側にそれぞれ隣り合って位置し曲げにより損傷する両側の損傷部３，３と、これら両側の損傷部３，３の間に位置する連結部４とで構成される。前記長手方向は、前記二つの部材１０，１０間を結ぶ方向であり、以下「第１の方向」と呼称する。固定部２は、溶接により部材１０に固定される。せん断ダンパ１は板厚ｔの板材からなり、正面形状が長方形の板材から、長手方向の中央部における左右両側部分を切り欠いて成る。板面と垂直な方向である面外方向から見た概略形状は、図３（Ａ）に示すように、固定部２，２の幅が最も広く、損傷部３に行くに従い幅が狭くなり、連結部４で最も幅が狭くなっている。この形状の加工は、例えばレーザー加工により行われる。
【００１９】
このせん断ダンパ１は、面外方向のせん断力を受ける箇所に用いられるものであり、第１の方向の中心Ｏから距離ｙだけ離れた断面における損傷部３の幅ｂが、
ｂ＝α・ｙ  （式１）
α：定数
となるように定められている。以下、その理由を説明する。
【００２０】
損傷部３は第１の方向と垂直な断面の形状が矩形であり、この断面のせん断力がかかる方向である第２の方向の辺の長さをｔ、これと直交する辺の長さをｂとした場合、断面係数Ｚ、およびその断面の耐力となる曲げモーメントＭｙは、それぞれ式２、式３で表される
Ｚ＝ｂ・ｔ２／６  （式２）
Ｍｙ＝Ｚ・σｙ＝σｙ・ｂ・ｔ２／６＝Ａ・ｂ・ｔ２    （式３）
但し、σｙは曲げ耐力、Ａ（＝σｙ／６）は定数である。
【００２１】
また、せん断ダンパ１の長さをｈとし、せん断ダンパ１の両端を固定した状態でせん断力Ｑが加わった場合に、中心Ｏから距離ｙの位置に発生する逆対称曲げモーメントＭは、
Ｍ＝Ｑ・（ｈ／２）・（ｙ／（ｈ／２））＝Ｑ・ｙ  （式４）
となり、中心Ｏからの距離ｙを変数とした一次関数で表される。ここで用いられるせん断力Ｑは、建物ごとに決められる設計せん断力である。
【００２２】
断面の耐力となる曲げモーメントＭｙと逆対称曲げモーメントＭとが等しいとすると、式３および式４から、
ｙ＝（Ａ／Ｑ）・ｂ・ｔ２＝Ｘ・ｂ・ｔ２  （式５）
但し、Ｘ（＝Ａ／Ｑ）は定数
となる。
【００２３】
板厚ｔを一定とすると、上記式５から前記式１が導かれる。式１におけるαは、α＝１／（Ｘ・ｔ２  ）であり、定数である。損傷部３の幅ｂを式１から計算される寸法とすることで、損傷部３の第１の方向の全領域において、断面の耐力となる曲げモーメントＭｙと、逆対称曲げモーメントＭとが一致する。また、原点Ｏを通るｙ軸に対称な形状とするため、損傷部３の幅を決定する一次関数で表される２本の直線は、ｘ＝±（１／２）・α・ｙで表される。
【００２４】
固定部２および連結部４の断面の面積は、前記式１で決定される断面の面積よりも大きくしてある。この実施形態の場合、固定部２および連結部４の幅を式１で決定される幅ｂよりも広くしてある。これにより、せん断ダンパ１に外力によるせん断力が作用した場合、固定部２および連結部４は損傷せず、損傷部３が損傷するように限定される。
【００２５】
この実施形態では、連結部４の幅が第１の方向の全領域に亘って同寸法とされ、その連結部４の幅ｂは、式６で与えられる条件を充足する寸法とされている。
τ≧Ｑ／（ｂ・ｔ）  （式６）
但し、τ：材料の許容せん断応力度
逆対称曲げモーメントＭに対する耐力だけであれば、式１で決定される断面の面積よりも大きくするだけでよいが、二つの部材１０，１０間でせん断ダンパ１を介してせん断力を伝達させるために連結部４の断面の面積を上記のように定める。連結部４の幅が第１の方向の全領域に亘って同寸法であると、連結部４の両側縁の形状が平行となり、加工がし易い。なお、連結部４の幅は、第１の方向の全領域に亘って同寸法でなくてもよい。
【００２６】
また、連結部４と損傷部３との境界や、損傷部３と固定部２との境界では、断面が連続するように緩やかな曲線としてもよい。この場合、境界での応力集中の発生を抑制することができる。
【００２７】
このせん断ダンパ１の構成によると、このせん断ダンパ１が設けられる二つの部材１０間に外力により相対移動が発生すると、損傷部３が変形することでエネルギーを吸収する。損傷部３の断面の面積を式１の関係が成り立つ形状としたため、損傷部３が全領域で同程度に損傷する。つまり、損傷部３の一部が局所的に損傷するのではなく、全体が少しずつ損傷する。そのため、変形能力が大きく、かつ耐久力に優れる。
【００２８】
上記効果を確かめるために耐力試験を行った。図４は図１（Ｃ）に相当する従来のせん断ダンパの耐力試験結果を示すグラフであり、図５はこの発明のせん断ダンパの耐力試験結果を示すグラフである。この試験結果から、この発明のせん断ダンパは、従来のせん断ダンパを比較して、多くの回数の荷重を繰り返し受けても耐えられることが分かる。
【００２９】
図６は、この発明の第２の実施形態を示す。このせん断ダンパ１は、面内方向のせん断力を受ける箇所に用いられるものであり、第１の方向の中心Ｏから距離ｙだけ離れた断面における損傷部３の幅ｔが、
ｔ＝β√ｙ  （式７）
β：定数
となるように定められている。この形状は、例えばレーザー加工により形成される。
【００３０】
面内方向のせん断力を受ける箇所に用いられる図６のせん断ダンパ１は、面外方向のせん断力を受ける箇所に用いられる図３のせん断ダンパ１と異なり、矩形をした断面におけるせん断力がかかる方向である第２の方向の辺の長さは幅ｔとなり、直交する辺の長さは板厚ｂとなる。そこで、式５のｂを一定とすることで、式７が導かれる。このように損傷部３の幅ｔを定めることにより、損傷部３の第１の方向の全領域において、断面の耐力となる曲げモーメントＭｙと逆対称曲げモーメントＭとが一致する。また、原点Ｏを通過するｙ軸に対称な形状とするため、損傷部３の幅を決定する一次関数（あるいはその逆関数）で表される曲線は、ｘ＝±（β／２）・√｜ｙ｜（｜ｙ｜は、絶対値を意味する）で表される。
【００３１】
このせん断ダンパ１も、固定部２および連結部４の断面の面積は、前記式７で決定される断面の面積よりも大きくしてある。この実施形態の場合、固定部２および連結部４の幅を式１で決定される幅ｔよりも広くしてある。これにより、せん断ダンパ１に外力によるせん断力が作用した場合、固定部２および連結部４は損傷せず、損傷部３が損傷するように限定される。
【００３２】
このせん断ダンパ１の構成によると、このせん断ダンパ１が設けられる二つの部材１０間に外力により相対移動が発生すると、損傷部３が変形することでエネルギーを吸収する。損傷部３の断面の面積を式７の関係が成り立つ形状としたため、損傷部３が全領域で同程度に損傷する。つまり、損傷部３の一部が局所的に損傷するのではなく、全体が少しずつ損傷する。そのため、変形能力が大きく、かつ耐久力に優れる。
【００３３】
上記各実施形態のせん断ダンパ１は、単独で使用してもよいが、複数個を組み合わせて使用してもよい。図７は、図３のせん断ダンパ１を板面に沿って複数個（例えば３個）組み合わせて複合せん断ダンパ１Ａとしたものである。また、図８は、図６のせん断ダンパ１を板面に沿って複数個（例えば３個）組み合わせて複合せん断ダンパ１Ｂとしたものである。図９は、図３のせん断ダンパ１を板厚方向に複数個（例えば４個）並べて配置して複合せん断ダンパ１Ｃとしたものである。各せん断ダンパ１の固定部２が固定される固定部材５は、外力により相対移動する二つの部材であってもよく、またはそれ以外の部材であってもよい。各せん断ダンパ１は、損傷部３および連結部４の部分がくびれた形状となっているため、複数のせん断ダンパ１が並んで配置されていても、前記くびれた部分に溶接棒を挿通して隅肉溶接を行うことができ、また各せん断ダンパ１の配置間隔を狭くすることができる。
【００３４】
図１０の複合せん断ダンパ１Ｄは、角パイプ６の対向する二つの面をそれぞれ切断加工することで、２個のせん断ダンパ１を形成したものである。この構成であると、各せん断ダンパ１を溶接により固定することが不要である。
【符号の説明】
【００３５】
１…せん断ダンパ
２…固定部
３…損傷部
４…連結部
１０…外力により相対移動する部材
【図１】
0005934325.tif 000002
【図２】
0005934325.tif 000003
【図３】
0005934325.tif 000004
【図４】
0005934325.tif 000005
【図５】
0005934325.tif 000006
【図６】
0005934325.tif 000007
【図７】
0005934325.tif 000008
【図８】
0005934325.tif 000009
【図９】
0005934325.tif 000010
【図１０】
0005934325.tif 000011
【図１１】
0005934325.tif 000012