(57)【要約】【課題】例えば建築物等に伝達される地震等の振動エネルギーを減少させるエネルギー吸収装置に係り、エネルギー吸収体が繰り返し変形する際の伸びや曲げ応力および局所的な応力集中を防止し、耐久性および安定性のよい振動吸収性能が得られるようにする。【解決手段】鋼板等の硬質板１とゴム等の弾性体２とを上下方向に交互に複数積層してなる積層体３に、上下方向に貫通する中空部ｈを設け、その中空部ｈ内に地震等の振動エネルギーを吸収するエネルギー吸収体４を収容配置したエネルギー吸収装置において、上記エネルギー吸収体を、地震等の振動時に発生する熱等で互いに一体化することのない金属よりなり、かつ上下方向に層状に積層した複数個の略同一径の金属円柱４ａ〜４ｃで形成すると共に、上記各金属円柱４ａ〜４ｃの高さが、積層体の高さ未満で且つ上記硬質板１の厚さと弾性体２の厚さの和の２倍よりも大きくなるように構成したことを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼板等の硬質板とゴム等の弾性体とを上下方向に交互に複数積層してなる積層体に、上下方向に貫通する中空部を設け、その中空部内に地震等の振動エネルギーを吸収するエネルギー吸収体を収容配置したエネルギー吸収装置において、
上記エネルギー吸収体を、地震等の振動時に発生する熱等で互いに一体化することのない金属よりなり、かつ上下方向に層状に積層した複数個の略同一径の金属円柱で形成すると共に、上記各金属円柱の高さが、積層体の高さ未満で且つ上記硬質板の厚さと弾性体の厚さの和の２倍よりも大きくなるように構成したことを特徴とするエネルギー吸収装置。
【請求項２】
上記金属円柱は、銀、錫、銅、アルミニウム、亜鉛とからなる金属群のうちのいずれかの金属単体、または上記金属群のうちのいずれかの金属を主体とし、これに上記主体となる金属以外の上記金属群もしくは上記金属群以外の金属から選択した１種または２種以上の金属を混合した合金からなることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー吸収装置。
【請求項３】
上記エネルギー吸収体を構成する複数個の金属円柱の当接面に、互いに滑り止め係合する凹凸部を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載のエネルギー吸収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば地震発生時に建築物や土木構造物もしくは精密機器等に伝達される振動エネルギーを減少させるためのエネルギー吸収装置に関する。更に詳しくは、鋼板等の硬質板とゴム等の弾性体とを上下方向に交互に複数積層してなる積層体中に、地震等の振動エネルギーを吸収するエネルギー吸収体を設けたエネルギー吸収装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来たとえば地震発生時に建築物や土木構造物等に伝達される振動エネルギーを減少させるために下記特許文献１のようなエネルギー吸収装置が提案されている。図４および図５は上記のようなエネルギー吸収装置Ａの一例を示すもので、鋼板等の硬質板１とゴム等の弾性体２とを上下方向に交互に複数積層してなる積層体３を上下一対の基板５・５間に配置し、その両基板５・５および積層体３の中心部に形成した上下方向に貫通する中空部（貫通穴）ｈ内に地震等の振動エネルギーを吸収する鉛等の弾塑性体よりなるエネルギー吸収体４を収容配置した構成である。なお上記図５の縦断面図において、硬質板１と弾性体２およびエネルギー吸収体４の断面を表すハッチング（斜線）は煩雑を避けるため省略した。後述する本発明の実施形態においても同様である。
【０００３】
上記積層体３およびエネルギー吸収体４の上下両端部には、上記基板５を介して取付板６がボルト７等で一体的に取付けられ、その取付板６に形成した取付孔６ａにボルト８等を挿通して建築物や土木構造物等に取付けるもので、例えば図６に示すようなビル等の建築物にあっては、その建築物の上部構造体Ｂと、その土台等の下部構造体Ｃとの間に上記のエネルギー吸収装置Ａを１つ若しくは複数個配置して、上下の取付板６をそれぞれ上記構造体Ｂ、Ｃに取付ける。また例えば図７に示すような橋梁等の土木構造物にあっては、橋桁等の上部構造体Ｂと橋脚等の下部構造体Ｃとの間に、エネルギー吸収装置Ａを１つ若しくは複数個配置して上下の取付板６を上記と同様に各構造体Ｂ、Ｃに取付ければよい。
【０００４】
上記のようにして上下の構造体Ｂ，Ｃ間に配置したエネルギー吸収装置Ａは、建築物等を安定に支持しながら地震発生時には水平方向に変形して地震エネルギーを減少させるもので、従来のいわゆる免震アイソレータと免震ダンパとの両方の機能を併せ持った働きをする。その結果、上記アイソレータとダンパとを各々別々に配置した場合に比べて、設置スペースを削減できると共に、施工性も向上するという利点がある。
【０００５】
ところで、上記特許文献１には、上記のようなエネルギー吸収装置を製造する際に、鉛等の弾塑性体よりなる円柱状のエネルギー吸収体に、その剪断降伏応力と同等もしくはそれ以上の静水圧を印加することによって、上記エネルギー吸収体を積層体の中空部内面に密着させることが提案されている。
【０００６】
しかし、上記エネルギー吸収体として１つの円柱状の金属を用いた場合、積層体の剪断変形に伴い上記エネルギー吸収体に伸びや曲げ応力が発生し、これが局所的な応力集中となるおそれがある。そのため、上記エネルギー吸収体が地震などによる繰り返し変形を受けると、上記の局所的な応力集中が性能劣化の原因になる可能性がある。
【０００７】
そこで、上記のような伸びや曲げ応力、及びそれによる局所的な応力集中を防止するために、例えば上記エネルギー吸収体を予め前記積層体の積層方向に複数個に分割した構成とすることが考えられるが、上記エネルギー吸収体として鉛を使用した場合には、地震等による繰り返し変形によって鉛が発熱し、軟化して一体化してしまうおそれがある。そのため、前記の伸びや曲げ応力および局所的な応力集中や、それによる性能劣化を防止できなくなる等の不具合があった。
【０００８】
実際に鉛が他の金属と比較して、いかに軟化しやすいかを以下の単軸疲労試験によって確認した。すなわち、下記表１に示すように一例として鉛よりも融点の低い金属である錫と、鉛に同程度の疲労を与えたときの応力変化から、どちらが軟化しやすいかを確認するものである。
【０００９】
【表１】
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【００１０】
図８に単軸疲労試験を行う試験体Ｓの形状及び寸法を示した。図中の寸法の単位はｍｍである。試験体Ｓの平行部（細径部）Ｓａは、直径φ＝１０ｍｍ、長さＬ＝１５ｍｍであり、試験体Ｓの材質としては、鉛と錫を用いた。その各試験体Ｓを、それぞれ恒温室にて２０℃に保持した状態で上記長さ方向に周波数１．０Ｈｚで、上記長さの±１．０％の歪み（引張り及び圧縮）を５０回与え、履歴特性の変化を調べた。
【００１１】
その結果、図９および図１０に示すような履歴曲線が得られた。図９は試験体Ｓとして鉛を用いた場合の１回目と４９回目の履歴曲線、図１０は錫を用いた場合の１回目と４９回目の履歴曲線であり、何れの試験体も剛塑性型の履歴形状を示し、二次剛性は極めて小さい。
【００１２】
上記各試験体の１回目の歪み０点応力の平均値を切片応力と定義し、歪みの５０回繰り返しによる変化を図１１に示す。一般にエネルギー吸収量は、応力×断面積×変形量で決定されるため、同断面積及び同変形量では応力の比率がエネルギー吸収量の比率となる。上記図１１からも明らかなように、錫は鉛よりも５０％以上のエネルギー吸収が大きいことが分かる。
【００１３】
また上記歪みの繰返し回数と、１回目の応力を基準とした繰り返し回数毎の応力変化率の関係を図１２に示す。図からも明らかなように、鉛は加工硬化によって応力が上昇し、１５回目は１回目よりも２８％程度上昇しているが、それ以降は応力が低下する傾向を示した。一方、錫は歪みの繰り返しと共に応力が上昇した。
【００１４】
上記のように鉛の応力が低下したのは以下の理由によるものと考えられる。すなわち、前記表１の鉛・錫の熱物性値に示すように、鉛は比熱及び熱伝導率が錫に比べ低いために塑性変形部で発生した熱が周囲に拡散せず、その温度上昇によって軟化したためと考えられる。一方、錫は熱が周囲に拡散され安く、それによって温度上昇が少ないためと考えられる。
【００１５】
以上のことから、鉛は錫よりも融点が高いにも拘わらず錫よりも軟化しやすく、それによって応力が低下するものと考えられる。また上記のように鉛は軟化しやすいことから、前記のように伸びや曲げ応力および局所的な応力集中を防止するために、鉛よりなるエネルギー吸収体を複数個に分割しても、地震等による繰り返し変形で鉛が発熱し、軟化して一体化してしまうおそれがあるものである。
【００１６】
【特許文献１】特許第３３６０８２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明は上記の問題点に鑑みて提案されたもので、地震等の振動による積層体の剪断変形でエネルギー吸収体に伸びや曲げ応力および局所的な応力集中を良好に防止することができると共に、耐久性および安定性のよい振動吸収性能が得られ、かつ、容易・安価に製造することの出来るエネルギー吸収装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記の目的を達成するために本発明によるエネルギー吸収装置は、以下の構成にしたものである。すなわち、鋼板等の硬質板とゴム等の弾性体とを上下方向に交互に複数積層してなる積層体に、上下方向に貫通する中空部を設け、その中空部内に地震等の振動エネルギーを吸収するエネルギー吸収体を収容配置したエネルギー吸収装置において、上記エネルギー吸収体を、地震等の振動時に発生する熱等で互いに一体化することのない金属よりなり、かつ上下方向に層状に積層した複数個の略同一径の金属円柱で形成すると共に、上記各金属円柱の高さが、積層体の高さ未満で且つ上記硬質板の厚さと弾性体の厚さの和の２倍よりも大きくなるように構成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
上記のようにエネルギー吸収体を、上下方向に層状に積層した複数個の略同一径の金属円柱で形成したから、地震等による積層体の剪断変形時にエネルギー吸収体に伸びや曲げ応力、及びそれによる局所的な応力集中等を可及的に低減することが可能となる。また上記複数個の金属円柱を、地震等の振動時に発生する熱等で互いに一体化することのない金属で形成するようにしたから、繰り返し振動吸収を行って上記複数個の金属円柱の温度が多少上昇しても、それらは一体化することなく、所期の振動吸収性能を良好に維持することができる。また各金属円柱の高さを、その積層体の高さ未満で且つ硬質板の高さと弾性体の高さの和の２倍よりも大きく形成したから、振動吸収時に上記各金属円柱が隣り合う硬質板間の弾性体中に食い込んで振動吸収性能が低下する等のおそれがない。
【００２０】
さらに上記金属円柱の種類や高さ、積層数等を変えることで、任意の変位履歴を有するエネルギー吸収装置を容易に設計することが可能となる。また製造時は前記積層体の中空部内に上記各金属円柱を分離した状態で填め込むことができると共に、それぞれの金属円柱の填り具合や密着度合いを確認しながら容易に精度よく装填することができる。その結果、振動吸収性能や耐久性および信頼性の高いエネルギー吸収装置を容易・安価に提供することが可能となるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明を図に示す実施形態に基づいて具体的に説明する。図１は本発明によるエネルギー吸収装置の一実施形態を示す縦断面図であり、前記従来例と同様の機能を有する部材には同一の符号を付して説明する。
【００２２】
本実施形態のエネルギー吸収装置Ａは、前記従来例と同様に鋼板等の硬質板１とゴム等の弾性体２とを上下方向に交互に複数積層して接着剤等で一体化してなる積層体３を上下一対の基板５・５間に配置し、その両基板５・５および積層体３の中心部に形成した上下方向に貫通する中空部（貫通穴）ｈ内にエネルギー吸収体４を収容配置したもので、そのエネルギー吸収体４は、上下方向に層状に積層した複数個の略同一径の金属円柱４ａ〜４ｃで形成すると共に、上記各金属円柱４ａ〜４ｃの高さは、それらの積層体の高さ未満で且つ上記硬質板１の厚さと弾性体２の厚さの和の２倍よりも大きくなるように構成されている。
【００２３】
上記エネルギー吸収体４を構成する各金属円柱４ａ〜４ｃの材質は適宜であるが、少なくとも前記鉛のように地震等の振動時に発生する熱等で金属円柱同士が一体化することのない金属を用いるもので、具体的には、例えば、銀、錫、銅、アルミニウム、亜鉛とからなる金属群のうちのいずれかの金属単体、または上記金属群のうちのいずれかの金属を主体とし、これに上記主体となる金属以外の上記金属群もしくは上記金属群以外の金属から選択した１種または２種以上の金属を混合した合金等を用いることができる。特に、純度９９．９％以上の錫を主体とし、これにビスマス、硫黄、カドミウム、金、銀、アンチモン、亜鉛の中から選択した１種または２種以上の金属を混合した合金が好適である。ただし、錫に混合する金属の量が多くなると、延性に富むことや常温で再結晶する等の錫の特性が失われるため、この合金には９５％以上、好ましくは９９％以上、更に好ましくは９９．５％以上の錫が含まれることが望ましい。
【００２４】
上記のようにしてエネルギー吸収体を、前記鉛のように地震等の振動時に発生する熱等で互いに一体化することがない金属よりなり、かつ上下方向に層状に積層した複数個の略同一径の金属円柱４ａ〜４ｃで形成するようにすると、前記中空部ｈ内面への装填および密着が容易となると共に、積層体の剪断変形時にも伸びや曲げ応力、及びそれによる局所的な応力集中を防止することが可能となる。
【００２５】
なお上記図１の実施形態は、エネルギー吸収体４のいずれの金属円柱４ａ〜４ｃも略同等の高さとなるようにしたものであるが、図２のように上下方向中央部よりも両端部に行くに従って金属円柱４ａ〜４ｃの高さ（厚さ）が漸次小さくなるようにしてもよく、或いは図３のように上下方向中央部よりも両端部に行くに従って金属円柱４ａ〜４ｃの高さが高くなるようにしてもよい。また上記各金属円柱４ａ〜４ｃの高さはあまり低いと、前記中空部Ｈの周囲のゴム等よりなる弾性体２に食い込むおそれがあるので、少なくとも硬質板１の高さと弾性体２の高さの和の２倍よりも大きく形成するとよい。
【００２６】
さらに上記各実施形態は、エネルギー吸収体４を５個の金属円柱４ａ〜４ｃで形成したが、その個数は適宜であり、例えば４個以下もしくは６個以上設けるようにしてもよい。また上記金属円柱の当接面、すなわち上下に隣り合う金属円柱同士の当接面および場合によっては金属円柱と基板との当接面には、必要に応じて互いに滑り止め係合する凹凸部を設けるようにしてもよい。その凹凸部としては、例えば穴または溝等の凹部と、それに嵌合やかみ合い等で係合する突起や突条等の凸部を上記当接面に設ける、或いは上記当接面を粗面加工等して摩擦係合させる等その他適宜である。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
以上のように本発明によるエネルギー吸収装置は、地震等の振動時に発生する熱等で一体化することのない複数個の金属円柱４ａ〜４ｃでエネルギー吸収体４を形成するようにしたから、積層体の剪断変形時にも円柱に伸びや曲げ応力およびそれによる局所的な応力集中等が発生することなく、また製造時は積層体３の中空部ｈ内に金属円柱を容易に且つ中空部内面に良好に密着させた状態で装填することができる。その結果、積層体の剪断変形時に安定した性能を発揮するエネルギー吸収装置を容易・安価に提供することが可能となる。また金属円柱の種類や高さ、積層数等を変えることで、任意の変位履歴を有するエネルギー吸収装置を容易に設計することが可能となり、産業上の利用可能性を大幅に増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明によるエネルギー吸収装置の一実施形態を示す縦断面図。
【図２】本発明によるエネルギー吸収装置の他の実施形態を示す縦断面図。
【図３】本発明によるエネルギー吸収装置の更に他の実施形態を示す縦断面図。
【図４】従来のエネルギー吸収装置の一例を示す斜視図。
【図５】上記従来のエネルギー吸収装置の縦断面図。
【図６】上記従来のエネルギー吸収装置を建築物に施工した例の説明図。
【図７】上記従来のエネルギー吸収装置を土木構築物に施工した例の説明図。
【図８】単軸疲労試験の試験片の構成説明図。
【図９】単軸疲労試験による鉛の履歴曲線を示すグラフ。
【図１０】単軸疲労試験による錫の履歴曲線を示すグラフ。
【図１１】単軸疲労試験による繰り返し回数と平均応力との関係を示すグラフ。
【図１２】単軸疲労試験による繰り返し回数と平均応力比との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
【００２９】
１  硬質板
２  弾性体
３  積層体
４  エネルギー吸収体
５  基板
６  取付板
７、８  ボルト
Ａ  エネルギー吸収装置
Ｂ  上部構造体
Ｃ  下部構造体
ｈ  中空部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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