(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｌ：７．５〜９質量％、Ｍｎ：８〜１４質量％及びＳ：０．００１〜０．５質量％を含み、残部Ｃｕからなり、
応力誘起マルテンサイト変態と除荷による逆変態との可逆変態により運動エネルギーを吸収する超弾性合金を用いた
ことを特徴とする制振部材。
【請求項２】
前記超弾性合金は、さらに、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｍｇ、Ｐ、Ｂｅ、Ｚｒ、Ｚｎ、Ｂ、Ｃ、Ａｇ及びミッシュメタルからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素を合計で０．００１〜５質量％含む超弾性合金を備えた
ことを特徴とする請求項１に記載の制振部材。
【請求項３】
棒、パイプ、より線、平板、アングル材、Ｈ形材、もしくはチャンネル材の形状を有し、ねじ切り、穴あけ、切断のうち少なくとも一種の切削加工後に、締結具を用いて建造物へ取り付けられる
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の制振部材。
【請求項４】
筋かい、方杖、シアリンクの何れかとして、または、主体構造部材の接合部における接合部材として、主として軸力で抵抗する部材として利用される
ことを特徴とする請求項３に記載の制振部材。
【請求項５】
建造物本体に接続された２個以上の構造要素のずれに対し、制振部材に常に引張力が生じるように上記構造要素に連結される
ことを特徴とする請求項３に記載の制振部材。
【請求項６】
請求項１から請求項５の何れかに記載の制振部材を利用して、新規に建設されたか、もしくは耐震補強を施された
ことを特徴とする建造物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地震エネルギー吸収性能と残留変形抑制機能を併せ持つ、切削加工性が優れた超弾性合金を用いた制振部材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
１９９４年の米国ノースリッジ地震や、１９９５年の兵庫県南部地震を契機として、近年、地震による建造物の損傷の回避や、地震後の機能維持を目標とする性能が、強く求められるようになっている。このような目標性能を達成するために最適な構造形式として、制振構造や免震構造といった構造が、積極的に採用されるようになっている。
【０００３】
制振構造においては、粘性ダンパー（特許文献１）、粘弾性ダンパー（特許文献２）、履歴ダンパー（特許文献３）、摩擦ダンパー（特許文献４）などに大別されるダンパー類が開発されており、これらのダンパーで地震エネルギーを吸収することで、地震による損傷から建造物の主体構造物を守ることができる。それらの中でも履歴ダンパーは、性能、価格、耐久性の全ての面において優れているため、近年、広く用いられている。履歴ダンパーは、鋼材などの金属の塑性変形により地震エネルギーを吸収することで、被害が主体構造物に及ばないようにするものである。
【０００４】
しかし、近年、我国で頻発しているＭ７クラスの直下型地震や、高い確率で発生が予測されているＭ８クラスの東海、東南海、南海地震などの海洋型地震など、現行の設計基準の想定を越える大地震の際には、履歴ダンパーに許容できない残留変形が発生する可能性があり、このような場合、ダンパーを新しいものと取り替えなければならない。地震発生後にダンパーを新しいものと交換するには、壁等の部材の撤去、部品交換、壁等の修復など、多大な労力とコストを要する。
【０００５】
上記の問題を解決するため、形状記憶合金を用いた制振部材の開発が行われている（非特許文献１、２）。通常の金属では、弾性域を超える載荷により生じた非線形ひずみは、塑性ひずみとなり変形が回復せず残留する。形状記憶合金においても同様に非線形ひずみが残留するが、このひずみは加熱により消滅し、変形が回復する。この性質は形状記憶効果と呼ばれる。また、ある一定温度以上の温度域においては、荷重を除くのみで形状記憶合金の非線形ひずみが回復する。この性質は超弾性効果と呼ばれ、この効果を持つ形状記憶合金は、特に超弾性合金と呼ばれる。
【０００６】
形状記憶特性を利用したダンパー（特許文献５）では、地震後に加熱することで残留変形を解消できる。しかし、加熱するための手段をあらかじめ講じておく必要があり、残留変形の解消には、少なからぬ労力やコストを要する。これに対して、超弾性合金を用いたダンパーでは、大地震後でも残留変形が生じないか、生じても非常にわずかであるため、ダンパーの交換や、加熱による残留変形解消の必要がない（特許文献６）。
【０００７】
今まで実用材として使用されている超弾性合金は、材料の機械的特性が優れているＮｉ−Ｔｉ基超弾性合金がほとんどをしめている。しかし、Ｎｉ−Ｔｉ基超弾性合金は素材が高価な上に、切削加工性が極めて低い。そのため、制振部材単体としての性能は優れていても、切断機を用いて材料を切り出すために必要なコストや、ボルトやナットなどの締結具を用いて制振部材を本体構造に接続する際に必要な、ねじ切り、穴あけ等の加工に要するコストが高額となる。このことが、超弾性合金を用いた制振部材を実用化するに当たっての、最大の障壁となっていた（非特許文献１）。
【特許文献１】特開平５−２６３８５８号公報
【特許文献２】特開２００１−１４６８５５号公報
【特許文献３】特開平５−２６２７４号公報
【特許文献４】特開２０００−１０４３３８号公報
【特許文献５】特開２００６−１９４２８７号公報
【特許文献６】特開２００１−２７１５１０号公報
【特許文献７】特開平７−６２４７２号公報
【特許文献８】特開２００１−２００２６号公報
【非特許文献１】Ｒ．  Ｄｅｓｒｏｃｈｅｓ  ａｎｄ  Ｂ．  Ｓｍｉｔｈ：  Ｓｈａｐｅ  ｍｅｍｏｒｙ  ａｌｌｏｙｓ  ｉｎ  ｓｅｉｓｍｉｃ  ｒｅｓｉｓｔａｎｔ  ｄｅｓｉｇｎ  ａｎｄ  ｒｅｔｒｏｆｉｔ：  ａ  ｃｒｉｔｉｃａｌ  ｒｅｖｉｅｗ  ｏｆ  ｔｈｅｉｒ  ｐｏｔｅｎｔｉａｌ  ａｎｄ  ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓ，  Ｊ．  Ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ  Ｅｎｇ．，  Ｖｏｌ．  ７，  ｐｐ．  １−１５，  ２００３．
【非特許文献２】Ｇ．  Ｓｏｎｇ，  Ｎ．  Ｍａ，  ａｎｄ  Ｈ．−Ｎ．  Ｌｉ：  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ｏｆ  ｓｈａｐｅ  ｍｅｍｏｒｙ  ａｌｌｏｙｓ  ｉｎ  ｃｉｖｉｌ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，  Ｅｎｇ．  Ｓｔｒｕｃｔ．，  Ｖｏｌ．  ２８，  ｐｐ．  １２６６−１２７４，  ２００６．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、地震エネルギー吸収機能と残留変形抑制機能を併せ持つ、超弾性合金を用いた制振部材の切削加工性を高めることで、制振部材を建造物本体に接合する際に必要な、ねじ切り、穴あけ、切断などの切削加工に要する労力とコストを、通常の鋼材と同程度に低減することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、本発明者らの一部が先に特許出願したＣｕ−Ａｌ−Ｍｎ基超弾性合金（特許文献７、特許文献８）にＳを添加することで、ＭｎＳ等の硫化物が材料内部に微量に形成され、優れた切削加工性が発現されるということを発見した。材料コストに加えて冷間加工コストが低く、疲労特性にも優れたＣｕ−Ａｌ−Ｍｎ基超弾性合金において、Ｓを添加することで、高い切削加工性が発現しうるということは、これまで全く知られていなかったことであり、新しい知見である。本発明は、この知見に基づいてなされたものであり、その構成は、以下の（１）から（５）に記載する通りである。
（１）Ａｌ：７．５〜９質量％、Ｍｎ：８〜１４質量％及びＳ：０．００１〜０．５質量％を含み、残部Ｃｕからなり、応力誘起マルテンサイト変態と除荷による逆変態との可逆変態により運動エネルギーを吸収する超弾性合金を用いた制振部材。
（２）さらにＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｍｇ、Ｐ、Ｂｅ、Ｚｒ、Ｚｎ、Ｂ、Ｃ、Ａｇ及びミッシュメタルからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素を合計で０．００１〜５質量％含む超弾性合金を備えた制振部材。
（３）棒、パイプ、より線、平板、アングル材、H形材、もしくはチャンネル材の形状を有し、ねじ切り、穴あけ、切断のうち少なくとも一種の切削加工後に、締結具を用いて建造物へ取り付けられることを特徴とする、（１）と（２）の何れかに記載の制振部材。
（４）筋かい、方杖、シアリンクの何れかとして、または、主体構造部材の接合部における接合部材として、主として軸力で抵抗する部材として利用されることを特徴とする、（３）に記載の制振部材。
（５）建造物本体に接続された２個以上の構造要素のずれに対し、制振部材に常に引張力が生じるように上記構造要素に連結されることを特徴とする、（３）に記載の制振部材。
（６）（１）から（５）の何れかに記載の制振部材を利用して、新規に建設されたか、もしくは耐震補強を施されたことを特徴とする建造物。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、以上の構成によるものであり、Ｃｕ−Ａｌ−Ｍｎ基超弾性合金にＳを添加することによって、これまでになかった高い切削加工性が付与された制振部材と、その実施形態を提案するものである。本発明の高切削性制振部材の利用により、Ｎｉ−Ｔｉ基超弾性合金を備える制振部材と比較して、制振部材の本体構造への取り付けに要する加工コストと施工コストを大幅に低減できる。
【００１１】
また、切削加工性に加えて冷間加工性も高いため、部材の成形に要する加工コストが低く、建造物を制振構造とする際の設計の自由度が非常に高くなる。さらに、材料の見かけ上の降伏点（応力誘起マルテンサイト変態が生じる点）以上での応力の増加はわずかであるため、設計の想定を超えるような大きさの地震動に建造物がさらされる場合にも、制振部材から主体構造物に過大な力が伝達されることがない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を、図面と表を参照して説明する。なお、各部の具体的な構成は、以下の実施形態のみに限定されるものではない。
【００１３】
先行特許として特開平７−６２４７２号公報に記載されたＣｕ−Ａｌ−Ｍｎ基超弾性合金は、現在、最も広く使用されているＮｉ−Ｔｉ基超弾性合金と比較して、材料自体が１／１０から１／５程度と安価であり、冷間加工性が高く、棒材、パイプ、より線、板材、アングル材、Ｈ形材、チャンネル材などの制振部材を低コストで作製できる。加えて、超弾性特性の温度依存性も低い。また、Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ基、Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ基などの他の銅系超弾性合金と比較して、疲労特性が非常に高い。
【００１４】
また、特開２００４−１０９９７公報、特開２００５−２９８９５２公報、特開２００７−１１９８７４公報（以降先行特許群と記載する）には、特開平７−６２４７２号公報および特開２００１−２００２６号公報に記載されたＣｕ−Ａｌ−Ｍｎ基超弾性合金を、制振部材として利用する特許は既に出願されている。しかし、これらの特許では、材料自体の切削性や、切削加工を必要とする実施形態についての言及は、全くなされていない。本発明は、建築物や土木構造物などの建造物を対象として、超弾性合金を用いた制振部材を実用化するに当たって、最も大きな障壁となっている切削加工性を格段に高めようとするものであり、このような試みは新規である。
【００１５】
また、先行特許群では、０．５％を超えるような大ひずみ振幅領域において、残留変形抑制効果と制振効果（地震エネルギー吸収効果）が同時に要求される制振部材の材料として、Ｃｕ−Ａｌ−Ｍｎ基超弾性合金を利用することについての言及はなされていない。
【００１６】
地震エネルギー吸収性能と残留変形抑制機能のみであれば、粘性ダンパーや粘弾性ダンパーの利用により実現できる。建造物には地震以外にも様々な種類の外乱が作用するため、水平方向の初期剛性が高いことが望ましい。しかし、粘性材料は剛性を有せず、粘弾性材料の剛性は、通常、鋼材などと比較すると非常に低い。そのため、粘性ダンパーや粘弾性ダンパーを利用することにより、建造物に高い初期剛性を付与することはできない。これに対し、本発明の制振部材で用いるＣｕ−Ａｌ−Ｍｎ基超弾性合金の初期弾性係数は、鋼材の約１／３程度であり、粘弾性材料と比較して非常に高い値を持つ。そのため、本発明の制振部材の利用により、建造物に高い初期剛性を付与できる点が、粘性ダンパーや粘弾性ダンパーと大きく異なる。以上のように、本発明の制振部材の超弾性特性を有効に利用することで、大地震後に生じる建造物の残留変形を抑制した上で地震エネルギーを吸収でき、主体構造物の損傷を効果的に回避できる。
【００１７】
更に、先行特許群の制振部材は、相間の界面で生じる摩擦（塑性化）を利用して運動エネルギーを消費するため、変形が不可逆的であり、残留変形抑制効果を持たない。これに対して本発明の制振部材は、応力誘起マルテンサイト変態と、除荷による逆変態（超弾性効果）により運動エネルギーを吸収するため、変形が可逆的である。そのため、残留変形を効果的に抑制できる。
【００１８】
本発明のＣｕ−Ａｌ−Ｍｎ基超弾性合金の材料コストは、Ｎｉ−Ｔｉ基超弾性合金と比較して１／１０〜１／５程度と低コストであるものの、普通鋼と比較すると１５〜３０倍程度と高価であるため、材料を有効に活用した利用形態が必要となる。そこで、本発明の制振部材は、主として軸力により抵抗する部材として用いるのが良い。具体的には、筋かい、方杖、シアリンクとしての利用が考えられる。また、柱と梁の接合部や、柱脚における接合部材としての利用も有効である。このような利用形態では、制振部材を切り出した後に、ボルトやナットなどの締結具を用いて本体構造に接合するため、ねじ切り、穴あけ、切断などの切削加工が欠かせない。
【００１９】
なお、上記の利用形態では、地震時に建造物が振動する際に、制振部材に圧縮力と引張力が交互に生じる。制振部材に圧縮力が生じる場合には、座屈が生じる可能性があるため、繰り返し載荷時には極低サイクル疲労が生じる可能性がある。この問題を回避するには、建造物に接続された複数の構造要素がどの方向にずれても、制振部材に常に引張力が生じるように、制振部材を上記構造要素に連結することが有効である。
【００２０】
また、Ｃｕ−Ａｌ−Ｍｎ基超弾性合金は、材料の粒径に対する、板厚や棒の直径の比が小さい程、良好な超弾性特性を有することが知られている。そのため、制振部材に良好な超弾性特性を付与するには、薄板を重ねる形や、より線として用いるのが望ましい。このような形態で利用する場合、座屈が生じる可能性がさらに高くなるため、制振部材に圧縮力が生じないように配慮を行うことは、制振部材の超弾性特性を効率良く利用するために、極めて有効である。
【００２１】
本発明の制振部材の利用のみで、建造物を制振構造とすることができる。しかし、残留変形抑制機能を保持した上で、エネルギー吸収性能向上を図るため、粘性ダンパー、粘弾性ダンパーや、強度を調節した履歴ダンパーもしくは摩擦ダンパーの中から、少なくとも一種類のダンパーと並列に配置することも可能である。
【００２２】
本発明の制振部材の利用形態を、図１から図４に示す。まず、各図の概要を述べる。
図１は筋かい、方杖、シアリンクとしての制振部材の設置例を示した図である。図１（ａ）は筋かい、図１（ｂ）は方杖、図１（ｃ）はシアリンクとして、本発明の制振部材を使用する例を示す。
図２は接合部における接合部材としての制振部材の利用例を示した図である。図２（ａ）は柱脚における接合部材として、また、図２（ｂ）は柱−梁接合部における接合部材として、本発明の制振部材を利用する例を描いている。
図３と図４は、制振部材に常に圧縮力が生じないように、制振部材を本体構造に連結するための方法を示す。
図３は接合部材に常に引張力が生じるように設置する際の主要部の図である。図３（ａ）は、制振部材を本体構造に連結する際の主要部の構成を示しており、図３（ｂ）は、この主要部の構成順序を示す。
図４は、図３で示した主要部を本体構造に連結した例である。図４（ａ）は、２本の間柱の間に制振部材を設置した例を示し、図４（ｂ）は、ブレース下部のＨ形鋼と梁の間に制振部材を設置した例を示す。以下では、各図について詳細な説明を行う。
【００２３】
図１（ａ）では、鋼柱１、鋼梁２、制振部材からなる筋かい３により骨組のユニットを構成する。図１（ｂ）では、鋼柱１、鋼梁２、制振部材からなる方杖４によりユニット骨組を構成している。図１（ｃ）では、鋼柱１、鋼梁２、鋼筋かい５、および、制振部材からなるシアリンク６でユニット骨組を構成する。
【００２４】
図２（ａ）では、角形鋼管柱１１とベースプレート１２で構成される鋼構造柱脚と、コンクリート基礎梁１４を、制振部材からなるアンカーボルト１３により接合している。なお、図２（ａ）において、１５は無収縮モルタルであり、１６は鋼製プレートである。図２（ｂ）では、Ｈ形鋼梁１７ａおよび１７ｂとＨ形鋼柱１８の接合部において、制振部材からなる添え板（スプライスプレート）１９により、梁１７ａと梁１７ｂを接合している。なお、図２（ｂ）の２０はエンドプレートを示す。
【００２５】
図３（ａ）は、常に圧縮力が生じないように、制振部材を本体構造に連結する際の、主要部の構成を示し、図３（ｂ）は、この主要部の構成順序を示す。図３（ａ）において、制振部材２１は４個のボルト穴を持つ。構造要素２２は、３枚の鋼平板を溶接して製作されており、構造要素２３は２枚の鋼平板を溶接して製作されている。鋼ブロック２４は２個のボルト穴を有しており、ボルト２５とナット２６を用いて、これらの部材や要素は接続される。図３（ｂ）では、まず、構造要素２２の凹部と構造要素２３の凸部を組み合わせる。これらの構造要素の上下に鋼ブロック２４を配し、その後に、ボルト２５とナット２６を用いて、制振部材２１を最外縁に取り付ける。このように構成することで、構造要素２２と構造要素２３にせん断力が作用して、構造要素２２と構造要素２３の間に上下方向のずれが生じる際に、制振部材１には常に伸び変形のみが生じる。このように構成することで、制振部材２１に圧縮力が生じることを回避することが可能となる。なお、構造要素２２は２枚のアングル材に、構造要素２３はスプリットティに置換しても良い。
【００２６】
図４（ａ）は２本の間柱の間に、図４（ｂ）はブレース下部のＨ形鋼と下側梁の間に、それぞれ、図３と同様の構成の制振部材を設置した例を示す。図４（ａ）では、柱３１と梁３２で構成される骨組に、スプリットティ３５を介して接続された２本のＨ形鋼間柱３３の間に、制振部材３４が設置されている。点線で囲まれた部分の拡大図において、構造要素４５と構造要素４６が、図３の構造要素２２と構造要素２３に、それぞれ対応する。図４（ｂ）では、柱３１と梁３２および筋かい３７で構成される骨組おいて、筋かい３７に接合されたＨ形鋼３８と、下側の梁３２の間に制振部材３４が設置されている。拡大図では、図４（ａ）と同様に、構造要素４５と構造要素４６が、図３の構造要素２２と構造要素２３に、それぞれ対応する。
【実施例１】
【００２７】
表１の組成を持つＣｕ基合金を溶解し、鋳造、熱間圧延を経て板厚２ｍｍまで冷間圧延し、更に６００℃で３０分間の熱処理を施した。
【００２８】
【表１】
0005296350.tif 000002
【００２９】
各Ｃｕ基合金の切削加工性、冷間加工性、超弾性特性を調査した結果が表２である。
切削加工性は、板材をドリルで切削し、その切屑の１個あたりの重量（ｍｇ／個）を測定し、ドリル切屑２０ｍｇ／個未満は◎、２０ｍｇ以上２５ｍｇ未満は○、２５ｍｇ以上は×として評価した。冷間加工性は、冷間圧延により試料に割れが入るまでの板厚減少率が６０％以上を◎、３０％以上６０％未満を○、３０％未満を×として評価した。超弾性特性は、９００℃で１５分間の溶体化処理を施し、水焼入れの後に２００℃で１５分間の時効処理を行った試料を引張り試験により４％の歪を印加し、除荷したときの形状回復率が８０％以上を◎、６０％以上８０％未満を○、６０％未満を×として評価した。
【００３０】
表２に見られるように、合金成分を適量に選択された発明合金Ｎｏ．１からＮｏ．７は切削加工性に優れており、かつ、冷間加工性、超弾性特性も良好である。比較例１では超弾性特性が不十分であった。比較例２は冷間加工性が悪く、そのため引張り試験中に破断してしまい超弾性特性が得られなかった。また、切削試験においても試料に割れが発生し、切削加工性は悪かった。比較例３、比較例４ではＳ量が適量でないために十分な切削加工性や冷間加工性、超弾性特性などが得られなかった。
【００３１】
【表２】
0005296350.tif 000003
【実施例２】
【００３２】
添加元素を含んだ表３の組成を持つＣｕ基合金を溶解し、鋳造、熱間圧延を経て板厚２ｍｍまで冷間圧延し、更に６００℃で３０分間の熱処理を施した。
【００３３】
【表３】
0005296350.tif 000004
【００３４】
得られた各Ｃｕ基合金について、実施例１と同様の方法により切削加工性、冷間加工性、超弾性特性を評価した結果を表４に示す。いずれのＣｕ基合金も切削加工性に優れ、冷間加工性、超弾性特性も優れていることがわかった。
【００３５】
【表４】
0005296350.tif 000005
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】筋かい、方杖、シアリンクとしての制振部材の設置例を示した図で、図１（ａ）筋かいとしての設置例を示した図、図１（ｂ）方杖としての設置例を示した図、図１（ｃ）シアリンクとしての設置例を示した図である。
【図２】接合部における接合部材としての制振部材の利用例を示した図で、図２（ａ）柱脚接合部における接合部材としての利用例を示した図、図２（ｂ）柱−梁接合部における接合部材としての利用例を示した図である。
【図３】接合部材に常に引張力が生じるように設置する際の主要部の図で、図３（ａ）主要部の構成を示した図、図３（ｂ）主要部の構成順序を示した図である。
【図４】接合部材に常に引張力が生じるように設置した例を示した図で、図４（ａ）２本の間柱の間に設置した例を示した図、図４（ｂ）ブレース下部のＨ形鋼と下側梁の間に設置した例を示した図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  鋼柱
２  鋼梁
３  筋かい
４  方杖
５  鋼筋かい
６  シアリンク
１１  角形鋼管柱
１２  ベースプレート
１３  アンカーボルト
１４  コンクリート基礎梁
１５  無収縮モルタル
１６  鋼製プレート
１７ａ、１７ｂ  Ｈ形鋼梁
１８  Ｈ形鋼柱
１９  添え板
２１  制振部材
２２、２３  構造要素
２４  鋼ブロック
２５  ボルト
２６  ナット
３１  柱
３２  梁
３３  Ｈ形鋼間柱
３４  制振部材
３５  スプリットティ
３７  筋かい
３８  Ｈ形鋼
４５、４６  構造要素
【図１】
0005296350.tif 000006
【図２】
0005296350.tif 000007
【図３】
0005296350.tif 000008
【図４】
0005296350.tif 000009