(57)【要約】  【課題】  コンパクトで大きな復元力および減衰性が得られる接合部構造およびダンパーを提供する。  【解決手段】  湾曲させた板ばね部材２と押え部材４との間にシート状の粘弾性材３を挟み込んで、ばね・粘弾性材複合型ダンパー１を構成する。これを柱１１、梁１２等の構造材どうしの接合部の内角側に接合部に対し凸となるように取り付ける。ばね・粘弾性材複合型ダンパー１の構造材への取付けは、板ばね部材２の両端部をボルト７等で固定することによって行う。地震や風により構造材の接合部に回転変形が生ずると、板ばね部材２が弾性変形し、ばねとしての復元力が生ずる。また、粘弾性材３に直ひずみとせん断ひずみが生じ、その両者について減衰力が発生する。大変形時には、さらに板ばね部材２の塑性変形による履歴減衰力が得られる。  【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造材どうしの接合部の内角側に、該接合部に対し凸となるように湾曲し、両端がそれぞれ前記構造材の一方に接合される板ばね部材と、前記板ばね部材の湾曲部内周面側に取り付けられた所要厚のシート状の粘弾性材と、前記粘弾性材の湾曲部内周面側に取り付けられ、前記板ばね部材の変形範囲では実質的に剛体とみなすことができる押え部材とからなり、前記板ばね部材の変形と前記板ばね部材と前記押え部材とで挟まれた前記粘弾性材の変形により、振動エネルギーを吸収するようにしたばね・粘弾性材複合型ダンパーを設置したことを特徴とする構造材の接合部構造。
【請求項２】
前記構造材どうしが接合部において実質的にピン接合もしくは半剛接合となっていることを特徴とする請求項１記載の構造材の接合部構造。
【請求項３】
凸状に湾曲させた板ばね部材と、前記板ばね部材の湾曲部内周面側に取り付けられた所要厚のシート状の粘弾性材と、前記粘弾性材の湾曲部内周面側に取り付けられ、前記板ばね部材の変形範囲では実質的に剛体とみなすことができる押え部材とからなり、前記板ばね部材の変形と、前記板ばね部材の変形と前記押え部材とで挟まれた前記粘弾性材の変形により、振動エネルギーを吸収するようにしたことを特徴とするばね・粘弾性材複合型ダンパー。
【請求項４】
前記板ばね部材と前記粘弾性材および前記粘弾性材と前記押え部材はそれぞれ接着されていることを特徴とする請求項３記載のばね・粘弾性材複合型ダンパー。
【請求項５】
前記板ばね部材は所要厚の鋼材を湾曲させて形成されたものであることを特徴とする請求項３または４記載のばね・粘弾性材複合型ダンパー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造材の接合部構造およびその接合部に使用されるばね・粘弾性材複合型ダンパーに関するものであり、中低層の鉄骨造の柱・梁架構を主な適用対象としているが、これに限定されず、木造建築や混構造物、園芸ハウスのような工作物にも適用することもできる。また、新築建物、既存の建物のいずれにも適用可能である。
【背景技術】
【０００２】
従来、構造体の仕口部に設置されるダンパーとして、２枚の鋼板の間にシート状の粘弾性材をサンドイッチ状に挟み込んだものが知られている（例えば、特許文献１に参照）。
【０００３】
また、特許文献２には、板ばねあるいは重ね板ばねを建築物の仕口部に取り付け、地震や大風による軸組構造材どうしの変形を主として板ばねの復元力によって低減させるようにした補強構造が記載されている。
【０００４】
さらに、特許文献３には、仕口部に取り付けた重ね板ばねの板ばね間の空間に板ばねどうしを連結し耐力を与えるための金属製部材を設けたものが記載されている。
【０００５】
この他、特許文献４には、仕口部に設置される建物の耐震具として、一対のリンクアームとリンクアームを構造材に取り付けるためのブラケットとのそれぞれ回転自在な接合部に摩擦板を介在させ、建物の振動に対し減衰力を与えるようにしたものが記載されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２２０６１４号公報
【特許文献２】特開２００３−０９６９１１号公報
【特許文献３】特開２００５−３５０９３７号公報
【特許文献４】特許第３４７０８０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１記載の発明は、取扱いが容易で、特に木造建築物における制震用ダンパーとして適しているが、低層の鉄骨造など適用対象となる構造体から受ける力が大きくなると、必要とするダンパーの寸法が大きくなり、納まりが難しくなる。
【０００８】
特許文献２記載の発明は、主として復元力を期待したものであるが、同じ出願人による特許文献３でも述べられているように、仕口部の変形に追従するための復元力や減衰効果が不十分である。特許文献３はその改良を図ったものであるが、重ね板ばねの板ばね間の空間で例えばリング状の金属製部材を変形させるものであり、構造的に安定した形状とは言い難く、また対象となる構造物に合せた設計が難しい。
【０００９】
特許文献４記載のものは、板ばねを利用した耐震構造の課題を解決しようとしたものであるが、装置の重量が大きくなるほか、リンクアームとブラケットおよび摩擦板との間の摩擦抵抗を利用したものであり、実際には減衰力の調整やメンテナンスが難しいという問題がある。
【００１０】
本発明は、従来技術における上述のような課題の解決を図ったものであり、コンパクトで大きな復元力および減衰性が得られる接合部構造およびダンパーを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本願の請求項１に係る構造材の接合部構造は、構造材どうしの接合部の内角側に、該接合部に対し凸となるように湾曲し、両端がそれぞれ前記構造材の一方に接合される板ばね部材と、前記板ばね部材の湾曲部内周面側に取り付けられた所要厚のシート状の粘弾性材と、前記粘弾性材の湾曲部内周面側に取り付けられ、前記板ばね部材の変形範囲では実質的に剛体とみなすことができる押え部材とからなり、前記板ばね部材の変形と前記板ばね部材と前記押え部材とで挟まれた前記粘弾性材の変形により、振動エネルギーを吸収するようにしたばね・粘弾性材複合型ダンパーを設置したことを特徴とするものである。
【００１２】
本発明におけるダンパーは、湾曲させた板ばね部材と押え部材との間にシート状の粘弾性材を挟み込んだばね・粘弾性材複合型ダンパーであり、これを構造材どうしの接合部の内角側に接合部に対し凸となるように取り付ける。このダンパーの構造材への取付けは、板ばね部材の両端部を、それぞれ、互いに接合されている構造材の一方にボルトその他任意の取付け手段で固定することによって行うことができる。
【００１３】
地震や風により構造材の接合部に回転変形が生ずると、板ばね部材が構面内で湾曲部の曲率を変化させる形で変形し、ばねとしての復元力が生ずる。このとき、押え部材は板ばね部材の変形範囲で実質的に剛体とみなすことができる剛性を有するものであることで、間に挟まれたシート状の粘弾性材に直ひずみとせん断ひずみが生じ、その両者によって減衰力が発生し、構造体の振動が減衰される。
【００１４】
また、大変形時には、さらに板ばね部材の塑性変形による履歴減衰力が得られ、構造体の振動を効果的に減衰させ、建物等の構造体の損傷、被害を抑えることができる。
【００１５】
本発明は、主として、構造材としての柱と梁の接合部を対象としているが、これに限定されず、例えば水平構面の梁どうしの接合部などにも適用可能である。
【００１６】
請求項２は、請求項１に係る構造材の接合部構造において、前記構造材どうしが接合部において実質的にピン接合もしくは半剛接合となっていることを特徴とするものである。
【００１７】
本発明の接合部構造は、構造材どうしの接合部の変形を利用して振動エネルギーを吸収するものであるから、接合部をピン接合とするなど構造材どうしの接合部の回転を積極的に許容することで、大地震等による建物の揺れをより効果的に減衰させることができる。
【００１８】
本願の請求項３に係るばね・粘弾性材複合型ダンパーは、凸状に湾曲させた板ばね部材と、前記板ばね部材の湾曲部内周面側に取り付けられた所要厚のシート状の粘弾性材と、前記粘弾性材の湾曲部内周面側に取り付けられ、前記板ばね部材の変形範囲では実質的に剛体とみなすことができる押え部材とからなり、前記板ばね部材の変形と前記板ばね部材と前記押え部材とで挟まれた前記粘弾性材の変形により、振動エネルギーを吸収するようにしたことを特徴とするものである。
【００１９】
ダンパーとしての機能は、請求項１に関して説明した通りである。
【００２０】
粘弾性材としては、例えば特許文献１に詳細に記載されている熱可塑性粘弾性材などを用いることができる。ただし、特許文献１では平板状の金属板に挟まれたシート状粘弾性材のせん断変形に対するエネルギー吸収を利用しているのに対し、本発明では上述のように、直ひずみとせん断ひずみの両者によるエネルギー吸収を図っている。
【００２１】
熱可塑性粘弾性材としては、高ビニル含量のスチレン−イソプレン系ブロック共重合体並びにその水素添加物、イソブチレンを単量体主成分とする重合体ブロックとイソブチレンを主成分としない重合体ブロックを有しているブロック共重合体、具体的にはスチレン−イソブチレン−スチレントリブロック共重合体等の熱可塑性ブロック共重合体が例示される。
【００２２】
その他、天然ゴム、イソプレンゴム、ブチレンゴム、ＳＢＲ、ＮＢＲ、ＥＰＤＭ、ポリウレタン、シリコンゴム、ブタジエンゴム、クロロプレンゴム等の未加硫ゴムゴムの中より選ばれた少なくとも一種を使用した組成物であってもよい。また熱可塑性熱可塑性ブロック共重合体と未加硫ゴムとを併用してもよい。
【００２３】
このような熱可塑性粘弾性材には、必要に応じて添加剤ないし充填剤を添加して特性を調整してより好ましい粘弾性体とする。添加剤としては、粘着付与樹脂、可塑剤、安定剤、顔料、滑剤、難燃剤などが例示される。
【００２４】
押え部材は、板ばね部材とともにシート状の粘弾性材を挟み込む部材であるため、粘弾性材に接する面については板ばね部材と同一またはほぼ同一の曲率で湾曲させる必要がある。板ばね部材の変形範囲で実質的に剛体とみなすことができる剛性を付与するためには湾曲させた鋼板などの板材に対し、補剛リブなどを設けることで重量を抑えつつ必要な剛性を得ることができる。その他、必要な剛性が得られるものであれば、他の金属や硬質の合成樹脂などでもよい。
【００２５】
請求項４は、請求項３に係るばね・粘弾性材複合型ダンパーにおいて、前記板ばね部材と前記粘弾性材および前記粘弾性材と前記押え部材はそれぞれ接着されていることを特徴とするものである。
【００２６】
接着面には接着剤を用いてもよいが、熱可塑性粘弾性材の場合、製作時に熱を加えることでも接着できる。なお、接着面は、接着力を高めるための表面処理をすることが好ましく、例えばショットブラスト処理、接着剤処理、プラズマ処理などが例示される。表面処理は、２種以上を併用してもよい。
【００２７】
また、板ばね部材と粘弾性材および押え部材は、接着力のみで一体化することができるが、大型化し、押え部材の重量が大きくなる場合には、例えば長孔とボルトの組み合わせでスライド可能に連結するなど、板ばね部材の変形をできるだけ拘束しない形で結合することも考えられる。
【００２８】
請求項５は、請求項３に係るばね・粘弾性材複合型ダンパーにおいて、前記板ばね部材が所要厚の鋼材を湾曲させて形成されたものであることを特徴とするものである。
【００２９】
なお、鋼材はばね鋼に限らず、必要な復元力特性が得られるものであれば特に限定されない。
【発明の効果】
【００３０】
本発明におけるばね・粘弾性材複合型ダンパーは、板ばね部材の復元力と、間に挟み込まれたシート状の粘弾性材の直ひずみおよびせん断ひずみに伴って発生する減衰力を利用し、さらに大変形時には板ばね部材の塑性変形による履歴減衰力も利用するものであり、コンパクトな構造で、大きな耐震、制震効果が得られる。
【００３１】
コンパクトな構造であるため、設置、取外し、交換、再使用等、取扱いも容易で、新築の建物にも既存の建物にも使用することができる。
【００３２】
また、構造材どうしの接合部を実質的にピン接合とすることで、中低層の鉄骨造の柱・梁架構などにおいても有効である。  
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
図１は本発明を低層の鉄骨造の建物に適用する場合の一実施形態を示したもので、図２は図１の実施形態で用いられるばね・粘弾性材複合型ダンパー１の具体形状を示したものである。
【００３４】
図１の(a)は１本の柱位置を示しており、図において柱１１と梁１２の接合部の上下左右と柱１１の下端の左右に、本発明のばね・粘弾性材複合型ダンパー１を接合部に対し凸となるように取り付けてある。柱梁接合部１３および柱下端接合部１４は剛接合とせず、ピン接合に近い半剛接合としてある。(b)はその形態を力学モデルとして示したものである。また、(c)は柱１１に取り付けた接合プレート１３ａに対し、梁１２の端部をピンとしての１本のボルトで接合し、実質的にピン接合となるようにした場合である。
【００３５】
図２に示したばね・粘弾性材複合型ダンパー１は、１／４円状に湾曲させた板ばね部材２と、同じく１／４円状に湾曲させた押え部材４との間にシート状の粘弾性材３を接着させて挟み込んだものであり、板ばね部材２の両端に穿設したボルト孔５を利用して、図１に示すように柱１１や梁１２などの構造材にボルト７で取り付けることができる。
【００３６】
板ばね部材２および押え部材４は鋼材により製作することができるが、板ばね部材２がばねとしての変形が要求されるのに対し、押え部材４は三日月形の補剛リブ６で補剛することにより、板ばね部材２の変形範囲では実質的に変形しないようにしている。
【００３７】
柱梁接合部１３および柱下端接合部１４を実質的にピン接合もしくは半剛接合としてあるため、地震や風で建物が揺れる際、柱梁接合部１３および柱下端接合部１４では相対的な回動があり、ばね・粘弾性材複合型ダンパー１の板ばね部材２が閉じる方向および広がる方向に交互に変形する。
【００３８】
これに対し、押え部材４は実質的に変形しないため、間に挟まれた粘弾性材３は板ばね部材２が閉じる方向では両端部が押圧され、中央部が引張られ、逆に板ばね部材２が広がる閉じる方向では中央部が押圧され、両端部が引張られ、さらに粘弾性材３の面内方向にも変形して直ひずみとせん断ひずみが生じ、粘弾性材３による減衰力が働く。
【００３９】
建物の振動レベルが低い状態では、板ばね部材２は弾性範囲で変形を繰り返すが、振動レベルが高くなると板ばね部材２の塑性変形による履歴減衰力も働くようになる。
【００４０】
図３は本発明をラーメン構造に適用する場合の一実施形態を示したものである。
【００４１】
鉄骨ラーメンでは柱梁接合部が剛接になっているためその隅角部に本発明のばね・粘弾性材複合型ダンパー１を取り付けても十分なエネルギー吸収に必要な変形は得られない。そのため、この例では構面内にＶ字形ブレース１５を設け、連結材１６を介して下側の梁１２の中央と連結し、連結材１６の両端をピン接合（ピン接合部２０）としている。
【００４２】
すなわち、地震や風による建物の層間変位を連結材１６位置に集約し、その部分に本発明のばね・粘弾性材複合型ダンパー１を取り付けることで、大きなエネルギー吸収効果を図ったものである。
【００４３】
図４は本発明を既存のラーメン構造に適用する場合の一実施形態を示したものである。
【００４４】
図３の場合と同様に鉄骨ラーメンへの適用を図ったものであり、上下の梁１２間をつなぐ付加間柱１７と左右の柱１１間をつなぐ付加中間梁１８の両端をそれぞれピン接合とし、さらに付加間柱１７と付加中間梁１８の交点をピン接合とすることで、地震や風による建物の層間変位をこの交点位置に集約し、その部分に本発明のばね・粘弾性材複合型ダンパー１を取り付けることで、大きなエネルギー吸収効果を図ったものである。
【００４５】
図５は本発明を木造の水平構面に適用する場合の一実施形態を示したものである。
【００４６】
木造建築物における構造材どうしの接合部は、一般的には剛接よりピン接合に近いケースが多く、従来、床面などの水平構面での梁１２どうしの接合部の変形を抑えるためには、火打ちや床面ブレースなどが設けられている。
【００４７】
本発明は接合部の変形を利用するものであり、これらの代わりに本発明のばね・粘弾性材複合型ダンパー１を取り付けることで、木造建築物においても大きなエネルギー吸収効果を得ることができる。なお、勿論、本発明は木造建築物の鉛直構面に適用することも、また鉄骨構造の水平構面に適用することも可能である。
【００４８】
図６は本発明の適用形態のバリエーションを例示した力学モデルとして示したものである。
【００４９】
(a)は構面内に設置した付加間柱１７の上下端をピン接合とし、上下のピン接合位置の左右に本発明のばね・粘弾性材複合型ダンパー１を取り付けた場合である。
【００５０】
(b)は構面内に設置した付加中間梁１８の左右両端をピン接合とし、左右のピン接合位置の上下に本発明のばね・粘弾性材複合型ダンパー１を取り付けた場合である。
【００５１】
(c)は構面内に設置した付加中間梁１８の中央部と梁１２の中間部をつなぐ連結材１９の上下端をピン接合とし、そのピン接合位置の左右に本発明のばね・粘弾性材複合型ダンパー１を取り付けた場合である。
【００５２】
(d)は構面内に設置した付加間柱１７の上端部と梁１２の中間部をつなぐ連結材１９の上下端をピン接合とし、そのピン接合位置の左右に本発明のばね・粘弾性材複合型ダンパー１を取り付けた場合である。実質的にこの部分の支点間距離を縮小して変形角を増幅させることができ、建物架構として変形が少ない場合でも高い減衰性能を得ることができる。
【００５３】
(e)は梁１２から垂下させた連結材１９の下端に連結パネル２１をピン接合し、その連結パネル２１と一方の柱１１とを両端をピン接合とした連結材１９で水平に連結し、連結パネル２１との連結部の上下に本発明のばね・粘弾性材複合型ダンパー１を取り付けた場合である。このような構成とすることで、ばね・粘弾性材複合型ダンパー１設置位置での回転角を増幅させることができる。この場合、それぞれの連結材１９の長さによって変形に限界があるが、逆に過剰な変形に対するストッパーとなる。
【００５４】
(f)は梁１２から垂下させた連結材１９の下端と一方の柱１１から水平に張り出させた連結材１９の先端を連結し、それぞれの連結材１９の両端をピン接合とし、その部分に本発明のばね・粘弾性材複合型ダンパー１を取り付けた場合である。このような構成とすることで、１箇所に設置可能なばね・粘弾性材複合型ダンパー１の数を増やし、減衰力のアップが図れる。
【００５５】
図７(a)、(b)はそれぞれ本発明のばね・粘弾性材複合型ダンパー１のばね剛性の調整例を示したものである。
【００５６】
(a)は板ばね部材２のばね剛性が規格品では足りない場合などに、ばね剛性を調整する方法として、補助の板ばね部材２ａを重ね合せて必要なばね剛性を確保するものである。
【００５７】
(b)は柱１１および梁１２に形鋼などを加工してなる嵩上げ材２２を設置して、この嵩上げ材２２を介してばね・粘弾性材複合型ダンパー１を取り付けることにより剛性をアップさせるようにしたものである。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の構造材の接合部構造を鉄骨造の建物に適用する場合の一実施形態を示したもので、(a)は１本の柱位置での正面図、 (b)はその力学モデル図、(c)は柱梁接合部をピン接合とする場合の接合部の正面図である。
【図２】本発明のばね・粘弾性材複合型ダンパーの一実施形態を示したもので、(a)を正面図、(b)は右側面図、(c)は底面図である。
【図３】本発明をラーメン構造に適用する場合の一実施形態を示す正面図である。
【図４】本発明を既存のラーメン構造に適用する場合の一実施形態を示す正面図である。
【図５】本発明を木造の水平構面に適用する場合の一実施形態を示す斜視図である。
【図６】本発明の適用形態のバリエーションを例示した力学モデル図である。
【図７】(a)、(b)はそれぞれ本発明のばね・粘弾性材複合型ダンパーにおけるばね剛性の調整例を示す正面図である。
【符号の説明】
【００５９】
１…ばね・粘弾性材複合型ダンパー、２…板ばね部材、３…粘弾性材、４…押え部材、５…ボルト孔、６…補剛リブ、７…ボルト、８…ピン、
１１…柱、１２…梁、１３…柱梁接合部、１３ａ…接合プレート、１４…柱下端接合部、１５…Ｖ字状ブレース、１６…連結材、１７…付加間柱、１８…付加中間梁、１９…連結材、２０…ピン接合部、２１…連結パネル、２２…嵩上げ材
【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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