(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下端が固定部材を介して所定階の架構フレームに固定された第１の履歴ダンパーと、該第１の履歴ダンパーの変形方向の両側に並設され、第１の履歴ダンパーのせん断塑性変形が所定の変形角までとなるように変形を規制するブラケットと、前記第１の履歴ダンパーの上端に連結され第１の履歴ダンパーのせん断剛性より大きなせん断剛性を有する第２の履歴ダンパーとを備え、前記第２の履歴ダンパーの上端が固定部材を介して前記架構フレームの上階架構フレームに固定されたことを特徴とする多段履歴ダンパー。
【請求項２】
下端が固定部材を介して架構フレームに固定された第１の履歴ダンパーと、該第１の履歴ダンパーの変形方向の両側に並設され、第１の履歴ダンパーのせん断塑性変形を所定の変形角に規制するブラケットと、前記第１の履歴ダンパーの上端に第１の履歴ダンパーのせん断剛性より順次大きなせん断剛性を有するように履歴ダンパーを多段に連結し、最上段の履歴ダンパーの上端が固定部材を介して前記架構フレームの上階架構フレームに固定され、前記最上段の履歴ダンパーより１段下の履歴ダンパー位置までそれぞれの履歴ダンパーのせん断塑性変形の変形角を規制するブラケットが設けられたことを特徴とする多段履歴ダンパー。
【請求項３】
前記第１ないし最上段までの履歴ダンパーは鋼材組立部材からなり、該組立部材のウェブに低降伏点鋼板を使用したことを特徴とする請求項１または請求項２記載の多段履歴ダンパー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は多段履歴ダンパーに係り、特に風荷重から地震荷重までの幅広い荷重に対して制振効果を発揮する多段履歴ダンパーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
兵庫県南部地震による各種建築物の被害を反映し、その後の鋼構造建築物の設計には制振構造を採用したものが増えてきた。制振構造のうちパッシブ制振は対象とする建築物に外部から力を加えることなくその振動を抑止しようとするもので、各種の構造の履歴ダンパーを建築物内に組み込むようになっている。
【０００３】
図９、図１０は従来のパッシブ制振構造のうち、ダンパー材料として鋼材を用いた荷重履歴減衰型ダンパー（以下、履歴ダンパーと記す。）の一例を示した模式説明図である。図９には鉄骨柱５１、梁５２で構成された架構フレームのＫ形ブレース５３に組み込まれた鋼材履歴ダンパー５０が示されている。図１０には梁５２のスパン中央に立設された間柱５５の中間位置に組み込まれた鋼材履歴ダンパー５０が示されている。いずれの履歴ダンパー５０も設計において建物各層の同一スパン位置に取り付けられ、各層におけるダンパー効果により建物全体の揺れの軽減が図られる。
【０００４】
図１１は鋼材履歴ダンパー５０の塑性変形時の変形履歴を模式的に示した荷重−変位履歴曲線である。図示したように履歴曲線は紡錘形から矩形に近いループ形状を描くことから鋼材履歴ダンパー５０は十分なエネルギー吸収能力を発揮することがわかる。このように鋼材履歴ダンパー５０は作用する荷重と揺れの振幅の大きさによってその制振効果が変化するため、対象とする建築物の振動レベルに合わせたダンパー設計が重要になってくる。通常は鋼材履歴ダンパーが降伏する荷重としての外力の大きさとして中〜大地震時を想定した荷重が設定されている。また、ダンパーに使用する鋼材としては降伏荷重が小さく変形性能が優れた、すなわちエネルギー吸収能が高い低降伏点鋼材が使用されてきている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、制振構造を組み込んだ高層建築物では地震動による振動のみならず強風による揺れの制御を図ることが求められている。地震荷重と風荷重では荷重による振動レベルが大きく異なるため、制振制御の主目的荷重をいずれにするかでダンパーの設計容量が異なる。このため、異なる容量の履歴ダンパーを配置したり、いずれかの荷重にのみ対応させたダンパー設計を行っているのが実状であり、制振構造が組み込まれた建築物は複雑な構造になってしまい、設計、施工上の問題が生じていた。また、上述した低降伏点鋼や普通鋼等を組み合わせて対応振動レベルに幅を持たせたダンパーも開発されているが、変形性能の把握が困難であることや製作コスト等の面での問題があった。
【０００６】
そこで、本発明の目的は上述した従来の技術が有する問題点を解消し、１種類の履歴ダンパーで風荷重からある地震荷重までにわたり制振効果を発揮できるような多段履歴ダンパーを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は下端が固定部材を介して所定階の架構フレームに固定された第１の履歴ダンパーと、該第１の履歴ダンパーの変形方向の両側に並設され、第１の履歴ダンパーのせん断塑性変形が所定の変形角までとなるように変形を規制するブラケットと、前記第１の履歴ダンパーの上端に連結され第１の履歴ダンパーのせん断剛性より大きなせん断剛性を有する第２の履歴ダンパーとを備え、前記第２の履歴ダンパーの上端が固定部材を介して前記架構フレームの上階架構フレームに固定されたことを特徴とする。
【０００８】
下端が固定部材を介して架構フレームに固定された第１の履歴ダンパーと、該第１の履歴ダンパーの変形方向の両側に並設され、第１の履歴ダンパーのせん断塑性変形を所定の変形角に規制するブラケットと、前記第１の履歴ダンパーの上端に第１の履歴ダンパーのせん断剛性より順次大きなせん断剛性を有するように履歴ダンパーを多段に連結し、最上段の履歴ダンパーの上端が固定部材を介して前記架構フレームの上階架構フレームに固定され、前記最上段の履歴ダンパーより１段下の履歴ダンパー位置までそれぞれの履歴ダンパーのせん断塑性変形の変形角を規制するブラケットが設けられたことを特徴とする。
【０００９】
前記第１ないし最上段までの履歴ダンパーは鋼材組立部材からなり、該組立部材のウェブに低降伏点鋼板を使用したことが好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の多段履歴ダンパーの一実施の形態について、添付図面を参照して説明する。
図１は本発明の多段履歴ダンパー（以下、履歴ダンパー１と記す。）を間柱形式のパッシブ制振構造に適用した実施の形態を示した正面図である。多段履歴ダンパー１はダンパー本体１０と、ダンパー本体１０のせん断変形を所定変形角に制限する規制ブラケット２０とから構成されている。多段履歴ダンパー１全体は図１に示したように鉄骨構造の架構フレームの一部である梁２上に立設された固定部材としての下部間柱３上に堅固に固定される一方、２段に重ねられたダンパー本体１０の上端は固定部材としての上部間柱４に連結されている。さらに上部間柱４の上端４ｂは上階の架構フレームの一部である梁２に堅固に固定されている。なお、これら上部間柱４、下部間柱３及び上下階の梁２には履歴ダンパー１の減衰性能が発揮できるように十分な構造耐力を有する部材が用いられている。本実施の形態では上部間柱４、下部間柱３と梁２との接合には高張力ボルトによるボルト接合が適用されているが、適正な溶接断面の溶接接合を行うことも好ましい。
【００１１】
ダンパー本体１０及び規制ブラケット２０の構成について図２、図３を参照して説明する。両図に示したようにダンパー本体１０は第１ダンパー１１と第２ダンパー１５とを積み上げて堅固に連結した２段構造からなり、いずれのダンパー１１、１５も所定寸法の鋼板を組み立てた平面視してＨ形断面をなす組立部材からなる。本実施の形態では第１ダンパー１１の外周枠体１２には一般構造用圧延鋼材（ＪＩＳＧ３１０１）に規定されたＳＳ４９０の鋼板がされている。さらに外周枠体１２に囲まれたウェブ１４には低降伏点鋼板が使用されている。この低降伏点鋼板としては降伏耐力σy＝１００〜２００Ｎ／ｃｍ2の規格のものが使用されている。各鋼板は溶接接合され全体が箱形状に組み立てられている。
なお、外周枠体１２に使用する鋼板としては溶接構造用圧延鋼材（ＪＩＳＧ３１０６）に規定されたＳＭ４９０程度のものも適している。
【００１２】
第１ダンパー１１の外周枠体１２のフランジ１３の両外側には規制ブラケット２０が下辺を第１ダンパー１１の下端１１ａに接するようにして下部間柱３上に固定されている。この規制ブラケット２０には第１ダンパー１１のフランジ１３に面して当接フランジ２１が形成されている。この当接フランジ２１は水平方向力が作用して第１ダンパー１１がせん断変形し、そのフランジ１３が当接した際に、せん断変形の進行を規制する役割を果たす。このときの当接フランジ２１の傾角θは、第１ダンパー１１がせん断変形した際に、その塑性変形によってエネルギー吸収が開始できるような角度に設定することが好ましい。たとえば傾角θはダンパー高さＨとセットバックδとの関係からθ＝arctan（δ／Ｈ）で求まるが、このときδ／Ｈ＝０．０５程度に設定することが好ましい。
第１ダンパー１１の設計の考え方から見ると、各部材の材質、強度、寸法は想定した設計振動レベル（風、地震を問わず）に対して当接フランジ２１の傾角に相当する変形が生じるように設定することが好ましい。規制ブラケット２０の材質としては十分な変形抵抗性を有する組立鋼材でもよいし、過大な重量でなければ中実鋼材としてもよい。
【００１３】
第１ダンパー１１の上部には第２ダンパー１５が堅固に連結されている。第２ダンパー１５は第１ダンパー１１と同様に鋼板を組み立てたＨ形断面をなした組立部材であり、その高さは第１ダンパー１１とほぼ等しく、フランジ１６の幅、ウェブ１２の高さはともに第１ダンパー１１より大きく設定されている。また、使用鋼材の材質は外周枠体のフランジ１６には第１ダンパー１１と同様の一般構造用圧延鋼材が、ウェブ１７には第１ダンパー１１の低降伏点鋼板より降伏耐力の高い低降伏点鋼板が使用されている。その板厚も第１ダンパー１１のウェブ１４の板厚よりも厚く設定されている（図３参照）。
【００１４】
ここで、多段に配置された履歴ダンパーの作用について図４〜７を参照して説明する。
図４のように構成された２段履歴ダンパー１において、第１ダンパー１１は塑性変形開始の振動レベル（荷重レベル）が風荷重のような小荷重に設定されているので、外乱としてある程度以上の風荷重が作用すると、第１ダンパー１１のみが塑性変形してエネルギー吸収し一定の制振効果を発揮する。このとき第２ダンパー１５は第１ダンパー１１より高いせん断剛性を有しているので弾性範囲での小さな変形で第１ダンパー１１の変形に追従した並進動作を示すのみである。第１ダンパー１１が塑性変形して規制ブラケット２０の当接ブラケットの傾角に等しい程度に達する。この間、反対方向の水平荷重による載荷、除荷が繰り返されたときの履歴ダンパーの変形履歴は図５に示したような略矩形ループを示し、その間十分なエネルギー消費（吸収）が果たされる。そして塑性変形が規制ブラケット２０の当接フランジ２１の傾角に等しい程度（水平変位δ1）に達すると変形が増加しない状態で作用荷重のみが増加する（図５参照）。また図４に示したように、第１ダンパー１１は変形が拘束されるのでその後は第１ダンパー１１の上部に連結された第２ダンパー１５のみが塑性変形を開始し、第１ダンパー１１より大きな塑性エネルギーを吸収する。
【００１５】
次に、図６のように構成された３段履歴ダンパーの作用について簡単に説明する。本実施の形態では第３ダンパー１８が第２ダンパー１５の上部に連結されているが、この第３ダンパー１８は第２ダンパー１５よりもせん断剛性が大きく設定された部材を用いて製作されている。このような３段構成となっているため、この履歴ダンパーの荷重作用時の変形履歴は模式的に図７のように表される。すなわち、第１ダンパー１１、第２ダンパー１５はそれぞれ規制ブラケット２０の規制変形角（変形量δ1、δ2に相当）まで変形する。このとき第２ダンパー１５の上面での変形量は第１ダンパー１１の変形量を累加した大きさ（δ1＋δ2）になる。また、除荷時にはまず第１ダンパー１１のみが当初変形方向と反対方向に変位ゼロ位置からさらにδ1だけ反対方向に変位し、２δ1だけ変形した後に第２ダンパー１５の変形が始まる。このように、第２ダンパー１５の除荷時には第１ダンパー１１のときより十分大きな履歴ループが得られ、エネルギー吸収も大きくなる。これにより大地震等においても十分な変形性能を示し、構造物が崩壊に至るのを防止することができる。
【００１６】
さらに必要に応じて図８に示したような第４ダンパー１９やそれより多段の履歴ダンパーを製作することも可能である。このように構造物が必要とする振動レベル（荷重レベル）に応じてせん断剛性を増加させた履歴ダンパーを多段に積み上げた構造とすることにより風荷重のような比較的小さな振動レベルから大地震を想定した振動レベルまでの幅広い振動レベルに対して制振効果を発揮することができる。
【００１７】
以上の説明は鉄骨構造の架構フレーム内に間柱形式の履歴ダンパーを組み込んだ例をもとに行ったが、例えば鉄筋コンクリート建築物に設けられたピロティ部分に組み込んだりすることも可能である。
また、履歴ダンパーを架構フレームに組み込む際の固定部材も、上述の間柱のみならず、プレキャストコンクリート壁体の一部、ブレースのリンク部分、壁面トラスの一部、壁柱の一部等ダンパーの減衰効果を引き出せるような部材であればよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による多段履歴ダンパーの一実施の形態を示した正面図。
【図２】図１の多段履歴ダンパーを拡大して示した正面図。
【図３】図２に示した断面線（IIIa−IIIa、IIIb−IIIb）に沿って示した平断面図。
【図４】２段履歴ダンパーにおいて第１ダンパーが規制ブラケット位置まで塑性変形した状態を示した模式説明図。
【図５】図４に示した２段履歴ダンパーの荷重−変位履歴ループを模式的に示した履歴曲線図。
【図６】３段履歴ダンパーの構成例を示した模式構成図。
【図７】図６に示した３段履歴ダンパーの荷重−変位履歴ループを模式的に示した履歴曲線図。
【図８】４段履歴ダンパーの構成例を示した模式構成図。
【図９】従来の鋼材履歴ダンパーの構成の一例を示した模式構成図。
【図１０】従来の鋼材履歴ダンパーの構成の他の例を示した模式構成図。
【図１１】従来の鋼材履歴ダンパーの荷重−変位履歴ループの一例を模式的に示した履歴曲線図。
【符号の説明】
１  多段履歴ダンパー
２  梁
３  下部間柱
４  上部間柱
１０  ダンパー本体
１１  第１ダンパー
１３，１６  フランジ
１４，１７  ウェブ
１５  第２ダンパー
２０  規制ブラケット
２１  当接フランジ
【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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