(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状の外筒部材と、
該外筒部材の内周部に粘弾性体を介して接合された筒状の内筒部材と、
前記外筒部材から一方の端部を露出した状態で、該端部を前記外筒から軸方向に引っ張り出す方向には、前記内筒部材と一体に移動するように係止され、その逆方向には該内筒部材と別体で移動するように設けられた軸部材とを備え、
該軸部材の前記外筒部材から露出した端部と、その軸方向逆側の前記外筒部材の端部とに、それぞれ被取付部材を設けたことを特徴とする粘弾性ダンパー。
【請求項２】
筒状の外筒部材の内部に所定のすきまを設けて筒状の内筒部材を配置し、
それらを高温状態にして前記すきまにホットメルト性の粘弾性体を流し込み、
その冷却後、前記内筒部材の内部に、一端部に該内筒部材と係止する係止部を設けた軸部材を配置し、
該軸部材の他端部を軸方向に移動可能に露出させた状態で、前記外筒部材の両端部を封止して製造する粘弾性ダンパーの製造方法。
【請求項３】
梁と柱で囲まれた建物のフレームに、請求項１に記載の少なくとも２本の粘弾性ダンパーを互いに交差する方向に取り付けてなる粘弾性ダンパーを用いた制震構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、粘弾性ダンパー、その製造方法およびそれを用いた制震構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、建物の制震手段として種々の手段が知られている。中でも、取付けが容易なため、既設建物の耐震改修工事にも利用しやすい制震ダンパーは近年普及が著しい。
制震ダンパーは、建物の躯体のうち、例えば柱と梁で囲まれるフレームにブレースなどとして設け、フレームの変形に伴うブレースの引張や圧縮による変形時に外乱のエネルギーを消費させ、地震・強風などの外力による振動の減衰を図るものである。比較的小さな外力でもエネルギーを消費しやすい粘弾性体を用いた制震ダンパーが、粘弾性ダンパーである。
建物の制震ダンパーに用いる粘弾性ダンパーとしては、例えば、特開平１１−２８０２９４号公報や特開平１１−３０３４４８号公報に記載されているものがあった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来の粘弾性ダンパーでは、粘弾性ダンパーが圧縮荷重を受けるときに座屈しないように配慮しなければならなかった。
例えば特開平１１−２８０２９４号公報に記載の粘弾性ブレースでは、心材を形鋼、角形鋼管、円形鋼管などから構成して座屈強度を向上している。そのため、粘弾性ブレースが太くなってしまい、全面ガラス張りの建物などで剥き出しで使う場合、居住空間のデザイン性や見栄えの点で採用できないという問題があった。
特開平１１−３０３４４８号公報に記載のブレースは、圧縮時には、軸状のブレース本体が粘弾性体の充填されたボックス材内で座屈変形して外乱のエネルギーの消費を実現する。ブレース本体は、ボックス材で覆われて変形量が規制されるので、ボックス材が変形しない限りは座屈破壊を起こさない。したがって所定の荷重範囲では座屈するおそれはないが、座屈変形により制震効果を出しているので、大地震に備えてより高荷重に耐えるものとするには、ボックス材の強度を上げたり、ブレース本体を太くして座屈荷重を引き上げたりすることが必要となる。そのために、ブレースが太くなったり、低荷重では制震効果が減退したりするといった問題があった。
【０００４】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、圧縮力を受けても座屈しない構成とすることにより、座屈荷重に左右されることなく細い形状とすることができる粘弾性ダンパーおよびそれを用いた耐震構造を提供することを目的とする。またそのような粘弾性ダンパーの製造方法を提案することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明では、筒状の外筒部材と、該外筒部材の内周部に粘弾性体を介して接合された筒状の内筒部材と、前記外筒部材から一方の端部を露出した状態で、該端部を前記外筒から軸方向に引っ張り出す方向には、前記内筒部材と一体に移動するように係止され、その逆方向には該内筒部材と別体で移動するように設けられた軸部材とを備え、該軸部材の前記外筒部材から露出した端部と、その軸方向逆側の前記外筒部材の端部とに、それぞれ被取付部材を設けた粘弾性ダンパーを用いる。
そのため、この粘弾性ダンパーを、被取付部材によって建物のフレームなどの制震対象に取り付けることにより、制震対象の相対変位によって、軸部材が引っ張られる場合には、軸部材と一体に移動するよう係止された内筒部材が移動して、内筒部材と外筒部材の間の粘弾性体が変形してエネルギーの消費が起こる。また、軸部材がそれとは逆方向に移動する場合には、軸部材は内筒部材とは別体で移動するので、内筒部材から抵抗を受けることがないため、軸部材には、圧縮方向荷重がかからない。
【０００７】
請求項２に記載の発明では、筒状の外筒部材の内部に所定のすきまを設けて筒状の内筒部材を配置し、それらを高温状態にして前記すきまにホットメルト性の粘弾性体を流し込み、その冷却後、前記内筒部材の内部に、一端部に該内筒部材と係止する係止部を設けた軸部材を配置し、該軸部材の他端部を軸方向に移動可能に露出させた状態で、前記外筒部材の両端部を封止して製造する粘弾性ダンパーの製造方法を用いる。
そのため、このような製造方法によれば、請求項１に記載の粘弾性ダンパーを製造することができる。
【０００８】
請求項３に記載の発明では、梁と柱で囲まれた建物のフレームに、請求項１に記載の少なくとも２本の粘弾性ダンパーを互いに交差する方向に取り付けてなる粘弾性ダンパーを用いた制震構造を用いる。
そのため、建物のフレームが地震・強風などの外力により変形すると、少なくとも１本の粘弾性ダンパーには、引張力が作用するので制震効果を発揮することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して説明する。なおすべての図面を通して、同一または相当する部材は、同一の符号を付している。
まず、本発明に係る粘弾性ダンパーの実施の形態について説明する。
図１（ａ）は、本実施形態に係る粘弾性ダンパーの概略構成を示す軸長手方向の断面図である。図１（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ図１（ａ）のＡ−Ａ断面図、Ｂ−Ｂ断面図である。
【００１０】
粘弾性ダンパー１は、建物などの制震対象に取り付けられるもので、大きくは、外筒部材２、粘弾性体３、内筒部材４、軸部材５、先端カバー６、後端カバー７からなる。
【００１１】
外筒部材２は、例えば鋼管などからなり、真直に延ばされて両端が開口された円筒状の部材である。それぞれの開口部の近傍には外周から径方向に延ばされた孔あきプレート２ａが２つずつ設けられている。孔あきプレート２ａ…は、ボルトなどの締結部材が貫通可能な取付孔２ｂ…を備える鋼板などを外筒部材２に溶接などによって取り付けたものである。
【００１２】
外筒部材２の内側には、加温によって液状化するホットメルト性を有する高分子材料からなる粘弾性体３によって外周部が密着された、例えば鋼管などからなる内筒部材４が設けられている。外筒部材２と内筒部材４はほぼ同軸に配置されている。
【００１３】
外筒部材２の一方の端部には、硬化ゴムなどからなるシーリング材９がその端部全周に当接して設けられ、そのシーリング材９を介して後端カバー７が設けられている。
後端カバー７は、外筒部材２とほぼ同径で、軸方向に所定長さの軸部材可動スペース７ｃが形成された円筒管の一端をふさぎ、その軸方向の外周面に、孔あきプレート２ａ、２ａに整列するように設けられたコの字プレート７ａが溶接などによって固設されているものである。
【００１４】
孔あきプレート２ａ、２ａとコの字プレート７ａは、スプライスプレート８、８を介して、外筒部材２、後端カバー７がシーリング材９との密着を保った状態で、例えばボルト止めなどによって固定されている。軸部材可動スペース７ｃの所定長さは、粘弾性ダンパー１の設計上の許容圧縮長さよりも長く設定されている。
【００１５】
外筒部材２の他方の端部には、シーリング材９が当接され、それを介して先端カバー６が設けられている。先端カバー６は、外筒部材２と同径で適宜の長さを備える円筒管の底面の中心に貫通するガイド孔６ｃを備え、外周部に孔あきプレート２ａ、２ａと整列するように設けられた孔あきプレート６ａ、６ａが溶接などによって固設されているものである。先端カバー６と外筒部材２は、孔あきプレート２ａ、２ａと孔あきプレート６ａ、６ａがそれぞれスプライスプレート８、８によって固定されている。
【００１６】
なお、シーリング材９、９は、例えば火災などで粘弾性体３が液状化した場合にも粘弾性ダンパー１の外部に流失されないように設けられている。
【００１７】
内筒部材４の内径側には、例えば鋼棒からなる軸部材５が配置されている。軸部材５の後端カバー７側の端部には、例えば鋼板などによって、後端カバー７の内部に収まる外径を有し、内筒部材４の外側からその端部に当接して係止することが可能な円板状のエンドプレート５ａ（係止部）が固設されている。
【００１８】
軸部材５の他方の端部は、先端カバー６のガイド孔６ｃを貫通して、軸方向に移動可能に先端カバー６の外部に所定長さだけ延ばされている。その先端には、鋼板などに適宜の取付孔５ｃ…を設けて溶接などで固定された取付部５ｂが設けられている。
【００１９】
軸部材５は、ガイド孔６ｃおよび内筒部材４の内側を軸方向に滑らかに移動できれば、その軸の太さや軸断面形状の制約はない。また、軸部材５とそれぞれの間に適宜の軸受や潤滑材を配してもよい。さらに、内筒部材４の端部や内部に軸部材５を滑らかに移動できるように支持する適宜のガイド部材を設けてもよい。
【００２０】
コの字プレート７ａおよび取付部５ｂは、粘弾性ダンパー１を制震対象に取り付ける際、取付孔７ｂ…および取付孔５ｃ…を介して例えばボルト止めなどにより制震対象に取り付けられる被取付部材である。
【００２１】
次に、本発明に係る粘弾性ダンパーの作用を説明する。
図２は、本発明に係る粘弾性ダンパーの作用を説明する軸長手方向の概略断面図である。図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ粘弾性ダンパーが中立位置にあるとき、引張力を受けるとき、および圧縮力を受けるときの様子を模式的に示したものである。
【００２２】
中立位置にあるときは、エンドプレート５ａが内筒部材４の端部に当接しており、粘弾性体３には内筒部材４の自重以外の外力は作用していない。
図２（ｂ）に示したように、軸部材５が矢印の方向に引張力を受ける場合、エンドプレート５ａによって内筒部材４の端部が押圧されて移動されるため、粘弾性体３にせん断変形が生じる。そして時間が経過するうちに粘弾性体３の変形エネルギーが熱に転化してエネルギーが消費される。
【００２３】
一方、図２（ｃ）に示したように、軸部材５が矢印の方向に圧縮力を受ける場合、軸部材５は、圧縮方向には係止されておらず抵抗負荷もないので、設計上の圧縮量の範囲で、軸部材可動スペース７ｃ内を押し込まれるままに移動する。したがって軸部材５には両端から圧縮力が作用することがないから、その長さ・太さに関わらず、座屈することがない。
【００２４】
次に、粘弾性ダンパー１の荷重変位特性の一例を説明する。図３（ａ）は、粘弾性ダンパー１の荷重変位特性を数値計算するためのモデルを示したものである。制震対象である建物を建物質量１０と建物剛性１１によってモデル化し、地震や強風などの外力によって建物質量１０が変位すると、その変位に連動して粘弾性ダンパー１が変形するとした。また、粘弾性ダンパー１は、ばねとダッシュポットからなるフォークトモデルによる粘弾性体モデル１２と、それに引張側のみ剛のばね１３が直列接続するとしたモデル化を行った。
【００２５】
引張側のみ剛のばね１３は、圧縮方向に変形してもばねによる力が発生せず、引張方向には任意の抗力が発生して引張方向の変形を０にするばねモデルであり、グラフに表すと図３（ｂ）のようになる。ここで、横軸は引張側のみ剛のばね１３の変形量（伸び量が正、圧縮量が負）、縦軸は引張側のみ剛のばね１３に発生するばね力である。圧縮変形域では、ばね力が常に０となる直線状の圧縮方向特性１５ｂを示し、引張変形域では、伸び量が常に０となる直線状の引張方向特性１５ａを示す。
【００２６】
図４に、上記のモデルによって解析的に得られた粘弾性ダンパー１の荷重変形関係の例を示す。粘弾性ダンパー１に、振幅の変化する周期的外力を作用させたときの復元力特性１６をプロットしている。ここで横軸は、正方向は伸び方向とした中立位置からの変位を示し、単位は（ｃｍ）である。縦軸は、復元力を示し、単位は（ｋＮ）である。
【００２７】
復元力特性１６は、中立位置から引張力を加えると最初は弾性的な復元力が生じて原点から急峻に立ち上がる直線状の変化を示し（符号１６ａの曲線）、次いで荷重がピークに達するにつれて傾きが鈍り、ほぼ楕円状の曲線を描きながら、復元力が減少するにつれて変位が戻る（符号１６ｂの曲線）。ここまでの特性は従来の粘弾性ダンパーの復元力特性と同様であるが、本発明では、横軸に達すると横軸上を原点に向かう（符号１６ｃの直線）。さらに圧縮されても復元力は働かないので、符号１６ｄの直線に示すように横軸上を往復して原点に復帰する。一方、粘弾性体は除荷されると残留ひずみを残さず初期状態に復帰するので、いわゆるスリップ型の復元力特性は示さず、再度引張力が作用すると上記のサイクルを繰り返す。復元力特性１６はグラフの第Ｉ〜ＩＶ象限を通る楕円状ループとならず、グラフの第Ｉ象限の範囲でループが閉じている点が従来の粘弾性ダンパーとは異なるものである。
【００２８】
このように、粘弾性ダンパー１は、圧縮時は抵抗せず、引張時は粘弾性体の変形が引き起こすために、中立位置から伸ばされる間でエネルギーの消費を起こすダンパーとしての作用を備えていることが分る。
なお説明のために一例を解析した結果を示したもので、粘弾性体のモデル化や用いる材料定数などが異なれば、復元力特性１６の形状が異なるのは当然である。その場合でもループが第Ｉ象限の範囲に限られることは変わらない。
【００２９】
次に本発明に係る粘弾性ダンパー１の製造方法について説明する。図５、６は、粘弾性ダンパー１を製造する各工程を説明するための斜視説明図である。
まず図５（ａ）に示したように、円筒鋼管の両端外周に孔あきプレート２ａ…を溶接などによって取り付けて、外筒部材２を用意する。またそれより内径の小さい円筒鋼管の両端外周に円筒鋼管を外筒部材２内にほぼ同軸位置に納めるためのスペーサ４ａを…取り付けた内筒部材４を用意する。そして、内筒部材４を外筒部材２に入れて二重管構造を作る。
【００３０】
スペーサ４ａ…は、図示のように例えば鋼板を溶接して設けることができる。ただし、外筒部材２と内筒部材４のすきまが一定に確保されれば、粘弾性体３の厚さを均一に設けることができるから、例えば内筒部材４にボルトを取付け、ボルトヘッドで適宜すきまを確保してもよいし、粘弾性体３を設けるまでの間だけすきまを固定するような適宜の治具を用いてもよい。
【００３１】
次に、図５（ｂ）に示したように、外筒部材２および内筒部材４の下に、粘弾性体３の流失を防ぐためのシーリング材２２を配置し、漏れ止めプレート２３を外筒部材２に止めて固定する。具体的には、例えば孔あきプレート２ａ、２ａに取付ブラケット２１、２１を一時的に固定し、ボルト２４、２４によって漏れ止めプレート２３を共締めすればよい。
【００３２】
そして上方に粘弾性体３を外筒部材２と内筒部材４のすきまに流し込むためのサイロ状のバケット２０を配置する。この状態で適宜の高温炉内に入れて加温し、状部のバケット２０から、ホットメルト性で液状化した粘弾性体３を流し込む。すきま内に所定量充填したあと、冷却し、粘弾性体３が固化するのを待って、バケット２０、漏れ止めプレート２３、取付ブラケット２１、シーリング材２２を取り外す。
【００３３】
次に、図６（ｃ）に示したように、軸部材５を内筒部材４内部に通す。そしてエンドプレート５ａが位置する側には後端カバー７を、その逆側には先端カバー６を、それぞれ外筒部材２との間にシーリング材９、９を挟んで配置する。それから、スプライスプレート８…を介して、それぞれを孔あきプレート２ａ…とボルト止めして結合する。
【００３４】
次に、図６（ｄ）に示したように、先端カバー６から露出した軸部材５の端部に取付部５ｂを溶接などによって取り付ける。
以上の工程を順次実施することにより、粘弾性ダンパー１を製造することができる。
【００３５】
以上に説明した製造方法によれば、固体状の粘弾性体を部材に粘着させて固定する場合と異なり、外筒部材２および内筒部材４に対する張りむらなどが生じないために優れた密着性を得ることができる。そこで粘弾性体３をむらなく拘束することができ、その結果、減衰効果を高めることができるという利点がある。
【００３６】
次に、粘弾性ダンパー１の変形例を説明する。図７は、粘弾性ダンパー１の変形例の概略構成を説明するための軸長手方向断面図である。以下では上記と異なる箇所のみを説明する。
本変形例では、上記に説明した内筒部材４に代えて、円筒鋼管の一方の端部に軸部材５の軸部は貫通するがエンドプレート５ａは引っかかる大きさの貫通孔を備える係止プレート２６ａが、溶接などによって設けられた内筒部材２６を用いる。そして、エンドプレート５ａが内筒部材２６の内部に納められるように配置する。また、後端カバー７に代えて円板にコの字プレート７ａを取り付けた後端カバー２５を用いる。
【００３７】
このように構成すれば、軸部材５が圧縮力を受けるとエンドプレート５ａは内筒部材２６の内部で移動するから、後端カバー７に設けた軸部材可動スペース７ｃが不要となる。また、軸部材５の長さを短縮できる。したがって同等の減衰特性を備えながら、粘弾性ダンパー１の短縮化および軽量化を図ることができ、小型化と低コスト化が可能となる。
【００３８】
次に本発明に係る粘弾性ダンパーを用いた制震構造の実施の形態について説明する。図８（ａ）は、本発明に係る粘弾性ダンパーを用いた制震構造の実施の形態を示す説明図である。
本発明では、建物の一部をなす梁１７、１７と柱１８、１８とで囲まれたフレーム３０に上記に説明した本発明に係る粘弾性ダンパー１、１を取り付けて構成したものである。
【００３９】
フレーム３０を構成する一方の梁１７のほぼ中央には、取付孔（不図示）を備えたガセットプレート１９ａが設けられ、他方の梁１７と柱１８、１８の交差部には、取付孔（不図示）を備えたガセットプレート１９ｂ、１９ｂがそれぞれを設けられている。粘弾性ダンパー１、１はエンドプレート５ａがガセットプレート１９ａに、コの字プレート７ａがガセットプレート１９ｂにそれぞれボルト締結されて固定されている。したがって、粘弾性ダンパー１、１は、ハの字状に配置され、互いの軸長手方向が所定角度で交差する位置関係にある。
【００４０】
次に本実施形態の作用を説明する。このような構成によれば、建物に外力が加わって曲げ変形が起こると、フレーム３０が図示の２点鎖線で示したように、いずれか一方の粘弾性ダンパー１は圧縮方向に、いずれか他方の粘弾性ダンパー１は引張方向にそれぞれ変形する。したがって引張方向に変形した粘弾性ダンパー１によって振動エネルギーが消費され、振動が減衰される。粘弾性ダンパー１は圧縮を受けても座屈しないので、軸部材５を細く設計することができる。その結果、粘弾性ダンパー１全体を従来よりも細くすることができ、梁１７、柱１８などに比べてスリムで見栄えのよい粘弾性ダンパー１とすることができる。そのため、例えば全面ガラス張りの建物などのように粘弾性ダンパー１が居住空間内に露出して設けられても見栄えのよいデザインに仕上げることが可能となる。
【００４１】
このような作用は、少なくとも２本の粘弾性ダンパー１を互いに交差する方向にフレーム３０に固定することにより得られるので、本実施形態の変形例として、例えば、図８（ｂ）に示したように、梁１７と柱１８の交差するフレーム３０の四隅にそれぞれガセットプレート１９ｃ、１９ｃ、１９ｄ、１９ｄを設けて、それぞれにエンドプレート５ａ、５ａおよびコの字プレート７ａ、７ａを取り付けて、粘弾性ダンパー１、１がフレーム３０の対角線上に互いに交差するように固定してもよい。このように構成すれば、建物の変形が同じならば、図８（ａ）の場合よりも、粘弾性ダンパー１の変形量が大きくなるから、より大きな減衰が付与される。本発明の粘弾性ダンパー１によれば、座屈の心配がないので、このように粘弾性ダンパー１が長くなる構成としても細い形状のままとすることができる。
【００４２】
また、粘弾性ダンパー１は細くすることができるので、１つのフレーム３０に２本以上配置して、より大きな減衰を付与するようにしてもよい。
【００４３】
なお、上記の説明では、粘弾性ダンパー１の断面は円筒状として説明したが、粘弾性体３を液状化して流し込むので、どのような断面でも粘弾性体３を回り込ませることができるから、軸部材５を囲むように納めることができれば、外筒部材２および内筒部材４は、例えば、楕円、角型、星型などどのような断面の筒状であってもよい。そのようにすれば、種々のデザインが実現できるとともに、粘弾性ダンパー１の太さに比べて比較的広い粘弾性体３の拘束面積を確保することができるから、より減衰効果の高い粘弾性ダンパーを構成することができる。
【００４４】
【発明の効果】
以上に述べたように、請求項１に記載の発明では、軸部材を内筒部材に一方向にのみ係止することにより、圧縮を受けても座屈しないように構成できるので、軸部材の太さを座屈強度に関係なく設計することができる。その結果、細い形状の粘弾性ダンパーを構成することができ、デザイン上の見栄えが問題となる居住空間内の見えるところにも配置できるという効果を奏する。
【００４６】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の粘弾性ダンパーを製造することができ、特に複雑な断面でも粘弾性体の密着性がよい粘弾性ダンパーを容易に製造できるという効果を奏する。
【００４７】
請求項３に記載の発明では、圧縮方向に減衰が働かない粘弾性ダンパーであっても、制震効果を発揮させることができ、その結果、細い形状の粘弾性ダンパーを用いた制震構造を提供できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る粘弾性ダンパーの実施の形態の概略構成を示す軸長手方向および短手方向の断面図である。
【図２】  本発明に係る粘弾性ダンパーの作用を説明する軸長手方向の概略断面図である。
【図３】  本発明に係る粘弾性ダンパーの荷重変位特性を数値計算するためのモデルを示すための説明図である。
【図４】  本発明に係る粘弾性ダンパーの荷重変位特性を数値計算した結果の一例を示すグラフである。
【図５】  本発明に係る粘弾性ダンパーの製造工程を説明するための斜視説明図である。
【図６】  図５に続く製造工程を説明するための斜視説明図である。
【図７】  本発明に係る粘弾性ダンパーの変形例の概略構成を示す軸長手方向の断面図である。
【図８】  本発明に係る粘弾性ダンパーを用いた制震構造の実施の形態を示す説明図である。
【符号の説明】
１  粘弾性ダンパー
２  外筒部材
３  粘弾性体
４、２６  内筒部材
５  軸部材
５ａ  エンドプレート（係止部）
５ｂ  取付部（被取付部材）
６  先端カバー
７、２５  後端カバー
７ａ  コの字プレート（被取付部材）
９  シーリング材
１２  粘弾性体モデル
１３  引張側のみ剛のばね
１６  復元力特性
１７  梁
１８  柱
１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄ  ガセットプレート
３０  フレーム
【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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