フジタ技術研究報告第 43 号 2007 年

免震用粘性ダンパーの開発

佐々木康人

馮増 田 圭 司
中 村 佳 也
概*1

徳 民

佐々木聡

田 中清*1要免震構造では，一般的に，粘性系ダンパーは履歴系ダンパーより加速度応答の低減や低レベル入力での応答低減などの面で効果が高いとされている。そこで，免震構造の適用範囲の拡大を目的として，機構が簡明な粘性ダンパーの開発を行った。本報では，粘性ダンパーの概要と動的加力試験の結果について示す。また，粘性系ダンパーと履歴系ダンパーの免震効果の違いについて検討した結果についても報告する。
ダンパーは粘性体（シリコンオイル）を用いたシリンダ型のダンパーで，減衰力は速度のα乗に比例して発生する。
ダンパーの仕様は 2 種類で，αを 0.3 とし，減衰力の最大値を 450kN と 900kN としている。各種動的加力試験を通じて減衰力と速度の関係が設定した特性式と対応すること，温度および繰り返し加振の影響が小さいことを確認した。
粘性系ダンパーと履歴系ダンパーの免震効果の違いについては，仮想免震建物モデルを対象として，鉛ダンパーと粘性ダンパーの比率を解析変数とした地震応答解析により検討した。結果として，粘性ダンパーの比率が大きくなると，上部構造の最大加速度が小さくなり，低レベル入力に対する免震効果も大きくなることを確認した。

Development of Viscous Damper for Seismically Isolated Structure
Abstract
It is well known that viscous dampers have higher performance in reducing acceleration response on
upper structure and in reducing the response against low level excitation for seismically isolated structurecompared to hysteretic dampers. To extend the application areas of seismically isolated structures, amechanically simple viscous damper has been developed. This paper outlines the viscous damper, thedynamic loading test results of the damper and compares the performance of viscous and hysteretic dampers.
This damper with cylindrical body uses the viscous material. The damping force is proportional to α times
velocity. There are two kinds of dampers which have maximum damping forces of 450kN and 900kN and an αof 0.3. From the dynamic loading test results, it was verified that the relationship between damping force andvelocity coincides with the adopted design equation. Temperature dependency and the influence of the cyclicloading on the damping performance are small.
The difference in performance between the viscous damper and the hysteretic damper was investigated bycomparing seismic response analysis for a base-isolated structure. The main parameter for the analysis is theratio between the viscous damper and the lead hysteretic damper. Results verified that the acceleration
response on the upper structure decreases and isolated performance against low level excitation improves as
the ratio of the viscous damper increases.

キーワード： 免震構造，粘性ダンパー，*1 (株)高環境エンジニアリング 博士(工学)

動的加力試験、地震応答解析－13－フジタ技術研究報告 第 43 号

§１．はじめに§２．粘性ダンパーの概要

免震構造に用いる減衰部材，いわゆるダンパーは，そ開発した粘性ダンパーは粘性体（シリコンオイル）を用の特性から大きく「履歴系」，「粘弾性系」，「粘性系」に分いたシリンダ型のダンパーである。断面の模式図を図 1 に類できる。当社でこれまでに開発，実用化した鉛入り積層示す。ダンパーはピストンロッド，ピストンヘッド，シリンダゴムの鉛や滑り支承は，「履歴系」ダンパーである。「粘弾および粘性体等で構成され，取付ピンを介して免震建物性系」は高減衰ゴムなど，「粘性系」にはオイルダンパー，に取り付けられる（図 2 参照）。ピストンヘッドが粘性体中粘性ダンパーなどがあり，「粘性系」は近年，使用されるこを移動する際に発生する抵抗を利用して減衰力を発生さとが多くなってきている。

せる簡明な機構となっている。減衰力は速度に依存し，免震構造では，一般的に，粘性系ダンパーは履歴系ダ速度のα乗（α：定数）に比例して発生する。減衰力と速ンパーより加速度応答の低減や低レベル入力での応答度の関係は任意に設定可能で，具体的には，ピストンヘ低減などの面で効果が高いとされている1)。そこで，免震ッドとシリンダの隙間，ピストンヘッドの幅，粘性体の粘度構造の適用範囲の拡大を目的として，機構が簡明な粘性などを調整することにより設定する。同一の機構で，免震ダンパーの開発を行った。

用だけでなく，制振用も製作できる。

本報では，開発した粘性ダンパーの概要と動的加力試

ダンパーの仕様は表 1 に示す 2 種類で，減衰力の最大験の結果について示す。また，粘性系ダンパーと履歴系値を 450kN と 900kN としている。特性式として設定してダンパーの免震効果の違いについて検討した結果についる減衰力 F と速度 V の関係を図 4 に示す。αは 0.3 にいても報告する。

設定しており，限界速度は 1.0m/s となっている。ダンパーの形状および基準寸法を図 3 に，外観を写真 1 に示す。
なお，本ダンパーは，(株)高環境エンジニアリングと上
表 1 ダンパーの仕様

型式
EAE-500
EAE-1000

減衰力(F (kN))-速度(V (m/s))関係（特性式）F =450V 0.3
F =900V 0.3⑨取付ピン ⑧球面ベアリング⑤カバー①ピストンロッド

海材料研究所が，免震材料として国土交通大臣の認定

最大減衰力(kN)
450900

限界速度(m/s)
1.01.0②ピストンヘッド③シリンダAを取得している（認定番号：MVBR-0330）。

限界変形(mm)±500±500④シリンダB⑧球面ベアリング ⑨取付ピン
支持部材

免震層支持部材ダンパー⑥クレビスA⑪シール⑩粘性体（作動油）⑦クレビスB

⑪シール

図 2 取付状況

110（-0.072/-0.126）
319（±0.5）240（±0.5）120（0/-0.8）80（-0.060/-0.106）

3300（±2）3400（±2）(a) EAE-500(b) EAE-1000
図 3 ダンパーの形状および基準寸法1000
減衰力 F(kN)

80（0/-0.8）

図 1 断面の模式図

800

EAE-1000

600400EAE-500
20000.00.20.40.60.8
速度V(m/s)

1.0

図 4 減衰力－速度関係（特性式）

写真 1 ダンパー外観（EAE-1000）－14－免震用粘性ダンパーの開発§３．粘性ダンパーの動的加力試験

図 8 には，EAE-500，EAE-1000 それぞれの No.1 試
験体の減衰力－変位関係を示す。いずれの加振条件に3.1 基本特性確認試験

おいても，安定した履歴曲線を描いている。図中の破線

振動数および振幅を変化させた加振試験により，基本は Maxwell モデルに仮定したときの弾性ばねの剛性を特性を確認した。試験体数は前述の EAE-500 が 3 体，表したものである。剛性は，型式ごとに，振動数，振幅にEAE-1000 が 2 体である。

依存しない同一の値となっている。

試験は，上海材料研究所所有の動的加力装置（最大荷重：2000kN，最大ストローク：±150mm，最大速度：1.2m/s）を用いて行った。写真 2 に装置の外観を示す。
加力は正弦波加振とした。加振条件と最大速度を表 2

非線形ダッシュポット(a) ダッシュポットモデルに示す。加振サイクル数は 4 サイクルとした。
測定方法を図 5 に示す。データの符号は，変位は伸び，減衰力は引張力をプラスと定義した。測定のサンプリング周波数は 1 サイクルデータ数が 200 となる周波数とした。

弾性ばね

結果の評価は 3 サイクル目の加振結果で行った。速度

非線形ダッシュポット(b) Maxwell モデルの評価は，全体変位を微分した値を用いた。これは，粘写真 2 動的加力装置

図 6 ダンパーのモデル

性ダンパーのモデルは弾性ばねと非線形ダッシュポット
モデルの直列結合である Maxwell モデル（図 6(b)）のほ

表 2 加振条件と最大速度(m/s)

うが精度はよいが，弾性ばねの剛性が相対的に大きいた

振幅A (mm)4080120

め，非線形ダッシュポットのみのモデル（ダッシュポットモデル（図 6(a)）として扱うことにしたためである。最大減衰力，速度の評価は正側，負側それぞれ行った。

振動数 f (Hz)
0.5
1.0
0.126
0.251
0.251
0.503
0.377
0.754

0.2
0.050
0.1010.151

図 7 に EAE-500，EAE-1000 それぞれの全試験体の中立位置
ピストンヘッド中央

最大減衰力－最大速度関係を示す。特性式（図中の実荷重（減衰力）相対変位線）との対応はよく，ばらつきは±15%の範囲（破線間の表面温度加振機変位領域）におさまっている。

1.4－－1.056

反力側変位

図 5 測定方法

特性式-15%

No.1No.2No.3-200-400-6000.0

400

2000-2000.2

0.4 0.6 0.8
最大速度 (m/s)

1.0-600-150 -100 -50 050
変位 (mm)1.2

No.1
No.20-500-1000
0.00.2-600-150 -100 -50 050
変位 (mm)

100 150(f=0.2Hz)

0.4 0.6 0.8
最大速度 (m/s)

1.0

1.2

1000

1000

500500減衰力 (kN)

特性式

減衰力 (kN)

最大減衰力 (kN)

-15%0-200

100 150(f=1.0Hz)(a) EAE-500

+15%

500

200-400-400(a) EAE-500
1000600

4002000

弾性ばね剛性（Maxwellモデル）

減衰力 (kN)

400600+15%
減衰力 (kN)

最大減衰力 (kN)

6000-500-1000-150 -100 -50 050変位(mm)100 150(f=0.2Hz)

0-500-1000-150 -100 -50 050変位(mm)(b) EAE-1000(b) EAE-1000

図 7 最大減衰力－最大速度関係

図 8 減衰力－変位関係－15－100 150(f=1.0Hz)

フジタ技術研究報告 第 43 号

3.2 特性変化確認試験

は基本特性試験と同様である。加振は正弦波加振とし，3.2.1 温度依存性

加振条件は，想定した免震建物の長周期地震動およびダンパーの温度を変化させて加振試験を行い，温度の強風に対する応答を参考に表 3 のように設定した。図 10

影響を確認した。試験体は基本特性試験で用いたに 1 サイクル最大減衰力とサイクル数の関係を示す。1 サEAE-500（No.2）である。試験装置，測定項目等は基本イクルの最大荷重の変化率は，加振条件①では正側特性試験と同様である。

-4.5%，負側-4.7%，②では正側+3.1%，負側+7.3％であ

温度は-20，0，20，30，40，60，80℃の 7 段階に変化

り，繰り返し加振による影響は小さいことがわかる。

させた。加振は正弦波加振とし，加振条件は振動数

f=0.5Hz，振幅 A=80mm とした。結果の評価は等価粘性

3.3 ダンパーの解析モデル

減衰係数の変化率によった。温度の制御は，①-20℃以ダンパーの解析モデルを図 6 に示すダッシュポットモデ

下の冷却装置の中に 24 時間放置，②試験体を試験装置ルとした場合と Maxwell モデルとした場合の解析結果とに設置した後，-20℃になった時点で加振を開始，③表試験結果との比較を行った。解析には，(社)日本免震構面温度が所定の温度まで上昇した時点（高温の場合は，造協会の HP に公開されている解析プログラムを用いた。

予備加振により所定の温度となるように調整）で次の加振なお，Maxwell モデルでは，ダッシュポットの減衰力－速を開始，という手順で行った。

度関係は，ダッシュポットモデルの特性式と同一とし，弾図 9 に等価粘性減衰係数の基準温度（20℃）に対する性ばねの剛性は試験結果を用いた。
図 11 に EAE-500 の f=1.0Hz， A=40mm および比率と加振前表面温度の関係を示す。等価粘性減衰係数C eq は次式によって求める。

120mm の減衰力－変位関係の比較を示す。MaxwellW  2fA 2モデルによる解析結果のほうが試験結果との対応はよい

C eq が，ダッシュポットモデルでも試験結果を十分表現できていることが確認できる。

ΔW ：1 サイクルの吸収エネルギー
高温になると，等価粘性減衰係数はやや大きくなる傾

表 3 加振条件（繰り返し耐久性）

向が見られる。変化率は-2.1%～8.7%程度で温度の影響は小さい。

加振条件

3.2.2 繰り返し耐久性①②

繰り返し加振による特性変化について確認した。試験振動数f (Hz)0.250.25

振幅

サイクル数A (mm)8010751800500

1000
1500
サイクル

1.05
1.000.950.90-20020 40 60
温度(oC)

3003002002001000-100-200-30080

最大減衰力 (kN)

1.10

最大減衰力 (kN)

等価粘性減衰係数の変化率

体は EAE-500（No.2）1 体である。試験装置，測定方法

200

図９ 等価粘性減衰係数の変化率と

40
サイクル

800-100-200-3000(a) 加振条件①

温度の関係(b) 加振条件②

図 10 最大減衰力とサイクル数の関係
600

600

400400減衰力 (kN)

減衰力 (kN)

60

100

2000-200-400

試験結果
解析（Maxwellﾓﾃﾞﾙ）
解析（ﾀﾞｯｼｭﾎﾟｯﾄﾓﾃﾞﾙ）

2000-200-400-600-60-40-20 020変位(mm)4060-60050-150 -100 -50 0
変位(mm)(a) f=1.0Hz, A=40mm

100 150(b) f=1.0Hz, A=120mm

図 11 試験結果と解析結果の比較－16－2000免震用粘性ダンパーの開発§４．粘性ダンパーを設置した免震建物の応答解析

減衰は，基礎固定の 1 次固有振動数に対して 2%の瞬間剛性比例型とした。入力地震動は，El Centro NS，4.1 解析概要

Taft EW，Hachinohe NS のレベル 1，2（最大速度：

文献 1)では，仮想免震建物モデルで，免震層の応答25cm/s，50cm/s），BCJ 波レベル 1，2 の計 8 波とした。

変位が一定となるようにして，履歴系ダンパーと線形ダッ

4.2 解析結果シュポットで表される粘性系ダンパーの比率を変化させた

図 12 に BCJ 波レベル 1 およびレベル 2 での最大加ときの応答値の変化を検討しており，粘性系ダンパーの速度，最大変位および最大層間変形角（免震層を除く）比率が高くなると，加速度が低減され，中小地震に対しての高さ方向分布を示す。レベル 1，2 とも VD 比率が増えも効果があることなどが示されている。

るにつれ，上部構造の加速度および層間変形角が小さくここでは，粘性系ダンパーを減衰力－速度関係が非線なる傾向にある。免震層の最大変位は，レベル 2 では VD形である本ダンパーとした場合について同様の検討を行比率によらず，ほぼ同じであるが，レベル 1 では VD 比率った。仮想免震建物は，純ラーメン形式の RC 造 9 階建てが大きいと，変位も大きくなっている。

モデルである。平面形状は，片側 7m×4 スパンで，各階の階高は 3m である。免震部材は天然ゴム系積層ゴムと

表 4 上部構造の解析モデル鉛ダンパーである。
解析は質点系応答解析とした。上部構造は弾性とした。

987654321免震階

上部構造の解析モデルの諸元を表 4 に示す。上部構造のみの 1 次固有周期は 0.733sec である。
鉛ダンパーをすべて粘性ダンパーに置換する場合の粘性ダンパーの量は，レベル 2 地震動での免震層の最大変位がほぼ同等となるように設定した。結果的にEAE-500 のダンパーが 6 基となり，最大減衰力は鉛ダン
解析変数は，鉛ダンパーを粘性ダンパーに置換したと解析
ケース

きの粘性ダンパーの比率（VD 比率）とした。比率は 0～1VD0
VD1
VD2
VD3
VD4
VD5VD6まで線形的に 7 段階とした。免震層の鉛ダンパーは完全弾塑性バイリニアモデルとした。粘性ダンパーのモデルは前述の Maxwell モデルとし，取付部材は剛部材とした。
各解析ケースの免震層のモデルの諸元を表 5 に示す。

積層ゴム
剛性(kN/mm)
15.43215.43215.432
15.43215.432
15.43215.432

鉛ダンパー
初期剛性 降伏耐力(kN/mm)(kN)
375.432640
312.862200
250.291760
187.721320
125.14
880
62.57
440－
－

10888666

層

10

層

1044422200100

200300加速度 (cm/s2)

重量(kN)
9420
7876
7876
7876
8327
8319
8319
8830
8822
12826

層剛性(kN/cm)
11648
12574
13423
15667
18968
20466
23760
29927
45399
－

表 5 免震層の解析モデル

パーの降伏耐力と同等となっている。

層階高(m)
3.00
3.00
3.00
3.00
3.00
3.00
3.00
3.00
3.00
2.00

階04000102030
変位 (cm)4000.050

粘性ダンパー
ばね剛性 粘性係数 VD比率
(kN/mm) C(kN/(m/s)α)0.000－－66
4500.167
1329000.333
19813500.500
26418000.667
3302250
0.833
396
2700
1.000

VD0VD2VD4VD60.51.0
層間変形角 (x10-3)

1.51010888666

層10

層層(a) BCJ 波レベル 144422200100200300
加速度 (cm/s2)

40000102030
変位 (cm)4050(b) BCJ 波レベル 2
図 12 最大応答値の高さ方向分布－17－00.0

VD0VD2
VD4
VD60.51.0
層間変形角 (x10-3)

1.5免震層変位 (cm)

4030201000.00.2(履歴のみ）

0.40.60.8VD比率

層間変形角比（VD0との比）

加速度比（最上階／地動）

フジタ技術研究報告 第 43 号

1.21.00.80.60.40.21.00.00.0(粘性のみ）(履歴のみ）

0.2

0.40.60.81.0(粘性のみ）VD比率

BCJEl Centro
Taft
Hachinohe

1.2
1.00.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0.00.2(履歴のみ）

0.4

0.60.81.0(粘性のみ）

VD比率

免震層変位 (cm)

4030201000.00.2(履歴のみ）

0.40.6

VD比率0.81.0(粘性のみ）

層間変形角比（VD0との比）

加速度比（最上階／地動）(a) レベル 1 地震動
1.21.00.80.60.40.20.00.00.2(履歴のみ）

0.4

0.60.81.0(粘性のみ）VD比率

BCJEl CentroTaftHachinohe

1.2
1.00.80.6
0.4
0.2
0.00.00.2(履歴のみ）

0.4

0.60.81.0(粘性のみ）

VD比率(b) レベル 2 地震動
図 13 最大応答値と粘性ダンパーの比率の関係
加速度，層間変形角）と粘性ダンパーの比率の関係を示す。レベル 1，2 ともに，粘性ダンパーの比率が増えるにつれ，上部の応答加速度および層間変形角が小さくなる傾向がある。レベル 1 地震動の場合，鉛ダンパーのみの40

フーリエスペクトル (cm/s)

フーリエスペクトル (cm/s)

図 13 には全解析ケースの最大応答値（免震層変位，302010001234
周波数(Hz)5(a) VD0

場合の最大加速度は地動加速度に対して，0.63～1.03の値であるが，粘性ダンパーにすべて置換した場合には，40302010001234
周波数(Hz)5(b) VD6

図 14 最上層応答加速度のフーリエスペクトル0.43～0.63 となる。これは，レベル 2 地震動での鉛ダンパーのみの低減効果と同等であり，低レベル入力に対する行った。結果として，粘性ダンパーの比率が大きくなると，免震効果も期待できることがわかる。

上部構造の最大加速度が小さくなり，低レベル入力に対

図 14 に BCJ 波レベル 2 での VD0（履歴のみ）およびする免震効果も大きくなることを確認した。

VD6（粘性のみ）の最上層加速度のフーリエスペクトルを示す。2.2Hz 付近にピークが見られるが，ピーク振動数は

謝 辞 本ダンパーの開発は上海材料研究所との共同

VD0 の方がやや高く，ピーク値も VD0 の方が高い。免震研究によるものです。ご協力をいただいた上海材料研究

層の剛性を積層ゴムの剛性として求めた固有振動数は 1所 徐 斌氏，周 紅衛氏，陳 済坤氏に深謝いたします。

次：0.21Hz，2 次：2.16Hz であり，2 次モードは上部構造の 1 次モードと対応する。VD6 の方が上部構造の振動の参考文献
1) （社）日本免震構造協会技術委員会免震部材部会 ダン

減衰が大きく，応答が小さくなることに対応している。

パー小委員会：免震部材部会ダンパー小委員会活動報§５．まとめ

告，2007.

機構が簡明な粘性ダンパーを開発し，各種動的加力

ひ と こ と試験を通じて，減衰力と速度の関係が設定した特性式と免震構造，制振構造がより実現しや対応すること，温度および繰り返し加振の影響が小さいこすくなるように開発を進めていきたいとを確認した。と思います。

また，仮想免震建物モデルを対象とした地震応答解析
により，鉛ダンパーと粘性ダンパーの免震効果の比較を佐々木 康人－18－