室温超塑性 Zn
Al 合金の開発と制振ダンパーへの適用
高 木 敏 晃
南瀧 川 順 庸1
 東)

知 幸
 櫛 部 淳 道健 司2)

を発現する Zn Al 合金を開発するとともに，本素材の特長

.

はじめにである超塑性特性を最大限発揮できる形状として，軸力型ダンパーを考案し，大地震のみならず風にまでマルチに対応で地震国である我が国は，いつ大地震が起きてもおかしくなきる制振ダンパーを開発した．本ダンパーは，芯材に超塑性い状況におかれており，中央防災会議においても今世紀半ば合金を用いているため，大地震による変形においても素材がまでに東海・東南海・南海地震の発生が予想されている．

劣化することなく，メンテナンスフリーを実現している．

1995 年に発生した兵庫県南部地震以降，特に超高層ビルでは，揺れを低減するための制振ダンパーを組み込んだ制振構.

室温超塑性 ZnAl 合金の材料特性造物が急速に普及してきており，建築構造物の耐震技術の高度化が緊急の課題となっている．さらには，建物内での居住超塑材料として知れられている Zn Al 合金は，これまで性の観点から，風などによる比較的小さな揺れに対しても制に，200°C以上の高温域においては超塑性現象を発現するこ振効果を発揮する制振技術へのニーズが高まってきている．とが報告されている(1)．しかし，工業的に製造された材料に制振ダンパーは，地震時に建物が揺れはじめると，柱や梁おいて室温で超塑性が発現したという報告はなく，理論的にといった主要構造部材よりも先に弾塑性変形させることで，は，結晶サイズを微細化することにより，超塑性発現温度を地震のエネルギーを吸収し揺れを低減するもので，低降伏点

低 下 で き る こ と が 知 ら れ て い た(2) ． 著 者 ら は ， TMCP

鋼の塑性変形を用いたダンパーや，粘弾性材料のせん断変形( Thermo Mechanical Control Process )技術を用いることにを用いたダンパーなどがすでに実用化されている．しかしなより結晶粒を微細化し，室温においても超塑性が発現する合がら，低降伏点鋼を用いたダンパーは，塑性変形時に加工硬金を開発した(3)．さらに，ダンパーの大出力化ニーズに対し化，ひずみ劣化する特徴があり，損傷の程度によっては，地ては，素材大型化(厚肉化)と超塑性特性というトレードオフ

震後に点検，交換を行なう必要がある．また，粘弾性材料をの関係にある課題を，圧延加工前の熱処理条件等を適正化す用いたダンパーは，金属に比べて強度が低く，装置が大型化ることにより，ダンパーとして必要な出力と超塑性特性を両する，設置箇所が増えコストアップにつながるなどの問題点立させた．

がある．
そこで，これらの課題を解決する材料として室温で超塑性株式会社神戸製鋼所材料研究所研究員
神鋼メタルプロダクツ株式会社加工品技術課
株式会社竹中工務店技術研究所主任研究員
大阪府立大学大学院工学研究科マテリアル工学分野
1)准教授 2)教授
Development of Room Temperature Superplastic Zn
Al Al,loy and Application for Seismic Damper; Toshiaki Takagi
, Yorinobu, Atsumichi KushibeTomoyuki Minami(, Kenji Higashi
Materials ResearchTakigawa

Shinko Metal Products Co.
Laboratories, Kobe Steel Ltd., Research and Development Institute, Takenka CorLtd, Dept. of Materials Science, Osaka Prefectureporation, University)
2008年10月31日受理



図1

ZnAl 合金の組織写真．

新技術・新製品図に，本合金の組織写真を示す．アルミ相に囲まれた亜鉛相の結晶粒径が，nm オーダーに微細化されている．

高層ビルを想定し 0.33 Hz とした．最大荷重は 1000 kN を超え，ビル用ダンパーとして必要な出力が得られている．ま図に，ZnAl 合金の降伏強度，引張強度のひずみ速度依た，小振幅領域からひずみ1.0の大振幅領域においても，存性を示す．超塑性材料の特徴である強いひずみ速度感受性

安定したループを描いており，このループの面積が地震のエを示し，ひずみ速度が大きくなるにつれて，強度は高くなネルギー吸収量に対応することから，安定したエネルギー吸る．大地震時に制振ダンパーに加わる最大ひずみ速度は，収特性を持つことがわかる．図に，風揺れを想定した微小0.1 / s 程度と想定され，このひずみ速度域での引張強度は振幅での荷重ひずみ関係を示す．振幅 0.5 mm 以下の極め300 MPa 以上であり，従来の極低降伏点鋼と同等以上の強て小さな振幅に対してもループを描いており，エネルギー吸度をもつことがわかる．図に，伸びのひずみ速度依存性を収性能があることがわかる．以上より，大地震のみならず風示す．伸びにも明確なひずみ速度依存性がみられる．ひずみにまでマルチな制振効果を発揮する制振ダンパーであるとい速度が大きくなるにつれて，伸びは低下するが，ひずみ速度える．

0.1/s においても50以上の伸びを示しており，極低降伏点鋼と同等の延性を示していることがわかる．



メンテナンスフリー

想定する建物に，約 500 年に一度程度発生するとされる

.

軸力型制振ダンパーの特徴



構造「極稀地震(大地震)」が 2 回，稀に発生する中規模の地震「稀地震」が 5 回を表の順序で入力した．試験の最初と最後の極稀地震の結果を比較したものを図に示す．結果は初図に開発した軸力型制振ダンパーを示す．芯材として使期の 40 秒について示す．図から明らかなように，複数回の用し た Zn Al 合金 は， 平 行部 の板 厚 17.1 mmt ， 板幅 210

地震波を入力したにもかかわらず，荷重曲線がほぼ重なり，mmW ，長さ 1770 mmL である．特殊な機構の補剛治具に制振ダンパーの性能にほとんど変化が認められないことがわより，引張圧縮の繰り返し変形による座屈を防止する機構

かる．再現性の高い極めて安定した性能を発揮しており，地となっている．

震の発生頻度から考えても，実質メンテナンスフリーで使用エネルギー吸収特性

図に正弦波にて加振を行なった制振ダンパーの荷重ひできると判断できる．本制振ダンパーにおける合金芯材の座屈の抑制機構とともに，加工硬化，ひずみ劣化が極めて少ない超塑性 ZnAl 合金の特長が引き出された結果である．

ずみ関係を示す．加振周波数は，高さ 100 m 級の鉄骨造超

図2

降伏強度と引張強度のひずみ速度依存性．

図3

伸びのひずみ速度依存性．

ま て り あ 第48巻 第 2 号(2009)Materia Japan

図4

軸力型制振ダンパーの概観．



図7
図5

設計地震応答波入力試験の結果．

正弦波にて加振を行なった制振ダンパーの荷重ひずみ関係．

図6

微小振幅時のでの荷重変位関係．

表1

入力した地震波．

地震波時間(秒)極稀地震 1 回目120

稀地震

60

稀地震

60

は，計 15 件の出願を行なっており，既に計 8 件が登録され

稀地震

60て い る ( 特 許 第 3674897 号 ， 特 許 第 3773893 号 ， 特 許 第稀地震

603844424号，特許第3898844号，特許第4022379号ほか)．

稀地震

60

極稀地震 2 回目

120

図8

適用事例(福岡市東区香椎地区アイランドタワースカイクラブ)．

本合金は，高層ビル用制振ダンパー向けだけでなく，戸建住宅用制振ダンパ向けとしても制振効果を確認しており(4)(5)，今後，安全な居住空間を実現するための制振部材として用途が広がっていくものと期待される．

適用実績

文

開発した軸力型メンテナンスフリー制振ダンパーは，福岡市東区香椎地区のアイランドタワースカイクラブ( 42 階建 3棟2008年 8 月竣工)の制振ダンパーとして採用された．

.

特許

本開発合金および本合金を用いた制振ダンパーについて献( 1 ) Y. Motohashi, T. Shibata and M. Miyagawa: JILM, 33(1983),
270.
( 2 ) H. Watanabe, T. Mukai, M. Mubuchi and K. Higashi: Scr.
213.
Mater., 41(1999), 209( 3 ) 槙井浩一，上田宏樹，岡田 徹，加藤 稔，三村裕一，田渕勝道神戸製鋼技報，51(2001), 34.
( 4 ) 高木敏晃，槙井浩一，櫛部淳道，青木和雄，東 健司，江立男神戸製鋼技報，55(2005), 41.
( 5 ) A. Kushibe, K. Makii, L. F. Chang, T. Tanaka, M. Kohzu and479(2005), 3055.
K. Higashi: Mater. Sci. Forum., 475

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