架構用摩擦接合式エネルギー吸収装置

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【発明の名称】	架構用摩擦接合式エネルギー吸収装置
【発明者】	【氏名】辻岡静雄
【要約】	【課題】板材の枚数が少なくても摩擦面は多くなり、小型かつ安価なダンパーでありながら広範囲な変形に対応可能な摩擦ダンパーを提供すること。【解決手段】摩擦ダンパー１は、摩擦板材６と滑り板材７とからなる重ね板構造体５と、それを挟圧する高力ボルト８とを備える。高力ボルト８はそのヘッド側およびナット側にそれぞれ板座金１０Ａ，１０Ｂを伴っており、高力ボルト８の挿通する孔（スロット）７ａが板材の長手方向に延びて設けられ高力ボルト８と相対的に変位することができる滑り板材７が、高力ボルト８に相対変位不能な摩擦板材６と高力ボルト８のヘッド側の板座金１０Ａとの間、及びナット側の板座金１０Ｂとの間に配置される。摩擦板材や滑り板材の枚数は少ないが摩擦面を多く確保でき、小規模の地震から大地震に至るまでエネルギー吸収効果を発揮する。

【特許請求の範囲】
【請求項１】相互に面接触する滑り板材と摩擦板材とからなる重ね板構造体と、該各板材を貫く孔に挿通されて前記重ね板構造体を挟圧する高力ボルトとを備え、前記滑り板材が摩擦板材との間で発生する摩擦力に抗して変位することによりエネルギーを吸収し、鉄骨構造物の減衰性能を発揮させることができるようになっている架構用のエネルギー吸収装置において、前記高力ボルトはそのヘッド側およびナット側にそれぞれ板座金を伴い、高力ボルトの挿通する孔が板材の長手方向に延びて該高力ボルトに相対変位可能な滑り板材が、前記高力ボルトに相対変位不可能な摩擦板材と前記高力ボルトのヘッド側もしくはナット側の板座金との間に配置されていることを特徴とする架構用摩擦接合式エネルギー吸収装置。
【請求項２】前記摩擦板材が複数枚設けられ、該摩擦板材の間には前記滑り板材と同じ構造の副滑り板材が介在されていることを特徴とする請求項１に記載された架構用摩擦接合式エネルギー吸収装置。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は架構用摩擦接合式エネルギー吸収装置に係り、詳しくは、例えばハの字状に配置された剛性の大きい筋違構造の頂部と剛性の小さな柱梁架構を形成する梁の略中央部位とを接合し、建物の減衰性能を向上させることができるようにした摩擦ダンパーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】剛性の大きい筋違構造と剛性の小さな柱梁骨組の接合部にダンパーを付加し、建物の減衰性能を向上させることによって応答低減が図られるようにした例が多くなってきている。この種のダンパーとしては、特開平８－１９３６３５号公報や特開平１１－１９０１４７号公報等に記載されているような摩擦材を用いた摩擦ダンパーのほかに、特開平１０－９６３３７号公報に記載された鉛ダンパー、特開平１０－２９９２８４号公報に開示された鋼材ダンパー等がある。
【０００３】鉛ダンパーは小さな変位を迅速に吸収できる利点がある反面、構造が複雑化して高価になることや熱で溶けだす等の問題を抱えている。鋼材ダンパーは低降伏点鋼が使用されるなどして、降伏後の大きな塑性変形を利用して変位を吸収させる場合に好適である。しかし、小さな変位には鈍感であり、結局は例えば特開平７－６２９２７号公報に記載されているように、鉛ダンパー等の他種のダンパーと併用しなければ、地震規模の大小に拘わらず対応させることはできなくなる難点がある。
【０００４】摩擦ダンパーは剛塑性変形の履歴特性を示す履歴減衰形ダンパーであり、荷重変形曲線がループを描くことを利用して振動の減衰を図ろうとするもので、そのヒステリシスループの面積が一周期の間に吸収するエネルギーに相当する。この種のダンパーにおいては高力ボルト式の場合、摩擦力の安定性向上や摩擦面の耐久性向上さらには摩擦音の抑制等の点から潤滑剤を用いて敢えて低滑り耐力としたものや、焼結金属シート等の摩擦材を用いたもの等がある。又、高耐力を目指してアルミ溶射摩擦面としたものも提案されているが、脱脂や焼付きなど解決しなければならない問題が残る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、摩擦ダンパーとして比較的廉価に製造できると共に保守点検も簡便となるものに、摩擦板材と滑り板材とを高力ボルトで挟圧し、両板間に発生する摩擦力によりダンパー機能を発揮させるようにした摩擦接合式エネルギー吸収装置がある。
【０００６】図８は特開平１１－１９０１４７号公報等に記載されたものと同じ趣旨の摩擦接合式エネルギー吸収装置を示したもので、２枚の摩擦板材３１，３１とそれらに挟まれた１枚の滑り板材３２とからなっている。摩擦板材３１は高力ボルト３３に対して相対的に変位することができない板材で、高力ボルト３３の軸部が挿通するに十分な程度の小さい孔３１ａを有するにとどまる。一方、滑り板材３２には、高力ボルトが挿通すると共に高力ボルトに相対変位可能とするため長手方向に延びるスロット３２ａが備えられている。
【０００７】いま、この摩擦ダンパーに作用した引張力Ｆが両板間に生じる摩擦力を超えた場合に、高力ボルト３３の軸部は左端に当接するまでスロット３２ａ内を移動することができる。勿論、圧縮力が作用した場合には右端に当接するまで変位することができ、結局ダンパーはスロットの長さから高力ボルトの径を差し引いた長さを最大とする伸縮が実現される。それ故スロットの寸法選定によっては、中小の地震から大地震までそのエネルギーを吸収させることができるようになる利点がある。
【０００８】この種の摩擦接合式エネルギー吸収装置においては、摩擦力は図８の（ｂ）に表された上側の摩擦板材の下面と滑り板材の上面、滑り板材の下面と下側の摩擦板材の上面の符号４１，４２の箇所において発生することになる。図３の（ｂ）は引張と圧縮の繰り返し荷重に対する摩擦ダンパーの伸縮量を示したもので、この例では±１５ｍｍまで略２０ｋＮの耐力を持続しながらエネルギーを吸収していることが分かる。
【０００９】ところで、この種のダンパーの耐力を増大させたい場合、最も簡単には高力ボルトの本数を増やせばよい。しかし、ボルト数を増やすことなく耐力を大きくしようとすれば、締付け力を大きくするか摩擦特性の良好な特殊な鋼板もしくは特殊な表面処理が要求されることになる。
【００１０】尚、図９のように摩擦板材および滑り板材を各１枚追加すれば、符号４１ないし４４で与えた４箇所の接触面で摩擦力を発生させることができる。これによっても、実質的にダンパーの耐力倍増が実現されることになるが、このように摩擦面を増やして耐力を増大させるには摩擦板材と滑り板材の枚数増加が余儀なくされる。
【００１１】本発明は上記した問題に鑑みてなされたもので、その目的は、摩擦板材や滑り板材の枚数が少なくても摩擦面を多く確保でき、これによって小型かつ安価なダンパーでありながら中小規模の地震から大地震に至るまで広範囲に対応可能な耐力を備えることができるようにした架構用摩擦接合式エネルギー吸収装置を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明は、相互に面接触する滑り板材と摩擦板材とからなる重ね板構造体と、その各板材を貫く孔に挿通されて前記重ね板構造体を挟圧する高力ボルトとを備え、滑り板材が摩擦板材との間で発生する摩擦力に抗して変位することによりエネルギーを吸収し、鉄骨構造物の減衰性能を発揮させることができるようになっている架構用のエネルギー吸収装置に適用される。その特徴とするところは、図１を参照して、高力ボルト８はそのヘッド側およびナット側にそれぞれ板座金１０Ａ，１０Ｂを伴い、高力ボルト８の挿通する孔（スロット）７ａが板材の長手方向に延びてその高力ボルト８に相対変位可能な滑り板材７が、高力ボルト８に相対変位不可能な摩擦板材６と高力ボルト８のヘッド側もしくはナット側の板座金１０Ａ，１０Ｂとの間に配置されていることである。
【００１３】図７を参照して、摩擦板材が複数枚設けられると共に、その摩擦板材６Ａ，６Ｂの間に滑り板材７と同じ構造の副滑り板材７Ｃを介在させるようにしておいてもよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下に、本発明に係る架構用摩擦接合式エネルギー吸収装置を、図面に基づいて詳細に説明する。図１は重ね板構造体を高力ボルトによって挟圧した摩擦ダンパー１の平面図および断面図を示し、図２のように、剛性の大きい例えばハの字状に配置された筋違構造２の頂部と剛性の小さな柱梁架構３の上側に位置する梁３ａの略中央部位との接合部に適用される。
【００１５】このダンパーは、小さな地震から規模の大きなものまでそのエネルギーを簡易な構造によって吸収しようとするもので、これによって建物の減衰性能を発揮させることができるようになっている。尚、筋違構造２は地震や風等により建築物に入る水平力に対する抵抗要素として採用されているものであることは述べるまでもない。
【００１６】図１を参照して、本摩擦ダンパーを構成する重ね板構造体５は摩擦板材６に滑り板材７を圧接させたもので、両板材が相対的に変位したときその圧接面に摩擦力を発生させ、重ね板構造体５に作用する引張力および圧縮力を吸収させることができるようになっている。
【００１７】その重ね板構造体５のそれぞれの板材としては磨耗特性の良好な高強度鋼板が使用され、後述する図３に示すような安定した履歴特性と大きな累積滑り量を得ることができる。これらの板材にはそれぞれを貫くように孔６ａ，７ａが設けられ、高力ボルト８を通してナット９が締められると、滑り板材７が摩擦板材６に圧接された状態に保持される。
【００１８】摩擦板材６は高力ボルト８に対して相対的に変位しないようになっており、そのため上記した孔６ａはボルトの軸部が挿通できる程度の丸孔である。一方、滑り板材７は高力ボルト８に対して相対的に変位できるように、ボルトのための挿通孔は板材の長手方向に延びるスロット７ａとなっている。
【００１９】上記した高力ボルト８は図１の例では１本のみ使用されているが、そのヘッド側およびナット側には平面形が例えば矩形をなす板座金１０Ａ，１０Ｂを伴っており、高力ボルトによる挟圧力を重ね板構造体に確実かつ均等に及ぼすことができるように配慮されている。尚、各板座金は次に述べるように摩擦力を発生させるためのものでもあるので、所要の摩擦力を発揮するに十分な接触面積を備えた寸法に選定される。
【００２０】本例においては、図１の（ｂ）から分かるように、摩擦板材６が１枚であり、滑り板材７は２枚採用されている。板材が合計３枚である点では従来技術の項で説明した摩擦ダンパー（図８を参照）と異なるところがない。しかし、注目すべきは、滑り板材７が摩擦板材６とヘッド側もしくはナット側の各板座金１０Ａ，１０Ｂとの間に配置されていることである。因みに、高力ボルト８には所定のトルクが与えられ、重ね板構造体５には設計上の耐力が発揮されるように予め調整されることは言うまでもない。
【００２１】その結果、ヘッド側の板座金１０Ａと上側の滑り板材７Ａとの接触面１１、その滑り板材７Ａと摩擦板材６との接触面１２、その摩擦板材６と下側の滑り板材７Ｂとの接触面１３、その滑り板材７Ｂとナット側の板座金１０Ｂとの接触面１４のそれぞれに、摩擦面を与えておくことができる。即ち、図８に比べれば２倍の数の摩擦面を得ることができる。
【００２２】さらに述べれば、本例と同じく４箇所の摩擦面が得られる図９の例と対比すれば分かるように、板材の枚数が少ないだけでなく次に述べるボルト１７も短いもので済むという利点がある。
【００２３】図１中で与えられた符号の１５，１６はピン継手であり、ボルト１７により滑り板材７Ａ，７Ｂと接続されるピン継手１５には、対面する滑り板材の間に突入する接続用舌片１５ａが設けられ、ボルト１８により摩擦板材６と接続されるピン継手１６には摩擦板材の端部を挿入させることができる切欠き１６ａが形成されている。何れの側のピン継手を筋違構造の頂部と接合しなければならないというものではないが、各ピン継手１５，１６を図示のごとくクレビス構造としておけば、梁３ａの中央部位や筋違構造２の頂部に取りつけられたガセットプレート１９，２０（図２を参照）と簡単にピン結合することができる。
【００２４】このような構造の摩擦接合式エネルギー吸収装置は、そのピン間距離Ｌが例えば４５０ｍｍといった長さであり、柱間隔が例えば６ｍの柱梁架構の上側の梁の略中央に設置されることになる。図１の（ｂ）において、滑り板材のスロット７ａの長さが４６ｍｍ、高力ボルトが１６ｍｍφとすれば、本摩擦ダンパーは引張と圧縮の合計で３０ｍｍの伸縮が可能となる。
【００２５】図３の（ａ）は、本摩擦ダンパーに引張と圧縮の繰り返し荷重が作用した場合の重ね板構造体の変形量を示す。これは変位速度を６．０ｃｍ／秒とした場合の例であるが、荷重が作用し始めたときは板材の接触面に静摩擦が働く関係上、例えば８０ｋＮの大きな力に抗しながら変位することになり、逆荷重（揺れ戻しによる）に対してもそれに近い力を発揮している。
【００２６】その間の滑り板材の変位量は±数ｍｍ程度であるが、その後も繰り返される荷重に対しては動摩擦状態におかれるため摩擦力は半減するものの、±５ｍｍから±１５ｍｍの変位に対して常に４０ｋＮもの耐力が発揮されていることを知ることができる。
【００２７】これは、同じ寸法の摩擦ダンパーである図８の従来例の場合の図３の（ｂ）に示した耐力の略２倍を示している。即ち、摩擦面の数が倍増すれば耐力も比例的に増加していることがデータの上からも読み取ることができる。尚、ダンパーの伸縮する状態を模式的に表すと、弾性域にある間は柱梁架構３が図４のように揺れかつ戻される。
【００２８】このようなダンパーは、建物の架構のうち筋違構造が適用されているところでは原則的に全部採用されることになる関係上、１つの鉄骨建築物に採用される数は無視できるものでない。ましてや、さらなる耐力の増大を狙って図５に示したように１つの架構に複数個使用する場合には、より一層多くのダンパーを準備しておかなければならなくなる。そのうえ一旦大地震（例えば震度６以上）に遭遇すると、次回に備えて所要耐力の保持確認も必要となる。
【００２９】ところが、本摩擦ダンパーの使用個数が多くなっても、鋼板を重ね合わせた簡素な構造で安価であり又小型化が可能ゆえに、建築費の大幅な高騰を招くほどのものでない。一方、耐力の保持確認は高力ボルトのトルクチェック等でよいことから、メンテナンス作業は例えば鉛ダンパーと鋼材ダンパーの組み合わせダンパーに比較すれば格段に簡便なものとなる。尚、本摩擦ダンパーは筋違構造のみならず、柱梁架構にＰＣ板等の耐震壁が採用されている場合にも、そのパネルと梁との間に図２や図５と同じ要領で使用することができる。
【００３０】ところで、図１の（ｂ）においては、高力ボルト８のねじ部先端がナット９から僅かに出た程度に描かれている。しかし、実際にはボルトの軸力の抜けを小さくしておく配慮が必要があり、図示しないが、高力ボルトを長締めボルトとしておくことが好ましい。因みに、継手も図１に表されたクレビス構造のピン継手１５，１６に限らず、例えば摩擦接合継手といった公知の他の種の継手も適宜採用できることは述べるまでもない。
【００３１】図６は高力ボルト８，８を板材の長手方向に複数本使用した例である。この場合には、滑り板材７に設けられるスロット７ａも摩擦板材６の丸孔６ａもボルトの本数に合わせて設けられることは言うまでもない。摩擦ダンパーの呼び長さＬは例えば５７０ｍｍといったように図１の４５０ｍｍよりは多少長くなるが、適用される架構の大きさに比べれば無視し得る程度の増加に過ぎない。
【００３２】尚、図示しないがボルトを板材の幅方向に２本配置したり、長手方向に配列されたボルト列８Ｘ（図６を参照）を例えば２列並行して設置することもできる。何れにして、ボルトの本数に比例した大きさの動的滑り耐力を備えさせておくことができる。言い替えれば、本摩擦ダンパーがエネルギー吸収装置として要求される滑り耐力に対して摩擦面数を増やすことにより、一摩擦面当たりの滑り耐力を小さく抑えておくことができる。その結果、一摩擦面で高耐力を期待する場合に比べれば、焼付き等の発生も可及的に少なくすることができる。
【００３３】図６の例においてはスロットをより長くしておくことも可能であり、その場合には累積滑り量を大きく確保できる利点がある。この場合、言うまでもないが摩擦面の耐久性や安定性も向上する。因みに、板座金はボルトそれぞれに設けられているが、板座金を１枚にして２つのボルト孔を形成してもよく、その場合にはダンパーの構成部品点数の抑制も図られる。
【００３４】図７は、摩擦板材６と滑り板材７を各１枚増やした例である。即ち、図１における摩擦板材６を平行な２枚の摩擦板材６Ａ，６Ａに置き換え、その間に滑り板材と同じ構造の副滑り板材７Ｃを介在させた多重積層構造となっている。これは図９を改良したダンパーということができ、板材は合計５枚であるが図７に示すように接触面１２と１３の間に符号２１，２２で表した接触面が追加されることになる。
【００３５】
【発明の効果】以上の説明から分かるように、本発明によれば、鋼板を重ねた簡素な構成であるにも拘わらず規模の小さい地震時の小さな変形量から大地震による大きな変形に至るまでを、１つのダンパーで対応してエネルギー吸収できるようになる。安価に製作できることは言うまでもないが、メンテナンスも容易であり、その上、ダンパー機能も検査しやすい。
【００３６】滑り耐力は同種従来例に比べて必然的に高くなる。従って、１つの摩擦面当たりの耐力負担量を少なくしておくこともできるため、摩擦面の耐久性を上げてダンパーとしての安定性を高く保っておくことも容易となる。このようなダンパーを剛性の大きい筋違構造や耐震壁と剛性の小さな鉄骨柱梁骨組の接合部に適用して地震入力エネルギーを吸収させれば、鉄骨構造物の変形抑制効果が飛躍的に増大する。又、応力制限機構としての観点からは、骨組や筋違の損傷を可及的に防止することもできる。
【００３７】摩擦板材を２枚もしくはそれ以上使用する場合には、その摩擦板材の間に副滑り板材を介在させることにより、摩擦面を簡単に増やすことができる。逆に言えば、各面での滑り耐力を小さく抑え、焼付き等のトラブルの発生も可及的に少なくしておくことが可能となる。

【出願人】	【識別番号】５００１０１３９１【氏名又は名称】辻岡静雄
【出願日】	平成１２年３月３日（２０００．３．３）
【代理人】	【識別番号】１０００８４５９３【弁理士】【氏名又は名称】吉村勝俊（外１名）
【公開番号】	特開２００１－２４８３２４（Ｐ２００１－２４８３２４Ａ）
【公開日】	平成１３年９月１４日（２００１．９．１４）
【出願番号】	特願２０００－５８７５８（Ｐ２０００－５８７５８）