JP2006283467A - 減衰構造材 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡便な構成で減衰性能を発揮する減衰構造材を安価に提供することを目的とする。
【解決手段】 主構造を構成する構造材１と、構造材１よりも降伏点が低い材料からなる減衰材２とを備えた減衰構造材であって、減衰材２は、構造材１とともに変形するように構造材１の長手方向に沿って、構造材１の表面側から固定されていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、本発明は、地震や風等の外力が作用する構造物に用いて好適な、減衰を有する減衰構造材に関するものである。

一般に鋼構造物、中でも地震や風等の繰返し外力が作用し易い構造物に対しては、これら外力に耐え得る強度的要求と共に、耐震性能が強く要求される。
構造物の耐震対策としては、構造物の基礎と地盤との間に免震装置を設置する方法や、構造物の頂部に制震装置を設置する方法などが一般的に行われている。また、その他に、構造物の構成部材そのものに振動減衰機能をもたせるようにした振動減衰部材を使用する方法が知られている。
図１２には、このような振動減衰部材が示されている（特許文献１参照）。
同図（ａ）には、高張力鋼から成る主構造部３０内に軟鋼から成る板状副構造部３１を内設したものが示されている。同図（ｂ）には、同じく高張力鋼から成る主構造部３２内に軟鋼から成る複数の球状副構造部３３を内設したものが示されている。また、同図（ｃ）及び（ｄ）には、高張力鋼から成る柱状主構造部３４，３６内に軟鋼から成る一つまたは複数の球状副構造部３５，３７を埋め込んだものが示されているである。
このような振動減衰部材は、図１３に示すような応答を示す。すなわち、図１３には、繰返し外力が作用した場合の振動減衰部材の応力−歪履歴特性が示されており、主構造部より降伏点の低い副構造部は、まず点ａで降伏した後、点ｂ，ｃ，ｄ及びｅを経由した弾塑性応答線図を繰返し描く。この際に振動減衰部材は振動エネルギを吸収し、構造物の振動を減衰させる。なお、この応答線図内の面積が大きいほど減衰効果は大きくなる。

特許第３２２５４４５号公報

ところが、上述のような従来の振動減衰部材では、副構造部（減衰材）を主構造部（構造材）内に埋め込むという特殊な加工工事が必要となり、汎用部材をそのまま使用できないので、材料費が高価となり、部材製作期間も長期となる。また、鋼とアルミニウムなどの異種材料の併用が困難となるため、使用材料の組合せに制約を受けるなどの課題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、簡便な構成で減衰性能を発揮する減衰構造材を安価に提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の減衰構造材は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる減衰構造材は、主構造を構成する構造材と、該構造材よりも降伏点が低い材料からなる減衰材と、を備えた減衰構造材であって、前記減衰材は、前記構造材とともに変形するように該構造材の長手方向に沿って、前記構造材の表面側から固定されていることを特徴とする。

減衰材は構造材とともに変形するように長手方向に沿って設けられているので、減衰材の降伏点よりも大きな曲げ荷重が加わった場合には、構造材の降伏点よりも低い荷重（弾性域内の荷重）であっても減衰を付与することができる。
また、減衰材は、構造材の表面側から固定されているので、容易に減衰材を固定することができる。したがって、作業性が向上するとともに、低廉な材料の組み合わせが可能となるので、減衰構造材を安価に提供することができる。

さらに、前記減衰材は、前記構造材と同程度の長さとされていることを特徴とする。

減衰材が構造材と同程度の長さとされているので、構造材に生じた変形は減衰材の全長に亘って均等に伝達されることになる（ひずみ連続式）。したがって、減衰構造材全体としての剛性をも確保することができる。

または、前記減衰材は、前記構造材の長手方向に対して、部分的に設けられていることを特徴とする。

減衰材を構造材の長手方向に対して部分的に設けることとしたので、構造材が変形した場合、部分的に設けられた減衰材にひずみが集中することになる（ひずみ集中式）。この減衰材の長さを変化させることにより、減衰構造材の降伏荷重を制御することができる。

また、減衰構造材は、好ましくは、前記構造材が矩形断面を有する箱形形状とされ、前記減衰材が前記構造材の内表面に固定されるとともに、該構造材の長手方向に沿って並列に複数設けられていることを特徴とする。

また、減衰構造材は、好ましくは、前記構造材が略円形断面を有する中空円筒形状とされ、前記減衰材が前記構造材の内表面に固定されるとともに、該構造材の長手方向に沿って並列に複数設けられていることを特徴とする。

また、減衰構造材は、好ましくは、前記構造材が平板状のウェブ部の両端に直交するようにフランジ部が固定されたＨ形断面を有し、前記減衰材が前記フランジ部の内表面に固定されるとともに、該フランジ部の長手方向に沿って設けられていることを特徴とする。

好ましくは、前記構造材は、高張力鋼とされ、前記減衰材は、低降伏点鋼とされていることを特徴とする。

高張力鋼としては、例えば、SM570やSMA570W、590N鋼や780N鋼などが挙げられる。
低降伏点鋼としては、例えば、LY100、LY160やLY225などが挙げられる。

好ましくは、前記構造材は、普通鋼とされ、前記減衰材は、アルミニウム材料とされていることを特徴とする。

アルミニウム材料は、構造材料として鋼に次いで安価である点で有利である。また、アルミニウム材料はアルミニウム合金として種々の選択肢があり、異なる降伏点を有する材料を選定することができる。また、ひずみ硬化（降伏後の応力増加）が少ない材料を選ぶことができる点でも有利である。つまり、ひずみ硬化があると減衰材が受け持つ荷重が増加することになり、減衰材を取り付ける箇所に荷重の増加を見込んだ強度を持たせる必要が生じるが、これを考慮しなくても済む点で有利である。
普通鋼としては、例えば、SS400、SM400、SN400などが挙げられる。
アルミニウム材料としては、主としてアルミニウム合金が用いられ、例えば、A6063-T5、A5083-H112、A5052-H112やA3005-H24などが挙げられる。

好ましくは、前記構造材は、アルミニウム材料とされ、前記減衰材は、アルミニウム材料または低降伏点鋼とされていることを特徴とする。

構造材として用いられるアルミニウム材料としては、例えば、A5083-H32、A6061-T6やKA6082-T6などが好適である。
減衰材として用いられるアルミニウム材料としては、構造材として用いられるアルミニウム材料よりも低降伏点の材料が用いられ、例えば、A6063-T5、A5083-H112、A5052-H112やA3005-H24などが好適である。
減衰材として用いられる低降伏点鋼としては、構造材として用いられるアルミニウム材料よりも低降伏点の材料として、例えば、LY100やLY160などが挙げられる。

また、減衰構造材は、降伏点が異なる前記減衰材が二以上設けられていることを特徴とする。

降伏点が異なる減衰材を二以上設けることとしたので、各減衰材が順次降伏することになる。したがって、荷重の増加に応じた減衰構造材の剛性の変化が緩やかとなり、減衰材の選定によっては減衰構造材の設計強度を大きく設定することができる。

構造材の表面側から減衰材を固定することとしたので、容易に減衰材を固定することができる。したがって、作業性が向上するとともに、低廉な材料の組み合わせが可能となるので、減衰構造材を安価に提供することができる。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
本実施形態にかかる減衰構造材は、構造物の構造材自身に減衰機能を持たせるようにしたものである。
図１に示すように、構造材１は、主構造を構成し、矩形状の横断面を有する箱型状とされている。構造材１は、図１の紙面垂直方向に延在している。構造材１の外形を形成する本体の内面には、複数のリブ１ａが補強材として取り付けられている。リブ１ａは、構造材１と同様の材料が用いられており、構造材１の長手方向（紙面垂直方向）に沿って並列に延在している。リブ１ａは、構造材１の曲げ中心線ｃ−ｃを挟む上下面に設けられている。

各リブ１ａの間には、リブ１ａと平行に、複数の減衰材２が設けられている。減衰材２は、リブ１ａと同様に、構造材１の内面（上下面）側から取り付けられている。

減衰材２には、構造材１に比べて降伏点の低い材料が用いられる。
具体的な材料の組み合わせは次の通りである。
１）構造材１が高張力鋼の場合は減衰材２には低降伏点鋼を使用する。
高張力鋼としては、例えば、SM570やSMA570W、590N鋼や780N鋼などが挙げられる。低降伏点鋼としては、例えば、LY100、LY160やLY225などが挙げられる。
２）構造材１が普通鋼の場合は減衰材２にはアルミニウム材料を使用する。
普通鋼としては、例えば、SS400、SM400、SN400などが挙げられる。アルミニウム材料としては、主としてアルミニウム合金が用いられ、例えば、A6063-T5、A5083-H112、A5052-H112やA3005-H24などが挙げられる。
３）構造材１がアルミニウム材料の場合は減衰材２にはアルミニウム材料または降伏点がアルミニウム材料と同程度または低い低降伏点鋼を使用する。
構造材１として用いられるアルミニウム材料としては、例えば、A5083-H32、A6061-T6やKA6082-T6などが好適である。減衰材２として用いられるアルミニウム材料としては、構造材１として用いられるアルミニウム材料よりも低降伏点の材料が用いられ、例えば、A6063-T5、A5083-H112、A5052-H112やA3005-H24などが好適である。減衰材２として用いられる低降伏点鋼としては、構造材１として用いられるアルミニウム材料よりも低降伏点の材料として、例えば、LY100やLY160などが挙げられる。
なお、上記１）〜３）の組み合わせ以外にも、構造材１に比べて降伏点の低い減衰材２を使用する条件を満たせば、この他の材料の組合せでも有効である。
ただし、アルミニウム材料は、以下の理由により好適である。
アルミニウム材料は、構造材料として鋼に次いで安価である。また、アルミニウム材料はアルミニウム合金として種々の選択肢があり、異なる降伏点を有する材料を選定することができる。また、ひずみ硬化（降伏後の応力増加）が少ない材料を選ぶことができる。つまり、ひずみ硬化があると減衰材が受け持つ荷重が増加することになり、減衰材を取り付ける箇所に荷重の増加を見込んだ強度を持たせる必要が生じるが、これを考慮しなくても済む点で有利である。

構造材１に対する減衰材２の取付けは、外力を受けた時、両者が一体に変形するように締結する。
例えば、図３に示すように、構造材１に対して減衰材２をａ点で溶接接合する。
また、図４に示すように、構造材１に対してボルトナット３ａ，３ｂで締結する。
また、図５に示すように、構造材１から内側に向けて突設された取付け材１ｂの両側面に、一対の減衰材２をボルトナット３ａ，３ｂで締結する。

なお、本発明の減衰構造材は、図１に示したような箱型状の構造材１に限定されるものではなく、各種形式の構造材に適用可能である。例えば、図６に示すように、円筒状構造材１１の内周面に、複数の減衰材１２を等間隔に並列に取付けてもよく、図７に示すように、平板状のウェブ部の両端に直交するようにフランジ部２１ａが固定されたＨ形断面を有する構造材２１のフランジ部２１ａの裏面（内面）に、減衰材２２を取付けてもよい。

また、このように減衰材２を構造材１に取付ける方法としては、連続式とひずみ集中式とが考えられる。
図８には、連続式の取付け方法が示されており、構造材長さＬと略同じ減衰材長さｌのものを直接構造材１に取付ける。この連続式の場合は、構造材１に生じた変形が減衰材の全長に亘って均等に伝達される。
一方、図９には、ひずみ集中式取付け方法が示されており、取付材１ｃの両端部を構造材１に固定し、この取付材１ｃの中央部に減衰材２を取付ける。このひずみ集中式は、構造材長さＬに対して減衰材２の長さｌを調整することにより、ひずみを集中させて降伏荷重を制御することができる。

次に、上記構成の減衰構造材を使用した構造物が地震等により所定の繰返し外力を受けた場合の作用を、図１に示した箱型状構造材１について、図２の外力−変位応答特性線図を用いて説明する。
図中の点線ｈは、減衰材２を取付けない通常の構造材１の応答を示したもので、図示のように、直線状の点線ｈ上を往復するように弾性変形を繰返すのみで減衰作用は生じない。
一方、本発明の減衰構造材を使用した場合には、実線ｍに示すように、繰返し外力が降伏荷重に達するとまず減衰材２が降伏点Ａで降伏して塑性域に入り、その後、減衰構造材は点線ｈと同様の弾性変形を行う。減衰構造材がこのような弾塑性応答（前記図１３参照）を繰返すことにより、この間に振動エネルギが吸収され、構造物の振動が抑制・減衰される。

図２中に示すレベル１の線は、使用する減衰構造材の強度（降伏荷重，変位）の設定基準を示す。構造物の付属物などの損傷を許容できる場合には、図中二点鎖線ｊで示すように、減衰構造材の降伏点を低くする。即ち、降伏点の低い減衰材２を使用し、或いはひずみ集中式の取付け（図９参照）を行うことにより、変位を大きくして減衰効果を上げることができる。これに対して、機械装置等の付属物が損傷しないよう変位を抑えたい場合には、図中実線ｍで示すように、降伏点の比較的高い減衰材２を使用し、或いは連続式の取付け（図８参照）を行うことにより、あまり剛性を落とさず減衰効果を得ることができる。

このように、構造材１の部材表面に、構造材１よりも降伏点の低い減衰材２を取付けた減衰構造材を構造物に使用することにより、以下の効果を得ることができる。
構造物に繰返し外力を受けた場合、減衰構造材が弾塑性応答を繰返して減衰作用を発揮し、振動エネルギが吸収されて構造物の振動が効率的に抑制・減衰される。
また、減衰材２は部材表面に取り付けるだけなので、構造材には汎用材料が使用でき、材料費および加工費を削減することができる。
また、構造材材質に応じて減衰材材質を選択し、あるいは取付け方法を調整することにより、構造物の条件に応じて降伏荷重および応答特性を制御することができ、応用範囲を拡大することができる。
さらに、他形式の制震装置のようなメンテナンスが一切不要となる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
本実施形態にかかる減衰構造材は、第１実施形態と同様に構造物の構造部材に減衰機能を持たせるようにしたものであり、減衰材の配置の点で第１実施形態と異なる。以下、本実施形態にかかる減衰構造材について、箱型状構造物を例として説明する。もちろん、図６及び図７に示した他の形状の構造物に対しても本実施形態にかかる発明は適用できる。

図１０に示すように、減衰構造材は、リブ１ａで補強された構造材１の内面（曲げ中心線ｃ−ｃを挟む上下面）に、降伏点の異なるあるいは材質の異なる二種類の減衰材２を並列に取付けた構成とされている。
二種類の減衰材２の組合せの例としては次のとおりである。
１）高張力鋼から成る構造材１には、それぞれ降伏点の異なる二種類の低降伏点鋼から成る減衰材２ａ，２ｂを使用する。
高張力鋼としては、例えば、SM570やSMA570W、590N鋼や780N鋼などが挙げられる。降伏点の異なる二種類の低降伏点鋼としては、例えば、LY100とLY160、あるいはLY160とLY225などが挙げられる。
２）普通鋼から成る構造材１には、低降伏点鋼およびアルミニウム材料から成る二種類の減衰材２ａ，２ｂを使用する。
普通鋼としては、例えば、SS400、SM400、SN400などが挙げられる。普通鋼よりも降伏点が低いアルミニウム材料としては、例えば、A6063-T5、A5083-H112、A5052-H112やA3005-H24などが挙げられる。
なお、構造材１より降伏点が低くかつ、それぞれの降伏点が異なる減衰材２を使用する条件を満たせば、この他の材料の組合せでも有効である。

上記構成の減衰構造材の作用について、図１１の外力−変位応答特性線図を参照して説明する。
図中の点線ｈは、減衰材２ａ，２ｂを取付けない通常の構造材１の応答を示したもので、第１実施形態と同様、図示のように弾性変形を繰返すのみで減衰作用は生じない。
一方、本実施形態にかかる減衰構造材を使用した場合には、実線ｎに示すように、繰返し外力が大きくなって降伏荷重に達すると、降伏点の低い減衰材２ａが先ず降伏点Ａで降伏して塑性域に入り、ついで他方の減衰材２ｂも降伏点Ｂに達して塑性域に入った後、減衰構造材は点線ｈと同様の弾性変形を行う。このように減衰構造材が弾塑性応答（前記図１３参照）を繰返すことにより、この間に振動エネルギが吸収され、構造物の振動が効率的に抑制・減衰される。

このように、本実施形態にかかる減衰構造材は、構造材より降伏点が低く、それぞれ降伏点の異なる二種類以上減衰材を並列に配置した構成としたので、振動振幅の増加に応じて各減衰材が順次降伏して減衰力を増加させることができる。したがって、剛性の変化が緩やかとなり、図１１に示すように、減衰構造材の強度設定基準を、第１実施形態におけるレベル１より高いレベル２に設定することができる。即ち、より耐震性に優れた構造物を得ることができるという効果がある。
その他の作用・効果は第１実施形態と同様であるので、その説明は省略する。

本発明の第１実施形態にかかる減衰構造材を示した横断面図である。 図１の減衰構造材の作用を示す図である。 図１の減衰材の取付け部を示した要部拡大図である。 減衰材の他の取付け方法を示した要部拡大図である。 減衰材の他の取付け方法を示した要部拡大図である。 図１の減衰構造材の変形例を示した横断面図である。 図１の減衰構造材の変形例を示した横断面図である。 長手方向における減衰材の取付け方法を示した側面図である。 長手方向における減衰材の取付け方法を示した側面図である。 本発明の第２実施形態にかかる減衰構造材を示した横断面図である。 図１０の減衰構造材の作用を示す図である。 従来の減衰構造材を示した図である。 従来の減衰構造材の作用を示した図である。

符号の説明

１ 構造材
１ａ リブ
２，２ａ，２ｂ 減衰材

Claims (10)

1. 主構造を構成する構造材と、
   該構造材よりも降伏点が低い材料からなる減衰材と、を備えた減衰構造材であって、
   前記減衰材は、前記構造材とともに変形するように該構造材の長手方向に沿って、前記構造材の表面側から固定されていることを特徴とする減衰構造材。
2. 前記減衰材は、前記構造材と同程度の長さとされていることを特徴とする請求項１記載の減衰構造材。
3. 前記減衰材は、前記構造材の長手方向に対して、部分的に設けられていることを特徴とする請求項１記載の減衰構造材。
4. 前記構造材は、矩形断面を有する箱形形状とされ、
   前記減衰材は、前記構造材の内表面に固定されるとともに、該構造材の長手方向に沿って並列に複数設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の減衰構造材。
5. 前記構造材は、略円形断面を有する中空円筒形状とされ、
   前記減衰材は、前記構造材の内表面に固定されるとともに、該構造材の長手方向に沿って並列に複数設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の減衰構造材。
6. 前記構造材は、平板状のウェブ部の両端に直交するようにフランジ部が固定されたＨ形断面を有し、
   前記減衰材は、前記フランジ部の内表面に固定されるとともに、該フランジ部の長手方向に沿って設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の減衰構造材。
7. 前記構造材は、高張力鋼とされ、
   前記減衰材は、低降伏点鋼とされていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の減衰構造材。
8. 前記構造材は、普通鋼とされ、
   前記減衰材は、アルミニウム材料とされていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の減衰構造材。
9. 前記構造材は、アルミニウム材料とされ、
   前記減衰材は、アルミニウム材料または低降伏点鋼とされていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の減衰構造材。
10. 降伏点が異なる前記減衰材が二以上設けられていることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の減衰構造材。

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