JP4296541B2 - ブレースダンパー - Google Patents

Description

本発明は、既存構造物あるいは新設構造物のブレースとして機能するとともに、構造物の振動エネルギーを吸収するダンパーとしても機能するブレースダンパーに関する。

構造物の目標性能を設定し、当該目標性能を満足するように構造物の設計を行う性能設計への転換に伴い、構造物の損傷を制御できる制震構造の普及が進行している。特に、鋼材の降伏に伴う履歴吸収エネルギーを利用する鋼材ダンパーは、低コストで大きな減衰性能を発揮できることから多くの構造物に採用されている。なかでも軸力に抵抗するブレースダンパーは機構が簡単で設計的にも扱いやすいため、最も普及している。例えば、特許文献１では、座屈強度に優れたブレースとしての機能と減衰性能に優れたダンパーとしての機能を併せ持つ構造部材として、中央部に降伏部を有する帯板を拘束部材で両側から挟み込むとともに、拘束部材には降伏部を挟み込む位置に面外変形を防止するための補強部材が設置されたブレースダンパーに関する発明が開示されている。
特開２００２−２３５３８０号公報 （第２−４頁、第１図）

しかしながら、従来のブレースダンパーは、高軸力下で部材長が長くなると、強軸回りに比べて曲げ剛性の低い弱軸回りの全体座屈が問題となることがあった。
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、高軸力下で部材長が長い場合でも、強軸および弱軸回りの全体座屈を防止できるシンプルで低コストのブレースダンパーを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るブレースダンパーでは、所定軸力により降伏する降伏部を有する帯板状の鋼板からなるブレース芯材と、当該ブレース芯材を両側からウェブ部で挟み込む形態で当該ブレース芯材の両側に装着される一対の第一溝形鋼と、当該一対の第一溝形鋼のフランジ部同士を前記ブレース芯材を跨いで連結する一対のカバープレートとを備えるブレースダンパーにおいて、前記一対のカバープレートに代えて一対の第二溝形鋼を備え、当該第二溝形鋼のウェブ部を介して前記一対の第一溝形鋼のフランジ部同士が連結されていることを特徴とする。
ブレース芯材を構成する鋼板の板厚方向をＸ軸方向、当該鋼板の板幅方向をＹ軸方向とすると、Ｘ軸回りの曲げが強軸曲げ、Ｙ軸回りの曲げが弱軸曲げとなる。従来のブレースダンパーでは、弱軸回りの曲げ剛性が強軸回りの曲げ剛性に比べて低いため、ブレース長さが長くなるとブレース芯材が最大耐力に達する前に、弱軸回りの全体座屈が先行する場合もあった。
これに対して、本発明では、従来の平鋼からなるカバープレートに代えて、溝形鋼を使用することにより、少ない鋼材量で弱軸回りの曲げ剛性が大幅に増大し、高軸力で部材長が長い場合でも、ブレース芯材の最大耐力まで全体座屈を生じないようにすることができる。しかも、形鋼をそのまま使用しているので部品点数が増えず、新たな加工も必要としない。そのため、特別な技量や機械を必要とせず、低コストで製造することができる。

また、本発明に係るブレースダンパーでは、前記第二溝形鋼は、複数の部材を固着して構成される組み立て溝型鋼であってもよい。
本発明では、帯板状の平鋼の長辺側の両縁部にそれぞれ山形鋼あるいは平板などの形鋼をボルトや溶接などで固着してなる組み立て溝型鋼を第二溝形鋼として使用することにより、弱軸回りの曲げ剛性を大幅に増大させることができるだけでなく、ブレース芯材の厚みやブレース芯材の両側に配置する第一溝形鋼のフランジ幅に応じて平鋼の幅を任意に調整することができる。加えて、形鋼の断面形状を選択できるので、弱軸回りの曲げ剛性を容易に調整することができる。

また、本発明に係るブレースダンパーでは、前記第一溝形鋼は、前記ブレース芯材の材軸に平行な横リブおよび当該横リブに垂直な縦リブの少なくともいずれかをそのウェブ部に備えていてもよい。
本発明では、第一溝形鋼が横リブおよび当該横リブに垂直な縦リブの少なくともいずれかをそのウェブ部に備えることにより、ブレース芯材の局部座屈を防止することができる。

また、本発明に係るブレースダンパーでは、前記ブレース芯材は極軟鋼または軟鋼からなり、前記ブレース芯材の材軸方向中間部を両端部よりも小さな断面とすることで前記降伏部が形成されてされていてもよい。
本発明では、極軟鋼（極低降伏点鋼）または軟鋼のような、構造物を構成する鋼材よりも低い降伏強度を有する材料をブレース芯材に使用することにより、高い塑性エネルギー吸収能を有するブレースダンパーを実現するできる。しかも、ブレース芯材の材軸方向中間部には両端部よりも小さな断面からなる降伏部が形成されているため、他の部分に比べて降伏部には大きな歪が発生することになり、容易に降伏部で降伏させることができる。

本発明によれば、従来のカバープレートを平鋼から溝形鋼に変更することにより、高軸力で部材長が長い場合でも強軸および弱軸回りの全体座屈を防止できる、シンプルで低コストのブレースダンパーを実現することができる。

以下、本発明に係るブレースダンパーの実施形態について図面に基いて説明する。
図１は本発明に係るブレースダンパーの第一の実施形態を示す側面図であり、図２は図１の矢視断面図である。
本実施形態によるブレースダンパー１は、帯板状の鋼板からなるブレース芯材２と、ブレース芯材２の板厚方向にウェブ部３ｗで両側から挟み込む形態でブレース芯材２の両側に装着される一対の第一溝形鋼３、３と、一対の第一溝形鋼３、３のフランジ部３ｆ、３ｆ同士をウェブ部４ｗを介してブレース芯材２を跨いで連結する一対の第二溝形鋼４、４とを主な構成部材とする。

ブレース芯材２は、塑性エネルギー吸収能の高い極軟鋼（極低降伏点鋼）または軟鋼からなる。ブレース芯材２の中間部２ａは、端部２ｂに比べて幅が狭くなって降伏部２ａを形成している。所定の軸力がブレース芯材２に作用すると、端部２ｂに比べて大きな歪が降伏部２ａに発生し、降伏部２ａは容易に降伏する。
一方、ブレース芯材２の端部２ｂはブレースダンパー１の端部２ｂでもあり、両端部２ｂ、２ｂが高力ボルトによって構造物に固定される。ブレース芯材２の端部２ｂ両面には、リブプレート７がブレース芯材２の材軸Ｇに沿って溶接されて十字断面を形成している。

第一溝型鋼３は、ブレース芯材２を挟み込むためのウェブ部３ｗと、ウェブ部３ｗの両縁（ブレース芯材２の材軸Ｇに平行な側）に一体に形成された一対のフランジ部３ｆ、３ｆからなり、形鋼あるいは組み立て溝形鋼のいずれでもよい。ウェブ部３ｗの外面（ブレース芯材２と接しない側の面）には、リブプレートがブレース芯材２の材軸Ｇに沿って溶接されて横リブ５ｈを形成するとともに、横リブ５ｈに垂直な縦リブ５ｖ…が所定の離間間隔をおいて溶接され、第一溝型鋼３のウェブを面外に補強して局部座屈を防止している。
また、第一溝型鋼３のウェブ部３ｗの材軸Ｇ方向の両端部（材軸近傍）には、端面側に開放するスリット９が形成され、ブレースダンパー１の端部２ｂのリブプレート７がスリット９に差し込まれる構成になっている。

一対の第一溝型鋼３、３は、その両端部において各２本の綴りボルト６、６が一対の第一溝型鋼３、３のウェブ部３ｗ、３ｗとブレース芯材２をそれぞれ貫通し、図示しないＵナットやダブルナットを用いて緩まないように締結され、ブレース芯材２の外側に装着されている。この際、ブレース芯材２の材軸Ｇ方向の変形を拘束しないように、ブレース芯材２に設けられた綴りボルト６、６用の一方の貫通孔は、材軸Ｇ方向に長い長孔８、８としてルーズ機構を構成している。

第二溝型鋼４は、一対の第一溝形鋼３、３のフランジ部３ｆ、３ｆに密接するウェブ部４ｗと、ウェブ部４ｗの両縁（ブレース芯材２の材軸Ｇに平行な側）に一体に形成された一対のフランジ部４ｆ、４ｆから構成され、第二溝形鋼４のウェブ部４ｗと一対の第一溝形鋼３、３のフランジ部３ｆ、３ｆとは高力ボルト１０…によって締結されている。

ブレース芯材２の表面と第一溝型鋼３のウェブ部３ｗとの間には、それらをアンボンド状態に保持できるように厚さ１ｍｍ程度の緩衝材１１が介装されている。また、ブレース芯材２の小口２ｃと第二溝形鋼４のウェブ部４ｗとの間にも厚さ３ｍｍ程度の緩衝材１１が介装されている。緩衝材１１としては、ブレース芯材２と第一溝型鋼３との相対変形を阻害せず音も生じないクロロプレンゴム等の高分子系材料からなるシート材が好適である。

ブレース芯材２の板厚方向をＸ軸方向、ブレース芯材２の板幅方向をＹ軸方向とすると、Ｘ軸回りの曲げが強軸曲げ、Ｙ軸回りの曲げが弱軸曲げとなる。従来のブレースダンパーでは、弱軸回りの曲げ剛性が強軸回りの曲げ剛性に比べて低いため、ブレース芯材２が最大耐力に達する前に、弱軸回りの全体座屈が先行する場合もあった。
これに対して、本実施形態によるブレースダンパー１では、従来の平鋼からなるカバープレートに代えて第二溝形鋼４を使用することにより、少ない鋼材量で弱軸回りの曲げ剛性が大幅に増大し、高軸力で部材長が長い場合でもブレース芯材２の最大耐力まで全体座屈を生じないようにすることができる。しかも、形鋼をそのまま使用しているので部品点数が増えず、新たな加工も必要としない。そのため、特別な技量や機械を必要とせず、低コストで製造することができる。
また、本実施形態によるブレースダンパー１では、第二溝形鋼４をブレースダンパー１に取り付けてもダンパーの幅は変わらないため、壁厚やデッドスペースが増えたりせず、プラン上の制約とならない。
さらに、本実施形態によるブレースダンパー１では、ブレースダンパー１の端部２ｂは、構造物に高力ボルトで接合されるため、特別な施工精度は要求されず、現場において一般的な鉄骨ブレースと全く同じ施工性で取り付けることができる。

図３は、本発明に係るブレースダンパーの第二の実施形態を示すＡ−Ａ矢視断面図である。また、図４は、本発明に係るブレースダンパーの第三の実施形態を示すＡ−Ａ矢視断面図である。
図３は、第二溝形鋼４として、帯板状の平鋼１２の長辺側の両縁部にそれぞれ山形鋼１３、１３を有する組み立て溝形鋼１４を使用するものである。山形鋼１３と平鋼１２の接合は、図示するように、第一溝形鋼３のフランジ部３ｆと平鋼１２を接合する高力ボルト１０と兼用してもよいし、あるいは、山形鋼１３を平鋼１２に溶接してもよい。
一方、図４は、第二溝形鋼４として、帯板状の平鋼１２の長辺側の両縁部にそれぞれ平板１３、１３を溶接した組み立て溝形鋼１４を使用するものである。

本実施形態では、第二溝形鋼４として組み立て溝形鋼１４、２４を使用することにより、弱軸回りの曲げ剛性を大幅に増大させることができるだけでなく、ブレース芯材２の厚みやブレース芯材２の両側に配置する第一溝形鋼３、３のフランジ部３ｆ、３ｆの幅に応じて平鋼１２、２２の幅を任意に調整することができる。加えて、山形鋼１３あるいは平板２３の断面形状を選択できるので、弱軸回りの曲げ剛性を容易に調整することができる。

以上、本発明に係るブレースダンパーの実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、上記の実施形態では、ブレース芯材の中間部における幅を小さくすることで降伏部を形成しているが、ブレース芯材の中間部に開口部を形成したり、板厚や材質を変化させることで降伏部を形成しても、補剛区間全長にわたりブレース芯材の幅を一定にしてもよい。また、上記の実施形態では、ブレース芯材として帯状鋼板を１枚使用しているが、帯状鋼板を複数重ねて使用してもよい。

本発明に係るブレースダンパーの第一の実施形態を示す側面図である。 同、（ａ）は図１におけるＡ−Ａ矢視断面図、（ｂ）は図１におけるＢ−Ｂ矢視断面図である。 本発明に係るブレースダンパーの第二の実施形態を示すＡ−Ａ矢視断面図である。 本発明に係るブレースダンパーの第三の実施形態を示すＡ−Ａ矢視断面図である。

符号の説明

１ ブレースダンパー
２ ブレース芯材
２ａ 降伏部（ブレース芯材の中間部）
２ｂ ブレースダンパーの端部（ブレース芯材の端部）
３ 第一溝形鋼
４、１４、２４ 第二溝形鋼
５ｖ 縦リブ
５ｈ 横リブ
６ 綴りボルト
７ リブプレート
８ 長孔
９ スリット
１０ 高力ボルト
１１ 緩衝材
Ｇ ブレース芯材の材軸

Claims (4)

1. 所定軸力により降伏する降伏部を有する帯板状の鋼板からなるブレース芯材と、当該ブレース芯材を両側からウェブ部で挟み込む形態で当該ブレース芯材の両側に装着される一対の第一溝形鋼と、当該一対の第一溝形鋼のフランジ部同士を前記ブレース芯材を跨いで連結する一対のカバープレートとを備えるブレースダンパーにおいて、
   前記一対のカバープレートに代えて一対の第二溝形鋼を備え、当該第二溝形鋼のウェブ部を介して前記一対の第一溝形鋼のフランジ部同士が連結されていることを特徴とするブレースダンパー。
2. 前記第二溝形鋼は、複数の部材を固着して構成される組み立て溝型鋼であることを特徴とする請求項１に記載のブレースダンパー。
3. 前記第一溝形鋼は、前記ブレース芯材の材軸に平行な横リブおよび当該横リブに垂直な縦リブの少なくともいずれかをそのウェブ部に備えることを特徴とする請求項１または２に記載のブレースダンパー。
4. 前記ブレース芯材は極軟鋼または軟鋼からなり、前記ブレース芯材の材軸方向中間部を両端部よりも小さな断面とすることで前記降伏部が形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のブレースダンパー。

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