摩擦ダンパーおよび減衰方法
【課題】単純な構造で製造コストが安価な摩擦ダンパーおよび減衰方法を提供する。
【解決手段】第１部材１１１に取り付けられた筒体２と、第２部材１１２に取り付けられ、筒体２内に軸方向に移動可能に挿入されたピストン３と、筒体２を一端側から閉塞すると共にピストン３が挿通する挿通孔２２１が形成されたスリットダイヤフラム２２と、筒体２を他端側から閉塞する拘束ダイヤフラム２１と、拘束ダイヤフラム２１と上記スリットダイヤフラム２２との間に充填され固化した充填材５と、ピストン３に設けられ充填材５に係合し、かつ上記第１部材１１１と上記第２部材１１２とを相対変位させる力により上記係合する充填材５を壊し粒状化させて体積膨張させるための係合部６と、ピストン３における上記筒体２内の挿入部分に設けられ、体積膨張に反発する筒体２から充填材５が押し付けられる摩擦面４とを備えたものである。
【解決手段】第１部材１１１に取り付けられた筒体２と、第２部材１１２に取り付けられ、筒体２内に軸方向に移動可能に挿入されたピストン３と、筒体２を一端側から閉塞すると共にピストン３が挿通する挿通孔２２１が形成されたスリットダイヤフラム２２と、筒体２を他端側から閉塞する拘束ダイヤフラム２１と、拘束ダイヤフラム２１と上記スリットダイヤフラム２２との間に充填され固化した充填材５と、ピストン３に設けられ充填材５に係合し、かつ上記第１部材１１１と上記第２部材１１２とを相対変位させる力により上記係合する充填材５を壊し粒状化させて体積膨張させるための係合部６と、ピストン３における上記筒体２内の挿入部分に設けられ、体積膨張に反発する筒体２から充填材５が押し付けられる摩擦面４とを備えたものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、部材が互いに相対変位したときの変位エネルギーを摩擦により吸収するための摩擦ダンパーおよび減衰方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、橋梁やビルなどの建築物において、制振効果を高めるためにダンパーを設けることがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
そのようなダンパーとしては、例えば、構造材料（一般的に鋼材）を降伏させることでダンパー効果を得る降伏型ダンパーや、ゴムの水平方向のひずみでダンパー効果を得る粘性型ダンパーが知られている。
【０００４】
粘性型ダンパーは、ゴムから形成され高価であるため、橋梁の支点部などの重要部位くらいにしか使用されておらず、耐震ダンパーとしては、降伏型ダンパーが一般的に用いられている。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−１９０１４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述の降伏型ダンパーには、以下のような問題があった。
【０００７】
降伏型ダンパーは、鋼材を剪断変形させ降伏させることでエネルギーを吸収するものであるが、鋼材を座屈させずに降伏させためには座屈拘束を行う必要があり、構造が複雑となってしまう。
【０００８】
さらに、構造が複雑となる結果、製造コストが高額となってしまうという問題があった。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、単純な構造で製造コストが安価な摩擦ダンパーおよび減衰方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために本発明は、第１部材と第２部材との間に設けられ、それら第１部材と第２部材とが相対変位したときに、その相対変位を減衰させるための摩擦ダンパーにおいて、上記第１部材に取り付けられた筒体と、上記第２部材に取り付けられ、上記筒体内に軸方向に移動可能に挿入されたピストンと、上記筒体を一端側から閉塞すると共に上記ピストンが挿通する挿通孔が形成されたスリットダイヤフラムと、上記筒体を他端側から閉塞する拘束ダイヤフラムと、上記筒体内における上記拘束ダイヤフラムと上記スリットダイヤフラムとの間に充填され固化した充填材と、上記ピストンに設けられて上記固化した充填材に係合し、かつ上記第１部材と上記第２部材とを相対変位させる力により上記係合する充填材を壊し粒状化させて体積膨張させるための係合部と、上記ピストンにおける上記筒体内の挿入部分に設けられ、上記体積膨張に反発する上記筒体から上記充填材が押し付けられる摩擦面とを備えたものである。
【００１１】
好ましくは、上記係合部が、上記ピストンに形成されたジベル孔からなり、該ジベル孔内に充填された上記充填材がピン部を形成し、それらピン部と上記ジベル孔とが係合するものである。
【００１２】
好ましくは、上記充填材が、コンクリートである。
【００１３】
上記目的を達成するために本発明は、第１部材と第２部材との間に設けられ、それら第１部材と第２部材とが相対変位したときに、その相対変位を減衰させるための摩擦ダンパーにおいて、上記第１部材に取り付けられた筒体と、上記第２部材に取り付けられ、上記筒体内に軸方向に移動可能に挿入されたピストンと、上記筒体を一端側から閉塞すると共に上記ピストンが挿通する挿通孔が形成されたスリットダイヤフラムと、上記筒体を他端側から閉塞する拘束ダイヤフラムと、上記筒体内における上記拘束ダイヤフラムと上記スリットダイヤフラムとの間に充填され締固められた粒状体と、上記ピストンに設けられて上記締固められた粒状体に係合し、かつ上記第１部材と上記第２部材との相対変位により上記係合する粒状体を崩して体積膨張させるための係合部と、上記ピストンにおける上記筒体内の挿入部分に形成され、上記体積膨張に反発する上記筒体から上記粒状体が押し付けられる摩擦面とを備えたものである。
【００１４】
好ましくは、上記係合部が、上記ピストンに形成されたジベル孔からなり、該ジベル孔内にて締固められた上記粒状体がピン部を形成し、それらピン部と上記ジベル孔とが係合するものである。
【００１５】
好ましくは、上記筒体内に、上記拘束ダイヤフラムに近接させて、上記ピストンを上記軸方向に案内するガイドダイヤフラムが設けられたものである。
【００１６】
好ましくは、上記ピストンの上記係合部が、軸方向に沿って間隔を隔てて複数形成されたものである。
【００１７】
好ましくは、上記ピストンは、断面十字状に形成され、互いに直交する４つのフランジを有し、上記係合部が、上記ピストンの各フランジに各々形成されたものである。
【００１８】
上記目的を達成するために本発明は、第１部材と第２部材とが相対変位したときに、その相対変位を摩擦力により減衰させる方法において、上記第１部材に筒体を取り付け、上記第２部材にピストンを取り付け、該ピストンを上記筒体内に軸方向に移動可能に挿入し、上記筒体を、いずれか一端側で上記ピストンが挿通可能なように両端側から閉塞し、該筒体内に充填材を充填して固化させ、上記ピストンに上記固化した充填材に係合する係合部を設け、上記第１部材と上記第２部材とを相対変位させる力が所定の初動耐力に達したときに、上記係合部により該係合部に係合する充填材を壊し粒状化させて体積膨張させ、該体積膨張に反発する上記筒体により、上記充填材を、上記ピストンにおける上記筒体内の挿入部分に押し付けて摩擦力を付与するものである。
【００１９】
上記目的を達成するために本発明は、第１部材と第２部材との相対変位を摩擦力により減衰させる方法において、上記第１部材に筒体を取り付け、
上記第２部材にピストンを取り付け、該ピストンを上記筒体内に軸方向に移動可能に挿入し、上記筒体を、いずれか一端側で上記ピストンが挿通可能なように両端側から閉塞し、該筒体内に粒状体を充填して締固め、上記ピストンに上記締固められた粒状体に係合する係合部を設け、上記第１部材と上記第２部材とが相対変位したときに、上記係合部により該係合部に係合する粒状体を崩して体積膨張させ、該体積膨張に反発する上記筒体により、上記粒状体を、上記ピストンにおける上記筒体内の挿入部分に押し付けて摩擦力を付与するものである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、摩擦ダンパーの構造を単純にでき、製造コストを安価にできるという優れた効果を発揮するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
［第１の実施形態］
本実施形態の摩擦ダンパーは、例えば、橋梁などの構造物に適用される。
【００２２】
まず、図１２に基づき、摩擦ダンパーが対象とする橋梁を説明する。
【００２３】
橋梁１００は、トラス橋であり、複数の鋼製トラス部材１０１−１０４を組み合わせて構成される。その橋梁１００は、橋軸方向に延びる下弦材１０１および上弦材１０２と、それら下弦材１０１と上弦材１０２との間に設けられた鉛直材１０３および斜材１０４とを備える。
【００２４】
図例では、下弦材１０１が、橋軸方向に複数に分割して構成される。それら分割された下弦材１１１、１１２の間には、該下弦材１１１、１１２同士が軸方向に互いに相対変位（移動）したときの変位エネルギーを吸収すべく、本実施形態の摩擦ダンパー１が設けられる。以下の説明において、分割された下弦材１１１、１１２の一方（図１２において左側）を第１部材１１１、他方（図１２において右側）を第２部材１１２という。
【００２５】
次に、図１から図７に基づき本実施形態の摩擦ダンパー１の概略構造を説明する。
【００２６】
図１に示すように、摩擦ダンパー１は、第１部材１１１と第２部材１１２との間に設けられ、それら第１部材１１１と第２部材１１２とが相対変位したときに、その相対変位を減衰させるものである。
【００２７】
本実施形態の摩擦ダンパー１は、第１部材１１１に取り付けられた筒体２と、第２部材１１２に取り付けられ筒体２内に軸方向に移動可能に挿入されたピストン３と、筒体２を一端側（第２部材側、図１では右端側）からを閉塞すると共にピストン３が挿通する挿通孔２２１が形成されたスリットダイヤフラム２２と、筒体２を他端側（第１部材側、図１では左端側）からを閉塞する拘束ダイヤフラム（以下、端部拘束ダイヤフラムという）２１と、筒体２内における端部拘束ダイヤフラム２１とスリットダイヤフラム２２との間に充填され固化した充填材をなすコンクリート５と、ピストン３に設けられて固化したコンクリート５に係合し、かつ第１部材１１１と第２部材１１２とを相対変位させる力により係合するコンクリート（ピン部）５１を壊し粒状化させて体積膨張させるための係合部をなすジベル孔６と、ピストン３における筒体２内の挿入部分に設けられ、体積膨張に反発する筒体２からコンクリート５が押し付けられる摩擦面４とを備える。
【００２８】
図１および図２に示すように、筒体２は、円筒形状を有し断面円形で軸方向に延びる。筒体２は、例えば、鋼管などから形成される。筒体２は、軸方向を、第１部材１１１と第２部材１１２との相対変位の変位方向（下弦材１０１の軸方向）に一致させて配置される。
【００２９】
その筒体２内には、コンクリート５を充填するための充填室Ｓ（図２参照）が設けられる。
【００３０】
充填室Ｓは、端部拘束ダイヤフラム２１とスリットダイヤフラム２２と、それらダイヤフラム２１、２２間の筒体２の内周面（壁面）とにより区画形成される。その充填室Ｓには、コンクリート５（生コンクリート）を注入、充填するための図示しない注入孔と空気抜き孔とが各々形成される。
【００３１】
また、詳しくは後述するが、これら端部拘束ダイヤフラム２１とスリットダイヤフラム２２とは、コンクリート５の体積膨張を誘発すべくコンクリート５を軸方向両端側から各々拘束する。
【００３２】
端部拘束ダイヤフラム２１は、筒体２の一端（図１の左端）から軸方向内側（図１の右側）に所定間隔を隔てて設けられる。
【００３３】
図３に示すように、端部拘束ダイヤフラム２１は、筒体２の内径とほぼ同じ外径を有する円板状に形成され、筒体２の内周面に溶接などにて接合される。
【００３４】
端部拘束ダイヤフラム２１には、筒体２と第１部材１１１とを接合するための部材連結部２３が形成される。その部材連結部２３は、端部拘束ダイヤフラム２１から軸方向外側（図１の左側）に延び筒体２から突出する。
【００３５】
図例の部材連結部２３は、断面十字状に形成され、互いに直交する４つのフランジ２３１を有する。各フランジ２３１の筒体側（図１の右側）の端部が、筒体２の内周面に接合され、第１部材側（図１の左側）の端部が、添接板２３５を介して第１部材１１１にボルト接合される。
【００３６】
スリットダイヤフラム２２は、上記端部拘束ダイヤフラム２１と同様に、筒体２の他端（図１の右端）から軸方向内側（図１の左側）に所定間隔を隔てて設けられる。
【００３７】
図４に示すように、スリットダイヤフラム２２は、筒体２の内径とほぼ同じ外径を有する円板状に形成され、筒体２の内周面に溶接などにて接合される。
【００３８】
スリットダイヤフラム２２には、ピストン３が挿通する挿通孔２２１が形成される。挿通孔２２１は、ピストン３の断面形状に相似な形状に形成され、図例では、十字状に形成される。挿通孔２２１は、ピストン３よりも僅かに大きく形成され、ピストン３を筒体２の軸方向に移動可能、かつ回転不能に案内をする。
【００３９】
図１に戻り、筒体２内には、ピストン３を軸方向に案内するガイドダイヤフラム２４が設けられる。
【００４０】
ガイドダイヤフラム２４は、端部拘束ダイヤフラム２１とスリットダイヤフラム２２との間（充填室Ｓ内）に配置される。ここで、ガイドダイヤフラム２４は、スリットダイヤフラム２２と共にピストン３を案内、支持することから、支持バランスを保つために、本実施形態のガイドダイヤフラム２４は、端部拘束ダイヤフラム２１に近接させて配置される。
【００４１】
図５に示すように、ガイドダイヤフラム２４は、筒体２の内径とほぼ同じ外径を有する円板状に形成され、筒体２の内周面に溶接などにて固定される。
【００４２】
ガイドダイヤフラム２４には、ピストン３が挿通するガイド孔２４１と、ガイドダイヤフラム２４を軸方向に貫通する連通孔２４２とが形成される。
【００４３】
ガイド孔２４１は、ガイドダイヤフラム２４の中央に形成された矩形（図例ではほぼ正方形）の中央部２４３と、その中央部２４３の角部から径方向に延び後述するピストン３のフランジ３１の先端部を案内する複数（図例では４つ）のガイド部２４４とからなる。
【００４４】
連通孔２４２は、複数（図例では４つ）形成され、同心円状に周方向に間隔を隔てて配置される。
【００４５】
これらガイド孔２４１の中央部２４３と連通孔２４２とは、ガイドダイヤフラム２４の軸方向両側の充填室Ｓを連通し、充填室Ｓにコンクリート５（生コンクリート）を充填する際に生コンクリートが通る通路をなす。
【００４６】
図１および図６に示すように、ピストン３は、筒体２の軸方向に沿って延び、一端が筒体２内の端部拘束ダイヤフラム２１の近傍まで挿入され、他端が筒体２から突出して第２部材１１２に接合される。図例では、ピストン３の第２部材側の端部が、部材連結部２３と同様に、添接板３２を介して第２部材１１２にボルト接合される。
【００４７】
図７に示すように、本実施形態のピストン３は、断面十字形で軸方向に延び、互いに直交する４つのフランジ３１を有する。ピストン３は、例えば、鋼板などを組み合わせて形成される。
【００４８】
ピストン３のフランジ３１の表面および裏面は、筒体２の軸方向（ピストン３の長手方向）に沿って延びる。それら表面および裏面における充填室Ｓ内に収容された領域が、ピストン３の軸方向の移動に伴い筒体２内のコンクリート５に摺動する摩擦面４をなす。
【００４９】
ピストン３のフランジ３１には、筒体２内のコンクリート５と係合するジベル孔６が形成され、そのジベル孔６によりピストン３が筒体２内に係止される。
【００５０】
具体的には、ジベル孔６内に充填されて固化したコンクリート５が、柱状のピン部５１を形成し、そのピン部５１とジベル孔６とが係合する。それらピン部５１とジベル孔６との係合により、ピストン３の軸方向の移動が規制される。
【００５１】
つまり、ピストン３のフランジ３１と筒体２内のコンクリート５とは、所謂孔あき鋼板ジベルと同様の構造を備え、互いに接合される。なお、詳しくは後述するが、本実施形態の摩擦ダンパー１は、ダンパーとしての機能を有する点で、孔あき鋼板ジベルと大きく異なる。
【００５２】
ジベル孔６は、軸方向に沿って間隔を隔てて複数（図例では、フランジ３１ごとに４つずつ）形成される。各ジベル孔６は、フランジ３１の摩擦面４に対して垂直に断面円形に形成される。
【００５３】
次に、本実施形態の減衰方法を説明する。
【００５４】
本実施形態の減衰方法は、第１部材１１１と第２部材１１２とが相対変位したときに、その相対変位を摩擦力により減衰させるものである。
【００５５】
その減衰方法では、まず、第１部材１１１に筒体２を取り付け、第２部材１１２にピストン３を取り付け、ピストン３を筒体２内に軸方向に移動可能に挿入し、筒体２を、いずれか一端側でピストン３が挿通可能なように両端側から閉塞し、筒体２内にコンクリート５を充填して固化させ、ピストン３に固化したコンクリート５（ピン部５１）に係合するジベル孔６を設けて摩擦ダンパー１を構成する。
【００５６】
次に、第１部材１１１と上記第２部材１１２とを相対変位させる力が所定の初動耐力に達したときに、ジベル孔６によりジベル孔６に係合するピン部５１を壊し粒状化させて体積膨張させ、該体積膨張に反発する筒体２により、コンクリート５（粒状化したピン部５１）を、ピストン３の摩擦面４（筒体２内の挿入部分）に押し付けて摩擦力を付与する。
【００５７】
以下、図１および図１２に基づき詳述する。
【００５８】
図１２に示すように、本実施形態の摩擦ダンパー１は、トラス橋１００の下弦材１０１に介設されており、通常時は、トラス橋１００にかかる荷重を直接受ける構造材（１次部材）として働き、地震などによる大きな荷重（初動耐力）がかかるときに、ダンパーとして働く。
【００５９】
すなわち、下弦材１０１に荷重（圧縮荷重または引張荷重）がかかると、その荷重は、摩擦ダンパー１に伝達され摩擦ダンパー１の筒体２とピストン３とを軸方向に移動（相対変位）させるように作用する。
【００６０】
通常時、例えばトラス橋１００の自重（死荷重）や車両の通行などによる活荷重などの設計許容範囲の荷重（許容荷重）がかかる場合には、その許容荷重によりピストン３と筒体２とが軸方向に相対移動しようとするが、ピストン３のジベル孔６と筒体２のピン部５１とが係合することから、その係合によりピストン３および筒体２の軸方向の移動が規制される。
【００６１】
このように通常時には、摩擦ダンパー１は他のトラス部材１０１−１０４などと同様に剛性を有する構造材として働く。
【００６２】
一方、地震などにより、摩擦ダンパー１に過度の引張荷重がかかると、ピン部５１が壊れて、そのピン部５１によるピストン３の拘束がなくなり、ピストン３が筒体２に対し軸方向外側に（図１において右側に）移動する。すなわち、ピストン３と筒体２とが相対移動する。
【００６３】
このピストン３が移動する際に、本実施形態では、ピストン３の摩擦面４にコンクリート５からの軸方向内側向きに（図１において左向きに）摩擦力が付与されピストン３の移動エネルギーが減衰される。
【００６４】
より具体的には、摩擦ダンパー１に設計許容範囲を超える引張荷重がかかると、その引張荷重が、ピストン３のジベル孔６を介して、ピン部５１をなすコンクリート５に剪断力として作用し、ピン部５１のコンクリート５が砕け壊れる。
【００６５】
ピン部５１のコンクリート５が砕け壊れると、そのコンクリート５のダイレイタンシーがピストン３のジベル孔６近傍にて生じ、ピン部５１およびジベル孔６近傍のコンクリート５が粒状化し、ジベル孔６近傍におけるコンクリート５の体積が膨張する。
【００６６】
その体積膨張による膨張力が、筒体２に対して筒体２を径方向外側に拡径するように作用する。その膨張力を受けた筒体２は、自身の剛性（弾性）により膨張力に反発して、コンクリート５を径方向内側に押圧し、そのコンクリート５を介してピストン３を締め付ける。
【００６７】
この締め付けにより、ジベル孔６近傍のコンクリート５がピストン３の摩擦面４に押し付けられる。また、粒状化したコンクリート５は、筒体２により径方向外側への膨張が規制されるため、ピストン３の摩擦面４に押し付けられる。
【００６８】
これより、ピストン３の摩擦面４が筒体２内のコンクリート５と摺動する際に、摩擦面４の摩擦抵抗が増大して強い摩擦力が発生し、相対移動のエネルギーが吸収される。
【００６９】
ここで、上述したように本実施形態の摩擦ダンパー１は、ピン部５１が壊れるほどの大きな引張荷重がかかることで、ダンパーとして機能する。この摩擦ダンパー１が、ダンパーとして機能し始める荷重を初動耐力という。
【００７０】
すなわち、ピン部５１は、摩擦ダンパー１にかかる荷重が初動耐力以下のときに、ピストン３のジベル孔６に係合してピストン３を係止し、荷重が初動耐力に達し超えたときに、破壊されてピストン３の係止を解除する。
【００７１】
初動耐力は、摩擦ダンパー１に設けられたピン部５１の合計強度により決まり、例えば、ピン部５１（ジベル孔６）の数や大きさ（径）、コンクリート５の材質や結合強度などにより設定される。初動耐力は、ジベル孔６の数が多いほど、また径が大きいほど、大きな値に設定される。
【００７２】
また、摩擦ダンパー１の摩擦力は、ピストン３の形状（摩擦面４の面積）やジベル孔６の数などにより設定される。摩擦力は、摩擦面４の面積が広いほど、ジベル孔６の数が多いほど大きな値に設定される。なお、ピストン３の形状が同一の場合、ジベル孔６が多いほど摩擦面４の面積は小さくなるが、コンクリート５が体積膨張する箇所も増えるので、結果として摩擦力は大きくなる。
【００７３】
次に、図８に基づき本実施形態の摩擦ダンパー１の特性について説明する。
【００７４】
図８は、摩擦ダンパー１の荷重−伸び曲線図であり、縦軸が荷重（引張荷重）、横軸が伸びである。図８において符号Ｐ０は、初動耐力を示す。
【００７５】
図８に示すように、荷重Ｐが初動耐力Ｐ０以下のときには、荷重Ｐと伸びδとが比例関係にあり、この領域では摩擦ダンパー１は弾性的な挙動を示す。
【００７６】
一方、荷重Ｐが、初動耐力Ｐ０に達すると、荷重Ｐが初動耐力Ｐ０で一定となり伸びδのみが増加する。この領域では摩擦ダンパー１はダンパーとしての挙動を示す。
【００７７】
以上のように本実施形態の摩擦ダンパー１は、筒体２と摩擦面４を有するピストン３とコンクリート５とで主に構成されるので、構造が単純であり、安価に製造することができる。
【００７８】
さらに、本実施形態では、筒体２を鋼管から形成し、ピストン３を孔あき鋼板から形成し、充填材にコンクリート５を用いたので一般的な材料で製造することができ、これによっても、摩擦ダンパー１を安価に製造することができる。
【００７９】
また、筒体２とピストン３とを、コンクリート５と孔あき鋼板とによる所謂孔あき鋼板ジベル構造で接合したので、摩擦ダンパー１の初動耐力を大きく設定することができる。
【００８０】
その初動耐力が、ピストン３のジベル孔６の数や大きさにより設定できるので、初動耐力の設定を容易に行うことができる。
【００８１】
［第２の実施形態］
次に、図９に基づき第２の実施形態を説明する。本実施形態は、上述の第１の実施形態とは、筒体２内に締固められた粒状体が充填される点で異なり、その他は実質的に同じである。したがって、上述の第１の実施形態と同一の要素については、図中同一符号を付すに止め、詳細な説明は省略する。
【００８２】
本実施形態の摩擦ダンパー１は、初動耐力がほぼ０であり、例えば、構造物を支持する１次部材に付帯的に設けられ、その１次部材が設計許容範囲を超えて変形したときにその変形を抑制する２次部材として用いられる。
【００８３】
図９に示すように、摩擦ダンパー１は、第１部材１１１に取り付けられた筒体２と、第２部材１１２に取り付けられ、筒体２内に軸方向に移動可能に挿入されたピストン３と、筒体２を一端側から閉塞すると共にピストン３が挿通する挿通孔２２１が形成されたスリットダイヤフラム２２と、筒体２を他端側から閉塞する端部拘束ダイヤフラム２１と、筒体２内における端部拘束ダイヤフラム２１とスリットダイヤフラム２２との間に充填され締固められた粒状体８と、ピストン３に設けられて締固められた粒状体８に係合し、かつ第１部材１１１と上記第２部材１１２との相対変位により係合する粒状体８を崩して体積膨張させるための係合部をなすジベル孔６と、ピストン３における筒体２内の挿入部分に形成され、体積膨張に反発する筒体２から上記粒状体８が押し付けられる摩擦面４とを備えたものである。
【００８４】
ここで、筒体２内に充填される粒状体８としては、例えば、砂や鉄球・ベアリングボールなどが考えられる。
【００８５】
また、粒状体８の締固めは、粒状体８間の間隙が最小となるように粒状体８を配置すればよく、様々なものが考えられる。例えば、粒状体８を締固める方法としては、粒状体８を筒体２内に充填した後に粒状体８を突き固めるものや、或いは、粒状体８の充填後に筒体２を振動させるものなどが考えられる。
【００８６】
本実施形態では、ジベル孔６内にて締固められた粒状体８がピン部８１を形成し、そのピン部８１とジベル孔６とが係合する。
【００８７】
次に、本実施形態の減衰方法を説明する。
【００８８】
本実施形態では、ピン部８１をなす粒状体８が互いに結合されていないことから、摩擦ダンパー１は初動耐力がほぼ０に設定される。
【００８９】
そのため、ピストン３と筒体２とに引張荷重がかかると、ピストン３は筒体２の軸方向に沿って筒体２から離間する方向に（軸方向外側に）移動する。
【００９０】
ピストン３が移動すると、ピストン３のジベル孔６によりピン部８１および周辺の粒状体８が崩れ、そのジベル孔６周辺にてダイレイタンシーが生じて、ピン部８１および周辺の粒状体８が体積膨張する。
【００９１】
つまり、粒状体８の配置が、締固めた状態から乱れることで、粒状体８間の間隙が締固めた状態に比べて大きくなり、粒状体８の全体の体積が膨張する。
【００９２】
その体積膨張による膨張力が、筒体２に対して筒体２を径方向外側に拡径するように作用する。膨張力を受けた筒体２は、自身の剛性（弾性）により体積膨張の膨張力に反発して、粒状体８を径方向内側に押圧し、その粒状体８を介してピストン３を締め付ける。
【００９３】
この締め付けにより、ジベル孔６近傍の粒状体８がピストン３の摩擦面４に押し付けられ、ピストン３と筒体２とが相対移動する際に、ピストン３の摩擦面４の摩擦抵抗が増大して強い摩擦力が付与され、相対移動のエネルギーが吸収される。
【００９４】
本実施形態でも、上述の第１の実施形態と同様に、単純な構造および安価な製造コストという効果が得られ、さらに、コンクリート５を使用しないことから第１の実施形態に比べてより安価に製造することができる。
【００９５】
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されず、様々な変形例や応用例が考えられるものである。
【００９６】
例えば、上述の実施形態では、ピストン３の係合部をジベル孔６としたが、これに限定されず、係合部は、ピストン３と筒体２とが相対移動したときに、充填材を壊して粒状化させる形状、あるいは締固めた粒状体を崩す形状であればよく、様々なものが可能である。係合部としては、例えば、図１０に示すように、ピストン３から突出する凸部６１（スタッドボルトなど）が考えられる。
【００９７】
また、ピストンは、断面十字状のものに限定されず、様々なものが可能である。例えば、図１１に示すように、ピストン３３を断面Ｈ字状に形成し、そのフランジ３３１およびウェブ３３２に係合部をなすジベル孔６を形成するようにしてもよい。また、ピストンを円筒状に形成し、その円筒面に係合部をなすジベル孔を形成することも考えられる。
【００９８】
充填材は、コンクリート５の他に、モルタル・エポキシ樹脂などが考えられる。
【００９９】
摩擦ダンパーをトラス橋に以外のものに使用してよく、例えば、ビルなど建築物に用いることも考えられる。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る摩擦ダンパーの概略断面図である。
【図２】図２は、本実施形態の筒体の概略断面図である。
【図３】図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】図４は、図２のＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図５】図５は、図２のＶ−Ｖ線断面図である。
【図６】図６は、本実施形態のピストンの概略側面図である。
【図７】図７は、図１のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。
【図８】図８は、本実施形態の摩擦ダンパーにおける荷重と伸びの関係を説明するための図である。
【図９】図９は、他の実施形態に係る摩擦ダンパーの概略断面図である。
【図１０】図１０は、本発明の変形例に係るピストンの断面図である。
【図１１】図１１は、本発明の他の変形例に係るピストンの断面図である。
【図１２】図１２は、本実施形態の摩擦ダンパーが適用される橋梁の概略側面図である。
【符号の説明】
【０１０１】
１ 摩擦ダンパー
２ 筒体
３ ピストン
４ 摩擦面
５ コンクリート（充填材）
６ ジベル孔（係合部）
２１ 端部拘束ダイヤフラム（拘束ダイヤフラム）
２２ スリットダイヤフラム
１１１ 第１部材
１１２ 第２部材
２２１ 挿通孔
【技術分野】
【０００１】
本発明は、部材が互いに相対変位したときの変位エネルギーを摩擦により吸収するための摩擦ダンパーおよび減衰方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、橋梁やビルなどの建築物において、制振効果を高めるためにダンパーを設けることがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
そのようなダンパーとしては、例えば、構造材料（一般的に鋼材）を降伏させることでダンパー効果を得る降伏型ダンパーや、ゴムの水平方向のひずみでダンパー効果を得る粘性型ダンパーが知られている。
【０００４】
粘性型ダンパーは、ゴムから形成され高価であるため、橋梁の支点部などの重要部位くらいにしか使用されておらず、耐震ダンパーとしては、降伏型ダンパーが一般的に用いられている。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−１９０１４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述の降伏型ダンパーには、以下のような問題があった。
【０００７】
降伏型ダンパーは、鋼材を剪断変形させ降伏させることでエネルギーを吸収するものであるが、鋼材を座屈させずに降伏させためには座屈拘束を行う必要があり、構造が複雑となってしまう。
【０００８】
さらに、構造が複雑となる結果、製造コストが高額となってしまうという問題があった。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、単純な構造で製造コストが安価な摩擦ダンパーおよび減衰方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために本発明は、第１部材と第２部材との間に設けられ、それら第１部材と第２部材とが相対変位したときに、その相対変位を減衰させるための摩擦ダンパーにおいて、上記第１部材に取り付けられた筒体と、上記第２部材に取り付けられ、上記筒体内に軸方向に移動可能に挿入されたピストンと、上記筒体を一端側から閉塞すると共に上記ピストンが挿通する挿通孔が形成されたスリットダイヤフラムと、上記筒体を他端側から閉塞する拘束ダイヤフラムと、上記筒体内における上記拘束ダイヤフラムと上記スリットダイヤフラムとの間に充填され固化した充填材と、上記ピストンに設けられて上記固化した充填材に係合し、かつ上記第１部材と上記第２部材とを相対変位させる力により上記係合する充填材を壊し粒状化させて体積膨張させるための係合部と、上記ピストンにおける上記筒体内の挿入部分に設けられ、上記体積膨張に反発する上記筒体から上記充填材が押し付けられる摩擦面とを備えたものである。
【００１１】
好ましくは、上記係合部が、上記ピストンに形成されたジベル孔からなり、該ジベル孔内に充填された上記充填材がピン部を形成し、それらピン部と上記ジベル孔とが係合するものである。
【００１２】
好ましくは、上記充填材が、コンクリートである。
【００１３】
上記目的を達成するために本発明は、第１部材と第２部材との間に設けられ、それら第１部材と第２部材とが相対変位したときに、その相対変位を減衰させるための摩擦ダンパーにおいて、上記第１部材に取り付けられた筒体と、上記第２部材に取り付けられ、上記筒体内に軸方向に移動可能に挿入されたピストンと、上記筒体を一端側から閉塞すると共に上記ピストンが挿通する挿通孔が形成されたスリットダイヤフラムと、上記筒体を他端側から閉塞する拘束ダイヤフラムと、上記筒体内における上記拘束ダイヤフラムと上記スリットダイヤフラムとの間に充填され締固められた粒状体と、上記ピストンに設けられて上記締固められた粒状体に係合し、かつ上記第１部材と上記第２部材との相対変位により上記係合する粒状体を崩して体積膨張させるための係合部と、上記ピストンにおける上記筒体内の挿入部分に形成され、上記体積膨張に反発する上記筒体から上記粒状体が押し付けられる摩擦面とを備えたものである。
【００１４】
好ましくは、上記係合部が、上記ピストンに形成されたジベル孔からなり、該ジベル孔内にて締固められた上記粒状体がピン部を形成し、それらピン部と上記ジベル孔とが係合するものである。
【００１５】
好ましくは、上記筒体内に、上記拘束ダイヤフラムに近接させて、上記ピストンを上記軸方向に案内するガイドダイヤフラムが設けられたものである。
【００１６】
好ましくは、上記ピストンの上記係合部が、軸方向に沿って間隔を隔てて複数形成されたものである。
【００１７】
好ましくは、上記ピストンは、断面十字状に形成され、互いに直交する４つのフランジを有し、上記係合部が、上記ピストンの各フランジに各々形成されたものである。
【００１８】
上記目的を達成するために本発明は、第１部材と第２部材とが相対変位したときに、その相対変位を摩擦力により減衰させる方法において、上記第１部材に筒体を取り付け、上記第２部材にピストンを取り付け、該ピストンを上記筒体内に軸方向に移動可能に挿入し、上記筒体を、いずれか一端側で上記ピストンが挿通可能なように両端側から閉塞し、該筒体内に充填材を充填して固化させ、上記ピストンに上記固化した充填材に係合する係合部を設け、上記第１部材と上記第２部材とを相対変位させる力が所定の初動耐力に達したときに、上記係合部により該係合部に係合する充填材を壊し粒状化させて体積膨張させ、該体積膨張に反発する上記筒体により、上記充填材を、上記ピストンにおける上記筒体内の挿入部分に押し付けて摩擦力を付与するものである。
【００１９】
上記目的を達成するために本発明は、第１部材と第２部材との相対変位を摩擦力により減衰させる方法において、上記第１部材に筒体を取り付け、
上記第２部材にピストンを取り付け、該ピストンを上記筒体内に軸方向に移動可能に挿入し、上記筒体を、いずれか一端側で上記ピストンが挿通可能なように両端側から閉塞し、該筒体内に粒状体を充填して締固め、上記ピストンに上記締固められた粒状体に係合する係合部を設け、上記第１部材と上記第２部材とが相対変位したときに、上記係合部により該係合部に係合する粒状体を崩して体積膨張させ、該体積膨張に反発する上記筒体により、上記粒状体を、上記ピストンにおける上記筒体内の挿入部分に押し付けて摩擦力を付与するものである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、摩擦ダンパーの構造を単純にでき、製造コストを安価にできるという優れた効果を発揮するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
［第１の実施形態］
本実施形態の摩擦ダンパーは、例えば、橋梁などの構造物に適用される。
【００２２】
まず、図１２に基づき、摩擦ダンパーが対象とする橋梁を説明する。
【００２３】
橋梁１００は、トラス橋であり、複数の鋼製トラス部材１０１−１０４を組み合わせて構成される。その橋梁１００は、橋軸方向に延びる下弦材１０１および上弦材１０２と、それら下弦材１０１と上弦材１０２との間に設けられた鉛直材１０３および斜材１０４とを備える。
【００２４】
図例では、下弦材１０１が、橋軸方向に複数に分割して構成される。それら分割された下弦材１１１、１１２の間には、該下弦材１１１、１１２同士が軸方向に互いに相対変位（移動）したときの変位エネルギーを吸収すべく、本実施形態の摩擦ダンパー１が設けられる。以下の説明において、分割された下弦材１１１、１１２の一方（図１２において左側）を第１部材１１１、他方（図１２において右側）を第２部材１１２という。
【００２５】
次に、図１から図７に基づき本実施形態の摩擦ダンパー１の概略構造を説明する。
【００２６】
図１に示すように、摩擦ダンパー１は、第１部材１１１と第２部材１１２との間に設けられ、それら第１部材１１１と第２部材１１２とが相対変位したときに、その相対変位を減衰させるものである。
【００２７】
本実施形態の摩擦ダンパー１は、第１部材１１１に取り付けられた筒体２と、第２部材１１２に取り付けられ筒体２内に軸方向に移動可能に挿入されたピストン３と、筒体２を一端側（第２部材側、図１では右端側）からを閉塞すると共にピストン３が挿通する挿通孔２２１が形成されたスリットダイヤフラム２２と、筒体２を他端側（第１部材側、図１では左端側）からを閉塞する拘束ダイヤフラム（以下、端部拘束ダイヤフラムという）２１と、筒体２内における端部拘束ダイヤフラム２１とスリットダイヤフラム２２との間に充填され固化した充填材をなすコンクリート５と、ピストン３に設けられて固化したコンクリート５に係合し、かつ第１部材１１１と第２部材１１２とを相対変位させる力により係合するコンクリート（ピン部）５１を壊し粒状化させて体積膨張させるための係合部をなすジベル孔６と、ピストン３における筒体２内の挿入部分に設けられ、体積膨張に反発する筒体２からコンクリート５が押し付けられる摩擦面４とを備える。
【００２８】
図１および図２に示すように、筒体２は、円筒形状を有し断面円形で軸方向に延びる。筒体２は、例えば、鋼管などから形成される。筒体２は、軸方向を、第１部材１１１と第２部材１１２との相対変位の変位方向（下弦材１０１の軸方向）に一致させて配置される。
【００２９】
その筒体２内には、コンクリート５を充填するための充填室Ｓ（図２参照）が設けられる。
【００３０】
充填室Ｓは、端部拘束ダイヤフラム２１とスリットダイヤフラム２２と、それらダイヤフラム２１、２２間の筒体２の内周面（壁面）とにより区画形成される。その充填室Ｓには、コンクリート５（生コンクリート）を注入、充填するための図示しない注入孔と空気抜き孔とが各々形成される。
【００３１】
また、詳しくは後述するが、これら端部拘束ダイヤフラム２１とスリットダイヤフラム２２とは、コンクリート５の体積膨張を誘発すべくコンクリート５を軸方向両端側から各々拘束する。
【００３２】
端部拘束ダイヤフラム２１は、筒体２の一端（図１の左端）から軸方向内側（図１の右側）に所定間隔を隔てて設けられる。
【００３３】
図３に示すように、端部拘束ダイヤフラム２１は、筒体２の内径とほぼ同じ外径を有する円板状に形成され、筒体２の内周面に溶接などにて接合される。
【００３４】
端部拘束ダイヤフラム２１には、筒体２と第１部材１１１とを接合するための部材連結部２３が形成される。その部材連結部２３は、端部拘束ダイヤフラム２１から軸方向外側（図１の左側）に延び筒体２から突出する。
【００３５】
図例の部材連結部２３は、断面十字状に形成され、互いに直交する４つのフランジ２３１を有する。各フランジ２３１の筒体側（図１の右側）の端部が、筒体２の内周面に接合され、第１部材側（図１の左側）の端部が、添接板２３５を介して第１部材１１１にボルト接合される。
【００３６】
スリットダイヤフラム２２は、上記端部拘束ダイヤフラム２１と同様に、筒体２の他端（図１の右端）から軸方向内側（図１の左側）に所定間隔を隔てて設けられる。
【００３７】
図４に示すように、スリットダイヤフラム２２は、筒体２の内径とほぼ同じ外径を有する円板状に形成され、筒体２の内周面に溶接などにて接合される。
【００３８】
スリットダイヤフラム２２には、ピストン３が挿通する挿通孔２２１が形成される。挿通孔２２１は、ピストン３の断面形状に相似な形状に形成され、図例では、十字状に形成される。挿通孔２２１は、ピストン３よりも僅かに大きく形成され、ピストン３を筒体２の軸方向に移動可能、かつ回転不能に案内をする。
【００３９】
図１に戻り、筒体２内には、ピストン３を軸方向に案内するガイドダイヤフラム２４が設けられる。
【００４０】
ガイドダイヤフラム２４は、端部拘束ダイヤフラム２１とスリットダイヤフラム２２との間（充填室Ｓ内）に配置される。ここで、ガイドダイヤフラム２４は、スリットダイヤフラム２２と共にピストン３を案内、支持することから、支持バランスを保つために、本実施形態のガイドダイヤフラム２４は、端部拘束ダイヤフラム２１に近接させて配置される。
【００４１】
図５に示すように、ガイドダイヤフラム２４は、筒体２の内径とほぼ同じ外径を有する円板状に形成され、筒体２の内周面に溶接などにて固定される。
【００４２】
ガイドダイヤフラム２４には、ピストン３が挿通するガイド孔２４１と、ガイドダイヤフラム２４を軸方向に貫通する連通孔２４２とが形成される。
【００４３】
ガイド孔２４１は、ガイドダイヤフラム２４の中央に形成された矩形（図例ではほぼ正方形）の中央部２４３と、その中央部２４３の角部から径方向に延び後述するピストン３のフランジ３１の先端部を案内する複数（図例では４つ）のガイド部２４４とからなる。
【００４４】
連通孔２４２は、複数（図例では４つ）形成され、同心円状に周方向に間隔を隔てて配置される。
【００４５】
これらガイド孔２４１の中央部２４３と連通孔２４２とは、ガイドダイヤフラム２４の軸方向両側の充填室Ｓを連通し、充填室Ｓにコンクリート５（生コンクリート）を充填する際に生コンクリートが通る通路をなす。
【００４６】
図１および図６に示すように、ピストン３は、筒体２の軸方向に沿って延び、一端が筒体２内の端部拘束ダイヤフラム２１の近傍まで挿入され、他端が筒体２から突出して第２部材１１２に接合される。図例では、ピストン３の第２部材側の端部が、部材連結部２３と同様に、添接板３２を介して第２部材１１２にボルト接合される。
【００４７】
図７に示すように、本実施形態のピストン３は、断面十字形で軸方向に延び、互いに直交する４つのフランジ３１を有する。ピストン３は、例えば、鋼板などを組み合わせて形成される。
【００４８】
ピストン３のフランジ３１の表面および裏面は、筒体２の軸方向（ピストン３の長手方向）に沿って延びる。それら表面および裏面における充填室Ｓ内に収容された領域が、ピストン３の軸方向の移動に伴い筒体２内のコンクリート５に摺動する摩擦面４をなす。
【００４９】
ピストン３のフランジ３１には、筒体２内のコンクリート５と係合するジベル孔６が形成され、そのジベル孔６によりピストン３が筒体２内に係止される。
【００５０】
具体的には、ジベル孔６内に充填されて固化したコンクリート５が、柱状のピン部５１を形成し、そのピン部５１とジベル孔６とが係合する。それらピン部５１とジベル孔６との係合により、ピストン３の軸方向の移動が規制される。
【００５１】
つまり、ピストン３のフランジ３１と筒体２内のコンクリート５とは、所謂孔あき鋼板ジベルと同様の構造を備え、互いに接合される。なお、詳しくは後述するが、本実施形態の摩擦ダンパー１は、ダンパーとしての機能を有する点で、孔あき鋼板ジベルと大きく異なる。
【００５２】
ジベル孔６は、軸方向に沿って間隔を隔てて複数（図例では、フランジ３１ごとに４つずつ）形成される。各ジベル孔６は、フランジ３１の摩擦面４に対して垂直に断面円形に形成される。
【００５３】
次に、本実施形態の減衰方法を説明する。
【００５４】
本実施形態の減衰方法は、第１部材１１１と第２部材１１２とが相対変位したときに、その相対変位を摩擦力により減衰させるものである。
【００５５】
その減衰方法では、まず、第１部材１１１に筒体２を取り付け、第２部材１１２にピストン３を取り付け、ピストン３を筒体２内に軸方向に移動可能に挿入し、筒体２を、いずれか一端側でピストン３が挿通可能なように両端側から閉塞し、筒体２内にコンクリート５を充填して固化させ、ピストン３に固化したコンクリート５（ピン部５１）に係合するジベル孔６を設けて摩擦ダンパー１を構成する。
【００５６】
次に、第１部材１１１と上記第２部材１１２とを相対変位させる力が所定の初動耐力に達したときに、ジベル孔６によりジベル孔６に係合するピン部５１を壊し粒状化させて体積膨張させ、該体積膨張に反発する筒体２により、コンクリート５（粒状化したピン部５１）を、ピストン３の摩擦面４（筒体２内の挿入部分）に押し付けて摩擦力を付与する。
【００５７】
以下、図１および図１２に基づき詳述する。
【００５８】
図１２に示すように、本実施形態の摩擦ダンパー１は、トラス橋１００の下弦材１０１に介設されており、通常時は、トラス橋１００にかかる荷重を直接受ける構造材（１次部材）として働き、地震などによる大きな荷重（初動耐力）がかかるときに、ダンパーとして働く。
【００５９】
すなわち、下弦材１０１に荷重（圧縮荷重または引張荷重）がかかると、その荷重は、摩擦ダンパー１に伝達され摩擦ダンパー１の筒体２とピストン３とを軸方向に移動（相対変位）させるように作用する。
【００６０】
通常時、例えばトラス橋１００の自重（死荷重）や車両の通行などによる活荷重などの設計許容範囲の荷重（許容荷重）がかかる場合には、その許容荷重によりピストン３と筒体２とが軸方向に相対移動しようとするが、ピストン３のジベル孔６と筒体２のピン部５１とが係合することから、その係合によりピストン３および筒体２の軸方向の移動が規制される。
【００６１】
このように通常時には、摩擦ダンパー１は他のトラス部材１０１−１０４などと同様に剛性を有する構造材として働く。
【００６２】
一方、地震などにより、摩擦ダンパー１に過度の引張荷重がかかると、ピン部５１が壊れて、そのピン部５１によるピストン３の拘束がなくなり、ピストン３が筒体２に対し軸方向外側に（図１において右側に）移動する。すなわち、ピストン３と筒体２とが相対移動する。
【００６３】
このピストン３が移動する際に、本実施形態では、ピストン３の摩擦面４にコンクリート５からの軸方向内側向きに（図１において左向きに）摩擦力が付与されピストン３の移動エネルギーが減衰される。
【００６４】
より具体的には、摩擦ダンパー１に設計許容範囲を超える引張荷重がかかると、その引張荷重が、ピストン３のジベル孔６を介して、ピン部５１をなすコンクリート５に剪断力として作用し、ピン部５１のコンクリート５が砕け壊れる。
【００６５】
ピン部５１のコンクリート５が砕け壊れると、そのコンクリート５のダイレイタンシーがピストン３のジベル孔６近傍にて生じ、ピン部５１およびジベル孔６近傍のコンクリート５が粒状化し、ジベル孔６近傍におけるコンクリート５の体積が膨張する。
【００６６】
その体積膨張による膨張力が、筒体２に対して筒体２を径方向外側に拡径するように作用する。その膨張力を受けた筒体２は、自身の剛性（弾性）により膨張力に反発して、コンクリート５を径方向内側に押圧し、そのコンクリート５を介してピストン３を締め付ける。
【００６７】
この締め付けにより、ジベル孔６近傍のコンクリート５がピストン３の摩擦面４に押し付けられる。また、粒状化したコンクリート５は、筒体２により径方向外側への膨張が規制されるため、ピストン３の摩擦面４に押し付けられる。
【００６８】
これより、ピストン３の摩擦面４が筒体２内のコンクリート５と摺動する際に、摩擦面４の摩擦抵抗が増大して強い摩擦力が発生し、相対移動のエネルギーが吸収される。
【００６９】
ここで、上述したように本実施形態の摩擦ダンパー１は、ピン部５１が壊れるほどの大きな引張荷重がかかることで、ダンパーとして機能する。この摩擦ダンパー１が、ダンパーとして機能し始める荷重を初動耐力という。
【００７０】
すなわち、ピン部５１は、摩擦ダンパー１にかかる荷重が初動耐力以下のときに、ピストン３のジベル孔６に係合してピストン３を係止し、荷重が初動耐力に達し超えたときに、破壊されてピストン３の係止を解除する。
【００７１】
初動耐力は、摩擦ダンパー１に設けられたピン部５１の合計強度により決まり、例えば、ピン部５１（ジベル孔６）の数や大きさ（径）、コンクリート５の材質や結合強度などにより設定される。初動耐力は、ジベル孔６の数が多いほど、また径が大きいほど、大きな値に設定される。
【００７２】
また、摩擦ダンパー１の摩擦力は、ピストン３の形状（摩擦面４の面積）やジベル孔６の数などにより設定される。摩擦力は、摩擦面４の面積が広いほど、ジベル孔６の数が多いほど大きな値に設定される。なお、ピストン３の形状が同一の場合、ジベル孔６が多いほど摩擦面４の面積は小さくなるが、コンクリート５が体積膨張する箇所も増えるので、結果として摩擦力は大きくなる。
【００７３】
次に、図８に基づき本実施形態の摩擦ダンパー１の特性について説明する。
【００７４】
図８は、摩擦ダンパー１の荷重−伸び曲線図であり、縦軸が荷重（引張荷重）、横軸が伸びである。図８において符号Ｐ０は、初動耐力を示す。
【００７５】
図８に示すように、荷重Ｐが初動耐力Ｐ０以下のときには、荷重Ｐと伸びδとが比例関係にあり、この領域では摩擦ダンパー１は弾性的な挙動を示す。
【００７６】
一方、荷重Ｐが、初動耐力Ｐ０に達すると、荷重Ｐが初動耐力Ｐ０で一定となり伸びδのみが増加する。この領域では摩擦ダンパー１はダンパーとしての挙動を示す。
【００７７】
以上のように本実施形態の摩擦ダンパー１は、筒体２と摩擦面４を有するピストン３とコンクリート５とで主に構成されるので、構造が単純であり、安価に製造することができる。
【００７８】
さらに、本実施形態では、筒体２を鋼管から形成し、ピストン３を孔あき鋼板から形成し、充填材にコンクリート５を用いたので一般的な材料で製造することができ、これによっても、摩擦ダンパー１を安価に製造することができる。
【００７９】
また、筒体２とピストン３とを、コンクリート５と孔あき鋼板とによる所謂孔あき鋼板ジベル構造で接合したので、摩擦ダンパー１の初動耐力を大きく設定することができる。
【００８０】
その初動耐力が、ピストン３のジベル孔６の数や大きさにより設定できるので、初動耐力の設定を容易に行うことができる。
【００８１】
［第２の実施形態］
次に、図９に基づき第２の実施形態を説明する。本実施形態は、上述の第１の実施形態とは、筒体２内に締固められた粒状体が充填される点で異なり、その他は実質的に同じである。したがって、上述の第１の実施形態と同一の要素については、図中同一符号を付すに止め、詳細な説明は省略する。
【００８２】
本実施形態の摩擦ダンパー１は、初動耐力がほぼ０であり、例えば、構造物を支持する１次部材に付帯的に設けられ、その１次部材が設計許容範囲を超えて変形したときにその変形を抑制する２次部材として用いられる。
【００８３】
図９に示すように、摩擦ダンパー１は、第１部材１１１に取り付けられた筒体２と、第２部材１１２に取り付けられ、筒体２内に軸方向に移動可能に挿入されたピストン３と、筒体２を一端側から閉塞すると共にピストン３が挿通する挿通孔２２１が形成されたスリットダイヤフラム２２と、筒体２を他端側から閉塞する端部拘束ダイヤフラム２１と、筒体２内における端部拘束ダイヤフラム２１とスリットダイヤフラム２２との間に充填され締固められた粒状体８と、ピストン３に設けられて締固められた粒状体８に係合し、かつ第１部材１１１と上記第２部材１１２との相対変位により係合する粒状体８を崩して体積膨張させるための係合部をなすジベル孔６と、ピストン３における筒体２内の挿入部分に形成され、体積膨張に反発する筒体２から上記粒状体８が押し付けられる摩擦面４とを備えたものである。
【００８４】
ここで、筒体２内に充填される粒状体８としては、例えば、砂や鉄球・ベアリングボールなどが考えられる。
【００８５】
また、粒状体８の締固めは、粒状体８間の間隙が最小となるように粒状体８を配置すればよく、様々なものが考えられる。例えば、粒状体８を締固める方法としては、粒状体８を筒体２内に充填した後に粒状体８を突き固めるものや、或いは、粒状体８の充填後に筒体２を振動させるものなどが考えられる。
【００８６】
本実施形態では、ジベル孔６内にて締固められた粒状体８がピン部８１を形成し、そのピン部８１とジベル孔６とが係合する。
【００８７】
次に、本実施形態の減衰方法を説明する。
【００８８】
本実施形態では、ピン部８１をなす粒状体８が互いに結合されていないことから、摩擦ダンパー１は初動耐力がほぼ０に設定される。
【００８９】
そのため、ピストン３と筒体２とに引張荷重がかかると、ピストン３は筒体２の軸方向に沿って筒体２から離間する方向に（軸方向外側に）移動する。
【００９０】
ピストン３が移動すると、ピストン３のジベル孔６によりピン部８１および周辺の粒状体８が崩れ、そのジベル孔６周辺にてダイレイタンシーが生じて、ピン部８１および周辺の粒状体８が体積膨張する。
【００９１】
つまり、粒状体８の配置が、締固めた状態から乱れることで、粒状体８間の間隙が締固めた状態に比べて大きくなり、粒状体８の全体の体積が膨張する。
【００９２】
その体積膨張による膨張力が、筒体２に対して筒体２を径方向外側に拡径するように作用する。膨張力を受けた筒体２は、自身の剛性（弾性）により体積膨張の膨張力に反発して、粒状体８を径方向内側に押圧し、その粒状体８を介してピストン３を締め付ける。
【００９３】
この締め付けにより、ジベル孔６近傍の粒状体８がピストン３の摩擦面４に押し付けられ、ピストン３と筒体２とが相対移動する際に、ピストン３の摩擦面４の摩擦抵抗が増大して強い摩擦力が付与され、相対移動のエネルギーが吸収される。
【００９４】
本実施形態でも、上述の第１の実施形態と同様に、単純な構造および安価な製造コストという効果が得られ、さらに、コンクリート５を使用しないことから第１の実施形態に比べてより安価に製造することができる。
【００９５】
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されず、様々な変形例や応用例が考えられるものである。
【００９６】
例えば、上述の実施形態では、ピストン３の係合部をジベル孔６としたが、これに限定されず、係合部は、ピストン３と筒体２とが相対移動したときに、充填材を壊して粒状化させる形状、あるいは締固めた粒状体を崩す形状であればよく、様々なものが可能である。係合部としては、例えば、図１０に示すように、ピストン３から突出する凸部６１（スタッドボルトなど）が考えられる。
【００９７】
また、ピストンは、断面十字状のものに限定されず、様々なものが可能である。例えば、図１１に示すように、ピストン３３を断面Ｈ字状に形成し、そのフランジ３３１およびウェブ３３２に係合部をなすジベル孔６を形成するようにしてもよい。また、ピストンを円筒状に形成し、その円筒面に係合部をなすジベル孔を形成することも考えられる。
【００９８】
充填材は、コンクリート５の他に、モルタル・エポキシ樹脂などが考えられる。
【００９９】
摩擦ダンパーをトラス橋に以外のものに使用してよく、例えば、ビルなど建築物に用いることも考えられる。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る摩擦ダンパーの概略断面図である。
【図２】図２は、本実施形態の筒体の概略断面図である。
【図３】図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】図４は、図２のＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図５】図５は、図２のＶ−Ｖ線断面図である。
【図６】図６は、本実施形態のピストンの概略側面図である。
【図７】図７は、図１のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。
【図８】図８は、本実施形態の摩擦ダンパーにおける荷重と伸びの関係を説明するための図である。
【図９】図９は、他の実施形態に係る摩擦ダンパーの概略断面図である。
【図１０】図１０は、本発明の変形例に係るピストンの断面図である。
【図１１】図１１は、本発明の他の変形例に係るピストンの断面図である。
【図１２】図１２は、本実施形態の摩擦ダンパーが適用される橋梁の概略側面図である。
【符号の説明】
【０１０１】
１ 摩擦ダンパー
２ 筒体
３ ピストン
４ 摩擦面
５ コンクリート（充填材）
６ ジベル孔（係合部）
２１ 端部拘束ダイヤフラム（拘束ダイヤフラム）
２２ スリットダイヤフラム
１１１ 第１部材
１１２ 第２部材
２２１ 挿通孔
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１部材と第２部材との間に設けられ、それら第１部材と第２部材とが相対変位したときに、その相対変位を減衰させるための摩擦ダンパーにおいて、
上記第１部材に取り付けられた筒体と、
上記第２部材に取り付けられ、上記筒体内に軸方向に移動可能に挿入されたピストンと、
上記筒体を一端側から閉塞すると共に上記ピストンが挿通する挿通孔が形成されたスリットダイヤフラムと、
上記筒体を他端側から閉塞する拘束ダイヤフラムと、
上記筒体内における上記拘束ダイヤフラムと上記スリットダイヤフラムとの間に充填され固化した充填材と、
上記ピストンに設けられて上記固化した充填材に係合し、かつ上記第１部材と上記第２部材とを相対変位させる力により上記係合する充填材を壊し粒状化させて体積膨張させるための係合部と、
上記ピストンにおける上記筒体内の挿入部分に設けられ、上記体積膨張に反発する上記筒体から上記充填材が押し付けられる摩擦面とを備えたことを特徴とする摩擦ダンパー。
【請求項２】
上記係合部が、上記ピストンに形成されたジベル孔からなり、該ジベル孔内に充填された上記充填材がピン部を形成し、それらピン部と上記ジベル孔とが係合する請求項１記載の摩擦ダンパー。
【請求項３】
上記充填材が、コンクリートである請求項１または２記載の摩擦ダンパー。
【請求項４】
第１部材と第２部材との間に設けられ、それら第１部材と第２部材とが相対変位したときに、その相対変位を減衰させるための摩擦ダンパーにおいて、
上記第１部材に取り付けられた筒体と、
上記第２部材に取り付けられ、上記筒体内に軸方向に移動可能に挿入されたピストンと、
上記筒体を一端側から閉塞すると共に上記ピストンが挿通する挿通孔が形成されたスリットダイヤフラムと、
上記筒体を他端側から閉塞する拘束ダイヤフラムと、
上記筒体内における上記拘束ダイヤフラムと上記スリットダイヤフラムとの間に充填され締固められた粒状体と、
上記ピストンに設けられて上記締固められた粒状体に係合し、かつ上記第１部材と上記第２部材との相対変位により上記係合する粒状体を崩して体積膨張させるための係合部と、
上記ピストンにおける上記筒体内の挿入部分に形成され、上記体積膨張に反発する上記筒体から上記粒状体が押し付けられる摩擦面とを備えたことを特徴とする摩擦ダンパー。
【請求項５】
上記係合部が、上記ピストンに形成されたジベル孔からなり、該ジベル孔内にて締固められた上記粒状体がピン部を形成し、それらピン部と上記ジベル孔とが係合する請求項４記載の摩擦ダンパー。
【請求項６】
上記筒体内に、上記拘束ダイヤフラムに近接させて、上記ピストンを上記軸方向に案内するガイドダイヤフラムが設けられた請求項１から５いずれかに記載の摩擦ダンパー。
【請求項７】
上記ピストンの上記係合部が、軸方向に沿って間隔を隔てて複数形成された請求項１から６いずれかに記載の摩擦ダンパー。
【請求項８】
上記ピストンは、断面十字状に形成され、互いに直交する４つのフランジを有し、上記係合部が、上記ピストンの各フランジに各々形成された請求項１から７いずれかに記載の摩擦ダンパー。
【請求項９】
第１部材と第２部材とが相対変位したときに、その相対変位を摩擦力により減衰させる方法において、
上記第１部材に筒体を取り付け、
上記第２部材にピストンを取り付け、該ピストンを上記筒体内に軸方向に移動可能に挿入し、
上記筒体を、いずれか一端側で上記ピストンが挿通可能なように両端側から閉塞し、該筒体内に充填材を充填して固化させ、
上記ピストンに上記固化した充填材に係合する係合部を設け、
上記第１部材と上記第２部材とを相対変位させる力が所定の初動耐力に達したときに、上記係合部により該係合部に係合する充填材を壊し粒状化させて体積膨張させ、該体積膨張に反発する上記筒体により、上記充填材を、上記ピストンにおける上記筒体内の挿入部分に押し付けて摩擦力を付与することを特徴とする減衰方法。
【請求項１０】
第１部材と第２部材との相対変位を摩擦力により減衰させる方法において、
上記第１部材に筒体を取り付け、
上記第２部材にピストンを取り付け、該ピストンを上記筒体内に軸方向に移動可能に挿入し、
上記筒体を、いずれか一端側で上記ピストンが挿通可能なように両端側から閉塞し、該筒体内に粒状体を充填して締固め、
上記ピストンに上記締固められた粒状体に係合する係合部を設け、
上記第１部材と上記第２部材とが相対変位したときに、上記係合部により該係合部に係合する粒状体を崩して体積膨張させ、該体積膨張に反発する上記筒体により、上記粒状体を、上記ピストンにおける上記筒体内の挿入部分に押し付けて摩擦力を付与することを特徴とする減衰方法。
【請求項１】
第１部材と第２部材との間に設けられ、それら第１部材と第２部材とが相対変位したときに、その相対変位を減衰させるための摩擦ダンパーにおいて、
上記第１部材に取り付けられた筒体と、
上記第２部材に取り付けられ、上記筒体内に軸方向に移動可能に挿入されたピストンと、
上記筒体を一端側から閉塞すると共に上記ピストンが挿通する挿通孔が形成されたスリットダイヤフラムと、
上記筒体を他端側から閉塞する拘束ダイヤフラムと、
上記筒体内における上記拘束ダイヤフラムと上記スリットダイヤフラムとの間に充填され固化した充填材と、
上記ピストンに設けられて上記固化した充填材に係合し、かつ上記第１部材と上記第２部材とを相対変位させる力により上記係合する充填材を壊し粒状化させて体積膨張させるための係合部と、
上記ピストンにおける上記筒体内の挿入部分に設けられ、上記体積膨張に反発する上記筒体から上記充填材が押し付けられる摩擦面とを備えたことを特徴とする摩擦ダンパー。
【請求項２】
上記係合部が、上記ピストンに形成されたジベル孔からなり、該ジベル孔内に充填された上記充填材がピン部を形成し、それらピン部と上記ジベル孔とが係合する請求項１記載の摩擦ダンパー。
【請求項３】
上記充填材が、コンクリートである請求項１または２記載の摩擦ダンパー。
【請求項４】
第１部材と第２部材との間に設けられ、それら第１部材と第２部材とが相対変位したときに、その相対変位を減衰させるための摩擦ダンパーにおいて、
上記第１部材に取り付けられた筒体と、
上記第２部材に取り付けられ、上記筒体内に軸方向に移動可能に挿入されたピストンと、
上記筒体を一端側から閉塞すると共に上記ピストンが挿通する挿通孔が形成されたスリットダイヤフラムと、
上記筒体を他端側から閉塞する拘束ダイヤフラムと、
上記筒体内における上記拘束ダイヤフラムと上記スリットダイヤフラムとの間に充填され締固められた粒状体と、
上記ピストンに設けられて上記締固められた粒状体に係合し、かつ上記第１部材と上記第２部材との相対変位により上記係合する粒状体を崩して体積膨張させるための係合部と、
上記ピストンにおける上記筒体内の挿入部分に形成され、上記体積膨張に反発する上記筒体から上記粒状体が押し付けられる摩擦面とを備えたことを特徴とする摩擦ダンパー。
【請求項５】
上記係合部が、上記ピストンに形成されたジベル孔からなり、該ジベル孔内にて締固められた上記粒状体がピン部を形成し、それらピン部と上記ジベル孔とが係合する請求項４記載の摩擦ダンパー。
【請求項６】
上記筒体内に、上記拘束ダイヤフラムに近接させて、上記ピストンを上記軸方向に案内するガイドダイヤフラムが設けられた請求項１から５いずれかに記載の摩擦ダンパー。
【請求項７】
上記ピストンの上記係合部が、軸方向に沿って間隔を隔てて複数形成された請求項１から６いずれかに記載の摩擦ダンパー。
【請求項８】
上記ピストンは、断面十字状に形成され、互いに直交する４つのフランジを有し、上記係合部が、上記ピストンの各フランジに各々形成された請求項１から７いずれかに記載の摩擦ダンパー。
【請求項９】
第１部材と第２部材とが相対変位したときに、その相対変位を摩擦力により減衰させる方法において、
上記第１部材に筒体を取り付け、
上記第２部材にピストンを取り付け、該ピストンを上記筒体内に軸方向に移動可能に挿入し、
上記筒体を、いずれか一端側で上記ピストンが挿通可能なように両端側から閉塞し、該筒体内に充填材を充填して固化させ、
上記ピストンに上記固化した充填材に係合する係合部を設け、
上記第１部材と上記第２部材とを相対変位させる力が所定の初動耐力に達したときに、上記係合部により該係合部に係合する充填材を壊し粒状化させて体積膨張させ、該体積膨張に反発する上記筒体により、上記充填材を、上記ピストンにおける上記筒体内の挿入部分に押し付けて摩擦力を付与することを特徴とする減衰方法。
【請求項１０】
第１部材と第２部材との相対変位を摩擦力により減衰させる方法において、
上記第１部材に筒体を取り付け、
上記第２部材にピストンを取り付け、該ピストンを上記筒体内に軸方向に移動可能に挿入し、
上記筒体を、いずれか一端側で上記ピストンが挿通可能なように両端側から閉塞し、該筒体内に粒状体を充填して締固め、
上記ピストンに上記締固められた粒状体に係合する係合部を設け、
上記第１部材と上記第２部材とが相対変位したときに、上記係合部により該係合部に係合する粒状体を崩して体積膨張させ、該体積膨張に反発する上記筒体により、上記粒状体を、上記ピストンにおける上記筒体内の挿入部分に押し付けて摩擦力を付与することを特徴とする減衰方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００９−１８０３３１（Ｐ２００９−１８０３３１Ａ）
【公開日】平成２１年８月１３日（２００９．８．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２１１６８（Ｐ２００８−２１１６８）
【出願日】平成２０年１月３１日（２００８．１．３１）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年８月１３日（２００９．８．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月３１日（２００８．１．３１）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
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