(57)【要約】【課題】電算センターを対象とする有効適切な制震構造を実現する。【解決手段】電算室を設置するための基準階１の直下階に機械室を設置するための設備階２を設ける。設備階にその階高寸法に相当する成寸法の主トラス架構１０を設けるとともに、その側方に主トラス架構と独立に挙動する付加トラス架構２０を並設し、それら主トラス架構と付加トラス架構との間に制震機構を介装する。制震機構を回転慣性質量ダンパーと同調ばねにより構成し、その制震機構および付加トラス架構とにより構成される付加振動系の固有振動数を主振動系としての主トラス架構の上下方向の固有振動数に同調させる。【選択図】図１
2011157724.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電算センターを主用途とする建物に適用する制震構造であって、
電算室を設置するための基準階の直下階に関連諸設備を設置するための設備階を設け、
前記設備階に、当該設備階の床梁を下弦材とするとともにその直上階の基準階の床梁を上弦材としてそれら下弦材と上弦材どうしの間に束材および斜材を設けることによって、当該設備階の階高寸法に相当する成寸法の主トラス架構を設け、
前記主トラス架構の側方に該主トラス架構と独立に挙動する付加トラス架構を並設して、それら主トラス架構と付加トラス架構との間に制震機構を介装してなり、
前記制震機構を、地震時に前記主トラス架構と前記付加トラス架構との間で生じる上下方向の相対振動により作動する回転慣性質量ダンパーと、該回転慣性質量ダンパーに直列に接続された同調ばねとにより構成して、該制震機構および前記付加トラス架構とにより構成される付加振動系の固有振動数を、主振動系としての主トラス架構の上下方向の固有振動数に同調させてなることを特徴とする制震構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は建物の制震技術に関わり、特に高度の耐震性能が要求される電算センターを対象とする制震構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、電算センターは地震により高額な電算機が損傷を受けたり保有データが破損してしまうような被害を確実に防止する必要性から、巨大地震に対する高度の耐震性能が要求されるものである。
そのため、建物全体を積層ゴム等の免震装置で免震支持する免震構造が有効とされているが、従来一般の免震構造は地震時の水平動には対処し得るが上下動には充分に対処し得えないので、必ずしも万全とはいえない。
【０００３】
また、建物内に各種の制震ダンパーを設置する制震構造も有効と考えられ、たとえば特許文献１に示される振動低減機構によって上下動に対する制震効果を得ることが検討されている。これは、制震対象の梁に対して付加梁と回転慣性質量ダンパーとによる付加振動系を付加してチューンド・マス・ダンパー（ＴＭＤ：Tuned Mass damper）として機能させることにより、小質量の錘で制震対象の梁の上下動を制御するようにしたものであり、今後の普及が有望視されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１１５５５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に示される振動低減機構は一般的な形態の一般的な構造の建物に適用することを想定したものであり、そのような振動低減機構を電算センターのような特殊な建物にそのまま適用することは現実的ではない。
つまり、一般的な建物とはその機能や要求性能はもとより基本的な構造も大きく異なることが通常である電算センターに対して、特許文献１に示されるような振動低減機構を支障なく適用して有効に機能させるためには、電算センターとしての特殊性を考慮してその形態や基本的な構造形式も含めた総合的な計画と格別の設計手法の開発が不可欠である。
【０００６】
上記事情に鑑み、本発明は特許文献１に示されるような振動低減機構を電算センターに適用するための有効適切な制震構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は電算センターを主用途とする建物に適用する制震構造であって、電算室を設置するための基準階の直下階に関連諸設備を設置するための設備階を設け、前記設備階に、当該設備階の床梁を下弦材とするとともにその直上階の基準階の床梁を上弦材としてそれら下弦材と上弦材どうしの間に束材および斜材を設けることによって、当該設備階の階高寸法に相当する成寸法の主トラス架構を設け、前記主トラス架構の側方に該主トラス架構と独立に挙動する付加トラス架構を並設して、それら主トラス架構と付加トラス架構との間に制震機構を介装してなり、前記制震機構を、地震時に前記主トラス架構と前記付加トラス架構との間で生じる上下方向の相対振動により作動する回転慣性質量ダンパーと、該回転慣性質量ダンパーに直列に接続された同調ばねとにより構成して、該制震機構および前記付加トラス架構とにより構成される付加振動系の固有振動数を、主振動系としての主トラス架構の上下方向の固有振動数に同調させてなることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の制震構造によれば、電算室を設置する基準階の直下階に設備階を設定し、その設備階に階高に相当する高剛性の主トラス架構を構成するので、地震時における電算室の振動、特に上下振動を自ずと低減できるものであることに加えて、主トラス架構に対して付加トラス架構と制震機構によるＴＭＤとして機能する付加振動系を設けたので、巨大地震時における優れた制震効果が得られて主トラス架構の応答加速度および応答変位を充分に低減することができ、電算センターに要求される高度の耐震性能を確保することができる。
特に、制震機構を回転慣性質量ダンパーを利用してＴＭＤとして機能させるので、小質量の錘のみで大きな慣性質量が得られ、したがって従来一般のＴＭＤのように大きな付加質量を必要とせずに充分な制震効果が得られる。
また、回転慣性質量ダンパーによる制震機構をＴＭＤとして機能させるための同調は、制震対象の主トラス架構の鉛直剛性に応じて、回転慣性質量ダンパーにより得られる慣性質量と、付加トラス架構および同調ばねによる総合的な鉛直剛性を適正に設定することにより容易にかつ精度良く行うことが可能であるし、想定される地震動に応じて幅広い領域の振動数成分にも有効に対処することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の制震構造の実施形態を示すもので、建物全体の架構の概略構成を示す図である。
【図２】同、要部拡大図である。
【図３】同、架構の基本構成を説明するための図である。
【図４】同、解析のための振動モデルを示す図である。
【図５】同、主トラス架構の諸元を示す図である。
【図６】同、制震機構の諸元を示す図である。
【図７】同、解析結果を示す図である。
【図８】同、解析結果を示す図である。
【図９】同、解析結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の制震構造の実施形態を図１〜図３を参照して説明する。
図１は本実施形態の制震構造を適用した電算センターの架構の概略構成を示すものである。この電算センターは、電算室を設置するための基準階１（いわゆるＣＰＵフロア）の直下階に、その電算室に関連する機械室を設置するための設備階２を確保したことを基本としている。
すなわち、本実施形態の電算センターは、基本的には図３（ａ）に示すように通常の建物と同様に柱３間に各階の梁４を架設した多層建物であるが、電算室を設置するための基準階１の直下階にそれよりもやや階高の小さい設備階２を設定してそれら基準階１と設備階２にそれぞれ電算室と機械室を集約して上下に配置することにより、それらを機能的に一体化させるような計画とされている。
なお、以下の説明では、この建物の各階の梁４のうち、基準階１の床の位置に設けられるものを床梁４ａとし、設備階２の床に設けられるものを床梁４ｂという。
【００１１】
そして、この電算センター全体の構造躯体としての架構の形態は、この架構全体の耐震性能を充分に確保するべく、図１に示すように設備階２に主トラス架構１０と付加トラス架構２０を設置するとともに、それら主トラス架構１０と付加トラス架構２０との間に制震機構３０を介装することを主眼とする。
【００１２】
具体的には、図３（ｂ）に示すように、上記の設備階２には基準階の床梁４ａと設備階の床梁４ｂとの間に所定間隔で間柱１１が設けられているとともに要所にブレース１２が設けられていて、それらの全体で設備階２の階高寸法に相当する成寸法の主トラス架構１０が構成されている。
つまり、その主トラス架構１０は、基準階１の床梁４ａを上弦材とし、設備階の床梁４ｂを下弦材として、それらの間に束材としての間柱１１と、斜材としてのブレース１２を設けることで構成されたものであって、この主トラス架構１０はいわゆるメガ梁と称される大梁成の構造要素として機能してそれ自体で充分な剛性と耐震性能を有するものである。
なお、主トラス架構１０において上弦材および下弦材として機能する上下の床梁４ａ、４ｂとしては通常の鉄骨梁と同様にＨ形鋼を用いれば良いが、本実施形態では束材として機能する間柱１１としては鋼管が好適に採用可能であり、斜材として機能するブレース１２としては鋼棒ないし適宜断面の鋼材が好適に採用可能である。
また、本実施形態では設備階２の中央部に保守用の通路を確保するようにしていて、その通路の位置では間柱１１やブレース１２を省略してそこに開口を確保している。
さらに、図２に示すように、設備階２の床には通常のようにスラブ５を設ければ良いが、基準階１の床には設備階２との連絡のためにフリーアクセスフロアを設けると良い。
【００１３】
また、同じく上記の設備階２には、上記の主トラス架構１０の両側に、その主トラス架構１０とは構造的に絶縁されて独立に挙動する付加トラス架構２０が設けられている。
すなわち、図３（ｃ）に示すように、付加トラス架構２０は基準階１の床梁４ａのやや下方において柱１間に架設された上弦材２１と、上弦材２１の中間部から間隔をおいて垂設された２本の束材２３と、それら束材２３の間に架設された下弦材２２と、上弦材２１の両端と束材２３の下端との間に架設された斜材２４とにより構成されている。
この付加トラス架構２０における束材２３は、主トラス架構１０における束材（間柱１１）と同様に通路を避けてその両側の位置に設けられており、また束材２３の下端に架設された下弦材２２と設備階２のスラブ５との間には若干のクリアランスが確保されていて、下弦材２２は床面上に浮いた状態で設けられたものとなっている。
【００１４】
この付加トラス架構２０は、図２（ａ）に示すように上記の主トラス架構１０の両側にそれぞれ若干の間隔をおいて配置され、両側の付加トラス架構２０どうしは図２（ｂ）に示すように繋ぎ材２５により要所で連結されて構造的に一体化されているが、主トラス架構１０に対しては構造的に絶縁されていて地震時には主トラス架構１０に対して独立に挙動するものである。
なお、本実施形態では、付加トラス架構２０を構成している上弦材２１、束材２３、斜材２４、繋ぎ材２５としてはいずれも溝形鋼を用いているが、設備階２の中央部に保守用の通路を確保する関係上、図２に示すように通路を横断する位置に設けられる下弦材２２としては両側の付加トラス架構２０に兼用の平鋼が用いられ、それを跨ぐように渡り板６が設けられて通路での通行に支障をきたさないようにされている。
【００１５】
そして、図２および図３（ｂ）に示すように、主トラス架構１０の束材（間柱１１）の上端部には、通路に面してそれぞれ回転慣性質量ダンパー３１が下向きに設置され、各回転慣性質量ダンパー３１の両側に位置している付加トラス架構２０の上弦材２１の間には同調ばね３２としての板ばねが設けられて、その同調ばね３２に回転慣性質量ダンパー３１が接続されており、これら回転慣性質量ダンパー３１と同調ばね３２とによって本実施形態の制震機構３０が構成されている。
本実施形態における回転慣性質量ダンパー３１は、特許文献１に示されているもののように、ボールネジ機構を介して小質量の錘（フライホイール）を回転させることで大きな回転慣性質量を得る形式のものであり、回転慣性質量ダンパー３１を主トラス架構１０に対して固定してそのボールネジ機構を同調ばね３２を介して付加トラス架構２０に対して接続することによって、地震時に主トラス架構１０と付加トラス架構２０の間に生じる相対振動によってこの制震機構３０が作動するようになっている。
【００１６】
本実施形態の制震構造は、上記の制震機構３０および付加トラス架構２０とによって付加振動系を構成してその付加振動系を主振動系としての主トラス架構１０に対して付加するとともに、付加振動系の上下方向の固有振動数を主トラス架構１０の上下方向の固有振動数に同調させることによって、付加振動系の全体が主振動系に対してＴＭＤとして機能して優れた制震効果が得られるものである。
【００１７】
以上のように、本実施形態の制震構造によれば、電算室を設置するための基準階１の直下階に設備階２を設定し、その設備階２に階高に相当する高剛性の主トラス架構１０を構成するので、地震時における電算室の振動、特に上下振動を自ずと低減できるものであることに加えて、主トラス架構１０に対して付加トラス架構２０と制震機構３０によるＴＭＤとして機能する付加振動系を設けたので、巨大地震時においても優れた制震効果が得られて主トラス架構１０の応答加速度および応答変位を充分に低減することができ、電算センターに要求される高度の耐震性能を確保することができる。
特に、制震機構３０は回転慣性質量ダンパー３１を利用してＴＭＤとして機能させるので、小質量の錘のみで大きな慣性質量が得られ、したがって従来一般のＴＭＤのように大きな付加質量を必要とせずに充分な制震効果が得られる。
また、回転慣性質量ダンパー３１による制震機構３０をＴＭＤとして機能させるための同調は、主トラス架構１０の鉛直剛性に応じて、回転慣性質量ダンパー３１により得られる慣性質量と、付加トラス架構２０および同調ばね３２による総合的な鉛直剛性を適正に設定することにより容易にかつ精度良く行うことが可能であるし、想定される地震動に応じて幅広い領域の振動数成分にも有効に対処することができる。
【００１８】
以下、本発明の制震構造の効果を時刻歴応答解析により例証する。
本発明の制震構造を図４に示すようにモデル化し、主トラス架構１０の上弦材に等分布荷重261kN/mが作用する場合を想定する。
主トラス架構１０の諸元として図５に示すＡタイプとＢタイプを設定する。ＡタイプはＩ＝7825500cm4、一次固有振動数6.217Hzとし、ＢタイプはI＝5391000cm4、一次固有振動数5.16Hzとした（その他の諸元は図５参照）。
なお、基準階１および設備階２の床荷重はそれぞれ12kN/m2、16kN/m2とし、その場合における主トラス架構１０の中央部の常時撓みは8mm程度である。
【００１９】
制震機構３０の諸元は、図６に示すようにＡタイプ、Ｂタイプのいずれにおいても回転慣性質量9320kgとし、付加トラス架構２０の鉛直剛性（トラスばね）を１個所あたり3.44×107N/mに固定したうえで、同調ばね３２としての板ばねの板厚と形状寸法を調節することによりその鉛直剛性をＡタイプでは4.02×107N/m、Ｂタイプでは2.03×107N/mとして、それぞれの場合の一次固有振動数に同調させた。減衰係数はＡタイプで1.82×105N/m/sとし、Ｂタイプで1.52×105N/m/sとした。
【００２０】
上記のモデルに対して、上下地震動による地震応答解析を行う。構造減衰は一次固有周期に対して2％の初期剛性比例型とした。刻み時間は0.0025秒とした。
入力地震動は、El Centro UD（水平動に対して50kineに基準化した倍率を掛ける）、Taft UD（同）、告示波UD（位相は1995年JMA神戸UDを用いる）とした。
【００２１】
最大応答加速度および最大応答変位についての応答解析結果を図７および図８に示す。また、Ａタイプの場合について、El Centro UDを入力地震動とした場合の加速度および変位の応答波形を図９に示す。
これらの結果から、本発明の制震構造によれば非制震の場合に対して加速度、変位ともに充分な応答低減効果が得られることが分かる。
【００２２】
以上で本発明の実施形態を説明したが、上記実施形態はあくまで好適な一例であって本発明は上記実施形態に限定されるものでは勿論なく、設備階２に設置した主トラス架構１０と付加トラス架構２０との間に回転慣性質量ダンパー３１を利用した制震機構３０を介装してＴＭＤとして機能させるという本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば、たとえば以下に列挙するような適宜の設計的変更や応用が可能である。
【００２３】
主トラス架構１０や付加トラス架構２０の具体的な構成は任意であって、電算センター全体の規模や形態、平面計画、その他の諸条件に応じて最適設計すれば良い。
特に、上記実施形態では設備階２の中央部に通路を設ける関係上、主トラス架構１０および付加トラス架構２０はいずれも通路の位置を遮断しないような形態とし、また付加トラス架構２０の下弦材２２は平鋼により構成するようにしたが、そのような必要がなければ、主トラス架構１０における束材（間柱１１）や斜材（ブレース１２）の位置はもとより、付加トラス架構２０の全体の形態も任意である。
但し、設備階２には多数のダクト類やケーブル類が縦横に設置されるから、主トラス架構１０および付加トラス架構２０によって機械室が分断されることは好ましくなく、主トラス架構１０および付加トラス架構２０の双方にダクト類やケーブル類を通すための充分なスペースを確保すべきである。この点に関し、仮に主トラス架構１０および付加トラス架構２０として充腹の大断面の梁を設けた場合にはそれらに大径の梁貫通孔を多数設ける必要もあるが、本発明ではいずれもメガ梁の形態のトラス架構としているのでそのような貫通孔を考慮する必要はなく、極めて合理的である。
また、上記実施形態では主トラス架構１０の両側に付加トラス架構２０を設置するようにしたので自ずと良好なバランスが得られるが、必ずしもそうすることはなく、側方バランスを確保するうえで支障がなければ単一の付加トラス架構２０を主トラス架構１０の片側に並設することでも良い。
【００２４】
制震機構３０を構成する回転慣性質量ダンパー３１は上記実施形態のようにボールネジ機構により小質量の錘を回転させる形式のものが好適であり、その場合には上記実施形態のように同調ばね３２としての板ばねをボールネジ機構に接続することが現実的ではあるが、本発明における制震機構３０は慣性質量効果を利用して所望の付加質量が得られてＴＭＤとして機能するものであれば良く、その限りにおいて制震機構３０の具体的な構成は限定されることなく任意である。
勿論、制震機構３０の容量や設置位置、設置数は、主トラス架構１０や付加トラス架構２０の形態も考慮して所望の制震効果が得られるように最適設計すれば良い。たとえば、上記実施形態では、２組の制震機構３０を主トラス架構１０の上弦材（基準階１の床梁４ａ）の直下において通路の両側において設置したが、制震機構３０の設置数は必要に応じて適宜増減すれば良いし、その設置位置も任意であってたとえば設備階２の床面付近に設置することも考えられ、その場合には主トラス架構１０の束材（間柱１１）の下端部や下弦材（設備階２の床梁４ｂ）と、付加トラス架構２０の下弦材２２や束材２３もしくは斜材２４との間に制震機構３０を介装すれば良い。
さらに、主トラス架構１０と付加トラス架構２０との間への制震機構の設置の形態も任意であり、たとえば上記実施形態とは逆に、回転慣性質量ダンパー３１を付加トラス架構２０に対して固定し、同調ばね３２を主トラス架構１０に対して接続することでも同様に機能する。
【符号の説明】
【００２５】
１  基準階
２  設備階
３  柱
４  梁
４ａ  基準階の床梁（主トラス架構の上弦材）
４ｂ  設備階の床梁（主トラス架構の下弦材）
５  スラブ
６  渡り板
１０  主トラス架構
１１  間柱（束材）
１２  ブレース（斜材）
２０  付加トラス架構
２１  上弦材
２２  下弦材
２３  束材
２４  斜材
２５  繋ぎ材
３０  制震機構
３１  回転慣性質量ダンパー
３２  同調ばね
【図１】
2011157724.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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