JP2006002559A - 免震構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 平常時に生じる微振動に対しても要求される振動許容値を超える虞が無く、よって安定的な操業を確保することができるとともに、地震時には、免震効果を発揮して大きな被害が発生することを未然に防止することができ、よって半導体製造工場等の嫌振機器が配置された構造物を効果的に免震化することが可能となる免震構造を提供する。
【解決手段】 微振動を嫌う機器類が配置された構造物１とその基礎３との間に、構造物１に伝達される微振動が機器類の嫌振程度に起因する振動許容値よりも小さくなるような鉛直方向および水平方向の剛性を有する剛すべり支承による免震装置４を配置したことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、特に半導体製造工場等の多数の嫌振機器が配置された構造物を免震化する際に用いて好適な免震構造に関するものである。

従来より、各種の構造物において、その基礎部分に免震装置を介装することにより、地震等によって地盤から構造物に伝播しようとする振動を減衰させて、構造物の躯体に生じる応力や変形を少なくする基礎免震構造が採用されている。

下記特許文献１は、従来のこの種の免震構造を示すもので、基礎とその上方に位置する建物との間に、当該建物を弾性支持しつつ、基礎との間の水平方向への相対移動に所定の弾発力をもって復元力を与える積層ゴムを用いた免震装置と、これら基礎と建物との間に鉛直方向に設けられて減衰力の発生主軸が軸方向となる鉛直ダンパと、上記基礎と建物との間に水平方向に設けられて減衰主軸が水平方向となる水平ダンパとを設けたものである。

上記構成からなる免震構造によれば、積層ゴムを用いた免震装置によって、建物の固有周期を長周期化させることにより、地震等の振動外力を基礎に対して効果的に遮断することができる。また、鉛直ダンパによって、積層ゴムの圧縮変形による建物の上下振動を減衰させることができ、かつ水平ダンパによって建物と基礎との間に生じる水平方向の相対変位を減衰させることができる。
特開平１１−３６６５７号公報

ところで、上記構造物のうちには、半導体製造工場や精密機械工場などのように、振動を極端に嫌う多数の生産装置が設置されているものがある。
このような構造物にあっては、地震により上記生産装置が損傷したり、操業がストップしたりすると、当該生産装置が高価であり、かつ付加価値の高い製品を生産していることから、多大な損害が発生する。

そこで、上記半導体製造工場等の構造物に対しても、上述した積層ゴムを用いた免震装置等によって免震化を図ることが考えられるが、上記積層ゴムによる免震装置は、もともと地震時に発生する水平方向の相対変位を上記ゴムの弾性によって吸収し、構造物の固有周期を長周期化させることにより地震力の影響を低減化させるものであることから、その剛性が低いほど、地盤に対する建物の固有周期を長周期化することができるものである。

一方、上記構造物とその基礎との間に上述したような積層ゴムによる免震装置を介装すると、上記免震装置の水平剛性が低いため、平常時に発生する微細な振動により水平方向の変位が上記免震装置によって増幅されてしまうことになる。
ところが、この種の構造物においては、微細加工を行う生産機器類等が床の微細な振動でも生産に支障を来すことから、床の振動許容値が厳しく制限されており、よって上記半導体製造工場等の構造物に対しては、上述したような免震構造を採用することができないという問題点があった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされてもので、平常時に生じる微振動に対しても要求される振動許容値を超えることが無く、安定的な操業を確保することができるとともに、地震時には、免震効果を発揮して構造物に大きな被害が発生することを未然に防止することができ、よって半導体製造工場等の嫌振機器が配置された構造物を効果的に免震化することが可能となる免震構造を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、微振動を嫌う機器類が配置された構造物とその基礎との間に、上記構造物に伝達される微振動が上記機器類の嫌振程度に起因する振動許容値よりも小さくなるような鉛直方向および水平方向の剛性を有する剛すべり支承による免震装置を配置したことを特徴とするものである。ここで、伝達される微振動とは、基礎側から免震装置を介して上記構造物に伝達される微振動、および構造物内部で空調機器等により発生する微振動をいう。

なお、上記免震装置の微振動時における剛性（Ｋ₁）が既知でない場合には、床上に当該免震装置を介して質量（Ｍ₁）の重りを支承し、上記床上および重り上に設置した加速度センサー等によって、これら床および重りの常時微振動を測定し、両者の比から固有振動数（ｆ₁）を求めることにより、下式を用いて上記剛性（Ｋ₁）を求めることができる。
Ｋ₁＝（２πｆ₁）²Ｍ₁

ここで、請求項２に記載の発明は、上記振動許容値が１．０μｍ以下であり、かつ上記免震装置によって構成される免震層の水平方向固有振動数を３Ｈｚ以上としたことを特徴とするものであり、さらに請求項３に記載の発明は、上記振動許容値が０．５μｍ以下であり、かつ上記免震装置によって構成される免震層の水平方向固有振動数を４Ｈｚ以上としたことを特徴とするものである。

上記請求項２または３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、剛すべり支承による免震装置等を配置することによって構成された免震層の、平常時における水平方向固有振動数と構造物の変位応答との関係に着目して、構造物の共振現象による変位応答を小さく抑えることにより、上記振動許容値を満足させようとするものである。

すなわち、免震層の固有振動数ｆ₀（Ｈｚ）は、ｆ₀＝１／（２π）×（Ｋ₀・ｇ／Ｍ₀）^1/2で表される。ここで、Ｋ₀は、免震層の平常時における剛性（ｔｆ／ｃｍ）であり、Ｍ₀は構造物の質量（ｔ）、ｇは重力加速度（９８０ｃｍ／ｓ²）である。
そして、免震層の減衰定数をｈ、免震層下の加速度をＡ₁（ｇａｌ）、免震層上部の加速度をＡ₂（ｇａｌ）、免震層上部の変位をＤ₂（μｍ）とすると、構造物における共振点での加速度応答は下式で算定することができる。

上記（１）式によって得られる構造物の共振点での加速度応答は、免震層の固有振動数に関わらず一定となり、これを下記（２）式により変位応答に換算すると、構造物の共振点での応答変位は振動数の２乗に反比例する。

したがって、免震層の水平方向固有振動数を一定値以上に設定すれば、構造物の共振点での応答変位を抑制することができ、この結果構造物において要求される振動許容値以下とすることができる。

そこで次に、請求項２に記載の発明において、上記振動許容値が１．０μｍ以下である場合に上記免震層の水平方向固有振動数を３Ｈｚ以上とし、請求項３に記載の発明において、上記振動許容値が０．５μｍ以下である場合に上記免震層の水平方向固有振動数を４Ｈｚ以上としたことの限定理由を説明する。

過去の振動調査結果の蓄積データから、免震層下部の一般的な地盤の加速度Ａ₁を０．００２ｇａｌに、また免震層の減衰定数ｈを５％にそれぞれ設定した。
次いで、これらの値により、上記（１）式から免震層上部の加速度Ａ₂を求め、さらに得られた加速度Ａ₂と上記（２）とから、免震層の水平方向固有振動数ｆ₀（Ｈｚ）と免震層上部（構造物）の変位Ｄ₂（μｍ）との関係を求めた結果、図８に示すグラフが得られた。

図８に見られるように、免震層の水平方向固有振動数ｆ₀をそれぞれ３．０Ｈｚ以上、４．０Ｈｚ以上とすれば、構造物における振動許容値がそれぞれ１．０μｍ、０．５μｍである場合に、上記微振動に起因する応答変位が十分に上記振動許容値以下になることから、上記数値範囲に限定した。
なお、上記免震層の水平方向固有振動数ｆ₀は、主として構造物の重量に対して剛すべり支承による免震装置の台数と、その面積を適宜値に設定することにより、上述した値以上にすることができる。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、上記剛すべり支承による免震装置の摩擦係数が０．０２以下であるとともに、上記構造物と上記基礎との間に、水平方向の相対移動を減衰させる減衰装置を設けたことを特徴とするものである。

さらに、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の剛すべり支承による免震装置における互いのすべり面が、それぞれポリテトラフルオロエチレンによって構成されていることを特徴とするものである。

一般に、図７に示すように、免震装置は、その剛性が高くなると伝達する振動の振幅が小さくなり、逆に剛性が低くなると伝達する振動の振幅が大きくなる。
そこで、請求項１〜５のいずれかに記載の発明によれば、構造物と基礎との間に、当該構造物に伝達される微振動が嫌振機器類に起因する振動許容値よりも小さくなるような鉛直方向および水平方向の剛性を有する剛すべり支承による免震装置を配置しているので、平常時においては、基礎側から上記免震装置を介して構造物に伝達される微振動や構造物内部で発生する微振動を、上記振動許容値以下に保持することができる。

この結果、平常時に生じる微振動に対して、免震装置が弊害となることが無く、安定的な操業を確保することができる。
他方、地震時には、上記剛すべり支承による免震装置にすべりが生じて免震効果を発揮することにより、例えば上記機器類の転倒や、あるいは構造物の損傷等を防いで、当該構造物に大きな被害が発生することを未然に防止することができる。

さらに、請求項２または３に記載の発明によれば、構造物における上記振動許容値が１．０μｍ以下あるいは０．５μｍ以下である場合に、上記剛すべり支承による免震装置の台数やその面積を選択して、それぞれ免震層の水平方向固有振動数を３Ｈｚ以上あるいは４以上とすることにより、構造物の共振現象による変位応答を小さく抑えて、確実に上記振動許容値以下にすることができる。

ところで、一般の構造物における免震構造においては、弾性すべり支承による免震装置が多用されている。これは、図９の上段のグラフにおいて点線で示すように、地震時に作用する水平力に対して、すべりが生じる前に先ず弾性体が弾性変形することにより、免震層におけるすべり発生時の急激な剛性変化を和らげて、構造物に作用する加速度を低減させるためである。

これに対して、請求項１〜３に記載の発明のように、すべり支承による免震装置として、剛すべり支承による免震装置のみで免震層を構成した場合には、同図に実線で示すように、初期剛性が非常に大きくなり、すべりが発生する時の急激な剛性の変化により、構造物に生じる加速度応答が大きくなり過ぎる虞がある。

この点、請求項４に記載の発明によれば、一般的なすべり支承による免震装置で使用されているステンレス板とポリテトラフルオロエチレン板とによるすべり面の摩擦係数が約０．１であるのに対して、当該すべり面における摩擦係数を０．０２以下にしているので、図９の下段のグラフに示すように、地震時に作用する小さな水平力によってすべりを生じる結果、上記免震装置上の構造物への入力そのものを小さくすることができ、よって構造物に生じる加速度応答を低減化することができる。加えて、上記構造物と基礎との間に、水平方向の相対移動を減衰させる減衰装置を設けているので、早期にすべりを生じた場合においても、その相対変位を小さくすることができる。

この結果、剛すべり支承を用いることによって得られる平常時の高い剛性と、地震時における小さな剛性とを両立させることができるために、平常時の微振動時に対する構造物の変形を確実にその振動許容値以下にすることができるとともに、併せて地震時における当該構造物の加速度応答も小さく抑えることが可能になる。

特に、請求項５に記載の発明のように、上記剛すべり支承による免震装置における互いのすべり面を、それぞれポリテトラフルオロエチレンによって構成すれば、汎用の材料によって上記すべり面における摩擦係数を約０．０１３程度の低摩擦にすることができて好適である。

図１〜図９は、本発明に係る免震構造を半導体製造工場の免震構造に適用した一実施形態を示すもので、図中符号１が半導体製造工場（構造物）である。
この工場１は、建屋１ａの内部に設けられた支持躯体２ｂ上に、半導体製造用の微振動を極端に嫌う各種の機器類が配置され、支持躯体２ａ上には補機が配設されている。また、当該建屋１ａに隣接する建屋１ｂ内の支持躯体２ｄ上に、比較的振動許容値の大きな機器類が配設され、支持躯体２ｃ上には原動機等の補機類が配設されている。

これにより、工場１は、振動許容値の小さい上記支持躯体２ａ、２ｂによって画成される嫌振エリアＡ₁と、これよりも振動許容値が大きな支持躯体２ｃ、２ｄによって画成される他のエリアＡ₂とに区分されている。
そして、上記嫌振エリアＡ₁における支持躯体２ａと基礎３との間に、剛すべり支承による免震装置４が介装されている。

この剛すべり支承による免震装置４は、図２に示すように、基礎３上にポリテトラフルオロエチレン（＝テフロン；登録商標）コーティング板からなるすべり板５が固定され、他方支持躯体２ａの下面にベースポット６が固定されるとともに、このベースポット６の下面凹部に、基礎３の回転角を吸収する内部ゴム７を介して、下面のすべり面８ａにポリテトラフルオロエチレン加工が施された鋼板からなるベース８が嵌合されることによって構成されたものである。

この免震装置４は、すべり板５およびすべり面８ａに共にポリテトラフルオロエチレンを使用している結果、摩擦係数が約０．０１３と低摩擦に設定されており、この結果地震時にすべり板５とすべり面８ａとの間の上記摩擦力よりも大きな水平力が作用した際に、これらすべり板５とベース８との間にすべりが生じることにより、基礎３から支持躯体２ａに伝達する振動を緩和するものである。

したがって、図３および図９に示すように、両者間にすべりが生じない微振動に対しては、鉛直方向および水平方向ともに、極めて大きな剛性を示すものであり、各構成部材の諸元は、平常時の微振動に対して、支持躯体２ａに伝達される振動が、嫌振エリアＡ₁における振動許容値以下になるように設計されている。

加えて、上記免震装置４の設置台数やその支承面積（＝すべり面８ａの面積）は、工場１における上記振動許容値が１．０μｍ以下である場合には、当該免震装置４等によって構成される免震層の水平方向固有振動数が３Ｈｚ以上となるように、また上記振動許容値が０．５μｍ以下である場合には、４Ｈｚ以上となるように設定されている。

また、その他のエリアＡ₂においては、支持躯体２ｃと基礎３との間に、鉛プラグ入り積層ゴム支承による免震装置１０が介装されている。
この免震装置１０は、図４に示すように、ゴム１１と鋼板１２とを交互に積層状に一体化するとともに中心部に形成した穴に鉛プラグ１３を詰め込んだものである。

上記免震装置１０においては、ゴム１１と鋼板１２とからなる積層ゴム支承による免震装置と比較して、鉛プラグ１３が充分に塑性化するまでは、極めて高い剛性を発現する。このため、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、鉛直方向に対して高い剛性を有するとともに、水平方向についても、上記鉛プラグ１３が大きな抵抗になるとともに、積層ゴムも歪依存性があるために、微振動に対しては高い剛性を得ることができる。

そして、この免震装置１０においても、各構成部材の諸元は、平常時の微振動に対して、支持躯体２ｃに伝達される振動が、嫌振エリアＡ₂における振動許容値以下になるように設計されている。なお、この免震装置１０においては、地震時に鉛プラグ１３が塑性変形し、ゴム１１が水平方向に柔らかく変形することにより、振動エネルギーを吸収する。

そしてさらに、上記嫌振エリアＡ₁における支持躯体２ａと基礎３との間には、オイルの粘性によって水平方向の相対移動を減衰させるオイルダンパー（減衰装置）１５が介装されている。
このオイルダンパー１５は、図６に示すように、シリンダー１６の内部にピストン１７が移動自在に設けられるとともに、これらの間にオイルが充填されたもので、シリンダー１６の端部が基礎３側に固定され、ピストン１７の出力軸端が支持躯体２ａ側に固定されている。

また、振動許容値の小さい支持躯体２ａ、２ｂと、これよりも振動許容値の大きな２ｃ、２ｄとは、図１に示すように、下部の支持躯体２ａ、２ｃ部分は連続しているものの、互いの上部構造となる支持躯体２ｂ、２ｄは分離されている。

以上の構成からなる免震構造によれば、当該半導体製造工場１を、嫌振装置が配置されて振動許容値が極めて小さい嫌振エリアＡ₁と、これよりも振動許容値が大きなその他のエリアＡ₂とに区分し、各々のエリアＡ₁、Ａ₂に、伝達される微振動がエリアＡ₁、Ａ₂における上記振動許容値よりも小さくなるような鉛直方向および水平方向の剛性を有する免震装置４、１０を配置しているので、平常時においては、免震装置４、１０を介して支持躯体２ａ〜２ｄ側に伝達される微振動を、当該エリアＡ₁、Ａ₂における振動許容値以下に保持することができる。

また、特にエリアＡ₁においては、当該エリアＡ₁における振動許容値が１．０μｍ以下である場合に、免震装置４等によって構成される免震層の水平方向固有振動数が３Ｈｚ以上になるように、さらに上記振動許容値が０．５μｍ以下である場合に、上記水平方向固有振動数が４Ｈｚ以上となるように、免震装置４等の台数やその面積を選択しているので、工場１の共振現象に起因する変位応答を小さく抑えることができ、よって確実に平常時に発生する微振動に対して、上記振動許容値以下にすることができる。

この結果、平常時に発生する微振動が、免震装置４、１０によって増幅されて各々のエリアＡ₁、Ａ₂における上記振動許容値を超える等の弊害を生じることが無く、安定的な操業を確保することができる。
また、地震時には、これらのエリアＡ₁、Ａ₂に介装された剛すべり支承による免震装置４と、鉛プラグ入り積層ゴム支承による免震装置１０との協働により、支持躯体２ａ〜２ｄ等に生じる応力や変形を少なくして、工場１全体に対する高い免震効果を発揮することができる。

加えて、免震装置４のすべり板５およびすべり面８ａに、共に摩擦係数が約０．０１３と低摩擦のポリテトラフルオロエチレンを使用しているために、図９の下段のグラフに示すように、地震時に小さな水平力が作用した際にすべりを生じる結果、工場１への入力そのものを小さくすることができ、よって工場１に生じる加速度応答を低減化することができる。

加えて、工場１と基礎３との間に、水平方向の相対移動を減衰させるオイルダンパー１５を設けているので、早期にすべりを生じた場合においても、オイルダンパー１５が減衰効果を発揮することにより、基礎３から支持躯体２ａ〜２ｄを介して工場１全体に伝播しようとする振動を減衰させて、工場１全体の水平方向変位を小さくすることができる。

したがって、剛すべり支承を用いることによって得られる平常時の高い剛性と、地震時における小さな剛性とを両立させることができるために、平常時の微振動時に対する工場１の変位を確実にその振動許容値以下にすることができるとともに、併せて地震時における工場１の加速度応答も小さく抑えることができる。この結果、例えば支持躯体２ａ〜２ｄ上の機器類等が転倒したり、あるいは建屋１ａ、１ｂが大きな損傷を受けたりすることを未然に防止することができる。

この際に、剛すべり支承による免震装置４と鉛プラグ入り積層ゴム支承による免震装置１０とでは、微振動時の剛性が異なるために、支持躯体２ａ、２ｂと支持躯体２ｃ、２ｄとは異なった大きさの振動を呈するが、振幅差が大きくなる互いの上部構造２ｂ、２ｄが分離されているために、相互の干渉を防ぐことができる。

なお、上記実施の形態においては、本発明を、振動許容値が小さいことからこれまで免震化が難しかった半導体製造工場に適用した場合について説明したため、嫌振エリアＡ₁よりも振動許容値の大きい他のエリアＡ₂についても、比較的剛性の高い鉛プラグ入り積層ゴム支承による免震装置１０を介装したが、これに限るものではなく、上記建屋１ｂの支持躯体２ｃにおける振動許容値が充分に大きい値である場合等には、積層ゴム支承あるいは高減衰積層ゴム支承による免震装置や、弾性すべり支承による免震装置等の他の免震装置を介装することも可能である。

また、減衰装置としては、上述したオイルダンパー１５に代えて粘弾性ダンパーやスプリング等を用いることも可能である。さらに、構造物の変位が大きくならない場合や、すべり支承による免震装置におけるすべり係数を上げる等によって変形を抑えることができる場合には、上記オイルダンパー等の減衰装置を省略することも可能である。

また、上記免震装置４のすべり板５については、上述したポリテトラフルオロエチレンコーティング板に限定されるものではなく、加速度応答性能の見地から可能であれば、これに代えてステンレス板を用いてもよい。

（実施例）
重量Ｍが１０，０００ｔｏｎであって、かつ振動許容値が０．５μｍである構造物に対して、免震層の水平方向固有振動数を４Ｈｚ以上とするための免震装置の構成例を検討した。
先ず、水平方向の剛性が３００．０ｔｏｎｆ／ｃｍである剛すべり支承による免震装置を４０台設置するとともに、水平方向の剛性が１．０ｔｏｎｆ／ｃｍである積層ゴム支承による免震装置を２０台設置した。

この結果、免震層の水平方向の剛性Ｋは、
Ｋ＝（３００．０×４０）＋（１．０×２０）＝１２，０２０ｔｏｎｆ／ｃｍ
になる。
したがって、上記免震層における水平方向固有振動数ｆは、重力加速度ｇ＝９８０ｃｍ／ｓ²から、
ｆ＝１／（２π）×（Ｋ・ｇ／Ｍ）^1/2＝５．４Ｈｚとなり、上記４Ｈｚ以上とすることができる。

本発明の一実施形態を示す縦断面である。 図１の剛すべり支承による免震装置を示す縦断面図である。 図２の免震装置に作用する力と鉛直変形（ａ）および水平変形（ｂ）との関係を示すグラフである。 図１の鉛プラグ入り積層ゴム支承による免震装置を示す縦断面図である。 図４の免震装置に作用する力と鉛直変形（ａ）および水平変形（ｂ）との関係を示すグラフである。 図１のオイルダンパーの取付部分の拡大図である。 免震装置における剛性と微振動の大きさとの関係を示すグラフである。 免震層の水平方向固有振動数と免震層上の構造物の変位との関係を示すグラフである。 弾性すべり支承、剛すべり支承による免震装置に作用する力と水平変形との関係、およびオイルダンパー等の減衰装置に作用する力と水平速度との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 半導体製造工場（構造物）
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ 支持躯体
３ 基礎
４ 剛すべり支承による免震装置
５ すべり板
８ａ すべり面
１０ 鉛プラグ入り積層ゴム支承による免震装置
１１ ゴム
１２ 鋼板
１３ 鉛プラグ
１５ オイルダンパー（減衰装置）
Ａ₁ 嫌振エリア
Ａ₂ 他のエリア

Claims (5)

1. 微振動を嫌う機器類が配置された構造物とその基礎との間に、上記構造物に伝達される微振動が上記機器類の嫌振程度に起因する振動許容値よりも小さくなるような鉛直方向および水平方向の剛性を有する剛すべり支承による免震装置を配置したことを特徴とする免震構造。
2. 上記振動許容値が１．０μｍ以下であり、かつ上記免震装置によって構成される免震層の水平方向固有振動数を３Ｈｚ以上としたことを特徴とする請求項１に記載の免震構造。
3. 上記振動許容値が０．５μｍ以下であり、かつ上記免震装置によって構成される免震層の水平方向固有振動数を４Ｈｚ以上としたことを特徴とする請求項１に記載の免震構造。
4. 上記剛すべり支承による免震装置は、その摩擦係数が０．０２以下であるとともに、上記構造物と上記基礎との間に、水平方向の相対移動を減衰させる減衰装置を設けたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の免震構造。
5. 上記剛すべり支承による免震装置は、互いのすべり面が、それぞれポリテトラフルオロエチレンによって構成されていることを特徴とする請求項４に記載の免震構造。

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