JP2012007307A

JP2012007307A - トラス梁の構造

Info

Publication number: JP2012007307A
Application number: JP2010141839A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Hanzawa; 徹也半澤; Kazuhiko Isoda; 和彦磯田; Mikio Yanagisawa; 幹夫柳沢
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Priority date: 2010-06-22
Filing date: 2010-06-22
Publication date: 2012-01-12
Anticipated expiration: 2030-06-22
Also published as: JP5403372B2

Abstract

【課題】電算センターなどの建物の床梁の構造として適用してその上下動を効果的に抑制可能な有効適切なトラス梁の構造を提供する。
【解決手段】上弦材１としての床梁を本体部１Ａとその両端部のブラケット部１Ｂとにより構成し、柱５に対して剛接合したブラケット部に対して本体部を上下方向に相対回転可能にピン接合する。下弦材２としての下階の床梁の両端を柱に対して剛接合し、束材３としての間柱および斜材４としてのブレースを下弦材とブラケット部との間に設置して、それら下弦材と束材と斜材とブラケット部とにより主架構６を構成する。本体部と下弦材との間に、回転慣性質量ダンパー８と同調ばね９とが直列に接続されて本体部の主架構に対する上下方向の相対振動を制御するＴＭＤ機構７を介装する。
【選択図】図１

Description

本発明は、たとえば電算センターを用途とする建物に適用して好適なトラス梁の構造に関する。

周知のように、電算センターを用途とする建物では、コンピュータを設置する基準階（ＣＰＵフロア）の下階に設備配線などを設置する設備階（ＭＲフロア）を配置する計画とする場合があるが、その場合の構造計画として設備階全体をトラス梁により構成する構造が提案されている。
これは、基準階およびその下階の設備階の床梁をそれぞれ上弦材および下弦材として機能せしめて設備階に束材や斜材として機能する間柱やブレースを多数設置することにより、それらの全体で設備階の階高全体にわたる大梁成のトラス梁を構成することにより、基準階の床と設備階の床を構造的に一体化して高い剛性を実現することができるというものである。

ところで、電算センターなどの建物は、高額な電算機の被害やデータの破損を防止する必要性から巨大地震に対する高度の耐震性が要求されるものであり、したがって建物全体を免震装置により免震支持する免震構造が採用されることも多いが、一般的な免震構造では水平動には対処し得るものの上下動については有効に対処し得るものではない。
また、上記のトラス構造にしても、充分な剛性は確保し得ても減衰を高めることはできないため、特に大スパンのトラス構造ではその中央部での上下応答は相当に大きなものとなり、その対策が必要となる。

そのための対策としては、たとえば特許文献１や特許文献２に示されるような粘弾性ダンパーを基準階と設備階の床梁の間に制振間柱として設置することが考えられるが、この種の制振間柱は特定階にのみ独立に設置することではさして有効に作動し得ないので基礎から制振対象の基準階まで連続して設置する必要があるし、また粘弾性体は一般に温度に対して依存性があって冬季と夏季では特性が大きく変化してしまうことから設計上の扱いが複雑であり、その点では必ずしも有効なものではない。

また、特許文献３や特許文献４に示されるような振動低減機構を利用することも考えられる。これは、制振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ＴＭＤ（チューンド・マス・ダンパー）機構として機能させるものであり、回転慣性質量を利用することで小質量の錘で大きな付加質量が得られて制振対象の梁の上下動を有効に制御可能なものであり、これを上記のトラス梁に適用することで電算センターにおけるＣＰＵフロアの上下動を有効に抑制し得ると考えられる。

特開平６−４９９２３号公報特開２００５−３３６７１４号公報特開２００８−１１５５５２号公報特開２０１０−３８３１８号公報

しかし、特許文献３や特許文献４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しかなく、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おける特殊なトラス梁を対象としてそのまま適用することは現実的ではなく、それを可能とする有効適切な手段の開発が望まれているのが実状である。

上記事情に鑑み、本発明はたとえば電算センターを用途とする建物の床梁の構造として適用することによりその上下動を効果的に抑制し得る有効適切なトラス梁の構造を提供することを目的とする。

本発明は基準階とその下階の床梁をそれぞれ上弦材および下弦材として柱間に架設するとともに、それら上弦材と下弦材との間に束材としての間柱および斜材としてのブレースを設置してなるトラス梁の構造であって、前記上弦材としての床梁を本体部とその両端部のブラケット部とにより構成し、該ブラケット部の先端を前記柱に対して剛接合するとともに該ブラケット部に対して前記本体部を上下方向に相対回転可能にピン接合して該上弦材を前記柱間に架設し、前記下弦材としての床梁の両端を前記柱に対して剛接合して該柱間に架設するとともに、前記束材としての間柱および前記斜材としてのブレースを該下弦材と前記上弦材における前記ブラケット部との間に設置して、それら下弦材と束材と斜材とブラケット部とにより主架構を構成することにより、該主架構に対して前記本体部を上下方向に相対振動可能とし、前記本体部と前記下弦材との間に、回転慣性質量ダンパーと同調ばねとが直列に接続されて前記本体部の前記主架構に対する上下方向の相対振動を制御するＴＭＤ機構を介装してなることを特徴とする。
本発明においては、前記ＴＭＤ機構を複数設置して、各ＴＭＤ機構の固有振動数を前記本体部の複数の振動モードに同調させることも可能である。

本発明のトラス梁によれば、上弦材としての床梁を制振対象の本体部とその両端部のブラケット部とにより構成し、主架構に対してブラケット部を剛接合するとともにブラケット部に対して本体部をピン接合したうえで、本体部と主架構との間に回転慣性質量ダンパーと同調ばねとによる構成されるＴＭＤ機構を設置するので、制振対象の本体部の上下動をＴＭＤ機構によって有効に低減することができ、電算センターの基準階およびその下階の設備階の床梁を一体に構成するトラス梁の構造として有効である。

本発明の実施形態であるトラス梁の構造を示す概略構成図である。同、具体的な設計例を示すモデル図である。同、ＴＭＤ機構がない場合の固有値解析結果を示す図である。同、ＴＭＤ機構がない場合の固有値解析結果を示す図である。同、ＴＭＤ機構の諸元を示す図である。同、地震応答解析に用いる入力波の加速度応答スペクトルを示す図である。同、ＴＭＤ機構を設置した場合のFourierスペクトル比を示す図である。同、基準階と設備階の最大加速度を示す図である。同、基準階の応答加速度波形（告示波の場合）を示す図である。同、基準階の応答加速度波形（Taft波の場合）を示す図である。

図１に本発明のトラス梁の一実施形態を示す。これは電算センターへの適用例であって、基準階としてのＣＰＵフロアの床梁とその下階の設備階としてのＭＲフロアの床梁をそれぞれ上弦材１および下弦材２として柱間に架設するとともに、それら上弦材１と下弦材２との間に束材３としての間柱と斜材４としてのブレースを設置することによって、それら上弦材１、下弦材２、束材３、斜材４の全体で設備階の階高にわたる大梁成のトラス梁として構成したものである。
但し、上述したように上弦材１と下弦材２とを単に束材３や斜材４により連結した通常のトラス梁では、上弦材１としてのＣＰＵフロアの床梁に要求される高度の防振性能を確保できないので、本実施形態では上弦材１を制振対象の本体部１Ａとその両端部に接合したブラケット部１Ｂとにより構成して、その本体部１Ａの上下動をＴＭＤ機構７により有効に防止するものとしている。

すなわち、下弦材２としての設備階の床梁としては通常の建物における通常の梁と同様にたとえばＨ形鋼等の単なる梁材を用いてその両端を両側の柱５に対して単に剛接合しているのであるが、上弦材１としての基準階の床梁は同じくＨ形鋼等の梁材を用いるものの、これはＣＰＵフロアにおける主要設備の大半が設置されてその荷重を支持する本体部１Ａと、それよりもやや小断面とされて本体部１Ａの両端にそれぞれ接合されるブラケット部１Ｂとに３分割している。そして、それらブラケット部１Ｂの先端を柱５に対して剛接合したうえで、それらブラケット部１Ｂに対して本体部１Ａの両端を上下方向に相対回転可能な状態でピン接合することによって上弦材１の全体を柱５間に架設したものとなっている。

また、束材３としての間柱を上弦材１の（本体部１Ａではなく）ブラケット部１Ｂと下弦材２との間に設置するとともに、斜材４としてのブレースをその束材３と下弦材２との間に設置し、さらに下弦材２とブレース４および柱５との間にも補助的な束材３と斜材４とを適宜設置して、それらブラケット部１Ｂ、下弦材２、束材３、ブレース４によってこのトラス梁の主体としての高剛性の主架構６が構成されている。なお、束材３や斜材４としては下弦材２と同様にＨ形鋼などの鋼材を用いれば良い。
以上により、上弦材１の本体部１Ａは主架構６に対して上下方向の相対回転が可能なものとなり、したがって本体部１Ａと主架構６とは自ずと振動特性が異なるものとなって地震時には本体部１Ａと主架構６との間では上下方向の相対振動が生じるようになっている。

そのうえで本実施形態のトラス梁では、主架構６の要素である下弦材２と制振対象の本体部１Ａとの間に、主架構６に対する本体部１Ａの上下方向の相対振動を制御するためのＴＭＤ機構７が設置されている。
本実施形態におけるＴＭＤ機構７はたとえば特許文献３，４に示される振動低減機構と同様に、回転慣性質量ダンパー８と同調ばね９とを直列に接続し、必要に応じて回転慣性ダンパー８に並列に付加減衰１０（図２参照）を設置したものであって、図示例では下弦材２から立設した支柱１１の上端部に回転慣性質量ダンパー８を設置して、その回転慣性質量ダンパー８を同調ばね９を介して本体部１Ａに対して接続した構成とされている。

回転慣性質量ダンパー８としては、ボールねじ機構によって小質量の回転錘（フライホイール）を回転させることで大きな慣性質量が得られる形式のものが好適に採用可能であり、同調ばね９としては鋼板等からなる板ばねが好適に採用可能であり、それらの諸元すなわち回転錘の回転により得られる慣性質量（回転慣性モーメント）と同調ばね９の剛性（板ばねの幅と長さと板厚）とを主架構６の剛性との関連により適正に調整することにより、このＴＭＤ機構７の固有振動数を制振対象の本体部１Ａの固有振動数に同調させることが可能であり、それによりこのＴＭＤ機構７は小質量の回転錘により大きな付加質量が得られる有効な制振機構として機能して本体部１Ａの上下振動を有効に抑制し得るものである。
なお、図示例では本体部１Ａの一次固有振動数のみならず他の振動モード（たとえば３次モード）の振動をも抑制するべく、それぞれの固有振動数に同調させるように調整した２台のＴＭＤ機構７を並設しているが、１次モードのみを対象とする１台のＴＭＤ機構７を設置することでも良いし、さらに高次モードを対象とするＴＭＤ機構を設置することも可能である。

以下、本発明のトラス梁の具体的な設計例とその特性について図２〜図１０を参照して説明する。
図１に示すトラス梁を図２に示すように線材でモデル化して地震応答解析を行う。トラス梁を構成する各部材はいずれもＨ形鋼とし、柱はＣＦＴ（コンクリート充填鋼管柱）とし、それらの断面および各部の寸法は図中に示すものとした。
ＴＭＤ機構７を設置していない場合のトラス梁本来の固有値解析結果を図３〜図４に示す。図４における刺激係数でのｘはトラス梁の長さ方向に沿う水平方向、ｙはそれに直交する水平方向、ｚは鉛直方向である。
この固有値解析から、制振対象である基準階の床梁（上弦材１）における本体部１Ａは１次モードと３次モードで上下振動を励起することが分かる。

そこで、１次モード用および３次モード用として２台のＴＭＤ機構７を設置し、それらの諸元を図５に示すように設定する。
すなわち、１次モード用の１台目のＴＭＤ機構７は回転慣性質量ダンパー８による慣性質量を7461kg、付加減衰１０の減衰係数を7.06×10⁴Nsec/m、同調ばね９の剛性を3.99×10⁶N/mとし、３次モード用の２台目のＴＭＤ機構７はそれらの諸元をそれぞれ7461kg、13.9×10⁴Nsec/m、14.0×10⁶N/mとする。

上記モデルに対して上下振動に対する地震応答解析を行う。主架構６の減衰は１次固有振動数で１％の初期剛性比例型とする。入力地震動は、El Centro UD（水平動に対して50kineに規準化した倍率を掛ける）、Taft UD（同）、告示波（位相は1995年JMA神戸UDを用いる）の３波とする。解析の時間刻みは0.0025秒、継続時間は80秒とする。解析は線形とする。上記の各入力波の加速度応答スペクトルを図６に示す。

まず、振動性状を把握するため、2Hz〜15Hzのスウィープ波形（130秒、刻み0.001秒）を地震動として与え、基準階の床梁の中央点（すなわち上弦材１の本体部１Ａの中央点）の加速度波形を算出し、両者のFourierスペクトル比を求め、その結果を図７に示す。
その結果から、非制振（ＴＭＤ機構なし）の場合に比べて、１次用のＴＭＤ機構７を１台だけ設置した場合には１次振動数の応答は低減しているが３次の応答は殆ど変化がないことが分かる。さらに３次用のＴＭＤ機構７を設置することで、高次側の振幅が増加するものの３次のピークが小さくなっていることが分かる。

図８に、地震応答解析による基準階（ＣＰＵ）および設備階（ＭＲ）の床中央部の最大加速度の比較を示す。
また、告示波およびTaft波に対しての基準階の床梁の中央部での応答加速度波形を図９および図１０に示す。
この結果から、ＴＭＤ機構７を設置することにより非制振の場合に比べて大幅に応答を低減できること、しかも最大応答値だけでなく大きな揺れの継続時間も大幅に低減できること、ＴＭＤ機構７を１台より２台として高次モードの振動も考慮することでさらに制振効果を増大させることができることが分かる。

１上弦材（基準階の床梁）
１Ａ本体部
１Ｂブラケット部
２下弦材（設備階の床梁）
３束材（間柱）
４斜材（ブレース）
５柱
６主架構
７ＴＭＤ機構
８回転慣性質量ダンパー
９同調ばね
１０付加減衰
１１支柱

Claims

基準階とその下階の床梁をそれぞれ上弦材および下弦材として柱間に架設するとともに、それら上弦材と下弦材との間に束材としての間柱および斜材としてのブレースを設置してなるトラス梁の構造であって、
前記上弦材としての床梁を本体部とその両端部のブラケット部とにより構成し、該ブラケット部の先端を前記柱に対して剛接合するとともに該ブラケット部に対して前記本体部を上下方向に相対回転可能にピン接合して該上弦材を前記柱間に架設し、
前記下弦材としての床梁の両端を前記柱に対して剛接合して該柱間に架設するとともに、前記束材としての間柱および前記斜材としてのブレースを該下弦材と前記上弦材における前記ブラケット部との間に設置して、それら下弦材と束材と斜材とブラケット部とにより主架構を構成することにより、該主架構に対して前記本体部を上下方向に相対振動可能とし、
前記本体部と前記下弦材との間に、回転慣性質量ダンパーと同調ばねとが直列に接続されて前記本体部の前記主架構に対する上下方向の相対振動を制御するＴＭＤ機構を介装してなることを特徴とするトラス梁の構造。
前記ＴＭＤ機構を複数設置して、各ＴＭＤ機構の固有振動数を前記本体部の複数の振動モードに同調させてなることを特徴とする請求項１記載のトラス梁の構造。