JP3525017B2 - 機器用制震設置機構 - Google Patents

機器用制震設置機構

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JP3525017B2
JP3525017B2 JP28999496A JP28999496A JP3525017B2 JP 3525017 B2 JP3525017 B2 JP 3525017B2 JP 28999496 A JP28999496 A JP 28999496A JP 28999496 A JP28999496 A JP 28999496A JP 3525017 B2 JP3525017 B2 JP 3525017B2
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博 土肥
賢持 奥田
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Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は、機器を建物床の床
面上に自立支持し、地震等の強震時に機器に伝わる揺れ
を低減するための機器用制震設置機構に関する。 【0002】 【従来の技術】建物床等の床面上に支持された機器の振
動を低減することを目的とした従来の技術には、機器自
体の機械振動が建物床を通じて伝達されることを低減す
る防振・除振技術と、地震時における建物床の振動が機
器に伝達されることを低減し、機器の損傷と機能障害を
防止する免震技術がある。なお、建物床にはフリーアク
セス床等の二重床も含まれる。 【0003】防振・除振技術では、防振ゴムなどにより
機器を支持し、機器系の固有振動数を機器から発生され
る振動の周波数特性より小さく設定することにより、床
面に伝達される振動を低減するものである。 【0004】一方、免震技術では、機器と建物床との間
に滑り支承を挿入して地震時の振動が機器に伝達するの
を絶縁する方法や、積層ゴムなどの粘弾性体による支承
を挿入して機器系の固有振動数を建物床の振動の周波数
特性より小さく設定することにより、地震時における機
器系の振動を低減する方法がある。これらの技術を応用
した製品として、免震床や免震台等が各種販売されてい
る。 【0005】 【発明が解決しようとする課題】上記のような従来の防
振・除振技術あるいは免震技術にあっては次のような問
題があった。すなわち、防振・除振技術では、地震動の
ような機械振動に比べて振動数が極めて低い振動外乱に
対しては効果がほとんどない。 【0006】また、免震技術では、地震時に機器と設置
床との間に大きな相対変形が生じるため機器の床面積よ
りかなり広い設置スペースが必要である。さらに、免震
機構は構成が複雑で高価という問題があった。 【0007】一般に、建物床上に機器を自立支持した場
合に、機器に作用する地震力Fは、図10の(a)に示
すように機器と設置機構を合わせた機器系の固有振動数
φと減衰定数hによって決定されることが知られてい
る。すなわち、機器系の固有振動数φが建物床での地震
動の周波数特性が卓越する範囲にある場合には、共振現
象により大きな地震力が作用し、また、機器系の減衰定
数hが小さいほど、大きな地震力が作用することとな
る。このため、機器及びその設置機構の設計を行う場合
は、機器系の固有振動数を共振領域からはずすとか、減
衰定数を大きくして、作用地震力を低減することが、設
計上有効となる。なお、地震力は機器に作用する地震時
の加速度と機器の質量により定まり、加速度が大きくな
ると地震力は大きくなる。 【0008】機器と床面との間に粘弾性体を挿入する方
法は、機器系の固有振動数を小さくさせるとともに、系
の減衰定数を増加させることが知られている。しかし、
上記の防振・除振技術では、地震動のような低振動の外
乱を対象としていないため、地震時における振動低減効
果はほとんどなく、逆に、防振・除振設置していない場
合に比べて、作用地震力が増大するケースも生じること
となる。これは、図10において、機器を直接床上に設
置した場合の減衰定数がh1であり、粘弾性体を挿入し
た場合の機器系の減衰定数がh2となる場合において、
粘弾性体を挿入することにより機器系の固有振動数がφ
1(図10の(a)中のP1)からφ3(図10の
(a)中のP3)に小さくなったとすると、作用地震力
はF1からF3に増大し、系の減衰定数が増大したにも
かかわらず作用地震力が増大してしまうことになる。こ
のように、単に機器と床面の間に粘弾性体を挿入して減
衰定数を大きくしても、機器への作用地震力を低減する
ことはできず、粘弾性体の挿入による固有振動数の低下
を極力小さくすることが重要である。一方、粘弾性体を
利用した免震技術では、機器系の固有振動数を、共振振
動数領域よりさらに長周期側のφ4にずらすことにより
(図10の(a)中のP4)、機器に作用する地震力を
低減するものであるが固有振動数をφ4にずらすために
機器系の剛性を小さくせざるを得ず、図10に示すよう
に機器床面との相対変位である機器系変位Xが非常に大
きくなるという問題があり、設置スペースに余裕がない
場合には適用が困難である。 【0009】そこで本発明は、上記の従来技術の問題点
を解決し、限られた設置スペースにおいて、安価で簡便
に地震時における機器の振動を効果的に低減することが
できる機器用制震設置機構を提供することを目的として
おり、これを機器用制震設置機構と呼称することとし
た。 【0010】 【0011】 【課題を解決するための手段】上記課題を解決し目的を
達成するために、床上に機器を自立支持するための機器
用制震設置機構において、上記床と上記機器との間に配
置された粘弾性体を備え、上記機器の質量がmr、ばね
係数がkr、減衰定数がhr、最大許容変位がXma
x′で示され、上記粘弾性体の質量がme、ばね係数が
ke、減衰定数がhe、所定減衰力を発生する最小変位
がXmin、最大変位がXmaxで示され、上記床に加
わる地震時の加速度がy″j(t)で示され、上記機器
が加えられた系に作用する最大地震力Fが、系の質量を
M、ばね係数をK、減衰定数をHとしたとき、 【0012】 【数3】 で示されるとき、上記粘弾性体の質量me,ばね係数k
e,減衰定数heは、 【0013】 【数4】【0014】を満足するものであることとした 【0015】上記手段を講じた結果、次のような作用が
生じる。すなわち、床上に機器を自立支持するための機
器用制震設置機構において、上記床と上記機器との間に
配置された粘弾性体を備え、上記機器の質量がmr、ば
ね係数がkr、減衰定数がhr、最大許容変位がXma
x′で示され、上記粘弾性体の質量がme、ばね係数が
ke、減衰定数がhe、所定減衰力を発生する最小変位
がXmin、最大変位がXmaxで示され、上記床に加
わる地震時の加速度がy″j(t)で示され、上記機器
が加えられた系に作用する最大地震力Fが、系の質量を
M、ばね係数をK、減衰定数をHとしたとき、 【0016】 【数5】 で示されるとき、 【0017】 【数6】 を満足するように設計することで、最大加速度を所定値
以下にすることができる。 【0018】 【発明の実施の形態】図1の(a),(b)は、本発明
の第1の実施の形態を示す図である。図1中10は情報
処理機器、通信機器等の機器を示している。機器10
は、機器用制震設置機構20により建物床11上に支持
されている。なお、建物床にはフリーアクセス等の二重
床も含まれる。 【0019】機器10の質量はmr、ばね係数はkr、
減衰定数はhrであり、水平方向への最大許容変位はX
max′である。この最大許容変位Xmax′は、機器
10の設置スペース及び機器10の周囲に配置されてい
る他の機器との位置関係で決められる数値である。 【0020】機器用制震設置機構20は、機器10の四
隅に配置された4つの機器固定脚30a〜30d(30
b,30cは不図示)により構成されており、機器固定
脚30a〜30dはそれぞれ図1の(b)に示すように
構成されている。ここで、機器固定脚30a〜30dは
同一構成であるので、機器固定脚30aについて説明す
る。 【0021】機器固定脚30aは、金属材製の上下方向
に対向配置された一対の板材31a,31bと、これら
板材31a,31bに挟まれた粘弾性体32と、板材3
1bの下面に配置された断面コの字状の固定金具33と
を備えている。なお、固定金具33と建物床11とはボ
ルト34、板材31aと機器10の底面とはボルト3
5、板材31bと固定金具33とはボルト36によりそ
れぞれ強固に固定されている。 【0022】粘弾性体32はゴム材製であり、質量はm
e、ばね係数はke、減衰定数はheである。ここで、
これら質量me、ばね係数ke、減衰定数heが後述す
る条件1〜条件3を満たすための設定方法について説明
する。 【0023】粘弾性体のばね係数keと減衰定数heと
は次のような関係にある。すなわち、粘弾性体は一般に
図2の(a)に示すような復元力特性を有している。こ
の図からわかるように荷重Qに対しての変位Xは、荷重
Qが大きくなるにつれて図中実線で示す復元力特性線図
R1からR2を経て復元力特性線図R3へと移行する。
これらの最大値を結んだ曲線がスケルトン包絡曲線Sで
ある。荷重がQeのときに変位がXeとすると、等価ば
ね係数Keは二点鎖線Tの傾きとして表される。 【0024】一方、このときの減衰定数heは、次のよ
うにして算出される。すなわち、図2の(b)に示すよ
うに、復元力特性線図R3の各点をそれぞれ、O,A〜
Fとおくと、減衰定数heは、 he=1/2π・面積(ABCDA)/面積(△OAE+△OCF) …(6) となる。 【0025】このようにして得られた粘弾性体32の減
衰定数heと変形量Xeとの関係を図3に示す。この図
3により所定の減衰定数he0を得るためには変形量が
Xmin以上必要となる。また、粘弾性体32には力学
上の限界変形量があるので、その量をXmaxとする
と、粘弾性体32の変形量Xeの範囲はXminからX
maxまでの範囲となる。 【0026】次に、機器系の固有振動数φ、及び、減衰
定数hと機器に作用する地震力Fとの関係について説明
する。すなわち、建物床上に機器を自立設置した場合
に、機器に作用する地震力Fは、図4の(a)に示すよ
うに、機器の固有振動数が建物床での地震動の周波数特
性が卓越する範囲にある場合には、共振現象により大き
な地震力が作用し、また、機器の減衰定数が小さいほ
ど、大きな地震力が作用する。このため、機器及び据付
・固定工法の耐震設計を行う場合は、機器の固有振動数
が高くなるように、ある程度以上の剛性を確保して設計
を行い、作用地震力を小さく抑えるのが一般的である
(図中のP1)。 【0027】機器と床面との間に粘弾性体を挿入するこ
とにより機器への作用地震力を低減しようとする本実施
の形態では、機器系の固有振動数の低下をできるだけ小
さく抑えつつ、必要な減衰を付加することによって、機
器に作用する地震力を低減するものであり、図4の
(a)中のP2となるような粘弾性体の特性を決定する
ための手法を用いる。また、粘弾性体32を挿入した振
動系では、図4の(b)に示すように、機器系10,2
0の固有振動数φが小さくなると、最大変位Xが大きく
なるという特性がある。ここではXmax′は機器10
の設置スペースや機器10の周囲に配置された他の機器
との位置関係から定まる最大許容変位であり、機器単体
の水平変形Xrと制震設置機構20の水平変位Xeの和
Xが、このXmax′以下に納まらなければならない。 【0028】なお、一般に一質点系の固有振動数Φとば
ね係数Kとの関係は、 φ=√(K/M)/(2π) …(7) で示される。 【0029】また、ばね係数krの機器10と、ばね係
数keの機器用制震機構20を直列に組み合わせた場合
の機器系10,20の固有振動数Kは、 K=kr・ke/(kr+ke) …(8) で示される。 【0030】一方、最大地震力Fと、系の質量M、ばね
係数K、減衰定数H及び地震入力加速度との一般的関係
は次のように求められる。なお、系の質量Mは、機器1
0の質量mrと、粘弾性体32の質量meとの和であ
る。地震入力加速度をy″j(t)、機器の応答加速度
をx″(t)、機器系の質量をM、時間をtとすると、 【0031】 【数7】 【0032】で示される。なお、関数に付した「″」は
2階微分を示している。一方、機器系円振動数をωとす
ると、 ω=2πφ …(10) となり、機器系減衰係数をCとすると、 C=2Mhω …(11) となる。 【0033】このとき、一質点系の運動方程式は、 Mx″(t)+Cx′(t)+Kx(t)=−My″j (t) …(12) で示される。なお、関数に付した「′」は1階微分を示
している。式(12)を解くと、 【0034】 【数8】 となり、式(15)を式(9)に代入すると、 【0035】 【数9】 となり、最大地震力Fが系の質量M、ばね係数K、減衰
定数H及び多数の地震による入力加速度y″j (t)の
関数として表される。なお、最大地震力FはFjの最大
値の包絡となる。 【0036】次に、上述した機器10及び粘弾性体32
の変位制限等から粘弾性体32に求められる条件を次に
示す。すなわち、粘弾性体32の変位範囲Xeは、 Xmin≦Xe≦Xmax …(16) となり、機器系の変位範囲Xは、 X≦Xmax′ …(17) となる。 【0037】さらに、機器系10,20の最大地震力F
(M,K,H)と、制震設置機構20を使用しない場合
の機器10単体の最大地震力F(mr,kr,hr)と
は、F(M,K,H)<F(mr,kr,hr) …(18) との関係となる。 【0038】また、粘弾性体の変位Xeは、 Xe=F(M,K,H)/ke …(19) であり、機器系の変位Xは、 X=F(M,K,H)/K …(20) したがって、式(1)を式(18)〜式(20)に代入
すると、 【0039】 【数10】 が導かれる。したがって、粘弾性体32の質量me,ば
ね係数ke,減衰定数heが条件1〜条件3を満たすよ
うに設計することにより、機器系10,20に伝達され
る地震力を一定値以下に定めることが可能となる。 【0040】したがって、機器系の等価ばね係数K、等
価減衰定数Hと、機器単体のばね係数kr、減衰定数h
rとの関係から、制震設置機構20の等価ばね係数ke
と等価粘性減衰定数heを決定する。この結果得られた
機器頂部の変位量XがXmax′以下となり、かつ、粘
弾性体の変位量XeがXmaxとXminの範囲となる
よう、機器系10,20の減衰定数Hを調整すればよい
ことになる。 【0041】次に以上の条件から具体的に粘弾性体32
の特性を決定する手順について説明する。なお、図5は
機器系10,20のモデル、図6は値を決定するための
設計フローチャートである。また、図6中STは、フロ
ーチャート中の各ステップを示している。 【0042】最初に機器10が単体で設置された場合の
固有振動数φr及び減衰定数hrを与える(ST1)。
ここで、 kr=(2π・φr)2 ・mr …(21) となる。 【0043】次に、図4の(a)の曲線F1上の点P1
から機器10単体に作用する地震力Frが推定できる
(ST2)。なお、 Fr=g(φr,hr) …(22) により示される。ここで、gは固有振動数と減衰定数を
与えられた場合に地震力を求める関数である。 【0044】次に、機器10単体に機器用制震設置機構
20を付加した機器系に作用する地震力Fを次式により
求める。すなわち、 F=α・Fr …(23) ここで、αは係数であり、α<1.0である。 【0045】この地震力Fを減衰定数の増加により地震
力低減効果を見込んだ設計目標値として設定する(ST
3)。次に、機器系10,20の減衰定数Hを仮定する
(ST4)と、曲線F2上の点P2から機器系の固有振
動数Φが定まり、機器系の等価ばね係数Kが次式により
定まる。すなわち、 K=(2πΦ)2 ・M …(24) さらに、機器頂部の変位Xは次式により求められる(S
T5)。すなわち、 X=β・F/K …(25) ここで、βは機器の重心位置における応答倍率を示す係
数である。 【0046】次に求められた変位量XとXmax′との
大小を比較する(ST6)。変位量XがXmax′より
大きい場合には、ST4に戻り、再度減衰定数Hを仮定
する。 【0047】一方、変位量XがXmax′以下の場合に
は、次のようにして制震設置機構20の等価ばね係数k
e及び等価減衰定数heを算出する(ST7)。等価ば
ね係数keは次式により与えられる。すなわち、 ke=1/(1/K−1/kr) …(26) また、等価減衰定数heは次のようにして求める。ま
ず、機器10の等価ばね係数krをk2+ik2′とお
き、制震設置機構20の等価ばね係数keをk1+ik
1′とおく。なお、i=√(−1)である。これらから
機器10及び制震設置機構20のそれぞれの等価減衰定
数hr,heは、次式のように示される。すなわち、 【0048】 【数11】 【0049】 【数12】【0050】 【数13】 【0051】 【数14】なお、上述した式では、減衰を表す項をik′xとおい
ている。xの速度に比例する減衰力との関係は減衰係数
をΖとすると、 【0052】 【数15】 【0053】このようにして求められた変形量Xeが式
(16)を満足しない場合にはST4に戻り、再度減衰
定数Hを仮定する。そして、式(16)を満足する場合
には制震設置機構20の等価ばね係数keと等価粘性減
衰定数heが決定される。 【0054】上述したようにして設計された粘弾性体3
2を用いた場合には、大地震により建物床11から大き
な地震力が入力されると、粘弾性体32が所定の減衰力
を発生し、地震力を減衰して機器10に伝達する。この
ため、機器10が破壊されることはない。 【0055】なお、本実施の形態の機器用制震設置機構
20にあっては、大地震のような強震により粘弾性体3
2にXmin以上の変形が生じないと、所定の減衰特性
heが得られないが、中小地震では、機器10に入力さ
れる地震力がもともと小さいため、機器10が破壊され
ることはない。 【0056】なお、粘弾性体32として、水平方向に配
置された板材とゴム材とを交互に積層した積層ゴムを用
いてもよい。なお、積層ゴムであれば、水平方向の地震
力を効果的に減衰できるのは勿論、上下方向の力に対し
ては剛性を高く保つことができる。 【0057】図7は本発明の第2の実施の形態を示す図
である。本実施の形態が上述した第1の実施の形態と異
なる点は、機器用制震設置機構20が架台40を介して
建物床11に取り付けられている点である。本第2実施
の形態においても上述した第1実施の形態と同様の効果
を得ることができる。 【0058】図8の(a),(b)は本実施の形態にお
いて振動台により地震波を入力し、各箇所の加速度応答
倍率、すなわち地震波の最大加速度に対する最大応答加
速度の比を計測したものである。また、図8の(b)
は、横軸は機器用制震設置機構が有る場合の機器頂部の
加速度応答を、縦軸は機器用制震設置機構が無い場合の
機器頂部の加速度応答を表す。 【0059】これらにより制震機構により、機器頂部で
25〜60パーセントの振動抑制効果が得られているこ
とがわかる。図9は本発明の第3の実施の形態を示す図
である。本実施の形態が上述した第1の実施の形態と異
なる点は、機器用制震設置機構20の代わりに機器用制
震設置機構120が設けられている点である。 【0060】機器用制震設置機構120は、機器10の
四隅に配置された4つの機器固定脚130a〜130d
(130b,130cは不図示)により構成されてい
る。これら機器固定脚130a〜130dは、同一構成
であるので、機器固定脚130aについて説明する。 【0061】機器固定脚130aは、金属材製の上下方
向に対向配置された一対の板材131a,131bと、
これら板材131a,131bに挟まれた粘弾性体13
2と、板材131bの下面に配置されたベース板50
と、このベース板50の下面に取り付けられた滑り止め
のゴム51とを備えている。なお、板材131aと機器
10、板材131bとベース板50とはそれぞれ強固に
固定されている。 【0062】上述した粘弾性体132も第1実施の形態
に記載された粘弾性体32と同様にして設計されてい
る。このように構成された機器用制震設置機構120で
あれば、上述した第1の実施の形態と同様の効果を得る
ことができるとともに、建物床11に固定する必要がな
い。また、固定されていなくても、地震力を減衰させる
ことができるので、地震などの強震時に機器の転倒や建
物床11上を滑ることを防止することができる。なお、
本発明は前記各実施の形態に限定されるものではなく、
本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であ
るのは勿論である。 【0063】 【発明の効果】請求項1及び請求項2に記載された発明
によれば、限られた設置スペースにおいて、安価で簡便
に地震時における機器の振動を効果的に低減することが
できる。
【図面の簡単な説明】 【図1】本発明の第1の実施の形態に係る機器用制震設
置機構を示す図。 【図2】同機構及び機器からなる機器系の振動特性を示
すグラフ。 【図3】同機構に組み込まれた粘弾性体の特性を示すグ
ラフ。 【図4】同機器用制震設置機構の特性を示すグラフ。 【図5】同機器用制震設置機構のモデルを示す図。 【図6】値を決定するための設計フローチャートを示す
図。 【図7】本発明の第2の実施の形態に係る機器用制震設
置機構を示す図。 【図8】同機構及び機器からなる機器系の加速度特性を
示すグラフ。 【図9】本発明の第3の実施の形態に係る機器用制震設
置機構を示す図。 【図10】同機器用制震設置機構の特性を示すグラフ。 【符号の説明】 10…機器 11…建物床 20,120…機器用制震設置機構 30a〜30d,130a〜130d…機器固定脚 32,132…粘弾性体 33…固定金具 40…架台 50…ベース板 51…ゴム
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 奥田 賢持 東京都港区六本木一丁目4番33号 株式 会社エヌ・ティ・ティファシリティーズ 内 (72)発明者 関 貴治 東京都新宿区西新宿三丁目19番2号 日 本電信電話株式会社内 (56)参考文献 特開 平6−58005(JP,A) 特開 平3−204420(JP,A) 特開 昭62−224742(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F16F 15/00 - 15/08

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】床上に機器を自立支持するための機器用制
    震設置機構において、 上記床と上記機器との間に配置された粘弾性体を備え、 上記機器の質量がmr、ばね係数がkr、減衰定数がh
    r、最大許容変位がXmax′で示され、 上記粘弾性体の質量がme、ばね係数がke、減衰定数
    がhe、所定減衰力を発生する最小変位がXmin、最
    大変位がXmaxで示され、 上記床に加わる地震時の加速度がy″j(t)で示さ
    れ、 上記機器が加えられた系に作用する最大地震力Fが、系
    の質量をM、ばね係数をK、減衰定数をHとしたとき、 【数1】で示されるとき、上記粘弾性体の質量me,ばね係数k
    e,減衰定数heは、 【数2】 を満足するものであることを特徴とする機器用制震設置
    機構。
JP28999496A 1996-10-31 1996-10-31 機器用制震設置機構 Expired - Lifetime JP3525017B2 (ja)

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