JP3884835B2 - 免振床装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、床をその下方のスラブに弾性支持させて、このスラブから床に入力される上下振動を免振するようにした免振床装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電算機器や計測制御機器等の精密機器類を設置する部屋の場合、それらの設置床は外部からの上下振動を遮断（免振）可能な免振床とするのが望ましく、この様な免振床装置として、床の支持フレームをその下方の支持基盤であるスラブに対して上下変位自在に配置し、当該支持フレームをコイルばねを用いた多数の免振ユニットを介してスラブ上に弾性支持するようにした構造のものがある。
【０００３】
ここで、このような免振床装置にあっては、床の固有周期はコイルばねのばね定数と床荷重とによって定まるが、従来にあっては、上記コイルばねには支持荷重に拘わらずばね定数が一定な線形特性を有するものを用い、そのばね定数は床面上に設置される機器類などの重量を含んだ床荷重に合わせて定め、床の固有周期が免振に適した値となるようにしている。また、支持フレームと免振ユニットとの間には、床荷重に相応して縮むコイルばねの変位を吸収して床面を所定の高さに調整するためのレベル調整ボルトを介在させている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の免振床装置では、免振ユニットのコイルばねには、ばね定数が一定な線形特性を有するものを使用しているので、室内に設置する機器類の入れ替えや増設、あるいはレイアウト変更などによって床荷重に変化が来されると、床の固有周期もこれに伴って変動してしまい、上記免振に適する固有周期を保持することができなくなって、免振機能が著しく低下されてしまうことがあった。このため、このような場合には、変化した床荷重に見合ったばね定数の免振ユニットに付け替えねばならず、極めて大がかりな作業が必要になってしまうといった課題があった。
【０００５】
また、地震等の振動外力に対して床をより効果的に免振するには、当該床の固有周期Ｔを地震動の周期や建物の固有周期よりも大幅に長周期化して、その固有周期を約１．０〜１．３秒程度にすることが望ましいのであるが、このような長周期化を図るためには、その分ばね定数を小さく設定しなければならない。
【０００６】
ところが、コイルばねのばね定数を小さくすると、床荷重によるコイルばねの縮み量（変位）が大きくなり、しかもこの大きく変位した状態でさらに地震等の外部振動を有効に吸収し得るようにコイルばねの伸縮ストロークを確保せねばならないので、線形特性のコイルばねを用いた従来の免振床装置では、当該コイルばねの長さが必然的に長大なものとなってしまう。したがって、これに伴いコイルばねを配置する床とスラブとの間のクリアランスも大きく設定する必要が生じ、よって長周期化を図って免振床を設置しようとすればその分階高が高くなり、建物全体の高さが必要以上に高くなってしまうという課題もあった。また、これは換言すれば、階高に十分な余裕のない既存建物には長周期化を図って従来の免振床は設置し難いということになる。
【０００７】
一方、長周期化を図り易いばねとして、空気ばねを採用することが考えられるが、空気ばねを組み込んで免振床装置を構成するには、制御盤や各種エアー機器、配管、補助タンクなどの多数の周辺機器や部品が必要となり、このため装置のコストが高くなり、かつそれだけではなく定期点検整備や部品交換などによるランニングコストも嵩んでしまうことになる。
【０００８】
本発明は以上のような従来の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、床荷重の大小に合わせて段階的にコイルばねのばね定数を容易に設定変更することができ、しかも床とスラブとの間のクリアランスを大きくとることなく設置可能で、長周期化も図りやすい免振床装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために本発明の免振床装置は、床をその下方のスラブに対して上下変位自在に配置し、該床の荷重をこれら床とスラブとの間に介設したばね要素で支持するとともに、スラブ側から床に伝達される振動を該ばね要素で免振するようにした免振床装置において、上記ばね要素を、並列配置された高さの異なる複数のコイルばねで構成し、床荷重の増大に合わせて該床とスラブとの間で作用するコイルばねの本数を順次に増加させて、ばね要素のばね定数を段階的に高めるように構成されており、前記床は、機器類が設置される床面材と、フレームと、該フレーム上に設けられ前記床面材を支持する支持脚とを有し、前記ばね要素の両側に配置されているフレームは、該ばね要素の上半分をＵ字状に跨ぐように相互に結合されていることを特徴とする。
【００１０】
以上の構成でなる本発明の免振床装置では、床面上に載置される機器等の重量を含む床荷重が小さい時には、複数のコイルばねのうち、高さの最も高いコイルばねのみによって荷重が支持される。また、床荷重が大きくなって、設定荷重を超える毎に高さの低いばねが順次加わって当該床荷重を支持するようになる。従って、ばね要素の縮み量の増大に伴って床荷重を支持するコイルばねの数が増加するため、床荷重の変動に対するばね要素のばね定数を段階的に変化させることができる。このため、［荷重／ばね定数］の平方根に比例する床の固有周期を、床荷重の大小にかかわりなく略一定の範囲内に保たせて設定することができ、しかもばね要素の高さを低く抑えつつ長周期化を図るのが容易で、地震などの振動外力に対する免振効果を床荷重にかかわりなく可及的に向上させることができるようになる。また、前記床は、機器類が設置される床面材と、フレームと、該フレーム上に設けられ前記床面材を支持する支持脚とを有し、前記ばね要素の両側に配置されているフレームは、該ばね要素の上半分をＵ字状に跨ぐように相互に結合されているように構成したので、ばね要素を、床とスラブと間に効果的に設置できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照しつつ詳細に説明する。図１から図４は本発明の免振床装置の一実施形態を示し、図１は免振床装置の拡大断面図、図２は免振床装置のばね要素として用いるコイルばねを概略的に示す説明図、図３はばね要素の変形量と荷重変動との関係を示す特性図、図４は床面荷重と床面の固有周期との関係を示す特性図である。
【００１２】
図１に示すように本実施形態の免振床装置は、床１２をその下方の支持基盤であるスラブ１４に対して上下変位自在に配置し、これら床１２とスラブ１４との間に免振ユニット１０を介在させて、この免振ユニット１０に内蔵されたばね要素１６によりスラブ１４側から床１２に伝達される振動を免振するようになっている。
【００１３】
ここで、本実施形態における上記免振ユニット１０の基本構成としては、上記ばね要素１６を図２にも示すように、それぞれ高さと巻き径の異なる複数（本実施形態では大，中，小の３本）のコイルばね１６ａ，１６ｂ，１６ｃを並列配置して構成し、床１２上に載置される機器の重量に応じた免振ユニット１０の縮み量に合わせて当該免振ユニット１０内で作用するコイルばね１６ａ，１６ｂ，１６ｃの数を順次段階的に変化させ、もって床荷重の変動に対するばね要素１６、つまり免振ユニット１０のばね定数を段階的に設定変更する構成となっている。
【００１４】
即ち、上記免振ユニット１０は、上記ばね要素１６の下方に位置してスラブ１４に設置されるベースプレート１８と、ばね要素１６の上方に配置される上方取付け板２０とを備える。上記ベースプレート１８の中心部からはガイド支柱２２が立設されており、このガイド支柱２２の上端は上方取付け板２０の中央をその上下方向の変位を許容して貫通する。
【００１５】
上記ばね要素１６を構成する上記大コイルばね１６ａ，中コイルばね１６ｂ，小コイルばね１６ｃは、ガイド支柱２２を中心として互いに同心状に並設配置される。大コイルばね１６ａは３本のばねのうち最も外側に配置され、その自由長は３本のうち最も長く設定される。中コイルばね１６ｂは３本のばねの中間に配置され、その自由長は上記大コイルばね１６ａより短く設定される。小コイルばね１６ｃは３本のばねのうち最も内側に配置され、その自由長は３本のうち最も短く設定される。
【００１６】
上記大コイルばね１６ａと中コイルばね１６ｂおよび小コイルばね１６ｃの各上端には、それぞれガイド支柱２２に挿通されるガイド部２１ａ，３２ａ，３４ａを有する第１スプリングシート２１，第２スプリングシート３２，第３スプリングシート３４が取り付けられる。また、ベースプレート１８と上方取付け板２０とには、それぞればね要素１６の外周側を覆う筒状部１８ａ，２０ａが設けられている。
【００１７】
上記上方取付け板２０の上面には、図示する左右方向に延びる矩形の連結板２５が一体的に溶接されて立設されており、かつこの連結板２５はガイド支柱２２を避けてこれを挟むようにして図示する紙面の直交方向両側に並設されている。また、この各連結板２５の左右両側には、それぞれ側方から下方に向けて延びるＬ字状をした板材でなるフレーム連結部材２４，２４がボルトにより一体的に接合されており、この各フレーム連結部材２４，２４の下端は水平配置されるＳ造のフレーム２８，２８の一端に一体的に溶接接合されている。即ち、免振ユニット１０の左右両側に配置されている各フレーム２８，２８はそれぞれフレーム連結部材２４と連結板２５とを介して、免振ユニット１０の上方取付け板２０に結合されていて、しかも両フレーム２８，２８は上記フレーム連結部材２４，２４と連結板２５とにより、ばね要素１６の上半部をＵ字状に跨ぐようにして相互に結合されている。また、各フレーム２８，２８の他端は隣設する図外の免振ユニットに同様にフレーム連結部材等を介して結合され、両端が各々免振ユニット１０により支持されて水平配置されるようになっている。
【００１８】
また、上記上方取付け板２０には、これに螺合されてレベル調整ボルト２６が設けられ、このレベル調整ボルト２６の先端は上記大コイルばね１６ａ上端の第１スプリングシート２１に当接している。一方、上記フレーム２８の上側には支持脚３０を介して床面材１３が支持されるようになっており、床面材１３，支持脚３０，フレーム２８，フレーム連結部材２４等からなる床１２自身の荷重及び床面上に載置される機器類の荷重は、上記上部連結板２５、上方取付け板２０及びレベル調整ボルト２６を介して免振ユニット１０のスプリングシート２１に伝達されるようになっている。
【００１９】
尚、上記ガイド支柱２２の上方に位置する床面材１３には所定の面積をもって切り欠いた点検口１２ａが設けられ、この点検口１２ａは蓋１２ｂによって着脱可能に閉止されている。
【００２０】
ここで、上記ばね要素１６は、上記床面上に載置される機器の重量などを含んだ床荷重Ｆに応じてスラブ１４と第１スプリングシート２１との間で作用する本数が段階的に変化する。即ち、床荷重Ｆが第１の設定荷重Ｗａより軽く、大コイルばね１６ａの縮みに伴う第１スプリングシート２１の変位がｈ１に満たない場合には、大コイルばね１６ａのみで床荷重Ｆが支持され、この床荷重Ｆが第１の設定荷重Ｗａより重くなり、第１スプリングシート２１の変位がｈ１を超えると、そのガイド部２１ａ下端が中コイルばね１６ｂ上端の第２スプリングシート３２に当接して、大コイルばね１６ａと中コイルばね１６ｂとの２本によって床荷重Ｆが支持され、さらに床荷重Ｆが第２の設定荷重Ｗｂよりも重くなって、大コイルばね１６ａと中コイルばね１６ｂとの縮みに伴う第１スプリングシート２１の変位がｈ１＋ｈ２よりも大きくなると、第２スプリングシート３２のガイド部材３２ａ下端が小コイルばね１６ｃ上端の第３スプリングシート３４に当接して、床荷重Ｆが大コイルばね１６ａ，中コイルばね１６ｂ，小コイルばね１６ｃの３本で支持されるようになっている。
【００２１】
また、上記床荷重Ｆによるばね要素１６の縮みに相応させて、レベル調整ボルト２６の操作により第１スプリングシート２１と上方取付け板２０との間隙を調整することで、床１２の高さを所定値Ｓに設定保持する。この際、載置する機器等の重量が重く、床荷重Ｆが第１の設定荷重Ｗａや第２の設定荷重Ｗｂよりも大きくなってばね要素１６の縮み量が大きくなる場合には、それに合わせてレベル調整ボルト２６には予め十分長いものを取り付けておく。
【００２２】
以上のように本実施形態の免振床装置１０にあっては、それぞれ高さと巻き径の異なる３本のコイルばね１６ａ，１６ｂ，１６ｃで免振ユニット１０のばね要素１６を構成し、床面上に載置する機器等の重量が軽く、これらの重量を含めた床荷重Ｆが第１の設定荷重Ｗａより小さくなっているＦ＜Ｗａの時には、複数のコイルばね１６ａ，１６ｂ，１６ｃのうち最も高さの高い大コイルばね１６ａのみによって床荷重Ｆを支持し、載置機器等の重量がより重く床荷重Ｆが第１の設定荷重Ｗａより大きくかつ第２の設定荷重Ｗｂよりも小さい範囲内にあるＷａ≦Ｆ＜Ｗｂの時には、当該床荷重Ｆを大コイルばね１６ａと中コイルばね１６ｂとの２本で支持し、載置機器等の重量がさらに重く床荷重Ｆが第２の設定荷重Ｗｂを超えるＷｂ≦Ｆの時には、当該床荷重Ｆを大コイルばね１６ａ，中コイルばね１６ｂ，小コイルばね１６ｃとの３本で支持する。即ち、床面上に載置される機器等の重量に合わせて免振ユニット１０内で機能するばねの本数を変え、設定荷重Ｗａ，Ｗｂを超える毎に中コイルばね１６ｂと小コイルばね１６ｃとを順次段階的に機能させて、これら中コイル１６ｂおよび小コイルばね１６ｃのばね定数を上記大コイルばね１６ａのばね定数に付加していく。
【００２３】
ここで、図３は上記床荷重Ｆと３本のコイルばね１６ａ，１６ｂ，１６ｃからなるばね要素１６の縮み（変形）量との関係を示すもので、ばね要素１６全体としてのばね特性を表している。図示するように、ばね特性は３段の折れ線グラフとして得られる。即ち，このばね特性においてＡ点は第１スプリングシート２１が中コイルばね１６ｂ上端の第２スプリングシートに当接した点、Ｂ点はさらに第１スプリングシート２１が第２スプリングシートを介して小コイルばね１６ｃ上端の第３スプリングシートに当接した点を示し、Ｏ点からＡ点の間は大コイルばね１６ａのばね定数Ｋ1 の傾きをもった線形特性Ｐ1 となり，Ａ点からＢ点の間はこれに中コイルばね１６ｂのばね定数Ｋ2 が加わって（Ｋ1 ＋Ｋ2 ）の傾きをもった線形特性Ｐ2 となり、また、Ｂ点からＣ点の間は更に小コイルばね１６ｃのばね定数Ｋ3 が加わって（Ｋ1 ＋Ｋ2 ＋Ｋ3 ）の傾きをもった線形特性Ｐ3 となる。このため、上記ばね要素１６の全体としてのばね特性は、縮み量つまり床荷重に対してばね定数が段階的に増大する非線形ばね特性を呈することになる。
【００２４】
ところで、上記床１２の固有周期Ｔは一般に知られるように次の数式１によって得られる。なお、同式中Ｗは荷重、Ｋはばね定数、ｇは重力加速度である。
［数式１］
Ｔ＝２π（Ｗ／Ｋ・ｇ）^1/2
【００２５】
そして、数式１によって得られる固有周期Ｔと床荷重Ｆとの関係は、図４に示すような特性図となる。即ち、この周期特性図は上記図３に示した各変位点Ｏ，Ａ，Ｂ，Ｃに対応した点ｏ，ａ，ｂ，ｃがプロットされており、床荷重ＦがＷａより小さい範囲Ｆ＜Ｗａでは、ばね定数はＫ１で一定のため床荷重Ｆが大きいほど床１２の固有周期Ｔは長くなる。そして、床荷重がＷａ（ａ点）を超えるとばね定数が（Ｋ1 ＋Ｋ2 ）と高まり、これにより固有周期Ｔは一旦低下し、床荷重がＷｂ（ｂ点）に達するまでの範囲Ｗａ≦Ｆ＜Ｗｂではやはり床荷重Ｆが大きいほど固有周期Ｔは長くなる。さらに、床荷重ＦがＷｂを超えると、ばね定数は（Ｋ1 ＋Ｋ2 ＋Ｋ3 ）と更に高まって固有周期Ｔが再度低下し、このＦ≧Ｗｂの範囲でも床荷重Ｆが大きいほど固有周期は長くなる。
【００２６】
ここで、各コイルばね１６ａ，１６ｂ，１６ｃのばね定数Ｋ1 ，Ｋ2 ，Ｋ3 を例えばＫ1 ＝５．０７ｋｇ／ｍｍ，Ｋ2 ＝１．５８ｋｇ／ｍｍ，Ｋ3 ＝２．０８ｋｇ／ｍｍに設定するとともに、第１の設定荷重Ｗａ＝２２００ｋｇ，第２の設定荷重Ｗｂ＝３０００ｋｇ程度に設定すれば、床荷重Ｆが１５００〜３７００ｋｇの範囲で使用されると想定される床の固有周期Ｔを、若干上下はするものの略１．２秒前後の範囲で一定した値に自動的に収めることができる。
【００２７】
このように、載置機器等の重量の増減範囲を考慮して予め想定した通常使用範囲の床荷重Ｆに合わせて、ばね定数Ｋ1 ，Ｋ2 ，Ｋ3 と設定荷重Ｗａ，Ｗｂとを適宜決定することで、当該通常使用範囲内で床荷重Ｆが如何様に変動されても、床１２の固有周期Ｔを略１．２秒前後に長周期化させてこれをほぼ一定の範囲に自動的に維持することができ、地震等の振動外力に対して著しい免振効果を発揮させることができる。
【００２８】
ここで、載置機器の増設や移設、並びにレイアウト変更等により床荷重Ｆが変動されると、当然に床１２の沈みこみ量が変わってしまうが、床面の高さはレベル調整ボルト２６によって容易に所定の高さＳに再設定調節可能であるから、レベル調整ボルトを操作して高さ調整をおこなうだけの簡単な作業ですみ、免振ユニット１０若しくはそのばね要素１６の交換といった大がかりな作業を行う必要がない。
【００２９】
また、上記ばね要素１６は大きな床荷重Ｆを支持する際には、並設した大コイルばね１６ａ，中コイルばね１６ｂ，小コイルばね１６ｃの３本を合成して最終的なばね定数を大きくするようにしているから、ばね要素１６全体としてのばね長は比較的短く形成し得る。よって免振ユニット１０の高さを低く抑えて床面１２とスラブ１４との間隔Ｓを小さくでき、もって建物が不必要に高くなるのを防止することができ、階高に余裕の少ない既存建物に対しても長周期化を図った免振床の設置が可能となる。
【００３０】
なお、本実施形態では、ばね要素１６は大コイルばね１６ａ，中コイルばね１６ｂ，小コイルばね１６ｃの３本で構成した場合を開示したが、これに限ることなく２本または４本以上を用いて構成することもできる。
【００３１】
また、本実施形態では水平振動の免振機能を具備していない免振床装置を例示しているが、本発明はこれに限られることはなく、水平振動の免振機能をも具備して３次元方向の免振が可能な免振床装置に対しても適用し得ることは勿論のことである。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の免振床装置では、床荷重を支持する免振ユニットのばね要素を、高さの異なる複数のコイルばねを並列配置して構成したので、床荷重によるバネ要素の縮み量が増大するとこれに伴って当該床荷重を支持するコイルばねの数が順次段階的に増加することになり、床荷重変動に対するばね定数をその床荷重の大小に合わせて段階的に変化させることができる。このため、床の固有周期を床荷重の大小にかかわりなく略一定の範囲に自動的に保たせることができるようになるだけでなく、長周期化を図るのが容易になり、延いては、地震などの振動外力に対する免振効果を床荷重にかかわりなく著しく向上させることができる。また、前記床は、機器類が設置される床面材と、フレームと、該フレーム上に設けられ前記床面材を支持する支持脚とを有し、前記ばね要素の両側に配置されているフレームは、該ばね要素の上半分をＵ字状に跨ぐように相互に結合されているように構成したので、ばね要素を、床とスラブと間に効果的に設置できる。
【００３３】
また、載置機器増設や移設等に伴う床荷重の変動に応じてばね要素のばね定数は自動的に変更されるから、当該床荷重の変動に伴う床面高さをレベル調整ボルトで再調整するだけの簡単な作業ですみ、ばね要素の交換といった大がかりな作業を行う必要がない。
【００３４】
更に、大きな床荷重を支持する際には、並設した複数のコイルばねが合成された高いばね定数で床を支持するため、ばね要素全体としてのばね長を可及的に短く形成し得、もって免振床装置の高さを低く構成することが可能となり、床面と支持基盤との間の間隔を小さくして、建物が不必要に高くなるのを防止することができ、階高にあまり余裕のない既存建物にも設置することが可能になるといった各種優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の免振床装置の一実施形態を示す拡大断面図である。
【図２】本発明の免振床装置に用いられるコイルばねの一実施形態を概略的に示す説明図である。
【図３】本発明の免振床装置の一実施形態に用いられるばね要素の変形量と荷重変動との関係を示す特性図である。
【図４】本発明の免振床装置の一実施形態における床面荷重と床面の固有周期との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１０ 免振ユニット
１２ 床
１４ 支持基盤
１６ ばね要素
１６ａ 大コイルばね
１６ｂ 中コイルばね
１６ｃ 小コイルばね

Claims (1)

1. 床をその下方のスラブに対して上下変位自在に配置し、該床の荷重をこれら床とスラブとの間に介設したばね要素で支持するとともに、スラブ側から床に伝達される振動を該ばね要素で免振するようにした免振床装置において、
   上記ばね要素を、並列配置された高さの異なる複数のコイルばねで構成し、床荷重の増大に合わせて該床とスラブとの間で作用するコイルばねの本数を順次増加させて、ばね要素のばね定数を段階的に高めるように構成されており、
   前記床は、機器類が設置される床面材と、フレームと、該フレーム上に設けられ前記床面材を支持する支持脚とを有し、
   前記ばね要素の両側に配置されているフレームは、該ばね要素の上半分をＵ字状に跨ぐように相互に結合されていることを特徴とする免振床装置。

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