JP4891195B2 - 床の架構構造 - Google Patents

Description

本発明は、精密加工・検査等の用途に供する建物の床の架構構造に関する。

半導体製造工場などの精密加工・検査の用途に供する建物の多くには、防塵対策を施したクリーンルームが設けられ、クリーンルームの内部には精密加工・検査用の機器が設置されている。一般的に、これらの精密加工・検査用の機器は振動に弱い（いわゆる嫌振機器）ため、振動の影響を避ける構成が求められている。

振動の影響を避けるには、先ず、嫌振機器の周囲から伝播してくる振動を低減する必要がある。現状、下記３つの方法が用いられているが、それぞれ課題がある。
（１）振動源を嫌振機器から遠く離す方法。いわゆる距離減衰により振動エネルギーを吸収する方法で、構造体の縁切りなどもこの対策に含まれる。

（２）振動源を防振する方法。振動源からの加振力が構造体へ伝達する前に、弾性支持（いわゆる防振）により振動エネルギーを吸収する。
（３）嫌振機器を除振する方法。嫌振機器を弾性支持（いわゆる除振）し、制振機能を備えた除振台に載せ、構造体から嫌振機器へ振動が伝播する前に振動エネルギーを吸収する。

（１）の方法は、振動エネルギーを吸収するために、振動源からの距離の確保が必要であり、建物構造の制約が大きく、不経済である。（２）の方法は、数多くの振動源に対して個別に防振措置を施す必要があり、手間がかかると同時にコスト高となる。また、人の歩行など、防振措置がとれない振動源には対応できない。（３）の方法は、数多くの嫌振機器の全てを個別に除振する必要があり、コスト高となる。

また、嫌振機器が設置される床面のアクセレランス（単位加振力当たりの加速度応答）をスペックとして規定しているものがある。
しかし、床面のアクセレランスは床構造に起因するが、クリーンルームの床構造は、鉄骨系の構造材を用いることが多いため、床架構におけるモード減衰が小さいという特性がある。

この結果、一般的な耐震構造を用いても、共振振動数領域での振動増幅により、床面に要求されるアクセレランスを満足できないという問題がある。
尚、これらの振動に伴う問題を解決するため、構造材１（根太）の外周を柔軟性モルタル３で被覆し、構造材１を振動吸収板５で支持することで、構造材１に振動が加わった場合に、この振動を構造材１自体で吸収する構成が開示されている（特許文献１）。

しかし、特許文献１では、周囲から根太に加わる振動は低減できても、根太を支持する梁の振動は低減できないため、結果として嫌振機器には振動の影響が及ぶ。
特開平８−１６６０４２

本発明は、床面のアクセレランスを向上させると同時に、周囲から伝播する振動を低減することを目的とする。

本発明の請求項１に係る床の架構構造は、梁と、前記梁の長さ方向に渡って設けられ前記梁の上面に接合され、前記梁の振動を減衰させる減衰部材と、前記梁の長さ方向に渡って設けられ前記減衰部材の上面を全範囲に渡って覆い、該減衰部材の上面の変形を抑制する拘束板と、前記拘束板の上に所定の間隔で複数設けられ、前記梁と梁の間に架け渡されて床材を支持すると共に、端部が前記減衰部材と前記拘束板を挟んで前記梁に固定された根太と、を有することを特徴としている。

上記構成によれば、梁の長さ方向に渡って梁の上面に接合された減衰部材により、梁の振動が減衰される。減衰部材の上面には、梁の長さ方向に渡って減衰部材の全範囲に拘束板が接合されている。また、拘束板の上には床材を支持する根太が所定の間隔で複数設けられ、梁と梁の間に架け渡され、根太の端部が減衰部材と拘束板を挟んで梁に固定されている。
これにより、梁が撓んだとき、拘束板によって減衰部材の上面の変形が抑制されることによって減衰部材がずり変形し、振動エネルギーを熱エネルギーに変換して、梁の振動を減衰する。

このように、減衰部材と拘束板を、梁の長さ方向に渡って設けることで、減衰部材のずり変形が大きくなり、梁の振動減衰効果も大きくなる。
また、根太の端部が梁に固定され、根太端部の回転拘束度を高めることができる。この結果、根太の振動低減効果が高まる。
更に、減衰部材のばね要素と、根太及び床材の質量で構成される振動系の除振効果により、根太及び床材の振動を低減でき、床面のアクセレランスが向上する。

本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の床の架構構造において、前記減衰部材は、前記根太を支持する部分は硬い高剛性部材とし、前記根太を支持しない部分では、前記高剛性部材より軟らかい低剛性部材としたことを特徴としている。
上記構成によれば、根太を支持する部分を硬い高剛性部材として、周囲から根太への振動伝播を低減し、アクセレランスを向上させる。また、根太を支持しない部分では、軟らかい低剛性部材とすることで、大きくずり変形させて、梁の振動減衰効果を向上させる。

本発明の請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の床の架構構造において、前記減衰部材が、発泡ポリウレタンエラストマー又は高減衰ゴムで形成されていることを特徴としている。
これにより、想定される振動に対し、最適な減衰部材を選択することができる。

本発明は、上記構成としたので、床面のアクセレランスを向上させると同時に、周囲から伝播する振動を低減することができる。

（第1の実施の形態）
図１に示すように、本発明の床の架構構造１０は、梁１２で床の構成部材を支えている。梁１２はＨ形鋼で形成され、両端部が図示しない柱に支持されている。

梁１２のフランジ１２Ｆの上面には、梁１２の長さ方向に渡って、梁１２の振動を減衰させるシート状の減衰部材１４が設けられている。減衰部材１４は、例えば発泡ポリウレタンエラストマー又は高減衰ゴム等の剛性を有する弾性材料で形成され、フランジ１２Ｆの上面に接着接合されている。

減衰部材１４の上面には、梁１２の長さ方向に渡って、減衰部材１４の上面の変形を抑制する拘束板１６が設けられている。拘束板１６は鋼板で形成され、減衰部材１４の上面を全範囲に渡って覆い、減衰部材１４の上面に接着接合されている（図２（Ａ）参照）。

拘束板１６の上面には、床を支持する複数の根太２０が所定の間隔で架け渡されている。根太２０はＨ形鋼で形成され、下側のフランジ２０Ｆで、減衰部材１４と拘束板１６を挟んで、梁１２のフランジ１２Ｆとボルト２８で接合されている。

根太２０の上側のフランジ２０Ｆの上には、床支持脚２２が所定の間隔で配置され、床支持脚２２の上には、床材（グレーチングパネル）２４が敷かれている。

このような構成とすることにより、根太２０と、根太２０で支持する床支持脚２２と床材２４との合計された質量が、根太２０を介して弾性を有する減衰部材１４で支えられる質量−バネの振動系が形成される。この結果、床材２４で発生し根太２０に伝播した振動が、減衰部材１４の弾性によるバネ作用で減衰され、床面のアクセレランスが向上する。

また、図２（Ｂ）に示すように、梁１２に振動が加わっていない場合には、梁１２、減衰部材１４、拘束板１６には、何ら変位はない。
しかし、図２（Ｃ）に示すように、梁１２に、例えば周囲の振動が伝播し、周波数ｆで振動した場合には、梁１２には微小な曲げ変形（撓み）が繰り返される。

このとき、減衰部材１４の下面はフランジ１２Ｆの上面に接着されているため、フランジ１２Ｆと共にフランジ１２Ｆの上面と同じ量だけ変位する。
一方、減衰部材１４の上面は、拘束板１６の下面に接着されているため、拘束板１６と共に拘束板１６の下面と同じ量だけ変位する。

フランジ１２Ｆ、減衰部材１４、拘束板１６は撓み方向に一体に構成されているため、フランジ１２Ｆが振動する時の振幅に比例して、フランジ１２Ｆの変位量と、拘束板１６の変位量は異なる値となる。この変位量の差で減衰部材１４の内部には変位量の差に比例したずり変形が生じる。例えば、減衰部材１４のフランジ１２Ｆ側と減衰部材１４側とでは、フランジ１２Ｆの振幅に対応した変位量λのずり変形が生じる。この変位量λのずり変形の過程で、減衰部材１４の内部では、梁１２に加わる振動エネルギーを熱エネルギーに変換する。この結果、梁１２の振動を減衰する。

なお、本発明では、減衰部材１４と拘束板１６を、梁１２の長さ方向に渡って設けてあり、減衰部材１４の面積を大きく確保しているため、減衰部材１４のずり変形量を大きく確保でき、梁１２の振動減衰効果も大きくできる。

また、根太２０の端部を梁１２にボルト２８で固定している。これにより、根太２０の端部の回転拘束度を高めることができ、根太２０の振動低減効果が高まる。なお、梁１２をボルト２８で固定しなくても、所定の振動低減効果は得られる。

次に実験結果を用いて、本発明の効果について説明する。
図３に示すように、実験に用いた床の架構３０は、床面に置かれた梁支承材２６で梁１２の両端を支持している。梁１２は長さが２４００ｍｍのＨ形鋼（２００ｍｍ×２００ｍｍ）とされ、フランジ１２Ｆの上面には、減衰部材としての高減衰ゴム１４が、梁１２の長さ方向に渡って接合されている。

高減衰ゴム１４の上面には、拘束板としての鋼板１６が、同様に梁１２の長さ方向に渡って接合されている。
鋼板１６の上には、３本の根太２０がピッチ６００ｍｍで架け渡されている。根太２０は長さが２０００ｍｍのＨ形鋼（２００ｍｍ×２００ｍｍ）とされ、ボルト２８で梁２０のフランジ２０Ｆに固定されている。

この床の架構３０におけるアクセレランスの低減について説明する。
アクセレランスは、根太２０に加えた加振力Ｐの大きさと、加えられた加振力Ｐにより発生した根太２０の振動（加速度）を測定し、根太２０に加えた加振力Ｐが、根太２０にどの程度伝達されているかを、周波数毎に伝達関数を用いて求めた。

加振力を加える根太２０は、３本の根太２０の中で、根太２０を支持している梁１２に最も大きな振動を発生させるものという観点から、梁１２の中央部に配置された根太２０を選んだ。
また、加振力Ｐを加える位置は、根太２０に最も大きな振動を与える位置という観点から、根太２０の長さ方向の中央部を選び、加振点３４とした。

また、根太２０の加速度の測定位置は、加振力Ｐに最も近い位置とし、加振点３４に隣接する位置を選び測定点３２とした。測定点３２には加速度計（図示せず）を設置して根太２０の振動（加速度）を測定した。

根太２０への加振力Ｐは、ロードセルの付いたインパルスハンマー（図示せず）で加振点３４を叩いて与え、同時に加振力Ｐの値を測定した。根太２０が受けた衝撃により発生した加速度は、測定点３２の加速度計で測定した。

図４にアクセレランスの測定結果を示す。横軸は周波数（Ｈｚ）を、縦軸はアクセレランス（ｍ／ｓ^２／Ｎ）を示す。なお、床の架構は、床面に加えられた力を周囲に伝えにくいものが望ましく、縦軸のアクセレランスは、値が小さい程、加えられた力が伝わりにくいことを表している。

特性Ａは、従来の床の架構構造のアクセレランスを示し、特性Ｂは本発明の床の架構構造のアクセレランスを示す。
特性Ａには、２つのピークが見られる。１つは、Ａ１に示す周波数が３５Ｈｚを中心としたピークで、根太２０が受けた加振力Ｐの衝撃が梁１２に伝播し、梁１２が周波数が３５Ｈｚで大きく振動したことを示している。この時のアクセレランスの値は約０．０１ｍ／ｓ^２／Ｎであった。

他の１つは、特性Ａ２に示す周波数が７０Ｈｚを中心としたピークで、根太２０が受けた加振力Ｐの衝撃により、根太２０が周波数が７０Ｈｚで大きく振動したことを示している。この時のアクセレランスの値は、計測した中では１番大きく約０．０９ｍ／ｓ^２／Ｎであった。

特性Ｂにも、同様に、２つのピークが見られる。１つは、Ｂ１に示す周波数が３０Ｈｚを中心としたピークで、根太２０が受けた加振力Ｐの衝撃が梁１２に伝播し、梁１２が周波数３０Ｈｚで大きく振動したことを示している。この時のアクセレランスの値は約０．００４ｍ／ｓ^２／Ｎであった。

他の１つは、Ｂ２に示す周波数が５５Ｈｚを中心としたピークで、根太２０が受けた加振力Ｐの衝撃により根太２０が周波数５５Ｈｚで大きく振動したことを示している。この時のアクセレランスの値は約０．００５ｍ／ｓ^２／Ｎであった。

この結果から、根太２０が受けた加振力Ｐの衝撃が梁１２に伝播し、梁１２に伝わる振動の低減効果は、ピークＡ１とピークＢ１を比較することで求められ、本発明により、梁１２のピークＡ１は約６０％低下した。

また、根太２０が受けた加振力Ｐの衝撃により根太２０が振動する振動の低減効果は、ピークＡ２とピークＢ２を比較することで求められ、本発明により、根太２０のピークＡ２は約９４％低下した。

次に、床の架構３０における振動伝達率について説明する。
振動伝達率は、梁１２を設置した床から根太２０に伝わる振動の伝達率を意味し、伝達率の値は小さいほど、周囲から床に伝わる振動が少なく望ましい。
測定方法は、梁１２を設置した床の振動と、根太２０の振動をそれぞれ測定し、床の振動が、梁１２を経由して根太２０にどの程度伝達されているかを求めた。このとき、床には加振力は加えず、実験室の周囲環境の中で自然に発生し、実験室に伝播してくる振動をそのまま利用した。

図３に示すように、床の振動は、実験用の架構３０を設置した床面の測定点３３に加速度計（図示せず）を置き測定した。根太２０の振動は、測定点３２に加速度計（図示せず）を設置して測定した。

図５に振動伝達率の測定結果を示す。横軸は周波数（Ｈｚ）を、縦軸は振動伝達率を示す。なお、振動伝達率は、床の振動加速度と根太２０の振動加速度の比で表示しており、振動伝達率が１．０より大きい場合には、床の振動が根太２０の位置では増幅されていることを表し、振動伝達率が１．０より小さい場合には、床の振動が根太２０の位置では減衰していることを表している。

特性Ａは従来の床の架構構造での測定結果を、特性Ｂは本発明の床の架構構造での測定結果を示す。
特性Ａには、傾向として２つのピークが見られる。１つは、Ａ１に示す周波数が３５Ｈｚを中心としたピークで、梁１２が周波数３５Ｈｚで増幅されて振動していることを示している。この時の振動伝達率の値は約２０である。

他の１つは、Ａ２に示す周波数が７０Ｈｚを中心としたピークで、床の振動が、梁１２を経由して伝播し、根太２０が周波数７０Ｈｚで増幅されて振動していることを示している。この時の振動伝達率の値は約３であった。

特性Ｂも、同様に２つのピークが見られる。１つは、Ｂ１に示す周波数が２２Ｈｚを中心としたピークで、梁１２が周波数２２Ｈｚで増幅されて振動していることを示している。この時の振動伝達率の値は約２であった。
他の１つは、Ａ２に示す周波数が５０Ｈｚを中心としたピークで、床の振動が梁１２を経由して伝播し、根太２０が周波数５０Ｈｚで振動していることを示している。この時の振動伝達率の値は約１であった。

この結果から、床の振動が梁１２に伝播する振動伝達率の低減効果は、梁１２のピークＡ１とピークＢ１を比較することで得られ、本発明により、梁１２のピークＡ１の振動の約９０％が低減している。

また、床の振動が梁１２を経由して根太２０に伝播する振動伝達率の低減効果は、根太２０のピークＡ２とピークＢ２を比較することで得られ、本発明により、根太２０のピークＡ２の振動の約６７％が低減している。

（第２の実施の形態）
図６に示すように、第２の実施の形態に係る床の架構４０は、梁１２のフランジ１２Ｆの上面に、高剛性部材３６と低剛性部材３８が交互に配置されている。

高剛性部材３６は、硬く高弾性な特性を有する、例えば高弾性エラストマー、高剛性樹脂、金属系材料などの高剛性部材で形成され、根太２０を支持する位置に接着されている。
低剛性部材３８は、高剛性部材３６より軟らかく、ずり変形量の大きい特性を有する、例えば高減衰エラストマー、高減衰ゴム、シリコーンゲルなどの低剛性かつ高減衰部材で形成され、根太２０を支持しない位置に接着されている。

即ち、第２の実施の形態は、第１の実施の形態の減衰部材１４を、高剛性部材３６と低剛性部材３８で置換えたものである。他の部分の構成は、既述の第１の実施の形態と同じであり、説明は省略する。

これにより、根太２０を支持する部分では、ずり変形の確保という制約とは無関係に、質量−バネの振動系におけるバネ作用としての最適な高剛性部材３６が選択できる。この結果、高剛性部材３６の最適なバネ作用が確保でき、根太２０から梁１２に伝播する振動をより効率よく減衰できる。

更に、根太２０を支持しない部分では、弾性機能の確保という制約とは無関係に、ずり変形が大きい部材を選択でき、低剛性部材３８による梁１２の振動減衰効果を大きくできる。

なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではない。例えば、梁１２と根太２０は、Ｈ形鋼で説明したが、ボックス形鋼等、他の形鋼でもよい。また、減衰部材１４の梁１２や拘束板１６への接合は、接着としたが、減衰部材１４のずり変形が確保できる接合方法なら、他の接合方法でもよい。

本発明の第1の実施の形態に係る床の架構構造の断面図である。 本発明の第1の実施の形態に係る床の架構構造の減衰部材と拘束板の取り付け状態を示す斜視図である。 本発明の第1の実施の形態に係る実験用の床の架構構造を示す斜視図である。 本発明の第1の実施の形態に係る実験用の床の架構構造のアクセレランスの測定結果を示す図である。 本発明の第1の実施の形態に係る実験用の床の架構構造の振動伝達率の測定結果を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る床の架構構造の減衰部材と拘束板の取り付け状態を示す斜視図である。

符号の説明

１０ 床の架構構造
１２ 梁
１４ 減衰部材
１６ 拘束板
２０ 根太
３０ 実験用に床の架構構造
３６ 高剛性部材
３８ 低剛性部材

Claims (3)

1. 梁と、
   前記梁の長さ方向に渡って設けられ前記梁の上面に接合され、前記梁の振動を減衰させる減衰部材と、
   前記梁の長さ方向に渡って設けられ前記減衰部材の上面を全範囲に渡って覆い、該減衰部材の上面の変形を抑制する拘束板と、
   前記拘束板の上に所定の間隔で複数設けられ、前記梁と梁の間に架け渡されて床材を支持すると共に、端部が前記減衰部材と前記拘束板を挟んで前記梁に固定された根太と、
   を有することを特徴とする床の架構構造。
2. 前記減衰部材は、前記根太を支持する部分は硬い高剛性部材とし、前記根太を支持しない部分では、前記高剛性部材より軟らかい低剛性部材としたことを特徴とする請求項１に記載の床の架構構造。
3. 前記減衰部材は、発泡ポリウレタンエラストマー又は高減衰ゴムで形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の床の架構構造。
   

Images