JP5403372B2 - Truss beam structure - Google Patents
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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。 The present invention relates to a structure of a truss beam suitable for application to a building that uses, for example, a computer center.
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。
As is well known, in a building that uses a computer center, there may be a plan to place an equipment floor (MR floor) for installing equipment wiring or the like on a lower floor of a reference floor (CPU floor) for installing a computer. As a structural plan in that case, a structure in which the entire equipment floor is constituted by truss beams has been proposed.
This is because the floor beams of the standard floor and the lower floor equipment floor function as upper chord material and lower chord material, respectively, and a large number of studs and braces that function as bundles and diagonal materials are installed on the equipment floor. By constructing a truss beam composed of large beams over the entire height of the equipment floor, it is possible to realize high rigidity by structurally integrating the floor of the reference floor and the floor of the equipment floor.
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。
By the way, buildings such as computer centers are required to have a high degree of earthquake resistance against huge earthquakes because of the need to prevent damage to expensive computers and damage to data. Supporting seismic isolation structures are often used, but general seismic isolation structures can cope with horizontal movement but cannot effectively cope with vertical movement.
In addition, even with the above truss structure, even if sufficient rigidity can be secured, the damping cannot be increased. Therefore, in the case of a large-span truss structure, the vertical response at the center is considerably large. Is required.
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。
As a countermeasure for this, for example, it is conceivable to install a viscoelastic damper as shown in
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。
It is also conceivable to use a vibration reduction mechanism as shown in
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。
However, the vibration reduction mechanisms shown in
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。 In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide an effective and appropriate truss beam structure capable of effectively suppressing the vertical movement by applying it as a structure of a floor beam of a building using a computer center, for example. To do.
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。
In the present invention, the floor beams of the reference floor and the lower floor are laid between the columns as the upper chord material and the lower chord material, respectively, and the intermediate pillar as the bundle material and the brace as the diagonal material are installed between the upper chord material and the lower chord material. The floor beam as the upper chord material is composed of a main body portion and bracket portions at both ends thereof, and the tip of the bracket portion is rigidly joined to the column and the bracket. The main body part is pin-joined so as to be relatively rotatable in the vertical direction with respect to the part, the upper chord material is laid between the pillars, and both ends of the floor beam as the lower chord material are rigidly joined to the pillars. In addition to installing between the columns, the intermediate column as the bundle member and the brace as the diagonal member are installed between the lower chord member and the bracket portion of the upper chord member, and the lower chord member, the bundle member and the diagonal member Main frame by bracket By configuring, the main body is capable of relative vibration in the vertical direction with respect to the main frame, and a rotary inertia mass damper and a tuning spring are connected in series between the main body and the lower chord material, and A TMD mechanism that controls the relative vibration in the vertical direction of the main body with respect to the main frame is interposed.
In the present invention, it is possible to install a plurality of TMD mechanisms and synchronize the natural frequency of each TMD mechanism with a plurality of vibration modes of the main body.
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。 According to the truss beam of the present invention, the floor beam as the upper chord material is constituted by the main body part to be damped and the bracket parts at both ends thereof, and the bracket part is rigidly joined to the main frame and the bracket part. Since the TMD mechanism composed of a rotary inertia mass damper and a tuning spring is installed between the main body and the main frame after pinning the main body, the vertical movement of the body to be controlled is controlled by the TMD mechanism. This is effective as a structure of a truss beam that integrally forms the floor beam of the reference floor of the computer center and the equipment floor below it.
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。
FIG. 1 shows an embodiment of a truss beam according to the present invention. This is an application example to a computer center, and the floor beam of the CPU floor as the reference floor and the floor beam of the MR floor as the equipment floor below it are installed between the columns as the
However, as described above, in the case of a normal truss beam in which the
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。
That is, as the floor beam of the equipment floor as the
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。
Further, a stud as a
As described above, the
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。
In addition, in the truss beam of the present embodiment, the vertical vibration of the
In the
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。
As the rotary
In the illustrated example, two TMDs adjusted to be tuned to the respective natural frequencies in order to suppress not only the primary natural frequency of the
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。
Hereinafter, specific design examples and characteristics of the truss beam according to the present invention will be described with reference to FIGS.
The truss beam shown in FIG. 1 is modeled with a wire as shown in FIG. Each member constituting the truss beam is H-shaped steel, the column is CFT (concrete-filled steel pipe column), and the cross section and dimensions of each part are shown in the figure.
The original eigenvalue analysis results of the truss beam when the
From this eigenvalue analysis, it can be seen that the
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。
Therefore, two
That is, the
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。
Seismic response analysis for vertical vibration is performed on the above model. The damping of the
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。
First, in order to grasp the vibration properties, a sweep waveform of 2 Hz to 15 Hz (130 seconds, step 0.001 second) is given as an earthquake motion, and the center point of the floor beam on the reference floor (that is, the center point of the
From the result, compared with the case of non-vibration suppression (without TMD mechanism), when only one
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。
FIG. 8 shows a comparison of the maximum acceleration at the center of the reference floor (CPU) and equipment floor (MR) by the seismic response analysis.
Moreover, the response acceleration waveform in the center part of the floor beam of a reference floor with respect to a notification wave and a Taft wave is shown in FIG. 9 and FIG.
From this result, it is possible to significantly reduce the response by installing the
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
7 TMD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
1 Upper chord (base floor floor beam)
3 Bundle materials (intermediate columns)
4 Diagonal material (brace)
5
Claims (2)
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。 The floor beam of the standard floor and the lower floor is constructed between the columns as the upper chord material and the lower chord material, respectively, and between the upper chord material and the lower chord material, the middle pillar as a bundle material and the brace as the diagonal material are installed. A truss beam structure,
The floor beam as the upper chord material is constituted by a main body portion and bracket portions at both end portions thereof, and the front end of the bracket portion is rigidly joined to the column and the main body portion is vertically oriented with respect to the bracket portion. The upper chord material is installed between the columns by pin-joining so as to be relatively rotatable,
Both ends of the floor beam as the lower chord material are rigidly joined to the columns and installed between the columns, and the intermediate columns as the bundle material and the braces as the diagonal material are arranged in the lower chord material and the upper chord material. By installing between the lower chord material, the bundle material, the diagonal material, and the bracket portion, the main frame can be relatively vibrated in the vertical direction with respect to the main frame.
A rotary inertia mass damper and a tuning spring are connected in series between the main body and the lower chord member, and a TMD mechanism that controls the relative vibration in the vertical direction of the main body with respect to the main frame is interposed. Truss beam structure characterized by that.
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