(57)【要約】【課題】構造物の目的用途や歩行者の平均的な歩き方に合わせて、階段の段板に生じる振動の時間的変化を最適化することにより、快適で疲労感の少ない階段構造と、その設計支援方法を提供する。【解決手段】構造物の用途や利用者に合わせて、階段歩行時の標準的な単位時間当たり歩数Ｓと、動的体重Ｗの範囲をそれぞれ設定し、上記歩数Ｓに対して心理的プリファレンス尺度値Ｐが最大となる段板の固有振動数ｆｐを設定する。この固有振動数ｆｐは、歩数Ｓの奇数倍となる。【選択図】  図３ 
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
人の昇降によって段板に生じる振動の固有振動数ｆが、当該段板上を昇降する標準的な歩行者の単位時間当たり歩数Ｓの奇数倍となされたことを特徴とする階段構造。
【請求項２】
下記手順からなることを特徴とする階段の設計支援方法。
(1) 構造物の用途や利用者に合わせて、階段歩行時の標準的な単位時間当たり歩数Ｓと、動的体重Ｗの範囲をそれぞれ設定する。
(2) 上記歩数Ｓに対して心理的プリファレンス尺度値Ｐが最大となる段板の固有振動数ｆｐを設定する。
(3) 上記固有振動数ｆｐと動的体重Ｗに対して心理的プリファレンス尺度値Ｐが最大となる段板の動的たわみ最大値δmaxを設定する。
(4) 上記固有振動数ｆｐ及び動的たわみ最大値δmaxを満たしうる段板の材質及び支持構造を決定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種構造物の階段構造と、階段の設計支援方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
階段の昇降は、足腰の弱った高齢者や体格の小さな小児のみならず、健常者にとっても大きな体力的負担を強いられる動作である。階段の昇降による疲労の蓄積は、足腰の筋肉や関節に障害をもたらす場合もある。
【０００３】
しかしながら、従来、階段の昇降を容易にするための技術としては、
・蹴上げと踏面の寸法関係をバランス良く設計すること
・握りやすい手摺りを設けること
・段板部分に滑りにくくて緩衝性のある材料を利用すること
などしか一般的には知られていない。緩衝性のある材料を用いて階段昇降時の騒音を低減させる技術は、例えば特許文献１〜３等にも開示されているが、これらの技術は歩行感を若干は改善させるものの、階段昇降時の肉体的な疲労感を低減させるものとは言い難い。
【特許文献１】特開平６−２６１６１号公報
【特許文献２】特開平９−１１９２０５号公報
【特許文献３】特開平９−２２８５９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
現在の建築設計分野においては、空間的環境が人間の脳（特に右脳）に与える影響を解明しようとする感性科学の視点が重視されるようになってきているが、本発明は上記のような事情に鑑みて、この感性科学の視点から、より快適で疲労感の少ない階段構造と、その設計支援方法を提供することを目的としている。
【０００５】
この目的を実現するため、本出願人は、階段の構造や形状という従来のような空間的要素だけでなく、人間の歩幅や歩行速度という時間的要素を加味した設計概念を導入し、構造物の目的用途や歩行者の平均的な歩き方に合わせて、階段の段板に生じる振動の時間的変化を最適化することを具体的な解決課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明では、歩行者の体重移動によって段板に生じる振動と、その固有振動数に着目する。段板に体重が加わると段板には動的たわみが生じ、体重移動による反発が生じて人体に上昇方向の力が作用するが、その振動の固有振動数を適切に選択または設計することにより、余分な体力を消耗することのない快適な昇降が可能になる。この見地から、本発明の階段構造は、人の昇降によって段板に生じる振動の固有振動数ｆを、当該段板上を昇降する標準的な歩行者の単位時間当たり歩数Ｓの奇数倍とすることを特徴としている。
【０００７】
また、本発明の階段の設計方法は、下記の手順からなることを特徴とする。
(1) 構造物の用途や利用者に合わせて、階段歩行時の標準的な単位時間当たり歩数Ｓと、動的体重Ｗの範囲をそれぞれ設定する。
(2) 上記歩数Ｓに対して心理的プリファレンス尺度値Ｐが最大となる段板の固有振動数ｆｐを設定する。
(3) 上記固有振動数ｆｐと動的体重Ｗに対して心理的プリファレンス尺度値Ｐが最大となる段板の動的たわみ最大値δmaxを設定する。
(4) 上記固有振動数ｆｐ及び動的たわみ最大値δmaxを満たしうる段板の材質及び支持構造を決定する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、従来よりも快適で疲労感の少ない階段構造を実現することができるとともに、用途や利用者の属性等に応じた階段の構造及び仕様を、経験や勘にたよらず、科学的に最適化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、上記発明について具体的に説明する。
【００１０】
歩行者の動的体重Ｗが段板の中央に加わると、段板には動的たわみδが生じる。図１のように、平行に配置された二ヶ所の支点上に平板状の段板を載置したとき、この段板に生じる動的たわみδの時間的変化を求める関数δ(ｔ)は、はりと衝突物体との接触点における局部的変形について研究したティモシェンコ（Timoshenko）の式を考慮すると、次式で表せる。
【００１１】
【数１】
2005068680.tif 000003
ここで
δs：体重Wを静的荷重としたときの静的たわみδs
ｈ：踵から段板までの落差
ｃ：段板の端部の固定状態に応じて定まる定数
Ｗs：段板の重量
Ｗ(ｔ)：人の体重の時間的変化
である。
【００１２】
なお、上記数式における静的たわみδsは、次式で表される。
【００１３】
【数２】
2005068680.tif 000004
ここで
Ｅ：段板の伸び弾性率
ａ：段板の厚み
ｂ：段板の踏面寸法
Ｌ：段板の幅方向の支持点間距離
である。
また、自重によるたわみδと、その振動の固有振動数fとの間には一定の関係があることが知られている。
【００１４】
【数３】
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そして、この固有振動数ｆが、好みや快感を示す心理的プリファレンス尺度値Ｐに大きな影響を及ぼす。図２は、固有振動数ｆの対数を横軸に、心理的プリファレンス尺度値Ｐを縦軸にとって、両者の関係を表したグラフである。ここでの心理的プリファレンス尺度値Ｐとは、多数の被検者による比較実験で、「上がりやすいか」または「下がりやすいか」の一方に回答させ、その確率により得られる値である。このような評価手法は、一対比較法としてよく知られている。
【００１５】
図示のグラフでは、システムの抵抗成分に依存する共振の鋭さＱを変化させた３種類の段板について、それぞれの心理的プリファレンス尺度値Ｐを示したが、いずれの場合でも、特定範囲の固有振動数ｆpにおいて心理的プリファレンス尺度値Ｐが最大値を示している。
【００１６】
心理的プリファレンス尺度値Ｐを最大にしうる固有振動数ｆpは、一般に歩行速度（単位時間当たりの歩数Ｓ）が増加すれば、これに伴って高くなり、図２におけるグラフの頂部が右方へ偏倚する。この場合、共振の鋭さＱを小さくすることにより、広い範囲の振動数にわたって概ね好ましい心理的プリファレンス尺度値Ｐを得ることができる。
【００１７】
心理的プリファレンス尺度値Ｐが最大となるのは、体重によって下方にたわんだ段板が反発弾性によって上方へ跳ね上がるときのタイミングと、歩行のタイミングとが好適に合致する場合である。図３は、時間(ｔ)を横軸にとって段板の動的たわみを示したグラフである。歩行者の体重が段板に加わった瞬間をｔ＝０とすると、段板には図示のような動的たわみが生じるが、上向きの復元速度が最大になるのは、段板の基本振動周期の１／２、またはその奇数倍のタイミングＴp（図中の矢印の時点）である。このＴpと歩行のタイミングとを合致させるとすると、単位時間当たりの歩数Ｓと段板の固有振動数ｆｐとの間は、次式のようになる。
【００１８】
ｆp＝（2n+1）Ｓ    （ｎ＝0,1,2…）
好ましいタイミングＴpは、高い周波数領域にも存在するから、図２に示した固有振動数ｆの分布領域において、高い周波数領域（図中の頂部よりも右側）における心理的プリファレンス尺度値Ｐの低下は顕著な問題とはならない。
【００１９】
このようにして、階段利用者の歩行速度に応じた、段板の好適な固有振動数が求められる。現実的には、階段昇降時の一般的な時間当たり歩数Ｓは毎秒１〜２歩であるから、好適な固有振動数ｆpは１〜６Hzとなる。
【００２０】
次に、この固有振動数ｆpを固定し、これに対応する動的たわみの好適値を設定する。固有振動数ｆpが一定であっても、たわみが必要以上に大きすぎたり小さすぎたりすると、昇降時に不快感や疲労感を感じることになる。そこで、これについても多数の被検者による比較実験を行って、動的たわみの最大値δmaxを変数とした心理的プリファレンス尺度値Ｐの分布を調査した。この結果を図４に示す。
【００２１】
図示のように、動的たわみの最大値δmaxを一定範囲（実際には数ｍｍの範囲内）で変化させたとき、心理的プリファレンス尺度値Ｐは略山形に分布する。これにより、段板の動的たわみの最大値δmaxについても、最も快適な最適値が求められる。
【００２２】
そして、上記のようにして得られた固有振動数ｆp、及び動的たわみの最大値δmaxに基づき、上記数式(1)及び(2)を解けば、段板の寸法や材質、支持構造等を好適に設計することができる。
【００２３】
上記した設計支援方法は、多数の被検者の平均的な心理的プリファレンス尺度値に基づいて実施されるものであるが、個人住宅のように利用者が限定される構造物においては、当該利用者個人の心理的プリファレンス尺度値に基づいて実施することもできる。また、公共施設等に設けられる幅の広い階段については、利用者の全体重に応じて単位面積あたりの動的たわみや固有振動数を検討することにより、集団歩行に対応する設計も可能である。
【００２４】
また、この発明の付加的効果として、階段昇降時の振動が構造物の躯体骨組中を伝播する際の固体音を防止することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明の階段構造及び階段の設計支援方法は、各種建築物の階段の設計や施工に幅広く活用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】段板の基本的な支持構造と、これに生じるたわみの説明図である。
【図２】段板の固有振動数ｆと心理的プリファレンス尺度値Ｐとの関係を示すグラフである。
【図３】時間と、階段の動的たわみとの関係を示すグラフである。
【図４】動的たわみの最大値と心理的プリファレンス尺度値との関係を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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