図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る鉄骨階段を説明する。なお、本実施形態では、鉄骨造の中層建物に本発明を適用した例を説明するが、さまざまな構造や規模の新築及び改修建物への適用が可能である。鉄骨造の建物は、RC造等の建物に比べて揺れ易い構造であり、また、中低層の事務所ビルは、低コスト及び短期間での施工ニーズが高く、さらには建築計画のフレキシビリティや高いレンタブル比(=部屋の総床面積/延べ床面積)が求められるので、これらの建物に本発明を適用することが好ましい。
まず、本発明の第1の実施形態に係る鉄骨階段について説明する。
図1の斜視図に示すように、鉄骨造の中層建物10を構成する上部躯体12と、下部躯体14との間に鉄骨階段16が設けられている。例えば、この鉄骨階段16が、中層建物10の1階に設けられているものであれば、下部躯体14は1階の床スラブとなり、上部躯体12は2階の床スラブとなる。
この上部躯体12と下部躯体14は、風、環境振動、小地震等の外乱により中層建物10に水平力が作用したときに相対移動する。
鉄骨階段16は、段板18、第1桁部材20、第2桁部材22、及び粘弾性体24によって構成されている。
鉄骨階段16には、鋼製のプレートからなる複数の段板18が、斜め方向に等間隔に配置されている。
段板18の両側には鋼製のプレートからなる第1桁部材20が配置され、段板18のプレート面が略水平となるように段板18の両側を支持している。第1桁部材20は、斜めに配置された矩形の平板の上部20A及び下部20Bを水平に折り曲げた形状を有している。段板18の端部と第1桁部材20とは溶接により接合され、これにより、段板18と第1桁部材20とは一体となっている。
第1桁部材20の外側には鋼製のプレートからなる第2桁部材22が設けられている。第2桁部材22の形状は、第1桁部材20と同じである。
また、図2の平面図に示すように、第1桁部材20と第2桁部材22との間には、エネルギー吸収部材としての粘弾性体24が挟まれている。この粘弾性体24は、第1桁部材20と第2桁部材22とが相対移動をしたときに、この振動エネルギーを吸収する。なお、第1桁部材20と粘弾性体24、及び第2桁部材22と粘弾性体24は、加硫接着されている。
上部接続機構26は、図2に示すように、第1桁部材20の上部20Aと第2桁部材22の上部22Aとの間に設けられた鋼製の支持プレート30に、第1桁部材20の上部20Aと、第2桁部材22の上部22Aとをボルト34を用いて連結した機構である。
支持プレート30は、第1桁部材20の上部20Aを鉄骨階段16の内側から見た図3の拡大図に示すように、上部躯体12を支持する梁28に固定され、鉄骨階段16側に張り出している。
図2に示すように、第1桁部材20の上部20Aにはボルト34が挿入可能な長穴32が形成され、第2桁部材22の上部22Aにはボルト34のボルト穴38が形成され、支持プレート30にはボルト34のボルト穴40が形成されている。ボルト穴38、40、及び長穴32は、棒部材としてのボルト34が貫通可能となるような位置にそれぞれ形成されている。
そして、ボルト34を第1桁部材20の内側から、長穴32、ボルト穴40、ボルト穴38の順に挿入する。さらに、このボルト34を第2桁部材22の外側に突出させた状態でナット36に螺合し、ボルト34を締め付ける。
これにより、第1桁部材20の上部20Aが支持プレート30に水平移動可能に連結される。すなわち、上部接続機構26は、桁部材としての第1桁部材20の上部20Aを、躯体としての上部躯体12に水平移動可能に連結する上部連結手段となっている。
また、第2桁部材の上部は、水平方向に移動しないように支持プレート30に固定される。すなわち、上部接続機構26は、桁部材としての第2桁部材22の上部22Aを、躯体としての上部躯体12に固定する上部固定手段となっている。
このように、上部接続機構26は、上部連結手段と上部固定手段の両方の機能を兼ね備えている。
下部固定手段としての下部固定機構42は、図2に示すように、第1桁部材20の下部20Bに設けられたフランジ44を、ボルト46によって水平移動できないように下部躯体14に固定した機構である。
また、下部連結手段としての下部連結機構48は、図4の側面図に示すように、第2桁部材22の下部22Bに設けられたフランジ50と、下部躯体14とをボルト52を用いて連結した機構である。
フランジ50には長穴54が形成され、この長穴54へ挿入された棒部材としてのボルト52が下部躯体14に固定されているので、第2桁部材22の下部22Bに設けられたフランジ50が、下部躯体14に対して水平移動可能となる。すなわち、下部連結機構48は、桁部材としての第2桁部材22の下部22Bを、躯体としての下部躯体14に水平移動可能に連結する下部連結手段となっている。
次に、本発明の第1の実施形態に係る鉄骨階段の作用及び効果について説明する。
図5(A)、(B)には、図2に示した鉄骨階段16の平面図の左側半分が示されている。
中層建物10に作用する風、環境振動、及び小地震などの外乱により、図5(A)に示した上部躯体12と下部躯体14とが相対移動(矢印D1)すると、下部20Bが下部躯体14に固定されて上部20Aが上部躯体12に水平移動可能に連結された第1桁部材20と、上部22Aが上部躯体12に固定されて下部22Bが下部躯体14に水平移動可能に連結された第2桁部材22とが相対移動(矢印D2)し、図5(B)の状態になる。
このとき、第1桁部材20と第2桁部材22との間に挟まれた粘弾性体24は、せん断変形して振動エネルギーを吸収する。
これにより、中層建物10に発生する小さな振幅の揺れの変位や加速度を低減することができる。
また、従来の建物の必須構成要素である鉄骨階段に制振機能を持たせるので、建物内に新たな制振装置を設けたり、制振装置の設置スペースを確保する必要はない。よって、建物の設計自由度を阻害することなく、建物に発生する揺れの加速度や変位を低減することができる。
また、振動エネルギーを吸収するエネルギー吸収部材を粘弾性体24とすることによって、風、環境振動、及び小地震などの外乱によって建物に発生する、より小さな振幅の揺れに対しても、この揺れの加速度や変位を低減することができる。
また、長穴32、54と棒部材(ボルト34、52)により構成された上部接続機構26及び下部連結機構48を用いることによって、簡単な構造で、桁部材を躯体に水平移動可能に連結することができる。
また、段板18の端部と第1桁部材20とが溶接により接合されて、段板18と第1桁部材20とが一体になっているので、第1桁部材20の座屈強度が高められる。これにより、第1桁部材20に作用する圧縮力に対する十分な強度を第1桁部材20に与えることができる。
なお、第1の実施形態では、第1桁部材20の上部20Aと第2桁部材22の上部22Aとの間に1枚の支持プレート30を設けた上部接続機構26の例を示したが、1枚の支持プレート30だけでは十分な支持力が得られない場合には、例えば、図6のように2枚の支持プレート30によって、第1桁部材20の上部20A、及び第2桁部材22の上部22Aを外側から挟み込んだ上部接続機構56としてもよい。第1桁部材20の上部20Aと第2桁部材22の上部22Aとの間には、粘弾性体24と同じ厚さを有する鋼製のスペーサー部材60が設けられている。スペーサー部材60にはボルト穴62が形成され、このボルト穴62にボルト34が貫通している。
また、鉄骨階段16の左側半分を示した図7の平面図に示すように、2枚の支持プレート30を梁28に設け、一方の支持プレート30に第1桁部材20の上部20Aをボルト64によって水平移動可能に連結し、他方の支持プレート30に第2桁部材22の上部22Aをボルト66によって固定するようにすれば、厚さの大きいエネルギー吸収部材68を第1桁部材20と第2桁部材22との間に挟むことができる。
これによって、第1桁部材20と第2桁部材22との間に大きな相対変形が生じた場合においても、エネルギー吸収部材が追随することができるようになる。
このとき、エネルギー吸収部材68は、図7に示すように、粘弾性体70と硬質体72とを交互に積層させた構造にしてもよいし、硬質体を有さない粘弾性体としてもよい。
また、第1桁部材20の上部20Aを鉄骨階段16の内側から見た図8の拡大図に示すように、第1桁部材20の上部20Aの一部に低降伏点鋼58を設けてもよい。
図8のようにすれば、大地震等の外乱により第1桁部材20と第2桁部材22との相対移動量が許容値を超えてしまって、第1桁部材20及び第2桁部材22に過大な引張力又は圧縮力が作用したときにおいても、低降伏点鋼58が降伏して変形する。すなわち、低降伏点鋼58に変形を集中させ、粘弾性体24の損傷を防ぐことができる。
よって、中層建物10に発生する微小振幅の揺れに対しては、粘弾性体24によってこの揺れを低減し、中層建物10に発生する大振幅の揺れに対しては、低降伏点鋼58によってこの揺れを低減することができる。
第1桁部材20及び第2桁部材22の少なくとも一方の一部に低降伏点鋼58が設けられていれば、このような効果が得られる。
次に、本発明の第2の実施形態に係る鉄骨階段について説明する。
第2の実施形態は、第1の実施形態で示した鉄骨階段16を構成する第2桁部材22の外側に、第3桁部材を設けたものである。したがって、以下の説明において、第1の実施形態と同じ構成のものは、同符号を付すると共に、適宜省略して説明する。
図9には、第2の実施形態の鉄骨階段74の左側半分の平面図が示されている。第2桁部材22の外側には、第1桁部材20及び第2桁部材22と同じ形状を有する鋼製のプレートからなる第3桁部材82が設けられている。そして、第2桁部材22と第3桁部材82の間にエネルギー吸収部材としての粘弾性体24が挟まれている。なお、第2桁部材22と粘弾性体24、及び第3桁部材82と粘弾性体24は、加硫接着されている。
支持プレート30の外側には、鉄骨階段74側に張り出す鋼製の支持プレート76が梁28に固定されている。また、支持プレート76にはボルト穴78が形成され、第3桁部材82の上部82Aには長穴80が形成されている。
そして、ボルト34を第1桁部材20の内側から、長穴32、ボルト穴40、ボルト穴38、ボルト穴78、長穴80の順に挿入する。さらに、このボルト34を第3桁部材82の外側に突出させた状態でナット36に螺合し、ボルト34を締め付ける。
これにより、支持プレート30、76に対して、第1桁部材20の上部20A及び第3桁部材82の上部82Aが水平移動可能に連結され、第2桁部材22の上部22Aが水平方向に移動しないように固定される。
第1桁部材20の下部20B、及び第3桁部材82の下部82Bは、下部接続機構84によって下部躯体14に固定される。また、第2桁部材22の下部22Bは、下部接続機構84によって下部躯体14に水平移動可能に連結される。
下部接続機構84は、図9に示すように、下部躯体14にボルト86によって固定された鋼製の四角プレート88に、第1桁部材20の下部20B、及び第3桁部材82の下部82Bが固定され、これらの第1桁部材20の下部20B、及び第3桁部材82の下部82Bと、第2桁部材22の下部22Bとをボルト90を用いて連結した機構である。
第1桁部材20の下部20Bにはボルト90のボルト穴94が形成され、第2桁部材22の下部22Bにはボルト90が挿入可能な長穴92が形成され、第3桁部材82の下部82Bにはボルト90のボルト穴96が形成されている。
また、第1桁部材20の下部20Bと第2桁部材22の下部22Bとの間、及び第2桁部材22の下部22Bと第3桁部材82の下部82Bとの間には、支持プレート30、76と同じ厚さを有する鋼製のスペーサー部材98がそれぞれ設けられている。スペーサー部材98には、ボルト90のボルト穴100がそれぞれ形成されている。
そして、ボルト穴94、96、100、及び長穴92は、棒部材としてのボルト90が貫通可能となるような位置にそれぞれ形成されている。
そして、ボルト90を第1桁部材20の内側から、ボルト穴94、ボルト穴100、長穴92、ボルト穴100、ボルト穴96の順に挿入する。さらに、このボルト90を第3桁部材82の外側に突出させた状態でナット102に螺合し、ボルト90を締め付ける。
これにより、第2桁部材22の下部22Bが四角プレート88に水平移動可能に連結される。すなわち、下部接続機構84は、桁部材としての第2桁部材22の下部22Bを、躯体としての下部躯体14に水平移動可能に連結する下部連結手段となっている。
また、第1桁部材20の下部20B、及び第3桁部材82の下部82Bは、水平方向に移動しないように四角プレート88に固定されている。すなわち、下部接続機構84は、桁部材としての第1桁部材20の下部20B、及び第3桁部材82の下部82Bを、躯体としての下部躯体14に固定する下部固定手段となっている。
このように、下部接続機構84は、下部連結手段と下部固定手段の両方の機能を兼ね備えている。
また、第2桁部材22の上部22Aは、上部躯体12に対して水平方向に移動しないように固定され、かつ第2桁部材22の下部22Bは、下部躯体14に対して水平移動可能に連結されている。また、第3桁部材82の上部82Aは、上部躯体12に対して水平移動可能に連結され、かつ第3桁部材82の下部82Bは、下部躯体14に対して水平方向に移動しないように固定されている。すなわち、第2桁部材22の外側に、第2桁部材22と相対移動可能に第3桁部材82が設けられている。
次に、本発明の第2の実施形態に係る鉄骨階段の作用及び効果について説明する。
第2の実施形態では、第1の実施形態と同様の効果を発揮することができる。
また、図9に示すように、第2桁部材22の外側に、第2桁部材22と相対移動可能に第3桁部材82を設けて、この第2桁部材22と第3桁部材82との間に粘弾性体24を設けたので、第1桁部材20と第2桁部材22との間、及び第2桁部材22と第3桁部材82との間に挟まれた2つの粘弾性体24によって振動エネルギーを吸収することができる。
よって、1つの鉄骨階段74に対して4つの粘弾性体24によって振動エネルギーを吸収するので、中層建物10に発生する揺れの加速度や変位の低減効果をより高めることができる。
なお、第2の実施形態では、第1桁部材20、第2桁部材22、及び第3桁部材82の3つの桁部材を用いて、これらの桁部材同士の間のそれぞれに粘弾性体24を挟み込んだ構造の例を示したが、例えば、図10に示すような、片側に4つの桁部材を有する鉄骨階段104にしてもよい。
図10には、鉄骨階段104の左側半分の平面図が示されている。第2桁部材22の外側に第3桁部材106が設けられ、この第3桁部材106の外側に第4桁部材108が設けられている。第3桁部材106及び第4桁部材108は鋼製のプレートによって形成されており、その形状は、第1桁部材20及び第2桁部材22と同様である。
また、エネルギー吸収部材としての粘弾性体24が、第1桁部材20と第2桁部材22との間、第2桁部材22と第3桁部材106との間、及び第3桁部材106と第4桁部材108との間にそれぞれ挟まれている。なお、第1〜4桁部材と粘弾性体24は、加硫接着されている。
支持プレート30の外側には、鉄骨階段104側に張り出す鋼製の支持プレート112が梁28に固定されている。また、支持プレート112には、ボルト34のボルト穴116が形成されている。
第3桁部材106の上部106Aには長穴114が形成されている。また、第4桁部材108の上部108Aにはボルト穴118が形成されている。そして、第1桁部材20と第2桁部材22とが支持プレート30に接続されるのと同様の方法で、第3桁部材106と第4桁部材108とが支持プレート112にボルト34によって接続されている。
下部躯体14には、ボルト122によって鋼製の四角プレート124が固定されている。そして、第1桁部材20の下部20B、及び第3桁部材106の下部106Bが、この四角プレート124に水平方向に移動しないように固定されている。
第3桁部材106の下部106Bにはボルト穴120が形成されている。また、第4桁部材108の下部108Bには長穴126が形成されている。また、第1桁部材20の下部20Bと第2桁部材22の下部22Bとの間、第2桁部材22の下部22Bと第3桁部材106の下部106Bとの間、及び第3桁部材106の下部106Bと第4桁部材108の下部108Bとの間には、鋼製のスペーサー部材98が設けられている。このスペーサー部材98には、ボルト128のボルト穴100が形成されている。
そして、図9で示した下部接続機構84と同様の接続方法で、第1桁部材20の下部20B、及び第3桁部材106の下部106Bがボルト128によって四角プレート124に固定され、第2桁部材22の下部22B、及び第4桁部材108の下部108Bがボルト128によって四角プレート124に水平移動可能に連結されている。
このように、第2桁部材22の上部22A、及び第4桁部材108の上部108Aは、上部躯体12に対して水平方向に移動しないように固定され、かつ第2桁部材22の下部22B、及び第4桁部材108の下部108Bは、下部躯体14に対して水平移動可能に連結されている。また、第1桁部材20の上部20A、及び第3桁部材106の上部106Aは、上部躯体12に対して水平移動可能に連結され、かつ第1桁部材20の下部20B、及び第3桁部材106の下部106Bは、下部躯体14に対して水平方向に移動しないように固定されている。
すなわち、第4桁部材108は、第3桁部材106と相対移動可能となるように、第3桁部材106の外側に設けられている。
よって、1つの鉄骨階段104に対して6つの粘弾性体24によって振動エネルギーを吸収するので、中層建物10に発生する揺れの加速度や変位の低減効果をより高めることができる。
また、桁部材を5つ以上にして、これらの桁部材同士の間のそれぞれに粘弾性体24を挟み込んだ構造にしてもよい。
この場合には、第3桁部材の外側に複数の第5桁部材を設ける。複数の第5桁部材は互いに相対移動可能となるように第3桁部材の外側に配置する。さらに、複数の第5桁部材のうち、第3桁部材の隣りに配置された第5桁部材を、この第3桁部材と相対移動可能となるようにこの第3桁部材の外側に配置する。
そして、振動エネルギーを吸収する粘弾性体24を、第3桁部材とこの第3桁部材の隣りに配置された第5桁部材との間、及び複数の第5桁部材同士の間に挟み込む。
このようにすれば、より多くの粘弾性体24によって振動エネルギーを吸収するので、中層建物10に発生する揺れの加速度や変位の低減効果をより高めることができる。
なお、第1及び第2の実施形態では、第1桁部材22を段板18の両側から挟み込む側桁とした例を示したが、上方から段板を受けるささら桁としてもよい。
また、第1及び第2の実施形態では、第1桁部材20、第2桁部材22、第3桁部材82、106、第4桁部材108をプレートとした例を示したが、第1〜5桁部材は、剛性を有する材料によって形成されていればよい。例えば、桁部材にチャンネル部材を用いてもよい。
また、第1及び第2の実施形態では、段板18をプレートとした例を示したが、段板は、剛性を有する材料によって形成されていればよい。例えば、段板にチャンネル部材を用いてもよいし、エキスパンドメタル材を用いてもよい。
また、第1及び第2の実施形態では、第1桁部材20と段板18とを、溶接により接合した例を示したが、第1桁部材20が段板18を支持することができる接合方法であればよい。溶接やボルトによる接合方法を用いて、第1桁部材20と段板18とを剛結させれば、段板18と第1桁部材20とが一体となり、第1桁部材20の座屈強度が高められるので好ましい。
また、第1及び第2の実施形態では、桁部材と粘弾性体24を加硫接着した例を示したが、鋼板及び粘弾性体の接着が可能な接着剤を用いてもよい。加硫接着であれば、短時間で確実に接着が行えるので好ましい。
また、第1及び第2の実施形態で示した、長穴32、54、80、92、114、126の長さは、大地震時に想定される建物の層間変形量(例えば、層間変形角1/100程度)に相当する長さにすれば、大地震時における建物の層間変形に追随できる機構とすることができる。
また、第1の実施形態では、第1桁部材20の上部20Aを上部躯体12に水平移動可能に連結し、第2桁部材22の上部22Aを上部躯体12に水平方向に移動しないように固定し、第1桁部材20の下部20Bを下部躯体14に水平方向に移動しないように固定し、第2桁部材22の下部22Bを下部躯体14に水平移動可能に連結した例を示したが、これらの連結方法を全て逆にしてもよい。
具体的には、第1桁部材20の上部20Aを上部躯体12に水平方向に移動しないように固定し、第2桁部材22の上部22Aを上部躯体12に水平移動可能に連結し、第1桁部材20の下部20Bを下部躯体14に水平移動可能に連結し、第2桁部材22の下部22Bを下部躯体14に水平移動しないように固定してもよい。
すなわち、隣り合った桁部材同士において、桁部材の一方が躯体に水平移動可能に連結されている場合には、桁部材の他方は躯体に水平移動しないように固定されていればよい。このことは、第1の実施形態で示した図6、7や、第2の実施形態で示した図9、10についても同様である。
また、第1及び第2の実施形態では、桁部材(第1桁部材20の上部20A、第2桁部材22の下部22B、第3桁部材82の上部82A、第3桁部材106の上部106A、第4桁部材108の下部108B、フランジ50)側に長穴を設け、棒部材としてのボルトを躯体(支持プレート30、76、112、四角プレート84、124)側に固定した例を示したが、躯体側に長穴を設けて、桁部材側にボルトを固定してもよい。すなわち、躯体及び桁部材の一方に長穴が形成され、この長穴に挿入される棒部材が躯体及び桁部材の他方に設けられていればよい。
また、第1及び第2の実施形態で示した鉄骨階段16、74、104は、建物の上部躯体と下部躯体の間であれば、どこに配置してもよい。
また、第1及び第2の実施形態では、上部が梁28に支持され、下部が下部躯体14に直接支持されるように鉄骨階段16、74、104を設けた例を示したが、鉄骨階段16、74、104の上部が直接上部躯体に支持されるようにしてもよいし、下部躯体14を支持する梁に鉄骨階段16、74、104の下部が支持されるようにしてもよい。
以上、本発明の第1及び第2の実施形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものでなく、第1及び第2の実施形態を組み合わせて用いてもよいし、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。
(実施例)
第1の実施形態の鉄骨階段16が設けられた建物に対して地震等の外乱が作用したときに、この建物の上階に生じる応答加速度が低減されることを、複素固有値解析の手法を用いて検証した。
建物の上階に生じる応答加速度の検証は、図11、12に示す中層建物130の各階層に、図13に示す鉄骨階段16をそれぞれ2つ設けた場合について行った。
図11に示すように、地盤132上に建築された中層建物130は、高さ29mの地上10階建て鉄骨造建物である。各階の平面レイアウト及び寸法は全て同じとし、図12に示す平面レイアウト及び寸法とした。
図12に示すように、短辺方向Sの長さを5m、長辺方向Lの長さを15mとした。そして、長辺方向Lの片側に鉄骨階段16を2つ並べて配置した。
中層建物130は、東京都内に建築されたものと仮定し、再現期間1年の風速(1年間に発生する可能性のある風の最大値)を18m/s、粗度区分をIV、短辺方向Sの1次振動数fを1.47Hzとした。
また、中層建物130の各階の剛性及び重量は、表1に示す値とした。中層建物130のトータル重量は、8,636kNとなっている。
図13に示すように、鉄骨階段16を構成する第1桁部材20及び第2桁部材22を鋼製のプレートとし、この第1桁部材20及び第2桁部材22の幅W
2を30cm、厚さt
2を1.6cm、ヤング率Eを2,100ton/cm
2とした。
また、第1桁部材20の下部20B、及び第2桁部材22の下部22Bの下辺の長さY1を80cm、第1桁部材20の中間部20C、及び第2桁部材22の中間部22Cの上辺及び下辺の長さY2を228cm、第1桁部材20の上部20A、及び第2桁部材22の上部22Aの下辺の長さY3を40cmとした。
また、下部躯体14の上面から第1桁部材20の上部20A、及び第2桁部材22の上部22Aの下辺までの長さZ2を140cmとすることによって、第1桁部材20の中間部20C、及び第2桁部材22の中間部22Cの下辺の長さY2を下部躯体14面上に投影した長さY5は180cmとなっている。
また、第1桁部材20と第2桁部材22との間に挟まれた粘弾性体24の長さY4を、中間部20C、22Cの長さY2と同じ228cmとした。そして、この粘弾性体24の幅W4を25cm(面積A=Y4×W4=228×25=5,700cm2)、厚さt4を0.9cmとし、この粘弾性体24の有する等価せん断剛性Gを2.0kg/cm2、等価減衰係数hを0.3とした。
図13に示した鉄骨階段16の第1桁部材20、第2桁部材22、及び粘弾性体24からなる構造は、図14に示す桁部材モデル134として表現することができる。
桁部材モデル134は、段板18の左右両側に配置された第1桁部材20、第2桁部材22、及び粘弾性体24のうち、片側に配置された第1桁部材20、第2桁部材22、及び粘弾性体24に相当する解析モデルである。
桁部材モデル134は、第1桁部材20の下部20Bの部材モデル136、第1桁部材20の中間部20Cの下半分と第2桁部材22の中間部22Cの上半分とからなる部材モデル138、粘弾性体24の部材モデル140、及び第2桁部材22の上部22Aの部材モデル142を直列につなげたモデルとして表現されている。
部材モデル136におけるバネ定数K1(=E×t2×W2/Y1=2,100×1.6×30/80)は、1,260ton/cmとなる。
部材モデル138におけるバネ定数K2(=E×t2×W2/Y2=2,100×1.6×30/228)は、442ton/cmとなる。
部材モデル142におけるバネ定数K3(=E×t2×W2/Y3=2,100×1.6×30/40)は、2,520ton/cmとなる。
よって、部材モデル136、138、142を直列につなげたバネ定数は290ton/cmとなる。ここで、第1桁部材20及び第2桁部材22は、段板18の左右両側に配置されているので、1つの鉄骨階段16全体における第1桁部材20及び第2桁部材22のバネ定数Kpは、290ton/cmの2倍の580ton/cmとなる。
部材モデル140における粘弾性体24の剛性K4(=G×A/t4=2.0×5,700/0.9)は、12.67ton/cmとなる。
また、部材モデル140における粘弾性体24の減衰定数C4(=K4×h/(π×f)=12.67×0.3/(π×1.47))は、0.823ton/cmとなる。
ここで、粘弾性体24は、段板18の左右両側に配置されているので、1つの鉄骨階段16全体における粘弾性体24のバネ定数Krは、K4(=12.67ton/cm)の2倍の25.34ton/cmとなり、1つの鉄骨階段16全体における粘弾性体24の減衰定数Crは、C4(=0.823ton/cm)の2倍の1.646ton/cmとなる。
図15(A)に示すように、例えば3階建ての一般的な建物144に鉄骨階段16を設ける場合には、踊り場146を介して2つの鉄骨階段16を各階層148A〜148Cに配置させることが多い。
地震等により、このような建物144の上階が矢印Nの水平方向に変位すると、図15(B)に示すように、各階層148A〜148Cの上方に配置された鉄骨階段16には引張力P1が作用し、各階層148A〜148Cの下方に配置された鉄骨階段16には圧縮力P2が作用する。
また、建物144の上階が矢印Nと反対の水平方向に変位すると、各階層148A〜148Cの上方に配置された鉄骨階段16には圧縮力P2が作用し、各階層148A〜148Cの下方に配置された鉄骨階段16には引張力P1が作用する。
よって、図14に示した桁部材モデル134を用いて図15(B)における1つの階層の状態をモデル化すると、図16に示す1階層分の鉄骨階段モデル150となる。
鉄骨階段モデル150は、圧縮力P2が作用している桁部材モデル152と、引張力P1が作用している桁部材モデル154とを直列につなげたモデルとして表現される。
圧縮力P2が作用している桁部材モデル152と、引張力P1が作用している桁部材モデル154とは、共に同じモデルであり、図14の桁部材モデル134で求めたバネ定数Kpに、バネ定数Krと減衰定数Crとを並列接続したモデルが直列につなげられている。
まず、図16に示した1階層分の鉄骨階段モデル150を各階層に配置した図11の中層建物130において、粘弾性体24によって付加される減衰は、複素固有値解析を用いて算出すると1.11%となる。よって、図11の中層建物130であれば、第1の実施形態の鉄骨階段16によって十分な減衰を付加できることがわかった。
なお、このとき中層建物130の振動数は、表2に示すように、制振前に1.46Hzであったものが、制振後には1.48Hzになった。表2に示されている制振前とは、粘弾性体が設けられていない従来の鉄骨階段を配置した中層建物130に地震等の振動が発生していないときの状態のことであり、表2に示されている制振後とは、第1の実施形態の鉄骨階段16を配置した中層建物130に地震等の振動が発生しているときの状態のことである。
次に、日本建築学会の建築物荷重指針・同解説(2004年)に従って、再現期間1年の風荷重に対する居住性の検討を行った。
図16に示した1階層分の鉄骨階段モデル150を各階層に配置した図11の中層建物130において、制振前の1次モード減衰を1%とすれば、先に述べた複素固有値解析を用いた算出結果により粘弾性体24によって付加される減衰は1.11%となるので、制振後の減衰は2.11%(=1%+1.11%)となる。
このとき、中層建物130の10階部分の加速度は、表2に示すように、制振前に2.76cm/s2であったものが、制振後には1.90cm/s2になった。このように、第1の実施形態の鉄骨階段16に設けられた粘弾性体24による剛性の増加は微小であるが、中層建物130の10階部分の加速度を0.69倍(=1.90/2.76)にすることができる。
これを、図17に示した振動数に対する加速度のグラフに表すと、制振前の10階部分の加速度は値156、制振後の10階部分の加速度は値158となる。
評価ライン160、162、164、166、168は、居住性評価ランクの境界線であり、評価ライン160、162、164、166、168は、それぞれH−10、H−30、H−50、H−70、H−90に対応している。H−の後の数字は、加速度を感じる人の割合い(%)を示している。例えば、H−10は、10%の人が感じる加速度のことであり、H−70は、70%の人が感じる加速度のことである。
値158は、値156に対して、評価ライン166を介して上のランクの領域に移動しているので、居住性評価ランクは1ランク改善されていることになる。
本実施例からわかるように、第1の実施形態の鉄骨階段16は、風、環境振動、小地震等により建物に発生する小さな振幅の揺れの加速度を低減して、建物の上階における居住性を改善することができる。