(57)【要約】【課題】本発明は、特別な材料や技術、知識を必要とすることなく、住宅などの建物の変形を体験することができる構造学習体験装置を提供することを目的としている。特に簡単な構成でありながらピン接合の特性を体験可能であり、またブレースや耐震要素などの有無による躯体の変形の特性の変化を体験可能な装置とすることを目的としている。【解決手段】上記課題を解決するために、本発明にかかる構造学習体験装置の代表的な構成は、柱や梁などの主架構を、断面円筒形かつ薄肉の樹脂からなる管部材にて構成した建物の力学模型であって、一の管部材の端部を切開し、折り曲げた部分に他の管部材を接合することにより、ピン接合を再現したことを特徴とする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
柱や梁などの主架構を、断面円筒形かつ薄肉の樹脂からなる管部材にて構成した建物の力学模型であって、
一の管部材の端部を切開し、折り曲げた部分に他の管部材を接合することにより、ピン接合を再現したことを特徴とする構造学習体験装置。
【請求項２】
柱や梁などの主架構を、断面円筒形かつ薄肉の樹脂からなる管部材にて構成した建物の力学模型であって、
一の管部材の中途部で略Ｌ字状に折り曲げることにより、ピン接合を再現したことを特徴とする構造学習体験装置。
【請求項３】
前記管部材は、飲料用ストローであることを特徴とする請求項１または２記載の構造学習体験装置。
【請求項４】
前記管部材は、ポリプロピレンにて形成してなることを特徴とする請求項１または２記載の構造学習体験装置。
【請求項５】
柱脚部を設置面に対し、引き抜き方向に移動可能に取り付けたことを特徴とする請求項１または２記載の構造学習体験装置。
【請求項６】
周回する棒部材からなるクリップの一端を伸ばして周回部と突出部とを形成し、
前記周回部を前記管部材の柱脚部となる端部に圧入し、
前記突出部を設置面に対して挿入したことを特徴とする請求項１または２記載の構造学習体験装置。
【請求項７】
周回する棒部材からなるクリップの一端をステープラによって設置面に揺動可能に取り付けると共に、
前記クリップの他端を前記管部材の柱脚部となる端部に圧入したことを特徴とする請求項１または２記載の構造学習体験装置。
【請求項８】
周回する棒部材からなる２つのクリップを組み合わせ、
一方のクリップを設置面に取り付けると共に、
他方のクリップを前記管部材の柱脚部となる端部に圧入したことを特徴とする請求項１または２記載の構造学習体験装置。
【請求項９】
前記設置面は、容易に変形しうる弾性部材によって構成したことを特徴とする請求項１または２記載の構造学習体験装置。
【請求項１０】
容易に破断しうる糸状部材または帯状部材を柱と柱の間に斜めに渡すことにより、ブレースを再現したことを特徴とする請求項１または２記載の構造学習体験装置。
【請求項１１】
容易に破断しうる帯状部材の両端にクリップを取り付け、
前記クリップは周回する棒部材からなり、短辺となる直線部を備え、
前記帯状部材の両端はそれぞれクリップの前記直線部に巻き付けて取り付け、
前記両端のクリップを主架構を構成する管部材に取り付け、柱と柱の間に前記帯状部材を斜めに渡すことにより、ブレースを再現したことを特徴とする請求項１または２記載の構造学習体験装置。
【請求項１２】
両端に剛直部を備えた紐状部材を用いて、
前記剛直部を、主架構を構成する管部材の端部の開口に挿入し、柱と柱の間に紐状部材を斜めに渡すことにより、ブレースを再現したことを特徴とする請求項１または２記載の構造学習体験装置。
【請求項１３】
躯体を変形させた際に剪断応力を受ける部分に、折り曲げストローの蛇腹部分を用いたことを特徴とする請求項３記載の構造学習体験装置。
【請求項１４】
柱または梁から直交方向に突出する片持ち梁を再現すべく、
片持ち梁となる管部材と、
前記片持ち梁の固定端側に、該片持ち梁を延長する方向に取り付けられる補強梁となる管部材とを有し、
片持ち梁および補強梁となる管部材の、前記固定端において対向する端部をそれぞれ２分割し、分割した部分によって柱または梁を構成する管部材を挟み込んで接合したことを特徴とする請求項１または２記載の構造学習体験装置。
【請求項１５】
一の管部材の端部を楔状につぶし、あるいは切れ目を入れて、他の管部材の開口部に差し込むことにより、複数の管部材を直線的に連結したことを特徴とする請求項１または２記載の構造学習体験装置。
【請求項１６】
柱や梁などの主架構を、断面円筒形かつ薄肉の樹脂からなる管部材にて構成する建物の力学模型の作成方法であって、
柱梁結合のピン接合を再現する部分において、
一の方向については管部材を中途部で略Ｌ字状に折り曲げ、
他の方向については、前記折り曲げた部分に他の管部材の端部をつきあわせて粘着テープで接合することを特徴とする構造学習体験装置の作成方法。
【請求項１７】
柱や梁などの主架構を、断面円筒形かつ薄肉の樹脂からなる管部材にて構成する建物の力学模型の作成方法であって、
柱梁結合のピン接合を再現する部分において、
一の管部材の端部を切開し、
切開した部分を広げる方向に折り曲げ、
折り曲げた部分と他の管部材の端部とを粘着テープにて接合することを特徴とする構造学習体験装置の作成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、住宅などの建物の応力に対する変形について顧客に説明し、または関係者に技術教育する際に用いられる力学模型に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
住宅などの建物の躯体は柱や梁から構成されるが、特に鉄骨構造ではトラス構造、ラーメン構造、ブレース構造などが一般的である。さらには建設会社や住宅メーカーが独自に開発した「耐震要素」等のエネルギー吸収体を備えた構造もある。ここで構造力学の知識があれば理解も可能であるが、そうでなければ説明を受けてもそう簡単には理解が及ばないのが一般的である。特に１の接合部や平面上の接合部であれば比較的力の流れや変形の性状の理解も可能であるが、立体的な構造モデルの変形を考えようとすれば、専門家でなければ極めて困難であるといえる。
【０００３】
従来は、構造モデルを紙面に書いて説明することが行われていた。その場合変形や力の大きさを矢印の長さや方向で表すのが一般であるが、紙面上では実感がなく、直感的にはわかりずらいという問題があった。
【０００４】
また従来からも、物理的な構造モデルを用いて変形を体験する力学模型は存在した。例えば特開２００２−９１２９４号公報には、モノコック構造の強度体験装置について開示されている。これはゴム製の柱、梁に透明皮膜を貼設した模型体と、ゴム製の柱、梁で作成した柱支持構造を併置して、力を加えることにより比較するものである。
【０００５】
しかし上記従来例に限らず、従来の力学模型は一般に専用に作成したものであって、その形態や構成を変更するのは難しく、代表的な構成について体験するのみであった。また専用に製作するものであるため、価格も高価なものとなっていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、特別な材料や技術、知識を必要とすることなく、住宅などの建物の変形を体験することができる構造学習体験装置を提供することを目的としている。特に簡単な構成でありながらピン接合の特性を再現可能であり、またブレースや耐震要素などの有無による躯体の変形の特性の変化を体験可能な装置とすることを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明にかかる構造学習体験装置の代表的な構成は、柱や梁などの主架構を、断面円筒形かつ薄肉の樹脂からなる管部材にて構成した建物の力学模型であって、一の管部材の端部を切開し、折り曲げた部分に他の管部材を接合することにより、ピン接合を再現したことを特徴とする。これにより、複数方向の梁または柱に対して、ピン接合を再現することができる。
【０００８】
また本発明にかかる構造学習体験装置の代表的な他の構成は、柱や梁などの主架構を、断面円筒形かつ薄肉の樹脂からなる管部材にて構成した建物の力学模型であって、一の管部材の中途部で略Ｌ字状に折り曲げることにより、ピン接合を再現したことを特徴とする。これにより、上記管部材の特性を生かして、きわめて簡単にピン接合の特徴を再現することができる。
【０００９】
また、前記管部材は、飲料用ストローであることを特徴とする。これにより安価で一般的な材料を用いることができる。
【００１０】
また、前記管部材は、ポリプロピレンにて形成してなることを特徴とする。一般的に飲料用ストローにはポリスチレンまたはポリプロピレンのものが多く市販されているが、ポリプロピレンの方が弾性があり変形を体験しやすく、繰り返しの使用にも好適である。
【００１１】
また、柱脚部を設置面に対し、引き抜き方向に移動可能に取り付けたことを特徴とする。また、周回する棒部材からなるクリップの一端を伸ばして周回部と突出部とを形成し、前記周回部を前記管部材の柱脚部となる端部に圧入し、前記突出部を設置面に対して挿入することでもよい。これにより躯体に水平力を掛けた場合に、柱部に引き抜き力が作用することを体験することができる。
【００１２】
また柱脚部は、周回する棒部材からなるクリップの一端をステープラによって設置面に揺動可能に取り付けると共に、前記クリップの他端を前記管部材の柱脚部となる端部に圧入してもよい。さらに周回する棒部材からなる２つのクリップを組み合わせ、一方のクリップを設置面に取り付けると共に、他方のクリップを前記管部材の柱脚部となる端部に圧入することでもよい。これにより、柱脚部を回動自在に保持し、ピン接合を再現することができる。
【００１３】
また前記設置面は、容易に変形しうる弾性部材によって構成したことを特徴とする。これにより、模型の破壊を伴わずに柱脚部の引き抜き力を観察することができる。
【００１４】
また、容易に破断しうる糸状または帯状部材を柱と柱の間に斜めに渡すことにより、ブレースを再現したことを特徴とする。これによりブレースの有無による変形の様子の変化、およびブレースのブレースの破断による力のかかり具合を体験することができる。また、破断部分の修復も容易で、繰り返しの使用に好適である。特に帯状部材に紙テープを用いた場合、粘着テープで容易に修復することができる。
【００１５】
また、容易に破断しうる帯状部材の両端にクリップを取り付け、前記クリップは周回する棒部材からなり、短辺となる直線部を備え、前記帯状部材の両端はそれぞれクリップの前記直線部に巻き付けて取り付け、前記両端のクリップを主架構を構成する管部材に取り付け、柱と柱の間に前記帯状部材を斜めに渡すことにより、ブレースを再現したことを特徴とする。これにより粘着テープを用いることなくブレースを構成することができる。
【００１６】
また両端に剛直部を備えた紐状部材を用いて、前記剛直部を、主架構を構成する管部材の端部の開口に挿入し、柱と柱の間に紐状部材を斜めに渡すことにより、ブレースを再現したことを特徴とする。これにより、組立が簡単で、かつ繰り返し使用することのできるブレースを構成することができる。
【００１７】
また、躯体を変形させた際に剪断応力を受ける部分に、折り曲げストローの蛇腹部分を用いたことを特徴とする。蛇腹部分を用いたことにより、ストローが剪断方向への変形をすることができる。また、ストローの一部を用いることから、安価に製作することができる。
【００１８】
また、柱または梁から直交方向に突出する片持ち梁を再現すべく、片持ち梁となる管部材と、前記片持ち梁の固定端側に、該片持ち梁を延長する方向に取り付けられる補強梁となる管部材とを有し、片持ち梁および補強梁となる管部材の、前記固定端において対向する端部をそれぞれ２分割し、分割した部分によって柱または梁を構成する管部材を挟み込んで接合したことを特徴とする。片持ち梁の部分の構成の例である。
【００１９】
また、一の管部材の端部を楔状につぶし、あるいは切れ目を入れて、他の管部材の開口部に差し込むことにより、複数の管部材を直線的に連結したことを特徴とする。汎用の部材を用いると長さが限られている場合があるため、さらに長い部材を作成するための構成の例である。
【００２０】
また、本発明にかかる構造学習体験装置の作成方法の代表的な構成は、柱や梁などの主架構を、断面円筒形かつ薄肉の樹脂からなる管部材にて構成する建物の力学模型の作成方法であって、柱梁結合のピン接合を再現する部分において、一の方向については管部材を中途部で略Ｌ字状に折り曲げ、他の方向については、前記折り曲げた部分に他の管部材の端部をつきあわせて粘着テープで接合することを特徴とする。これにより、上記管部材の特性を生かして、きわめて簡単にピン接合の特徴を再現することができる。
【００２１】
また、本発明にかかる構造学習体験装置の作成方法の他の代表的な構成は、柱や梁などの主架構を、断面円筒形かつ薄肉の樹脂からなる管部材にて構成する建物の力学模型の作成方法であって、柱梁結合のピン接合を再現する部分において、一の管部材の端部を切開し、切開した部分を広げる方向に折り曲げ、折り曲げた部分と他の管部材の端部とを粘着テープにて接合することを特徴とする。これにより、複数方向の梁または柱に対して、ピン接合を再現することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
［第一実施形態］
本発明にかかる構造学習体験装置およびその作成方法の第一実施形態について説明する。
【００２３】
（全体の概略構成）
図１は、本実施形態にかかる構造学習体験装置の全体構成図である。実際の住宅などの建物は複数の部屋からなる複雑な構成をしているが、本実施形態においては１部屋分の柱、梁からなる最小構成について説明する。この最小構成のことをグリッドと称する。
【００２４】
図１に示すように、１つのグリッドは、柱１、梁２、剛床３、ブレース４、耐震要素５を備えている。本実施形態においては、柱１と梁２との接合は、ピン接合を再現するものとする。以下に、それぞれについて説明する。
【００２５】
（使用材料）
図２は使用する材料について説明する図である。柱１、梁２、耐震要素５などは、断面円筒形かつ薄肉の樹脂からなる管部材として、飲料用のストロー１０を用いる。また耐震要素５には、後述するように、蛇腹部分１１ａを有する折り曲げストロー１１も使用する。
【００２６】
ストロー１０は、一般に安価に販売されて入手容易であり、軽量で、かつ加工しやすいことが利点である。またストロー１０は円筒形であることから軸力や曲げに強いことも利点である。
【００２７】
ストロー１０の材質としては、一般的に飲料用ストローにはポリスチレンまたはポリプロピレンのものが多く市販されているが、ポリプロピレンの方が弾性があり、変形を体験しやすいため好ましい。具体的には、圧縮強さを比較すると、ポリスチレンは９８０［ｋｇ／ｃｍ２］、ポリプロピレンは４００〜５５０［ｋｇ／ｃｍ２］程度である。また曲げ弾性係数は、ポリスチレンは３．５［１０４ｋｇ／ｃｍ２］、ポリプロピレンは１．２〜２．１［１０４ｋｇ／ｃｍ２］程度とされている。これは、ポリスチレンの方が荷重に耐え、かつある時点で急激に折れる傾向にあり、逆にポリプロピレンは弾性に富み、荷重により湾曲はするが、容易には折れず、荷重を除けば復元する。従って、梁のたわみや柱の座屈を再現するためには、ポリプロピレン製の方が適している。またストロー１０の径は、５〜７ｍｍ程度であることが好ましい。あまり細いと細工しにくく、また粘着テープ１２で接合しにくいからである。
【００２８】
剛床３としては、厚紙３０やスチロール板３１を用いる。なお剛床３とは、変形しないと仮定した床面であり、躯体の設置面を想定するものである。
【００２９】
ブレース４としては、容易に破断しうる帯状部材として、紙テープ４０を用いる。なおブレースとは、柱と柱の間に斜めに渡す、いわゆる筋交いであって、面の対角にＸ字状にかけて、それぞれ引っ張り力のみに作用するものである。また、容易に破断しうる材質であることを条件に、糸４１を用いることもできる。
【００３０】
また、これらの部材をそれぞれ結合させるために、本実施形態においては粘着テープ１２を用いる。
【００３１】
（柱、梁グリッド）
次に、上記材料を用いたグリッドの構造およびその作成方法について説明する。本実施形態においてグリッドの主架構の接合部は、ピン接合を再現するものとする。
【００３２】
図３に、模型の元となるピン接合の実際の構造を示す。図に示すように鉄骨の柱１００に梁１０１を接合する場合において、柱１００にはジョイントボックス１０２が取り付けられており、これに対して梁１０１の継手１０３がボルトにより固定される。継手１０３と梁１０１のフランジ部分とは接合されておらず、曲げモーメントが伝達されないよう構成されており、構造力学的には全方向に自由に回動するピン接合と見なすことができる。
【００３３】
（第一のピン接合）
図４は管部材を用いた第一のピン接合の構成を説明する図である。図４（ａ）に示すように、まず一本のストロー１０の端部を切れ込みを入れ、約９０度折り曲げて開く。そして折り曲げた部分１０ｂに他のストロー１０をあてがい、図４（ｂ）に示すように粘着テープ１２を巻いて接合する。不要な折り曲げ部分１０ｃは切断する。
【００３４】
このように構成することにより、梁２は、柱１の軸を含む平面上で自由に回動する。また梁２は、柱１の軸と直交する平面内においても、切り開かれたストローの折り曲げた部分１０ｂの弾性により、自由に回動しうる。すなわち梁２は柱１に対し全方向に自由に回動することができ、ピン接合を再現することができる。そして図４（ｃ）に示すように、必要な数の柱１と梁２を接合し、グリッドを作成する。
【００３５】
（第二のピン接合）
図５は管部材を用いた第二のピン接合の構成を説明する図である。図５（ａ）に示すように、ストロー１０の端部近傍（端部から２ｃｍ程度の位置）で略Ｌ字状に折り曲げる。折り目である屈曲部分１０ａはつぶれて断面が略直線状となるため、断面円形を保持する他の部分よりも、曲げ剛性が著しく低下することとなる。すなわち、接合部分のみが自由に回動するピン接合を再現することが可能となるのである。
【００３６】
次に図５（ｂ）に示すように、４本のストロー１０について同様に端部近傍で折り曲げ、それぞれを順につなぎ合わせる。これがグリッド屋根面の梁２となる。そして図５（ｃ）に示すように、４つの頂点の下に、柱１となるストロー１０を配置し、図５（ｄ）に示すように粘着テープ１２を巻き付けて固定する。このとき粘着テープ１２を１重（１枚）に張り付けて接合した場合は、固定度が低いため、接合部はある程度折り曲げることができ、その動きもピン接合を再現することとなる。従ってこの構成にあっても、全方向に自由に回動しうるピン接合を再現することができる。なお、粘着テープ１２を５重以上に張り付ければ、固定度が高まるため、接合部を剛接合とし、ラーメン構造を再現することが可能となる。
【００３７】
（第三のピン接合）
図６は管部材を用いた第三のピン接合の構成を説明する図である。図６（ａ）は、梁２の中途部分に柱１がピン接合された実際の構成を説明する図である。このような接合は、図６（ｂ）に示すように、柱１となるストローと梁２となるストローとを、粘着テープ１２を巻き付けて固定することによって再現することができる。
【００３８】
（片持ち梁）
図７は管部材を用いた片持ち梁の構成を説明する図である。ベランダや大きな庇（ひさし）を再現したい場合もあるからである。
【００３９】
図７（ａ）に示すように、片持ち梁１３となるストローと、補強梁１４となるストローと、これらを支持する梁２となるストローを準備する。補強梁１４は、梁２を介して、片持ち梁１３を延長する方向に取り付けられるものである。そして、片持ち梁１３の固定端において、片持ち梁１３と補強梁１４の対向する端部をそれぞれ２分割する。
【００４０】
そして図７（ｂ）に示すように、分割した部分によって梁２を構成するストローを挟み込み、図７（ｃ）に示すように重なった部分に粘着テープ１２を巻き付けて固定する。このようにして、片持ち梁も再現することができる。
【００４１】
また、図７（ｄ）に示すように、片持ち梁１３となるストローを補強梁も兼ねる長さとし、中途部に切り込みを入れて梁２を挿入することによっても、同様に片持ち梁を再現することができる。
【００４２】
（梁の延長）
図８は、管部材を継ぎ足して延長する構成を説明する図である。汎用のストロー１０を用いると長さが限られているため、さらに長い柱１や梁２が欲しい場合があるからである。
【００４３】
継ぎ足すための一例として、図８（ａ）に示すように、一方のストロー１０の端部をつぶして楔状部分１０ｄを形成する。そして図８（ｂ）に示すように、この楔状部分１０ｄを他方のストロー１０の端部に圧入することにより、１本の長い部材とすることができる。なお、圧入しただけでもある程度の接合強度は有しているが、さらに接合部分に粘着テープ１２を巻き付けて固定することにより、接合を強固なものとすることができる。
【００４４】
また他の例として、図８（ｃ）に示すように、一方のストロー１０の端部に切れ目をいれて少し細め、他方のストロー１０の端部に圧入する。このようにすることでも、同様にストロー１０の長さを延長することができる。
【００４５】
（柱脚）
図９は、柱脚の接合について説明する図である。上述の如くして作成したグリッドは、柱脚、すなわち柱１の下端において剛床３に接合する。ここで実際の構造において柱１００は、水平方向の移動は固定されて問題とならないが、引き抜き方向の移動が問題となる。建物全体に横方向の力がかかった場合に、建物全体に生じたモーメントにより柱１００の軸方向に引き抜き力が発生する場合があるからである。そこで本実施形態の模型においても、柱１は、設置面である剛床３対して引き抜き方向に移動可能であり、かつ、水平方向には固定されるように取り付けることが好ましい。
【００４６】
図９（ａ）においては、柱１の柱脚は、剛床３（厚紙３０）の上に粘着テープ１２で張り付けて固定している。粘着テープ１２は柱１には巻き付けて張り付け、厚紙３０には単に張り付けている。また、水平方向を固定するために４方向に粘着テープ１２を張り付けることが好ましい。このように取り付けた柱１に引き抜き力がかかると、図９（ｂ）に示すように、一部の粘着テープ１２にハガレが生じる。従って、引き抜き力が発生したこと、およびその方向を知ることができる。
【００４７】
また、図９（ｃ）に示すように、柱脚を切り開き、折り曲げた部分を粘着テープ１２によって厚紙３０に張り付けることでも、同様の作用を得ることができる。さらには、図９（ｄ）に示すように剛床３としてスチロール板３１を用いて、穴３１ａを設け、柱１下端の柱脚を挿入することによりグリッドを支持するよう構成してもよい。粘着テープ１２は幾度も引き抜き力を観察するうちに粘着力を失うが、このように挿入する構成とすることによって劣化なく観察を行うことができる。
【００４８】
また、上記剛床３は変形しないと仮定した床面であったが、変形の容易な台座３２（建物の基礎に相当する）を用いて、柱脚をとりつけることでもよい。台座３２としては弾性変形容易なものであればよく、硬めのスポンジや緩衝材に用いられている発泡ポリエチレンなどを好適に用いることができる。このように構成したことにより、模型に力を加えて引き抜き力（短期の負荷軸力）が作用すると、台座３２がたわむこととなる。従って、模型の破壊を伴うことなく、引き抜き力が発生したこと、その方向、および建物の基礎に加わる外力と変形の様子を知ることができる。
【００４９】
（耐震要素）
耐震要素５とは、台風や地震によって建物に水平力が加わった際に、躯体の変形のエネルギーを剪断変形により吸収することで、建物の揺れを小さくするものである。
【００５０】
図１０は模型の元となる耐震要素の構造例を説明する図である。図１０（ａ）に示すように、耐震要素は、２本の柱１００の間に取り付けられるものであり、両側の柱１００に取り付けられ対向する蝶型フレーム１０４と、これらの蝶型フレーム１０４を接続する耐震デバイス１０５とから構成される。耐震デバイス１０５は極低降伏点鋼を用いており、変形に対して破断しにくくなっている。従って図１０（ｂ）に示すように躯体に水平力がかかって変形した場合、耐震デバイス１０５には剪断応力がかかり、剪断変形を生じる。その際に躯体に加わるエネルギーを、一般のブレースよりもはるかに効果的に吸収することができる。
【００５１】
図１１は本実施形態にかかる耐震要素の例を説明する図、図１２は耐震要素の作成例を説明する図である。図１１（ａ）に示すように、耐震要素５は、柱５０、トラス５１、減衰機構５２によって構成されている。柱５０の上部は梁２に、下部は剛床３に粘着テープ１２にて固定する。減衰機構５２には、折り曲げストロー１１の蛇腹部分を用いる。
【００５２】
図１２に示すように、減衰機構５２の端はつぶして平面部５２ａを形成し、柱５０に取り付ける。同様に、トラス５１も先端をつぶして平面部５１ａを形成し、減衰機構５２に取り付ける。このように平面部５１ａ、５２ａを形成するのは、粘着テープ１２によって張り付けた際の強度を上げるためである。またトラス５１の他端５１ｂは凹状に折り込み、柱５０にあてがった状態で粘着テープ１２によって接合する（不図示）。
【００５３】
上述の如くして形成した耐震要素５は、トラス５１と、減衰機構５２の蛇腹でない部分が強固に固定されるため、蝶型フレーム１０４と同様に、変形しないトラス構造となる。そして図１１（ｂ）に示す如く、グリッドに力を加えて変形させると、減衰機構５２に剪断応力がかかり、蛇腹部分が斜めに延びて、剪断応力がかかっていることを視覚的に観察することができる。
【００５４】
（体験できる動作）
図１３および図１４は、構造学習体験装置を用いた実験を説明する図である。まず図１３（ａ）に示すように、柱１と梁２のみを剛床３に取り付けた状態にて、力を加える。これにより、グリッドだけではぐにゃぐにゃと動くこと（地震には対抗できないこと）を体験することができる。
【００５５】
図１３（ｂ）に示すように、ブレース４を１つ取り付け、その左右方向から力を加える。これにより、ブレースのある状態とない状態の変形の差異、およびブレース４がいずれの方向に作用するか（引っ張り方向に作用すること）について体験することができる。
【００５６】
図１３（ｃ）に示すように一面の垂直ブレース（壁面のブレース４）を２つ取り付け、さまざまな方向から力を加える。これにより、垂直ブレースがいずれの方向の地震力に対して対抗しうるかを体験することができる。
【００５７】
図１３（ｄ）に示すように、対向する面の垂直ブレースを取り付け、さまざまな方向から力を加える。これにより、グリッドが平行四辺形にゆがむことを体験することができ、屋根面の変形の拘束が必要であることがわかる。
【００５８】
図１３（ｅ）に示すように、一面の垂直ブレースと、屋根面の水平ブレースとを取り付け、力を加える。そうすると、垂直ブレースを設けた面を中心にグリッドが回転することを観察することができ、建物の剛心を観察することができる。特に複数グリッドをさらに連結すれば、ブレースが偏っていると建物の剛心も偏りが生じ、剛心と重心のずれによって横揺れに対し回転方向の力を生じてしまうことを体験することができる。
【００５９】
図１３（ｆ）に示すように、さらに耐震要素５を取り付け、力を加えることにより、ブレース４と耐震要素５の動作の違いを観察することができる。ブレースについては、小さい変形に対しては堅く抵抗するが、大きい変形により延び（塑性変形）が生じると遊びができてしまい、またさらに大きな力をかけると切れてしまうことを観察することができる。耐震要素については、減衰機構５２の剪断変形を確認すると共に、大きな変形が生じても遊びが発生することなく、また減衰機構５２がねばり強くエネルギーを吸収し続けることを体験することができる。
【００６０】
図１４（ａ）に示すように、屋根面に水平ブレースのかわりに厚紙３０からなる床スラブ６を取り付け、力を加えてみる。これにより、ブレース４による剛床面と、床スラブ６による剛床面の差異を観察することができる。
【００６１】
同様に、図１４（ｂ）に示すように、垂直ブレースのかわりに厚紙３０からなる耐力壁７を取り付け、力を加えて垂直ブレースや耐震要素５との動きの差異を観察する。これにより垂直ブレースの場合と、耐力壁の場合とでの水平変位の違いを体験できる。
【００６２】
図１４（ｃ）に示すように、屋根面に荷重８を載せた状態で剛床３を水平方向に振動させ、その変形を観察する。その変形の様子に応じて垂直ブレースのを追加したり、配置を変えたりして、その効果を体験することができる。これにより、ブレース４や耐震要素５の配置のバランスを確認することができる。また、荷重の重さを変えて、同様の振動を与えて荷重の違いによる変形量の違いを確認することができる。
【００６３】
また、各接合部において粘着テープ１２を５重以上に張り付けて剛接合（ラーメン構造）を再現し、ピン接合（トラス構造）との動きの違いを体験することができる。このときストロー１０が弾性を有してたわみやすいことから、ラーメン構造におけるたわみも十分に再現することができる。
【００６４】
図１５は床ＡＬＣ板による剛床構造を再現した模型を示す図である。上記図１４（ａ）で用いた床スラブ６は屋根面全体を覆うものであったが、床ＡＬＣ板は複数枚を並べるのが通常であるため、図１５に示すように、厚紙３０からなる床板１５を複数枚配置している。
【００６５】
ここで、図１６を用いて、実際の床ＡＬＣ板を用いた剛床の構成を説明する。図１６（ａ）に示すように、床ＡＬＣ板１０６は、端部の切欠を剛床金物１０７によって位置決めし、目地に鉄筋１０８を入れて目地モルタル１０９によって充填している。鉄筋１０８の端部は剛床金物１０７に固定している。図１６（ｂ）に示すように、目地は内部が広くなるように形成されており、床ＡＬＣ板１０６の浮きを防止している。また図１６（ｃ）に示すように床ＡＬＣ板１０６表面の対向する位置に窪みを形成しており、隣接する床ＡＬＣ板１０６の窪みをあわせてコッター１１０と称する窪みが形成されている。このコッター１１０に目地モルタル１０９を充填することによって、建物の躯体がゆがむ剪断変形によって床ＡＬＣ板１０６がずれることを防止している。
【００６６】
そこで図１５に示したように、床板１５には目印１５ａを設け、床面に加わる剪断力による床板１５のずれを認識しやすくしている。そしてまずこの状態において模型に様々な方向から力を加えることにより、床板１５同士のずれの挙動を体験することができる。そして次に床板１５にまたがって粘着テープ１２を張り付け、床板１５同士のずれに粘着テープ１２が抵抗する挙動を観察することにより、コッター１１０の作用を理解することができる。
【００６７】
なお、粘着テープ１２を張り付ける場合において、床板１５同士を強固に固定してしまうと、ずれの挙動が観察しにくい。このため粘着テープ１２にある程度の硬度がある場合には、床板１５同士の隙間を５ｍｍ〜１ｃｍ程度とするのが好適である。また粘着テープ１２として伸縮性を備えたやわらかいものを用いれば、床板１５同士の隙間をさほど設けなくても床板１５同士がずれるため、ずれの挙動を容易に観察することができる。
【００６８】
［第二実施形態］
本発明に係る構造学習体験装置の第二実施形態について説明する。図１７は本実施形態に係る構造学習体験装置のピン接合を説明する図、図１８は脚注部を説明する図、図１９はブレースを説明する図であって、上記第一実施形態と説明の重複する部分については、同一の符号を付して説明を省略する。上記第一実施形態においては、梁や柱となるストロー１０を、粘着テープ１２を用いて接合していた。これに対し本実施形態では、クリップを用いて接合している。ここでクリップとは、周回する棒部材からなるクリップ（いわゆるゼムクリップ）である。
【００６９】
図１７（ａ）に示すように、まずは接合するストロー１０と同じ数のクリップ１６を組み合わせる。そしてそれぞれのクリップ１６を、ストロー１０の端部に圧入する。クリップ１６の大きさはストロー１０に挿入することによりある程度固定されるものがよく、詳しくはクリップ１６の短辺の幅が、ストロー１０の直径以上であり、かつ円周の半分以下であることが好ましい。このように構成することにより、図１７（ｂ）に示すように、各ストロー１０は接合されるが、極めて回動が自由であって、かつ分離困難に係合されている。従って、トラス模型のピン接合を忠実に再現することができる。
【００７０】
また図１７（ｃ）に示すように、一方のストロー１０（梁２）の中途部分に他のストロー１０（柱１）を接続する場合には、梁２となるストローに穴または切込１０ｅを入れて第一のクリップ１６を取り付け、これに第二のクリップ１６を組み合わせて、組み合わせた第二のクリップを柱１となるストローの端部に圧入する。
【００７１】
柱脚部においては、図１８（ａ）に示すように、クリップ１６の一端を伸ばして周回部１６ａと突出部１６ｂとを形成し、突出部１６ｂをスチロール板３１（設置面）に挿入する。そして周回部１６ａは、柱１となるストローの柱脚部となる端部に圧入する。このように構成することにより、図１８（ｂ）に示すように、柱１は回転可能であって、かつ引き抜き方向に移動可能となる。従って、模型に水平力を加えることによって引き抜き力が発生すると、突出部１６ｂがスチロール板３１から抜けて柱１が浮き上がることになるため、どこの柱に引き抜き力が発生するかを観察することができる。
【００７２】
また他の柱脚部の構成としては、図１８（ｃ）に示すように、クリップ１６の一端をステープラ１７によってスチロール板３１に取り付ける。そして図１８（ｄ）に示すように、クリップ１６は揺動可能であることから他端を引き起こし、柱１の柱脚部となる端部に圧入する。これにより、全方位に回動自在なピン接合を再現することができる。なお、本構成において引き抜き力は、クリップ１６から柱１が引き抜かれることによって観察することができる。
【００７３】
また他の柱脚部の構成としては、図１８（ｅ）に示すように、２つのクリップ１６をまず組み合わせて、一方のクリップをスチロール板３１に粘着テープ１２によって取り付ける。他方のクリップ１６は自由に揺動可能であることからこれを引き起こし、柱１の柱脚部となる端部に圧入する。このようにしても、全方位に回動自在なピン接合を再現することができる。
【００７４】
ブレース４においては、図１９（ａ）に示すように、紙テープ４０の両端にクリップ１８を取り付けている。図１９（ｂ）に示すように、クリップ１８は端部に短辺となる直線部１８ａを備えたものを用いており、この直線部１８ａに紙テープ４０を巻き付けて取り付ける。先に示したクリップ１６のように両端が湾曲したものであると紙テープ４０の端部に応力が集中し、きわめて切れやすくなってしまうためである。なお、クリップ１８としては、図１９（ｃ）に示すように全体形状が略三角形のものであってもよい。
【００７５】
［他の実施形態］
上記各実施形態においてブレース４は、紙テープ４０または糸４１を用いるよう説明したが（図２参照）、図２０（ａ）に示すように、綴じ紐１９を用いることもできる。綴じ紐１９は両端に剛直部１９ａを備えており、文具として広く市販されている。綴じ紐１９をブレースとして使用するにあたっては、柱１または梁２となるストロー１０の開口した端部に剛直部１９ａを挿入することで、係止することができる。この場合において、図２０（ｂ）に示すように第一実施形態の構成においても、図２０（ｃ）に示すように第二実施形態の構成においても、綴じ紐１９によるブレースは取り付けることができる。
【００７６】
綴じ紐１９の長さの調節は、図２０（ｄ）に示すように中途部をまとめて粘着テープ１２で留めたり、図２０（ｅ）に示すようにまとめた部分を輪ゴム２０でくくるようにしてもよい。このように構成したブレース４は、模型に水平力を加えて変形させると、力がかかる場合には張り、ちからが係らない場合には撓むので、ブレースに作用する力と弾性範囲内での変形を観察することができる。また過剰に模型が変形した場合には、綴じ紐１９は容易に破断することはないが、まとめた部分が延びる（繰り出される）ことによって塑性変形を観察することができる。このように綴じ紐１９を用いることにより、組立が簡単で、かつ繰り返し使用することのできるブレースを構成することができる。
【００７７】
【発明の効果】
上記説明した如く、本発明に係る構造学習体験装置およびその作成方法においては、断面円筒形かつ薄肉の樹脂からなる管部材にてピン接合を再現したことにより、作りながら力のかかり方や構造体の特徴を体験することができるため、専門的な知識のないものであっても実際の力学的な特徴を容易に理解することができる。また単純な構造であって、習熟すべき技術も特に要さないため、誰でも短時間かつ容易に装置を作成することができる。また材料が入手しやすく安価であり、軽くて持ち運びしやすく、作業及びプレゼンテーションの場所を選ばないという利点を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態にかかる構造学習体験装置の全体構成図である。
【図２】使用する材料について説明する図である。
【図３】模型の元となるピン接合の実際の構造を示す図である。
【図４】管部材を用いた第一のピン接合の構成を説明する図である。
【図５】管部材を用いた第二のピン接合の構成を説明する図である。
【図６】管部材を用いた第三のピン接合の構成を説明する図である。
【図７】管部材を用いた片持ち梁の構成を説明する図である。
【図８】管部材を継ぎ足して延長する構成を説明する図である。
【図９】柱脚の接合について説明する図である。
【図１０】模型の元となる耐震要素の構造例を説明する図である。
【図１１】本実施形態にかかる耐震要素の例を説明する図である。
【図１２】耐震要素の作成例を説明する図である。
【図１３】構造学習体験装置を用いた実験を説明する図である。
【図１４】構造学習体験装置を用いた実験を説明する図である。
【図１５】床ＡＬＣ板を再現した模型を示す図である。
【図１６】実際の床ＡＬＣ板を用いた床の構成を説明する図である。
【図１７】第二実施形態に係る構造学習体験装置のピン接合を説明する図である。
【図１８】脚注部を説明する図である。
【図１９】ブレースの構成を説明する図である。
【図２０】他のブレースの構成を説明する図である。
【符号の説明】
１        …柱
２        …梁
３        …剛床
４        …ブレース
５        …耐震要素
６        …床スラブ
７        …耐力壁
８        …荷重
１０        …ストロー
１０ａ    …屈曲部分
１０ｂ    …折り曲げた部分
１０ｃ    …不要な折り曲げ部分
１０ｄ    …楔状部分
１０ｅ    …切込
１１        …折り曲げストロー
１１ａ    …蛇腹部分
１２        …粘着テープ
１３        …片持ち梁
１４        …補強梁
１５        …床板
１５ａ    …目印
１６        …クリップ
１６ａ    …周回部
１６ｂ    …突出部
１７        …ステープラ
１８        …クリップ
１８ａ    …直線部
１９        …綴じ紐
１９ａ    …剛直部
２０        …輪ゴム
３０        …厚紙
３１        …スチロール板
３１ａ    …穴
３２        …台座
４０        …紙テープ
４１        …糸
５０        …柱
５１        …トラス
５１ａ    …平面部
５１ｂ    …他端
５２        …減衰機構
５２ａ    …平面部
１００      …柱
１０１      …梁
１０２      …ジョイントボックス
１０３      …継手
１０４      …蝶型フレーム
１０５      …耐震デバイス
１０６      …床ＡＬＣ板
１０７      …剛床金物
１０８      …鉄筋
１０９      …目地モルタル
１１０      …コッター
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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