ドボク模型の作成について
土屋一夫

1. はじめに藤井社長による「ドボク実験」を手伝う中で、実験用模型、及び現場の模型を作ってきました。実験模型は土石流等の再現実験や学生や子ども達に土木施設や災害のメカニズムを学んでもらうための模型です。また現場の模型は、図面だけでは分かりにくい状況を立体化することにより、多角的な視点で見て考えることができるものです。もちろん現在
では３Ｄ技術による立体映像を作ることができますが、手に取って見ることのできる模型は人の感覚に直接刺激を与えることができ、また違った発見があります。実験模型の難しいところは、実際と模型のスケールや材質の違いによる再現性の難しさです。微妙な調整を要する事もありますが、上手く再現できたときの嬉しさは格別です。

2． 各種模型等について
１)最高水位測定装置
昨年の「上野塾」において、地下水観測孔の最高水位測定装置の実験をしました。上野将司さん考案のミニカップ連続型水位計と、藤井基礎土屋の浮き型水位計の実験でした。両方とも有効であることを確認できました。土屋の浮き型水位計は、パイプ中のフロートが観測孔の水位に合わせて上昇しますが、パイプ内の逆流防止弁により下がらない仕組みです。それにより観測孔内の水位が上下してもフロートの位置を観れば最高水位が判ります。
２)砂自立実験
スチロールボードで 10cm 角の型枠を作り、その中に乾燥砂を詰めて、水の含有量による支持力実験をしました。砂で作った立方体の上に一枚300ｇのゴム板を載せて崩れ方を観ます。
□水 10g→0g(0 枚)で崩れた□水 50g→ 300g(1 枚)で崩れた□水 100g→ 600g(2 枚)で崩れた□水 150g→1200g(4 枚)で崩れた→最大枚数□水 200g→ 600g(2 枚)で崩れた
砂に水を含ませると、見かけの粘着力により支える力が大きくなります。しかし水を含みすぎると逆に支える力が小さくなります。
３)ストロー原理実験
土の粘着力は、土粒子間に付着した水の表面張力で生まれます。爪楊枝やプラスチック糸は、乾燥状態では自立しませんが、水で濡らすと強度が生まれ、硬貨を載せても自立し崩れません。ストローで原理実験をしました。ストローの接触部に水があると、ストローにくっつく力が生まれます。

４)亀裂面凹凸実験
亀裂面の凹凸により摩擦角が変化するという実験です。
1 枚目のナット上面傾斜 30 度+基本摩擦角 13 度（3 枚目）=43 度。
1 枚目：00 度→初期状態
2 枚目：40 度→
3 枚目：43 度→すべり発生時
亀裂面に凹凸があると摩擦角が大きくなるという実験です。凹凸があるとせん断時に隙間が広がります。逆を考えると、プレストレスなしの補強鉄筋でもせん断抵抗を発揮するということになります。

５)安息角砂時計
ボトルを 2 つ繋げて、安息角砂時計を作りました。
砂は全部落下せずに安息角で止まります。
安息角約 30 度、孔径 7 ㎜の場合の落下時間は 30 秒でした。
安息角約 30 度、孔径 24 ㎜の場合の落下時間は 6 秒でした。
孔の径が大きいと当然、同量の砂であれば落下時間が短くなります。
孔径が小さい方が、上下の安息角が揃いやすくなります。

６)梁実験
メラミンスポンジを梁に見立てて錘によるタワミ実験をしました。タワミの量は 100
均の簡易ノギスを使用して測ります。ノギスは最初直接貼り付けていましたが、タワミによる抵抗で動きが悪かったので、押しピンでフローティング構造にすることにより支障なく動くようになりました。また台との接点もローラー(電池)を介することにより、面でなく線で接触することになり、滑らかに動くようになりました。可動支承の原理です。

７)可動支承
長大橋の維持管理業務で可動支承の構造を調べる必要があったので、模型を作成しました。橋脚と橋桁はローラー状の可動部で支えられています。可動部分のストッパはラック＆ピニオン方式です。
見えない部分があるので、健全度をどのように判定するのかが悩みどころです。構造物に限らす、作るときに点検のしやすさを考えておくことが大事だと思います。維持管理を配慮した設計を心がけるようにします。

８)立体模型
少し厄介な取り合いを確認するために、立体模型を作成しました。杭を打つ現場の地下に既存の構造物があり、杭の位置との関係を見るために立体模型にしました。スチロール板と厚紙で既存構造物を作り、鉛筆を杭にしました。

９)二軸ジンバル
直径の違う塩ビ管二種類とボルト類を組み合わせて、二軸可動のジンバル(回転台)を作りました。ウエイトは使用済みのカメラの電池。カウンターシャフトには自転車のスポークを使っています。ヘッドには GoPro 用のマウントをアクリル板で作りました。現在では優秀な３Ｄジンバルが市販されていますが、これは全て廃品、及び手元にあったジャンク部品で作りました。

10)ロープカメラ
タミヤ模型のロープウェイを利用したロープカメラです。最初は簡単な 2 ライン式の手動式でしたが、既成の模型を改良することにより、電動化しました。安定化するためにアウトリガーを付けました。Go-Pro を取り付けてロープ上を移動して自動で帰って来ます。大型化して、前項の二軸ジンバルと組み合わせれば安定した画像が撮れます。

11)パイプ内観察用カメラ支柱
細いパイプ内に 360°カメラを入れるための支柱をアルミパイプで作りました。90 ㎝のアルミパイプを４本使い、360㎝まで伸ばすことができます。ジョイント部は内径に合ったアルミパイプで「印籠継ぎ」にしてあり、内部に先端から紐が通してあるので、パイプ内で外れたりしない様になっています。アルミパイプは 100 均で求めたもの、他の部品もありあわせのジャンク部品です。

12)簡易圧力センサー
ドボク実験で砂の圧力を見るための簡易圧力センサーを作りました。２枚の紙の表面にグラファイト(黒鉛)を塗り密着させ、グラファイト同士の密着度による抵抗値を測ります。グラファイトといえば難しそうですが、様は鉛筆の芯です。鉛筆の芯は粘土とグラファイトの混合物です。鉛筆の硬度はＨ→ＨＢ→Ｂと柔らかく濃くなっていきますが、濃いほどグラファイトの含有量が多くなりますから、Ｂ以上の鉛筆を使います。グラファイトは導電性が有るので、それを塗った面を密着させると電気が流れますが、他の金属程ではないので、密着の度合いで抵抗値が変わります。そのためそれを測ることにより簡易的に圧力を測ることができます。鰐口クリップにテスターを接続して抵抗値を測ります。材料は、厚紙、鉛筆(Ｂ以上)、リード線、鰐口クリップ、アルミ箔、粘着テープ等です。鰐口クリップのみ 100 均で購入しました。

13)バネばかり計測値ストッパ
バネばかりを使い引っ張った時の力を測ることがありますが、瞬間的なメモリを読むことは難しいです。そこでスチロール板でカーソルを作り瞬間的なメモリを残すストッパを作りました。

14)波板式段ボールクッション
鳥取の加川氏考案の「段ボールクッション」にインスパイアされて考えてみました。加川式はハニカム構造ですが、同形状の波状の段ボールを組み合わせることにより、より簡便な構造にしてみました。枚数を増やすことにより広範囲をカバーすることができますし、分解して畳めばコンパクトに持ち運びできます。開き止めの紐がありますが、設置するに当たっての開き止めであり、上からの落下を受け止めた場合は切れる程度の物です。設置後、上面に段ボールを敷きます。

15)簡易傾斜計
ドボク実験で傾斜の度合いによる変化を見ることがありますが、いちいち測らなくても良い様に傾斜計を作りました。
90°の 1/4 円弧に 10°毎のメモリを入れ、中心部から下げ振りを下すことで簡単に傾斜角度を見ることができます。精密な角度を要するわけではないので十分です。

16)実験用傾斜台
実験装置を載せて徐々に傾斜させる傾斜台です。二枚のコンパネを蝶番で繋ぎ、傾斜させる仕掛けですが、傾斜、及び固定するためにロングボルトを使いヘリコイド式の微動装置兼固定装置にしました。

3． まとめドボク模型は手に取って動かしてみたりして、感覚的に現場が理解できるように作っています。図面では判らない動き等が判ります。ドボク実験用の道具は、こんな物があれば手間が掛からないのにと考えた物です。大抵の物がジャンクや 100 均等で買った安価な部品で作ってあります。小中学校の理科・科学程度の知識があれば作れる物ばかりですから、楽しく工夫してやっています。
《参考文献、引用文献など》
1）藤井俊逸：模型で分かるドボクの秘密，日経 BP、2015．