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JP4408657B2 - Structure learning experience apparatus and method for creating the same - Google Patents
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Description

【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、直感的にはわかりづ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、前記管部材で構成した柱の柱脚部を、粘着テープを用いて、設置面に取り付けたことを特徴とする。また、前記管部材で構成した柱の柱脚部を、設置面に設けた穴に挿入して、該設置面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】
また前記柱脚部は、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前記管部材で構成した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、前記管部材で構成した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、前記管部材で構成した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耐震要素の部分に、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[kg/cm2]、ポリプロピレンは1.2〜2.1[kg/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101の中途部分に柱100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に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、図2に示す折り曲げストロー11の蛇腹部分11a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4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5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7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10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16を柱1となるストロー10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10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1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16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),(b)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、図20(b),(c)に示すように、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、力が係らない場合には撓むので、ブレース4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
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a dynamic model used when explaining deformation to a stress of a building such as a house or providing technical education to a related person.
[0002]
[Prior art]
The frame of a building such as a house is composed of pillars and beams. In particular, a truss structure, a ramen structure, a brace structure, etc. are generally used for steel structures. In addition, there are structures equipped with energy absorbers such as “earthquake resistant elements” developed independently by construction companies and housing manufacturers. If there is knowledge of structural mechanics here, it is possible to understand, but otherwise it will not be easy to understand even if explanation is received. In particular, if the joint is one or a joint on a plane, it is possible to understand relatively the flow of force and the nature of the deformation, but if you are thinking about deformation of a three-dimensional structural model, you are not an expert. It can be said that it is extremely difficult.
[0003]
Conventionally, a structural model has been described on paper. In this case, the magnitude of deformation and force is generally expressed by the length and direction of the arrow, but there is a problem that there is no real feeling on the page and it is difficult to understand intuitively.
[0004]
In the past, there have been mechanical models that experience deformation using physical structural models. For example, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2002-91294 discloses a monocoque structure strength experience device. This is a comparison between a model body in which a transparent film is pasted on a rubber column and beam, and a column support structure made of a rubber column and beam, and a force applied.
[0005]
However, the present invention is not limited to the above-described conventional example. Conventional mechanical models are generally created exclusively, and it is difficult to change the form and configuration, and only a typical configuration is experienced. Moreover, since it was manufactured exclusively, the price was also expensive.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a structural learning experience device that can experience the deformation of a building such as a house without requiring special materials, techniques, and knowledge. In particular, it is intended to provide a device that can reproduce the characteristics of pin joints with a simple structure and that can experience changes in the deformation characteristics of the frame depending on the presence or absence of braces or seismic elements.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, a typical structure of the structural learning experience apparatus according to the present invention is the dynamics of a building in which a main frame such as a column or a beam is formed by a tubular member made of a cylindrical cross section and a thin resin. The model is characterized in that pin joining is reproduced by incising an end portion of one tube member and joining another tube member to the bent portion. Thereby, pin joint can be reproduced with respect to beams or columns in a plurality of directions.
[0008]
Another typical configuration of the structural learning experience device according to the present invention is a dynamic model of a building in which a main frame such as a column or a beam is formed by a pipe member made of a cylindrical resin and a thin resin, It is characterized in that the pin joint is reproduced by bending it in a substantially L shape in the middle of one pipe member. Thereby, the characteristic of pin joining can be reproduced very easily by making use of the characteristics of the pipe member.
[0009]
The tube member is a drinking straw. Thereby, an inexpensive and general material can be used.
[0010]
The tube member is formed of polypropylene. In general, many drinking straws are made of polystyrene or polypropylene, but polypropylene is more elastic and more easily deformed and is suitable for repeated use.
[0011]
Also, Of the pillar made of the pipe member The column base , Using adhesive tape, Installation surface Tori It is characterized by having been attached. Moreover, the column base part of the column comprised with the said pipe member is inserted in the hole provided in the installation surface, and was attached to this installation surface, It is characterized by the above-mentioned. Further, one end of a clip made of a rotating rod member is extended to form a rotating portion and a protruding portion, the rotating portion is press-fitted into an end portion that becomes a column base portion of the tube member, and the protruding portion is set on an installation surface. Alternatively, it may be inserted. Thereby, when a horizontal force is applied to the housing, it is possible to experience that a pulling force acts on the pillar portion.
[0012]
Also Said The column base may be attached to one end of a clip made of a rotating bar member on a mounting surface by a stapler so as to be swingable, and the other end of the clip may be press-fitted into an end serving as a column base of the tube member. . Furthermore, it is also possible to combine two clips made of rotating rod members, attach one clip to the installation surface, and press-fit the other clip into the end portion that becomes the column base portion of the tube member. Thereby, a column base part can be held rotatably and pin joint can be reproduced.
[0013]
Further, the installation surface is constituted by an elastic member that can be easily deformed. Thereby, it is possible to observe the pull-out force of the column base without breaking the model.
[0014]
Also, a thread-like or belt-like member that can be easily broken Made of the pipe member The brace is reproduced by passing diagonally between the pillars. As a result, it is possible to experience the change in the state of deformation due to the presence or absence of the brace and the force applied by the break of the brace. Moreover, the repair of a broken part is easy and suitable for repeated use. In particular, when a paper tape is used for the belt-shaped member, it can be easily restored with an adhesive tape.
[0015]
Also, clips are attached to both ends of the belt-like member that can be easily broken, the clip is composed of a bar member that circulates, and has a straight portion that is a short side, and both ends of the belt-like member are wound around the straight portion of the clip. Attaching, attaching the clips at both ends to the pipe member constituting the main frame, Made of the pipe member The brace is reproduced by passing the belt-like member diagonally between the columns. Thereby, a brace can be comprised, without using an adhesive tape.
[0016]
Further, using a string-like member provided with rigid portions at both ends, the rigid portion is inserted into the opening of the end portion of the pipe member constituting the main frame, Made of the pipe member The brace is reproduced by passing the string-like member diagonally between the columns. As a result, a brace that is easy to assemble and can be used repeatedly can be configured.
[0017]
In addition, the bellows portion of the bent straw is used as the portion of the seismic element that receives the shear stress when the casing is deformed. By using the bellows portion, the straw can be deformed in the shear direction. Further, since a part of the straw is used, it can be manufactured at low cost.
[0018]
Further, in order to reproduce a cantilever projecting in a perpendicular direction from a column or a beam, a tube member that becomes a cantilever and a reinforcement that is attached to the fixed end side of the cantilever in the direction of extending the cantilever A pipe member that serves as a beam, and divides the opposite ends of the tube member that serves as a cantilever beam and a reinforcing beam into two parts, and sandwiches the pipe member that constitutes the column or beam between the divided parts. It is characterized by being joined by. It is an example of a structure of the part of a cantilever.
[0019]
Further, the plurality of pipe members are linearly connected by crushing the end of one pipe member into a wedge shape or making a cut and inserting it into the opening of another pipe member. Since a length may be limited when a general-purpose member is used, this is an example of a configuration for creating a longer member.
[0020]
In addition, a typical configuration of the method for creating a structural learning experience apparatus according to the present invention is to create a mechanical model of a building in which a main frame such as a column or a beam is formed of a tubular member made of a cylindrical cross-section and a thin resin. In the method of reproducing the pin connection of the column beam connection, the tube member is bent in a substantially L shape in the middle in one direction, and the other tube member is added to the bent portion in the other direction. It is characterized in that the end portions of the two are joined together with an adhesive tape. Thereby, the characteristic of pin joining can be reproduced very easily by making use of the characteristics of the pipe member.
[0021]
In addition, another typical configuration of the method for creating the structural learning experience device according to the present invention is a dynamic model of a building in which a main frame such as a column or a beam is formed by a tubular member made of a cylindrical cross section and a thin resin. In the part that reproduces the pin connection of the column beam connection, the end part of one pipe member is incised, and the incised part is bent in the direction of expanding, and the bent part and the end part of another pipe member Are bonded with an adhesive tape. Thereby, pin joint can be reproduced with respect to beams or columns in a plurality of directions.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[First embodiment]
A first embodiment of a structural learning experience apparatus and a method for creating the same according to the present invention will be described.
[0023]
(Overall schematic configuration)
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a structural learning experience apparatus according to the present embodiment. An actual building such as a house has a complicated configuration including a plurality of rooms. In the present embodiment, a minimum configuration including columns and beams for one room will be described. This minimum configuration is called a grid.
[0024]
As shown in FIG. 1, one grid includes a column 1, a beam 2, a rigid floor 3, a brace 4, and a seismic element 5. In the present embodiment, the connection between the column 1 and the beam 2 reproduces the pin connection. Each will be described below.
[0025]
(Materials used)
FIG. 2 is a view for explaining materials to be used. The column 1, the beam 2, the seismic element 5, etc. use a drinking straw 10 as a pipe member made of a resin having a cylindrical cross section and a thin wall. Further, as will be described later, a bending straw 11 having a bellows portion 11a is also used for the earthquake resistant element 5.
[0026]
The straw 10 is advantageous in that it is generally sold at a low price and easily available, and is lightweight and easy to process. Moreover, since the straw 10 is cylindrical, it is also advantageous to be strong against axial force and bending.
[0027]
As a material of the straw 10, generally, many beverage straws are commercially available in polystyrene or polypropylene. However, polypropylene is preferable because it has elasticity and is easy to experience deformation. Specifically, when comparing compressive strength, polystyrene is 980 [kg / cm 2 ], 400-550 [kg / cm for polypropylene 2 ] About. The flexural modulus is 3.5 [kg / cm for polystyrene. 2 ], Polypropylene 1.2-2.1 [kg / cm 2 ] About. This is because polystyrene tends to withstand the load and bend more rapidly at a certain point. On the contrary, polypropylene is rich in elasticity and bends due to the load, but is not easily broken and is restored when the load is removed. Accordingly, polypropylene is more suitable for reproducing the deflection of the beam and the buckling of the column. The diameter of the straw 10 is preferably about 5 to 7 mm. This is because if it is too thin, it is difficult to work and it is difficult to bond with the adhesive tape 12.
[0028]
As the hard floor 3, a cardboard 30 or a styrene plate 31 is used. The rigid floor 3 is a floor surface that is assumed not to be deformed, and is assumed to be an installation surface of the frame.
[0029]
As the brace 4, a paper tape 40 is used as a belt-like member that can be easily broken. The braces are so-called braces that are passed diagonally between the columns, and each acts only on the pulling force in an X shape on the diagonal of the surface. The thread 41 can also be used on condition that the material can be easily broken.
[0030]
Further, in order to connect these members, the adhesive tape 12 is used in the present embodiment.
[0031]
(Column, beam grid)
Next, the structure of the grid using the above materials and the method for producing the grid will be described. In the present embodiment, the joint portion of the main frame of the grid reproduces the pin joint.
[0032]
FIG. 3 shows the actual structure of the pin joint that is the basis of the model. As shown in the figure, when a beam 101 is joined to a steel column 100, a joint box 102 is attached to the column 100, and a joint 103 of the beam 101 is fixed to the column 100 with a bolt. The joint 103 and the flange portion of the beam 101 are not joined and are configured so that no bending moment is transmitted, and can be regarded as a pin joint that freely rotates in all directions in terms of structural mechanics.
[0033]
(First pin joint)
FIG. 4 is a diagram for explaining the configuration of the first pin joint using a pipe member. As shown in FIG. 4A, first, the end of one straw 10 is cut, bent at about 90 degrees and opened. Then, another straw 10 is applied to the bent portion 10b, and the adhesive tape 12 is wound and joined as shown in FIG. 4 (b). Unnecessary bent portions 10c are cut.
[0034]
By configuring in this way, the beam 2 freely rotates on a plane including the axis of the column 1. Also, the beam 2 can freely rotate in the plane perpendicular to the axis of the column 1 by the elasticity of the bent portion 10b of the opened straw. That is, the beam 2 can freely rotate in all directions with respect to the column 1, and pin joint can be reproduced. Then, as shown in FIG. 4C, a required number of pillars 1 and beams 2 are joined to create a grid.
[0035]
(Second pin joint)
FIG. 5 is a view for explaining the configuration of the second pin joint using the pipe member. As shown in FIG. 5 (a), the straw 10 is bent in the vicinity of the end (about 2 cm from the end) in a substantially L shape. Since the bent portion 10a, which is a fold, is crushed and has a substantially linear cross section, the bending rigidity is significantly reduced as compared with other portions that maintain a circular cross section. In other words, it is possible to reproduce pin joint in which only the joint portion freely rotates.
[0036]
Next, as shown in FIG. 5 (b), the four straws 10 are similarly bent in the vicinity of the end portions and are connected together in order. This is the beam 2 on the grid roof surface. Then, as shown in FIG. 5 (c), a straw 10 serving as the pillar 1 is disposed under the four apexes, and the adhesive tape 12 is wound and fixed as shown in FIG. 5 (d). At this time, when the adhesive tape 12 is bonded to a single layer (one sheet) and joined, the degree of fixation is low, so the joint portion can be bent to some extent, and its movement also reproduces the pin joint. Therefore, even with this configuration, pin joints that can freely rotate in all directions can be reproduced. If the adhesive tape 12 is affixed five or more times, the degree of fixation is increased, so that the joint portion is rigidly joined and the ramen structure can be reproduced.
[0037]
(Third pin joint)
FIG. 6 is a diagram for explaining the configuration of the third pin joint using the pipe member. FIG. 6A is a diagram illustrating an actual configuration in which a column 100 is pin-joined in the middle part of the beam 101. As shown in FIG. 6B, such joining can be reproduced by winding the straw that becomes the column 1 and the straw that becomes the beam 2 by winding and fixing the adhesive tape 12 thereon.
[0038]
(Cantilever)
FIG. 7 is a diagram illustrating the configuration of a cantilever using a pipe member. This is because there is a case where it is desired to reproduce a veranda or a large eaves.
[0039]
As shown in FIG. 7A, a straw that becomes the cantilever 13, a straw that becomes the reinforcing beam 14, and a straw that becomes the beam 2 that supports these are prepared. The reinforcing beam 14 is attached via the beam 2 in the direction in which the cantilever 13 is extended. Then, at the fixed end of the cantilever 13, the opposing ends of the cantilever 13 and the reinforcing beam 14 are each divided into two.
[0040]
Then, as shown in FIG. 7B, the straw constituting the beam 2 is sandwiched between the divided portions, and the adhesive tape 12 is wound around and fixed to the overlapped portions as shown in FIG. 7C. In this way, a cantilever can also be reproduced.
[0041]
In addition, as shown in FIG. 7 (d), the cantilever can also be reproduced in the same way by making the straw that becomes the cantilever 13 the length that also serves as the reinforcing beam and inserting the beam 2 with a cut in the middle. can do.
[0042]
(Extension of beam)
FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration in which a pipe member is extended and extended. This is because when a general-purpose straw 10 is used, the length is limited, and thus a longer column 1 or beam 2 may be desired.
[0043]
As an example for adding, as shown in FIG. 8A, the end of one straw 10 is crushed to form a wedge-shaped portion 10d. And as shown in FIG.8 (b), it can be set as one long member by press-fitting this wedge-shaped part 10d in the edge part of the other straw 10. FIG. In addition, although it has a certain degree of bonding strength just by press-fitting, the bonding can be strengthened by further winding and fixing the adhesive tape 12 around the bonding portion.
[0044]
As another example, as shown in FIG. 8 (c), the end of one of the straws 10 is cut and slightly narrowed, and is pressed into the end of the other straw 10. In this way, the length of the straw 10 can be similarly extended.
[0045]
(Pillar)
FIG. 9 is a diagram for explaining joining of column bases. The grid created as described above is joined to the rigid floor 3 at the column base, that is, the lower end of the column 1. Here, in the actual structure, the movement in the horizontal direction is fixed and does not cause a problem, but the movement in the pulling direction becomes a problem. This is because when a lateral force is applied to the entire building, a pulling force may be generated in the axial direction of the column 100 due to a moment generated in the entire building. Therefore, also in the model of the present embodiment, it is preferable that the column 1 is attached so as to be movable in the pulling direction with respect to the rigid floor 3 which is the installation surface and fixed in the horizontal direction.
[0046]
In FIG. 9A, the column base of the column 1 is fixed by sticking with an adhesive tape 12 on the rigid floor 3 (cardboard 30). The adhesive tape 12 is wound around and attached to the pillar 1 and is simply attached to the cardboard 30. Moreover, it is preferable to stick the adhesive tape 12 in four directions in order to fix the horizontal direction. When a pulling force is applied to the pillar 1 attached in this way, peeling occurs in a part of the adhesive tape 12 as shown in FIG. Therefore, it is possible to know that the pulling force is generated and its direction.
[0047]
Further, as shown in FIG. 9C, the same effect can be obtained by opening the column base and pasting the bent portion on the cardboard 30 with the adhesive tape 12. Furthermore, as shown in FIG. 9 (d), a rigid plate 3 may be used to support the grid by providing holes 31a using a styrene plate 31 and inserting a column base at the lower end of the column 1. The adhesive tape 12 loses the adhesive force while observing the pulling force many times, but the insertion can be performed without deterioration by adopting such a configuration.
[0048]
In addition, although the rigid floor 3 is a floor surface that is assumed not to be deformed, a pedestal 32 (corresponding to a foundation of a building) that can be easily deformed may be used to attach a column base. The pedestal 32 may be any material that can be easily elastically deformed, and a hard sponge, foamed polyethylene used as a cushioning material, or the like can be suitably used. With this configuration, when a pulling force (short-term load axial force) is applied to the model and a force is applied to the model, the pedestal 32 bends. Accordingly, it is possible to know that the pull-out force has been generated, the direction thereof, and the external force applied to the foundation of the building and the state of deformation without breaking the model.
[0049]
(Seismic element)
The seismic element 5 is to reduce the shaking of the building by absorbing the deformation energy of the frame by shear deformation when a horizontal force is applied to the building by a typhoon or an earthquake.
[0050]
FIG. 10 is a diagram for explaining an example of the structure of the seismic element that is the basis of the model. As shown in FIG. 10A, the seismic element is attached between the two pillars 100. The butterfly frame 104 attached to the pillars 100 on both sides and facing each other, and these butterfly frames 104 are connected to each other. It consists of a seismic device 105 to be connected. The earthquake-resistant device 105 uses an extremely low yield point steel and is difficult to break against deformation. Therefore, as shown in FIG. 10B, when the casing is deformed by applying a horizontal force, the seismic device 105 is subjected to shear stress, and shear deformation occurs. At that time, the energy applied to the housing can be absorbed much more effectively than ordinary braces.
[0051]
FIG. 11 is a diagram illustrating an example of a seismic element according to the present embodiment, and FIG. 12 is a diagram illustrating an example of creating a seismic element. As shown in FIG. 11A, the seismic element 5 includes a column 50, a truss 51, and a damping mechanism 52. The upper part of the column 50 is fixed to the beam 2 and the lower part is fixed to the rigid floor 3 with an adhesive tape 12. As the damping mechanism 52, the bellows portion 11a of the bending straw 11 shown in FIG. 2 is used.
[0052]
As shown in FIG. 12, the end of the damping mechanism 52 is crushed to form a flat portion 52 a and is attached to the column 50. Similarly, the truss 51 is also crushed to form a flat portion 51 a and attached to the damping mechanism 52. The reason why the flat portions 51a and 52a are formed in this way is to increase the strength when pasted with the adhesive tape 12. The other end 51b of the truss 51 is folded in a concave shape and joined with the adhesive tape 12 in a state of being applied to the column 50 (not shown).
[0053]
The seismic element 5 formed as described above has a truss structure that is not deformed, like the butterfly frame 104, because the truss 51 and the non-accordion portion of the damping mechanism 52 are firmly fixed. Then, as shown in FIG. 11B, when the grid is deformed by applying a force, a shearing stress is applied to the damping mechanism 52, and the bellows portion extends obliquely, so that the shearing stress is visually observed. be able to.
[0054]
(Operations you can experience)
13 and 14 are diagrams for explaining an experiment using the structural learning experience apparatus. First, as shown in FIG. 13A, a force is applied in a state where only the column 1 and the beam 2 are attached to the rigid floor 3. As a result, you can experience moving with a grid alone (that you cannot resist earthquakes).
[0055]
As shown in FIG.13 (b), one brace 4 is attached and force is applied from the left-right direction. Thereby, it is possible to experience the difference in deformation between the state with and without the brace and the direction in which the brace 4 acts (acts in the pulling direction).
[0056]
As shown in FIG. 13 (c), two vertical braces (wall brace 4) are attached and force is applied from various directions. Thereby, it is possible to experience in which direction the vertical brace can counter seismic force.
[0057]
As shown in FIG. 13 (d), vertical braces on opposite surfaces are attached and force is applied from various directions. Thereby, it can be seen that the grid is distorted into a parallelogram, and it is understood that the deformation of the roof surface needs to be restrained.
[0058]
As shown in FIG. 13 (e), a vertical brace on one surface and a horizontal brace on the roof surface are attached and force is applied. If it does so, it can observe that a grid rotates centering | focusing on the surface which provided the vertical brace, and can observe the rigidity of a building. In particular, if multiple grids are connected further, if the braces are biased, the building's rigid core will also be biased, and it can be experienced that a rotational force is generated against the roll due to the deviation of the rigid core and the center of gravity. .
[0059]
As shown in FIG. 13 (f), the difference in operation between the brace 4 and the seismic element 5 can be observed by attaching the seismic element 5 and applying a force. As for the brace 4, it can be observed that it resists tightly against small deformation, but can play when extended (plastic deformation) is caused by large deformation, and can be broken when a larger force is applied. . Regarding the seismic element 5, it is possible to confirm the shear deformation of the damping mechanism 52, and to experience that even if a large deformation occurs, play does not occur and the damping mechanism 52 continues to absorb energy strongly.
[0060]
As shown in FIG. 14A, a floor slab 6 made of cardboard 30 is attached to the roof surface in place of the horizontal brace, and a force is applied. Thereby, the difference between the rigid floor surface by the brace 4 and the rigid floor surface by the floor slab 6 can be observed.
[0061]
Similarly, as shown in FIG. 14B, a load bearing wall 7 made of cardboard 30 is attached instead of the vertical brace, and the difference in motion between the vertical brace and the seismic element 5 is observed by applying a force. Thereby, the difference in the horizontal displacement between the case of the vertical brace and the case of the load bearing wall 7 can be experienced.
[0062]
As shown in FIG. 14 (c), the rigid floor 3 is vibrated in the horizontal direction with the load 8 placed on the roof surface, and the deformation is observed. Depending on the state of the deformation, you can add vertical braces or change the placement and experience the effect. Thereby, the balance of arrangement | positioning of the brace 4 and the seismic element 5 can be confirmed. In addition, it is possible to confirm the difference in deformation due to the difference in load by changing the weight of the load and applying the same vibration.
[0063]
In addition, it is possible to experience a difference in motion from the pin joint (truss structure) by reproducing the rigid joint (ramen structure) by sticking the adhesive tape 12 in five or more layers at each joint. At this time, since the straw 10 has elasticity and is easily bent, the bending in the ramen structure can be sufficiently reproduced.
[0064]
FIG. 15 is a diagram showing a model reproducing a rigid floor structure by a floor ALC plate. Although the floor slab 6 used in FIG. 14A covers the entire roof surface, a plurality of floor ALC plates are usually arranged, so that the floor slab 6 is made of cardboard 30 as shown in FIG. A plurality of floor boards 15 are arranged.
[0065]
Here, the configuration of a rigid floor using an actual floor ALC plate will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 16 (a), the floor ALC plate 106 has a notch at the end thereof positioned by a hard floor metal piece 107, a reinforcing bar 108 is inserted into the joint, and the joint is filled with the joint mortar 109. The end of the reinforcing bar 108 is fixed to a hard floor metal fixture 107. As shown in FIG. 16B, the joint is formed so that the inside is widened, and the floor ALC plate 106 is prevented from floating. Further, as shown in FIG. 16C, a depression is formed at a position facing the surface of the floor ALC plate 106, and a depression called a cotter 110 is formed by combining the depressions of the adjacent floor ALC plate 106. Filling the cotter 110 with the joint mortar 109 prevents the floor ALC plate 106 from being displaced due to shear deformation that distorts the building frame.
[0066]
Therefore, as shown in FIG. 15, the floor board 15 is provided with a mark 15a to make it easy to recognize the displacement of the floor board 15 due to the shearing force applied to the floor surface. First, in this state, by applying force to the model from various directions, it is possible to experience the behavior of displacement between the floorboards 15. Then, by sticking the adhesive tape 12 across the floor board 15 and observing the behavior of the adhesive tape 12 resisting the displacement between the floor boards 15, the action of the cotter 110 can be understood.
[0067]
When the adhesive tape 12 is pasted, if the floor plates 15 are firmly fixed, it is difficult to observe the displacement behavior. For this reason, when the adhesive tape 12 has a certain degree of hardness, it is preferable that the gap between the floor plates 15 be about 5 mm to 1 cm. In addition, if a soft tape having elasticity is used as the adhesive tape 12, the floor plates 15 are displaced without providing a large gap between the floor plates 15, so that the behavior of the displacement can be easily observed.
[0068]
[Second Embodiment]
A second embodiment of the structural learning experience apparatus according to the present invention will be described. FIG. 17 is a diagram for explaining the pin connection of the structural learning experience device according to the present embodiment, FIG. 18 is a diagram for explaining the footnote part, and FIG. 19 is a diagram for explaining the brace. About the overlapping part, the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted. In the first embodiment, the straw 10 that becomes a beam or a column is joined using the adhesive tape 12. On the other hand, in this embodiment, it joins using a clip. Here, the clip is a clip (a so-called gem clip) made of a rod member that goes around.
[0069]
As shown in FIG. 17A, first, the same number of clips 16 as the straws 10 to be joined are combined. Each clip 16 is press-fitted into the end of the straw 10. The size of the clip 16 is preferably fixed to some extent by being inserted into the straw 10, and specifically, the width of the short side of the clip 16 is not less than the diameter of the straw 10 and not more than half of the circumference. preferable. With this configuration, as shown in FIG. 17B, the straws 10 are joined, but they are extremely rotatable and engaged with each other with difficulty in separation. Therefore, the pin joint of the truss model can be faithfully reproduced.
[0070]
As shown in FIG. 17 (c), when the other straw 10 (column 1) is connected to the middle portion of one straw 10 (beam 2), a hole or notch 10e is formed in the straw 10 serving as the beam 2. The first clip 16 is attached, the second clip 16 is combined with the first clip 16, and the combined second clip 16 is press-fitted into the end of the straw 10 serving as the pillar 1.
[0071]
In the column base, as shown in FIG. 18 (a), one end of the clip 16 is extended to form a rotating portion 16a and a protruding portion 16b, and the protruding portion 16b is inserted into the polystyrene plate 31 (installation surface). The rotating portion 16 a is press-fitted into the end portion that becomes the column base portion of the straw 10 that becomes the column 1. By comprising in this way, as shown in FIG.18 (b), the pillar 1 can be rotated and it can move to an extraction direction. Therefore, when a pulling force is generated by applying a horizontal force to the model, the protruding portion 16b comes off from the styrene plate 31 and the column 1 is lifted, so observe which column 1 the pulling force is generated. Can do.
[0072]
As another column base portion, one end of the clip 16 is attached to the polystyrene plate 31 by a stapler 17 as shown in FIG. Then, as shown in FIG. 18 (d), the clip 16 is swingable, so that the other end is raised and press-fitted into the end portion that becomes the column base portion of the column 1. As a result, it is possible to reproduce pin joints that are rotatable in all directions. In this configuration, the pulling force can be observed by pulling out the pillar 1 from the clip 16.
[0073]
As another column base configuration, as shown in FIG. 18 (e), two clips 16 are first combined, and one clip 16 is attached to a polystyrene plate 31 with an adhesive tape 12. This is caused because the other clip 16 can freely swing, and is press-fitted into the end portion of the column 1 which becomes the column base. Even in this way, pin joints that are rotatable in all directions can be reproduced.
[0074]
In the brace 4, clips 18 are attached to both ends of the paper tape 40 as shown in FIGS. 19 (a) and 19 (b). As shown in FIG. 19B, the clip 18 is provided with a straight portion 18a having a short side at the end, and a paper tape 40 is wound around and attached to the straight portion 18a. This is because, if the both ends are curved like the clip 16 shown above, stress concentrates on the end portion of the paper tape 40 and it becomes extremely easy to cut. The clip 18 may have a substantially triangular shape as shown in FIG.
[0075]
[Other Embodiments]
In each of the above embodiments, the brace 4 has been described as using the paper tape 40 or the thread 41 (see FIG. 2), but a binding string 19 can also be used as shown in FIG. The binding string 19 has rigid portions 19a at both ends, and is widely marketed as stationery. When the binding string 19 is used as a brace, as shown in FIGS. 20B and 20C, the rigid portion 19a is inserted into the open end of the straw 10 serving as the column 1 or the beam 2, thereby Can be stopped. In this case, the brace by the binding string 19 can be attached both in the configuration of the first embodiment as shown in FIG. 20B and in the configuration of the second embodiment as shown in FIG. 20C. .
[0076]
As shown in FIG. 20D, the length of the binding string 19 is adjusted by putting the middle portions together with the adhesive tape 12 or by wrapping the gathered portions with the rubber band 20 as shown in FIG. May be. When the brace 4 configured in this manner is deformed by applying a horizontal force to the model, the brace 4 is stretched when the force is applied and is bent when the force is not applied. Can be observed. Further, when the model is deformed excessively, the binding string 19 is not easily broken, but plastic deformation can be observed by extending (drawing out) the collected portion. By using the binding string 19 in this way, it is possible to configure a brace that is easy to assemble and can be used repeatedly.
[0077]
【The invention's effect】
As described above, in the structure learning experience device and the method for creating the same according to the present invention, the method of applying force and structure while making pin joints by reproducing a tubular member made of a resin having a cylindrical cross section and a thin wall. Therefore, even if there is no specialized knowledge, actual mechanical characteristics can be easily understood. In addition, since it has a simple structure and does not require any skill to be mastered, anyone can easily create a device in a short time. In addition, the material is easy to obtain, inexpensive, light and easy to carry, and has the advantage that the place of work and presentation is not limited.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a structural learning experience apparatus according to an embodiment.
FIG. 2 is a diagram illustrating a material to be used.
FIG. 3 is a diagram showing an actual structure of a pin joint that is a base of a model.
FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of first pin joining using a pipe member.
FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration of second pin joining using a pipe member.
FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration of third pin joining using a pipe member.
FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration of a cantilever using a pipe member.
FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration in which a pipe member is extended and extended.
FIG. 9 is a diagram for explaining joining of column bases.
FIG. 10 is a diagram illustrating an example of the structure of a seismic element that is the basis of a model.
FIG. 11 is a diagram illustrating an example of a seismic element according to the present embodiment.
FIG. 12 is a diagram illustrating an example of creating seismic elements.
FIG. 13 is a diagram illustrating an experiment using a structure learning experience device.
FIG. 14 is a diagram illustrating an experiment using a structure learning experience device.
FIG. 15 is a diagram showing a model reproducing a floor ALC plate.
FIG. 16 is a diagram for explaining a configuration of a floor using an actual floor ALC plate.
FIG. 17 is a diagram for explaining pin connection of the structure learning experience device according to the second embodiment.
FIG. 18 is a diagram illustrating a footnote part.
FIG. 19 is a diagram illustrating the configuration of a brace.
FIG. 20 is a diagram illustrating the configuration of another brace.
[Explanation of symbols]
1 ... pillar
2 ... Beam
3 ... Hard floor
4… Brace
5… Seismic elements
6 ... Floor slab
7 ... bearing wall
8… Load
10 ... straw
10a ... Bent part
10b ... Folded part
10c ... Unnecessary bent part
10d ... wedge-shaped part
10e ... cutting
11… Bending straw
11a ... bellows part
12… Adhesive tape
13… cantilever
14… Reinforcement beam
15… floor board
15a ... Mark
16… Clip
16a ... Circulation part
16b ... Projection
17… Stapler
18… Clip
18a ... straight section
19 ... Binding string
19a ... Rigid part
20 ... rubber band
30… cardboard
31 ... Styrofoam board
31a hole
32… pedestal
40… paper tape
41 ... Yarn
50… pillar
51… Truss
51a ... plane part
51b ... the other end
52… Damping mechanism
52a ... plane part
100 ... pillar
101… Beam
102 ... Joint box
103… Fitting
104… Butterfly frame
105… Seismic device
106 ... Floor ALC board
107… Rigid floor hardware
108… rebar
109 ... Joint mortar
110… cotter

Claims (18)

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。
It is a mechanical model of a building that consists of a main frame such as a column or beam made of a tubular member made of resin with a cylindrical cross section and a thin wall,
A structure learning experience device that reproduces pin joining by incising an end of one tube member and joining another tube member to the bent portion.
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。
It is a mechanical model of a building that consists of a main frame such as a column or beam made of a tubular member made of resin with a cylindrical cross section and a thin wall,
A structure learning experience device characterized in that pin joints are reproduced by bending in a substantially L shape in the middle of one pipe member.
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。  The structure learning experience apparatus according to claim 1, wherein the pipe member is a drinking straw. 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。  The structure learning experience apparatus according to claim 1, wherein the pipe member is made of polypropylene. 前記管部材で構成した柱の柱脚部を、粘着テープを用いて、設置面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。The column base of the column constituted by the pipe member, with adhesive tape, the structure learning experience apparatus according to claim 1, wherein in that attach to the mounting surface. 前記管部材で構成した柱の柱脚部を、設置面に設けた穴に挿入して、該設置面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 The structure learning experience device according to claim 1 or 2, wherein a column base portion of a column made of the pipe member is inserted into a hole provided on an installation surface and attached to the installation surface . 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。
Extending one end of the clip consisting of a rotating rod member to form a rotating part and a protruding part,
Press-fit the circumferential portion into the end portion that becomes the column base portion of the pipe member,
The structure learning experience device according to claim 1, wherein the protruding portion is inserted into the installation surface.
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。
Attach one end of a clip consisting of a rotating rod member to the installation surface with a stapler so that it can swing,
The structure learning experience device according to claim 1 or 2, wherein the other end of the clip is press-fitted into an end portion which becomes a column base portion of the pipe member.
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。
Combining two clips consisting of rotating rod members,
Attach one clip to the installation surface,
The structure learning experience device according to claim 1 or 2, wherein the other clip is press-fitted into an end portion which becomes a column base portion of the pipe member.
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5〜9の何れか1項に記載の構造学習体験装置。The structure learning experience apparatus according to claim 5, wherein the installation surface is configured by an elastic member that can be easily deformed. 容易に破断しうる糸状部材または帯状部材を前記管部材で構成した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。The structural learning experience device according to claim 1 or 2, wherein a brace is reproduced by passing a thread-like member or a belt-like member that can be easily broken obliquely between pillars constituted by the pipe member . 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、前記管部材で構成した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。
Attach clips to both ends of a strip that can be easily broken,
The clip is composed of a rod member that circulates, and includes a straight portion that becomes a short side,
Both ends of the belt-shaped member are wound around the straight portion of the clip and attached,
The brace is reproduced by attaching the clips at both ends to a pipe member constituting a main frame and passing the belt-like member obliquely between the pillars constituted by the pipe member. 2. Structure learning experience device according to 2.
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、前記管部材で構成した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。
Using a string-like member with rigid parts at both ends,
The brace was reproduced by inserting the rigid part into the opening of the end of the pipe member constituting the main frame and passing the string-like member diagonally between the pillars constituted by the pipe member. The structure learning experience device according to claim 1 or 2.
躯体を変形させた際に剪断応力を受ける耐震要素の部分に、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。  4. The structural learning experience device according to claim 3, wherein a bellows portion of a bent straw is used as a portion of the seismic element that receives shear stress when the casing is deformed. 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。
To reproduce a cantilever beam that protrudes perpendicularly from a column or beam,
A pipe member to be cantilevered;
On the fixed end side of the cantilever beam, a tube member serving as a reinforcing beam attached in a direction extending the cantilever beam,
The pipe member which becomes a cantilever beam and a reinforcing beam is divided into two at opposite ends at the fixed end, and a pipe member constituting a column or a beam is sandwiched and joined by the divided parts. The structure learning experience apparatus according to 1 or 2.
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。  3. A plurality of pipe members are linearly connected by crushing an end portion of one pipe member into a wedge shape or making a cut and inserting it into an opening of another pipe member. The structure learning experience device described. 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。
A method for creating a mechanical model of a building in which a main frame such as a column or a beam is constituted by a tubular member made of a resin having a cylindrical cross section and a thin wall,
In the part that reproduces the pin connection of the column beam connection,
For one direction, the tube member is bent in a substantially L shape in the middle,
For the other direction, a method for creating a structural learning experience device, characterized in that an end of another pipe member is brought into contact with the bent portion and bonded with an adhesive tape.
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。
A method for creating a mechanical model of a building in which a main frame such as a column or a beam is constituted by a tubular member made of a resin having a cylindrical cross section and a thin wall,
In the part that reproduces the pin connection of the column beam connection,
Incising the end of one tube member,
Bend the incised part in the direction of spreading,
A method for creating a structure learning experience device, characterized in that a bent portion and an end of another pipe member are joined with an adhesive tape.
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