| FLASHで学ぶ構造力学 |
| このサイトは、工業高校において科目「建築構造設計」を学ぼうとする学生を対象にインターネットを利用してどこでも簡単に基礎的な力学のシミュレーションができ、かつ、力の表現、反力や応力図等を動的に表現しようと工夫して制作しました。 単なる数値計算だけでなく計算結果を図示することで視覚的に理解できると思います。 |
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| [ アプリ概要 ] |
| 「建築構造設計」の授業は手計算のための解法に重点が置かれており、生徒にとって構造力学の概念を直感的に把握しにくい。そこで、現在の授業改善の方法として、授業に使用できる構造力学学習ソフトウェア「建築構造設計の学習」を開発しました。具体的には、目には見えない「力」を視覚化し、反力や応力図をリアルタイムに確認することで直感的に理解しやすいものを作ろうと試行錯誤しました。広く利用してもらえるように、Webブラウザ上で実行可能なソフトにすることが開発目標です。単なる数値計算だけでなく、図が動的に変化することで、構造力学に必要な知識をシミュレーションしながら学習することができるように工夫しました。 | このソフトを大きく分類すると、「力の基本」「反力」「応力」「トラス」「断面の性質」になります。また、他には「基数変換」もあります。それぞれに関係するソフトウェア群があります。特徴は、荷重の大きさ、部材長や断面サイズ、荷重位置などのパラメータをスライドバーで変更すると全て表示が連続的に変化します。連続した変化を動的に見ることができるので、反力値や応力値、応力図が理解しやすいものになっていることが大きな特徴です。 このソフトはActionScript（以下、FLASH）で作成したソフトウェア群で構成されています。 少ない操作で簡単に使えるソフトウェアになっていると思います。 |
| [ 力の基本 ] |
| 目に見えない「力」を可視化して、「力の合成」と「力の分解」、「モーメント」を学習するソフトウェアです。この合成と分解の解法には、図式解法と算式解法があり、この両方をソフトウェア化しています。授業で板書が難しい図式解法では、シミュレーションで「力の平行四辺形」「力の三角形」「力の多角形」を見せてから、定規を使って「力の合成」や「力の分解」を行うと理解しやすいと感じます。 図式解法で基本の「力の平行四辺形」「力の三角形」「力の多角形」を学習してから、電卓を使って計算する算式解法をシミュレーションします。三角関数や計算の苦手な学生に興味を持ってもらうために試行錯誤した初期のソフトウェアで、次のようなものがあります。 |
「力の合成」には次のようなものがあります。 ①１点に作用する２力の合成 ②１点に作用する３力の合成 ③１点に作用する4力の合成 ④平行な２力の合成 ⑤平行な３力の合成 「力の分解」には次のようなものがあります。 ①１点に作用する１力を２力に分解 ②１力を平行な２力に分解 「モーメント」には次のようながあります。 ①ある点に対する１力のモーメント(算式) ②ある点に対する２力のモーメント(算式) |
| [ 反 力 ] |
| 構造物に荷重が作用したとき、構造物に作用した荷重とそれに対応して支点に生じる力とが釣り合っていなければなりません。 つり合っていなければ構造物は静止して建っていることはできません。この作用荷重に対応して支点に生じる力を反力といいます。 反力の大きさ、方向と向きは、作用する荷重や 支点の種類から、力の釣合条件により求めます。 ［力の釣合条件］ 部材の支点に生じる力の合力が０であると共に、任意の点に対する力のモーメントが０であること。 ΣＸ＝０ （水平方向の力の和が０） ΣＹ＝０ （垂直方向の力の和が０） ΣＭ＝０ （支点に生じるモーメントの和が０） 要は、この３つの条件を同時に満たせば、反力が求まる。 |
構造物には次のようなものがあります。 ①単純梁（張り出し梁を含む） ②片持梁 ③単純梁系ラーメン ④片持梁系ラーメン ⑤３ピンラーメン ⑥単純梁系トラス ⑦片持梁系トラス 荷重には次のようなものがあります。 ①集中荷重（１力～３力、上下左右方向、角度付き） ②等分布荷重（上下左右方向） ③等変分布荷重（上下左右方向） ④モーメント荷重（時計回り、反時計回り） このソフトでは、構造物と荷重の組み合わせで構成されています。 |
| [ 応 力 ] |
| 構造物に荷重が作用すると、荷重に釣り合うように支点に反力が生じます。これらの外力によって各部材は変形し、その変形に対応して、部材内部にどのような応力が生じるかを力の釣合条件から求めます。そして、値をグラフ（応力図）に表します。 ［応力の種類］ (a)軸方向力Ｎ 部材の材軸方向に生じ、材を伸縮させようとする一対の力です。 これには、引張力と圧縮力とがあります。 (b)せん断力Ｑ 部材にずれの変形を生じさせようとする大きさが等しく向きが反 対の一対の力をせん断力といい、部材にずれの変形を生じさせよ うとする一対のはさみ切ろうとする力です。 (c)曲げモーメントＭ 力による回転力が作用する場合、部材を曲げようとする変形をお こそうとする力を曲げモーメントといいます。 ［トラスの応力］ 単純梁系トラスと片持梁系トラスでは、部材に生じる応力は軸方向力のみです。求め方には、節点法と切断法があります。 どちらも力の釣合条件を用いています。 |
構造物には次のようなものがあります。 ①単純梁（張り出し梁を含む） ②片持梁 ③単純梁系ラーメン ④片持梁系ラーメン ⑤３ピンラーメン ⑥単純梁系トラス ⑦片持梁系トラス 荷重には次のようなものがあります。 ①集中荷重（１力～３力、上下左右方向、角度付き） ②等分布荷重（上下左右方向） ③等変分布荷重（上下左右方向） ④モーメント荷重（時計回り、反時計回り） ※トラスには、集中荷重のみ作用します。
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| [ その他 ] |
| 「断面の性質」では、断面１次モーメントから図形の図心を求めます。図形を複数に分割して断面１次モーメントを求める方法です。また、断面２次モーメントは、図形の図心位置を通る軸に対する値と、図心から離れた位置の値を求めます。
「機械的性質」では、基本的な公式を用いています。パラメータの組み合わせでは現実的でない値が出ることがありますが、公式の使い方と単位の扱いを考えるものとしています。 「基数変換」では、電卓のように計算結果のみを表示するのでなく、どのように変換するかを画面を見ながら手順を学習することができるように工夫しています。 |
①断面の性質には次のようなものがあります。 ・断面１次モーメント（図心位置） ・断面２次モーメント ②機械的性質には次のようなものがあります。 ・垂直応力度（引張応力度・圧縮応力度） ・単純せん断応力度 ・ひずみ度 ・ヤング係数 ③基数変換には次のようなものがあります。 ・10進数から2進数・8進数・16進数へ変換 ・8進数から2進数・10進数・16進数へ変換 ・2進数から8進数・10進数・16進数へ変換 ・16進数から2進数・8進数・10進数へ変換 などがあります。 |
| [ 受賞履歴 ] | ||
| ・平成２２年度第２６回学習ソフトウェアコンクール「文部科学大臣賞」受賞 ・平成１８年度第１５回わかやまソフトウェアコンテスト「優秀賞」「審査員特別賞」受賞 | ||
| [ iPadでの使用に向けた試行錯誤 ] | ||
| このソフトを2000年から制作し始めて試行錯誤の末、2010年にホームページが出来上がりました。 言語はActionScript1.0から始まり、このソフトはActionScript2.0で作られています。時代とともにスマホやタブレットなどのデバイスが出現し、それぞれに対応することが難しいのが現状です。そこで、新たに言語をActionScript3.0に変更してみようと取組んでいます。 この言語になれば、iPad対応アプリ（AIR for iOS）やAndroid端末にも対応したアプリ（AIR for Android）が制作可能となります。 その元となるソフトをActionScript3.0で制作しました。自学自習用教材で自己採点機能がポイントです。 ・ 反力の求め方 ・２級建築施工管理技術検定 受験対策 ・ 現在、iPad対応アプリ（AIR for iOS）にしようとして悩んでいます。 それは・・・Macパソコンが必要・・・Appleへの開発者登録・・・さらにその年会費・・・。 iPadでFLASH対応ウェブブラウザを使った方が安上がり・・・・かな。 | ||
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