看圖讀懂結構力學

前言

Part0力學裡用的單位有哪些？
0.1單位的基礎來自於地球
0.2重量的單位是不固定的
0.3從重量單位轉換成質量單位（牛頓）
0.4壓力．應力的單位是帕（Pa）
◎練習問題──熟練SI單位

Part 1力的基本性質
1.1結構力學的特色在於「靜止」
1.2「力」看不見，因此令人難以理解
1.3重量也是一種力
1.4力以箭頭表示
1.5力的特性（力矩．向量）
1.6什麼是力矩？
1.7槓桿原理也是力矩的應用
◎練習問題──計算力矩
1.8純量與向量
1.9向量能夠合成與分解
1.10力的合成（畫出平行四邊形）
1.11力的分解（畫出平行四邊形）
1.12將平行四邊形置換成三角形的「力線圖」
1.13力線圖就是力走過的路線圖
1.14合成多個力．分解成多個力
1.15平行的力如何合成與分解？
◎練習問題──合成平行力
1.16力偶無法合成也無法分解
◎練習問題──求力偶的大小
1.17任何力都能夠以垂直力．水平力．力矩來表現
◎練習問題──力的合成與分解─11個問題
＊Part 0， Part 1總結

Part 2 什麼是外力、內力、反力？
2.1外力、內力、反力以及三者間的關係
2.2簡單結構物的外力、內力、反力及穩定
2.3外力有哪些？
2.4垂直荷重與水平荷重
2.5集中荷重與等均佈荷重
2.6結構物的支承反力
2.7每個構造構件都有反力
2.8支承結構物的支點有3種
2.9移動端．轉動端．固定端
2.10什麼是簡支梁？
2.11反力數3個是重點
2.12樞接（鉸接）與節點
2.13樞接節點與剛性節點的不同
2.14什麼是構架結構？
2.15外力、內力、反力的總整理
◎練習問題──求出反力─12個問題

Part 3構件所產生的應力？
3.1構件內部所產生力，即應力（stress）
3.2破壞構件
3.3應力有3種
3.4應力的正負
3.5繪製應力圖
3.6分析結構物
◎練習問題──分析簡支梁．懸臂梁─18個問題
＊總結Part 2．Part 3

Part 4 桁架的原理與解法
4.1什麼是桁架（Truss）？
4.2三角形桁架可使力分散
4.3三角形是最穩定的形狀
4.4各種桁架種類
4.5桁架的分析
4.6以力線圖表現
4.7什麼是克里蒙納圖解法？
4.8克里蒙納圖解法~之一
4.9克里蒙納圖解法~之二
4.10克里蒙納圖解法~之三
4.11克里蒙納圖解法~之四
4.12克里蒙納圖解法~之五
4.13克里蒙納圖解法~之六
4.14克里蒙納圖解法~之七
4.15克里蒙納圖解法~之八
4.16克里蒙納圖解法~之九
4.17克里蒙納圖解法~之十

Part 5如何設計構件的尺寸（截面）？
5.1終於要進入結構設計
5.2拉伸構件的設計
5.3發揮材料的強度
5.4壓縮構件要注意拱起
5.5挫曲受長度和截面形狀影響
5.6細長比與挫曲係數
5.7計算構件的挫曲
5.8柱子的短邊長在建築基準法中的限制
5.9確認剪力方面的安全性
5.10單面剪與雙面剪的不同
5.11彎曲構件所產生的應力
5.12不易彎曲的截面形狀
5.13截面二次矩與截面係數
5.14截面二次矩與截面係數的關係
5.15各種截面的截面二次矩
◎練習問題──求截面二次矩
◎練習問題──求截面係數
5.16抗彎曲構件的設計
◎練習問題──設計抗彎構件
＊總結Part 4．Part 5

Part 6如何設計壁量
6.1設計耐地震、耐風壓力的建築物
6.2壁量計算的基本概念
6.3壁量計算的流程
6.4投影面積的推算（計算前的準備）
6.5計算時使用的投影面積
6.6投影面積的計算
6.7必要壁量的計算（單位壁量）
6.8必要壁量的計算（實際壁量）
6.9壁倍率（日本建築基準法施行令第46條第4項）
6.10壁倍率（昭和56年建設省告示第1100號）
6.11牆壁配置的1/4規則（平衡的配置）
6.12實際檢查壁量
6.13柱頭．柱腳．斜撐之端部的橫向接合
6.14牆壁．加入有斜撐的構造其柱頭．柱腳的橫向接合（1）
6.15牆壁．加入有斜撐的構造其柱頭．柱腳的橫向接合（2）
6.16縱向接合．橫向接合的樣式…A
6.17縱向接合．橫向接合的樣式…B
6.18縱向接合．橫向接合的樣式…C
6.19縱向接合．橫向接合的樣式…D
6.20縱向接合．橫向接合的樣式…E
6.21縱向接合．橫向接合的樣式…F
6.22縱向接合．橫向接合的樣式…G
6.23縱向接合．橫向接合的樣式…H
6.24縱向接合．橫向接合的樣式…I
6.25縱向接合．橫向接合的樣式…J
6.26斜撐端部的橫向接合…A
6.27斜撐端部的橫向接合…B
6.28斜撐端部的橫向接合…C
6.29斜撐端部的橫向接合…D
6.30斜撐端部的橫向接合…E
＊總結 Part6

 

前言

　　結構力學是對於建造安全的建築物等結構物，一門非常有用的重要學問。然而，在學習力學時，一般人卻有種兩極化的現象，造成上手的人和不上手的人兩者出現很大的學習差距。其實結構力學並不那麼困難，但為什麼卻有這樣的結果呢？

　　原因就在於初學結構力學的「入門學習」上面。只要學生能夠順利度過入門階段，接下來就能順暢地繼續深入學習。但若是一開始就受到挫折，人們容易因為產生「太複雜」、「搞不懂」的想法，而漸漸地對結構力學敬而遠之了。

　　在力學裡，有2個力學專用的特殊用語（觀念）──向量和力矩，熟悉這兩者就是構造力學入門的第一步。

　　因此，儘管您可能會有些不耐煩，但本書還是必須針對向量和力矩徹底說明。為此，書中設計了豐富的計算例題，並且加強圖解，能經由視覺加深理解。

　　從基礎開始，以簡潔有力的解說方式一直持續到下一階段，詳細的說明，讓您不需在消化不良的狀態追趕進度，可以依照自己的步調一步步學習。

　　本書的另一個目的，是希望結構力學不應單純只是一門系統化學習的學問，而是能夠立刻派上用場的社會實用科學。

　　例如桁架的計算，學術上雖然也有以使用三角函數的數學式進行分析的方法，但在建築實務上一般是以克里蒙納圖解法（クレモナ図解法，Cremona graphical solution）來分析。也就是說，只要用量尺來測量製圖版上的箭頭長度就能求得解。

　　此外，本書中也積極地將結構力學和日本《建築基準法》中的結構規定關係做連結，期許能夠有助於建築設計上的實際應用。（註：日本《建築基準法》相當於我國的《建築法》。）

　　在日本《建築基準法》中，規定申請之建築物必須為「經結構計算而確保為安全者」。這是什麼意思呢？建築物的設計步驟，大多是先參考許多建築物的結構設計和施工案例，接著製作設計草案，然後再進行結構計算，以確認設計草案究竟是好還是不好。（如果計算結果顯示無法確保其安全性，便需修改設計草案，然後重新進行結構計算。）

　　結構構件的選用，無論是木材還是鋼骨、鋼筋，由於市面上已有標準品，所以都會從標準品中選擇。以木造柱為例，設計時先選用截面積為10.5cm平方、12cm平方等市面標準品，然後再經計算來追認其安全性，這樣的過程就是結構計算在實務上的作法。在計算之後有時會發現必須使用11cm平方的木材，但由於11cm角柱的木材並非標準品，市面上沒有販售，因此針對11cm平方進行計算就不具意義。

　　又例如，若鋼筋必須要有3.5條，使用4條則較為保險，使用3條則不足。

　　如上所述，本書並非只是及於理論，也考量到了實用性，讓讀者能夠透過本書而具備確認小型住宅規模之建築物的安全性的能力。

　　期待本書能為大眾所活用。