土木結構基本概念
土木結構基本概念
桁架結構解析
桁架結構解析
什麼是結構設計
什麼是結構設計
•
金字塔到大教堂，從彈弓到水車都是結構
•
結構設計的目標：安全、優美與經濟
•
如何蓋一棟房子不會垮
•
如何建一座橋而無倒塌之虞
•
就是建造符合其需求的結構物
什麼是結構？
什麼是結構？
•
物體有一體兩面：
–
具備機能的部分，是為機構
–
具備支撐的部位，是為結構
•
人體有那些機構和結構？
•
那人工的產品呢？
•
自然界裡，有那些生物建造結構體？
結構的基本條件
結構的基本條件
•
材料有足夠的
強度
來支撐載重。
–
材料強度為單一材料的強度
受選用的材質和材料形狀、大小影響
•
結構有足夠的
勁度
來維持形狀。
–
結構勁度為整體的強度
受結構的形狀與組合方式影響
結構是載重傳遞部位
結構是載重傳遞部位
•
結構是個沿著不同方向承受載重的物體。
•
可將載重從一個位置移轉到另一個位置
•
例如：
下圖的木板可將載重由施力點傳遞到支撐
點，該木板即可視為結構物。
支撐點
載重
結構物
作用力與反作用力
作用力與反作用力
作用力與反作用力
作用力與反作用力
作用力與反作用力
作用力與反作用力
作用力與反作用力
作用力與反作用力
•
載重作用於物體
，稱為作用力
•
牛頓第三運動定律：每個作用力，必有一個與其
大小相等而方向相反
的作用力存在
•
對每一個穩定的結構而言：
垂直載重的總和
=
垂直反作用力的總和
水平載重的總和
=
水平反作用力的總和
載重所形成的力矩
=
反作用力所形成的力矩
•
因此
，
…
100kgw
50kgw
50kgw
100kgw
25kgw
75kgw
風力
看板重力
風力矩
反作用力矩
反作用力
風力
反作用力
內力與應力
內力與應力
內力與應力
內力與應力
內力與應力
內力與應力
內力與應力
內力與應力
•
載重是藉由結構內的力量來傳遞，稱為
｢
內力
｣
•
材料單位面積承受的內力，稱為｢
應力
｣
•
應力即材料抵抗外力而產生的破壞力
•
應力的作用會使結構材料產生形變
•
單位長度產生的形變量，稱為｢
應變
｣
內力的種類
內力的種類
•
拉力：
沿著材料軸線往四周作用力
垂直材料斷面
內力的種類
內力的種類
•
壓力：
沿著材料軸線
向中間集中作用力
直材料斷面
與拉力合稱為「軸力」
內力的種類
內力的種類
•
剪力：
平行材料斷面
相互交叉的力量
內力的種類
內力的種類
•
彎矩：
即為力矩
具有力臂加乘的作用，比軸力破壞更大
內力的種類
內力的種類
•
扭矩：
即為轉矩
與轉軸徑度有關
直徑越大，扭矩越嚴重。
結構系統的基本觀念：
結構系統的基本觀念：
–
結構的功能是為了傳遞載重。
–
對於每一種載重，其載重傳遞路徑就是
結構本身。
–
結構藉著在結構內的力量來傳遞載重。
–
結構內的力量可被視為軸力、剪力與彎
矩的組合。
–
結構必須有整體的穩定性。
結構的型態變化無窮，以球門為例
….
其立柱及橫梁的斷面形狀可以有不同的選擇，例如：
斷面形狀可是長方形
斷面形狀可是長方形
斷面形狀可是長方形
斷面形狀可是長方形、
、
、
、圓形或其它形狀
圓形或其它形狀
圓形或其它形狀
圓形或其它形狀
可以將立柱傾斜或橫梁的曲線化改變其基本的幾何形狀
可以將立柱傾斜或橫梁的曲線化改變其基本的幾何形狀
可以將立柱傾斜或橫梁的曲線化改變其基本的幾何形狀
可以將立柱傾斜或橫梁的曲線化改變其基本的幾何形狀
立柱與橫梁可以整個長度等斷面或變斷面
立柱與橫梁可以整個長度等斷面或變斷面
立柱與橫梁可以整個長度等斷面或變斷面
立柱與橫梁可以整個長度等斷面或變斷面
(
如
如
如
如：
：
：
：錐狀等
錐狀等
錐狀等
錐狀等
)
結構型態的種類
結構型態的種類
結構型態的種類
結構型態的種類
結構型態的種類
結構型態的種類
結構型態的種類
結構型態的種類
•
存在真實世界的結構，必須有一個幾何
形狀
•
天然的： 沒有數學基礎的，如樹葉、人
體造形
•
定義的： 可用數學去演算得到的，如矩
形、拱形
直線型結構
直線型結構
•
梁柱（
beam & column)
：
梁的外型多為橫躺，主要是承載橫向載重
(
彎矩
)
的外力，且其承重強度與
寬度
×高度
3
成正比
柱的外型多為垂直，主要是承載軸向載重
(
壓力
)
的外力，其強度與
斷面面積和徑度
成正比
•
梁柱的強度與
長度
成反比
4
1
4
1
2
2
曲線型結構
曲線型結構
•
拱
(Arch)
：
利用結構本身的彎曲度，將載重產生的彎矩化為
壓力的方式傳遞外力
在支撐點會承受很大的水平拉力
需著重兩側的支撐
曲線型結構
曲線型結構
•
吊索
(Cable)
：
主體以纜索連結
承重的方式和拱結構相反，以承受張力的方式
傳遞載重
是一種較經濟的型態
框架結構
框架結構
•
鋼架
(rigid frame)
四角形框架型，串接一起的結構
常用於房屋構造的骨架
受力時，基本假設外力作用於桿件上
，材料須承受彎矩的作用
是一種材料強度要求較高的結構型態
節點的勁度可以防止框架的鬆弛，
但當外力過大時，以勁度接合的材料將會
產生挫屈
框架結構
框架結構
•
桁架
(truss)
利用桿件連接成三角形，再加以串接而成
適用於一些需要長跨度而且空間設計不是很重要
的構造，如橋樑、高塔、起重機吊臂等
•
受力時，基本假設外力作用於
節點
上，桿件只傳
遞拉力和壓力
桁架結構分析
桁架結構分析
•
結構分析是計算結構受力後，每一
構件的受力情形。
100nt
30
0