圖解超簡單結構力學[Tu Jie Chao Jian Dan Jie Gou Li Xue]＊自然科普類＊暢銷書榜～推薦！

作者：高木任之/著，林輝政/審訂
譯者：陳銘博
出版社：世茂
出版日期：2013/01/27
語言：繁體中文

ISBN：9789866097799
叢書系列：科學視界
規格：平裝/224頁/15x21cm/普通級/雙色印刷/初版
出版地：台灣
本書分類：自然科普>應用科學>概論

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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

在本章中，我們要學的方法，是如何確認當實際施加力在建築物等結構物時的安全性。

為了確認結構物的安全性，首先要將作用於結構部位的力分成①外力、②內力、③反力這三種力，接著探討這三種力的影響。

[外力]
所謂的[外力]，指的是從外部施加至該結構物的力。外力也稱作荷重。堆積在屋頂上的雪、放在建築物裡的物品的重量、建築物所承受的地震和風的力等等，這些都算是外力。

[內力]
構成建築物的構件（柱子、梁）等的內部會因上述外力（荷重）而產生力（應力）。這種在結構構件的內部產生的力，稱為「內力」。

[反力]
外力會經由內力而於最後傳遞至地盤。該地盤的耐力（地耐力）是否夠大也是非常重要。像這樣子支承結構物的力稱為「反力」。

2.2簡單結構物的外力、內力、反力與穩定

在這一節，我們利用簡單結構物來思考「外力、內力、反力」的關係。首先，我們以形狀簡單的獨木橋來做例子。

以河邊的獨木橋為例，討論「外力、內力、反力」

外力
橫渡獨木橋者的重量，屬於外力。這個重量不只有人的體重，還包括他的背包重量等。此外，還必須考慮到會有多人同時過橋的情形。而獨木橋本身的重量也是外力的一種。

當上述外力施加於獨木橋上時，獨木橋若斷裂，就麻煩了。如果獨木橋斷裂，代表因外力而於獨木橋內部產生的內力，超過了獨木橋的耐力極限。

反力
反力的思考重點，在於支撐獨木橋的是什麼？如果只是靠河邊的砂石將獨木橋撐起，獨木橋的重量應該會壓垮砂石。橋也有可能會被河水給沖走，因此必須以大石頭固定獨木橋，讓橋不會產生移動的情形。

結構物的穩定
結構物的穩定，指的是「外力、內力、反力」這三種力保持平衡。如果三種力能保持平衡，結構物就能夠處於靜止的狀態。

˙外力大於反力，獨木橋沈陷（傾斜）
˙若因外力而生的內力大於獨木橋的耐力，獨木橋就會斷裂

2.3外力有哪些？

如前所述，我們把這些外力稱為「荷重」。從外部施加在結構物上上的力有哪些呢？

荷重依其作用方向，分成「垂直荷重」與「水平荷重」。

垂直荷重指的是因地球引力（重力）而生的重量，因此垂直荷重多屬於長期作用的荷重。

水平荷重指的是從水平方向作用，會使結構物發生橫向搖動的荷重。此種荷重很少屬於長期作用，大多像是地震力或風壓力等，只會暫時對結構物產生作用。

除了垂直和水平方向的荷重，還有斜向的荷重，這種例子較少。斜向荷重能夠分解成水平方向和垂直方向的分力，因此可以再轉換為水平荷重與垂直荷重。

2.4垂直荷重與水平荷重

外力（荷重）的分類如下。

（1）垂直荷重
垂直荷重可再分為下面3種，每一種都是因地球引力而生的重量所引起的。

①固定荷重（自重）：包括構成結構物的柱子、梁、屋頂、地板等結構物本身的重量。如何承受固定荷重，是最初步的問題。

②裝載荷重：指收容在建築物裡的物品和進入建築物內的人重量。倉庫等建築物的裝載荷重特別大。

③積雪荷重：即下雪後堆積在屋頂的重量。在經常下雪的地方，積雪荷重會是比較大的荷重。

（2）水平荷重
水平荷重以風壓力、地壓力為代表。

①風壓力：刮風時，由於風壓力而可能造成建築物傾斜。風壓力的作用方向通常為水平方向。在屋頂等斜面部分，風壓力會對斜面造成垂直的作用力。

②地震力：地震力原來為一種震動，會產生使建築物橫搖的效應，在地震時會轉換為造成建築物傾倒的水平力。震動本身亦可作為荷重，來進行計算。

③水壓．土壓：例如地下室的外牆，由於直接與土壤接觸，因此會產生土壓及地下水的水壓作用力，必須確保結構在這些壓力下（通常是水平力）的安全。

④其他震動．撞擊：若在室內設置有吊車和機械，這些設備運轉時產生的震動與撞擊會傳遞到建築物上，因此必須確保建築物在這些荷重作用下安全無虞。

日本建築基準法施行令第36條之3中規定，對於「產生作用力的自重、裝載荷重、積雪荷重、風壓、土壓、水壓以及地震等其他的震動及撞擊」，必須確保建築物的安全。