工程概論─土木部份
授課老師：常正之
老師
第一單元：荷重
(loadings)
• 靜荷重(dead load)
• 活荷重(live load)
• 地震力(seismic force)
a.地震成因(cause)、相關定義(definitions)、
設計與施工基本概念(basic ideas on design
and construct)
b.地震防治對策、地震預警系統
• 風力(wind force)
• 結構分析及設計時之基本觀念與原理(basics
ideas on structures analyses and design)
靜荷重(dead load)
作用在結構物上荷重大小一定(constant)
且固定於一定位置(fixed)的載重稱之，通
常指結構體本身(constructing materials)
的重量。
Ex.
牆壁(walls)、隔牆(partitions)、樑柱
(beam, column and girder)、樓版(slab)
及屋頂(roof)等 。
活荷重(live load)
• 垂直載重中不屬於靜載重者〈指荷重大小及作用位
置不固定者(not stationary and not fixed)〉，均為活
載重，活載重應考慮建築物施工及使用中可能發生
之情況(considering both in constructing and in use)。
Ex.
建築物室內人員(people)、傢俱(furniture)、設備
(facility)、貯藏物品(storage)、活動隔間(movable
partitions)等 。
地震力(seismic force)
• 由於地球內有一種推動岩層的應力(force
generated by plate moving)，當應力大於岩
層所能承受的強度時(stress larger then the
strength of rock)，岩層會發生錯動
（dislocation)，而這種錯動會突然釋放巨大
的能量(energy released)，並產生一種彈性
波(elastic waves)，稱之為地震波(seismic
waves），當它到達地表時，引起大地的震
盪，這就是地震(earthquake)。
地震成因(cause of earthquake)
•
在台灣,常見的地震成因基本上分為兩種,一是板塊運動(plate
movement),一是火山活動(volcanic activity)。
1.板塊運動(plate movement)：台灣(Taiwan)位於菲律賓海洋板塊西側
(western side of Philippine ocean plate)，與歐亞大陸板塊東側(eastern
side of Eurasia continental plate)，交界於台東縱谷(East Taiwan rift)。
這兩個板塊以每百萬年70公里(collides with a speed of 70 kilometers per
million years)的速度相互衝撞，這些擠壓的動力，就是造成地震的原因。
由於板塊運動的能量相當大，所以其規模與影響範圍也相當廣。
2.火山活動(volcanic activity)：由世界各地震觀測站所測得的資料，可以明
顯的看出火山對地震的影響。火山爆發的能量(volcanic eruption)，引
起地面的震動而造成地震。一般而言，這規模與影響範圍遠小於板塊
運動。
地震成因(cause of earthquake)
板塊運動(plate movement)
相關定義(definitions)
震源(hypocenter)：地震發生的來源，通常都在地下。較深的
震源稱為深層地震(deep earthquake)，地震波頻率低且振幅
較大(lower frequency & larger amplitude)。而較淺的地震
稱為淺層地震(shallow earthquake)，地震通常短而快
(higher frequency & lower amplitude)。
震央(epicenter)：震源投影在地面的點則是震央，基本上離
震央近的地區所受到的地震波較大，危害也較深。
相關定義(definitions)
• 如何計算規模(calculation of magnitude)
芮氏規模（ＭL），乃美國地震學家芮氏於1935年所創。其
定義為：一標準扭力式伍德－安德森地震儀（Wood-Anderson
torsion seismometer）（自由週期0.8秒，倍率2,800倍，阻尼常
數0.8）在距震央100公里處所記錄的最大振幅以微米計的對
數值。其計算公式為：
ML＝logＡ－logＡ0
式中Ａ＝標準扭力式地震儀，在某觀測站所記錄之最大振幅（以μ為單位）。
Ａ0＝距離修正量；當標準扭力式地震儀於標準地震（ＭL=0 ）所記錄之最
大振幅。
• 地震規模(magnitude)
地震規模是指地震本身威力的大小，與其所釋放出的能量有
關。因此地震規模並不因為觀測站不同而有不同數值。
目前最常用來表示地震規模的是芮式地震規模(Richter Scale)。
相關定義(Definitions)
• 震度(intensity of earthquake motion)：是表示地震時
地面上的人所感受到振動的激烈程度，或物體因受振
動所遭受的破壞程度。
2020年元月最新地震震度
分級表
相關定義(Definitions)
• 地震帶(seismic belt)：
(1) 環太帄洋地震帶(circum-Pacific belt)：在太帄洋周圍沿大陸邊緣。
(2) 歐亞地震帶或稱地中海地震帶(Mediterranean-Himalayan belt)：
從地中海北岸開始直至中國青藏邊境。
(3) 中洋脊地震帶(Mid-ocean ridge belt)：在各大洋洋脊處，如大西
洋、印度洋、東太帄洋、北極海等洋脊、海嶺等。
相關定義(Definitions)
• 台灣地震帶(seismic belt of Taiwan)：
(1)西部地震帶(western seismic belt)：泛指整個台灣西部地區，大致與島軸帄行。
(2)東部地震帶(eastern seismic belt)：此地震帶之地震是直接肇因於菲律賓板塊與
歐亞板塊碰撞所造成，地震活動頻率最高(with highest active frequency)。
(3)東北部地震帶(north-eastern seismic belt)：此帶是受沖繩海槽擴張作用影響，
屬淺層震源活動地帶，並伴隨有地熱與火山活動現象（龜山島附近）。
設計與施工基本概念(Basic concepts
about design & construction)
• 建築工程防震設計應遵守原則(basic principles
of seismic proof)
一般的建築工程防震設計，除考慮安全之外，還要合
乎經濟的原則。因為要設計一座絕對耐震的房屋或橋樑，
並非絕不可能，但是如果所花的建築費過份龐大，就經
濟學的立場觀之，那就划不來。
從過去的地震紀錄資料去看，地震規模等於8.5至9.0者，
全世界發生的次數大約為10年一次，至於規模大於9.0
的地震，自地震觀測以來，僅發生過5次。
因此，一項合乎經濟原則的防震設計，應該根據該地區
以往發生地震的最大強度，以及未來可能重現機率定出
適度合理的耐震要求，以避免人力物力的過度浪費。
設計與施工基本概念(basic concepts
about design & construction)
• 興建特種重大之工程應慎選地點(a careful site
selection)
在防震設計上，興建特種重大工程設施，撇開交通、地
質等因素不計外，如有選擇餘地，應避免興建於地震斷
層附近(avoid nearby faults)。
一般而言，距離地震斷層愈近的地方震力越大，受震損
失的機會也愈高。
如果迫不得已非建於斷層附近的時候，應該慎重加強耐
震設計(seismic resist design)，詳細勘查可能發生地震的
活動斷層位置，估計可能發生地震的大小，並進一步推
求震源的力學特性，作為防震設計的參考。
設計與施工基本概念(basic concepts
about design & construction)
• 磚石造或鋼筋水泥造的房屋遇地震是否易於倒
塌？(Is a masonry or R.C. building easy to fall
during an earthquake?)
房屋振動的真正情形相當複雜，但主要還是受牛頓
的慣性定律(Newton’s inertia law)所支配。地震時房屋
所受的側向震力，等於這對應加速度與房屋質量的乘積。
也就是說，兩種不同構造的房屋，受到了相同的加速度
時，質量大者所受的震力也大。 (F = ma)
因此，從動力學的觀點上來看，一棟不合防震設計的磚
石造或鋼筋水泥造的房屋，反而會比一棟木造竹造的房
屋，更易於開裂或倒塌。
設計與施工基本概念(basic concepts
about design & construction)
• 特種工程之耐震設計應特別考慮(special
considerations):
某些特種工程建設，像核能發電廠(nuclear power
station)、大型水壩(dams)等，如果因承受不住震動而造
成損壞，其後果之嚴重不難想像。核子反應爐裡的放射
性物質，散播到附近的土壤及水中，甚至隨風飄揚於空
氣中，為害人畜，污染環境，其後遺症將長期影響人們
的正常生活。而大型水壩的崩潰(dam collapse)，可能將
下游的市鎮夷成一片廢墟。
像這種特種工程建設，必須作特殊的耐震設計。對於工
程建址地區可能發生的最強地震強度，地震時可能產生
的地動加速度之大小與週期特性，然後釐訂出最適合的
耐震設計規範，以減少生命和財產的損失。
設計與施工基本概念(basic concepts
about design & construction)
• 台灣一般建築物耐震標準
的分區情形(requirements
of Taiwan area)
民國88年12月修正建築技
術規則耐震設計(內政部台
88內營字第8878473號文)，
依震區水帄加速度
(horizontal accelerations)
係數劃分為地震甲區及地
震乙區，其對應之加速度
分別為0.33g及0.23g。
地震防治對策(strategies of seismic
proof)
• 現在出現了所謂的制震(seismic constrain)、消能(energy
dissipation)、減震(seismic reduction)、隔震(seismic
isolation)、免震(seismic proof)....等等的名詞，其實只是
稱呼上的不同，正確的歸類方式，應該分為主動控制
(active control)及被動控制(passive control)兩種。
• 主動控制(active control)：制震屬於主動控制，尚屬研
發中之課題。
• 被動控制(passive control)：被動控制就是所謂的消能
(energy dissipation)及隔震(seismic isolation) 。最有名的
例子為101上面的調節質量阻尼器〈稱作風阻尼器〉，
當風力來時，質量塊會因慣性作用自動產生反方向的作
用力以減少震動。
地震防治對策(strategies of seismic proof)
•
一般而言，提高建築耐震能力(enhance the seismic resistant ability) 之方
式主要可分為兩大類：一是消能(energy dissipation)、一是隔震(seismic
isolation)。
消能(energy dissipation)是利用可變形(deformable)，或可破壞(collapsible)之
斜撐桿件(diagonal bracing members)或可復原(recoverable)之阻尼器
(Damper)，拉長建築物振動周期及增加阻尼比(increase the period of
oscillation & damping ratio)，期以達到提高建築耐震能力之效果。
但這種方式仍不能改變建築物在地震時樓層間變位之事實，正是造成牆面
破裂、門窗變形、斜撐破壞及管線破裂之原因（如下圖）。
地震防治對策(strategies of seismic
proof)
• 消能的核心觀念為「韌性(ductility)--以柔克剛 」。
韌性的觀念與老祖宗太極拳中以柔克剛的精神是相同的。
結構體利用其變形來抵銷地震的能量,其設計最高原則是
“小震不裂,中震可修,大震不倒”。
地震防治對策(strategies of seismic
proof)
•
隔震(seismic isolation)的原理是利用阻尼器(damper)（又叫隔震器
或隔震墊）拉長建築物振動周期及增加阻尼比，以降低地震力對建
築物的衝擊。
簡單來說，就是用隔震器將地震時建築物的擺動轉換為建築物對地
面的橫向位移(transfer the swing of buildings to lateral
displacement)，地震能量由隔震器來吸收，如此建築物就大大的降
低扭曲及彎曲，明顯的降低搖擺程度（地震加速度），減少構造及
設備的破壞。
隔震系統與未設置隔震系統之比較(comparison)
地震防治對策(strategies of seismic
proof)
•
隔震器簡介(introduction of seismic isolator)
隔震器是裝置在基礎（或下層結構體）與上部結構中間的一種連結裝
置，通常位於柱之下端。
• 單擺(single pendulum)或雙擺(double pendulum)隔震器：這類隔震器
是利用擺垂原理將地震的動能轉化為位能，再慢慢消散掉這些能量
將建築物回歸原來位置，適用於高寬比較小之建築。
地震防治對策(strategies of seismic
proof)
• 積層橡膠隔震器(layered rubber isolator)：此類隔震器
是利用扁帄橡膠層在均佈垂直載重時不會被擠壓變形但
又可橫向位移之性質而構成。必要時於隔震器中心加裝
圓柱體(cylindrical)之鉛心(lead core)則可抵抗較大之橫向
力。
地震防治對策(strategies of seismic
proof)
• 隔震建築的優點(advantages of seismic isolated
building)：
1.免除對地震之恐懼—大量降低地震時搖擺程度
2.可提高耐震等級1.5倍以上
3.大幅降低地震對構造及設備之破壞，如樑柱破壞、牆裂、
磁磚掉落、門窗變形、家具傾倒、管線破壞等
4.隔震器上部之結構強度可以折減，如混凝土斷面尺寸、
鋼筋用量等，因而約可降低結構造價10%~35%
5.室內空間因建築物構材尺寸縮減而增大
6.大幅減少勁度分配不良配置（如短柱效應、L型配置）之
問題
7.可增加建築須設伸縮縫之長度
地震預警系統(seismic precaution
systems)
• 地震預測(seismic prediction)是指在地震發生之前，能
夠明確地指出地震發生的時間、地點、規模、震度或可
能造成之地震災害等資訊。截至目前為止，地震預測技
術仍在詴驗及研發階段，世界各國許多專家、學者，均
致力研究，也許在未來能研發出較成熟的地震預測技術。
• 由於各種地震觀測資料日漸增多，地震發生後可能造成
的災害評估技術也越趨成熟，如：( 一 ) 可能發生破壞
的地區；( 二 ) 破壞發生的機率；( 三 ) 破壞的程度；這
樣一來對提升救災效率、降低生命財產的損失就有明顯
的幫助。這也是目前地震預測技術的發展過程中，最可
預期的成效。
地震預警系統(seismic precaution
systems)
• 地震預測(seismic prediction)的研究方法，比較重要的有
下面幾種方法：
1.測地法（geodesic method）：
根據過去許多紀錄，在大地震發生時地殼會發生變動，
而有時會發生在地震之前。因此測量地殼變動情形並研
判地震前兆現象，是可以預測將否有大地震發生。例如
西元1964年日本新潟地區發生地震前有地盤下沈現象，
因當地經常從事測量調查工作，故發現地震發生之前確
有前兆現象可尋。
此外，地殼發生變動的面積會隨地震規模之增大而增加，
也就是說地殼發生異常變動的範圍越廣，可能發生地震
的規模也越大。
地震預警系統(seismic precaution
systems)
2.井水含氡量的變化(the change of Radon content in well
water)：
蘇俄的科學家，在加爾姆地區發現到水井中的含氡
（Radon) 於地震前會增加，亦用以預測地震。
氡是一種放射性氣體，科學家們認為當岩石受到強大壓
力時，岩石內部產生無數微小裂隙，通常只有用顯微鏡
才看得見。岩石有了裂隙之後，曝露於地下水的表面積
自然也會增加，當地下水滲入裂隙之中，補滿裂開的空
隙，可以接觸到較多的放射性物質，同時吸收更多量的
氡。直到地震發生，岩石突然崩裂，氡的含量又逐漸下
降。因此，監測井水含氡量，可以知道岩石受力情形，
從而預測地震。
地震預警系統(seismic precaution
systems)
3.分析天然氣含量(ingredients of nature gases)：
德國杜秉根大學的地質學家恩斯特教授，在西元1969
年，首次觀測到探測器裡沼氣(methane)含量先增加
0.2%至2%，而於經過強烈地震後沼氣含量又告下降，
又發生餘震時，沼氣含量也會增加。在1973年，恩斯特
教授在中美洲的哥斯達黎加的首都聖荷西擔任客座教授
時，他以天然氣探測器觀測的結果，發現地球天然氣含
量與火山爆發有連帶關係，此法也能預測地震。
天然氣探測器主要在分析二氧化碳(carbon dioxide)，因
為在火山要爆發的那些地區，二氧化碳的濃度會高達
12%。
測定土壤內天然氣含量的方法簡單，測定工具只需一
根1公尺的探測管(probe tube)，是屬於較經濟的一種預
測地震方法。
地震預警系統(seismic precaution
systems)
4.地殼變動的連續觀測(continuous observations on crust
deformation)
每隔幾年實施一次大地測量，這是發現地殼變動相當有
效的一種方法，惟因不能獲得連續的資料是其缺失，只
有利用高靈敏度的傾斜計(inclinometer)及伸縮計
(extensometer)進行觀測，以獲得地殼變動的連續紀錄。
日本松代群生地震發生時，設在松代地震觀測所內的水
管傾斜計，其觀測紀錄顯示與地震活動消長有相當密切
的關係，有時會有前驅異常傾斜現象出現。因此，也是
預測地震的有效方法之一。
地震預警系統(seismic precaution
systems)
5.驗潮(tide survey)
在大地震發生前後，過去住在海岸一帶的人，往往會
發現海岸線或島嶼的急劇上升或下降現象。因此，有完
善設備的驗潮站網，經常監視驗潮紀錄，很可能發現大
地震發生的前兆現象。
6.地震波速度變化(variation of seismic wave propagation
velocity)
由地震波速度的變化，也可以預測地震的發生。地殼
如果受到強大應力時，經過此區的地震波速度可能會發
生變化。根據在中亞細亞觀測的報告，縱波
(longitudinal wave)速度在地震發生前後有15%之變化。
這個數字相當驚人，必須應用人造地震反覆實驗，才能
證明地震波速度的變化和地震發生的關係。
地震預警系統(seismic precaution
system)
• 強震預警系統(intensive earthquake precaution system)
強震預警系統是一套可迅速偵測地震並藉由震災區之預
估發布警訊的系統。除了快速偵測地震外，評估可能的
災區做為預警的範圍，需要有充分的地動觀測資料及相
關研究。地震預警系統所利用之物理原理如下：
1.地震時，地面強烈振動通常是由Ｓ波（剪力波）(shear
wave)及表面波(surface wave)所引起，而Ｓ波及表面波傳
遞速度較Ｐ波（初達波）(longitudinal wave)傳遞速度慢。
2.地震波傳遞速度遠小於電話或無線電傳遞訊號的速度。
(The propagation velocity of seismic wave is
far slower than the transmission speed of
telephone or radio)
地震預警系統(seismic precaution
systems)
• 強震預警系統的例子(example)
例如，有一個地震其發生地點距某城市100公里遠，地震
發生後，Ｐ波大約於15秒後到達，而Ｓ波及表面波大約
於25秒後才到達。假如在該城市設置一套偵測地震波的
儀器，當其測到Ｐ波後立即發布警報，則該城市在受到
強烈推動之前，便有十秒的預警時間。如果更進一步在
震源附近設置地震儀，當其偵測到地震後，立即透過無
線電傳送地震訊息，該城市將有更長的預警時間。
預警時間的長短依地震發生地點至預警地區之距離遠近
而定，地震發生地點愈靠近預警地區則預警時間愈短。
換言之，強震預警系統對在震央附近地區之功效不大，
但是對距離較遠地區則功效顯著。例如下頁圖之說明。
風力(wind force)
•
風之強弱程度，通常用風力等級來表示，
而風力的等級，可由地面或海面物體被
風吹動之情形加以估計之。目前國際通
用之風力估計，是以蒲福風級為標準。
陸上應用之蒲福風級表0~8級
陸上應用之蒲福風級表9~17級
結構分析及設計時之基本觀念與原理
• 基本的力學行為(basic mechanics behavior)
基本的結構力學行為分為軸力(axial force)、剪力、彎矩、與
扭力四種力學行為，其餘的行為，也大都是這四種力組合而成。
結構分析及設計時之基本觀念與原理
• 基本的結構元件(basic structural members)
結構力學最基本的元件，分為 『桿』 『樑』 與
『柱』三種,分別有其不同的力學行為與作用。在了解
這些結構原件的基本行為後，就可以依照這些行為與
特性去做結構分析與結構設計。
結構分析及設計時之基本觀念與原理
• 結構物之種類(types of structure)
1.梁(beam)：主應力為彎矩跟剪力，次應力為軸力。
2.桁架(truss)：主應力為軸力，忽略彎矩跟剪力。
基本假設：a.節點均為鉸接。b.只承受節點集中力。c.忽略
桿件受力後之結構變形。
分為：
簡單桁架(simple truss)：以一基本三角形為基礎，每增加一
節點，增加兩桿件發展行成者。
合成桁架(compound truss)：兩桁架﹝或簡單桁架﹞以三桿
﹝此三桿不同時帄行、不同交於一點﹞或一桿及一鉸連接
而成。
複雜桁架(complex)：不能分成簡單桁架或合成桁架者。
結構分析及設計時之基本觀念與原理
3.剛架(frame)：具有抗彎、抗剪、抗軸力之特性，主應力
為彎矩，次應力為軸力。
基本假設：a.至少有一個節點為剛接點。
b.載重位置不限。
4.組合結構(composed structure)：凡由梁元素及二力桿所
組成之結構。
5.二力桿(two-force member)：凡一桿件只受二力，且此二
力大小相等方向相反，作用線相同者。Ex.
6.多力桿(multi-force member)：凡受力兩個以上之桿件。
結構分析及設計時之基本觀念與原理
• 穩定性(stable)、靜定性(statically determinate)之判別
判別原則：
a.帄衡條件﹝方程式﹞個數=未知力個數為靜定之必要條件。
帄衡條件：
帄面結構：ΣFx=0，ΣFy=0，Σ Fz=0
空間結構：ΣFx=0，ΣFy=0，Σ Fz=0
ΣMx=0，ΣMy=0，Σ Mz=0
b.方程式數 < 未知力數 → 超靜定﹝必要條件﹞
c.方程式數 > 未知力數 → 必為不穩定。
註：若合乎a、b條件，但含有幾何不穩定，仍為不穩定。
結構分析及設計時之基本觀念與原理
• 幾何不穩定(unstable)
1.三鉸同一直線，ex.
2.三反力帄行，ex.
3.三反力交於一點，ex.
4.桁架含有非基本型﹝三角形﹞。
5.合成桁架：三連接桿互相帄行或交於一點。
結構分析及設計時之基本觀念與原理
•
分解成結構元件(decompose to structure member)
基本上，要分析一個結構體，必
須先將複雜的結構體，分為許多
小的結構元件。
• 結構分析的方法
房屋結構(building structure)
在分析簡單的房屋結構時,是將房子
的結構分成樑,柱等簡單的結構元件
,再進行分析。
橋樑結構(bridge structure)
分析橋樑結構時,是將橋樑結構分成
樑,柱,桿等簡單的結構元件, 再去
進行分析。
第一單元結束
(Thanks for your attention)
謝謝聆聽