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地特三等申論題 109年 [建築工程] 建築結構系統

第 一 題

📖 題組:
一、請以文字說明並繪圖解釋下列名詞。(每小題4分,共20分)
📝 此題為申論題,共 5 小題

小題 (一)

Pratt 桁架(提示:斜構材受拉力)

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看到桁架名詞解釋,應立刻聯想其「幾何構成」與「構件受力行為(拉/壓)」。本題已提示斜桿受拉,作答重點應放在解釋「為何如此設計(長桿受拉避挫曲、短桿受壓)」以及在繪圖時正確畫出斜桿走向(外上向內下)並明確標示拉力(T)與壓力(C)。

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「Pratt 桁架(普拉特桁架)」指由水平上下弦桿、垂直腹桿與斜向腹桿所組成之結構系統。其特徵與應用如下:

  1. 力學行為特徵:在一般垂直向下之重力載重作用下,其「斜向構件」承受拉力(Tension),而較短的「垂直構件」承受壓力(Compression)。(上下弦桿則依彎矩決定,通常簡支狀態下弦受拉、上弦受壓)。
  2. 結構優勢:由於長構件受拉不會產生挫曲(Buckling)破壞,而受壓構件設計為較短的垂直桿,可大幅提升抗挫曲能力。此配置將材料的力學效率最大化。

小題 (二)

Howe 桁架(提示:斜構材受壓力)

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看到 Howe 桁架,應直覺聯想其受力特徵與 Pratt 桁架相反,即「斜桿受壓、垂直桿受拉」。解題時需點出此受力特性、適用材料背景(木材受壓、鋼材受拉),並在繪圖中明確標示斜桿幾何走向(由中央往兩側下傾,呈八字型)及對應的拉(T)壓(C)力標註。

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「Howe 桁架(豪式桁架)」為一種平行弦桁架結構系統,其主要特徵在於承受垂直向下的重力載重時,內部腹桿的受力狀態為:「斜向構材承受壓力(Compression),垂直構材承受拉力(Tension)」。 特徵包含:

  1. 幾何配置:斜桿由中央向兩側呈「八」字型走向(即從上節點向外側下節點連接)。

小題 (三)

Warren 桁架(提示:無垂直構材)

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看到「Warren桁架」,應立即聯想到其由連續等邊或等腰三角形組成,且「無垂直腹桿」的幾何特徵。答題時不僅要寫出定義,更要結合力學路徑(Load Path),點出其受力特性(上下弦桿抗彎、斜桿拉壓交替抗剪),並透過簡圖精確標示出構件名稱與受力狀態(拉力T/壓力C),以展現結構力學與實務素養。

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【破題】華倫桁架(Warren Truss)是一種以連續三角形構成的結構系統,其最大特徵在於腹桿僅由斜桿組成,無垂直桿件。 【論述】 一、文字說明:

小題 (四)

洋小屋桁架

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看到「洋小屋」,應立刻對比傳統日式疊梁的「和小屋」,點出其核心為「引入西方桁架(Truss)原理」。解題時必須強調「三角形幾何不變性」與「構件僅受軸力(拉/壓)」的力學特徵,繪圖時務必畫出典型桁架(如真束小屋)並清楚標註拉壓應力與鉸接點。

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「洋小屋桁架」指近代(如日治時期)引入台灣與日本的西方桁架(Truss)式木構屋架系統,用以取代傳統疊梁式且主要受彎矩的「和小屋」。 特徵包含: (1) 力學原理:基於三角形的幾何不變性,節點在力學上視為理想鉸接(Hinge),使各桿件僅承受軸向拉力或壓力,消除彎矩,大幅提升材料力學效率。

小題 (五)

和小屋桁架

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看到「和小屋桁架」,首先要直覺反應它與西方「洋小屋(純桁架)」在結構力學本質上的絕對差異。和小屋並非由三角形組成的軸力系統,而是依靠垂直短柱疊加在水平橫樑上的「柱樑系統」,解題關鍵在於點出其荷載傳遞仰賴大樑的「受彎(Bending)」行為。

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【文字說明】 「和小屋桁架」為傳統日式木構造建築中常見的屋頂骨架系統。雖然名稱中有「桁架」,但嚴格來說,它並非力學定義上由三角形組成的軸力構架,而是一種多層疊加的「柱樑系統」。

  1. 力學傳遞路徑:屋頂載重由垂木傳至縱向的母屋(桁),再由垂直的短柱(小屋束)集中傳遞至下方的水平橫樑(小屋梁),最後傳至兩側承重牆或主柱。

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