01 / 導讀
導讀
引用
Ji, T., Bell, A. J., & Ellis, B. R. (2015). Understanding and Using Structural Concepts (2nd ed.). CRC Press.
章節概要
第二版約390頁，收錄555幅黑白插圖。開頭的概述章之後分為三篇：靜力學（Statics，十二章）、動力學（Dynamics，七章）與綜合（Synthesis，四章），據出版社介紹，最後一篇是本版新增的。前兩篇幾乎每一章都採用相同的四步驟結構：定義與概念、理論背景、模型示範、工程實例。示範使用的是能在一般課堂教學中使用的簡單實體模型；工程實例則說明該概念在實際工程結構中如何發揮作用。
第1章：Overview of Structural Concepts（結構概念概述）
簡短的導論章：什麼是結構概念、為什麼值得學習、學習結構概念有哪些途徑；並說明全書的編排方式，提出使用本書的建議。
第一篇 第2–7章：Equilibrium（平衡）；Centre of Mass（質心）；Effect of Different Cross Sections（不同斷面的影響）；Stress Distribution（應力分布）；Bending（彎曲）；Shear and Torsion（剪力與扭轉）
靜力學的前半部講結構力學入門課程中的基本觀念：平衡條件、質心及其在穩定性中的角色、斷面形狀如何影響勁度與強度、應力如何分布，以及構件在彎曲、剪力與扭轉作用下的行為。每個主題各自成章，篇幅約十到十八頁；在結構分析教科書中通常夾在較長章節裡的概念，在這裡被逐一抽出來示範。
第一篇 第8–13章：Span and Deflection（跨度與撓度）；Direct Force Paths（直接傳力路徑）；Smaller Internal Forces（較小的內力）；Buckling（挫屈）；Prestress（預力）；Horizontal Movements of Structures Induced by Vertical Loads（垂直載重引起的結構水平位移）
靜力學的後半部從構件行為轉向設計思維。跨度與撓度一章把構件長度與撓度大小連結起來。直接傳力路徑與較小的內力兩章提出判斷哪種結構配置傳力較有效率的準則（小節標題分別是「定義、概念與準則」及「概念與一項準則」）。本篇最後討論挫屈、預力，以及較少見的垂直載重引起水平位移的問題。
第二篇 第14–17章：Energy Exchange（能量交換）；Pendulums（擺）；Free Vibration（自由振動）；Resonance（共振）
動力學從動能與位能的相互轉換談起，再以擺為橋梁進入自由振動與共振。同樣的四步驟章節結構延續下來，因此動態行為先透過模型介紹，再呈現其在實際結構中的應用。
第二篇 第18–20章：Damping in Structures（結構阻尼）；Vibration Reduction（減振）；Human Body Models in Structural Vibration（結構振動中的人體模型）
動力學其餘各章討論振動如何消散與控制，最後一章談結構振動中的人體建模，也就是把使用結構的人視為其動力系統的一部分。這一章以「示範試驗」取代模型示範。
第三篇 第21–24章：Static and Modal Stiffnesses（靜態勁度與模態勁度）；Static and Dynamic Problems（靜態問題與動態問題）；Experimental and Theoretical Studies（試驗研究與理論研究）；Theory and Practice（理論與實務）
綜合篇的體例不同：每章有各自的小節與小結。第21章定義靜態勁度與模態勁度，推導兩者的關係，並加以驗證與應用。第22章把靜態量與動態量連結起來：最大位移、挫屈載重、張力與週期載重，分別與基本自然頻率或等效靜載重建立關係。第23章把試驗與理論的關係歸納為六種模型（比較、整合、驗證、解釋、創造與延伸）。第24章探討結構概念的理論來源與實務來源，並討論如何縮小理論與實務之間的落差。
核心概念
第1章與第一篇：靜力學
- 結構概念：能從物理上理解、進而用於分析與設計的結構行為原理；第1章討論哪些內容算是結構概念。
- 平衡與質心：物體保持靜止的條件，以及其重量作用的點，是穩定性的基礎。
- 斷面與彎曲：斷面的形狀與方向如何決定構件抵抗彎曲、剪力與扭轉的能力。
- 直接傳力路徑：力沿較短、較直接的路線傳到支承時，結構傳力較有效率。
- 較小的內力：透過結構配置降低內力，並提出比較不同方案的準則。
- 挫屈與預力：受壓構件的不穩定，以及預先施加力以改善結構行為。
第二篇：動力學
- 能量交換：動能與位能之間的轉換，是振動的基礎。
- 自然頻率與共振：結構自由振動的頻率，以及載重頻率接近它時出現的大幅反應。
- 阻尼與減振：振動能量的消散，以及抑制不良振動的措施。
- 人體模型：把人表示為與其所在結構相互作用的動力系統。
第三篇：綜合
- 靜態勁度與模態勁度：靜載重下的勁度與某一振態相關的勁度這兩種量度，以及兩者的關係。
- 靜態—動態關係：位移、挫屈載重或纜索張力與基本自然頻率之間的關聯。
- 試驗—理論關係模型：試驗研究與理論研究相互支持的六種方式。
評析
優點
- 實體示範。 出版社的介紹強調可用於一般教學的簡單示範模型，幾乎每一章都有模型示範一節。Peter Bullman 在《The Structural Engineer》的書評中提到，作者們以運用實體模型示範結構概念聞名，本書將讓他們的做法得到更廣泛的運用。
- 結構可預期。 定義、理論、示範、實例的模式一再重複，讀者可以逐一掌握概念，從直覺走向理論，再走向實際結構。牛津大學的 Martin Williams 在出版社頁面的推薦文中指出，許多讓學生困惑的結構概念，其實不必借助數學，用簡單的物理語言就能理解。
- 靜力學與動力學兼顧。 動力學七章涵蓋阻尼、減振以及人與結構的互動，超出多數入門結構教科書的範圍。考文垂大學的 Messaoud Saidani 特別指出，同時涵蓋靜力與動力、並討論試驗與理論之間的關係，在結構分析書籍中相當少見。
- 以研究為基礎的內容。 Ji 與 Bell 是曼徹斯特大學的資深講師，在各個層級講授結構分析與結構設計（Ji 研究結構動力學與結構概念）；Ellis 曾任英國建築研究院（Building Research Establishment）技術總監，工作包括結構的現地試驗與監測。出版社指出，本書納入了以最新研究為基礎的教材，綜合篇與人體模型一章正反映了這一點。
局限
- 是輔助讀物而非主教材。 Williams 把本書定位為較偏分析的結構教科書的補充；書中不講靜不定結構的分析方法或矩陣方法，理論部分只是簡短的背景說明，而非完整推導。
- 預設讀者範圍很廣。 出版社把各年級學生、研究生、建築系學生與顧問工程師都列為讀者。尤其第三篇關於模態勁度、靜態—動態關係與試驗理論的內容，所需的基礎超出大一學生的程度。
- 沒有材料與規範的章節。 目錄中沒有討論特定材料（鋼、混凝土、木材）或依規範設計的章節；本書談的是貫通各類結構的概念，而非構件設計。
在課程中的定位
在本課程中，這本書介於兩類讀物之間。J. E. Gordon 的《Structures: Or Why Things Don't Fall Down》是寫給一般讀者與初學者的非技術性讀物，較適合作為起點；Ji、Bell 與 Ellis 沿著同樣直觀的路線更進一步，為每個概念補上定義、簡要理論與工程實例。Hibbeler 的《Structural Analysis》與 Megson 的《Structural and Stress Analysis》是偏重分析的課程教科書，搭配例題講授靜定與靜不定結構的分析方法。本書最好與它們並行，一章一章地讀，作為計算背後物理意義的說明。
另外兩本較專門的課程用書，分別對應本書的特定部分。McGuire、Gallagher 與 Ziemian 的《Matrix Structural Analysis》把第一篇與第21章從物理角度討論的勁度概念加以形式化。Chopra 的《Dynamics of Structures》完整發展了第二篇透過擺、共振與阻尼引入的振動理論；在修結構動力學課程之前，第二篇與第22章是很好的預習材料。
如何使用本書
本書適合大一起的土木與結構工程系學生、對技術有興趣的建築系學生，以及想加強結構直覺的工程師。第一篇只需要高中數學與工學院初期學到的初等靜力學；第二篇需要基礎力學；第三篇最好在修過結構分析與結構動力學之後再讀。
實用的閱讀計畫：
- 先讀第1章，其中說明全書的編排與使用方式。
- 第一篇與第一門結構力學或結構分析課程同步閱讀，把章節與課程內容對應起來：第2–7章搭配靜力學與材料力學，第8–13章搭配設計與穩定性的入門內容。
- 主動運用四步驟結構。 先讀定義，在讀每個模型示範的結果之前先自己預測；條件允許時動手做簡單模型；接著在工程實例中，以及在身邊的建築與橋梁中找出這個概念。
- 第二篇在課程中第一次出現振動時閱讀，或在修結構動力學之前閱讀。如果對使用者如何影響結構振動沒有興趣，第20章可以略過。
- 第三篇留待之後閱讀。 第21–22章適合學過動力學的學生；第23–24章適合開始進行結合試驗與分析的專題或研究的學生。
各章相對獨立，讀者可以直接翻到剪力、挫屈、共振等覺得困難的主題。本書刻意把計算寫得很精簡，因此手邊最好備有一本偏重分析的教科書。