축 응력과 변형률
- 수직 응력
- σ = F/A
- 변형률
- ε = ΔL/L
- 훅의 법칙
- σ = E·ε
- 늘음량
- ΔL = FL/(EA)
- 열변형률
- εT = α·ΔT
재료역학: 벼락치기 팩
공식 모음, 모든 주제의 핵심 풀이 단계, 연습 문제 14개가 들어 있으며 전체 풀이는 맨 뒤에 있습니다.
1공식과 풀이 방법
축의 비틀림
- 전단 응력
- τ = T·r/J
- 중실축
- J = πd⁴/32
- 중공축
- J = π(D⁴ − d⁴)/32
- 비틀림각
- φ = TL/(GJ)
- 전력
- P = T·ω = 2πnT/60
방법
- 극관성 모멘트를 구하세요: 중실축은 J = πd⁴/32.
- 표면의 전단 응력: τ = T·r/J, r은 바깥 반지름.
- 비틀림각: φ = TL/(GJ), 단위는 라디안.
- 동력이 주어지면 P = T·ω, ω = 2πn/60으로 먼저 토크를 구하세요.
전단력과 휨 모멘트
- 전단력과 휨모멘트
- V = 한쪽의 ΣF, M = 한쪽의 ΣF·d
- 휨 응력
- σ = M·y/I
- 직사각형
- I = bh³/12
- 단면 계수
- W = I/ymax
- 단순 지지, 등분포 하중
- Mmax = wL²/8
방법
- 보 전체의 평형에서 지점 반력을 구하세요.
- 필요한 단면에서 보를 자르고 한쪽만 남기세요.
- 전단력: 그쪽에 작용하는 연직력의 합. 굽힘 모멘트: 절단면에 대한 그 힘들의 모멘트 합.
- 최대 모멘트는 전단력이 0인 곳에서 찾으세요.
도심과 단면 2차 모멘트
- 도심
- ȳ = ΣAiyi/ΣAi
- 직사각형
- I = bh³/12
- 평행축 정리
- I = Ic + A·d²
- 합성 단면
- I = Σ(Ic,i + Aidi²)
모어 원과 응력 변환
- 중심
- C = (σx + σy)/2
- 반지름
- R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)
- 주응력
- σ1,2 = C ± R
- 주방향
- tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)
- 경사면의 응력
- σθ = C + (σx − σy)/2·cos 2θ + τxy·sin 2θ
방법
- 모어 원의 중심을 계산하세요: C = (σx + σy)/2.
- 반지름을 계산하세요: R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²).
- 주응력은 C ± R이고, 면내 최대 전단 응력은 R입니다.
- 원 위의 각은 요소에서의 각의 두 배입니다: tan 2θp = 2τxy/(σx − σy).
보의 처짐
- 경간 중앙 집중 하중
- δ = PL³/(48EI)
- 등분포 하중, 단순 지지
- δ = 5wL⁴/(384EI)
- 캔틸레버, 끝단 하중
- δ = PL³/(3EI)
- 캔틸레버, 등분포 하중
- δ = wL⁴/(8EI)
- 중첩의 원리
- δ = δ1 + δ2
기둥의 좌굴
- 오일러 좌굴 하중
- Pcr = π²EI/(KL)²
- 유효 좌굴 길이 계수
- K = 1 핀–핀, 0.5 고정–고정, 0.7 고정–핀, 2 고정–자유
- 임계 응력
- σcr = Pcr/A
- 세장비
- λ = KL/r, r = √(I/A)
2연습 문제
1.축 응력과 변형률보통
강철 봉(지름 20 mm, E = 200 GPa)이 구리으로 만든 관(바깥지름 100 mm, 안지름 50 mm, E = 120 GPa) 안에 들어 있습니다. 둘 다 길이가 500 mm이며 강체 판 사이에서 300 kN으로 함께 압축됩니다. 줄어든 길이 δ을(를) 구하시오.
P = 300 kN막대: Ø20 mm, E = 200 GPa관: Ø100/Ø50 mm, E = 120 GPaL = 500 mm
δ = mm
2.축 응력과 변형률어려움
계단형 봉이 벽에 고정되고 자유단에 하중을 받는다. 봉의 최대 수직 응력 σmax을(를) 구하시오.
P = 75 kN구간 1: Ø25 mm, 0.5 m, 구리 (E = 117 GPa)구간 2: Ø12 mm, 1.5 m, 황동 (E = 100 GPa)
σmax = MPa
3.축의 비틀림보통
황동 중공축(바깥지름 80 mm, 안지름 56 mm, 길이 1.5 m)의 한쪽 끝은 고정되어 있고 다른 쪽 끝에 토크 750 N·m이(가) 가해진다. 비틀림각 φ을(를) 도(°)로 구하시오.
T = 750 N·mdo = 80 mmdi = 56 mmL = 1.5 mG = 39 GPa
φ = °
4.축의 비틀림어려움
지름 50 mm인 속이 찬 황동 축의 양 끝 A와 B가 강체 벽에 고정되어 있다. A에서 0.8 m, B에서 0.5 m 떨어진 C에 토크 1500 N·m이(가) 가해진다. 벽 A의 반력 토크 TA을(를) 구하시오.
d = 50 mmT0 = 1500 N·ma = 0.8 mb = 0.5 m
TA = N·m
5.전단력과 휨 모멘트보통
보는 A의 힌지와 B의 롤러 위에 놓여 있고, B에서 자유단 C까지 1 m만큼 내밀어져 있다. 지점 사이에 집중 하중 P1, C에 집중 하중 P2이 작용한다. 지점 B에서의 휨 모멘트 MB을(를) 구하시오. 아래쪽이 인장되는 휨 모멘트를 양으로, 왼쪽 면에서 위쪽 전단력을 양으로 한다.
L = 5 mP1 = 75 kN 위치 1 mP2 = 25 kN 위치 5 mx = 0과 x = 4 m에 지점
MB = kN·m
6.전단력과 휨 모멘트어려움
표시점 A부터 G는 보를 같은 여섯 부분으로 나눕니다. 어느 표시점에서 굽힘 모멘트의 크기가 가장 큽니까(정이든 부이든)? 그림에서 클릭하세요.
55 kN @ 0 m60 kN @ 12 m10 kN/m, 2–8 m
- 1A (x = 0 m)
- 2B (x = 2 m)
- 3C (x = 4 m)
- 4D (x = 6 m)
- 5E (x = 8 m)
- 6F (x = 10 m)
- 7G (x = 12 m)
7.도심과 단면 2차 모멘트보통
200 mm × 240 mm 판의 수직 중심선 위에 지름 50 mm의 원형 구멍이 있고 그 중심은 아래에서 72 mm 위에 있습니다. 도심을 지나는 수평축에 대한 단면 2차 모멘트 Ix을(를) 구하시오.
b = 200 mmh = 240 mmd = 50 mm구멍 중심: y = 72 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
8.도심과 단면 2차 모멘트어려움
용접 I형 단면의 상부 플랜지는 150 × 12 mm, 웨브는 높이 310 mm, 두께 16 mm, 하부 플랜지는 210 × 24 mm(폭 × 두께)이다. 도심을 지나는 수평축 x에 대한 단면 2차 모멘트 Ix을(를) 구하시오.
상부 플랜지: 150 × 12 mm웨브: 16 × 310 mm하부 플랜지: 210 × 24 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
9.모어 원과 응력 변환보통
하중을 받는 부품의 한 점에서 σₓ = −40 MPa, σᵧ = −10 MPa, τₓᵧ = −30 MPa이다(인장을 양으로 한다). x축에서 최대 주응력 방향까지의 각도 θp을(를) −90°와 90° 사이에서 구하시오.
σx = −40 MPaσy = −10 MPaτxy = −30 MPa
θp = °
10.모어 원과 응력 변환어려움
지름 30 mm인 속이 찬 축이 축방향 인장력 120 kN와(과) 토크 750 N·m를 함께 받는다. 축의 표면에서 최대 주응력 σ1을(를) 구하시오.
d = 30 mmF = 120 kNT = 750 N·m
σ1 = MPa
11.보의 처짐보통
단순보의 전체 경간에 등분포 하중 w가 작용한다. 경간 중앙의 최대 처짐 δmax을(를) 구하시오.
w = 20 kN/mL = 8 mE = 200 GPa (강철)I = 84 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
12.보의 처짐어려움
단순보에 등분포 하중 w가 작용한다. 처짐은 경간/360을 넘을 수 없다. 이 한계를 만족하는 최소 단면 2차 모멘트 Ireq을(를) 구하시오.
w = 15 kN/mL = 3 mE = 11 GPa (구조용 목재)
Ireq = × 10⁶ mm⁴
13.기둥의 좌굴보통
길이 L인 강철 기둥이 하단 고정, 상단 핀이다. 오일러 공식을 이용해 임계 좌굴 하중 Pcr을(를) 구하시오.
L = 3 mE = 200 GPa (강철)b × h = 40 × 60 mm
Pcr = kN
14.기둥의 좌굴어려움
길이 L인 강철 원형 기둥(속이 참)이 하단 고정, 상단 핀이다. 좌굴에 대한 안전율 3로 70 kN을(를) 지지해야 한다. 최소 지름 d을(를) 구하시오.
P = 70 kNn = 3L = 6 mE = 200 GPa (강철)
d = mm
3용액
1.축 응력과 변형률
답: δ = 0.1949 mm
두 재료: 직렬(차례로 이어짐)에서는 모든 구간이 같은 힘을 받고 늘어난 길이가 더해집니다: δ = P·Σ L/(E·A). 병렬(강체 판 사이에 나란히)에서는 두 부분이 같은 양만큼 줄어들므로 변형률이 같습니다. 더 강성이 큰 부분이 더 큰 몫을 받으며 Pi = P·EiAi/ΣEA, σi = Ei·ε입니다. 접합부에 하중이 작용하며 두 강체 벽 사이에 고정된 막대는 부정정입니다: 두 구간은 강성 k = EA/L에 비례해 하중을 나눕니다.
넓이
Ar = π·20²/4 = 314.2 mm²
At = π(100² − 50²)/4 = 5890 mm²
합성 축강성
ΣEA = 200·10³·314.2 + 120·10³·5890 = 7.697 × 10⁸ N
줄어든 길이
δ = 300000·500/7.697 × 10⁸ = 0.1949 mm
답
δ = 0.1949 mm
2.축 응력과 변형률
답: σmax = 663.1 MPa
축하중 부재: 각 균일 단면 구간은 δ = PL/(AE)를 따릅니다. 직렬 부재에서는 늘음량을 더합니다.
두 구간에 같은 힘
자유단이 P를 받으므로 봉의 모든 단면은 같은 축력 P를 받습니다. 바뀌는 것은 면적과 재료뿐입니다.
A1 = π·25²/4 = 490.9 mm², A2 = π·12²/4 = 113.1 mm²
σ1 = 152.8 MPa
σ2 = 663.1 MPa
최대 응력
가는 구간은 면적이 작아 응력이 더 큽니다.
σmax = 663.1 MPa
답
σmax = 663.1 MPa
3.축의 비틀림
답: φ = 0.5409 °
원형 축의 비틀림: 전단 응력은 중심에서 0이고 표면에서 τmax = T·r/J까지 선형으로 증가합니다. 속이 찬 축은 J = πd⁴/32, 속이 빈 축은 J = π(do⁴ − di⁴)/32. 비틀림각은 φ = TL/(GJ) (라디안)입니다. 동력과 토크는 P = T·ω로 연결됩니다.
극관성 모멘트
J = π(80⁴ − 56⁴)/32 = 3.056 × 10⁶ mm⁴
비틀림각
T = 750 N·m = 750000 N·mm
L = 1.5 m = 1500 mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
φ = TL/(GJ) = 750000·1500/(39000·3.056 × 10⁶) = 0.00944 rad
φ = 0.00944·180/π = 0.5409°
답
φ = 0.5409°
4.축의 비틀림
답: TA = 576.9 N·m
원형 축의 비틀림: 전단 응력은 중심에서 0이고 표면에서 τmax = T·r/J까지 선형으로 증가합니다. 속이 찬 축은 J = πd⁴/32, 속이 빈 축은 J = π(do⁴ − di⁴)/32. 비틀림각은 φ = TL/(GJ) (라디안)입니다. 동력과 토크는 P = T·ω로 연결됩니다. 양 끝이 고정되면 정역학만으로는 TA + TB = T₀만 나옵니다. 두 번째 방정식은 적합 조건(하중 단면에서 두 부분의 비틀림각이 같음)입니다.
평형과 적합 조건
TA + TB = 1500
TA·a = TB·b
TA = 1500·0.5/1.3 = 576.9 N·m
TB = 1500·0.8/1.3 = 923.1 N·m
답
TA = 576.9 N·m
5.전단력과 휨 모멘트
답: MB = −25 kN·m
단면법: 내력을 구하려는 곳에서 보를 자르고 한쪽을 남깁니다. 전단력 V는 그쪽의 연직력과, 휨 모멘트 M은 그 힘들의 절단면에 대한 모멘트와 평형을 이룹니다.
지점 반력
보 전체의 평형입니다. 내민 부분의 하중도 A에 대해 모멘트를 만듭니다.
ΣMA = 0: RB·4 = 75·1 + 25·5
RB = 200/4 = 50 kN
ΣFy = 0: RA = 100 − 50 = 50 kN
B에서 자르고 내민 부분을 남긴다
내민 부분에는 P2만 작용하며 모멘트 팔은 a입니다. 이 하중은 지점 위에서 보를 위로 볼록하게 휩니다(부모멘트).
MB = −P2·a = −25·1 = −25 kN·m
답
MB = −25 kN·m
6.전단력과 휨 모멘트
답: E (x = 8 m)
가장 큰 굽힘 모멘트: M은 전단력이 바뀌는 곳마다 기울기가 바뀌므로, 그 최댓값은 전단력이 0을 지나는 곳에 있습니다: 집중 하중 아래, 분포 하중 안, 또는 내민 보의 지점 위. 캔틸레버의 고정 지점에서는 모멘트가 벽에서 가장 큽니다. 그곳들의 M의 크기를 비교하세요, 정(+)이든 부(−)이든.
지점 반력
한 지점에 대해 모멘트를 취한 다음 수직 힘의 평형을 쓰세요.
R1 = 63.33 kN, R2 = 111.7 kN
모든 표시점에서의 굽힘 모멘트
절단면 한쪽의 모든 힘의 모멘트를 합하세요. 정(+)굽힘이 양수, 부(−)굽힘이 음수입니다.
MA = 0, MB = −110, MC = −113.3, MD = −156.7, ME = −240 kN·m, MF = −120, MG = 0
답
표시점 E: ME = −240 kN·m
7.도심과 단면 2차 모멘트
답: Ix = 225.4 × 10⁶ mm⁴
구멍이 있는 단면: 구멍은 음의 넓이로 취급합니다. 도심은 ȳ = (A₁y₁ − A₂y₂)/(A₁ − A₂)이며, A₁, y₁은 구멍이 없는 전체 판, A₂, y₂는 구멍의 값입니다. 도심축에 대한 단면 2차 모멘트는 각 부분에 평행축 정리를 쓰고 구멍을 뺍니다: I = (Ic1 + A₁d₁²) − (Ic2 + A₂d₂²). 여기서 d는 각 부분 자신의 도심에서 ȳ를 지나는 축까지의 거리입니다. 직사각형은 Ic = bh³/12, 원은 Ic = πd⁴/64입니다.
도심
ȳ = (48000·120 − 1963·72)/(48000 − 1963) = 122 mm
ȳ에 대한 전체 판
200·240³/12 + 48000·−2.047² = 230.6 × 10⁶ mm⁴
ȳ에 대한 구멍
π·50⁴/64 + 1963·−50.05² = 5.225 × 10⁶ mm⁴
빼기
Ix = 225.4 × 10⁶ mm⁴
답
Ix = 225.4 × 10⁶ mm⁴
8.도심과 단면 2차 모멘트
답: Ix = 201.4 × 10⁶ mm⁴
조합 단면: 단면을 직사각형으로 나눕니다. 도심은 면적 가중 평균 ȳ = ΣAᵢyᵢ/ΣAᵢ입니다. 도심축에 대한 단면 2차 모멘트는 각 부분의 bh³/12와 평행축 항 A·d²(d는 부분 도심과 전체 도심 사이 거리)를 더한 값입니다. 휨 응력은 σ = M·y/I.
세 개의 직사각형으로 나누기
모든 y는 아래 가장자리에서 잽니다.
상부 플랜지: A = 1800 mm², y = 340 mm
웨브: A = 4960 mm², y = 179 mm
하부 플랜지: A = 5040 mm², y = 12 mm
도심
ȳ = (1800·340 + 4960·179 + 5040·12)/11800 = 132.2 mm
평행축 정리
상부 플랜지: 150·12³/12 + 1800·207.8² = 7.772 × 10⁷ mm⁴
웨브: 16·310³/12 + 4960·46.77² = 5.057 × 10⁷ mm⁴
하부 플랜지: 210·24³/12 + 5040·120.2² = 7.31 × 10⁷ mm⁴
Ix = 7.772 × 10⁷ + 5.057 × 10⁷ + 7.31 × 10⁷
Ix = 2.014 × 10⁸ mm⁴ = 201.4 × 10⁶ mm⁴
답
Ix = 201.4 × 10⁶ mm⁴
9.모어 원과 응력 변환
답: θp = −58.28 °
평면 응력 변환: θ만큼 회전한 면에서 σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. 모어 원은 모든 면을 한꺼번에 보여 줍니다. 중심은 C = (σₓ + σᵧ)/2, 반지름은 R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²)입니다. 주응력은 C ± R이고, 면내 최대 전단 응력은 R입니다.
원 위의 각도
모어 원에서 점 x는 σ축으로부터 2θp의 각도에 있습니다. 사분면은 σₓ − σᵧ와 τₓᵧ의 부호로 정해집니다.
2θp = atan2(2·−30, −40 − −10) = −116.6°
요소에서의 각도
θp = −58.28°
답
θp = −58.28°
반시계 방향 각도가 양입니다.
10.모어 원과 응력 변환
답: σ1 = 249.9 MPa
평면 응력 변환: θ만큼 회전한 면에서 σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. 모어 원은 모든 면을 한꺼번에 보여 줍니다. 중심은 C = (σₓ + σᵧ)/2, 반지름은 R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²)입니다. 주응력은 C ± R이고, 면내 최대 전단 응력은 R입니다.
표면의 응력
σ = F/A = 120000/(π·30²/4) = 120000/706.9 = 169.8 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·750000/(π·30³) = 141.5 MPa
모어 원
C = σ/2 = 84.88 MPa
R = √(84.88² + 141.5²) = 165 MPa
σ1 = C + R = 249.9 MPa
σ2 = C − R = −80.1 MPa
답
σ1 = 249.9 MPa
11.보의 처짐
답: δmax = 63.49 mm
보의 처짐: 처짐은 곡률 M/(EI)를 두 번 적분해 얻습니다. 대표적인 경우는 표로 정리되어 있습니다. 예를 들어 끝에 집중 하중을 받는 캔틸레버는 PL³/(3EI), 전체 경간에 등분포 하중을 받는 단순보는 5wL⁴/(384EI)입니다. 각 하중에 의한 처짐은 더할 수 있습니다(중첩).
단위 맞추기
N과 mm로 계산합니다: P는 N, w는 N/mm (kN/m = N/mm), L은 mm, E는 N/mm² (GPa × 1000), I는 mm⁴.
w = 20 N/mm, L = 8000 mm
EI = 1.68 × 10¹³ N·mm²
처짐
δmax = 5wL⁴/(384EI) = 5·20·8000⁴/(384·1.68 × 10¹³) = 63.49 mm
답
δmax = 63.49 mm
12.보의 처짐
답: Ireq = 172.6 × 10⁶ mm⁴
보의 처짐: 처짐은 곡률 M/(EI)를 두 번 적분해 얻습니다. 대표적인 경우는 표로 정리되어 있습니다. 예를 들어 끝에 집중 하중을 받는 캔틸레버는 PL³/(3EI), 전체 경간에 등분포 하중을 받는 단순보는 5wL⁴/(384EI)입니다. 각 하중에 의한 처짐은 더할 수 있습니다(중첩).
처짐 한계
δallow = L/360 = 3000/360 = 8.333 mm
필요한 단면 2차 모멘트
I = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·15·3000⁴/(384·11000·8.333) = 1.726 × 10⁸ mm⁴
Ireq = 172.6 × 10⁶ mm⁴
답
Ireq = 172.6 × 10⁶ mm⁴
13.기둥의 좌굴
답: Pcr = 143.2 kN
오일러 좌굴: 세장한 기둥은 Pcr = π²EI/(KL)²에서 불안정해집니다. KL은 유효 좌굴 길이로, K = 1(핀–핀), 2(고정–자유), 0.7(고정–핀), 0.5(고정–고정)입니다. 기둥은 I가 가장 작은 축에 대해 좌굴합니다. 이 식은 임계 응력이 항복 응력보다 작은 세장한 기둥에 적용됩니다.
최소 단면 2차 모멘트
직사각형은 약축에 대해 좌굴하므로 작은 치수의 세제곱을 씁니다.
Imin = h·b³/12 = 60·40³/12 = 320000 mm⁴
유효 좌굴 길이
KL = 0.7·3000 = 2100 mm
임계 하중
Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·320000/2100² = 143232 N = 143.2 kN
답
Pcr = 143.2 kN
14.기둥의 좌굴
답: d = 78.63 mm
오일러 좌굴: 세장한 기둥은 Pcr = π²EI/(KL)²에서 불안정해집니다. KL은 유효 좌굴 길이로, K = 1(핀–핀), 2(고정–자유), 0.7(고정–핀), 0.5(고정–고정)입니다. 기둥은 I가 가장 작은 축에 대해 좌굴합니다. 이 식은 임계 응력이 항복 응력보다 작은 세장한 기둥에 적용됩니다.
필요한 임계 하중
Pcr = n·P = 3·70000 = 210000 N
KL = 0.7·6000 = 4200 mm
지름에 대해 풀기
d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·210000·4200²/(π³·200000))^(1/4) = 78.63 mm
답
d = 78.63 mm
확인: 세장비 KL/r는 213.7이므로 기둥은 세장하고 오일러 공식을 적용할 수 있습니다.
ExamProblems · examproblems.com/courses/mechanics-of-materials