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
막대가 강철 구간(지름 30 mm, 길이 300 mm, E = 200 GPa)과 알루미늄으로 만든 구간(지름 40 mm, 길이 500 mm, E = 70 GPa)을 끝에서 끝으로 이어서 만들어져 있습니다. 한쪽 끝은 고정되고 다른 쪽 끝은 당겨집니다. 전체가 0.4 mm 늘어나게 하는 축하중 P을(를) 구하시오.
구간 1: 강철, Ø30 mm, 300 mm, E = 200 GPa구간 2: 알루미늄, Ø40 mm, 500 mm, E = 70 GPaδ = 0.4 mm
P = kN
2.축 응력과 변형률어려움
계단형 봉이 벽에 고정되고 자유단에 하중을 받는다. 전체 늘음량 δ을(를) 구하시오.
P = 35 kN구간 1: Ø40 mm, 1.5 m, 구리 (E = 117 GPa)구간 2: Ø20 mm, 2 m, 알루미늄 (E = 70 GPa)
δ = mm
3.축의 비틀림보통
알루미늄 재질의 속이 찬 축이 벽에 고정되어 자유단에서 토크 T로 비틀린다. 자유단의 비틀림각 φ을(를) 도 단위로 구하시오.
T = 250 N·md = 50 mmL = 0.8 mG = 26 GPa
φ = °
4.축의 비틀림어려움
속이 빈 축이 3000 rpm에서 75 kW을(를) 전달한다. 축의 최대 전단 응력 τmax을(를) 구하시오.
P = 75 kWN = 3000 rpmdo = 75 mmdi = 60 mm
τmax = MPa
5.전단력과 휨 모멘트보통
지점 A에서 x = 4.5 m인 단면의 전단력 Vx을(를) 구하시오. 아래쪽이 인장되는 휨 모멘트를 양으로, 왼쪽 면에서 위쪽 전단력을 양으로 한다.
L = 5 mw = 6 kN/m, 0부터 5 m까지x = 4.5 m
Vx = kN
6.전단력과 휨 모멘트어려움
보는 A의 힌지와 B의 롤러 위에 놓여 있고, B에서 자유단 C까지 1 m만큼 내밀어져 있다. 전체 길이 A–C에 등분포 하중 w가 작용한다. A에서 지점 사이의 반곡점(휨 모멘트의 부호가 바뀌는 점)까지의 거리 xc을(를) 구하시오.
L = 6 mw = 10 kN/m, 0부터 6 m까지x = 0과 x = 5 m에 지점
xc = m
7.도심과 단면 2차 모멘트보통
120 mm × 200 mm 판의 수직 중심선 위에 지름 50 mm의 원형 구멍이 있고 그 중심은 아래에서 80 mm 위에 있습니다. 도심을 지나는 수평축에 대한 단면 2차 모멘트 Ix을(를) 구하시오.
b = 120 mmh = 200 mmd = 50 mm구멍 중심: y = 80 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
8.도심과 단면 2차 모멘트어려움
T형 단면을 플랜지가 위로 가도록 보로 사용하며, 양의 휨 모멘트 25 kN·m을(를) 받는다. 위 가장자리의 휨 응력 σ위의 크기를 구하시오.
bf = 240 mmtf = 15 mmtw = 18 mmhw = 300 mmM = 25 kN·m
σ위 = MPa
9.모어 원과 응력 변환보통
하중을 받는 부품의 한 점에서 σₓ = 70 MPa, σᵧ = −40 MPa, τₓᵧ = 50 MPa이다(인장을 양으로 한다). 면내 최대 전단 응력 τmax을(를) 구하시오.
σx = 70 MPaσy = −40 MPaτxy = 50 MPa
τmax = MPa
10.모어 원과 응력 변환어려움
하중을 받는 부품의 한 점에서 σₓ = −30 MPa, σᵧ = 90 MPa, τₓᵧ = 30 MPa이다(인장을 양으로 한다). 법선이 x축에서 반시계 방향으로 40° 회전한 면의 수직 응력 σθ을(를) 구하시오.
σx = −30 MPaσy = 90 MPaτxy = 30 MPaθ = 40°
σθ = MPa
11.보의 처짐보통
캔틸레버의 전체 길이에 등분포 하중 w가, 자유단에 집중 하중 P가 작용한다. 중첩을 이용해 자유단의 처짐 δ을(를) 구하시오.
P = 4 kNw = 8 kN/mL = 3 mE = 200 GPa (강철)I = 84 × 10⁶ mm⁴
δ = mm
12.보의 처짐어려움
단순보의 지점 B에서 b = 1 m인 곳에 집중 하중 P가 작용한다. 경간 중앙의 처짐 δmid을(를) 구하시오.
P = 13 kNb = 1 mL = 4 mE = 11 GPa (구조용 목재)I = 23 × 10⁶ mm⁴
δmid = mm
13.기둥의 좌굴보통
길이 L인 강철 기둥이 양단 핀이다. 오일러 공식을 이용해 임계 좌굴 하중 Pcr을(를) 구하시오.
L = 2.5 mE = 200 GPa (강철)b × h = 25 × 100 mm
Pcr = kN
14.기둥의 좌굴어려움
길이 L인 강철 원형 기둥(속이 참)이 양단 고정이다. 좌굴에 대한 안전율 2로 120 kN을(를) 지지해야 한다. 최소 지름 d을(를) 구하시오.
P = 120 kNn = 2L = 4 mE = 200 GPa (강철)
d = mm
3용액
1.축 응력과 변형률
답: P = 51.24 kN
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
A₁ = 706.9 mm², A₂ = 1257 mm²
유연도
L₁/(E₁A₁) = 300/(200000·706.9) = 2.122 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 500/(70000·1257) = 5.684 × 10⁻⁶ mm/N
하중
P = 0.4/7.806 × 10⁻⁶ = 51242 N = 51.24 kN
답
P = 51.24 kN
2.축 응력과 변형률
답: δ = 3.54 mm
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·40²/4 = 1257 mm², A2 = π·20²/4 = 314.2 mm²
σ1 = 27.85 MPa
σ2 = 111.4 MPa
구간별 늘음량 더하기
δ1 = σ1L1/E1 = 27.85·1500/117000 = 0.3571 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 111.4·2000/70000 = 3.183 mm
δ = δ1 + δ2 = 3.54 mm
답
δ = 3.54 mm
3.축의 비틀림
답: φ = 0.7183 °
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·50⁴/32 = 613592 mm⁴
비틀림각
φ = TL/(GJ) = 250·1000·800/(26000·613592) = 0.01254 rad
φ = 0.01254·180/π = 0.7183°
답
φ = 0.7183°
4.축의 비틀림
답: τmax = 4.881 MPa
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.
토크
ω = 2πN/60 = 2π·3000/60 = 314.2 rad/s
T = P/ω = 75000/314.2 = 238.7 N·m
극관성 모멘트
J = π(75⁴ − 60⁴)/32 = 1.834 × 10⁶ mm⁴
최대 전단 응력
τmax = T·(do/2)/J = 238732·37.5/1.834 × 10⁶ = 4.881 MPa
답
τmax = 4.881 MPa
5.전단력과 휨 모멘트
답: Vx = −12 kN
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 평형.
분포 하중의 합력: W = w·ℓ = 6·5 = 30 kN, 작용점 x̄ = 2.5 m
ΣMA = 0: RB·5 = 6·5·2.5
RB = 75/5 = 15 kN
ΣFy = 0: RA = 30 − 15 = 15 kN
x = 4.5 m에서 자르고 왼쪽 부분을 남기기
절단면 왼쪽의 힘만 고려합니다. 분포 하중의 일부는 그 부분 중앙에 작용하는 하나의 힘으로 봅니다.
V = RA − (절단면 왼쪽의 모든 아래 방향 하중)
Vx = 15 − 6·4.5 = −12 kN
답
Vx = −12 kN
6.전단력과 휨 모멘트
답: xc = 4.8 m
단면법: 내력을 구하려는 곳에서 보를 자르고 한쪽을 남깁니다. 전단력 V는 그쪽의 연직력과, 휨 모멘트 M은 그 힘들의 절단면에 대한 모멘트와 평형을 이룹니다. 최대 모멘트: dM/dx = V이므로 휨 모멘트는 전단력이 0을 지나는 곳, 즉 집중 하중 위치나 분포 하중 구간 안에서 최대가 됩니다.
지점 반력
내민 부분의 하중을 포함한 보 전체의 평형입니다.
분포 하중의 합력: W = w·ℓ = 10·6 = 60 kN, 작용점 x̄ = 3 m
ΣMA = 0: RB·5 = 10·6·3
RB = 180/5 = 36 kN
ΣFy = 0: RA = 60 − 36 = 24 kN
모멘트 0
지점 사이에서 M(x) = RA·x − w·x²/2. x = 0을 제외하면 x = 2RA/w에서 0이 됩니다.
RA·xc − w·xc²/2 = 0
xc = 2·24/10 = 4.8 m
답
xc = 4.8 m
7.도심과 단면 2차 모멘트
답: Ix = 78.84 × 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 = (24000·100 − 1963·80)/(24000 − 1963) = 101.8 mm
ȳ에 대한 전체 판
120·200³/12 + 24000·−1.782² = 80.08 × 10⁶ mm⁴
ȳ에 대한 구멍
π·50⁴/64 + 1963·−21.78² = 1.238 × 10⁶ mm⁴
빼기
Ix = 78.84 × 10⁶ mm⁴
답
Ix = 78.84 × 10⁶ mm⁴
8.도심과 단면 2차 모멘트
답: σ위 = 27.08 MPa
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.
두 직사각형으로 나누기
모든 y는 아래 가장자리에서 잽니다.
플랜지: Af = 240·15 = 3600 mm², yf = 300 + 15/2 = 307.5 mm
웨브: Aw = 18·300 = 5400 mm², yw = 300/2 = 150 mm
도심
ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (3600·307.5 + 5400·150)/9000 = 213 mm
평행축 정리
플랜지: 240·15³/12 + 3600·(307.5 − 213)² = 3.222 × 10⁷ mm⁴
웨브: 18·300³/12 + 5400·(150 − 213)² = 6.193 × 10⁷ mm⁴
Ix = 3.222 × 10⁷ + 6.193 × 10⁷ = 9.415 × 10⁷ mm⁴
휨 응력
위 가장자리는 축에서 h − ȳ 떨어져 있습니다.
y = 315 − 213 = 102 mm
σ = M·y/I = 2.5 × 10⁷·102/9.415 × 10⁷ = 27.08 MPa
답
σ위 = 27.08 MPa
9.모어 원과 응력 변환
답: τmax = 74.33 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.
모어 원의 반지름
τmax = R = √(((70 − −40)/2)² + 50²) = 74.33 MPa
답
τmax = 74.33 MPa
10.모어 원과 응력 변환
답: σθ = 49.13 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.
변환 식
σθ = 30 + −60·0.1736 + 30·0.9848 = 49.13 MPa
답
σθ = 49.13 MPa
11.보의 처짐
답: δ = 6.964 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.
P = 4000 N, w = 8 N/mm, L = 3000 mm
EI = 1.68 × 10¹³ N·mm²
각 하중을 따로
δP = PL³/(3EI) = 4000·3000³/(3·1.68 × 10¹³) = 2.143 mm
δw = wL⁴/(8EI) = 8·3000⁴/(8·1.68 × 10¹³) = 4.821 mm
더하기
δ = 2.143 + 4.821 = 6.964 mm
답
δ = 6.964 mm
12.보의 처짐
답: δmid = 47.1 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.
P = 13000 N, b = 1000 mm, L = 4000 mm
EI = 2.53 × 10¹¹ N·mm²
경간 중앙의 처짐
δmid = Pb(3L² − 4b²)/(48EI) = 13000·1000·(3·4000² − 4·1000²)/(48·2.53 × 10¹¹) = 47.1 mm
답
δmid = 47.1 mm
13.기둥의 좌굴
답: Pcr = 41.12 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 = 100·25³/12 = 130208 mm⁴
유효 좌굴 길이
KL = 1·2500 = 2500 mm
임계 하중
Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·130208/2500² = 41123 N = 41.12 kN
답
Pcr = 41.12 kN
14.기둥의 좌굴
답: d = 56.1 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 = 2·120000 = 240000 N
KL = 0.5·4000 = 2000 mm
지름에 대해 풀기
d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·240000·2000²/(π³·200000))^(1/4) = 56.1 mm
답
d = 56.1 mm
확인: 세장비 KL/r는 142.6이므로 기둥은 세장하고 오일러 공식을 적용할 수 있습니다.
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