재료역학: 벼락치기 팩

공식 모음, 모든 주제의 핵심 풀이 단계, 연습 문제 14개가 들어 있으며 전체 풀이는 맨 뒤에 있습니다.

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1공식과 풀이 방법

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

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

  1. 극관성 모멘트를 구하세요: 중실축은 J = πd⁴/32.
  2. 표면의 전단 응력: τ = T·r/J, r은 바깥 반지름.
  3. 비틀림각: φ = TL/(GJ), 단위는 라디안.
  4. 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

  1. 보 전체의 평형에서 지점 반력을 구하세요.
  2. 필요한 단면에서 보를 자르고 한쪽만 남기세요.
  3. 전단력: 그쪽에 작용하는 연직력의 합. 굽힘 모멘트: 절단면에 대한 그 힘들의 모멘트 합.
  4. 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

  1. 모어 원의 중심을 계산하세요: C = (σx + σy)/2.
  2. 반지름을 계산하세요: R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²).
  3. 주응력은 C ± R이고, 면내 최대 전단 응력은 R입니다.
  4. 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
P = ?12600 mm200 mmØ30Ø50δ = 0.2 mm

막대가 강철 구간(지름 30 mm, 길이 600 mm, E = 200 GPa)과 황동으로 만든 구간(지름 50 mm, 길이 200 mm, E = 100 GPa)을 끝에서 끝으로 이어서 만들어져 있습니다. 한쪽 끝은 고정되고 다른 쪽 끝은 당겨집니다. 전체가 0.2 mm 늘어나게 하는 축하중 P을(를) 구하시오.

구간 1: 강철, Ø30 mm, 600 mm, E = 200 GPa구간 2: 황동, Ø50 mm, 200 mm, E = 100 GPaδ = 0.2 mm
P = kN
2.축 응력과 변형률어려움
Ø 40 mm황동1.5 mØ 20 mm강철0.5 mP = 35 kN

계단형 봉이 벽에 고정되고 자유단에 하중을 받는다. 전체 늘음량 δ을(를) 구하시오.

P = 35 kN구간 1: Ø40 mm, 1.5 m, 황동 (E = 100 GPa)구간 2: Ø20 mm, 0.5 m, 강철 (E = 200 GPa)
δ = mm
3.축의 비틀림보통
d = 12 mmT = 100 N·m200 mmφ = 7.04°

비틀림 시험에서 지름 12 mm인 속이 찬 시편에 토크 100 N·m을(를) 가한다. 표점 거리 200 mm의 양 끝이 서로 7.04° 회전한다(재료는 아직 탄성 범위). 재료의 전단 탄성 계수 G을(를) 구하시오.

T = 100 N·md = 12 mmL = 200 mmφ = 7.04°
G = GPa
4.축의 비틀림어려움
Td = ?

속이 찬 축이 300 rpm에서 100 kW을(를) 전달해야 하며 전단 응력이 40 MPa을(를) 넘으면 안 된다. 조건을 만족하는 최소 지름 d을(를) 구하시오.

P = 100 kWN = 300 rpmτallow = 40 MPa
d = mm
5.전단력과 휨 모멘트보통
5 kN/m50 kNABCDEFG2 m2 m2 m2 m2 m2 m

표시점 A부터 G는 보를 같은 여섯 부분으로 나눕니다. 어느 표시점에서 굽힘 모멘트의 크기가 가장 큽니까(정이든 부이든)? 그림에서 클릭하세요.

50 kN @ 6 m5 kN/m, 2–12 m
  1. 1A (x = 0 m)
  2. 2B (x = 2 m)
  3. 3C (x = 4 m)
  4. 4D (x = 6 m)
  5. 5E (x = 8 m)
  6. 6F (x = 10 m)
  7. 7G (x = 12 m)
6.전단력과 휨 모멘트어려움
6 kN/m55 kN60 kNABCDEFG1 m1 m1 m1 m1 m1 m

표시점 A부터 G는 보를 같은 여섯 부분으로 나눕니다. 어느 표시점에서 굽힘 모멘트의 크기가 가장 큽니까(정이든 부이든)? 그림에서 클릭하세요.

55 kN @ 0 m60 kN @ 6 m6 kN/m, 1–5 m
  1. 1A (x = 0 m)
  2. 2B (x = 1 m)
  3. 3C (x = 2 m)
  4. 4D (x = 3 m)
  5. 5E (x = 4 m)
  6. 6F (x = 5 m)
  7. 7G (x = 6 m)
7.도심과 단면 2차 모멘트보통
1401520018x치수 단위: mm

T형 단면의 도심을 지나는 수평축 x에 대한 단면 2차 모멘트 Ix을(를) 구하시오.

bf = 140 mmtf = 15 mmtw = 18 mmhw = 200 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
8.도심과 단면 2차 모멘트어려움
100 mm150 mm52.5 mm40 × 20xIx​ = ?

100 mm × 150 mm 판에 폭 40 mm, 높이 20 mm의 직사각형 절취부가 수직 중심선 위에 있고 그 중심은 아래에서 52.5 mm 위에 있습니다. 도심을 지나는 수평축에 대한 단면 2차 모멘트 Ix을(를) 구하시오.

b = 100 mmh = 150 mm절취부: 40 × 20 mm구멍 중심: y = 52.5 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
9.모어 원과 응력 변환보통
σx​ = 110σy​ = 30τxy​ = 10MPa

하중을 받는 부품의 한 점에서 σₓ = 110 MPa, σᵧ = 30 MPa, τₓᵧ = 10 MPa이다(인장을 양으로 한다). 면내 최대 전단 응력 τmax을(를) 구하시오.

σx = 110 MPaσy = 30 MPaτxy = 10 MPa
τmax = MPa
10.모어 원과 응력 변환어려움
σx​ = 20σy​ = −50τxy​ = 30MPa

하중을 받는 부품의 한 점에서 σₓ = 20 MPa, σᵧ = −50 MPa, τₓᵧ = 30 MPa이다(인장을 양으로 한다). 법선이 x축에서 시계 방향으로 45° 회전한 면의 전단 응력 τθ을(를) 구하시오(τₓᵧ와 같은 방향을 양으로 한다).

σx = 20 MPaσy = −50 MPaτxy = 30 MPaθ = -45°
τθ = MPa
11.보의 처짐보통
P = 19 kNABδ4 m1 m

단순보의 지점 A에서 a = 4 m인 곳에 집중 하중 P가 작용한다. 하중 아래의 처짐 δP을(를) 구하시오.

P = 19 kNa = 4 mL = 5 mE = 200 GPa (강철)I = 84 × 10⁶ mm⁴
δP = mm
12.보의 처짐어려움
P = 14 kNABδ5.5 m2.5 m

단순보의 지점 B에서 b = 2.5 m인 곳에 집중 하중 P가 작용한다. 경간 중앙의 처짐 δmid을(를) 구하시오.

P = 14 kNb = 2.5 mL = 8 mE = 70 GPa (알루미늄)I = 84 × 10⁶ mm⁴
δmid = mm
13.기둥의 좌굴보통
PL = 4 m30 × 100 mm단면

길이 L인 알루미늄 기둥이 하단 고정, 상단 핀이다. 오일러 공식을 이용해 임계 좌굴 하중 Pcr을(를) 구하시오.

L = 4 mE = 70 GPa (알루미늄)b × h = 30 × 100 mm
Pcr = kN
14.기둥의 좌굴어려움
P = 90 kNL = 2 md = ?단면

길이 L인 강철 원형 기둥(속이 참)이 하단 고정, 상단 자유이다. 좌굴에 대한 안전율 2.5로 90 kN을(를) 지지해야 한다. 최소 지름 d을(를) 구하시오.

P = 90 kNn = 2.5L = 2 mE = 200 GPa (강철)
d = mm

3용액

1.축 응력과 변형률

답: P = 38 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 = 1963 mm²

유연도

L₁/(E₁A₁) = 600/(200000·706.9) = 4.244 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 200/(100000·1963) = 1.019 × 10⁻⁶ mm/N

하중

P = 0.2/5.263 × 10⁻⁶ = 38003 N = 38 kN

답

P = 38 kN
2.축 응력과 변형률

답: δ = 0.6963 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 = 27.85·1500/100000 = 0.4178 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 111.4·500/200000 = 0.2785 mm
δ = δ1 + δ2 = 0.6963 mm

답

δ = 0.6963 mm
3.축의 비틀림

답: G = 79.96 GPa

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 모멘트와 각

J = π·12⁴/32 = 2036 mm⁴
φ = 7.04·π/180 = 0.1229 rad

전단 탄성 계수

T = 100 N·m = 100000 N·mm
G = TL/(Jφ) = 100000·200/(2036·0.1229) = 79957 MPa
G = 79.96 GPa

답

G = 79.96 GPa

비교: 강철 ≈ 80 GPa, 황동 ≈ 39 GPa, 알루미늄 ≈ 26 GPa.

4.축의 비틀림

답: d = 74 mm

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·300/60 = 31.42 rad/s
T = P/ω = 100000/31.42 = 3183 N·m

허용 응력에서 지름 구하기

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·3.183 × 10⁶/(π·40)) = 74 mm

답

d = 74 mm

실제로는 다음 표준 치수로 올림합니다.

5.전단력과 휨 모멘트

답: D (x = 6 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 = 45.83 kN, R2 = 54.17 kN

모든 표시점에서의 굽힘 모멘트

절단면 한쪽의 모든 힘의 모멘트를 합하세요. 정(+)굽힘이 양수, 부(−)굽힘이 음수입니다.

MA = 0, MB = 91.67, MC = 173.3, MD = 235 kN·m, ME = 176.7, MF = 98.33, MG = 0

답

표시점 D: MD = 235 kN·m
6.전단력과 휨 모멘트

답: F (x = 5 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 = 65.75 kN, R2 = 73.25 kN

모든 표시점에서의 굽힘 모멘트

절단면 한쪽의 모든 힘의 모멘트를 합하세요. 정(+)굽힘이 양수, 부(−)굽힘이 음수입니다.

MA = 0, MB = −55, MC = −47.25, MD = −45.5, ME = −49.75, MF = −60 kN·m, MG = 0

답

표시점 F: MF = −60 kN·m
7.도심과 단면 2차 모멘트

답: Ix = 27.37 × 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.

두 직사각형으로 나누기

모든 y는 아래 가장자리에서 잽니다.

플랜지: Af = 140·15 = 2100 mm², yf = 200 + 15/2 = 207.5 mm
웨브: Aw = 18·200 = 3600 mm², yw = 200/2 = 100 mm

도심

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (2100·207.5 + 3600·100)/5700 = 139.6 mm

평행축 정리

플랜지: 140·15³/12 + 2100·(207.5 − 139.6)² = 9.72 × 10⁶ mm⁴
웨브: 18·200³/12 + 3600·(100 − 139.6)² = 1.765 × 10⁷ mm⁴
Ix = 9.72 × 10⁶ + 1.765 × 10⁷ = 2.737 × 10⁷ mm⁴ = 27.37 × 10⁶ mm⁴

답

Ix = 27.37 × 10⁶ mm⁴
8.도심과 단면 2차 모멘트

답: Ix = 27.67 × 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 = (15000·75 − 800·52.5)/(15000 − 800) = 76.27 mm

ȳ에 대한 전체 판

100·150³/12 + 15000·−1.268² = 28.15 × 10⁶ mm⁴

ȳ에 대한 구멍

40·20³/12 + 800·−23.77² = 0.4786 × 10⁶ mm⁴

빼기

Ix = 27.67 × 10⁶ mm⁴

답

Ix = 27.67 × 10⁶ mm⁴
9.모어 원과 응력 변환

답: τmax = 41.23 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.

στxyCτmax​

모어 원의 반지름

τmax = R = √(((110 − 30)/2)² + 10²) = 41.23 MPa

답

τmax = 41.23 MPa
10.모어 원과 응력 변환

답: τθ = 35 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

τθ = −35·−1 + 30·0 = 35 MPa

답

τθ = 35 MPa
11.보의 처짐

답: δP = 1.206 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 = 19000 N, a = 4000 mm, b = 1000 mm, L = 5000 mm
EI = 1.68 × 10¹³ N·mm²

하중 아래의 처짐

δP = Pa²b²/(3EIL) = 19000·4000²·1000²/(3·1.68 × 10¹³·5000) = 1.206 mm

답

δP = 1.206 mm
12.보의 처짐

답: δmid = 20.71 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 = 14000 N, b = 2500 mm, L = 8000 mm
EI = 5.88 × 10¹² N·mm²

경간 중앙의 처짐

δmid = Pb(3L² − 4b²)/(48EI) = 14000·2500·(3·8000² − 4·2500²)/(48·5.88 × 10¹²) = 20.71 mm

답

δmid = 20.71 mm
13.기둥의 좌굴

답: Pcr = 19.83 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 = 100·30³/12 = 225000 mm⁴

유효 좌굴 길이

KL = 0.7·4000 = 2800 mm

임계 하중

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·225000/2800² = 19827 N = 19.83 kN

답

Pcr = 19.83 kN
14.기둥의 좌굴

답: d = 78.07 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 = 2.5·90000 = 225000 N
KL = 2·2000 = 4000 mm

지름에 대해 풀기

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·225000·4000²/(π³·200000))^(1/4) = 78.07 mm

답

d = 78.07 mm

확인: 세장비 KL/r는 204.9이므로 기둥은 세장하고 오일러 공식을 적용할 수 있습니다.

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