정역학: 벼락치기 팩

공식 모음, 모든 주제의 핵심 풀이 단계, 연습 문제 12개가 들어 있으며 전체 풀이는 맨 뒤에 있습니다.

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1공식과 풀이 방법

벡터: 내적과 외적

크기
|a| = √(ax² + ay² + az²)
단위 벡터
û = a/|a|
각도에서 성분 구하기
Fx = F·cos θ, Fy = F·sin θ
내적
a·b = axbx + ayby + azbz = |a||b|cos θ
a를 b 위에 투영한 스칼라 투영
a·b/|b|
일
W = F·d
외적
a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx)
넓이
평행사변형 |a × b|, 삼각형 ½|a × b|
O에 대한 모멘트
MO = r × F, r = A − O
평행육면체의 부피
V = |a·(b × c)|

방법

  1. 모든 벡터를 성분으로 쓰세요. 크기와 각도로 주어진 힘은 F·cos θ와 F·sin θ를 쓰세요.
  2. 길이와 방향에는 크기 √(x² + y² + z²)와 단위 벡터 a/|a|를 쓰세요.
  3. 각도, 투영, 수직 여부, 일에는 내적을 쓰세요: a·b = |a||b|cos θ.
  4. 수직 벡터, 넓이, 모멘트에는 외적을 쓰세요. 세 성분을 조심스럽게 쓰고 순서 a × b를 지키세요.

보의 지점 반력

평형
ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
등분포 하중
합력 w·L이 하중 중앙에 작용
모멘트
M = F·d

방법

  1. 자유물체도를 그리고 각 지점을 반력으로 바꾸세요.
  2. 모든 분포 하중을 그 도심에 작용하는 하나의 집중 하중으로 바꾸세요.
  3. 한 지점에 대한 모멘트를 취해 다른 지점의 반력을 구하세요.
  4. ΣFy = 0으로 나머지 반력을 구하고, 두 번째 모멘트 방정식으로 확인하세요.

트러스: 절점법

절점법
ΣFx = 0, ΣFy = 0 at each joint
단면법
ΣM = 0 about a cut point
부재력
양수 = 인장, 음수 = 압축

방법

  1. 트러스 전체의 지점 반력을 구하세요.
  2. 절점법: 미지 부재력이 둘 이하인 절점에서 시작하여 ΣFx = 0과 ΣFy = 0을 쓰세요.
  3. 단면법: 필요한 부재를 지나도록 자르고, 나머지 미지 부재들이 만나는 점에 대해 모멘트를 취하세요.
  4. 인장으로 가정하세요. 답이 음수이면 압축입니다.

프레임과 기계

각 부재의 평형
ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
2력 부재
두 핀을 잇는 직선을 따르는 힘
핀 힘
연결된 두 부재에서 크기가 같고 방향이 반대
핀 힘의 크기
F = √(Fx² + Fy²)
레버, 펜치, 벨 크랭크
Fin·a = Fout·b
토글
Flink = F/(2 sin θ), Q = F/(2 tan θ)
등분포 하중
합력 w·L이 하중 중앙에 작용

방법

  1. 구조 전체를 그리고, 미지수가 3개 이하이면 지점 반력을 구하시오.
  2. 2력 부재를 찾으세요: 두 핀에만 하중을 받으므로 그 힘은 두 핀을 잇는 직선을 따릅니다.
  3. 프레임을 분해하고 각 부재를 따로 그리세요. 부재가 만나는 곳에서는 크기가 같고 방향이 반대인 핀 힘을 그립니다.
  4. 각 부재에 대해 미지의 힘이 작용하는 핀에 대해 모멘트를 취한 다음 ΣFx = 0과 ΣFy = 0을 쓰세요. 성분은 마지막에 합쳐 크기로 만듭니다.

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)

2연습 문제

1.벡터: 내적과 외적보통
xyzab

a = (4, 6, 3)를 b = (3, 1, −1) 위에 투영한 스칼라 투영 compb a, 즉 a의 b 방향 성분을 구하시오.

a = (4, 6, 3)b = (3, 1, −1)
compb a =
2.벡터: 내적과 외적어려움
xyzabc

한 꼭짓점에서 나오는 모서리가 a = (5, 4, −1), b = (5, 0, 5), c = (5, 5, 3)인 평행육면체의 부피 V을(를) 구하시오.

a = (5, 4, −1)b = (5, 0, 5)c = (5, 5, 3)
V =
3.보의 지점 반력보통
P1​ = 60 kNP2​ = 25 kNABRA​RB​ = ?1 m2 m1 m

단순보는 A에 힌지, B에 롤러 지점이 있다. 연직 지점 반력 RB을(를) 구하시오.

L = 4 mP1 = 60 kN 위치 1 mP2 = 25 kN 위치 3 m
RB = kN
4.보의 지점 반력어려움
w = 4 kN/mP = 55 kNABRA​RB​ = ?2 m2 m

단순보는 A에 힌지, B에 롤러 지점이 있다. 연직 지점 반력 RB을(를) 구하시오.

L = 4 mP = 55 kN 위치 2 mw = 4 kN/m, 2부터 4 m까지
RB = kN
5.트러스: 절점법보통
ABCDEFGH35 kN35 kN30 kN4 × 3 m3 m

이 트러스의 부재 하나는 이 하중에서 힘을 받지 않습니다. 영력 부재는 어느 것입니까? 그림에서 클릭하세요.

B: 35 kN ↓C: 35 kN ↓G: 30 kN ↓
  1. 1부재 AB
  2. 2부재 BC
  3. 3부재 CD
  4. 4부재 DE
  5. 5부재 FG
  6. 6부재 GH
  7. 7부재 AF
  8. 8부재 HE
  9. 9부재 BF
  10. 10부재 CG
  11. 11부재 DH
  12. 12부재 FC
  13. 13부재 HC
6.트러스: 절점법어려움
ABBCACACB20 kN30 kN4 m3 m4 m

절점법으로 부재 AC의 부재력 FAC을(를) 구하시오. 인장은 양, 압축은 음으로 답한다.

경간 = 4 m높이 = 4 mB는 A에서 3 m연직 하중 = 20 kN수평 하중 = 30 kN ←
FAC = kN
7.프레임과 기계보통
12 kN1 m1.4 m0.6 mABCD

수평 보 AB가 A에서 벽에 핀으로 연결되어 있고, A보다 0.6 m 아래의 C에서 벽에 핀으로 연결된 지주 CD가 받치고 있습니다. B에 12 kN의 하중이 매달려 있습니다. 자중은 무시합니다. A에서 보에 작용하는 핀 힘의 크기 A을(를) 구하시오.

P = 12 kNAD = 1 mAB = 2.4 mAC = 0.6 m
A = kN
8.프레임과 기계어려움
6 kN2 kN5 m2.5 m3 mABCK

그림의 프레임에는 A, B, C에 핀이 있습니다. A와 C는 5 m 떨어져 지면에 고정되어 있고, B는 높이 2.5 m, A의 오른쪽 3 m에 있습니다. 부재 AB는 A에서 (수평으로) 0.75 m 떨어진 K에서 6 kN의 수직 하중을 받고, B에서는 오른쪽으로 향하는 2 kN의 수평 하중이 부재 AB에 작용합니다. A의 수평 반력 Ax의 크기를 구하시오.

P = 6 kNQ = 2 kNL = 5 mH = 2.5 mA에서 B까지의 수평 거리 = 3 mA에서 K까지의 수평 거리 = 0.75 m
Ax = kN
9.전단력과 휨 모멘트보통
w = 3 kN/mAB단면4 m2 m

지점 A에서 x = 4 m인 단면의 전단력 Vx을(를) 구하시오. 아래쪽이 인장되는 휨 모멘트를 양으로, 왼쪽 면에서 위쪽 전단력을 양으로 한다.

L = 6 mw = 3 kN/m, 0부터 6 m까지x = 4 m
Vx = kN
10.전단력과 휨 모멘트어려움
w = 12 kN/mABC4 m2 m

보는 A의 힌지와 B의 롤러 위에 놓여 있고, B에서 자유단 C까지 2 m만큼 내밀어져 있다. 전체 길이 A–C에 등분포 하중 w가 작용한다. 지점 사이의 최대 정(正) 휨 모멘트 Mmax을(를) 구하시오.

L = 6 mw = 12 kN/m, 0부터 6 m까지x = 0과 x = 4 m에 지점
Mmax = kN·m
11.도심과 단면 2차 모멘트보통
1203018010x치수 단위: mm

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

bf = 120 mmtf = 30 mmtw = 10 mmhw = 180 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.도심과 단면 2차 모멘트어려움
2601526014x정모멘트 M치수 단위: mm

주철 보는 그림과 같은 T형 단면이며 플랜지가 위에 있다. 허용 응력은 인장 60 MPa, 압축 90 MPa이다. 보가 견딜 수 있는 최대 정(正) 휨 모멘트 Mallow을(를) 구하시오.

bf = 260 mmtf = 15 mmtw = 14 mmhw = 260 mmσt,allow = 60 MPaσc,allow = 90 MPa
Mallow = kN·m

3용액

1.벡터: 내적과 외적

답: compb a = 4.523

내적: a·b = axbx + ayby + azbz = |a|·|b|·cos θ는 스칼라입니다. 두 벡터 사이의 각도를 cos θ = a·b/(|a|·|b|)로 구할 수 있고, 두 벡터가 수직이면 0입니다. a를 b 위에 투영한 스칼라 투영은 a·b/|b|이며, 일정한 힘 F가 변위 d만큼 움직이는 동안 한 일은 W = F·d입니다.

내적

a·b = 4·3 + 6·1 + 3·(−1) = 15

b의 길이

|b| = √(3² + 1² + (−1)²) = 3.317

스칼라 투영

compb a = a·b/|b| = 15/3.317 = 4.523

답

compb a = 4.523
2.벡터: 내적과 외적

답: V = 110

외적: a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx)는 두 벡터에 모두 수직이고, |a × b| = |a|·|b|·sin θ는 두 벡터가 만드는 평행사변형의 넓이입니다(삼각형은 그 절반). 순서가 중요합니다: b × a = −(a × b). 점 A에 작용하는 힘 F의 점 O에 대한 모멘트는 MO = r × F이며, r = A − O입니다.

외적 b × c

(b × c)x = bycz − bzcy = 0·3 − 5·5 = −25
(b × c)y = bzcx − bxcz = 5·5 − 5·3 = 10
(b × c)z = bxcy − bycx = 5·5 − 0·5 = 25

a와의 내적

a·(b × c) = 5·(−25) + 4·10 + (−1)·25 = −110
V = |−110| = 110

답

V = 110
3.보의 지점 반력

답: RB = 33.75 kN

정적 평형: 정지한 물체는 임의의 점에 대해 ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0을 만족합니다. 한 지점에 대한 모멘트를 취하면 그 지점의 반력이 식에서 사라집니다.

P1​ = 60 kNP2​ = 25 kNABRA​RB​1 m2 m1 m

자유물체도

지점을 반력으로 바꿉니다. 롤러는 연직 반력 하나를 줍니다. 연직 하중만 있으면 힌지도 연직 반력 하나를 줍니다.

평형

A에 대한 모멘트, 반시계 방향이 양. 그다음 연직 방향 힘의 평형.

ΣMA = 0: RB·4 = 60·1 + 25·3
RB = 135/4 = 33.75 kN
ΣFy = 0: RA = 85 − 33.75 = 51.25 kN

답

RB = 33.75 kN
4.보의 지점 반력

답: RB = 33.5 kN

정적 평형: 정지한 물체는 임의의 점에 대해 ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0을 만족합니다. 한 지점에 대한 모멘트를 취하면 그 지점의 반력이 식에서 사라집니다.

w = 4 kN/mP = 55 kNABRA​RB​2 m2 m

자유물체도

지점을 반력으로 바꿉니다. 롤러는 연직 반력 하나를 줍니다. 연직 하중만 있으면 힌지도 연직 반력 하나를 줍니다.

평형

A에 대한 모멘트, 반시계 방향이 양. 그다음 연직 방향 힘의 평형.

분포 하중의 합력: W = w·ℓ = 4·2 = 8 kN, 작용점 x̄ = 3 m
ΣMA = 0: RB·4 = 55·2 + 4·2·3
RB = 134/4 = 33.5 kN
ΣFy = 0: RA = 63 − 33.5 = 29.5 kN

답

RB = 33.5 kN
5.트러스: 절점법

답: 부재 DH

영력 부재: 절점에서는 모든 방향으로 힘이 평형을 이루어야 합니다. 절점에 하중도 지점도 없고 세 부재 중 두 개가 일직선이면, 그 직선에 수직인 방향의 평형에는 세 번째 부재만 관여하므로 그 힘은 0입니다. 하중이 없는 절점에 두 부재만 만나고 일직선이 아니면 둘 다 0입니다.

절점 D

CD과 DE은 한 직선 위에 있고 절점에는 하중이 없습니다. 그 직선에 수직인 방향으로 힘의 평형을 잡으면 DH만 남습니다.

ΣF⊥ = 0 → FDH = 0

절점법으로 확인하기

모든 절점을 풀면 다음 부재력이 나옵니다(T = 인장, C = 압축).

AB: 58.75 kN (T), BC: 58.75 kN (T), CD: 41.25 kN (T), DE: 41.25 kN (T), FG: 82.5 kN (C), GH: 82.5 kN (C), AF: 83.09 kN (C), HE: 58.34 kN (C), BF: 35 kN (T), CG: 30 kN (C), DH: 0, FC: 33.59 kN (T), HC: 58.34 kN (T)

답

영력 부재: DH
6.트러스: 절점법

답: FAC = −3.75 kN

절점법: 트러스의 모든 절점은 평형 상태이므로 각 절점에서 ΣFx = 0, ΣFy = 0입니다. 미지 부재력이 두 개 이하인 절점부터 시작하세요. 결과가 음수이면 그 부재는 압축입니다.

ABBCACACB20 kN30 kNAy​Cy​Ax​

지점 반력

트러스 전체의 평형. A에 대한 모멘트, 반시계 방향이 양.

ΣMA = 0: Cy·4 = 20·3 − 30·4 → Cy = −15 kN
ΣFy = 0: Ay = 20 − −15 = 35 kN
ΣFx = 0: Ax = 30 kN

절점 C

롤러는 연직 반력만 주므로 절점 C의 미지 부재력은 두 개뿐입니다. 둘 다 인장이라고 가정합니다.

sin γ = 4/4.123 = 0.9701, cos γ = 1/4.123 = 0.2425
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −−15/0.9701 = 15.46 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(15.46)·0.2425 = −3.75 kN

답

FAC = −3.75 kN (압축)
7.프레임과 기계

답: A = 50.86 kN

프레임과 기계: 트러스와 달리 프레임에는 두 곳보다 많은 지점에서 힘을 받거나 두 핀 사이에 하중을 받는 부재가 적어도 하나 있습니다. 먼저 2력 부재를 찾으세요: 두 핀에서만 하중을 받는 부재는 그 힘이 두 핀을 잇는 직선을 따르므로 미지수가 둘이 아니라 하나만 늘어납니다. 그다음 미지수가 3개 이하이면 구조 전체로 지점 반력을 구합니다. 마지막으로 프레임을 분해합니다: 각 부재를 따로 그리고, 연결된 두 부재에서 크기가 같고 방향이 반대인 핀 힘을 그린 뒤 ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0을 씁니다. 핀에 대해 모멘트를 취하면 그 핀 힘의 두 성분이 모두 식에서 사라집니다.

지주의 힘

FCD = 12·2.4/(0.5145·1) = 55.98 kN

A에서의 성분

Ax = FCD·cos α = 48 kN (벽 쪽으로)
Ay = 12 − FCD·sin α = −16.8 kN

크기

A = √(48² + −16.8²) = 50.86 kN

답

A = 50.86 kN

Ay가 음수이면 벽이 A에서 보를 아래로 당긴다는 뜻입니다.

8.프레임과 기계

답: Ax = 0.48 kN

프레임과 기계: 트러스와 달리 프레임에는 두 곳보다 많은 지점에서 힘을 받거나 두 핀 사이에 하중을 받는 부재가 적어도 하나 있습니다. 먼저 2력 부재를 찾으세요: 두 핀에서만 하중을 받는 부재는 그 힘이 두 핀을 잇는 직선을 따르므로 미지수가 둘이 아니라 하나만 늘어납니다. 그다음 미지수가 3개 이하이면 구조 전체로 지점 반력을 구합니다. 마지막으로 프레임을 분해합니다: 각 부재를 따로 그리고, 연결된 두 부재에서 크기가 같고 방향이 반대인 핀 힘을 그린 뒤 ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0을 씁니다. 핀에 대해 모멘트를 취하면 그 핀 힘의 두 성분이 모두 식에서 사라집니다.

BC의 방향

BC = 3.202 m, cos = 0.6247, sin = 0.7809

프레임 전체: A에 대한 모멘트

FBC·0.7809·5 = 6·0.75 + 2·2.5
FBC = 2.433 kN

수평 평형

Ax + 2 − 2.433·0.6247 = 0
Ax = −0.48 kN → |Ax| = 0.48 kN

답

Ax = 0.48 kN

음의 부호는 Ax가 왼쪽을 향한다는 뜻입니다.

9.전단력과 휨 모멘트

답: Vx = −3 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 = 3·6 = 18 kN, 작용점 x̄ = 3 m
ΣMA = 0: RB·6 = 3·6·3
RB = 54/6 = 9 kN
ΣFy = 0: RA = 18 − 9 = 9 kN
w = 3 kN/mABRA​ = 9RB​ = 9단면4 m2 m

x = 4 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 = 9 − 3·4 = −3 kN

답

Vx = −3 kN
10.전단력과 휨 모멘트

답: Mmax = 13.5 kN·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 = 12·6 = 72 kN, 작용점 x̄ = 3 m
ΣMA = 0: RB·4 = 12·6·3
RB = 216/4 = 54 kN
ΣFy = 0: RA = 72 − 54 = 18 kN

전단력 0

RA − w·x0 = 0 → x0 = 18/12 = 1.5 m

최대 정모멘트

Mmax = RA·x0 − w·x0²/2 = RA²/(2w) = 18²/(2·12) = 13.5 kN·m

답

Mmax = 13.5 kN·m
11.도심과 단면 2차 모멘트

답: Ix = 18.36 × 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 = 120·30 = 3600 mm², yf = 180 + 30/2 = 195 mm
웨브: Aw = 10·180 = 1800 mm², yw = 180/2 = 90 mm

도심

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (3600·195 + 1800·90)/5400 = 160 mm

평행축 정리

플랜지: 120·30³/12 + 3600·(195 − 160)² = 4.68 × 10⁶ mm⁴
웨브: 10·180³/12 + 1800·(90 − 160)² = 1.368 × 10⁷ mm⁴
Ix = 4.68 × 10⁶ + 1.368 × 10⁷ = 1.836 × 10⁷ mm⁴ = 18.36 × 10⁶ mm⁴

답

Ix = 18.36 × 10⁶ mm⁴
12.도심과 단면 2차 모멘트

답: Mallow = 16.76 kN·m

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.

도심

ȳ = (3900·267.5 + 3640·130)/7540 = 201.1 mm
윗면 가장자리: c = 275 − 201.1 = 73.88 mm

단면 2차 모멘트

I = 260·15³/12 + 3900·66.38² + 14·260³/12 + 3640·71.12² = 5.617 × 10⁷ mm⁴

각 가장자리가 허용하는 모멘트

정모멘트: 위는 압축, 아래는 인장입니다.

윗면 가장자리: M = 90·5.617 × 10⁷/73.88 = 68.43 kN·m
아랫면 가장자리: M = 60·5.617 × 10⁷/201.1 = 16.76 kN·m

지배 값

Mallow = min = 16.76 kN·m (아랫면 가장자리)

답

Mallow = 16.76 kN·m

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