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 = (−6, −7, −3)를 b = (−6, −4, 2) 위에 투영한 스칼라 투영 compb a, 즉 a의 b 방향 성분을 구하시오.

a = (−6, −7, −3)b = (−6, −4, 2)
compb a =
2.벡터: 내적과 외적어려움
xyzab

a = (−4, −4, −1), b = (−4, −2, −6)일 때 외적 a × b의 z성분 (a × b)z을(를) 구하시오.

a = (−4, −4, −1)b = (−4, −2, −6)
(a × b)z =
3.보의 지점 반력보통
P1​ = 25 kNP2​ = 70 kNABCRB​ = ?2 m2.5 m1.5 m

보는 A에 힌지, A에서 4.5 m 떨어진 B에 롤러가 있고, B에서 자유단 C까지 내밀어져 있다. 위쪽을 양으로 하여 연직 반력 RB을(를) 구하시오.

AB = 4.5 mAC = 6 mP1 = 25 kN 위치 2 mP2 = 70 kN 위치 6 m
RB = kN
4.보의 지점 반력어려움
w0​ = 20 kN/mP = 80 kNABMA​ = ?5 m3 m

캔틸레버 보는 A에서 벽에 고정되어 있다. 벽에서 20 kN/m이고 자유단 B에서 0으로 감소하는 선형 분포 하중과, 벽에서 5 m 떨어진 곳의 집중 하중 P가 작용한다. 벽의 반력 모멘트 크기 MA을(를) 구하시오.

L = 8 mw0 = 20 kN/mP = 80 kN 위치 5 m
MA = kN·m
5.트러스: 절점법보통
ABBCACACB60 kN6 m4 m3 m

절점법으로 부재 AB의 부재력 FAB을(를) 구하시오. 인장은 양, 압축은 음으로 답한다.

경간 = 6 m높이 = 3 mB는 A에서 4 m연직 하중 = 60 kN
FAB = kN
6.트러스: 절점법어려움
ABBCACACB50 kN15 kN5 m4 m3 m

절점법으로 부재 AB의 부재력 FAB을(를) 구하시오. 인장은 양, 압축은 음으로 답한다.

경간 = 5 m높이 = 3 mB는 A에서 4 m연직 하중 = 50 kN수평 하중 = 15 kN →
FAB = kN
7.프레임과 기계보통
6 kN6 m2.5 m2.7 mABCK

그림의 프레임에는 A, B, C에 핀이 있습니다. A와 C는 6 m 떨어져 지면에 고정되어 있고, B는 지면 위 2.5 m, A의 오른쪽 2.7 m에 있습니다. 부재 AB 위의 K에 6 kN의 수직 하중이 작용하며 K는 A에서 (수평으로) 1.35 m 떨어져 있습니다. 부재 BC의 힘 FBC을(를) 구하시오.

P = 6 kNL = 6 mH = 2.5 mA에서 B까지의 수평 거리 = 2.7 mA에서 K까지의 수평 거리 = 1.35 m
FBC = kN
8.프레임과 기계어려움
w = 5 kN/m3 kN0.6 m1.4 m1.2 mABCD

그림의 벽 브래킷의 보 AB는 A에서 핀으로 연결되어 있고 지주 CD가 받칩니다(C는 A보다 1.2 m 아래). 보는 전체 길이에 걸쳐 5 kN/m의 등분포 하중과 자유단 B에 3 kN의 집중 하중을 받습니다. 지주의 힘 FCD을(를) 구하시오.

w = 5 kN/mP = 3 kNAD = 0.6 mAB = 2 mAC = 1.2 m
FCD = kN
9.전단력과 휨 모멘트보통
w = 4 kN/mP = 80 kNAB단면3 m1 m

캔틸레버는 A에서 고정되어 있다. 전체 길이에 등분포 하중 w가 작용하고, A에서 4 m 떨어진 곳에 집중 하중 P가 작용한다. 고정 지점 A에서 x = 3 m인 단면에서 휨 모멘트 Mx을(를) 구하시오. 아래쪽이 인장되는 휨 모멘트를 양으로, 왼쪽 면에서 위쪽 전단력을 양으로 한다.

L = 4 mP = 80 kN 위치 4 mw = 4 kN/m, 0부터 4 m까지x = 3 m
Mx = kN·m
10.전단력과 휨 모멘트어려움
w = 12 kN/mP = 60 kNAB단면7 m3 m

지점 A에서 x = 7 m인 단면의 휨 모멘트 Mx을(를) 구하시오. 아래쪽이 인장되는 휨 모멘트를 양으로, 왼쪽 면에서 위쪽 전단력을 양으로 한다.

L = 10 mP = 60 kN 위치 7 mw = 12 kN/m, 0부터 10 m까지x = 7 m
Mx = kN·m
11.도심과 단면 2차 모멘트보통
3001516010x치수 단위: mm

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

bf = 300 mmtf = 15 mmtw = 10 mmhw = 160 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.도심과 단면 2차 모멘트어려움
150220166xM = 50 kN·m치수 단위: mm

대칭 I형 단면의 플랜지는 폭 150 mm, 두께 16 mm이고, 전체 높이는 220 mm, 웨브 두께는 6 mm이다. 축 x에 대해 휨 모멘트 50 kN·m을(를) 받는다. 단면의 최대 휨 응력 크기 σmax을(를) 구하시오.

B = 150 mmH = 220 mmtf = 16 mmtw = 6 mmM = 50 kN·m
σmax = MPa

3용액

1.벡터: 내적과 외적

답: compb a = 7.751

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 = (−6)·(−6) + (−7)·(−4) + (−3)·2 = 58

b의 길이

|b| = √((−6)² + (−4)² + 2²) = 7.483

스칼라 투영

compb a = a·b/|b| = 58/7.483 = 7.751

답

compb a = 7.751
2.벡터: 내적과 외적

답: (a × b)z = −8

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.

성분별로 구하는 외적

(a × b)x = aybz − azby = (−4)·(−6) − (−1)·(−2) = 22
(a × b)y = azbx − axbz = (−1)·(−4) − (−4)·(−6) = −20
(a × b)z = axby − aybx = (−4)·(−2) − (−4)·(−4) = −8

요청된 성분

(a × b)z = −8

답

(a × b)z = −8

확인: a × b는 두 벡터에 모두 수직이므로, a 및 b와의 내적이 0입니다.

3.보의 지점 반력

답: RB = 104.4 kN

정적 평형: 정지한 물체는 임의의 점에 대해 ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0을 만족합니다. 각 분포 하중을 하중도의 도심에 작용하는 합력(그 넓이)으로 바꾸고, 한 지점에 대한 모멘트를 취해 그 지점의 반력을 식에서 없애세요.

A에 대한 모멘트

반시계 방향을 양으로.

ΣMA = 0: RB·4.5 = 25·2 + 70·6
RB = 470/4.5 = 104.4 kN

연직 방향 평형

RA = 25 + 70 − 104.4 = −9.444 kN

답

RB = 104.4 kN

RA가 음수입니다. A의 힌지가 보를 아래로 붙잡아야 합니다.

4.보의 지점 반력

답: MA = 613.3 kN·m

캔틸레버의 평형: 고정 지점은 위로 밀 수 있고 회전에도 저항하므로 연직 반력 RA와 반력 모멘트 MA를 줍니다. ΣFy = 0에서 RA가 나오고, 벽에 대한 모멘트에서 MA = Σ(하중 × 벽으로부터의 거리)가 나옵니다. 분포 하중은 하중도의 도심에 작용하는 합력으로 작용합니다.

삼각형 하중의 합력

W = ½·20·8 = 80 kN
x̄ = L/3 = 2.667 m

벽에 대한 모멘트

MA = W·x̄ + P·a = 80·2.667 + 80·5 = 613.3 kN·m

답

MA = 613.3 kN·m
5.트러스: 절점법

답: FAB = −33.33 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.

ABBCACACB60 kNAy​Cy​

지점 반력

트러스 전체의 평형. A에 대한 모멘트, 반시계 방향이 양.

ΣMA = 0: Cy·6 = 60·4 → Cy = 40 kN
ΣFy = 0: Ay = 60 − 40 = 20 kN

절점 A

모든 부재가 인장(절점에서 멀어지는 방향으로 당김)이라고 가정합니다. A에서 연직 성분이 있는 것은 AB뿐입니다.

sin α = 3/5 = 0.6
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −20/0.6 = −33.33 kN

답

FAB = −33.33 kN (압축)
6.트러스: 절점법

답: FAB = −1.667 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.

ABBCACACB50 kN15 kNAy​Cy​Ax​

지점 반력

트러스 전체의 평형. A에 대한 모멘트, 반시계 방향이 양.

ΣMA = 0: Cy·5 = 50·4 + 15·3 → Cy = 49 kN
ΣFy = 0: Ay = 50 − 49 = 1 kN
ΣFx = 0: Ax = −15 kN

절점 A

모든 부재가 인장(절점에서 멀어지는 방향으로 당김)이라고 가정합니다. A에서 연직 성분이 있는 것은 AB뿐입니다.

sin α = 3/5 = 0.6
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −1/0.6 = −1.667 kN

답

FAB = −1.667 kN (압축)
7.프레임과 기계

답: FBC = 2.236 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.

2력 부재 BC

BC = √(3.3² + 2.5²) = 4.14 m

프레임 전체: A에 대한 모멘트

지면은 C에서 CB를 따라 BC를 밉니다. 그 수평 성분은 A를 지나므로 수직 성분만 모멘트를 가집니다.

FBC·(2.5/4.14)·6 = 6·1.35
FBC = 2.236 kN (압축)

답

FBC = 2.236 kN
8.프레임과 기계

답: FCD = 29.81 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.

등분포 하중의 합력

w·L = 5·2 = 10 kN 위치 1 m

보: A에 대한 모멘트

FCD·0.8944·0.6 = 10·1 + 3·2 = 16 kN·m
FCD = 29.81 kN

답

FCD = 29.81 kN
9.전단력과 휨 모멘트

답: Mx = −82 kN·m

단면법: 내력을 구하려는 곳에서 보를 자르고 한쪽을 남깁니다. 전단력 V는 그쪽의 연직력과, 휨 모멘트 M은 그 힘들의 절단면에 대한 모멘트와 평형을 이룹니다.

자유단 쪽 부분을 남긴다

P: −80·1 = −80 kN·m
w: −4·1²/2 = −2 kN·m
Mx = −80 − 2 = −82 kN·m

답

Mx = −82 kN·m

음수는 부모멘트, 즉 윗면이 인장이라는 뜻입니다.

10.전단력과 휨 모멘트

답: Mx = 252 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 평형.

분포 하중의 합력: W = w·ℓ = 12·10 = 120 kN, 작용점 x̄ = 5 m
ΣMA = 0: RB·10 = 60·7 + 12·10·5
RB = 1020/10 = 102 kN
ΣFy = 0: RA = 180 − 102 = 78 kN
w = 12 kN/mP = 60 kNABRA​ = 78RB​ = 102단면7 m3 m

x = 7 m에서 자르고 왼쪽 부분을 남기기

절단면 왼쪽의 힘만 고려합니다. 분포 하중의 일부는 그 부분 중앙에 작용하는 하나의 힘으로 봅니다.

M = RA·x − (절단면 왼쪽의 각 하중 × 절단면까지의 거리)
Mx = 78·7 − 12·7·3.5 = 252 kN·m

답

Mx = 252 kN·m
11.도심과 단면 2차 모멘트

답: Ix = 12.53 × 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 = 300·15 = 4500 mm², yf = 160 + 15/2 = 167.5 mm
웨브: Aw = 10·160 = 1600 mm², yw = 160/2 = 80 mm

도심

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (4500·167.5 + 1600·80)/6100 = 144.5 mm

평행축 정리

플랜지: 300·15³/12 + 4500·(167.5 − 144.5)² = 2.455 × 10⁶ mm⁴
웨브: 10·160³/12 + 1600·(80 − 144.5)² = 1.008 × 10⁷ mm⁴
Ix = 2.455 × 10⁶ + 1.008 × 10⁷ = 1.253 × 10⁷ mm⁴ = 12.53 × 10⁶ mm⁴

답

Ix = 12.53 × 10⁶ mm⁴
12.도심과 단면 2차 모멘트

답: σmax = 103.1 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.

바깥 직사각형 빼기 양옆의 빈 부분 두 개

두 빈 부분을 합치면 폭 (B − tw), 높이 hw = H − 2tf이며, 축 x를 공유합니다.

hw = 220 − 2·16 = 188 mm
Ix = (B·H³ − (B − tw)·hw³)/12 = (150·220³ − 144·188³)/12
Ix = 5.336 × 10⁷ mm⁴

휨 응력

y = 110 mm
σ = M·y/I = 5 × 10⁷·110/5.336 × 10⁷ = 103.1 MPa

답

σmax = 103.1 MPa

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