그림의 A형 프레임은 A의 핀과 B의 롤러 위에 서 있으며 둘 사이는 3 m입니다. 두 다리는 높이 2.4 m의 핀 C에서 만나고, 수평 타이 DE는 지면 위 0.8 m에 있습니다. C에 12 kN의 하중이 작용합니다. 핀 C가 다리 BC에 가하는 힘의 크기 C을(를) 구하시오.
P = 12 kNAB = 3 mC의 높이 = 2.4 mDE의 높이 = 0.8 m
C = kN
8.프레임과 기계어려움
그림의 A형 프레임은 A의 핀과 B의 롤러 위에 서 있으며 둘 사이는 4 m이고, 꼭대기 핀 C의 높이는 4.5 m, 수평 타이 DE는 지면 위 1 m에 있습니다. 다리 AC 위의 K에 2 kN의 수직 하중이 작용하며 K는 A에서 (수평으로) 0.8 m 떨어져 있습니다. 핀 C가 다리 BC에 가하는 힘의 크기 C을(를) 구하시오.
P = 2 kNAB = 4 mC의 높이 = 4.5 mDE의 높이 = 1 mA에서 K까지의 수평 거리 = 0.8 m
C = kN
9.전단력과 휨 모멘트보통
지점 A에서 x = 1.5 m인 단면의 전단력 Vx을(를) 구하시오. 아래쪽이 인장되는 휨 모멘트를 양으로, 왼쪽 면에서 위쪽 전단력을 양으로 한다.
L = 10 mw = 2 kN/m, 0부터 10 m까지x = 1.5 m
Vx = kN
10.전단력과 휨 모멘트어려움
지점 A에서 x = 2.5 m인 단면의 휨 모멘트 Mx을(를) 구하시오. 아래쪽이 인장되는 휨 모멘트를 양으로, 왼쪽 면에서 위쪽 전단력을 양으로 한다.
L = 6 mP = 10 kN 위치 2.5 mw = 4 kN/m, 0부터 6 m까지x = 2.5 m
Mx = kN·m
11.도심과 단면 2차 모멘트보통
ㄷ형강 단면이 열린 쪽을 위로 하여 놓여 있다. 폭 140 mm의 밑판에 두 개의 세운 다리가 있으며 전체 높이는 160 mm이다. 밑판과 다리의 두께는 모두 8 mm이다. 밑변에서 도심까지의 높이 ȳ을(를) 구하시오.
b = 140 mmh = 160 mmt = 8 mm
ȳ = mm
12.도심과 단면 2차 모멘트어려움
용접 I형 단면의 상부 플랜지는 170 × 16 mm, 웨브는 높이 220 mm, 두께 12 mm, 하부 플랜지는 290 × 18 mm(폭 × 두께)이다. 도심을 지나는 수평축 x에 대한 단면 2차 모멘트 Ix을(를) 구하시오.
Dot product:a·b = axbx + ayby + azbz = |a|·|b|·cos θ, a scalar. It gives the angle between two vectors, cos θ = a·b/(|a|·|b|), and it is zero when they are perpendicular. The scalar projection of a onto b is a·b/|b|, and a constant force F moving through a displacement d does work W = F·d.
내적
a·b = 1·3 + 4·5 + (−1)·4 = 19
크기들
|a| = √(1² + 4² + (−1)²) = 4.243
|b| = √(3² + 5² + 4²) = 7.071
위상각
cos θ = 19/(4.243·7.071) = 0.6333
θ = arccos(0.6333) = 50.7°
답
θ = 50.7°
2.벡터: 내적과 외적
답: (a × b)x = 4
Cross product:a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx) is perpendicular to both vectors, and |a × b| = |a|·|b|·sin θ is the area of the parallelogram they span (the triangle has half of it). Order matters: b × a = −(a × b). The moment of a force F applied at point A about point O is MO = r × F, with r = A − O.
성분별로 구하는 외적
(a × b)x = aybz − azby = 2·(−1) − (−6)·1 = 4
(a × b)y = azbx − axbz = (−6)·5 − 0·(−1) = −30
(a × b)z = axby − aybx = 0·1 − 2·5 = −10
요청된 성분
(a × b)x = 4
답
(a × b)x = 4
확인: a × b는 두 벡터에 모두 수직이므로, a 및 b와의 내적이 0입니다.
3.보의 지점 반력
답: RB = 73.13 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 = 15·3.5 + 40·6
RB = 292.5/4 = 73.13 kN
연직 방향 평형
RA = 15 + 40 − 73.13 = −18.13 kN
답
RB = 73.13 kN
RA가 음수입니다. A의 힌지가 보를 아래로 붙잡아야 합니다.
4.보의 지점 반력
답: RB = 2.875 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.
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 = 2·1 = 2 kN, 작용점 x̄ = 6.5 m
ΣMA = 0: RB·8 = 10·1 + 2·1·6.5
RB = 23/8 = 2.875 kN
ΣFy = 0: RA = 12 − 2.875 = 9.125 kN
답
RB = 2.875 kN
5.트러스: 절점법
답: 부재 CG
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 C
BC과 CD은 한 직선 위에 있고 절점에는 하중이 없습니다. 그 직선에 수직인 방향으로 힘의 평형을 잡으면 CG만 남습니다.
절점법: 트러스의 모든 절점은 평형 상태이므로 각 절점에서 ΣFx = 0, ΣFy = 0입니다. 미지 부재력이 두 개 이하인 절점부터 시작하세요. 결과가 음수이면 그 부재는 압축입니다.
지점 반력
트러스 전체의 평형. A에 대한 모멘트, 반시계 방향이 양.
ΣMA = 0: Cy·5 = 20·1 − 30·3 → Cy = −14 kN
ΣFy = 0: Ay = 20 − −14 = 34 kN
ΣFx = 0: Ax = 30 kN
절점 A
모든 부재가 인장(절점에서 멀어지는 방향으로 당김)이라고 가정합니다. A에서 연직 성분이 있는 것은 AB뿐입니다.
sin α = 3/3.162 = 0.9487
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −34/0.9487 = −35.84 kN
답
FAB = −35.84 kN (압축)
7.프레임과 기계
답: C = 8.224 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.
다리 BC로부터 구한 타이 힘
By = 6 kN
T = 6·1.5/1.6 = 5.625 kN
BC에 작용하는 핀 힘의 성분
Cx = T = 5.625 kN, Cy = −By = −6 kN
크기
C = √(5.625² + 6²) = 8.224 kN
답
C = 8.224 kN
8.프레임과 기계
답: C = 0.4607 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.
B의 지점 반력
By = 2·0.8/4 = 0.4 kN
타이 힘
T = 0.4·2/3.5 = 0.2286 kN
BC에 작용하는 핀 힘
Cx = 0.2286 kN, Cy = −0.4 kN
C = √(0.2286² + 0.4²) = 0.4607 kN
답
C = 0.4607 kN
9.전단력과 휨 모멘트
답: Vx = 7 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 = 2·10 = 20 kN, 작용점 x̄ = 5 m
ΣMA = 0: RB·10 = 2·10·5
RB = 100/10 = 10 kN
ΣFy = 0: RA = 20 − 10 = 10 kN
x = 1.5 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 = 10 − 2·1.5 = 7 kN
답
Vx = 7 kN
10.전단력과 휨 모멘트
답: Mx = 32.08 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 = 4·6 = 24 kN, 작용점 x̄ = 3 m
ΣMA = 0: RB·6 = 10·2.5 + 4·6·3
RB = 97/6 = 16.17 kN
ΣFy = 0: RA = 34 − 16.17 = 17.83 kN
x = 2.5 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 = 17.83·2.5 − 4·2.5·1.25 = 32.08 kN·m
답
Mx = 32.08 kN·m
11.도심과 단면 2차 모멘트
답: ȳ = 58.77 mm
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.
직사각형으로 나누기
밑판은 전체 폭으로, 두 다리는 그 위의 높이(h − t)로 잡으면 중복 계산이 없습니다.
기제: A1 = 140·8 = 1120 mm², y1 = 4 mm
두 다리: A2 = 2·8·152 = 2432 mm², y2 = 8 + 152/2 = 84 mm
도심
ȳ = (1120·4 + 2432·84)/3552 = 58.77 mm
답
ȳ = 58.77 mm
12.도심과 단면 2차 모멘트
답: Ix = 114.1 × 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 = 2720 mm², y = 246 mm
웨브: A = 2640 mm², y = 128 mm
하부 플랜지: A = 5220 mm², y = 9 mm
도심
ȳ = (2720·246 + 2640·128 + 5220·9)/10580 = 99.62 mm