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 20 kN의 수직 하중이 작용하며 K는 A에서 (수평으로) 2.025 m 떨어져 있습니다. 부재 BC의 힘 FBC을(를) 구하시오.
P = 20 kNL = 6 mH = 2.5 mA에서 B까지의 수평 거리 = 2.7 mA에서 K까지의 수평 거리 = 2.025 m
FBC = kN
8.프레임과 기계어려움
무게 2 kN의 균일한 수평 붐 AB가 A에서 벽에 핀으로 연결되어 있고, 끝 B에서 A보다 4 m 위의 벽의 점 C까지 케이블로 지지됩니다. B에 8 kN의 하중이 매달려 있습니다. 케이블의 장력 T을(를) 구하시오.
W = 8 kNWb = 2 kNAB = 6 mAC = 4 m
T = kN
9.전단력과 휨 모멘트보통
단순보에 두 개의 집중 하중이 작용한다. 보의 최대 휨 모멘트 Mmax을(를) 구하시오.
L = 8 mP1 = 35 kN 위치 3 mP2 = 75 kN 위치 5 m
Mmax = kN·m
10.전단력과 휨 모멘트어려움
단순보의 경간 일부에 등분포 하중이 작용한다. 보의 최대 휨 모멘트 Mmax을(를) 구하시오.
L = 4 mw = 6 kN/m, 0부터 2 m까지
Mmax = kN·m
11.도심과 단면 2차 모멘트보통
T형 단면의 도심을 지나는 수평축 x에 대한 단면 2차 모멘트 Ix을(를) 구하시오.
bf = 240 mmtf = 20 mmtw = 16 mmhw = 260 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.도심과 단면 2차 모멘트어려움
주철 보는 그림과 같은 T형 단면이며 플랜지가 위에 있다. 허용 응력은 인장 30 MPa, 압축 120 MPa이다. 보가 견딜 수 있는 최대 정(正) 휨 모멘트 Mallow을(를) 구하시오.
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 = 0·(−4) + 7·(−2) + (−2)·(−6) = −2
b의 길이
|b| = √((−4)² + (−2)² + (−6)²) = 7.483
스칼라 투영
compb a = a·b/|b| = −2/7.483 = −0.2673
답
compb a = −0.2673
음수: a는 b와 반대 방향의 성분을 가집니다.
2.벡터: 내적과 외적
답: n̂y = 0.6396
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
(a × b)x = aybz − azby = (−5)·(−2) − 3·2 = 4
(a × b)y = azbx − axbz = 3·0 − 3·(−2) = 6
(a × b)z = axby − aybx = 3·2 − (−5)·0 = 6
정규화
a × b의 z성분은 이미 양수입니다.
|a × b| = √(4² + 6² + 6²) = 9.381
n̂ = (4, 6, 6)/9.381 = (0.4264, 0.6396, 0.6396)
n̂y = 0.6396
답
n̂y = 0.6396
3.보의 지점 반력
답: RA = 25 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.
ΣMA = 0: RB·4 = 30·2 + 40·3
RB = 180/4 = 45 kN
ΣFy = 0: RA = 70 − 45 = 25 kN
답
RA = 25 kN
4.보의 지점 반력
답: RB = 26.79 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.
분포 하중의 합력
W = 6·2.5 = 15 kN, x̄ = (2.5 + 5)/2 = 3.75 m
평형
A에 대한 모멘트, 반시계 방향이 양. 그다음 연직 방향 힘의 평형.
ΣMA = 0: RB·3.5 = 25·1.5 + 15·3.75
RB = 93.75/3.5 = 26.79 kN
RA = 40 − 26.79 = 13.21 kN
답
RB = 26.79 kN
5.트러스: 절점법
답: FAB = −16.87 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.
지점 반력
트러스 전체의 평형. A에 대한 모멘트, 반시계 방향이 양.
ΣMA = 0: Cy·5 = 20·1 → Cy = 4 kN
ΣFy = 0: Ay = 20 − 4 = 16 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 = −16/0.9487 = −16.87 kN
답
FAB = −16.87 kN (압축)
6.트러스: 절점법
답: FAB = −39.53 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.
지점 반력
트러스 전체의 평형. A에 대한 모멘트, 반시계 방향이 양.
ΣMA = 0: Cy·4 = 20·1 − 30·3 → Cy = −17.5 kN
ΣFy = 0: Ay = 20 − −17.5 = 37.5 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 = −37.5/0.9487 = −39.53 kN
답
FAB = −39.53 kN (압축)
7.프레임과 기계
답: FBC = 11.18 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 = 20·2.025
FBC = 11.18 kN (압축)
답
FBC = 11.18 kN
8.프레임과 기계
답: T = 16.22 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.
케이블 각도
BC = √(6² + 4²) = 7.211 m, sin β = 0.5547
A에 대한 모멘트
T·0.5547·6 = 8·6 + 2·3
T = 16.22 kN
답
T = 16.22 kN
9.전단력과 휨 모멘트
답: Mmax = 180 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
보 전체의 평형.
ΣMA = 0: RB·8 = 35·3 + 75·5
RB = 480/8 = 60 kN
ΣFy = 0: RA = 110 − 60 = 50 kN
각 하중 아래의 모멘트
각 하중의 왼쪽 부분을 남깁니다.
아래 P1: M = RA·3 = 50·3 = 150 kN·m
아래 P2: M = RB·3 = 60·3 = 180 kN·m
최댓값
Mmax = 180 kN·m (아래 P2)
답
Mmax = 180 kN·m
10.전단력과 휨 모멘트
답: Mmax = 6.75 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
보 전체의 평형.
분포 하중의 합력: W = w·ℓ = 6·2 = 12 kN, 작용점 x̄ = 1 m
ΣMA = 0: RB·4 = 6·2·1
RB = 12/4 = 3 kN
ΣFy = 0: RA = 12 − 3 = 9 kN
전단력 0
전단력은 RA에서 시작해 하중이 없는 구간에서는 일정하고, 하중 구간 안에서는 기울기 w로 감소합니다.