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 = (0, 7, −2)를 b = (−4, −2, −6) 위에 투영한 스칼라 투영 compb a, 즉 a의 b 방향 성분을 구하시오.

a = (0, 7, −2)b = (−4, −2, −6)
compb a =
2.벡터: 내적과 외적어려움
xyzab

단위 벡터 n̂은(는) a = (3, −5, 3)와 b = (0, 2, −2)에 모두 수직이고 z성분이 양수이다. 그 y성분 n̂y을(를) 구하시오.

a = (3, −5, 3)b = (0, 2, −2)n̂z > 0
n̂y =
3.보의 지점 반력보통
P1​ = 30 kNP2​ = 40 kNABRA​ = ?RB​2 m1 m1 m

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

L = 4 mP1 = 30 kN 위치 2 mP2 = 40 kN 위치 3 m
RA = kN
4.보의 지점 반력어려움
w = 6 kN/mP = 25 kNABCRB​ = ?1.5 m1 m1 m1.5 m

보는 A에 힌지, A에서 3.5 m 떨어진 B에 롤러가 있고, B에서 자유단 C까지 내밀어져 있다. A에서 1.5 m 떨어진 곳에 집중 하중 P가, 2.5 m에서 5 m의 자유단까지 등분포 하중 w가 작용한다. 위쪽을 양으로 하여 연직 반력 RB을(를) 구하시오.

AB = 3.5 mAC = 5 mP = 25 kN 위치 1.5 mw = 6 kN/m, 2.5부터 5 m까지
RB = kN
5.트러스: 절점법보통
ABBCACACB20 kN5 m1 m3 m

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

경간 = 5 m높이 = 3 mB는 A에서 1 m연직 하중 = 20 kN
FAB = kN
6.트러스: 절점법어려움
ABBCACACB20 kN30 kN4 m1 m3 m

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

경간 = 4 m높이 = 3 mB는 A에서 1 m연직 하중 = 20 kN수평 하중 = 30 kN ←
FAB = kN
7.프레임과 기계보통
20 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 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
8 kN2 kN6 m4 mABC

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
P1​ = 35 kNP2​ = 75 kNAB3 m2 m3 m

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
w = 6 kN/mAB2 m2 m

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
2402026016x치수 단위: mm

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
3001530018x정모멘트 M치수 단위: mm

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.

bf = 300 mmtf = 15 mmtw = 18 mmhw = 300 mmσt,allow = 30 MPaσc,allow = 120 MPa
Mallow = kN·m

3용액

1.벡터: 내적과 외적

답: compb a = −0.2673

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.

P1​ = 30 kNP2​ = 40 kNABRA​RB​2 m1 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 = 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.

ABBCACACB20 kNAy​Cy​

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.

ABBCACACB20 kN30 kNAy​Cy​Ax​

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.

RA − w·(x0 − 0) = 0
x0 = 0 + 9/6 = 1.5 m

최대 모멘트

Mmax = RA·x0 − w·(x0 − 0)²/2 = 9·1.5 − 6·1.5²/2 = 6.75 kN·m

답

Mmax = 6.75 kN·m
11.도심과 단면 2차 모멘트

답: Ix = 67.27 × 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 = 240·20 = 4800 mm², yf = 260 + 20/2 = 270 mm
웨브: Aw = 16·260 = 4160 mm², yw = 260/2 = 130 mm

도심

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (4800·270 + 4160·130)/8960 = 205 mm

평행축 정리

플랜지: 240·20³/12 + 4800·(270 − 205)² = 2.044 × 10⁷ mm⁴
웨브: 16·260³/12 + 4160·(130 − 205)² = 4.683 × 10⁷ mm⁴
Ix = 2.044 × 10⁷ + 4.683 × 10⁷ = 6.727 × 10⁷ mm⁴ = 67.27 × 10⁶ mm⁴

답

Ix = 67.27 × 10⁶ mm⁴
12.도심과 단면 2차 모멘트

답: Mallow = 13.74 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 = (4500·307.5 + 5400·150)/9900 = 221.6 mm
윗면 가장자리: c = 315 − 221.6 = 93.41 mm

단면 2차 모멘트

I = 300·15³/12 + 4500·85.91² + 18·300³/12 + 5400·71.59² = 1.015 × 10⁸ mm⁴

각 가장자리가 허용하는 모멘트

정모멘트: 위는 압축, 아래는 인장입니다.

윗면 가장자리: M = 120·1.015 × 10⁸/93.41 = 130.4 kN·m
아랫면 가장자리: M = 30·1.015 × 10⁸/221.6 = 13.74 kN·m

지배 값

Mallow = min = 13.74 kN·m (아랫면 가장자리)

답

Mallow = 13.74 kN·m

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