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

벡터 a = (4, −2, −6)와 b = (6, 0, −3) 사이의 각도 θ을(를) 도(°) 단위로 구하시오.

a = (4, −2, −6)b = (6, 0, −3)
θ = °
2.벡터: 내적과 외적어려움
xyzrFOA

힘 F = (50, −60, 60) N이 점 A(−1, 3, 3)에 작용한다. 좌표의 단위는 미터이다. 원점 O(0, 0, 0)에 대한 힘의 모멘트의 크기 |M|을(를) 구하시오.

F = (50, −60, 60) NA(−1, 3, 3) mO(0, 0, 0) m
|M| = N·m
3.보의 지점 반력보통
P1​ = 55 kNP2​ = 75 kNABCRB​ = ?1.5 m3 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 = 55 kN 위치 1.5 mP2 = 75 kN 위치 6 m
RB = kN
4.보의 지점 반력어려움
w0​ = 4 kN/mP = 55 kNABMA​ = ?3 m5 m

캔틸레버 보는 A에서 벽에 고정되어 있다. 벽에서 4 kN/m이고 자유단 B에서 0으로 감소하는 선형 분포 하중과, 벽에서 3 m 떨어진 곳의 집중 하중 P가 작용한다. 벽의 반력 모멘트 크기 MA을(를) 구하시오.

L = 8 mw0 = 4 kN/mP = 55 kN 위치 3 m
MA = kN·m
5.트러스: 절점법보통
ABBCACACB55 kN5 m2 m2 m

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

경간 = 5 m높이 = 2 mB는 A에서 2 m연직 하중 = 55 kN
FAB = kN
6.트러스: 절점법어려움
ABBCACACB20 kN15 kN6 m5 m4 m

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

경간 = 6 m높이 = 4 mB는 A에서 5 m연직 하중 = 20 kN수평 하중 = 15 kN ←
FAB = kN
7.프레임과 기계보통
12 kN5 m1.2 m3.3 m1 mABCDEK

그림의 A형 프레임은 A의 핀과 B의 롤러 위에 서 있으며 둘 사이는 5 m이고, 꼭대기 핀 C의 높이는 4.5 m, 수평 타이 DE는 지면 위 1.2 m에 있습니다. 다리 AC 위의 K에 12 kN의 수직 하중이 작용하며 K는 A에서 (수평으로) 1 m 떨어져 있습니다. 타이의 장력 T을(를) 구하시오.

P = 12 kNAB = 5 mC의 높이 = 4.5 mDE의 높이 = 1.2 mA에서 K까지의 수평 거리 = 1 m
T = kN
8.프레임과 기계어려움
15 kN4 m1.2 m3.3 m0.8 mABCDEK

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 1.2 m에 있습니다. 다리 AC 위의 K에 15 kN의 수직 하중이 작용하며 K는 A에서 (수평으로) 0.8 m 떨어져 있습니다. 핀 C가 다리 BC에 가하는 힘의 크기 C을(를) 구하시오.

P = 15 kNAB = 4 mC의 높이 = 4.5 mDE의 높이 = 1.2 mA에서 K까지의 수평 거리 = 0.8 m
C = kN
9.전단력과 휨 모멘트보통
10 kN/m20 kNABCDEFG1 m1 m1 m1 m1 m1 m

표시점 A부터 G는 보를 같은 여섯 부분으로 나눕니다. 어느 표시점에서 굽힘 모멘트의 크기가 가장 큽니까(정이든 부이든)? 그림에서 클릭하세요.

20 kN @ 5 m10 kN/m, 0–4 m
  1. 1A (x = 0 m)
  2. 2B (x = 1 m)
  3. 3C (x = 2 m)
  4. 4D (x = 3 m)
  5. 5E (x = 4 m)
  6. 6F (x = 5 m)
  7. 7G (x = 6 m)
10.전단력과 휨 모멘트어려움
15 kN/m35 kN40 kN35 kNABCDEFG2 m2 m2 m2 m2 m2 m

표시점 A부터 G는 보를 같은 여섯 부분으로 나눕니다. 어느 표시점에서 굽힘 모멘트의 크기가 가장 큽니까(정이든 부이든)? 그림에서 클릭하세요.

35 kN @ 0 m40 kN @ 12 m35 kN @ 6 m15 kN/m, 2–10 m
  1. 1A (x = 0 m)
  2. 2B (x = 2 m)
  3. 3C (x = 4 m)
  4. 4D (x = 6 m)
  5. 5E (x = 8 m)
  6. 6F (x = 10 m)
  7. 7G (x = 12 m)
11.도심과 단면 2차 모멘트보통
100 mm240 mm84 mmØ50xIx​ = ?

100 mm × 240 mm 판의 수직 중심선 위에 지름 50 mm의 원형 구멍이 있고 그 중심은 아래에서 84 mm 위에 있습니다. 도심을 지나는 수평축에 대한 단면 2차 모멘트 Ix을(를) 구하시오.

b = 100 mmh = 240 mmd = 50 mm구멍 중심: y = 84 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.도심과 단면 2차 모멘트어려움
2203030020xM = 30 kN·m치수 단위: mm

T형 단면을 플랜지가 위로 가도록 보로 사용하며, 양의 휨 모멘트 30 kN·m을(를) 받는다. 위 가장자리의 휨 응력 σ위의 크기를 구하시오.

bf = 220 mmtf = 30 mmtw = 20 mmhw = 300 mmM = 30 kN·m
σ위 = MPa

3용액

1.벡터: 내적과 외적

답: θ = 33.21 °

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 = 4·6 + (−2)·0 + (−6)·(−3) = 42

크기들

|a| = √(4² + (−2)² + (−6)²) = 7.483
|b| = √(6² + 0² + (−3)²) = 6.708

위상각

cos θ = 42/(7.483·6.708) = 0.8367
θ = arccos(0.8367) = 33.21°

답

θ = 33.21°
2.벡터: 내적과 외적

답: |M| = 426.4 N·m

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.

O에서 A로 가는 위치 벡터

r = A − O = (−1, 3, 3) − (0, 0, 0) = (−1, 3, 3) m

모멘트 M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = 3·60 − 3·(−60) = 360 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = 3·50 − (−1)·60 = 210 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = (−1)·(−60) − 3·50 = −90 N·m

크기

|M| = √(360² + 210² + (−90)²) = 426.4 N·m

답

|M| = 426.4 N·m
3.보의 지점 반력

답: RB = 118.3 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 = 55·1.5 + 75·6
RB = 532.5/4.5 = 118.3 kN

연직 방향 평형

RA = 55 + 75 − 118.3 = 11.67 kN

답

RB = 118.3 kN
4.보의 지점 반력

답: MA = 207.7 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 = ½·4·8 = 16 kN
x̄ = L/3 = 2.667 m

벽에 대한 모멘트

MA = W·x̄ + P·a = 16·2.667 + 55·3 = 207.7 kN·m

답

MA = 207.7 kN·m
5.트러스: 절점법

답: FAB = −46.67 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.

ABBCACACB55 kNAy​Cy​

지점 반력

트러스 전체의 평형. A에 대한 모멘트, 반시계 방향이 양.

ΣMA = 0: Cy·5 = 55·2 → Cy = 22 kN
ΣFy = 0: Ay = 55 − 22 = 33 kN

절점 A

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

sin α = 2/2.828 = 0.7071
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −33/0.7071 = −46.67 kN

답

FAB = −46.67 kN (압축)
6.트러스: 절점법

답: FAB = −21.34 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 kN15 kNAy​Cy​Ax​

지점 반력

트러스 전체의 평형. A에 대한 모멘트, 반시계 방향이 양.

ΣMA = 0: Cy·6 = 20·5 − 15·4 → Cy = 6.667 kN
ΣFy = 0: Ay = 20 − 6.667 = 13.33 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 = 4/6.403 = 0.6247
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −13.33/0.6247 = −21.34 kN

답

FAB = −21.34 kN (압축)
7.프레임과 기계

답: T = 1.818 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.

프레임 전체: A에 대한 모멘트

By = 12·1/5 = 2.4 kN

다리 BC: C에 대한 모멘트

2.4·2.5 = T·3.3
T = 1.818 kN

답

T = 1.818 kN
8.프레임과 기계

답: C = 3.508 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 = 15·0.8/4 = 3 kN

타이 힘

T = 3·2/3.3 = 1.818 kN

BC에 작용하는 핀 힘

Cx = 1.818 kN, Cy = −3 kN
C = √(1.818² + 3²) = 3.508 kN

답

C = 3.508 kN
9.전단력과 휨 모멘트

답: D (x = 3 m)

가장 큰 굽힘 모멘트: M은 전단력이 바뀌는 곳마다 기울기가 바뀌므로, 그 최댓값은 전단력이 0을 지나는 곳에 있습니다: 집중 하중 아래, 분포 하중 안, 또는 내민 보의 지점 위. 캔틸레버의 고정 지점에서는 모멘트가 벽에서 가장 큽니다. 그곳들의 M의 크기를 비교하세요, 정(+)이든 부(−)이든.

지점 반력

한 지점에 대해 모멘트를 취한 다음 수직 힘의 평형을 쓰세요.

R1 = 30 kN, R2 = 30 kN

모든 표시점에서의 굽힘 모멘트

절단면 한쪽의 모든 힘의 모멘트를 합하세요. 정(+)굽힘이 양수, 부(−)굽힘이 음수입니다.

MA = 0, MB = 25, MC = 40, MD = 45 kN·m, ME = 40, MF = 30, MG = 0

답

표시점 D: MD = 45 kN·m
10.전단력과 휨 모멘트

답: D (x = 6 m)

가장 큰 굽힘 모멘트: M은 전단력이 바뀌는 곳마다 기울기가 바뀌므로, 그 최댓값은 전단력이 0을 지나는 곳에 있습니다: 집중 하중 아래, 분포 하중 안, 또는 내민 보의 지점 위. 캔틸레버의 고정 지점에서는 모멘트가 벽에서 가장 큽니다. 그곳들의 M의 크기를 비교하세요, 정(+)이든 부(−)이든.

지점 반력

한 지점에 대해 모멘트를 취한 다음 수직 힘의 평형을 쓰세요.

R1 = 111.3 kN, R2 = 118.8 kN

모든 표시점에서의 굽힘 모멘트

절단면 한쪽의 모든 힘의 모멘트를 합하세요. 정(+)굽힘이 양수, 부(−)굽힘이 음수입니다.

MA = 0, MB = −70, MC = 52.5, MD = 115 kN·m, ME = 47.5, MF = −80, MG = 0

답

표시점 D: MD = 115 kN·m
11.도심과 단면 2차 모멘트

답: Ix = 112.1 × 10⁶ mm⁴

구멍이 있는 단면: 구멍은 음의 넓이로 취급합니다. 도심은 ȳ = (A₁y₁ − A₂y₂)/(A₁ − A₂)이며, A₁, y₁은 구멍이 없는 전체 판, A₂, y₂는 구멍의 값입니다. 도심축에 대한 단면 2차 모멘트는 각 부분에 평행축 정리를 쓰고 구멍을 뺍니다: I = (Ic1 + A₁d₁²) − (Ic2 + A₂d₂²). 여기서 d는 각 부분 자신의 도심에서 ȳ를 지나는 축까지의 거리입니다. 직사각형은 Ic = bh³/12, 원은 Ic = πd⁴/64입니다.

도심

ȳ = (24000·120 − 1963·84)/(24000 − 1963) = 123.2 mm

ȳ에 대한 전체 판

100·240³/12 + 24000·−3.208² = 115.4 × 10⁶ mm⁴

ȳ에 대한 구멍

π·50⁴/64 + 1963·−39.21² = 3.325 × 10⁶ mm⁴

빼기

Ix = 112.1 × 10⁶ mm⁴

답

Ix = 112.1 × 10⁶ mm⁴
12.도심과 단면 2차 모멘트

답: σ위 = 21.42 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.

두 직사각형으로 나누기

모든 y는 아래 가장자리에서 잽니다.

플랜지: Af = 220·30 = 6600 mm², yf = 300 + 30/2 = 315 mm
웨브: Aw = 20·300 = 6000 mm², yw = 300/2 = 150 mm

도심

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (6600·315 + 6000·150)/12600 = 236.4 mm

평행축 정리

플랜지: 220·30³/12 + 6600·(315 − 236.4)² = 4.124 × 10⁷ mm⁴
웨브: 20·300³/12 + 6000·(150 − 236.4)² = 8.982 × 10⁷ mm⁴
Ix = 4.124 × 10⁷ + 8.982 × 10⁷ = 1.311 × 10⁸ mm⁴

휨 응력

위 가장자리는 축에서 h − ȳ 떨어져 있습니다.

y = 330 − 236.4 = 93.57 mm
σ = M·y/I = 3 × 10⁷·93.57/1.311 × 10⁸ = 21.42 MPa

답

σ위 = 21.42 MPa

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