보의 지점 반력
- 평형
- ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
- 등분포 하중
- 합력 w·L이 하중 중앙에 작용
- 모멘트
- M = F·d
방법
- 자유물체도를 그리고 각 지점을 반력으로 바꾸세요.
- 모든 분포 하중을 그 도심에 작용하는 하나의 집중 하중으로 바꾸세요.
- 한 지점에 대한 모멘트를 취해 다른 지점의 반력을 구하세요.
- ΣFy = 0으로 나머지 반력을 구하고, 두 번째 모멘트 방정식으로 확인하세요.
구조역학: 벼락치기 팩
공식 모음, 모든 주제의 핵심 풀이 단계, 연습 문제 10개가 들어 있으며 전체 풀이는 맨 뒤에 있습니다.
1공식과 풀이 방법
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
- 보 전체의 평형에서 지점 반력을 구하세요.
- 필요한 단면에서 보를 자르고 한쪽만 남기세요.
- 전단력: 그쪽에 작용하는 연직력의 합. 굽힘 모멘트: 절단면에 대한 그 힘들의 모멘트 합.
- 최대 모멘트는 전단력이 0인 곳에서 찾으세요.
트러스: 절점법
- 절점법
- ΣFx = 0, ΣFy = 0 at each joint
- 단면법
- ΣM = 0 about a cut point
- 부재력
- 양수 = 인장, 음수 = 압축
방법
- 트러스 전체의 지점 반력을 구하세요.
- 절점법: 미지 부재력이 둘 이하인 절점에서 시작하여 ΣFx = 0과 ΣFy = 0을 쓰세요.
- 단면법: 필요한 부재를 지나도록 자르고, 나머지 미지 부재들이 만나는 점에 대해 모멘트를 취하세요.
- 인장으로 가정하세요. 답이 음수이면 압축입니다.
보의 처짐
- 경간 중앙 집중 하중
- δ = PL³/(48EI)
- 등분포 하중, 단순 지지
- δ = 5wL⁴/(384EI)
- 캔틸레버, 끝단 하중
- δ = PL³/(3EI)
- 캔틸레버, 등분포 하중
- δ = wL⁴/(8EI)
- 중첩의 원리
- δ = δ1 + δ2
기둥의 좌굴
- 오일러 좌굴 하중
- Pcr = π²EI/(KL)²
- 유효 좌굴 길이 계수
- K = 1 핀–핀, 0.5 고정–고정, 0.7 고정–핀, 2 고정–자유
- 임계 응력
- σcr = Pcr/A
- 세장비
- λ = KL/r, r = √(I/A)
2연습 문제
1.보의 지점 반력보통
단순보는 A에 힌지, B에 롤러 지점이 있다. 연직 지점 반력 RA을(를) 구하시오.
L = 4 mP1 = 15 kN 위치 1 mP2 = 30 kN 위치 2 m
RA = kN
2.보의 지점 반력어려움
단순보는 A에 힌지, B에 롤러 지점이 있다. A에서 2 m 떨어진 곳에 수평과 45°를 이루는 하중 P가, A에서 7 m 떨어진 곳에 연직 하중 Q가 작용한다. 힌지 A의 전체 반력 크기 RA을(를) 구하시오.
L = 8 mP = 25 kN 위치 2 m, θ = 45°Q = 70 kN 위치 7 m
RA = kN
3.전단력과 휨 모멘트보통
표시점 A부터 G는 보를 같은 여섯 부분으로 나눕니다. 어느 표시점에서 굽힘 모멘트의 크기가 가장 큽니까(정이든 부이든)? 그림에서 클릭하세요.
35 kN @ 3 m15 kN/m, 0–6 m
- 1A (x = 0 m)
- 2B (x = 1 m)
- 3C (x = 2 m)
- 4D (x = 3 m)
- 5E (x = 4 m)
- 6F (x = 5 m)
- 7G (x = 6 m)
4.전단력과 휨 모멘트어려움
표시점 A부터 G는 보를 같은 여섯 부분으로 나눕니다. 어느 표시점에서 굽힘 모멘트의 크기가 가장 큽니까(정이든 부이든)? 그림에서 클릭하세요.
15 kN @ 6 m55 kN @ 3 m
- 1A (x = 0 m)
- 2B (x = 1 m)
- 3C (x = 2 m)
- 4D (x = 3 m)
- 5E (x = 4 m)
- 6F (x = 5 m)
- 7G (x = 6 m)
5.트러스: 절점법보통
이 트러스의 부재 하나는 이 하중에서 힘을 받지 않습니다. 영력 부재는 어느 것입니까? 그림에서 클릭하세요.
D: 10 kN ↓F: 30 kN ↓G: 20 kN ↓H: 10 kN ↓
- 1부재 AB
- 2부재 BC
- 3부재 CD
- 4부재 DE
- 5부재 FG
- 6부재 GH
- 7부재 AF
- 8부재 HE
- 9부재 BF
- 10부재 CG
- 11부재 DH
- 12부재 FC
- 13부재 HC
6.트러스: 절점법어려움
이 트러스의 부재 하나는 이 하중에서 힘을 받지 않습니다. 영력 부재는 어느 것입니까? 그림에서 클릭하세요.
D: 25 kN ↓F: 30 kN ↓F: 35 kN →
- 1부재 AB
- 2부재 BC
- 3부재 CD
- 4부재 DE
- 5부재 FG
- 6부재 GH
- 7부재 AF
- 8부재 HE
- 9부재 BF
- 10부재 CG
- 11부재 DH
- 12부재 BG
- 13부재 DG
7.보의 처짐보통
길이 L인 캔틸레버는 A에서 고정되어 있고, A에서 a = 1 m 떨어진 곳에 집중 하중 P가 작용한다. 자유단 B의 처짐 δB을(를) 구하시오.
P = 16 kNa = 1 mL = 2 mE = 11 GPa (구조용 목재)I = 57 × 10⁶ mm⁴
δB = mm
8.보의 처짐어려움
단순보에 등분포 하중 w와 경간 중앙의 집중 하중 P가 작용한다. 중첩을 이용해 중앙 처짐 δmax을(를) 구하시오.
P = 19 kNw = 4 kN/mL = 4 mE = 70 GPa (알루미늄)I = 120 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
9.기둥의 좌굴보통
길이 L인 알루미늄 기둥이 양단 핀이다. 오일러 공식을 이용해 임계 좌굴 하중 Pcr을(를) 구하시오.
L = 2.5 mE = 70 GPa (알루미늄)b × h = 50 × 60 mm
Pcr = kN
10.기둥의 좌굴어려움
길이 L인 강철 기둥이 하단 고정, 상단 자유이다. 세장비와 오일러 공식에 의한 임계 좌굴 응력 σcr을(를) 구하시오.
L = 3 mE = 200 GPa (강철)d = 30 mm
σcr = MPa
3용액
1.보의 지점 반력
답: RA = 26.25 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 = 15·1 + 30·2
RB = 75/4 = 18.75 kN
ΣFy = 0: RA = 45 − 18.75 = 26.25 kN
답
RA = 26.25 kN
2.보의 지점 반력
답: RA = 28.23 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.
P의 성분
Pv = 25·sin 45° = 17.68 kN
Ph = 25·cos 45° = 17.68 kN
반력
ΣMA = 0: RB·8 = 17.68·2 + 70·7 → RB = 65.67 kN
Ay = 17.68 + 70 − 65.67 = 22.01 kN
Ax = Ph = 17.68 kN
A의 합력
RA = √(17.68² + 22.01²) = 28.23 kN
답
RA = 28.23 kN
3.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 = 62.5 kN, R2 = 62.5 kN
모든 표시점에서의 굽힘 모멘트
절단면 한쪽의 모든 힘의 모멘트를 합하세요. 정(+)굽힘이 양수, 부(−)굽힘이 음수입니다.
MA = 0, MB = 55, MC = 95, MD = 120 kN·m, ME = 95, MF = 55, MG = 0
답
표시점 D: MD = 120 kN·m
4.전단력과 휨 모멘트
답: E (x = 4 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 = 6.25 kN, R2 = 63.75 kN
모든 표시점에서의 굽힘 모멘트
절단면 한쪽의 모든 힘의 모멘트를 합하세요. 정(+)굽힘이 양수, 부(−)굽힘이 음수입니다.
MA = 0, MB = 6.25, MC = 12.5, MD = 18.75, ME = −30 kN·m, MF = −15, MG = 0
답
표시점 E: ME = −30 kN·m
5.트러스: 절점법
답: 부재 BF
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 B
AB과 BC은 한 직선 위에 있고 절점에는 하중이 없습니다. 그 직선에 수직인 방향으로 힘의 평형을 잡으면 BF만 남습니다.
ΣF⊥ = 0 → FBF = 0
절점법으로 확인하기
모든 절점을 풀면 다음 부재력이 나옵니다(T = 인장, C = 압축).
AB: 28.13 kN (T), BC: 28.13 kN (T), CD: 24.37 kN (T), DE: 24.37 kN (T), FG: 33.75 kN (C), GH: 33.75 kN (C), AF: 46.88 kN (C), HE: 40.63 kN (C), BF: 0, CG: 20 kN (C), DH: 10 kN (T), FC: 9.375 kN (T), HC: 15.63 kN (T)
답
영력 부재: BF
6.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.
ΣF⊥ = 0 → FCG = 0
절점법으로 확인하기
모든 절점을 풀면 다음 부재력이 나옵니다(T = 인장, C = 압축).
AB: 64.58 kN (T), BC: 54.17 kN (T), CD: 54.17 kN (T), DE: 43.75 kN (T), FG: 64.58 kN (C), GH: 43.75 kN (C), AF: 36.98 kN (C), HE: 54.69 kN (C), BF: 7.813 kN (C), CG: 0, DH: 32.81 kN (T), BG: 13.02 kN (T), DG: 13.02 kN (C)
답
영력 부재: CG
7.보의 처짐
답: δB = 21.27 mm
보의 처짐: 처짐은 곡률 M/(EI)를 두 번 적분해 얻습니다. 대표적인 경우는 표로 정리되어 있습니다. 예를 들어 끝에 집중 하중을 받는 캔틸레버는 PL³/(3EI), 전체 경간에 등분포 하중을 받는 단순보는 5wL⁴/(384EI)입니다. 각 하중에 의한 처짐은 더할 수 있습니다(중첩).
단위 맞추기
N과 mm로 계산합니다: P는 N, w는 N/mm (kN/m = N/mm), L은 mm, E는 N/mm² (GPa × 1000), I는 mm⁴.
P = 16000 N, a = 1000 mm, L = 2000 mm
EI = 6.27 × 10¹¹ N·mm²
자유단의 처짐
하중 위치의 처짐 더하기 하중 위치의 처짐각 × 나머지 길이.
δP = Pa³/(3EI) = 8.506 mm
θP = Pa²/(2EI) = 0.01276 rad
δB = δP + θP·(L − a) = Pa²(3L − a)/(6EI) = 21.27 mm
답
δB = 21.27 mm
8.보의 처짐
답: δmax = 4.603 mm
보의 처짐: 처짐은 곡률 M/(EI)를 두 번 적분해 얻습니다. 대표적인 경우는 표로 정리되어 있습니다. 예를 들어 끝에 집중 하중을 받는 캔틸레버는 PL³/(3EI), 전체 경간에 등분포 하중을 받는 단순보는 5wL⁴/(384EI)입니다. 각 하중에 의한 처짐은 더할 수 있습니다(중첩).
단위 맞추기
N과 mm로 계산합니다: P는 N, w는 N/mm (kN/m = N/mm), L은 mm, E는 N/mm² (GPa × 1000), I는 mm⁴.
P = 19000 N, w = 4 N/mm, L = 4000 mm, EI = 8.4 × 10¹² N·mm²
각 하중을 따로
δP = PL³/(48EI) = 19000·4000³/(48·8.4 × 10¹²) = 3.016 mm
δw = 5wL⁴/(384EI) = 5·4·4000⁴/(384·8.4 × 10¹²) = 1.587 mm
더하기
δmax = 3.016 + 1.587 = 4.603 mm
답
δmax = 4.603 mm
9.기둥의 좌굴
답: Pcr = 69.09 kN
오일러 좌굴: 세장한 기둥은 Pcr = π²EI/(KL)²에서 불안정해집니다. KL은 유효 좌굴 길이로, K = 1(핀–핀), 2(고정–자유), 0.7(고정–핀), 0.5(고정–고정)입니다. 기둥은 I가 가장 작은 축에 대해 좌굴합니다. 이 식은 임계 응력이 항복 응력보다 작은 세장한 기둥에 적용됩니다.
최소 단면 2차 모멘트
직사각형은 약축에 대해 좌굴하므로 작은 치수의 세제곱을 씁니다.
Imin = h·b³/12 = 60·50³/12 = 625000 mm⁴
유효 좌굴 길이
KL = 1·2500 = 2500 mm
임계 하중
Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·625000/2500² = 69087 N = 69.09 kN
답
Pcr = 69.09 kN
10.기둥의 좌굴
답: σcr = 3.084 MPa
오일러 좌굴: 세장한 기둥은 Pcr = π²EI/(KL)²에서 불안정해집니다. KL은 유효 좌굴 길이로, K = 1(핀–핀), 2(고정–자유), 0.7(고정–핀), 0.5(고정–고정)입니다. 기둥은 I가 가장 작은 축에 대해 좌굴합니다. 이 식은 임계 응력이 항복 응력보다 작은 세장한 기둥에 적용됩니다.
최소 단면 2차 모멘트
원형 단면은 모든 축에 대해 I가 같습니다.
I = πd⁴/64 = π·30⁴/64 = 39761 mm⁴
회전 반경과 세장비
A = 706.9 mm²
r = √(I/A) = √(39761/706.9) = 7.5 mm
KL = 2·3000 = 6000 mm
KL/r = 6000/7.5 = 800
임계 응력
σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/800² = 3.084 MPa
답
σcr = 3.084 MPa
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