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
보는 A에 힌지, A에서 3.5 m 떨어진 B에 롤러가 있고, B에서 자유단 C까지 내밀어져 있다. 위쪽을 양으로 하여 연직 반력 RB을(를) 구하시오.
AB = 3.5 mAC = 5 mP1 = 60 kN 위치 2.5 mP2 = 20 kN 위치 5 m
RB = kN
2.보의 지점 반력어려움
보는 A에 힌지, A에서 6 m 떨어진 B에 롤러가 있고, B에서 자유단 C까지 내밀어져 있다. A에서 5 m 떨어진 곳에 집중 하중 P가, 4 m에서 8 m의 자유단까지 등분포 하중 w가 작용한다. 위쪽을 양으로 하여 연직 반력 RB을(를) 구하시오.
AB = 6 mAC = 8 mP = 75 kN 위치 5 mw = 8 kN/m, 4부터 8 m까지
RB = kN
3.전단력과 휨 모멘트보통
단순보에 두 개의 집중 하중이 작용한다. 보의 최대 휨 모멘트 Mmax을(를) 구하시오.
L = 5 mP1 = 65 kN 위치 2.5 mP2 = 80 kN 위치 3 m
Mmax = kN·m
4.전단력과 휨 모멘트어려움
지점 A에서 x = 9 m인 단면의 휨 모멘트 Mx을(를) 구하시오. 아래쪽이 인장되는 휨 모멘트를 양으로, 왼쪽 면에서 위쪽 전단력을 양으로 한다.
L = 10 mP = 35 kN 위치 9 mw = 2 kN/m, 0부터 10 m까지x = 9 m
Mx = kN·m
5.트러스: 절점법보통
절점법으로 부재 BC의 부재력 FBC을(를) 구하시오. 인장은 양, 압축은 음으로 답한다.
경간 = 4 m높이 = 3 mB는 A에서 3 m연직 하중 = 15 kN
FBC = kN
6.트러스: 절점법어려움
절점법으로 부재 AB의 부재력 FAB을(를) 구하시오. 인장은 양, 압축은 음으로 답한다.
경간 = 6 m높이 = 4 mB는 A에서 1 m연직 하중 = 50 kN수평 하중 = 25 kN ←
FAB = kN
7.보의 처짐보통
단순보의 전체 경간에 등분포 하중 w가 작용한다. 경간 중앙의 최대 처짐 δmax을(를) 구하시오.
w = 12 kN/mL = 5 mE = 11 GPa (구조용 목재)I = 160 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
8.보의 처짐어려움
단순보의 지점 B에서 b = 1 m인 곳에 집중 하중 P가 작용한다. 보의 최대 처짐 δmax을(를) 구하시오.
P = 29 kNb = 1 mL = 5 mE = 200 GPa (강철)I = 8.5 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
9.기둥의 좌굴보통
길이 L인 알루미늄 기둥이 하단 고정, 상단 핀이다. 오일러 공식을 이용해 임계 좌굴 하중 Pcr을(를) 구하시오.
L = 2.5 mE = 70 GPa (알루미늄)d = 50 mm
Pcr = kN
10.기둥의 좌굴어려움
길이 L인 알루미늄 기둥이 하단 고정, 상단 자유이다. 세장비와 오일러 공식에 의한 임계 좌굴 응력 σcr을(를) 구하시오.
L = 5 mE = 70 GPa (알루미늄)d = 50 mm
σcr = MPa
3용액
1.보의 지점 반력
답: RB = 71.43 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·3.5 = 60·2.5 + 20·5
RB = 250/3.5 = 71.43 kN
연직 방향 평형
RA = 60 + 20 − 71.43 = 8.571 kN
답
RB = 71.43 kN
2.보의 지점 반력
답: RB = 94.5 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 = 8·4 = 32 kN, x̄ = (4 + 8)/2 = 6 m
평형
A에 대한 모멘트, 반시계 방향이 양. 그다음 연직 방향 힘의 평형.
ΣMA = 0: RB·6 = 75·5 + 32·6
RB = 567/6 = 94.5 kN
RA = 107 − 94.5 = 12.5 kN
답
RB = 94.5 kN
3.전단력과 휨 모멘트
답: Mmax = 161.3 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·5 = 65·2.5 + 80·3
RB = 402.5/5 = 80.5 kN
ΣFy = 0: RA = 145 − 80.5 = 64.5 kN
각 하중 아래의 모멘트
각 하중의 왼쪽 부분을 남깁니다.
아래 P1: M = RA·2.5 = 64.5·2.5 = 161.3 kN·m
아래 P2: M = RB·2 = 80.5·2 = 161 kN·m
최댓값
Mmax = 161.3 kN·m (아래 P1)
답
Mmax = 161.3 kN·m
4.전단력과 휨 모멘트
답: Mx = 40.5 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 = 2·10 = 20 kN, 작용점 x̄ = 5 m
ΣMA = 0: RB·10 = 35·9 + 2·10·5
RB = 415/10 = 41.5 kN
ΣFy = 0: RA = 55 − 41.5 = 13.5 kN
x = 9 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 = 13.5·9 − 2·9·4.5 = 40.5 kN·m
답
Mx = 40.5 kN·m
5.트러스: 절점법
답: FBC = −11.86 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 = 15·3 → Cy = 11.25 kN
ΣFy = 0: Ay = 15 − 11.25 = 3.75 kN
절점 C
롤러는 연직 반력만 주므로 절점 C의 미지 부재력은 두 개뿐입니다. 둘 다 인장이라고 가정합니다.
sin γ = 3/3.162 = 0.9487, cos γ = 1/3.162 = 0.3162
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −11.25/0.9487 = −11.86 kN
답
FBC = −11.86 kN (압축)
6.트러스: 절점법
답: FAB = −60.13 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·6 = 50·1 − 25·4 → Cy = −8.333 kN
ΣFy = 0: Ay = 50 − −8.333 = 58.33 kN
ΣFx = 0: Ax = 25 kN
절점 A
모든 부재가 인장(절점에서 멀어지는 방향으로 당김)이라고 가정합니다. A에서 연직 성분이 있는 것은 AB뿐입니다.
sin α = 4/4.123 = 0.9701
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −58.33/0.9701 = −60.13 kN
답
FAB = −60.13 kN (압축)
7.보의 처짐
답: δmax = 55.49 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.
w = 12 N/mm, L = 5000 mm
EI = 1.76 × 10¹² N·mm²
처짐
δmax = 5wL⁴/(384EI) = 5·12·5000⁴/(384·1.76 × 10¹²) = 55.49 mm
답
δmax = 55.49 mm
8.보의 처짐
답: δmax = 25.73 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 = 29000 N, b = 1000 mm, L = 5000 mm
EI = 1.7 × 10¹² N·mm²
최댓값의 위치
더 긴 구간에서 처짐각을 0으로 두면 위치가 나옵니다.
x = √((L² − b²)/3) = √((5000² − 1000²)/3) = 2828 mm
최대 처짐
δmax = Pb(L² − b²)3/2/(9√3·EIL) = 25.73 mm
답
δmax = 25.73 mm
9.기둥의 좌굴
답: Pcr = 69.21 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
원형 단면은 모든 축에 대해 I가 같습니다.
I = πd⁴/64 = π·50⁴/64 = 306796 mm⁴
유효 좌굴 길이
KL = 0.7·2500 = 1750 mm
임계 하중
Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·306796/1750² = 69210 N = 69.21 kN
답
Pcr = 69.21 kN
10.기둥의 좌굴
답: σcr = 1.079 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·50⁴/64 = 306796 mm⁴
회전 반경과 세장비
A = 1963 mm²
r = √(I/A) = √(306796/1963) = 12.5 mm
KL = 2·5000 = 10000 mm
KL/r = 10000/12.5 = 800
임계 응력
σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/800² = 1.079 MPa
답
σcr = 1.079 MPa
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