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. A에서 6 m 떨어진 곳에 집중 하중 P가, A에서 8 m 떨어진 곳에 시계 방향 우력 M이 작용한다. 위쪽을 양으로 하여 연직 반력 RA을(를) 구하시오.
L = 10 mP = 60 kN 위치 6 mM = 10 kN·m (시계 방향) 위치 8 m
RA = kN
2.보의 지점 반력어려움
캔틸레버 보는 A에서 벽에 고정되어 있다. 벽에서 15 kN/m이고 자유단 B에서 0으로 감소하는 선형 분포 하중과, 벽에서 4 m 떨어진 곳의 집중 하중 P가 작용한다. 벽의 반력 모멘트 크기 MA을(를) 구하시오.
L = 10 mw0 = 15 kN/mP = 60 kN 위치 4 m
MA = kN·m
3.전단력과 휨 모멘트보통
캔틸레버는 A에서 고정되어 있다. 전체 길이에 등분포 하중 w가 작용하고, A에서 4 m 떨어진 곳에 집중 하중 P가 작용한다. 고정 지점 A에서 x = 1 m인 단면에서 휨 모멘트 Mx을(를) 구하시오. 아래쪽이 인장되는 휨 모멘트를 양으로, 왼쪽 면에서 위쪽 전단력을 양으로 한다.
L = 5 mP = 15 kN 위치 4 mw = 4 kN/m, 0부터 5 m까지x = 1 m
Mx = kN·m
4.전단력과 휨 모멘트어려움
지점 A에서 x = 3.5 m인 단면의 휨 모멘트 Mx을(를) 구하시오. 아래쪽이 인장되는 휨 모멘트를 양으로, 왼쪽 면에서 위쪽 전단력을 양으로 한다.
L = 5 mP = 40 kN 위치 3.5 mw = 5 kN/m, 0부터 5 m까지x = 3.5 m
Mx = kN·m
5.트러스: 절점법보통
절점법으로 부재 AC의 부재력 FAC을(를) 구하시오. 인장은 양, 압축은 음으로 답한다.
경간 = 5 m높이 = 4 mB는 A에서 3 m연직 하중 = 45 kN
FAC = kN
6.트러스: 절점법어려움
절점법으로 부재 AC의 부재력 FAC을(를) 구하시오. 인장은 양, 압축은 음으로 답한다.
경간 = 5 m높이 = 2 mB는 A에서 3 m연직 하중 = 10 kN수평 하중 = 20 kN →
FAC = kN
7.보의 처짐보통
캔틸레버의 전체 길이에 등분포 하중 w가, 자유단에 집중 하중 P가 작용한다. 중첩을 이용해 자유단의 처짐 δ을(를) 구하시오.
P = 8 kNw = 6 kN/mL = 2.5 mE = 70 GPa (알루미늄)I = 120 × 10⁶ mm⁴
δ = mm
8.보의 처짐어려움
단순보에 등분포 하중 w가 작용한다. 처짐은 경간/360을 넘을 수 없다. 이 한계를 만족하는 최소 단면 2차 모멘트 Ireq을(를) 구하시오.
w = 10 kN/mL = 2.5 mE = 70 GPa (알루미늄)
Ireq = × 10⁶ mm⁴
9.기둥의 좌굴보통
길이 L인 강철 기둥이 하단 고정, 상단 핀이다. 오일러 공식을 이용해 임계 좌굴 하중 Pcr을(를) 구하시오.
L = 3 mE = 200 GPa (강철)d = 30 mm
Pcr = kN
10.기둥의 좌굴어려움
길이 L인 알루미늄 기둥이 하단 고정, 상단 핀이다. 세장비와 오일러 공식에 의한 임계 좌굴 응력 σcr을(를) 구하시오.
L = 6 mE = 70 GPa (알루미늄)d = 80 mm
σcr = MPa
3용액
1.보의 지점 반력
답: RA = 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.
A에 대한 모멘트
반시계 방향을 양으로.
ΣMA = 0: RB·10 − 60·6 − 10 = 0
RB = 370/10 = 37 kN
연직 방향 평형
RA = 60 − 37 = 23 kN
답
RA = 23 kN
음의 반력은 아래로 작용합니다.
2.보의 지점 반력
답: MA = 490 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 = ½·15·10 = 75 kN
x̄ = L/3 = 3.333 m
벽에 대한 모멘트
MA = W·x̄ + P·a = 75·3.333 + 60·4 = 490 kN·m
답
MA = 490 kN·m
3.전단력과 휨 모멘트
답: Mx = −77 kN·m
단면법: 내력을 구하려는 곳에서 보를 자르고 한쪽을 남깁니다. 전단력 V는 그쪽의 연직력과, 휨 모멘트 M은 그 힘들의 절단면에 대한 모멘트와 평형을 이룹니다.
자유단 쪽 부분을 남긴다
P: −15·3 = −45 kN·m
w: −4·4²/2 = −32 kN·m
Mx = −45 − 32 = −77 kN·m
답
Mx = −77 kN·m
음수는 부모멘트, 즉 윗면이 인장이라는 뜻입니다.
4.전단력과 휨 모멘트
답: Mx = 55.13 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 = 5·5 = 25 kN, 작용점 x̄ = 2.5 m
ΣMA = 0: RB·5 = 40·3.5 + 5·5·2.5
RB = 202.5/5 = 40.5 kN
ΣFy = 0: RA = 65 − 40.5 = 24.5 kN
x = 3.5 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 = 24.5·3.5 − 5·3.5·1.75 = 55.13 kN·m
답
Mx = 55.13 kN·m
5.트러스: 절점법
답: FAC = 13.5 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 = 45·3 → Cy = 27 kN
ΣFy = 0: Ay = 45 − 27 = 18 kN
절점 C
롤러는 연직 반력만 주므로 절점 C의 미지 부재력은 두 개뿐입니다. 둘 다 인장이라고 가정합니다.
sin γ = 4/4.472 = 0.8944, cos γ = 2/4.472 = 0.4472
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −27/0.8944 = −30.19 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−30.19)·0.4472 = 13.5 kN
답
FAC = 13.5 kN (인장)
6.트러스: 절점법
답: FAC = 14 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 = 10·3 + 20·2 → Cy = 14 kN
ΣFy = 0: Ay = 10 − 14 = −4 kN
ΣFx = 0: Ax = −20 kN
절점 C
롤러는 연직 반력만 주므로 절점 C의 미지 부재력은 두 개뿐입니다. 둘 다 인장이라고 가정합니다.
sin γ = 2/2.828 = 0.7071, cos γ = 2/2.828 = 0.7071
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −14/0.7071 = −19.8 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−19.8)·0.7071 = 14 kN
답
FAC = 14 kN (인장)
7.보의 처짐
답: δ = 8.448 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 = 8000 N, w = 6 N/mm, L = 2500 mm
EI = 8.4 × 10¹² N·mm²
각 하중을 따로
δP = PL³/(3EI) = 8000·2500³/(3·8.4 × 10¹²) = 4.96 mm
δw = wL⁴/(8EI) = 6·2500⁴/(8·8.4 × 10¹²) = 3.488 mm
더하기
δ = 4.96 + 3.488 = 8.448 mm
답
δ = 8.448 mm
8.보의 처짐
답: Ireq = 10.46 × 10⁶ mm⁴
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).
처짐 한계
δallow = L/360 = 2500/360 = 6.944 mm
필요한 단면 2차 모멘트
I = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·10·2500⁴/(384·70000·6.944) = 1.046 × 10⁷ mm⁴
Ireq = 10.46 × 10⁶ mm⁴
답
Ireq = 10.46 × 10⁶ mm⁴
9.기둥의 좌굴
답: Pcr = 17.8 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·30⁴/64 = 39761 mm⁴
유효 좌굴 길이
KL = 0.7·3000 = 2100 mm
임계 하중
Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·39761/2100² = 17797 N = 17.8 kN
답
Pcr = 17.8 kN
10.기둥의 좌굴
답: σcr = 15.67 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·80⁴/64 = 2.011 × 10⁶ mm⁴
회전 반경과 세장비
A = 5027 mm²
r = √(I/A) = √(2.011 × 10⁶/5027) = 20 mm
KL = 0.7·6000 = 4200 mm
KL/r = 4200/20 = 210
임계 응력
σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/210² = 15.67 MPa
답
σcr = 15.67 MPa
ExamProblems · examproblems.com/courses/structural-analysis