구조역학: 벼락치기 팩

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1공식과 풀이 방법

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.

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.

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.

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
P1​ = 25 kNP2​ = 10 kNABCRA​ = ?1.5 m1 m1.5 m

보는 A에 힌지, A에서 2.5 m 떨어진 B에 롤러가 있고, B에서 자유단 C까지 내밀어져 있다. 위쪽을 양으로 하여 연직 반력 RA을(를) 구하시오.

AB = 2.5 mAC = 4 mP1 = 25 kN 위치 1.5 mP2 = 10 kN 위치 4 m
RA = kN
2.보의 지점 반력어려움
w = 10 kN/mP = 75 kNABCRB​ = ?1.5 m1.5 m0.5 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, 3 m에서 5 m의 자유단까지 등분포 하중 w가 작용한다. 위쪽을 양으로 하여 연직 반력 RB을(를) 구하시오.

AB = 3.5 mAC = 5 mP = 75 kN 위치 1.5 mw = 10 kN/m, 3부터 5 m까지
RB = kN
3.전단력과 휨 모멘트보통
w = 6 kN/mP = 15 kNAB3 m

캔틸레버는 A에서 고정되어 있다. 전체 길이에 등분포 하중 w가 작용하고, A에서 3 m 떨어진 곳에 집중 하중 P가 작용한다. 고정 지점 A에서 휨 모멘트 MA을(를) 구하시오. 아래쪽이 인장되는 휨 모멘트를 양으로, 왼쪽 면에서 위쪽 전단력을 양으로 한다.

L = 3 mP = 15 kN 위치 3 mw = 6 kN/m, 0부터 3 m까지
MA = kN·m
4.전단력과 휨 모멘트어려움
w = 6 kN/mP = 25 kNAB단면2.5 m1.5 m

지점 A에서 x = 2.5 m인 단면의 휨 모멘트 Mx을(를) 구하시오. 아래쪽이 인장되는 휨 모멘트를 양으로, 왼쪽 면에서 위쪽 전단력을 양으로 한다.

L = 4 mP = 25 kN 위치 2.5 mw = 6 kN/m, 0부터 4 m까지x = 2.5 m
Mx = kN·m
5.트러스: 절점법보통
ABBCACACB30 kN6 m5 m4 m

절점법으로 부재 BC의 부재력 FBC을(를) 구하시오. 인장은 양, 압축은 음으로 답한다.

경간 = 6 m높이 = 4 mB는 A에서 5 m연직 하중 = 30 kN
FBC = kN
6.트러스: 절점법어려움
ABBCACACB20 kN15 kN6 m2 m3 m

절점법으로 부재 BC의 부재력 FBC을(를) 구하시오. 인장은 양, 압축은 음으로 답한다.

경간 = 6 m높이 = 3 mB는 A에서 2 m연직 하중 = 20 kN수평 하중 = 15 kN ←
FBC = kN
7.보의 처짐보통
w = 12 kN/mP = 6 kNABδ4 m

캔틸레버의 전체 길이에 등분포 하중 w가, 자유단에 집중 하중 P가 작용한다. 중첩을 이용해 자유단의 처짐 δ을(를) 구하시오.

P = 6 kNw = 12 kN/mL = 4 mE = 200 GPa (강철)I = 160 × 10⁶ mm⁴
δ = mm
8.보의 처짐어려움
P = 22 kNABδ3 m1 m

단순보의 지점 B에서 b = 1 m인 곳에 집중 하중 P가 작용한다. 보의 최대 처짐 δmax을(를) 구하시오.

P = 22 kNb = 1 mL = 4 mE = 70 GPa (알루미늄)I = 57 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
9.기둥의 좌굴보통
PL = 4 m20 × 60 mm단면

길이 L인 알루미늄 기둥이 양단 고정이다. 오일러 공식을 이용해 임계 좌굴 하중 Pcr을(를) 구하시오.

L = 4 mE = 70 GPa (알루미늄)b × h = 20 × 60 mm
Pcr = kN
10.기둥의 좌굴어려움
PL = 2.5 md = 40 mm단면

길이 L인 강철 기둥이 하단 고정, 상단 자유이다. 세장비와 오일러 공식에 의한 임계 좌굴 응력 σcr을(를) 구하시오.

L = 2.5 mE = 200 GPa (강철)d = 40 mm
σcr = MPa

3용액

1.보의 지점 반력

답: RA = 4 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·2.5 = 25·1.5 + 10·4
RB = 77.5/2.5 = 31 kN

연직 방향 평형

RA = 25 + 10 − 31 = 4 kN

답

RA = 4 kN
2.보의 지점 반력

답: RB = 55 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 = 10·2 = 20 kN, x̄ = (3 + 5)/2 = 4 m

평형

A에 대한 모멘트, 반시계 방향이 양. 그다음 연직 방향 힘의 평형.

ΣMA = 0: RB·3.5 = 75·1.5 + 20·4
RB = 192.5/3.5 = 55 kN
RA = 95 − 55 = 40 kN

답

RB = 55 kN
3.전단력과 휨 모멘트

답: MA = −72 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: −6·3²/2 = −27 kN·m
MA = −45 − 27 = −72 kN·m

답

MA = −72 kN·m

음수는 부모멘트, 즉 윗면이 인장이라는 뜻입니다.

4.전단력과 휨 모멘트

답: Mx = 34.69 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 = 6·4 = 24 kN, 작용점 x̄ = 2 m
ΣMA = 0: RB·4 = 25·2.5 + 6·4·2
RB = 110.5/4 = 27.63 kN
ΣFy = 0: RA = 49 − 27.63 = 21.38 kN
w = 6 kN/mP = 25 kNABRA​ = 21.38RB​ = 27.63단면2.5 m1.5 m

x = 2.5 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 = 21.38·2.5 − 6·2.5·1.25 = 34.69 kN·m

답

Mx = 34.69 kN·m
5.트러스: 절점법

답: FBC = −25.77 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.

ABBCACACB30 kNAy​Cy​

지점 반력

트러스 전체의 평형. A에 대한 모멘트, 반시계 방향이 양.

ΣMA = 0: Cy·6 = 30·5 → Cy = 25 kN
ΣFy = 0: Ay = 30 − 25 = 5 kN

절점 C

롤러는 연직 반력만 주므로 절점 C의 미지 부재력은 두 개뿐입니다. 둘 다 인장이라고 가정합니다.

sin γ = 4/4.123 = 0.9701, cos γ = 1/4.123 = 0.2425
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −25/0.9701 = −25.77 kN

답

FBC = −25.77 kN (압축)
6.트러스: 절점법

답: FBC = 1.389 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 = 20·2 − 15·3 → Cy = −0.8333 kN
ΣFy = 0: Ay = 20 − −0.8333 = 20.83 kN
ΣFx = 0: Ax = 15 kN

절점 C

롤러는 연직 반력만 주므로 절점 C의 미지 부재력은 두 개뿐입니다. 둘 다 인장이라고 가정합니다.

sin γ = 3/5 = 0.6, cos γ = 4/5 = 0.8
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −−0.8333/0.6 = 1.389 kN

답

FBC = 1.389 kN (인장)
7.보의 처짐

답: δ = 16 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 = 6000 N, w = 12 N/mm, L = 4000 mm
EI = 3.2 × 10¹³ N·mm²

각 하중을 따로

δP = PL³/(3EI) = 6000·4000³/(3·3.2 × 10¹³) = 4 mm
δw = wL⁴/(8EI) = 12·4000⁴/(8·3.2 × 10¹³) = 12 mm

더하기

δ = 4 + 12 = 16 mm

답

δ = 16 mm
8.보의 처짐

답: δmax = 5.137 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 = 22000 N, b = 1000 mm, L = 4000 mm
EI = 3.99 × 10¹² N·mm²

최댓값의 위치

더 긴 구간에서 처짐각을 0으로 두면 위치가 나옵니다.

x = √((L² − b²)/3) = √((4000² − 1000²)/3) = 2236 mm

최대 처짐

δmax = Pb(L² − b²)3/2/(9√3·EIL) = 5.137 mm

답

δmax = 5.137 mm
9.기둥의 좌굴

답: Pcr = 6.909 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 = 60·20³/12 = 40000 mm⁴

유효 좌굴 길이

KL = 0.5·4000 = 2000 mm

임계 하중

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·40000/2000² = 6909 N = 6.909 kN

답

Pcr = 6.909 kN
10.기둥의 좌굴

답: σcr = 7.896 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·40⁴/64 = 125664 mm⁴

회전 반경과 세장비

A = 1257 mm²
r = √(I/A) = √(125664/1257) = 10 mm
KL = 2·2500 = 5000 mm
KL/r = 5000/10 = 500

임계 응력

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/500² = 7.896 MPa

답

σcr = 7.896 MPa

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