구조역학: 벼락치기 팩

공식 모음, 모든 주제의 핵심 풀이 단계, 연습 문제 10개가 들어 있으며 전체 풀이는 맨 뒤에 있습니다.

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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​ = 55 kNP2​ = 15 kNABRA​ = ?RB​2 m0.5 m1.5 m

단순보는 A에 힌지, B에 롤러 지점이 있다. 연직 지점 반력 RA을(를) 구하시오.

L = 4 mP1 = 55 kN 위치 2 mP2 = 15 kN 위치 2.5 m
RA = kN
2.보의 지점 반력어려움
w = 3 kN/mP = 15 kNABCRB​ = ?3 m0.5 m0.5 m1 m

보는 A에 힌지, A에서 4 m 떨어진 B에 롤러가 있고, B에서 자유단 C까지 내밀어져 있다. A에서 3 m 떨어진 곳에 집중 하중 P가, 3.5 m에서 5 m의 자유단까지 등분포 하중 w가 작용한다. 위쪽을 양으로 하여 연직 반력 RB을(를) 구하시오.

AB = 4 mAC = 5 mP = 15 kN 위치 3 mw = 3 kN/m, 3.5부터 5 m까지
RB = kN
3.전단력과 휨 모멘트보통
P1​ = 75 kNP2​ = 70 kNABC2.5 m1.5 m1.5 m

보는 A의 힌지와 B의 롤러 위에 놓여 있고, B에서 자유단 C까지 1.5 m만큼 내밀어져 있다. 지점 사이에 집중 하중 P1, C에 집중 하중 P2이 작용한다. 하중 P1 아래의 휨 모멘트 Mx을(를) 구하시오. 아래쪽이 인장되는 휨 모멘트를 양으로, 왼쪽 면에서 위쪽 전단력을 양으로 한다.

L = 5.5 mP1 = 75 kN 위치 2.5 mP2 = 70 kN 위치 5.5 mx = 0과 x = 4 m에 지점
Mx = kN·m
4.전단력과 휨 모멘트어려움
5 kN/m45 kN40 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.

45 kN @ 0 m40 kN @ 12 m5 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)
5.트러스: 절점법보통
ABBCACACB20 kN5 m1 m3 m

절점법으로 부재 AC의 부재력 FAC을(를) 구하시오. 인장은 양, 압축은 음으로 답한다.

경간 = 5 m높이 = 3 mB는 A에서 1 m연직 하중 = 20 kN
FAC = kN
6.트러스: 절점법어려움
ABBCACACB40 kN15 kN6 m5 m4 m

절점법으로 부재 AC의 부재력 FAC을(를) 구하시오. 인장은 양, 압축은 음으로 답한다.

경간 = 6 m높이 = 4 mB는 A에서 5 m연직 하중 = 40 kN수평 하중 = 15 kN ←
FAC = kN
7.보의 처짐보통
w = 10 kN/mδL = 3 m

단순보의 전체 경간에 등분포 하중 w가 작용한다. 경간 중앙의 최대 처짐 δmax을(를) 구하시오.

w = 10 kN/mL = 3 mE = 70 GPa (알루미늄)I = 12 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
8.보의 처짐어려움
w = 1 kN/mABδ5 m

폭 75 mm의 직사각형 단면 목재 단순보의 전체 경간에 등분포 하중 w가 작용한다. 경간 중앙의 처짐은 경간/360을(를) 넘을 수 없다. 단면의 최소 높이 hreq을(를) 구하시오.

w = 1 kN/mL = 5 mE = 11 GPa (구조용 목재)b = 75 mm
hreq = mm
9.기둥의 좌굴보통
PL = 3 m30 × 40 mm단면

길이 L인 강철 기둥이 하단 고정, 상단 핀이다. 오일러 공식을 이용해 임계 좌굴 하중 Pcr을(를) 구하시오.

L = 3 mE = 200 GPa (강철)b × h = 30 × 40 mm
Pcr = kN
10.기둥의 좌굴어려움
P = 115 kNL = 6 md = ?단면

길이 L인 강철 원형 기둥(속이 참)이 양단 고정이다. 좌굴에 대한 안전율 2로 115 kN을(를) 지지해야 한다. 최소 지름 d을(를) 구하시오.

P = 115 kNn = 2L = 6 mE = 200 GPa (강철)
d = mm

3용액

1.보의 지점 반력

답: RA = 33.13 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.

P1​ = 55 kNP2​ = 15 kNABRA​RB​2 m0.5 m1.5 m

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 = 55·2 + 15·2.5
RB = 147.5/4 = 36.88 kN
ΣFy = 0: RA = 70 − 36.88 = 33.13 kN

답

RA = 33.13 kN
2.보의 지점 반력

답: RB = 16.03 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 = 3·1.5 = 4.5 kN, x̄ = (3.5 + 5)/2 = 4.25 m

평형

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

ΣMA = 0: RB·4 = 15·3 + 4.5·4.25
RB = 64.13/4 = 16.03 kN
RA = 19.5 − 16.03 = 3.469 kN

답

RB = 16.03 kN
3.전단력과 휨 모멘트

답: Mx = 4.688 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 평형입니다. 내민 부분의 하중도 A에 대해 모멘트를 만듭니다.

ΣMA = 0: RB·4 = 75·2.5 + 70·5.5
RB = 572.5/4 = 143.1 kN
ΣFy = 0: RA = 145 − 143.1 = 1.875 kN

P1 아래에서 자르고 왼쪽 부분을 남긴다

Mx = RA·2.5 = 1.875·2.5 = 4.688 kN·m

답

Mx = 4.688 kN·m
4.전단력과 휨 모멘트

답: B (x = 2 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 = 66.25 kN, R2 = 58.75 kN

모든 표시점에서의 굽힘 모멘트

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

MA = 0, MB = −90 kN·m, MC = −57.5, MD = −45, ME = −52.5, MF = −80, MG = 0

답

표시점 B: MB = −90 kN·m
5.트러스: 절점법

답: FAC = 5.333 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 kNAy​Cy​

지점 반력

트러스 전체의 평형. A에 대한 모멘트, 반시계 방향이 양.

ΣMA = 0: Cy·5 = 20·1 → Cy = 4 kN
ΣFy = 0: Ay = 20 − 4 = 16 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 = −4/0.6 = −6.667 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−6.667)·0.8 = 5.333 kN

답

FAC = 5.333 kN (인장)
6.트러스: 절점법

답: FAC = 5.833 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.

ABBCACACB40 kN15 kNAy​Cy​Ax​

지점 반력

트러스 전체의 평형. A에 대한 모멘트, 반시계 방향이 양.

ΣMA = 0: Cy·6 = 40·5 − 15·4 → Cy = 23.33 kN
ΣFy = 0: Ay = 40 − 23.33 = 16.67 kN
ΣFx = 0: Ax = 15 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 = −23.33/0.9701 = −24.05 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−24.05)·0.2425 = 5.833 kN

답

FAC = 5.833 kN (인장)
7.보의 처짐

답: δmax = 12.56 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 = 10 N/mm, L = 3000 mm
EI = 8.4 × 10¹¹ N·mm²

처짐

δmax = 5wL⁴/(384EI) = 5·10·3000⁴/(384·8.4 × 10¹¹) = 12.56 mm

답

δmax = 12.56 mm
8.보의 처짐

답: hreq = 204.3 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 = 1 N/mm, L = 5000 mm, E = 11000 N/mm²

처짐 한계

δallow = L/360 = 5000/360 = 13.89 mm

필요한 단면 2차 모멘트

Ireq = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·1·5000⁴/(384·11000·13.89) = 5.327 × 10⁷ mm⁴

필요한 높이

bh³/12 = Ireq → h = (12·5.327 × 10⁷/75)1/3 = 204.3 mm

답

hreq = 204.3 mm

실무에서는 이 값보다 큰 다음 표준 높이를 고릅니다.

9.기둥의 좌굴

답: Pcr = 40.28 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 = 40·30³/12 = 90000 mm⁴

유효 좌굴 길이

KL = 0.7·3000 = 2100 mm

임계 하중

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·90000/2100² = 40284 N = 40.28 kN

답

Pcr = 40.28 kN
10.기둥의 좌굴

답: d = 67.99 mm

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.

필요한 임계 하중

Pcr = n·P = 2·115000 = 230000 N
KL = 0.5·6000 = 3000 mm

지름에 대해 풀기

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·230000·3000²/(π³·200000))^(1/4) = 67.99 mm

답

d = 67.99 mm

확인: 세장비 KL/r는 176.5이므로 기둥은 세장하고 오일러 공식을 적용할 수 있습니다.

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