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토목공학/응용역학/보의 처짐

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기사 출제 1위 ♣♣♣

부호 약속

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  • 처짐 : 하향 +, 상향 -
  • 처짐각 : 변형 전 축 기준 시계방향 +, 반시계방향 -

계산 방법

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15-2 종류 물어봄

  1. 모멘트 면적법
  2. 탄성하중법 : 단순보에만
  3. 공액보법 : 내민보, 외팔보, 연속보에 적용 가능. 단순보에만 적용가능한 탄성하중법을, 이러한 형태의 보에도 가능하도록 보를 바꾼 것을 공액보라고 함.[1] 뼈대에는 어려움
  4. (공액구조법(conjugate structure method))
  5. 가상일법(가상단위하중법)
  6. 카스틸리아노의 제 2법칙[2]

이 방법들은 부정정보, 골조와 트러스 반력 계산에도 사용된다.

그 외

  • 이중적분법(Double Integration Method)

모멘트면적법

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Saint Venant에 의해 발견. Mohr, Greene이 개선.[3]

♣♣♣ 15-2, 16-1, 17-2 등등

  • 제 1정리 : 부재 두 점에서 그은 탄성곡선 접선 사이 처짐각 변화량은 두 점 사이 모멘트도 면적을 EI로 나눈 것과 동일
  • 제 2정리 : 보의 탄성곡선 한 점에서의 접선이 탄성곡선의 다른 점과 이루는 상대적인 처짐량은 처짐을 계산코자 하는 점에서 취한 두 점 사이 모멘트도 면적의, A점을 지나는 축에 대한 단면 1차 모멘트를 EI로 나눈 것과 동일

탄성하중법

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  • 탄성하중 : 모멘트를 EI로 나눈 값. 이것을 하중으로 작용시키기 때문에 탄성 '하중'이라고 함.[4]

17-4

  • A를 M/EI도의 면적이라고 하면, 처짐()은 이고, 두 접선 사이의 각은 A이다.
  • 가상의 보에 M/EI도에 따라 하중이 재하되면, 반력은 , 이다.
  • 처짐각

탄성하중법에 대한 핵심 정리

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이게 모멘트면적법, 탄성하중법에 대한 핵심임!

  1. 단순보 임의 점에서 탄성곡선의 처짐각(양쪽 지점을 현으로 하였을 때 측정한 값)은 M/EI도가 하중으로 작용하는 보에서 그 점의 전단력과 동일하다.
  2. 단순보 임의 점에서 탄성곡선의 처짐()(양쪽 지점을 현으로 하였을 때 측정한 값)은 M/EI도가 하중으로 작용하는 보에서 그 점의 모멘트와 동일하다.

17-4

D점 처짐각, 수직처짐? EI는 일정


곡률도(EI는 편의상 생략함.)만큼이 분포하중으로 보고 반력부터 계산한다.

D점 처짐각은 곡률도만큼 분포하중이 작용할 때 D점에서 전단력과 동일

D점 수직처짐은 곡률도만큼 분포하중이 작용할 때 D점에서 모멘트와 동일


14-1, 16-4

A점의 처짐각은? EI는 일정하다.


탄성하중법을 쓸 것이다. 먼저 반력을 구하고, 휨모멘트를 구한다음 EI로 나눈 값만큼을 하중으로 재하시킨 탄성하중도를 그린다.



A점 처짐각은 A점에서의 전단력과 같다. A점 전단력은 VA이므로


16-2 보의 최대처짐 위치

Deflection
Deflection

EI가 일정할 때 최대처짐 위치는 A로부터 얼마 떨어진 곳인가?


탄성하중법을 쓸 것이다. 공액보에 탄성하중을 재하했을 때 전단력이 0인 점이 최대모멘트 발생점이고, 그곳이 최대처짐점이다.

우선 원구조물에서 전단력도를 그리고, 공액보의 탄성하중도를 그린다.

A점에서 모멘트합을 취하면 B점 반력을 구할 수 있다. 계산은 생략.

다음 단계로, B점에서부터 x만큼 떨어진 임의 지점에서의 전단력이 0이 되는 지점을 구한다.

x = 11.18m

A로부터의 거리는 20 - 11.18 = 8.82m

공액보법

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♣♣♣

원 구조에서 모멘트도를 구한 뒤, EI로 나눈 곡률도만큼 탄성하중을 원 구조의 공액보에 재하하여 처짐, 처짐각을 계산[5]

Real support vs Conjugate support[6]
Real beam Conjugate beam
Fixed support Free end
Free end Fixed support
Hinged support Hinged support
Middle support Middle hinge
  • :continue
  • :continue
Middle hinge Middle support
  • :continue
  • :discontinue
  • :continue
  • :discontinue
Examples of conjugate beam[6]
Real beam Conjugate beam
Simple beam
Cantilever beam
Left-end Overhanging beam
Both-end overhanging beam
Gerber's beam (2 span)
Gerber's beam (3 span)

00, 16-1 기출

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최대처짐각 θB를 구하시오.


반력계산



A에서 B까지 탄성하중도의 면적을 구하면 B에서의 최대처짐각이다.

사다리꼴 면적 + 포물선 면적하면 된다.

가상일의 방법

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♣♣♣ 14-3, 15-1, 17-4, 18-1

구하고자 하는 점에 가상 단위 하중 1을 작용시켜 처짐을 구하는 방법.

처짐각을 구하고자 한다면 가상 단위 모멘트 1을 작용시켜야 된다. 처짐각 계산은 모멘트면적법이 편함.

Product Integral

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16-1

B점의 수평변위는? EI는 일정.


M, m을 찾는다.


15-2, 18-3

수직외력이 없으니 수직반력도 0임!!

문제 조건에서

암기해야할 변형값

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♣♣♣ 14-2, 14-3, 16-2, 18-1, 18-3, 19-1

확실히 못 외우겠으면 그냥 계산하는 것도 나쁘지 않은 듯. 시간 남는다면.


19-2 기출

중앙점 처짐 δ=0이 되도록 양쪽 지점에 모멘트 M을 작용시키려고 한다. M을 P, L로 나타내면?


δ는 암기한 값을 쓰거나 정 안 되면 계산해서 구한다.

양쪽 지점에 모멘트를 가한 것에 의해 발생하는 변위가 위 δ와 상쇄되면 된다.

모멘트도를 그리고, M을 제거한 단순보의 변위를 구하고자 하는 점에 단위하중을 재하한 가상계의 모멘트도 m을 구한다. 변위일치법을 이용해 M에 의한 변위 Δ 계산

이므로


02-1, 08-1, 12-1, 12-3, 15-2, 16-2 기출

w = 1tf/m, δ = 1cm, 일 때 가운데 지점의 수직반력 Rc는 얼마가 생기는가?


분포하중에 의한 처짐값(암기)

수직반력을 집중하중이라고 봤을 때 처짐을 상쇄하는 변위량(암기하든, 탄성하중법으로 구하든)


04-3, 06-2, 12-1, 15-3 일부 구간 EI가 무한대인 단순보의 처짐

우측 그림과 같은 보에서 중앙점 처짐량을 계산하시오. 가운데 구간 휨강성은 EI이다.




유사 15-1

자유단에서의 처짐을 구하시오.


모멘트도 그려서 변위일치법 쓰기엔 시간이 너무 오래걸린다.

처짐곡선을 그리고 처짐각이 B 기준 좌우로 같음을 이용해야 함.

트러스에 가상일법 적용

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♣♣♣14-1, 14-3, 16-4, 17-2, 19-1

  1. 외부하중에 의한 부재력 계산
  2. 외력 제거, 변위 구하고자하는 절점에 변위 방향으로 단위하중(무차원)
  3. 단위하중에 의한 부재력 μ 계산
  4. 계산

부재 하나하나의 변형량은 이다. 어디서 많이 보던 식이지?

각주

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  1. 전찬기 외, <<토목기사 필기 과년도 - 응용역학>>(2015), 성안당 출판사, 396쪽
  2. 전찬기 외 (2015). 《토목기사 필기 응용역학》. 성안당. 374, 438쪽. 
  3. 전찬기 외, <<토목기사 필기 과년도 - 응용역학>>(2015), 성안당 출판사, 394쪽
  4. 전찬기 외, <<토목기사 필기 과년도 - 응용역학>>(2015), 성안당 출판사, 395쪽
  5. 전찬기 외 (2015). 《토목기사 필기 - 응용역학》. 성안당. 397쪽. 
  6. 6.0 6.1 Okmamura (1988)、p.171。