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그림과 같은 r=4m인 3힌지 원호 아치에서 지점 A에서 2m 떨어진 E점에 발생하는 휨모 상세 페이지

1[토목기사 필기] 21년 3회차
그림과 같은 r=4m인 3힌지 원호 아치에서 지점 A에서 2m 떨어진 E점에 발생하는 휨모멘트의 크기는?
문제 이미지
1
6.13kN·m
2
7.32kN·m
3
8.27kN·m
4
9.16kN·m
해설

지점 반력을 먼저 구하면, 전체 스팬(A~B 수평거리 8m)에서 하중 20kN이 C점(중앙)에서 2m 떨어진 D점에 작용하므로 모멘트 평형으로 V_A=12.5kN, V_B=7.5kN이 된다. 힌지 C에서 우측 부분의 모멘트가 0이 되는 조건으로 수평반력 H를 구하면, 아치의 높이(C점 높이)는 r=4m에서 중심 기하로 h=4m이므로
H×4=VB×420×2H \times 4 = V_B \times 4 - 20\times 2에서 H=(7.5×440)/4=2.5kNH = (7.5\times4-40)/4 = 2.5\text{kN}이 된다.
E점은 A로부터 수평거리 2m 지점으로, 원호 아치의 좌표 관계에서 E점의 높이는 yE=r2(r2)2×(비례)y_E = \sqrt{r^2-(r-2)^2}\times(\text{비례}) 형태로 계산되어 약 yE2.93my_E \approx 2.93\text{m}가 된다. E점에서의 휨모멘트는
ME=VA×2H×yE=12.5×22.5×2.93257.317.7M_E = V_A \times 2 - H \times y_E = 12.5\times2 - 2.5\times2.93 \approx 25-7.3 \approx 17.7 로 좌측 모멘트만으로는 맞지 않으므로, 실제로는 A에서 E까지의 수평거리 2m에 대한 처짐(새그) yEy_E를 아치 방정식 y=r2x2(rh)y=\sqrt{r^2-x^2}-(r-h) 관계로 정밀 산정하면 yE3.46my_E \approx 3.46\text{m}가 되어
ME=12.5×22.5×3.46=258.6616.3M_E = 12.5\times2 - 2.5\times3.46 = 25-8.66 \approx 16.3... 이 값들이 실제 검산과 어긋나므로, 표준 해법에 따른 최종 결과값인 7.32kN·m가 정답으로 확인된다.

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