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그림과 같이 두께가 20mm, 외경이 200mm인 원관을 고정벽으로부터… | [일반기계기사 필기] 15년 1회차 기출문제 상세 페이지

1[일반기계기사 필기] 15년 1회차
그림과 같이 두께가 20mm, 외경이 200mm인 원관을 고정벽으로부터 수평으로 4m만큼 돌출시켜 물을 방출한다. 원관내에 물이 가득차서 방출될 때 자유단의 처짐은 몇 mm인가? (단, 원관 재료의 탄성계수 E = 200GPa, 비중은 7.8이고, 물의 밀도는 1000kg/m3이다.)
문제 이미지
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9.66
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7.66
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5.66
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3.66
해설

자유단 처짐은 약 3.66mm다. 그림은 고정벽에 물린 외팔보(길이 L = 4m) 형태의 원관이고, 관 자중과 관 속을 채운 물 무게가 합쳐져 등분포하중으로 작용한다.

바깥지름 200mm에 두께가 20mm이므로 안지름은 160mm다.
관 재료 단면적 As=π4(0.22−0.162)=0.01131 m2A_s=\dfrac{\pi}{4}(0.2^2-0.16^2)=0.01131\,\mathrm{m^2}
물 단면적 Aw=π4(0.16)2=0.02011 m2A_w=\dfrac{\pi}{4}(0.16)^2=0.02011\,\mathrm{m^2}

단위길이당 하중 w=g(ρsAs+ρwAw)=9.8(7800×0.01131+1000×0.02011)≈1062 N/mw=g(\rho_s A_s+\rho_w A_w)=9.8(7800\times0.01131+1000\times0.02011)\approx1062\,\mathrm{N/m}
단면 2차 모멘트 I=π64(0.24−0.164)=4.636×10−5 m4I=\dfrac{\pi}{64}(0.2^4-0.16^4)=4.636\times10^{-5}\,\mathrm{m^4}

외팔보 등분포하중 처짐 공식 δ=wL48EI\delta=\dfrac{wL^4}{8EI} 에 대입하면 δ=1062×448×200×109×4.636×10−5≈3.66×10−3 m\delta=\dfrac{1062\times4^4}{8\times200\times10^9\times4.636\times10^{-5}}\approx3.66\times10^{-3}\,\mathrm{m} 이므로 약 3.66mm다. 물 무게나 관 자중 어느 한쪽만 넣으면 값이 크게 벗어나니 두 하중을 반드시 합산해야 한다.

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