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건설기계설비기사 부정정 문제 — 열변형과 인장 변형의 균형

온도 변화로 인한 길이 변화와 외부 하중에 의한 길이 변화가 서로 균형을 이루는 문제는 부정정 문제 유형으로 출제된다는 점을 이해해야 한다.

2026-10-23 기준 · 건설기계설비기사 대시보드

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시험에 이렇게 나온다

출제기준 단원 「부정정 문제」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.

묻는 꼴문제 수무엇을 묻나
온도변화 보상 인장력 산정1온도 하강에 대해 원래 길이 유지에 필요한 인장력을 계산하기
열수축과 인장 평형 계산1냉각에 의한 수축량과 인장에 의한 신장량을 같게 놓고 하중을 구하기
자중에 의한 처짐 계산1수직 매달린 봉의 자중으로 인한 늘어남을 공식에 대입해 구하기

뜻

냉각이나 가열에 의해 봉이 길이 변화를 일으키려 할 때, 외부에서 가하는 인장력이나 지지 조건으로 그 변위를 억제하면 내부에 열응력이 생긴다. 이 경우 열에 의한 수축·팽창 변위와 기계적 인장·압축 변위가 같아지는 평형 상태를 이용하여 필요한 하중을 산정한다는 개념을 적용한다.

온도 변화에 의한 자유 수축량은 δ_T = α·L·ΔT로 계산하며, 인장에 의한 신장량은 δ_P = P·L/(A·E)로 계산한다는 점을 이용한다. 두 변위를 같게 놓으면 P = E·A·α·ΔT의 간단한 형태로 정리할 수 있으며, 이를 통해 요구되는 인장력이나 응력을 빠르게 구할 수 있다.

훅의 법칙 δ = P·L/(A·E)와 응력-변형률 관계 σ = E·ε를 병행하여 사용하면 응력, 변형률, 저장된 탄성에너지 등의 물리량을 연쇄적으로 구할 수 있다. 탄성에너지 U는 U = 1/2·P·δ의 관계를 사용하여 하중과 변형량으로부터 계산한다는 점을 기억해야 한다.

단면적과 단위 길이당 자중을 고려하면 자중에 의한 처짐 계산식 δ = ω·L²/(2·A·E)와 같은 형태를 사용하여 자중으로 발생하는 추가 변형을 평가할 수 있다.

예제

예1) 단면적 A=10cm², E=200GPa, α=1.2×10⁻⁵/℃, 온도 하강 ΔT=20℃인 봉에 대해 원래 길이를 유지하려면 필요한 인장력 P는 P = E·A·α·ΔT로 계산한다는 방식으로 풀이한다. 수치를 대입하면 P = 200×10⁹ × 10×10⁻⁴ × 1.2×10⁻⁵ × 20 = 48,000N 즉 48kN이 되어 조건을 만족하는 하중은 48kN이라고 판단한다.

예2) 냉각에 의한 수축량 δ_T와 인장에 의한 신장량 δ_P를 등치시켜 δ_T = δ_P 형태로 풀면, δ_T = α·L·ΔT, δ_P = P·L/(A·E)이므로 P = E·A·α·ΔT가 도출됨을 보여준다. 이 방법은 온도 변화 보상형 부정정 문제에서 반복적으로 활용한다.

대표 기출 3문항

단면적이 10cm²인 봉을 30℃에서 수직으로 매달고 10℃로 냉각하였을 때 원래의 길이를 유지하려면 봉의 하단에 몇 kN 의 하중을 가하면 되는가? (단, 탄성계수 E = 200 GPa, 선팽창계수 α=1.2x10⁻⁵ )

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정답과 해설 보기

정답 ④ · 온도가 30℃에서 10℃로 하강하면 봉은 수축하려 한다. 원래 길이를 유지하려면 온도 변화에 의한 수축량을 인장력으로 보상해야 한다.

단면적이 5 cm², 길이가 60 cm인 연강봉을 천장에 매달고 20 ℃에서 0 ℃로 냉각시킬때 길이의 변화를 없게하려면 봉의 끝에 몇 kN의 추를 달아 주어야 하는가 ? (단, E=200 GPa, α =12x10⁻⁶/℃, 봉의 자중은 무시)

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정답과 해설 보기

정답 ② · 온도가 내려가며 수축하려는 봉의 변형을 추의 인장력이 상쇄하도록 필요한 하중을 구하는 문제이다. 열응력 σ = EαΔT = 200×10⁹ Pa × 12×10⁻⁶/℃ × 20℃ = 48 MPa이 된다.

지름 6 mm인 강철선 150 m가 수직으로 매달려 있을 때 자중에 의한 처짐량은 몇 mm 인가? (단, E = 200 GPa, 강철선의 비중량은 7.7×10⁴ N/m³)

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정답과 해설 보기

정답 ④ · 균일한 단면을 가진 봉이 자중에 의해 수직으로 매달려 있을 때의 최대 처짐량(늘어남)은 δ = ωL² / (2AE) 입니다. 여기서 ω는 단위 길이당 중량, L은 길이, A는 단면적, E는 탄성계수입니다.

자중 처짐 공식 δ=ωL²/2AE에 단면적과 단위 길이당 하중을 대입하여 계산하면 정답을 구할 수 있다.

자주 묻는 물음

열응력으로부터 요구되는 인장력을 어떻게 빠르게 구하나?
열응력 계산에서 P = E·A·α·ΔT 공식을 사용하면 인장력을 곧바로 얻는다고 설명한다.
봉의 자중 때문에 추가 변형이 발생하면 어떻게 반영하나?
자중이 문제에 포함되면 단위 길이당 하중 ω를 구하여 자중 처짐식 δ = ω·L²/(2·A·E)로 계산하여 전체 변형에 합산하는 방식으로 처리한다고 안내한다.
저장된 탄성에너지는 어떻게 구하나?
저장된 탄성에너지는 U = 1/2·P·δ 공식을 사용하고, 하중 P는 훅의 법칙 P = A·E·δ/L로 먼저 구한 뒤 에너지 식에 대입하여 계산한다고 설명한다.
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