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구조공학
구조공학(構造工學, Structural engineering)은 구조공학자(en:Structural engineer)들이 인공 구조물의 형태와 형상을 창조하는 '뼈와 근육'을 만들어내도록 교육받는 토목공학의 분과 학문이다. 구조공학자는 건물과 구축물에 대한 안전성, 강도, 강성을 이해하고 계산할 줄 알아야 한다. 구조적인 설계는 건축가, 빌딩서비스공학자(building services engineer) 등의 다른 설계자의 작업과 통합되며 어떤 장소에 도급업자(en:contractor)가 진행하는 건설을 조언하는 경우가 흔하다. 구조공학자는 기계류, 의료 장비, 구조적인 완전성이 기능성과 안전에 영향을 끼치는 차량의 설계에 참여할 수도 있다.
구조공학이론은 적용된 물리 법칙과 다양한 재료의 구조적인 작용에 대한 경험적인 지식과 기하학에 그 기반을 두고 있다. 구조공학적 설계는 상대적으로 단순한 구조적 요소들을 복잡한 구조체계(structural system)를 짓는 데 이용한다. 구조공학자는 자금, 구조적 요소, 재료를 목적을 달성하기 위해 창의적이고 효율적으로 사용할 책임이 있다.
목차
개념 및 정의[편집]
역학(力學, mechanics)은 뉴턴(Newton)의 법칙을 기초로 하여 물체에 작용하는 힘에 대한 응답을 다루는 물리학(物理學, physics)의 한 분야이며, 대략 세 분야로 나눌 수 있는데 강체역학(剛體力學, solid mechanics), 변형체역학, 유체역학(流體力學, fluid mechanics)이다. 강체역학은 강체의 평형을 다루는 정역학(靜力學, statics)과 강체의 운동을 다루는 동역학(動力學, dynamics)으로 나눌 수 있다. 정역학은 다시 응용역학(應用力學, applied mechanics), 재료역학(材料力學, strength of materials), 구조역학(構造力學, structural analysis) 등으로 나누기도 하는데 해당 분야는 대동소이하다.
이런 관점에서 볼 때 구조공학(構造工學, structural engineering)은 물리학과 공업수학(工業數學, advanced mathematics)을 기초로 한 정역학과 동역학을 이용하여 각종 구조물의 해석(analysis)과 설계(design)를 함께 수행하는 공학(工學, engineering)이며, 설계를 하기 위해서 역학적인 해석은 반드시 거처야 하는 과정이며 수단이다.
응용역학은 물체(material)가 외력을 받아서 변형할 때 발생하는 응력 또는 내력(內力, stress)과 변형율(變形率, strain) 등을 계산하는 학문이며, 재료역학은 재료의 고유한 역학적인 성질을 다루는 학문이다. 구조역학은 구조해석을 수행하는 학문이며, 어떠한 구조물에 외력이 가해질 때 구조물 내부가 어떤 힘을 받아 어떻게 변형하는지를 역학의 일반원리를 이용하여 밝혀내는 응용역학의 한 분야이다.
일반적으로 구조역학은 여러 외력에 의해서 구조물의 지점(support)에 생기는 반력(反力, reaction), 구조물의 내면에 생기는 응력과 변형율 및 구조물의 내하력(耐荷力)을 연구한다. 또한 동역학은 속도 및 가속도와 같은 물리량이 시간과 연관되는 운동의 학문이다. 따라서 구조공학은 토목공학(土木工學, civil engineering)·건축공학(建築工學, architecture)·기계공학(機械工學, mechanical engineering)·조선공학(造船工學)·항공공학(航空工學, aeronautical engineering) 등 공학 각 분야의 기초학문이 된다.
구조공학의 의미[편집]
구조공학은 건축 분야에서 핵심적인 역할을 하는 학문과 기술 분야 중 하나로, 건축물 및 다양한 구조물의 설계, 분석, 건설, 유지 보수 등을 다루는 학문이다. 이 학문은 다양한 원리와 기술을 활용하여 안전하고 견고한 건축물을 만드는 데 중점을 두며, 이러한 건축물이 지진, 바람, 하중 등의 외부 요소에 대처할 수 있도록 설계한다. 구조공학의 주요 의미는 다음과 같다.
구조공학은 건축물의 안전성을 최우선 고려 사항으로 삼는다. 건물은 지진, 바람, 눈과 같은 자연재해에 대비하여 안전하게 설계되어야 한다. 이는 인명 안전과 재산 보호를 위한 중요한 요소이다.
구조공학은 비용 효율성을 고려한다. 건축 프로젝트는 예산 내에서 완료되어야 하며, 구조공학은 최적의 설계와 재료 선택을 통해 비용을 최소화하면서도 건축물의 성능을 극대화하는 방법을 탐구한다. 건물은 사용 목적에 맞게 설계되어야 한다.
구조공학은 건축물 내부와 외부 환경 간의 상호 작용을 고려하여 건물의 기능성을 최적화한다. 이는 건물의 사용자들이 편안하고 효과적으로 공간을 활용할 수 있도록 돕는다.
구조공학은 다양한 재료를 활용하여 건축물을 만들기 위한 재료 공학의 원리를 포함한다. 콘크리트, 강철, 목재 등의 재료의 물리적 특성과 기술적인 사용 방법을 고려한다. 건축물은 다양한 하중에 노출된다. 눈의 무게, 바람의 압력, 지진의 힘, 차량의 부하 등을 고려하여 건물의 강도와 안정성을 평가한다.
구조공학은 건물의 안전성뿐만 아니라 아름다운 디자인과도 관련이 있다. 건축물의 형태와 기능을 최적화하여 시각적으로 매력적이고 기능적인 건축물을 만들기 위해 디자인 원칙을 고려한다.
구조공학은 건축 분야의 핵심 학문 중 하나로, 안전하고 지속 가능한 건축물을 만들기 위한 핵심 원칙과 기술을 제공한다. 이 학문은 건축 분야에서 중요한 역할을 하며, 현대 건축의 발전과 안정성을 보장하는 데 필수적이다.
구조공학의 역사[편집]
구조공학의 시초는 역사에 처음으로 공학자로서 이름을 새긴 임호텝이 파라오 조세르를 위한 계단 피라미드를 건설한 기원 전 2,700년 경으로 거슬러 올라간다. 늘어나는 하중에 비례해 크기를 선형적으로 늘릴 수 없는 다른 구조물들과는 다르게, 피라미드의 구조적 형태는 기본적으로 안정적이고 거의 무한히 크기를 늘릴 수 있어서 고대 문명에서 제일 흔히 건축된 주요 구조물이었다.
피라미드의 구조적인 안정성은 주로 형태를 통해 획득한 한편, 건설에 사용한 암석의 강도와, 상부의 하중을 지탱할 수 있는 특성에도 의존했다. 석회암 벽돌은 흔히 건설 장소 근처의 채석장에서 가져왔고 30에서 250 MPa (MPa = Pa * 10^6) 에 이르는 압축강도를 가졌다. 그래서 피라미드의 구조적인 강도는 피라미드의 형태보다 건설 자재로 사용된 암석의 물질적 특성에 의존했다.
고대와 중세 시대에 대부분의 건축적인 설계와 건설은 석공과 목수와 같은 장인들이 명건축가의 역할을 맡아 진행했다. 구조 이론은 존재하지 않았고, 구조가 어떻게 서있는지에 대한 이해는 극단적으로 제한되었으며, 거의 전적으로 '전에 어떻게 작업했는지'에 대한 실증적인 증거에 기반했다. 지식은 길드가 관리했으며 진보는 별로 이루어지지 않았다. 구조물은 반복적이었고, 규모는 점진적으로 증가했다.
구조적 요소의 강도나 구조 자재의 작용에 대한 최초의 계산의 기록은 존재하지 않지만, 전문화된 구조공학자는 산업혁명과 콘크리트의 재발명(콘크리트의 역사(en:History of Concrete)를 보라)이 있고 나서야 형태를 갖추었다. 구조공학을 뒷받침하는 물리학은 르네상스 시기에 이해되기 시작하였고, 이후로 꾸준히 발전하여 1970년대에 컴퓨터를 사용한 설계가 시작되었다.
연대기[편집]
- 1452–1519: 레오나르도 다 빈치가 수많은 기여를 함.
- 1638: 갈릴레오 갈릴레이가 단순한 구조물의 파괴를 다룬 두 개의 신과학(en:two New Sciences)을 출간함.
- 1660: 로버트 훅의 훅 법칙
- 1687: 아이작 뉴턴이 뉴턴의 운동 법칙을 다룬 프린키피아을 출간함.
- 1750: 오일러-베르누이 보 이론(en:Euler–Bernoulli beam equation)
- 1700–1782: 다니엘 베르누이가 가상일의 이론을 도입함.
- 1707–1783: 레온하르트 오일러가 기둥의 좌굴 이론을 개발함.
- 1826: 클로드 루이 나비에가 구조물의 탄성의 작용에 대한 논문을 출시함
- 1873: 카를로 알베르토 카스틸리아노(en:Carlo Alberto Castigliano)가 변위를 변형 에너지의 편미분으로서 계산하는 그의 해법을 포함한 논문 '탄성계의 근방(?) Intorno ai sistemi elastici'을 소개함. 이 이론은 특수한 경우로서 '최소 일'의 해법을 포함함.
- 1874: 오토 모어(en:Otto Mohr)가 부정정적인 구조물에 대한 발상을 구체화함.
- 1922: 티모셴코가 오일러-베르누이 보 이론을 정정함.
- 1936: 하디 크로스가 연속적인 골조의 설계에 중요한 혁신이라고 일컬어지는 모멘트 분배법을 출간함.
- 1941: 알렉산더 흐레니코프(en:Alexander Hrennikoff)가 평면 탄성의 이산화 문제를 격자골격을 사용하여 해결함
- 1942: 리하르트 쿠란트가 정의역을 유한한 소구역으로 분할함
- 1956: J. Turner, R. W. Clough, H. C. Martin, L. J. Topp'의 '복잡한 구조물의 강도와 휨 Stiffness and Deflection of Complex Structures'이라는 논문이 '유한요소법'이라는 명칭을 도입함. 이는 오늘날 이 방식을 최초로 포괄적으로 다루었다고 널리 알려짐.
구조 파괴[편집]
구조공학의 역사는 수많은 붕괴와 파괴를 포함한다. 때로 이는 포르탱 오귀스탱(Fortin Augustin) 목사가"그가 건물 전체를 건설했고, 공학자는 필요하지 않다고 했는데 마치 건설에 대해 잘 알고 있다는 듯이 굴었다"라고 증언한, 3층 높이의 학교 건물의 부분적인 붕괴로 이어진 페티옹빌 학교 붕괴(en:2008 Pétion-ville school collapse)처럼 명백한 부주의로 인해 일어나기도 한다. 최종적인 붕괴는 94명의 사람들을 죽였고, 대부분 아이들이었다.
다른 경우에 구조 파괴(en:structural failure)는 주의깊은 연구가 필요하며, 이러한 연구의 결과로 실용적인 노하우가 축적되며 구조공학의 과학에 대한 더욱 깊은 이해를 얻는다. 이러한 몇몇 연구는 원래의 공학자가 the state of the profession과 수용할 수 있는 관행에 따라 모든 것을 완수한 것으로 보이지만 여전히 파괴(failure)가 일어날 때 법공학(en:forensic engineering)적 기법으로 조사한 결과다. 이러한 관점에서의 구조적 지식과 향상된 적용에 관한 유명한 사례는 1970년대에 호주에서 붕괴된 상자형 보(en:box girder)등의 일련의 파괴 사례에서 찾아볼 수 있다.
구조공학의 요소와 형식 및 하중[편집]
구조해석을 수행하고 설계를 하는 일련의 연구과정을 구조공학이라 할 때, 최종의 목적은 구조물의 시공이며, 그 과정은 대체로 계획(planning)·해석·설계·시공의 4단계로 이루어진다.
계획 단계에서 구조물이 시공될 곳에 대한 모든 자료를 수집하고 조사하여 구조물의 형식, 시공방법 등을 결정하고, 해석은 실제의 구조물에 해당되는 적절한 가정을 하여 모델링(modelling)을 한 후 하중조건을 적용하여 수행한다.
설계는 해석결과를 바탕으로 안전성(safety)과 사용성(serviceability)을 만족하도록 면밀하게 수행하며, 시공(construction)은 계획단계에서 고려한 여러 사항을 유념하고, 품질관리 및 안전관리를 철저히 하여 수행한다. 이러한 과정을 수행함에 있어서는 구조물의 요소, 형태, 하중 종류 등에 대한 검토가 필요하다.
구조물의 요소[편집]
구조물에 사용되는 구조요소는 대략 다음과 같이 분류할 수 있다.
① 압축부재: 축의 중심방향으로 압축력을 받는 부재이며 주로 기둥의 형태로 사용되는데, 세장비(細長比)가 커짐에 따라 좌굴하중(buckling load)은 감소한다. 재료로는 강관, 형강, 콘크리트 등을 사용한다.
② 인장부재: 축의 중심방향으로 인장력을 받는 부재이며 강봉, 케이블, 형강 등을 사용한다.
③ 휨부재: 일반적으로 보(beam)라고 말하며 주로 수평부재, 부재의 축에 수직 또는 수직에 가까운 하중을 지지하는 부재이며 도심축(圖心軸)을 중심으로 한쪽은 압축력을, 한쪽은 인장력을 받는 부재인데, 대칭인 I형강, H형강, 사각형의 철근콘크리트가 사용된다.
그러나 실제의 구조물에서 완전한 입장부재나 완전한 압축부재는 존재하지 않으며 주로 보-기둥(beam-column)의 형태로 존재하며 여러 부재를 연결하는 볼트(bolt), 리베트(rivet) 등의 연결부재도 있다.
구조물의 형태(type)[편집]
구조물을 해석할 때 평형방정식(equilibrium equation)만으로 반력(reaction)을 구할 수 있는 형태를 정정구조물(determinate structure)이라 하고, 평형방정식보다 많은 반력이 발생하는 구조물을 부정정구조물(indeterminate structure)이라 한다.
구조물은 양단의 지지 조건에 따라 정정구조물에서 3차 부정정구조물까지 4종류가 존재하며, 이러한 구조물은 여러 가지의 형태로 결합되어 실제로 사용가능한 복합 구조물로 설계 및 시공된다. 복합 구조물을 이루는 여러 구조물의 형태는 대략 다음과 같다.
① 보(beam): 보는 단면의 도심축에 수직 또는 수직에 가까운 형태의 하중을 지지하는 구조물이며, 보에 하중이 작용하면 휨 모멘트(bending monet)와 전단력(shear force)이 발생하고 이로 인하여 처짐(deflection), 처짐각(deflection angle), 곡율(curvature) 등이 발생한다. 도심축의 상단은 압축응력(compressive stress)을 하단부는 인장응력(tensile stress) 즉, 휨 응력(bending stress)을 주로 받는 휨 부재이다. 한 단은 힌지(hinge)로 한 단은 롤러(roller)로 지지되는 형태의 보를 단순보(simple beam)라 하며, 가장 간단한 형태의 보이고 정정구조물이다.
② 기둥(column): 기둥은 단면의 도심축 방향으로 작용하는 압축하중을 지지하는 구조물이며, 세장비(細長比, slenderness ratio)에 따라 장주(long column)와 단주(short column) 및 중간주(intermediate column)로 구분되는데 일반적으로 사용하는 기둥은 대부분 중간주에 포함된다. 또한 기둥은 양단의 지지(支持) 조건과 세장비에 따라 좌굴하중(buckling load) 또는 임계하중(critical load)의 차이가 매우 큰데, 양단이 고정된 경우가 양단이 힌지인 경우에 비해 이론적인 좌굴하중이 4배이며, 단주가 장주보다 좌굴하중이 훨씬 크다.
③ 라멘(rahmen): 라멘은 강절 구조(rigid frame)를 의미하며, 각 부재(member)의 연결이 고정절점(固定節點)으로 되어 있기 때문에, 외력을 받아 형태가 변하더라도 각 절점에서의 부재의 각은 변하지 않는다고 생각하고 해석한다. 라멘이 외력을 받으면 각 절점에는 휨 모멘트, 전단력 및 축방향력(axial force)이 발생하므로 그 해석은 보와 동일하다. 라멘은 평면 라멘(plane rahmen)과 입체 라멘(solid rahmen)으로 구분하는데, 입체 라멘의 해석은 평면 라멘으로 분해하여 계산한다.
④ 트러스(truss): 트러스는 2개 이상의 직선부재를 각 양단에서 마찰(摩擦)이 없는 힌지로 연결시키고, 그 형태가 3각형을 이루게 하여 외력에 저항할 수 있도록 조립된 구조물이다. 실제로 부재를 볼트나 레베트로 연결하면 실제로 약간의 마찰력이 존재하지만, 트러스의 해석은 각 절점을 마찰력이 없는 핀(pin)으로 생각하고 수행한다. 따라서 트러스의 각 절점에는 모멘트와 휨 모멘트가 작용하지 않으므로 축방향력만 작용하게 되므로 평형 방정식만으로 절점에 연결된 각 부재력(member force)을 계산할 수 있다.
⑤ 아치(arch): 아치는 부재의 축이 원형 또는 포물선의 형태로 직선이 아닌 곡선의 부재를 의미하며, 지간이 긴 구조물에서 휨 모멘트를 감소시키기며 외관상으로 부드러움을 주기 위한 구조물이다. 아치는 수직으로 작용한 외력으로 인하여 양단에서 지간 중앙으로 수평반력(horizontal reaction)을 발생시키며, 이로 인하여 부재 단면의 휨 모멘트와 전단력을 감소시키는데 이를 아치 액션(arch action)이라고 한다. 따라서 아치 부재의 단면력(section force)은 주로 축방향 압축력이며 특히, 2차 포물선 아치가 수직 등분포하중을 받는 경우 부재의 단면력은 축방향 압축력뿐이다.
⑥ 케이블(cable): 케이블은 로프(rope), 와이어(wire), 체인(chain) 등과 같이 휨이나 압축력에는 저항하지 못하고 오직 축방향인 장력만을 지지하는 주조물이며 현수교(suspension bridge), 사장교(cable stated bridge), 케이블카(cable car) 등에 사용하는 구조형태이다. 아치는 아치 리브의 압축력으로 연직하중을 지지하는 구조형태이며, 케이블은 케이블 자체의 인장력으로 연직하중을 지지하는 구조형태이다. 따라서 케이블의 모양은 현수선(catenary)인데 처짐비(sag ratio)가 작은 경우는 거의 포물선(parabola)에 가까움으로, 수평 길이에 연하여 등분포 하중을 지지하는 케이블은 포물선의 형태로 되는 것이 일반적인 형태이다
구조물에 작용하는 하중[편집]
구조물에 작용하는 하중은 작용특성에 따라 동하중(dynamic load)과 정하중(static load)으로 구분하는데 차량, 기차, 지진, 폭발, 바람 등이 동하중에 속하며 자중(self weight)처럼 움직임이 없이 고정된 하중을 의미한다.
그러나 구조해석에서는 하중을 활하중(live load)과 사하중(dead load)으로 대별하며, 활하중은 수평 활하중과 수직 활하중으로 구분하는데 지진의 횡파(橫波), 제동하중(制動荷重), 횡토압(橫土壓), 정수압(靜水壓) 등을 수평 활하중으로 취급하고, 차량 및 기차와 같은 이동하중(moving load)과 눈, 사람, 가구 등과 같은 가동하중(movable load)을 수직 활하중으로 취급한다. 이외에 온도변화, 부등침하, 크리프(creep) 및 건조수축(shrinkage), 시공오차 등도 하중으로 취급하여 계산한다.
① 사하중(dead load): 사하중은 자중을 의미하며 구조물의 크기와 형태가 주어지면 단위중량으로부터 자중(self weight)을 계산할 수 있다. 구조물을 설계할 때는 구조물의 규모를 가정한 자중을 포함시켜 계산한 결과를 다시 반복하여 계산하는 시행착오법(trial and error method)을 쓰기도 한다.
② 활하중(live load): 활하중은 사하중에 비하여 추정하기 어려우며 시험이나 경험에 근거를 둔 시방서(specification)의 규정을 참조한다. 사람, 가구 등은 건물에 작용하는 활하중이며 도로교에 작용하는 활하중은 표준 트럭하중(DB load)과 차선하중(DL load) 등이 있다. 교량을 대상으로 할 때 1등교에는 DB-24하중, 2등교에는 DB-18하중, 3등교에는 DB-13.5 하중을 사용한다.
③ 지진하중(earthquake load): 지진하중은 구조물에 영향을 미치며 그 정도는 지반가속도의 크기, 구조물의 질량, 강성도(stiffness) 등에 따라 다르다. 횡파(secondary wave)에 의한 수평진동이 구조물에 위험한 하중이며 종파(primary wave)에 의한 상하진동은 내진설계 시 무시하는 경우가 많다.
④ 풍하중(wind load): 풍하중은 구조역학, 유체역학 및 항공역학(航空力學, aerodynamics)과 연관이 있으며, 구조물에 적용하는 풍압은 구조물의 형상과 크기에 따라 발생하는 저항력에 따라 다르다. 이러한 상황을 고려하기 위해 풍력계수(drag factor)를 도입하며, 풍속의 변동을 보정하기 위해서 gust 계수를 사용한다. 설계 풍하중은 풍압에 풍력계수와 gust 계수를 곱하여 사용한다.
⑤ 설하중(snow load): 설하중은 눈이 구조물에 쌓여서 발생하는 하중이며 강설량, 기온, 구조물의 경사 등에 따라 다르게 적용한다.
⑥ 충격하중(impact load): 충격하중은 차량이나 기차 등과 같이 이동하중이 작용할 때 발생하며, 다른 활하중에 비해 커지게 되므로 경험적으로 사용되는 충격계수를 곱하여 사용한다.
⑦ 수압(hydrostatic pressure) 및 토압(soil press): 댐 또는 수조에 잠겨 있는 구조물은 수평방향으로 정수압을 받게 되며, 옹벽(retaining wall)이나 암거(culvert) 등 흙과 접해 있는 구조물은 주변 흙의 압력을 받게 되는데, 구조물의 해석이나 설계 시 이들도 반영하여 계산해야 한다.
⑧ 기타의 하중: 이외에도 원심력(centrifugal force), 가속력(acceleration force), 제동력(breaking force), 폭파력(blasting force), 크리프 및 건조수축, 온도변화, 지점침하, 시공오차 등도 하중으로 환산하여 해석이나 설계에 반영해야 한다.
세부 분야[편집]
건물구조[편집]
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건물에 대한 구조공학은 건물의 설계와 관련된 모든 구조공학을 포함하며, 건축과 밀접하게 연계된 구조공학의 분파이다.
구조적인 건축공학은 주로 기능적인 요구사항을 충족시키는 목표를 달성하기 위한 재료와 형태의 창의적인 활용과 그 기반이 되는 수학적, 과학적 발상이 이끌어가며, 건물은 합리적으로 예상되는 모든 하중을 지탱할 수 있도록 설계되면 구조적으로 안전하다. 이는 재료와 형태, 질량, 공간, 부피, 질감, 채광을 미학적인, 기능적인, 종종 예술적인 목표를 달성하기 위한 창의적인 활용이 이끌어가는 건축 설계와는 미묘하게 다르다.
건축가는 대개 건물의 수석 설계자이며, 구조공학자는 보조 자문위원으로서 고용된다. 각각의 분야가 실질적으로 설계를 이끌어가는 정도는 건물의 종류에 크게 의존한다. 다층 사무실 건물과 주택과 같은 대부분의 구조물은 구조적으로 단순하며 건축가가 설계를 이끌어가지만, 장력 구조(en:tensile structure), 셸(en:Thin-shell structure), 격자셸(en:gridshell)과 같은 특이한 형태의 구조물은 견고함을 구조에 크게 의존하여 공학자는 건축가보다 구조물의 형태에, 미학적인 요소에 좀 더 큰 영향을 미친다.
건물의 구조적인 설계는 건물이 안전하게 서있을 수 있고, 구조적인 요소의 피로, 붙박이 세간, 반고정 세간, 부분의 갈라짐이나 파괴, 사람들의 불편함을 야기할 수 있는 지나친 휨이나 움직임 없이 기능할 수 있도록 보장해야 하며, 온도, 크리프, 균열, 하중으로 인한 움직임과 힘을 고려해야 하고, 구조가 재료의 생산 강도에 맞게 건설 가능하도록 해야 한다. 건물을 설계할 때는 건물이 정상적으로 작동하고, 건물 서비스가 건물과 기능 (공기조절, 환기, 연기배출, 전기장치, 조명 등등) 에 적합하도록 해야 한다. 현대 건물 구조의 설계는 극단적으로 복잡할 수 있고, 완공하기 위해 다수의 인력이 필요한 경우가 흔하다.
건물을 위한 구조 공학의 분파는 다음을 포함한다:
- 지진 공학 (en:Earthquake engineering)
- 파사드 공학 (en:Façade engineering)
- 화재 공학 (en:Fire engineering)
- 지붕 공학
- 탑공학
- 풍공학 (en:Wind engineering)
지진공학 구조물[편집]
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지진공학 구조물은 지진에 견디기 위해 설계되었다. 지진공학의 주된 목표는 흔들리는 지반과의 상호작용을 이해하고, 가능한 지진의 결과를 예견하고, 구조물이 지진이 일어날 때 작동(en:Seismic performance)하도록 건설하는 것이다.
구조물이 내진성을 갖추기 위해서 반드시 이 문단에 보이는 치첸이트사의 엘 카스티요처럼 극단적으로 강인할 필요는 없다.
지진 공학(en:earthquake engineering)의 중요한 도구 한 가지는 구조물의 기반이 지진과 함께 자유롭게 움직이도록 해주는 기초 격리(en:base isolation)이다.
토목공학 구조물[편집]
토목공학은 환경을 건설하는 데 관련된 모든 구조공학을 포함한다. 토목공학이 포함하는 것은 다음과 같다.
구조공학자는 이러한 구조물들의 수석 디자이너이며, 보통 유일한 디자이너이다. 이러한 것들과 같은 것을 설계할 때, 구조적인 안전성은 무엇보다 중요하다. (영국에서는 댐, 교량, 원자력발전소의 설계는 반드시 공인 엔지니어(en:Chartered Engineer (UK))의 승인을 받아야 한다.)
토목 공학 구조물은 흔히 온도의 큰 변화, 파도나 교통과 같은 동적 부하, 물이나 압축된 기체로 인한 큰 압력과 같은 굉장히 극단적인 힘을 받게 된다. 이것들은 바다, 산업 시설, 지하와 같은 부식되기 쉬운 환경에서도 자주 건설된다.
기계적 구조[편집]
구조공학의 이론들은 다양한 기계적인 (움직일 수 있는) 구조물에 적용할 수 있다. 정적인 구조물의 설계는 그것들이 언제나 같은 기하학을 가정하지만, (사실 안정하다고 가정하는 구조물들은 크게 움직일 수 있고, 구조공학적 설계는 필요하다면 이를 고려해야 한다.) 움직일 수 있거나 움직이는 구조물의 설계는 피로, 하중을 견디는 방식의 변화와 구조의 심대한 왜곡의 가능성을 고려해야 한다.
기계에는 굉장히 다채로운 힘이 다채로운 빈도로 가해질 수 있다. 선박이나 항공기는 굉장히 다양한 규모의 힘을 정해진 구조의 수명 동안 수천 번 넘게 견뎌야 한다. 기계 구조를 설계할 때는 정해진 수명이 다 될 때까지 망가지지 않고 예측되는 부하를 견딜 수 있도록 해야 한다.
다음과 같은 분야에서 기계적 구조공학을 요할 수 있다:
항공우주 구조[편집]
항공우주 구조의 종류는 발사체 (아틀라스(en:Atlas (rocket family)), 델타(en:Delta (rocket family)), 타이탄), 미사일 (ALCM, 하푼), 초음속 기체 (우주왕복선), 군용기 (F-16, F-18), 상용기 (보잉 777, MD-11) 등을 포함한다. 항공우주 구조의 종류는 형체를 유지하는 데 사용되는 외부 표면, 격벽, 골격을 위한 얊은 판, 보강재와 구성요소를 결합시키기 위한 용접점, 리벳, 나사, 볼트 등의 파스너(en:Fastener)로 구성된다.
나노 규모의 구조물[편집]
나노구조(en:Nanostructure)는 분자 규모와 마이크로미터 규모 사이의 크기를 가지는 구조다. 나노구조를 설명하기 위해선 나노규모의 차원수를 구분할 필요가 있다. 나노조직표면(Nanotextured surface)은 나노규모에서 한 개의 차원을 가지며, 즉 물체 표면의 두께는 0.1에서 100 나노미터에 불과하다. 나노튜브는 나노규모에서 두 개의 차원을 가지며, 즉 튜브의 직경은 0.1에서 100 나노미터에 달한다. 그 길이는 훨씬 기다랄 수도 있다. 그리고 구형 나노입자는 나노 규모에서 세 개의 차원을 가지고, 공간 상의 각 차원에서의 길이는 0.1에서 100나노미터에 달한다. 나노입자(nanoparticle), 초미입자(ultrafine particles, UFP)라는 용어들은 흔히 동음이의어로 사용되지만, UFP는 마이크로미터 규모의 입자까지 포함한다. 나노구조라는 용어는 자기기술을 나타낼 때 많이 쓰인다.
의학을 위한 구조공학[편집]
의료설비(en:Armamentarium)는 의학적인 상태를 진단하고 관리하고 다루기 위해 설계된다. 의학 기구에는 몇 가지 기본적인 유형이 있다. 진단 장비에는 진단을 위해 사용하는 의료 영상 기기가 있다; 장비에는 주입 펌프, 의료용 레이저, 라식 수술 기계가 있다. 의료용 모니터는 의료진이 환자의 의학적 상태를 확인하기 위해 사용된다. 모니터는 환자의 생명 징후와 ECG, EEG, 혈압, 혈중가스 등의 다른 지표를 측정할 수 있다. 의료분석장비는 예를 들어 진성당뇨병의 조절과 같은 특정한 목적을 위해 집에서 사용될 수도 있다. 생체의학장비기술자(en:biomedical equipment technician, BMET)는 의료전달체계에 필수적인 존재다. BMET는 주로 병원에 고용되며, 시설의 의료 장비를 유지보수하는 역할을 맡는다.
구조공학이론[편집]
구조공학은 어떻게 구조가 자체 하중과 가해지는 하중을 지지하고 견디는지에 대해 이해하기 위해 응용역학(en:applied mechanics), 재료과학, 응용수학에 대한 세부적인 지식에 의존한다. 구조공학자는 대개 지식을 올바르게 적용하기 위해 특히 구조물이 외부 환경에 노출될 때의 재료와 구조물의 부식 저항성에 대한 약간의 지식 뿐만 아니라 상대적으로 실증적이거나 이론적인 구조분석(en:Structural analysis) 기법에 대한 세부적인 지식을 알아야 한다. 1990년대부터 구조를 그리고 분석하고 설계하는 것을 최대한 정밀하게 보조하는 기능을 가진, 구조 설계를 위한 전문적인 프로그램을 사용할 수 있게 되었다; 예를 들어 오토캐드, StaadPro, ETABS(en:Computers and Structures), Prokon, Revit Structure, Inducta RCB, 따위가 있다. 이러한 프로그램들은 지진이나 바람 따위에서 오는 환경적인 부하도 고려할 수 있다.
재료[편집]
구조공학은 다양한 재료들이 하중을 지탱하고 견디는지에 대해 이해하기 위해 재료와 그 성질에 대한 지식에 의존한다.
흔히 사용되는 구조 재료는 다음과 같다.
- 철: 연철, 주철
- 콘크리트: 철근콘크리트, 프리스트레스트 콘크리트
- 합금: 강철, 스테인리스강
- 석조(en:Masonry)
- 목재: 경재, 연재(en:softwood)
- 알루미늄
- 복합재료: 합판
- 다른 구조 재료: 어도비, 대나무, 탄소섬유, 섬유보강수지(en: fiber reinforced plastic), 흙벽돌(en:mudbrick), 지붕재(en:roofing material)
구조공학자[편집]
구조공학자는 공학적 설계와 구조 분석을 담당한다. 초보적인 구조공학자는 건물의 들보와 기둥과 같은, 구조물의 개별적인 구조적 요소를 설계한다. 좀 더 숙련된 공학자는 구조적인 설계와, 건물과 같은 전체 체계의 무결함을 담당한다.
구조공학자는 대개 건물, 교량, 파이프라인, 산업 시설, 터널, 차량, 선박, 항공기, 우주선과 같은 특정한 부문을 전문적으로 다룬다. 건물에 특화된 구조공학자는 흔히 콘크리트, 강철, 목재, 석재, 합금, 복합재료와 같은 특정한 건축 자재에 특화되며, 사무실, 병원, 주거용 건물 등등과 같은 특정한 종류의 건물에 집중할 수 있다.
구조공학은 사람이 최초로 구조물을 짓기 시작할 때부터 존재해왔다. 구조공학은 19세기 후반에 산업혁명이 일어나면서 건축이 공학과 구별되는 전문분야로 등장함에 따라 좀 더 엄밀하게 정형화된 직업이 되었다. 그 이전까지는, 건축가와 구조공학자들은 구분 없이 건설장인(en:master builder)이라 불렸다. 19세기와 20세기 초반에 나타난 구조 이론에 대한 전문화된 지식이 개발되고서야 전문적인 구조공학자들이 나타날 수 있었다. 오늘날의 구조공학자의 역할은 정적인 하중과 동적인 하중, 그러한 하중에 견딜 수 있는 구조물에 대한 심대한 이해를 포함한다. 현대적인 건축물의 복잡성은 구조물이 부하를 지탱하고 견디는 것을 보장하기 위해 흔히 공학자의 큰 창의성을 요구한다. 일반적으로 구조공학자는 학사 학위를 따기 위해 네다섯 해를 공부하며, 이후 자격을 완전히 갖추기 위해 3년 이상 실무 경험을 쌓는다. 구조공학자는 영국의 Institution of Structural Engineers와 같은 전 세계의 다양한 학회와 규제 기관을 통해 자격을 인정받는다. 수학한 학위와/또는 자격을 얻고자 하는 지역에 따라 구조공학자, 토목공학자, 혹은 둘 다의 자격을 취득할 수 있다. 또다른 국제조직은 IABSE(International Association for Bridge and Structural Engineering, 교량과 구조공학을 위한 국제협회)가 있다. 이러한 단체들의 목적은 지식을 공유하고, 전세계적으로 구조공학의 한계를 넓혀 업계와 사회에 도움이 되는 것이다.
연구기법 및 주요 연구영역[편집]
연구기법[편집]
역학에서는 그 연구 기법이나 과정에서 단위계(system of unit)가 매우 중요하며 사용되는 기본량은 길이, 시간, 질량 및 힘이며, 현재 사용되는 단위계는 절대 단위계(absolute system of units)와 유도 단위계(derived system of units)로 나누어진다.
이들 중에서 길이, 시간, 질량은 절대 단위이고 힘(force)은 뉴턴의 가속도의 법칙에서 유래된 유도단위이다. 기본단위를 측정위치에 무관한 길이, 시간, 질량으로 택하면 절대단위계이며, 국제단위계(SI, System of Units)는 길이(m), 시간(s), 질량(㎏)의 절대단위와 유도단위인 힘(N: Newton)을 기본으로 하는 MKS 절대단위계이다. 또한 기본단위를 길이, 시간, 중력으로 택한 단위계를 중력단위계(Gravitational System of Units) 또는 공학단위계(Customary System of Units)라 하는데, 국제적으로 모든 물리적 계산은 SI 단위계를 표준으로 하고 있다.
국제 단위계(SI 단위계)는 1960년 국제도량총회에서 규정된 단위계이며, 1N은 뉴턴의 가속도의 법칙에서 정의되었으며, '질량 1㎏의 물체에 작용하여 1m/sec²의 가속도를 일으키는 힘'이다. 즉,
1N=(1㎏)×(1m/sec²)=1(㎏·m/sec²)
공학 단위계는 길이, 시간의 절대 단위와 힘을 중력(1㎏f)으로 표시한 단위계이므로, 국제단위계와는 다음과 같은 관계가 있다.
1㎏f=1㎏×(9.8m/sec²)=9.8(㎏·m/sec2)=9.8N
구조공학에서는 이러한 단위계를 기본으로 하고 부재력과 단면력 및 처짐을 계산하는 과정을 수행한다. 정정구조물은 평형조건식(equation of equilibrium)을 이용하여 반력을 계산하고 부재력을 계산하며, 부정정구조물은 구조물의 종류에 따라 다양한 방법으로 반력을 구한 후 부재력을 계산하는데, 변형일치법, 3연모멘트의 정리, 처짐각 법(deflection angle method), 모멘트 분배법(moment distribution method), 가상일의 원리(principle of virtual work) 등을 이용한다.
그러나 구조물의 형태나 크기가 커지면 직접 계산하기가 어려우며 매우 복잡하므로, 현재는 컴퓨터 프로그램을 이용한 방법이 사용되고 있으며 시간과 정확성의 측면에서 매우 유용한 수단이다. 컴퓨터를 이용한 구조해석 방법에는 매트릭스 구조해석법(matrix method of structural analysis), 유한요소법(finite element method) 등이 가장 많이 사용된다.
주요 연구영역[편집]
구조공학의 연구영역은 토목공학, 건축공학, 기계공학, 항공공학, 조선공학 등 역학을 위주로 하는 모든 학문분야에 해당되며 매우 광범위하므로 학문분야의 특성에 맞는 해석 및 설계법을 도입하여 해석하고 설계해야 한다. 따라서 그 과정은 매우 복잡하고 번거로우므로 현재는 컴퓨터 프로그램을 이용하여 전 과정을 수행하고 있다.
구조공학에서 컴퓨터 프로그램을 이용하여 부재력 및 응력을 계산할 때 사용되는 부재요소(member element)는 보 요소(beam element), 판 요소(plate element), 쉘 요소(shell element) 등이다. 철탑, 트러스, 보처럼 직선부재이거나 이들이 볼트와 리베트로 연결된 구조물의 경우는 보요소를 주로 사용하여 매트릭스 구조해석법으로 단면적 및 내력을 계산하고, 댐(dam), 원자로의 차폐로, 선체의 외부, 건물의 바닥, 방파제, 항구의 접안 구조물 등은 판 요소를 사용한다. 비행기의 동체, 돔 형태의 구조물이나 야외 음악당 등은 쉘 요소를 사용하여 유한요소법으로 구조물을 해석하여 그 결과를 토대로 구조물을 설계하고 시공 또는 제작한다.
참고자료[편집]
- 〈구조공학〉, 《위키백과》
- 〈구조공학〉, 《학문명백과 : 공학》
- 만두박사, 〈구조공학이란 무엇인가? 구조공학의 정의 및 의미, 중요성, 미래 전망〉, 《Phd.mandoo 블로그》, 2023-09-11
같이 보기[편집]
