Part.1 구조공학
토목공학은 범 우주적인 영향력을 끼치는 공학에 걸맞게 여러 가지의 분야로 세분화되어있다. 오늘은 그 첫 단계이자 토목공학의 가장 기본이 되는 '구조공학'에 대하여 살펴보자.
구조공학이란 각종 건설 구조물에 가해지는 힘(실하중, 재료의 무게, 바람, 수압, 지진 등)에 대한 역학적 특성 및 거동을 연구하는 학문이다. 쉽게 말해 어떠한 특정 구조물에는 중력에 의하여 여러 가지 요인에 의한 하중(힘)이 실리게 되는데 그때 작용하는 하중들을 계산하고 그에 대한 반력, 부재력, 처짐량 등을 계산하여 구조물의 안정성을 설계하는 것이다.
구조물 설계 과정에서의 구조공학과 상응하는 여러가지 세분화된 분야들이 있는데 크게 정역학, 동역학 및 구조동역학, 재료역학, 구조공학, 콘크리트공학(철근, 프리스트레스트), 강구조공학, 교량공학, 지진공학 등이 있다.
먼저, 정역학(Engineering Mechanics, statics)이란 물리학의 한 분야로, '정적 평형 상태'에 있는 것을 다루는 분야이다.
정적 평형상태란 쉽게말해 정지해 있는 물체를 말하는 것이며 조금 어렵게는 질량중시가 일정한 속도로 움직이는 것을 일컫는다. 그냥 쉽게 정지해 있는 물체에 대한 역학적인 거동을 살펴보는 학문이구나 하면 될 것 같다.
정역학을 처음 배우면 가장 먼저 듣게 되는 용어로 '스칼라(Scalar)'와 '벡터(Vector)'를 만나게 될 것이다.
스칼라(Scalar)는 벡터와 함께 물리학에서 사용되는 대표적인 '물리량'의 한 형태이다. 스칼라라는 물리량에는 방향에 대한 정보를 포함하고 있지 않고 방향과는 무관하게 오로지 '크기'만을 가지는 양이라고 할 수 있다.
스칼라 = 크기
벡터(Vector)는 스칼라와 다르게 크기 뿐 아니라 '방향'을 모두 가지는 양을 의미한다. 예를 들어 길이, 질량, 넓이 등 단순히 크기 값만 가지는 물리량을 '스칼라', 속도,가속도, 힘은 '벡터'이다.
위와 같은 물리량을 기본으로 정역학은 정지해 있는 물체에 대한 거동을 살피며 구조물의 안정성을 확인하며 설계하는 아주 기본이자 중요한 분야라고 할 수 있다.
다음으로, 동역학(Dynamics)은 운동하는 물체에 작용하는 힘과 그에 따른 운동의 특성을 연구하는 학문으로써, 기계부품 및 항공기 구조물의 운동 및 진동현상을 이해하기 위한 고전역학의 한 부분인 기초학문이다. 움직임에 대해 다루는 학문이기 때문에 정역학(Statics)과 운동학(Kinetics)을 합친 학문이라고 볼 수 있다.
정역학이 구조물 설계 역학의 기본이라고 한다면 동역학은 조금 더 심화된 학문이라고 이해하면 좋을 것 같다.
동역학의 Dynamics 라는 말은 고대 그리스어 '듀나미스'에서 유래했으며 아리스토텔레스는 '가능태'라는 개념으로 듀나미스를 중요하게 생각했다.
동역학은 말 그대로 움직이는 물체에 대한 역학으로 바퀴가 굴러가고, 축이 회전하고, 베어링이 굴러가는 등 사람들이 상상할 수 있는 대부분의 모든 운동에너지를 갖는 기계들을 설계하는데 활용이 되고 있고 주로 정지된 물체(구조물)를 설계하는 토목공학에서는 잘 쓰이지 않는 학문이다.
다음으로는 재료역학(mechanics of materials)이라는 분야로, 토목공학에서 정역학 만큼이나 크고 중요한 비중을 차지하는 분야이다. 재료역학은 말 그대로 '재료'에 초점을 맞추고 있는 학문인데 우리가 어떤 구조물을 설계하고 만드려고 할 때 사용되는 여러 재료들(콘크리트, 철근 등)에 역학적 성질과 이에 따른 거동을 확인하기 위한 학문이다.
재료역학의 주 목적은 여느 학문과 마찬가지로 구조물의 안전한 설계에 있어서 핵심이 되는 '거동 해석'을 위해 필요한 구조물 및 부재들에 작용하는 하중에 따른 '응력', '변형과 변형률'을 결정하는 것이다.
어떤 구조물이든 시간이 지남에 따라 중력에 의해 구조물 및 부재는 여러 하중을 받아 응력이 생기고 그에 따른 재료의 변형이 생기기 마련이다. 그 예로는 비틀림을 받는 봉, 굽힘을 받는 보, 압축을 받는 기둥 등이 있고 그에 따른 압축력, 비틀림, 장력(인장), 재료의 물성 등을 확인할 수 있다.
토목공학에는 이 뿐 아니라 여러 세부 학문들이 많이 존재하고 있다.
남은 분야들은 다음 시간에 함께 알아보는 것으로 하자.
다음 포스팅에는 토목공학의 세부 분야 중 '콘크리트 공학', '강구조 공학', '교량 공학'에 대해 살펴보고자 한다.
[출처]
구조공학_처짐 및 파괴 : png egg의 구조하중png이미지
벡터 Vector : findmean의 벡터-findmean
재료역학 : Unsplash의Karan Bhatia
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