지난 시간에 알아봤던 토목공학의 세부 분야는 정역학, 동역학, 재료역학 등이 있었다.
오늘은 그 외 토목공학에 참 중요한 세부 분야에 대해 계속해서 알아보자
토목공학에는 하나의 혜성같은 존재이자 핵심(?)이라고 할 수 있는 콘크리트 공학(Concrete Engineering)이 있다.
콘크리트 공학은 크게 철근 콘크리트 공학(Reinforced Concrete Engineering, RC), 프리스트레스 콘크리트 공학(Prestressed Concrete Engineering, PSC)이 있다.
철근콘크리트 공학은 들보, 기둥, 옹벽, 기초 등의 철근 콘크리트 구조물의 거동에 대해 연구하는 분야이고 프리스트레스 콘크리트(PSC)는 콘크리트에 미리 압축력을 주어 구조물에 작용하는 외력에 저항하도록 만든 것으로, 철근 콘크리트(RC)의 한계를 극복하기 위해 만들어진 철근콘크리트에 비해 보다 상위 공학이라고 할 수 있다.
철근콘크리트의 기본 개념은 인장강도와 압축강도의 엄청난 차이를 보여 구조물에 설계와 안정성에 크게 어려움을 겪게 했던 '콘크리트'를 보완하기 위해 만들어졌는데 콘크리트 보를 만들때 콘크리트 인장측에 철근을 넣어 인장응력을 부담하도록하여 압축에 강한 콘크리트가 구조물의 압축력을 감당하고 압축에 비해 인장력에 매우 취약한 콘크리트 대신 콘크리트와 함께 타설한 '철근'이 구조물의 강한 인장력을 받아 구조물의 안정성을 높인 설계 방식을 철근콘크리트라고 할 수 있다.
이에따라 철근콘크리트는 치명적인 단점을 하나 가지게 되는데 이는 콘크리트 속에 함께 타설된 철근과 콘크리트 사이에 발생하는 '균열'이다. 철근과 콘크리트 사이에 생긴 미세한 균열은 점차 발달하게 되고 균열을 통해 들어온 수분, 염분 등의 물질이 철근을 부식시켜 구조물의 내구성 및 안정성이 저하돼 구조물의 파괴에까지 이를 수 있게 된다.
이를 보완하기 위해 개발된 것이 프리스트레스 콘크리트이며 철근 콘크리트 보에 발생하는 인장응력을 상쇄할 수 있도록 콘크리트에 '미리' 압축응력을 준 프리스트레스 콘크리트를 사용함으로 철근 콘크리트 구조물의 단점을 보완할 수 있다.
프리스트레스 콘크리트에 사용되는 강재는 매우 큰 인장력과 높은 스트레스를 견뎌야 하므로 일반적인 철근콘크리트에 사용되는 재료와 다르게 고강도 강재와 고강도 콘크리트를 사용하며 사전에 어느정도 압축응력을 준 상태이므로 자연적으로 발생되는 균열이 적고 내구성 및 수밀성이 매우 우수하다. 또한 역학적으로 설계된 사용하중에서는 균열이 발생하지 않고 구조물에 사용하중 외 초과하중이 작용하여 균열이 발생할 수 있는데 발생한 초과하중이 제거되면 발생한 균열 역시 아물어 없어지게 된다.
이러한 프리스트레스 콘크리트에도 분명 단점은 존재한다. PSC에는 고강도 강재를 사용하게 되는데 이는 고온에서 강도가 급격히 감소하는 성질을 가지고 있어 RC에 비해 내화성이 작아 화재의 위험성이 있고 고강도 재료를 사용하기 때문에 같은 설계하중에서 재료의 양은 줄어들지만 재료 자체의 단가가 높고 콘크리트 공정 과정에서 부속재료 및 그라우팅 비용 등이 추가되어 설계 단가가 RC 보다 높다는 단점이 있다.
이러한 콘크리트 공학의 장단점을 완전히 이해하고 구조물 설계에 활용한다면 앞으로 보다 창의적이고 획기적인 구조물들이 생겨나지 않을까 생각한다.
다음으로는 강구조 공학(Steel Structure Engineering)이라는 분야로 '강재(강철구조물)'를 이용해 구조물을 만드는 구조공학의 세부 분야이다. 강구조 공학은 건축 및 토목 분야에서 구조물이 점점 커지고 또 길어지면서, 철근 콘크리트만으로는 구조물 설계에 한계에 봉착하게 되고 이에 강재를 추가로 활용하여 건출물을 짓게 되면서 발전하게 되었다.
강구조 설계에는 '허용응력설계법'과 '한계상태설계법' 두 가지의 설계원리가 사용된다. 허용응력설계법은 과거에 사용되는 방법으로 현대에는 잘 사용되지 않고 최근에는 확률에 근거한 한계상태설계법으로 바뀌어 사용되고 있다.
한계상태설계법은 시공상의 변수, 하중의 불확실성 등을 포함시켜 설계하는 방법으로 사용성 한계상태와 강도 한계상태를 다루어 설계하고 있다.
강구조 공학을 활용하면 철근 콘크리트로는 감당할 수 없던 커다랗고 보다 창의적인 구조물을 설계하는데 큰 도움을 얻을 수 있을 것이다.
마지막으로 소개할 분야는 교량공학(Bridge Engineering)이다.
교량공학은 도로 또는 철도교 등의 교량 설계에 대한 학문이며 교량에 요구되는 조건과 환경, 시공 방법에 따라 다양한 구조형식과 규모가 존재한다. 교량(Bridge)은 교통로, 수로 등이 움푹파인 곳, 그밖의 다른 도로의 기능을 저해하는 것이 있을 때 '연결'하는 구조물의 총칭이다. 그냥 쉽게 말해 말 그대로 다리(Bridge)라고 할 수 있고 어느 두 지점을 '연결' 하는 구조물 이라고 이해하면 편할 것 같다.
교량공학을 공부하게 되면 교량의 종류 및 필요성, 공법 등을 배우게 되고 구조역학으로 넘어가기전 교량의 구성을 공부하게 된다. 교량은 크게 '상부구조(superstructure)'와 '하부구조(substructure)'로 나뉘며 쉽게 말해 상부는 보(beam), 트러스(truss), 리아멘(rahmen, 라멘)으로 구성되어 있고 하부는 교대, 교각 및 이들의 '기초'를 총칭하는 것이다.
교량의 종류로는 여러 분류에 의해 나눠지게 되지만 몇가지 나열해보면 부교, 슬래브교, 형교(거더교), 트러스교, 아치교, 라멘교, 사장교, 현수교, 엑스트라도즈교 등이 있다. 위치와 목적에 따라 교량을 선택하고 설계하여 사용하게 되며 교량 공학 역시 토목공학에 주 된 분야로 손꼽히고 있는 아주 중요한 분야 중 하나라고 할 수 있다.
지금까지 2회차에 걸쳐 각종 건설 구조물에 가해지는 힘에 대한 역학적 특성 및 거동을 연구하는 '구조공학'과 그와 관련된 여러 분야 학문들에 대해 알아보았다. 토목공학은 그 광범위하고 범 우주적인 영향력에 걸맞게 이 뿐 아니라 또 다른 분야로의 세분화된 학문들이 존재한다. 여러분들도 필자와 함께 토목공학의 재미에 잠깐 빠져보는 것이 어떤가?
[출처]
철근콘크리트의 구조 : https://blog.naver.com/newrange/220180096041
프리스트레스 콘크리트 원리 : tistory의 건축시공· 재료 지식 저장소
원형 강재 : Unsplash의the blowup
캘리포니아_금문교 : Unsplash의Modestas Urbonas
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