건축학과 : 건축구조해석

1. 과목에서 배울 수 있는 내용

건축구조해석은 재료역학의 심화 과정으로 트러스, 아치, 케이블 등 각 구조물의 부재력, 전단력 및 모멘트를 계산하고 하중과 처짐을 분석합니다. 구조물의 설계와 시공에 대한 일반사항을 알아본 후, 기본적인 구조형태, 구성요소, 지지조건 및 적합한 구조를 해석하는 방법을 배우고 설계 시 고려되어야 하는 다양한 하중을 적용해봅니다. 건축학과에서 구조를 전공할 학생이라면 꼭 들어야 할 필수적인 전공선택 과목이고, 그 외 전공의 학생들도 배워 둔다면 이후 설계 시 큰 도움이 될 것이라 예상됩니다. 수업은 크게 정정구조물의 해석법, 부재력 산정, 영향선, 처짐 분석, 변위법으로 구성되어 있습니다.

1. 정정구조물 (Statically determinate)

정정 구조물(Statically determinate)은 힘의 평형조건식을 이용하여 지점 반력을 구하고 힘의 흐름을 산정할 수 있는 구조물을 뜻합니다. 수식으로 보면, 수평력, 수직력, 회전력으로 이루어진 3개의 평형방정식을 적용하여 구하는 구조물입니다. 일반적으로 구조물 전체나 일부분의 free body diagram을 작성해본 후, 반력 성분의 수와 평형방정식의 수를 비교하여 정정구조물인지 판단이 가능합니다. 부정정구조물의 경우 미지의 반력 성분을 구하기 위해 추가적인 방정식이 필요한데, 수업에서는 근사해석법이나 적합방정식을 통해 이 문제를 풀어냅니다.

2. 부재력 산정

트러스를 해석할 때는 정정과 안정을 우선적으로 논의한 후, 절점법과 단면법을 통해 트러스의 부재력을 구합니다. 트러스의 다양한 형태를 분석하여 어떤 트러스가 안정적인지 분석해보고 입체트러스까지 연결하여 3차원 공간에서 부재력 산정을 진행해봅니다. 각 구조물의 Shear force diagram과 moment diagram을 그려보며 도식적으로 부재 안에 작용하는 힘을 인지해 볼 수 있습니다. 케이블의 경우 일반적 이론을 살핀 후 집중 하중과 등분포하중을 받는 케이블의 해석 방법을 배웁니다. 아치 구조물 역시 일반적 이론을 학습한 후 3활절 아치에 대한 해석 방법을 배웁니다.

3. 영향선 (Influence line)

이 수업의 또다른 특징은 보통 다른 수업에서는 잘 다루지 않는 파트인 영향선을 다룬다는 것입니다. 영향선은 하나의 집중하중이 구조물 전체에 걸쳐 이동할 때, 구조물 내의 어느 특정 점에서 반력, 전단력, 모멘트의 변화를 나타내는 선도입니다. 영향선으로부터 관련된 반력, 전단력, 모멘트를 계산할 수 있으며 이동하중이 구조물의 어느 지점에 위치해야 구조물에 영향을 미칠지 결정하는데 중요한 역할을 하기 때문에 중요합니다. 영향선을 이용하기 위해서는 표를 그리거나 영향선 방정식을 이용합니다. Muler-Breslau 원리를 통해 정성적인 영향선을 그려볼 수도 있습니다. 이후에는 보, 가로거더, 트러스 등에서 영향선을 그려보며 예시를 학습합니다.

4. 처짐

건축구조해석에서는 처짐을 매우 중요하게 다룹니다. 하중, 온도, 제작 오류 등 여러가지 원인으로 인해 구조물은 변형이 일어나게 되는데 이러한 변형을 분석하기 위해 일반적인 정정구조물의 해석에서 임의의 점의 처짐을 구하는 것은 중요합니다. 선형 탄성 재료를 가진 구조물의 처짐을 분석하며, 보나 프레임은 휨거동에 의해, 트러스 구조물은 부재의 축력에 의해 생기는 변형을 주로 고려합니다. 해석 시에는 하중이 재하된 상태의 변형 형상을 나타내는 처짐 선도를 그린 후, 공액보법과 모멘트면적법, 이중적분법, Virtual work, Castigliano의 정리 등을 이용해 처짐과 기울기를 계산합니다.

2. 선배의 조언

건축구조물을 설계할 때는 구조물을 이루는 각각의 부재들에 여러 하중이 적절하게 분배되도록 설계해야 합니다. 이를 위해서는 하중의 특성과 구조물 균열방지, 변형조건 등이 적절하게 고려되어야 하는데 건축구조해석은 모든 과정에 기초가 되는 중요한 과목이라고 할 수 있습니다. 수업에서도 역시 structural engineer가 되기 위한 필수적인 과목임을 강조하시며, 다양한 사례를 통해 실제로 어떻게 적용되는지를 배웁니다. 수업은 전반적으로 강의와 강의 도중 질의응답으로 이루어지며, 재료역학을 충분히 이해했다면 대답할 수 있는 정도의 질의응답이 이어집니다. 다만 재료역학과 흡사한 이론의 경우 빠르게 넘어가는 부분이 많으니 선행 과목으로 재료역학을 꼭 수강하시길 권장 드립니다.

3. 진로 선택에 도움 되는 점

건축학과는 졸업 전시에 구조, 시공, 환경 전공 중 하나를 선택해 졸업 전시를 수행해야 합니다. 이때 구조를 선택해 전공하는 학생들에게는 구조에 대한 이해가 필수적인데, 건축구조해석 과목을 미리 들어 둔다면 구조에 대한 흥미와 관심도를 알아볼 수 있을 것 같습니다. 또한 이후 구조 전공을 선택해 구조해석에 대한 깊은 공부를 해 나가고 싶은 학생들에게는 기초적인 지식과 연습을 해볼 수 있는 기회가 될 것입니다.

4. 맺음말

수업을 따라가며 한 학기 열심히 공부하면 구조 해석에 대한 이해가 매우 높아져 있음을 느낄 수 있습니다. 건축에서 구조가 중요한 만큼, 구조 해석에 대한 기초 지식은 추후 설계에 많은 도움이 될 것입니다.