강좌 소개

주별 교육내용

기타 참고사항

본 교과목의 수업계획서에 대해 자세하게 설명하고, 건축공학전공을 위한 본 교과목의 의미를 강조한다. 1장과 2장의 구조물 정적판별식을 첫째 주의 진도목표로 하는데 1장에서는 본 교과목의 입문내용으로 구조설계 과정과 요구사항, 그리고 구조물 형태로 인장과 압축을 받는 구조물로 케이블과 아치, 트러스, 포스트와 린텔, 강접구조물, 플레이트와 쉘 그리고 박판구조물에 대하여 개략적인 구조적 개념을 소개한다. 2장에서는 구조물을 안정구조물과 불안정구조물로 판정하기 위하여 정적 판별과 기하학적 판별이 필요한데 정적 판별방법에 대하여 공부한다.

구조물을 안정구조물과 불안정구조물로 판정하기 위하여 기하학적 판별방법인 Instantaneous Center, Zero-Load Test 그리고 구조물의 강성행렬 판별식이 0이 되는 경우에 대하여 공부한다. 3장에서는 정정구조물에서 발생하는 변위와 회전각을 구하는 방법을 공부한다. 이러한 방법은 부정정구조물 구조해석을 위한 기본내용으로 기하학적 방법과 에너지방법에 대하여 공부하게 된다. 기하학적 방법은 처짐곡선 미분방정식법과 나머지 3가지 방법(면적모멘트법, 탄성하중법, 공액보법)으로 대별된다. 첫 번째 방법인 처짐곡선의 미분방정식법은 구조물에서 발생하는 처짐이라는 물리적인 현상을 미분방정식이라는 수학적 표현을 활용하여 예측하여 본다. 이것을 위하여 구조물의 경계조건과 연속조건이 활용된다.

정정구조물에서 발생하는 처짐과 회전각을 구하는 기하학적방법의 두 번째 방법인 모멘트면적법을 공부하게 된다. 모멘트면적법은 탄성하중법과 공액보법으로 보완 발전하게 된다. 모멘트면적법은 처짐과 회전각을 독특한 방법으로 정의하여 통상적으로 구하고 싶은 내용을 확인할 수 없는 경우가 발생하게 된다. 그렇지만 탄성하중법과 공액보법의 기본개념이 표현되어 있어 확실하게 개념을 이해하는 것이 필요하다.

정정구조물에서 발생하는 처짐과 회전각을 구하는 기하학적방법인 모멘트면적법의 한계를 극복하기 위하여 탄성하중법이 제안되었는데 탄성하중법은 단순보에만 적용 가능한 한계를 갖고 있다. 면적모멘트법과 탄성하중법의 한계를 가상의 공액보라는 표현방법을 활용하여 극복하게된다. 보 구조물에서 발생하는 처짐과 회전각을 구하는데는 가장 효율적인 방법인 공액보법의 개념과 활용하는 방법에 대하여 공부하게 된다.

정정구조물에서 발생하는 처짐과 회전각을 구하는 두 번째 방법으로 에너지법을 공부하게 된다. 공부하게 될 에너지법에는 실제일의 원리, 카스칠리아노 제2정리, 가상일의 원리가 포함된다. 에너지법의 확실한 이해를 위하여 일의 정의, 힘과 변위가 동시에 일어나는 경우와 일정한 힘을 받는 상황에서 변위만 발생하는 경우, 실제일과 가상일의 정의, 강체와 변형체 거동에 대하여 생각하여 본다. 일의 정의를 활용하여 멕스웰-베티의 상반정리를 유도하여 본다. 첫 번째 에너지법으로 실제일의 원리를 유도하여 본다. 실제일의 원리는 하중이 하나만 작용하는 경우에만 적용할 수 있어 한계가 있지만 다른 에너지법의 개념을 이해하기 위해서 부재력에 의하여 발생되는 변형에너지의 종류와 내용을 유도하여 본다. 통상적인 경우 구조물의 변형은 휨변형에너지가 주도하지만 구조물에서 발생하는 변형이 전단변형의 영향을 적지 않게 받는 경우에 대하여서도 공부하게 된다.

두 번째 에너지방법인 카스칠리아노 제2정리를 유도하여 보고 구조물의 처짐 및 회전각을 구하는데 활용하여 본다.카스칠리아노 제2정리에서는 실제일의 원리가 갖고 있는 한계를 극복할 수 있다. 그러나 내적인 에너지를 구하는데 있어서 간과해서는 안될 내용에 대하여 실제 구조물의 부재를 대상으로 직접 확인하여 본다. 또한 더욱 확실한 이해을 위하여 학생들이 직접 숙제를 출제하고 풀이를 구하여 보도록 한다.

에너지법의 마지막 방법인 가상일의 원리와 스프링 개념을 구조물의 처짐과 회전각을 구하는데 적용하여 본다. 구조물에서 발생하는 처짐과 회전각을 구하는 방법에서 제일 강력하고 효율적인 방법으로 평가 받고 있고 고급의 구조공학원리를 전개하는데 활용되는 가상일의 원리를 개념적으로 확실하게 이해하는 것은 필수적이다. 본 교과목에서는 선형탄성거동을 하는 구조물에 대한 표현을 유도하고 활용하고 비선형 또는 비탄성 구조물에 적용하는 경우 필요한 개념은 소개하는 정도에 그치도록 한다. 처짐과 회전각에 국한하지 않고 상대처짐과 상대회전 등 응용가능한 내용도 소개하여 가상일의 원리가 가지고 있는 광범위한 활용 가능성을 확인하도록 한다. 구조물의 거동을 스프링개념으로 표현하는 것은 구조공학에서 상당히 높은 수준의 표현방법으로 평가받고 있다. 이동스프링 또는 회전스프링이 직렬 및 병렬로 연결되는 경우 하나의 스프링으로 치환된 스프링상수를 구하는 개념을 활용하여 구조물에서 발생하는 처짐과 회전각을 구하여 본다. 스프링개념을 활용하여 구조물의 강성도 분포 및 거동을 예측하는 것은 매우 높은 수준의 개념이지만 꼭 배워야

정정구조물의 구조해석은 2학년 1학기에 개설되는 공업역학에서 공부하는데 제4장 부정정구조물의 구조해석은 본 교과목이 공부해야 할 제일 중요한 내용이다. 우선 부정정구조물 구조해석을 위한 기본용어들에 대한 개념을 소개하고 부정정구조물 장단점을 정정구조물과 비교하면서 설명하고 부정정구조물 구조해석방법을 대별한 Force Method Approach와 Displacement Method Approach의 특징 및 장단점을 소개하도록 한다. 부정정구조물의 구조해석은 많은 단계로 진행되어 적지 않은 시간이 필요한데 구조설계의 Preliminary Design 단계에서 기본방향 설정을 위한 근사해석방법을 공부하게 된다. 근사해석방법이 적용 가능한 경우로 트러스 구조물과 수직력과 횡력을 받는 포탈구조물을 선정하였다. 이번 주는 트러스 구조물에서 상현재, 하현재 및 수직부재에 대한 가새부재 단면의 상대적으로 크기를 판단하여 가새 부재의 거동을 단순화한 근사해석방법을 공부하도록 한다.

이번 주에는 부정정구조물의 근사해석방법을 마무리하도록 한다. 트러스 구조물의 근사해석방법에 이어서 수직하중 또는 횡하중을 받는 포탈구조물의 근사해석방법을 공부하게 되는데 부정정구조물을 정정구조물로 치환하기 위하여 실제 구조물의 부재력에서 휨모멘트가 발생하지 않는 위치를 개략적으로 예측하여 힌지절점을 위치시키는 방법을 활용한다. 수직부재의 횡하중 분담을 간략히 가정한 포탈법과 휨모멘트에 의해 발생되는 수직응력을 구하는 개념을 활용한 캔티레버법의 기본개념을 정확히 이해하고 적용하여 근사해석방법이지만 구조해석결과의 정확도를 높이도록 한다.

부정정구조물의 정해방법으로 유연도법, 처짐각법 그리고 모멘트분배법을 공부하게 되는데 첫 번째 방법인 유연도법에 대하여 개념을 이해하고 실제 구조물에 대하여 적용하여 본다. 통상적인 유연도법에서는 반력에서 잉여력을 선정하게 되는데 부재력에서 잉여력을 선정하는 방법으로 삼연모멘트법을 공부하여 본다. Foce Method Approach의 전형적인 예인 유연도법에서 힘에 해당하는 잉여력을 미지수로 시작하여 변위와 관계된 적합방정식을 적용하여 미지수를 구하게 되는데 겹침의 원리를 활용하게 되어 선형탄성거동의 구조물에 적용되어야 하고 휨모멘트가 구조물의 거동을 주도하게 되는 경우에 정확한 결과가 예상된다. 연속보를 위한 삼연모멘트법을 양단에 고정단이 있는 경우에도 가상의 보를 활용하여 적용하여 봄으로써 개념의 확대를 경험하여 보도록 한다.

2주(12주, 13주) 연속으로 처짐각법을 공부하게 되는데 우선 처짐각법과 모멘트분배법이 등장하게 된 배경 및 각 방법의 장단점을 보완하는 방법에 대해서도 토론하여 본다. 처짐각법은 전형적인 Displacement Method Approach를 하고 있는데 구조물에서 발생하는 모든 절점 처짐 및 회전각인 변위를 미지수로 설정하고 힘의 평형에 관한 모멘트평형 및 각 층 전단평형 방정식을 활용하여 미지수를 구하는 방법을 따르게 된다. 다른 방법에 비교하여 구조물에서 발생하는 처짐 및 회전각을 직접 구하게 되어 구조물의 거동을 예측하기가 쉬워 구조물 변형 개형도를 그리는 연습도 병행하도록 한다. 또한 처짐각방정식을 직접 유도하도록 하여 고급으로 공액보법을 활용하여 본다.

처짐각법의 두 번째 주로 처짐각법의 적용하는 방법을 공부하게 된다. 우선 Braced Frame과 Unbracd Frame의 개념을 이해하고 구조물을 분류하는 방법을 공부한다. Frame 종류에 따라 적용하는 방법의 차이 및 이유를 생각하여 보고 자유물체도 개념의 다양한 적용 가능성을 다시 한번 확인하도록 한다.

부정정구조물 정해방법의 마지막 방법으로 소개되는 모멘트분배법을 2주(14주, 15주)에 걸쳐 공부하게 된다. 강절점의 개념을 활용하여 모멘트분배를 설명하고 이를 위하여 동원되는 기본용어 및 개념을 소개한다. 부재하중을 절점하중으로 치환하는 방법을 소개하여 행렬을 이용한 구조해석방법을 이해하는데 준비하도록 한다. 모멘트분배법을 적용하기 위하여 구조물의 거동을 6가지 정도로 분류하고 본 교과목에서는 3가지 경우에 대하여 공부하도록 한다.

모멘트분배법을 위한 마지막 주로 반복법의 접근방법을 가지고 있는 모멘트분배법을 효율적으로 적용하기 위한 방법과 부정정구조물에서만 부재력이 발생하는 제작오차, 온도변화, 지점침하에 대한 방법을 공부하게 된다. 구조물이 Unbraced Frame의 특성을 나타내는 경우, 복잡한 구조해석의 절차가 필요하게 되는데 명확한 분류로 체계적으로 이해가 가능하도록 한다. 시간이 허락하는 범위에서 구조물에 대한 시청각 자료를 활용하여 구조해석의 이론과 결과를 실제 구조물에 어떻게 적용하고 있는지 직접 예를 확인하여 보도록 한다.