한국철강협회 강관협의회, 온라인으로 ‘구조설계 기술교육’ 개최

한국철강협회 강관협의회는 ‘구조설계란 무엇인가’라는 주제로 27일 오후 2시 철강협회 유튜브에서 온라인 강의를 개최했다.

한국건축구조기술사회 김지상 위원장은 구조설계 기초교육에 대해 발표하며 건축물의 하중부터 모델링과 구조설계에 대해 설명했다.

건축물에 구조설계는 건물의 뼈대를 설계하는 일이다. 건물이 한번 지어져서 땅위에 서있는 동안 보통 구조물의 내구연한을 30~40년 정도로 보는데 이 동안 건물은 중력, 태풍, 지진, 폭설과 같은 외부에서 작용하는 자연의 힘을 받는다. 이러한 자연의 힘을 하중이라고 표현한다.

김 위원장은 "건축물의 하중은 매우 다양하지만 이중 건물이 부담하는 주요 하중은 크게 아홉 가지로 구분 된다"며 "고정하중, 적제하중, 적설하중, 지진하중, 풍하중, 토압, 수압, 온도, 침하 등이 있다"고 말했다.

그는 "이러한 하중이 건물에 작용하면 건물내부의 뼈대에서 응력이라는 힘이 발생 한다"며 "이 응력 역시 다섯 가지 정도로 구분하게 되는데 압축응력, 인장응력, 휨응력, 전단응력, 비틀림응력이 있다"고 설명했다.

이어 "이처럼 구조물의 외부에서 작용하는 힘인 하중을 예측하고 이에 따라 구조물의 뼈대에서 발생하는 응력을 계산하는 작업을 구조해석이라고 하며 구조모델링은 주로 이런 작업을 의미 한다"고 전했다.

구조물의 외부에서 작용하는 힘인 하중을 예측하고 이 하중이 구조물에 작용할 때 각각의 구조부재 즉 보, 기둥, 슬래브, 기초 등에서 발생하는 힘인 응력을 구조계산하고 각각의 구조부재가 발생된 응력 보다 큰 강도로 이를 버티도록 부재설계를 진행하는 이 모든 과정을 바로 구조설계라고 뜻한다.

이어 김 위원장은 구조의 필요한 조건에 대해 설명했다. 그는 "건물이 태풍이나 지진 등 큰 힘이 작용했을 때 건물이 자동차처럼 옆으로 이동한다든지, 중력의 작용에 의해 건물이 땅속으로 꺼지는 일을 방지하기 위해 필요한 것이 건축물의 균형과 평형, 수직평형, 수평평형, 회전평형의 조건을 만족해야 한다"며 "구조물의 뼈대는 하중이라는 힘을 받고 응력이라는 힘을 발생시키는데 이렇게 발생된 응력은 구조부재의 강도로 저항 한다"고 설명했다.

건축물에 하중에 대해서는 그는 "구조물에는 힘이 작용하고 발생하는데 그 힘이 어떤 상태에 있는지에 따라 하중, 응력, 반력이라고 부른다"며 "하중은 구조물의 외부에서 구조물에 작용하는 힘 증 중력, 태풍, 지진 등의 외력이 있다"고 말했다.

또 "응력은 구조물의 외부에서 전해진 힘인 하중을 구조물 내부의 슬래브, 보, 기둥, 기초 등의 구조부재를 통해 땅까지 전달해 주기 위해 구조물 내부에서 발생되는 압축력, 인장력, 휨 등의 힘을 말하며 이를 하중의 전달시스템이라고 표현하기도 한다"고 전했다.

김 위원장은 "응력의 경우 구조물을 잡아당기는 힘인 인장응력, 누르는 힘인 압축응력, 구부리는 힘인 벤딩모멘트, 자르는 힘인 전단응력, 그리고 마지막으로 빨래를 짤 때처럼 비트는 힘인 비틀림이다"며 "그리고 인장과 휨, 압축과 휨, 전단과 압축 등 이 기본적인 힘들이 두개 이상 조합된 다양한 종류의 조합응력이 존재 한다"고 말했다.

마지막으로 그는 건축물의 모델링과 구조설계에 대해 설명했다. 김 위원장은 "대부분의 건물에 있어서 구조의 뼈대는 비내력 벽, 천장, 창호, 장식재, 마감재 등으로 가려져 있어서 겉으로 드러나 보여지지 않는다"며 "하중을 예측하고 이 하중에 의해 구조물의 뼈대에 발생하는 응력을 구하는 작업을 구조해석이라고 한다"고 전했다.

또 "건축 구조물의 여러 하중조건과 뼈대의 조건들을 컴퓨터에 입력해 3차원 모델을 구성하고 이를 계산해 구조물 개개의 구조부재에 발생하는 응력을 구하는 작업을 모델링이라고 한다"며 "구조기술자들은 이러한 모델링을 통해 우선적으로 구조물에 태풍, 지진이 작용했을 때 어떻게 변형되는지 확인 한다"고 설명했다.

이어 그는 "그 변형의 크기가 허용값 이내인지를 확인하는 작업을 하고 각각의 부재에 작용하는 인장응력, 압축응력, 휨응력, 전단응력, 비트림 응력을 확인하고 이렇게 모델링을 통해 해석된 값들을 가지고 개개부재의 강도를 결정 한다"며 "즉 부재의 크기를 결정하고, 철근배근의 간격을 정하고, 몇 티의 부재를 사용할 지를 결정하는 것이다"고 말했다.

김 위원장은 "과거에는 구조해석을 실시하고 이 결과를 가지고 구조기술자가 일일이 부재의 강도를 설계하였으나 요즘은 컴퓨터 기술의 발달로 구조해석부터 부재설계까지를 자동으로 실시하고 구조기술사들은 이를 검증해 구조 도면을 그리고 설계를 마치는 방식으로 일을 한다"고 전했다.