팔다리도 하는일이 틀리다.

구조해석에 대한 글을 올리면서 개략적인 해석이야기를 열거했다. 모든 해석프로그램은 틀린것이다. 즉, 실제 구조물과 똑같지가 않다는 이야기다. 그러나 프로그램의 해석결과를 이용하여 부재력, 반력 및 처짐등을 예측하고 설계를 한다. 즉, 설계에 도움을 주지만 실제와는 틀리다는 것이다. 여기에 설계자의 경험에 따른 주관적이고 객관적인 설계가 반영되는 것이다. 실로 창조자가 느끼는 창조의 즐거움과 책임감을 동시에 느끼게 된다.

모든 생물들와 사물들은 각자 하는 일이 따로있다. 각자의 의지와 상관없이 일을하며, 때로는 다른 기관의 명령을 따르기도 한다. 여기서 다룰 이야기는 부재별 특성에 대한 것이다. 부재는 크게 truss, beam, plate, wall, solid로 구분할수 있으며, 이제 하나씩 알아 보기로 하자. 조금 쉬운부분이라 지루할수 있지만 참고 견뎌내자.

1) Truss Member: truss부재는 Axial Load는 길이방향의 Fx(X-dir. force)만 저항할 수 있는 이상적인 부재다. 부재력은 축방향력(축력과 전단력)과 모멘트로 구분하는데, Fx만 저항하므로 전단력(Fy & Fz)과 모멘트가 존재하지 않는다. 즉, X축에 대한 하중(인장 및 압축)만 입력이 가능하지 Fy & Fz에는 하중입력이 불가능하다.

2) Beam Member: 이부재는 Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz, 즉 모든 방향에 대해서 축력, 전단력 및 모멘트에 대해 저항할수 있으므로 모든 방향에 대해서 하중을 입력할수 있다.

3) Plate Member: 평면부재로 평면에 수직방향을 X축이라면, Fx, My, Mz만 저항할수 있다. 즉, 이부재를 수직으로 세워놓고 Y축이나 X축에 하중을 입력해도 아무런 부재력의 변화를 볼수 없다.

4) Wall Member: wall 부재의 높이방향을 X축, 길이방향을 Y축이라면, 이 부재는 주로, Fx, Fy, Mz(면내 모멘트)를 저항하지만, 사용자의 특별지정에 따라 Fz와 My(면외모멘트)를 저항할수 있다. 대부분의 프로그램들은 Fx, Fy, Mz만 저항하는 것으로 알고 있다.

5) Solid Member: Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz에 대한 부재력이 있다.

위에서 간단하게 부재력에 대해서 이야기를 했다. 따라서 구조엔지니어는 구조 모델링시 구조부재의 특성을 파악하고 구조물에 필요한 부재들을 이용해서 모델링을 해야 한다. 축력, 전단력 및 모멘트를 저항해야 하는데 트러스 부재를 입력하고 축력이 아닌 하중을 입력하려고 하면 시간만 훨훨 날라가 버린다. 그리고 벽체부재를 입력해야 하는데 플레이트 부재를 입력하고 면내 전단과 모멘트를 찾으려는 것도 무리가 있다. 다시말해서 모델링시 트러스 부재는 축력만 적용하는 부분에 입력하고, 보부재는 보나 기둥 모델링시 적용해야 한다. 플레이트는 슬래브, 지하외벽 및 기초의 정밀해석(FEM: Finite Element Method)시 사용하면 훌륭하다. 또한 벽체요소는 축력 지지 벽체 및 전단력 지지 벽체(전단벽)요소로 사용하고, solid 요소는 특정부분에 대한 FEM 해석시 사용하게 된다. 모든일은 경제성을 따져야 한다. 따라서 모델링시 적정한 부재와 해석방법을 선택해서 해석을 수행해야 하며, 이는 경험에 의존을 많이 한다고 해도 과언이 아니다.

이제 다음주에는 Boundary Conditions(절점조건과 지지조건)에 대해서 알아보기로 하겠다.

대한국인 이희용(david.hy.lee@gmail.com)