Structural mechanics?

의자가 아래 그림과 같이 뒤집어지지 않도록 의자의 구성요소(부재)를 적절히 배치한다. 이는 의자의 안정(stability)을 고려한 설계이다.
의자가 아래 그림과 같이 부서지거나 깨지지 않도록 의자의 구성요소(부재)의 재료와 두께를 적절히 결정한다. 이는 의자의 강도(strength)를 고려한 설계이다.
의자가 아래 그림과 같이 과다하게 처지거나 휘어지지 않도록 의자의 구성요소(부재)의 재료와 두께를 적절히 결정한다. 이는 의자의 강성(stiffness)을 고려한 설계이다.
이와 같이 안정, 강도, 강성을 고려하면 뒤집어지지 않고 부서지거나 깨지지도 않으며 과다하게 처지거나 휘어지지 않는, 즉, 안전(safety)하고 편리하게 사용할 수 있는 의자를 설계할 수 있다.

의자와 마찬가지로 건물도 안정, 강도, 강성을 고려하여 설계하면 안전하고 편리하게 사용할 수 있다.
건물의 안정은 다음 그림과 같이 건물의 이동, 회전, 전도(overturning, 뒤집어짐) 등을 의미하며, 밑면전단력(base shear), 전도모멘트(overturning moment) 등으로 그 정도를 표현한다. 안정은 안전과 밀접한 관계를 가진다.
건물의 강도는 다음 그림과 같이 부재가 끊어지고 부러지는 항복(yield)과 파괴(fracture) 등을 의미하며, 응력도(stress), 변형도(strain), 항복강도(yield strength), 인장강도(tensile strength) 등으로 그 정도를 표현한다. 역시 안전과 밀접한 관계를 가진다.
건물의 강성은 다음 그림과 같이 부재의 휘어짐이나 처짐 등을 의미하며, 변위(displacement), 변형(deformation) 등으로 그 정도를 표현한다. 안전뿐 아니라 사용성(serviceability)과도 밀접한 관계를 가진다.
확인 질문

아래 그림의 위쪽은 지반(지점)에 연결된 구조물(부재)에 힘이 가해지는 것을 나타낸 것이다.
이와 같이 힘이 가해지면 위 그림의 중간과 같이 힘이 구조물을 경로로 하여 지반으로 흘러간다. 외부에서 가해진, 입력된 힘은 하중(load), 외력(external force)이라 한다. 이 하중이 구조물의 경로를 따라 지반으로 흘러가는데, 이를 부재력(member force), 단면력(sectional force), 내력(internal force)이라 한다. 지반으로 흘러나간, 출력된 힘은 지반에 작용하며, 작용-반작용 법칙에 의해서 구조물에 작용하는 지점반력(support reaction)이 발생한다.
하중은 가해진 위치에서만, 부재력은 하중이 지반까지 전달되는 경로의 전체 구간에, 지점반력은 지반에서만 작용한다. 위 그림의 아래쪽은 이를 나타낸 것이다.
구조물에는 힘의 흐름에 의해서 하중, 부재력, 지점반력이 작용하고, 그 결과로 이동, 회전, 변형(길이변화 및 휨)등의 변화가 발생한다.
확인 질문

이상의 내용을 종합하면 구조역학에 대해서 다음과 같이 정리할 수 있다.
구조역학은 구조물에서 하중이 지반까지 흐르는 경로와 방식을 파악하고 하중과 부재력과 지점반력, 응력도와 변형도, 이동과 회전과 변형 등을 계산하여 안정, 강도, 강성 측면에서 구조물의 거동을 예측하기 위한 기초적인 지식이다.
아래 그림의 구조역학의 전체적인 내용과 구성을 개략적으로 나타낸 것이다.

역학은 대상 구조물의 변형 정도에 따라 강체역학(rigid body mechanics), 변형체역학(deformable body mechanics), 유체역학(fluid mechanics)으로 구분할 수 있다.
역학은 시간에 따른 하중의 변화에 따라 정역학(statics)과 동역학(dynamics)으로 구분할 수 있다.
여기에서는 정역학과 변형체역학의 일부를 학습한다.

17세기 이전에는 경험에 바탕을 둔 시행착오(trial and error) 방식을 적용하였다.
17세기는 구조역학 이론의 태동기이며, 갈릴레이(G. Galilei)와 후크(R. Hooke) 등이 업적을 남겼다.
18 ~ 19세기는 구조역학 이론의 발전기이며, 뉴톤(I. Newton), 쿨롱(C. A. Coulomb), 베르누이(J. Bernoulli), 오일러(L. Euler), 나비에(L. M. Navier) 등이 업적을 남겼다.
19세기 후반 ~ 20세기 초반은 고전적 구조해석 방법이 개발된 시기이며, 맥스웰(J. C. Maxwell), 모어(O. Mohr), 카스틸리아노(A. Castigliano), 그린(C. E. Greene), 매니(G. A. Maney), 크로스(H. Cross), 티모셴코(S. P. Timoshenko) 등이 업적을 남겼다.
20세기 중반 ~ 20세기 후반은 컴퓨터를 이용한 구조해석 방법으로 행렬해석(matrix analysis)과 유한요소해석(finite element analysis)이 개발된 시기이며, 결과물로는 ADINA, SAP, ETABS, ABAQUS, ANSYS 등이 있다.
20세기 후반부터는 동적해석(dynamic analysis) 및 비선형해석(nonlinear analysis) 방법이 발전하고 있으며, 개인용 컴퓨터의 보급에 따라 사용의 편리성 개선, 구조설계 기능 추가 등이 이루어지고 있다.

구조역학(structural mechanics)?