구조동역학이라는 책을 뽑아 들면서 한가지 한가지씩 제목에 관련된 내용들을 개인적으로 정리하는 시간을 갖기 위해서 카테고리를 만들었습니다. 미력하지만, 도움이 되는 글들로 채울 수 있는 기회가 되었으면 합니다.
구조동역학의 맛보기
일반적으로 구조물하면 여러가지의 형태와 종류가 있다고 할 수 있습니다. 예를 생각해 보면 20층의 고층 건물이나 아파트, 대규모 상업 및 집회용 건물 등이 있을 수 있습니다. 이렇게 고층이고 거대한 구조물이 존재하는 경우가 많습니다. 하지만 단순하게 창고나 물탱크 타워와 같은 단순한 형태의 구조물도 존재합니다.
그렇다면 무엇이든지 단순한 형태에서부터 출발을 하는 것이 가장 기본적으로 이해를 하기 쉬울 것입니다. 구조동역학(Structural Dynamics)를 이해하는데 있어서 이러한 간단한 형태의 단순구조(Simple Structure)에서부터 출발하는 것이 가장 이상적이라고 할 수 있습니다.
단순구조물의 경우 전체의 질량이 하나의 집중질량(Lumped Mass or Concentrated Mass)으로 생각되고, 기둥은 강성(Stiffness)만 있고 질량은 없는 형태의 스프링으로 형상화(이상화)될 수 있기 때문에 동적해석을 하는데 훨씬 수월합니다.
사실 실제와는 상이하지만, 대략적으로 그러한 추이와 현상을 볼 수 있다는 의미에서는 학문적으로 가치가 있고 좀 더 간략하게 모델링을 함으로써 이해하기가 쉬운 것이 바람직하다고 할 수 있습니다.
구조동역학의 수학적 모델링
자연에 있는 공학적인 문제들을 접근할 때 정답(해답)을 찾는 것이 상당히 복잡하게 되어 있기 때문에 쉬운 일이 아닙니다. 초기조건, 재료적 문제, 구조적 다양성 등 변수가 되는 인자들이 많이 존재하고, 그것을 어떻게 보는냐는 해석자의 판단에 따라서 그 결과가 달라집니다.
수학문제에서도 볼 수 있듯이 아주 간단한 문제의 경우 그 정해가 간단하게 나옵니다. 하지만 복잡해지기 시작하면 구조적으로 수학적 정해를 찾는 것은 쉬운 일이 아닙니다. 따라서 구조물들의 거동해석을 위해서 공학적 문제의 본질을 벗어나지 않고, 구조물의 안전이나 경제적인 측면의 근사해를 찾는 것이 중요합니다. 그러기 위해서는 복잡한 것을 가정과 단순화를 통해 분류해 내는 일이 중요합니다.
이러한 일을 수하적 모델링(Mathematical Modeling)이라고 하며 실질적으로 수학적인 모델링을 통해 정량적인 해석이 가능하게 하는 것을 말합니다.
구조해석을 수행하거나 설계를 위한 구조물의 모델링(Modeling)을 수행할 경우에도 상당히 수학적인 감각과 실무적인 감각이 결합된 모델링의 기법이 필요하고, 수학적인 이해도 동시에 필요합니다.
고층건물이나 원자력 발전소, 교량 등 복잡한 구조물의 거동을 수학적으로 표현하기 위해서는 독립적인 좌표 설정이 필요합니다. 그런데 이때 중요한 것이 구조물의 거동(Behavior)을 충분히 표현하기 위해서 한개로 좌표를 설정하느냐 여러개로 좌표를 설정하냐에 따라 해석에 많은 차이를 보입니다.
한개의 좌표로 좌표계를 설정할 경우는 단자유도계이고 여러개의 좌표로 좌표계를 설정할 경우 다자유도계 구조물이라고 부르게 됩니다. 말 그대로의 표현이지만, 점점 들어가면 이 부분의 차이가 얼마나 큰지를 실감할 수 있습니다.
구조물을 동역학에서 바라보았을 때의 개요도로 표현한 것입니다. 단자유도계, 다자유도계, 비감쇠, 감쇠, 자유진동, 강제진동, 조화하중, 일반동적하중이라는 항목으로 구성되어 있고 이것들을 하나하나 알아가는 과정이 상당히 중요한 내용입니다.
앞으로 차근차근 정리를 해서 구조동역학의 이해를 해보고자 합니다. 부족하지만, 도움이 되었으면 좋겠습니다. 감사합니다.