구조공학사

구조 공학의 역사는 이름을 알린 역사상 최초의 건축가 임호텝에 의해 파라오 조서를 위한 계단 피라미드가 지어졌을 때 적어도 기원전 2700년으로 거슬러 올라간다. 피라미드는 본질적으로 안정적이고 거의 무한히 확장될 수 있는 구조 형태이기 때문에 고대 문명들이 지은 가장 일반적인 주요 구조물이었다(대부분의 다른 구조 형태와는 대조적으로, 늘어난 하중에 비례하여 크기를 선형적으로 증가시킬 수 없다).^[1]

고대로부터 오늘날까지 사용되고 있는 또 다른 주목할 만한 공학적 업적은 콰나트 물 관리 시스템이다. 메데스의 시대에^[2][3][4] 개발된 콰나트 기술은 페르시아 제국의 전신(가장 오래되고 긴 콰나트(3000년 이상 71km 이상)^[5]이며 페르시아와 접촉한 다른 문화권에도 퍼져 있다.

고대와 중세의 역사를 통틀어 대부분의 건축 디자인과 건축은 석조공이나 목수 같은 장인들이 마스터 빌더 역할을 하면서 수행되었다. 어떤 구조 이론도 존재하지 않았고 구조물이 어떻게 일어섰는지에 대한 이해는 극도로 제한되어 있었으며, 거의 전적으로 '이전에 효과가 있었던 것'에 대한 경험적 증거에 기초하고 있었다. 지식은 길드에 의해 유지되었고 진보에 의해 대체되는 경우는 거의 없었다. 구조는 반복적이고, 규모의 증가는 증분했다.^[1]

구조부재의 강도나 구조재료의 거동에 대한 최초의 계산에 관한 기록은 존재하지 않지만, 구조기술자의 직업은 산업혁명과 콘크리트의 재발명을 통해서만 실제로 구체화되었다(콘크리트 역사 참조). 구조 공학의 기초가 되는 물리 과학은 르네상스 시대에 이해되기 시작했고 그 이후로 계속 발전해 왔다.

초기 구조공학

구조 공학의 기록된 역사는 고대 이집트인들로부터 시작된다. 기원전 27세기에 임호테프는 이름만 대면 알려진 최초의 구조기술자였고 이집트에서 알려진 최초의 계단식 피라미드를 건설했다. 기원전 26세기에 이집트에 기자의 피라미드가 건설되었다. 그것은 수 천년 동안 가장 큰 인공 건축물로 남아 있었고 AD 19세기까지 건축에서 타의 추종을 불허하는 위업으로 여겨졌다.^{[citation needed]}

서구 세계의 구조 공학이 뒷받침하는 물리적 법칙에 대한 이해는 기원전 3세기로 거슬러 올라간다. 이때 아르키메데스는 다음과 같이 말하면서 '평면의 평형에 관한 연구'라는 책을 두 권으로 출간했다.

등거리에서 등가중치는 평형상태로, 등가거리에서 등가중치는 평형이 아니라 더 큰 거리에 있는 중량을 향해 기울어져 있다.

아르키메데스는 삼각형, 파라볼로이드, 반구 등 다양한 기하학적 형상의 중력 영역과 중심을 계산하기 위해 도출된 원리를 사용했다.^[6] 이것에 대한 아르키메데스의 연구와 미적분학과 기하학에 대한 그의 연구는 유클리드 기하학과 함께 현대 구조 공학에서 수학과 구조에 대한 이해의 많은 부분을 뒷받침한다.

고대 로마인들은 석조공학과 콘크리트로 큰 구조물을 개척하면서 구조공학에 큰 한계를 두었는데, 그 중 많은 구조물들이 오늘날에도 여전히 서 있다. 여기에는 수로, 보온대, 기둥, 등대, 방어벽, 항만 등이 포함된다. 그들의 방법은 건축에 사용되는 재료와 기계에 관한 광범위한 섹션이 있는 토목 및 구조 공학의 매뉴얼인 기원전 25년에 쓰여진 그의 De Architectura에 Vitruvius에 의해 기록되어 있다. 그들의 성공 이유 중 하나는 디옵트라, 그로마, 초로바테스를 기반으로 한 정확한 측량 기술이다.

중세기(11~14세기) 동안 건축가들은 금고의 측면 추진력과 버팀목과 측면 금고의 균형을 맞출 수 있었고, 높은 널찍한 구조물들을 지을 수 있었는데, 그 중 일부는 완전히 돌로 만들어졌으며, 수세기 동안 지속되어 왔다.

15세기와 16세기에, 그리고 빔 이론과 미적분이 부족함에도 불구하고, 레오나르도 다 빈치는 골든 호른을 가로지르는 다리 디자인을 포함하여, 과학적인 관찰과 엄격함에 근거한 많은 공학적인 디자인을 생산했다. 당시에는 기각되었지만, 그 설계는 그 이후 실현 가능성과 구조적으로 타당하다고^[7] 판단되었다.

현대 구조 공학의 토대는 17세기에 갈릴레오 갈릴레이, 로버트 후크, 아이작 뉴턴에 의해 3개의 위대한 과학 작품의 출판과 함께 세워졌다. 1638년 갈릴레오는 물질의 강도와 물체의 움직임의 과학을 요약하여 두 개의 새로운 과학에 관한 대화(중력을 본질적으로 일정한 가속도를 내는 힘으로 정의함)를 발표했다.^[8] 그것은 보를 위한 이론을 개발하려는 최초의 시도를 포함하여, 구조 공학에 대한 과학적 접근법의 첫 확립이었다. 이는 또한 구조해석의 시작, 건축구조의 수학적 표현과 설계로 간주된다.

이것은 1676년 로버트 훅의 후크 법칙에 대한 첫 번째 진술에 의해 뒤이어, 재료의 탄성과 하중 하에서의 그들의 행동에 대한 과학적인 이해를 제공했다.^[9]

11년 후인 1687년, 아이작 뉴턴 경은 그의 운동 법칙을 발표하면서 처음으로 구조를 지배하는 기본 법칙에 대한 이해를 제공했다.^[10]

또한 17세기에 아이작 뉴턴 경과 고트프리드 라이프니즈 경은 둘 다 미적분학의 기본 정리를 독자적으로 개발하여 공학에서 가장 중요한 수학 도구 중 하나를 제공하였다.^[11]

17세기 동안 구조 공학자들이 갈릴레오, 후크, 뉴턴의 연구를 통해 얻은 구조물에 대한 이해를 적용할 수 있도록 하는 데 필요한 수학의 추가적인 발전은 18세기에 Leonhard Euler가 많은 수학과 구조 공학자들이 st를 모델링하고 분석할 수 있게 하는 많은 방법들을 개척하면서 이루어졌다.술책을 부리다 구체적으로, 그는 대니얼 베르누이(1700–1782)와 1750년경 대니얼 베르누이 (1700–1782)와 함께 오일러-베르누이 빔 방정식을 개발했는데, 이는 대부분의 구조 공학 설계의 기초가 되는 기본 이론이다.^[12][13]

요한(Jean) 베르누이(1667–1748)와 함께 있는 다니엘 베르누이도 가상 작업 이론을 공식화한 공로를 인정받아 힘의 평형성과 기하학의 호환성을 이용한 도구를 제공하여 구조적 문제를 해결한다. 1717년 장 베르누이는 피에르 바리뇽에게 가상 작업의 원리를 설명하는 글을 썼고, 1726년 다니엘 베르누이는 "힘의 구성"^[14]을 썼다.

1757년에 레온하르트 오일러는 계속해서 오일러 좌굴 공식을 도출하여 압축 요소를 설계하는 엔지니어의 능력을 크게 발전시켰다.^[13]

현대 구조 공학 발전

19세기 후반에서 20세기 초반에 걸쳐, 재료 과학과 구조 분석은 엄청난 속도로 발전했다.

탄력성은 19세기 훨씬 이전에 이론적으로 이해되었지만, 클로드 루이스 나비에가 탄성 일반 이론을 수학적으로 사용할 수 있는 형태로 공식화한 것은 1821년이 되어서였다. 1826년의 그의 차원에서 그는 다양한 구조 이론을 탐구했고, 구조 엔지니어의 역할은 구조물의 최종적이고 실패한 상태를 이해하는 것이 아니라, 애초에 그 실패를 막는 것임을 처음으로 강조하였다.^[15] 1826년에 그는 또한 탄성 계수를 면적 2초와 독립된 재료의 속성으로 확립하여 엔지니어가 구조 거동과 구조 재료를 처음으로 이해할 수 있게 했다.^[16]

19세기 말경, 1873년 카를로 알베르토 카스티글리아노는 변위량을 변형 에너지의 부분파생물로 계산하는 그의 정리를 담은 논문 "Intorno ai sistemi elastici"를 발표했다.^[17]

1824년, 포틀랜드 시멘트는 엔지니어 조셉 아스프딘에 의해 영국 특허 5022호인 "포틀랜드 스톤과 닮은 우월한 시멘트"로 특허를 받았다. 비록 다른 형태의 시멘트가 이미 존재했고 (포졸란 시멘트는 기원전 100년, 고대 그리스와 중국 문명에 의해 더 일찍 사용되었음) 1750년대부터 유럽에서 공통적으로 사용되었지만, 아스프딘에 의해 만들어진 발견은 흔히 구할 수 있는 값싼 재료를 사용함으로써 콘크리트 건설이 경제적 가능성을 갖게 되었다.만병통통통^[18]

콘크리트의 발전은 1848년 조셉 루이스 램보트가 현대 철근 콘크리트의 선구자인 강도로 만든 노를 젓는 보트의 건설과 함께 계속되었다. 그는 W.B. 이후 1년 후인 1855년에 메쉬 보강과 콘크리트에 대한 그의 시스템을 특허를 얻었다. 윌킨슨도 비슷한 시스템에 특허를 냈다.^[19] 이는 1867년 파리의 조셉 모니에 의해 철근 콘크리트 심는 욕조가 램보트와 윌킨슨이 사용한 것과 유사한 철망 보강을 사용하여 특허를 얻었을 때 그 뒤를 이었다. 모니어는 이 아이디어를 추진하면서 욕조, 슬래브, 보에 대한 여러 특허를 출원했고, 결국 구조물의 긴장 영역에 위치한 철근 배근의 최초 사용인 보강 구조물의 모니어 시스템으로 이어졌다.^[20]

철강 건설은 헨리 베세머가 강철을 생산하기 위한 베세머 공정을 개발하면서 1850년대에 처음으로 가능해졌다. 그는 1855년과 1856년에 이 공정에 대한 특허를 획득했고 1858년에 주철로 변환하는 작업을 성공적으로 마쳤다.^[21] 결국 연강은 연철과 주철을 모두 건설의 선호 금속으로 대체할 것이다.

19세기 후반에는 주철을 사용함에 있어 큰 발전이 이루어졌고, 점차 연철 대신 선택 재료가 되었다. 찰스 베이지가 설계한 슈루즈베리의 디더링턴 플랙스 밀은 세계 최초의 내부 철골 구조 건물이었다. 그것은 1797년에 지어졌다. 1792년 윌리엄 스트럿은 더비의 벨퍼(벨퍼 웨스트 밀)에서 바닥을 형성한 벽돌 아치의 깊숙한 곳에 주철 기둥과 목재 빔을 사용하여 방화공장을 건설하려고 시도했었다. 노출된 빔 소피트는 회반죽으로 화재로부터 보호되었다. 벨퍼에 있는 이 제분기는 세계 최초의 내화 건물 건설 시도로, 화재 공학의 첫 사례다. 이것은 스트럿과 베이지의 합작품인 Belper North Mill의 건설과 함께 개선되었는데, 이것은 완전한 주철 프레임을 사용함으로써 세계 최초의 "방화" 건물을 상징했다.^[22][23]

포스 다리는 1889년 벤자민 베이커, 존 파울러 경, 윌리엄 아롤에 의해 건설되었는데, 그의 타이 레일 다리 붕괴로 토머스 보치의 다리 설계가 거부된 후 강철을 사용했다. 포스 브릿지는 강철을 사용한 최초의 주요 용도 중 하나였으며, 교량 설계의 랜드마크였다. 또한 1889년 구스타브 에펠과 모리스 코클린이 철로 만든 에펠탑은 이미 다른 곳에서 철로 건설되고 있음에도 불구하고 철로 건설의 가능성을 보여주었다.

19세기 후반, 러시아의 구조 엔지니어 블라디미르 슈호프는 인장 구조, 얇은 껍질 구조, 격자 껍질 구조, 하이퍼볼로이드 구조와 같은 새로운 구조 기하학적 구조에 대한 분석 방법을 개발하였다. 파이프라인 수송은 블라디미르 슈코프와 브라노벨 회사에 의해 19세기 후반에 개척되었다.

1892년부터 다시 철근콘크리트 설계를 진행하면서 프랑수아 헤네비크의 회사는 그의 특허 받은 철근콘크리트 시스템을 사용하여 유럽 전역에 수천 개의 구조물을 건설했다. 미국의 태드데우스 하얏트, 독일의 웨이스스 & 프리타그 등도 특허를 얻었다. AG Für Monierbauten이라는 회사는 1890년과 1897년 사이에 독일에 200개의 철근 콘크리트 다리를 건설했다. 그러나 철근 콘크리트의 위대한 선구적 사용은 20세기 초엽에 이루어졌고, 로버트 마이어트 등이 그 행동에 대한 이해를 증진시켰다. Maillart는 많은 콘크리트 교량 구조물에 상당한 균열이 있었고, 그 결과 균열이 생긴 부분이 다음 교량 설계에서 벗어났다는 것을 알아챘다. 즉, 콘크리트가 균열되면 강도에 도움이 되지 않는다고 정확히 믿고 있었다. 이것은 혁신적인 Salginatobel Bridge 설계를 초래했다. 빌헬름 리터는 1899년 철근콘크리트 보의 전단설계를 위한 트러스 이론을 공식화하였고, 1902년 에밀 뫼르슈가 이를 개선하였다. 그는 계속해서 압축된 콘크리트를 선형탄성물질로 취급하는 것이 그 행동에 대한 보수적인 근사치라는 것을 증명했다.^[25] 콘크리트의 플라스틱 분석(선형탄성 반대)을 기반으로 한 항복선 이론 등의 분석방법이 개발되고, 압축시^[26][27] 콘크리트의 응력분포 모델에 대한 다양한 변형이 발생하면서 그 이후 콘크리트의 설계와 분석이 진전되고 있다.

1928년 특허로 외젠 프레이시넷이 개척한 프리스트레스트 콘크리트는 긴장 속에서 콘크리트 구조물의 약점을 극복하는 새로운 접근을 했다. 프리스시넷은 1908년에 실험적인 프리스트레스트 아치를 건설했고, 이후 1930년 프랑스의 플로가스텔 다리(Plugastel Bridge)에서 제한된 형태로 이 기술을 사용했다. 그는 계속해서 마르네 강을 가로지르는 6개의 프리스트레스트 콘크리트 다리를 건설하면서 그 기술을 확고히 확립했다.^[28]

구조공학 이론은 1930년 하디 크로스 교수가 모멘트 분포법을 개발하면서 다시 발전되어 여러 복잡한 구조물의 실제 응력을 빠르고 정확하게 추정할 수 있게 되었다.^[29]

20세기 중반에 존 플리트우드 베이커는 철골 구조물의 안전한 설계를 위한 강력한 도구를 제공하면서 구조물의 가소성 이론을 발전시켰다. 손 계산법에 의한 분석을 넘어 복잡한 기하학적 구조를 만들 가능성은 1941년 알렉산더 렌니코프가 D를 제출하면서 처음 불거졌다.격자틀을 이용한 평면탄력성 문제의 분석에 관한 MIT의 논문. 이것이 유한요소해석의 발전의 전조였다. 1942년에 리차드 쿠란트는 유한요소분석을 위한 수학적인 기초를 개발했다. 이것은 1956년에 J에 의한 출판으로 이어졌다. 터너, R. W. Clough, H. C. 마틴, L. J. Topp의 "복잡한 구조물의 강도와 처짐"에 관한 논문. 본 논문은 '마이너트-원소법'이라는 명칭을 도입하였으며, 오늘날 알려진 바와 같이 이 방법을 최초로 포괄적으로 취급하는 것으로 널리 알려져 있다.^[30]

고층 건축은 19세기 후반부터 가능했지만 20세기 후반에 크게 발전했다. 파즐루르 칸은 많은 현대적인 고층건물의 기초가 되는 구조적 시스템을 설계했고, 1969년 존 핸콕 센터와 1973년 시어스 타워를 위한 그의 구조 설계에 그것을 채용했다.^[31] 고층 빌딩 설계와 건설에 있어서 칸의 중심적인 혁신은 높은 빌딩을 위한 "튜브"와 "번들드 튜브" 구조 시스템의 아이디어였다.^[32][33] 그는 프레임 튜브 구조를 "가장자리 또는 가장자리에서 결합하여 기초에서 캔틸레버링하여 어떤 방향으로든 횡력에 저항할 수 있는 수직 튜브 형태의 구조 시스템을 형성하는 3차원 공간 구조"^[34]라고 정의했다. 긴밀하게 간격을 두고 연결된 외부 기둥들이 튜브를 형성한다. 수평하중(예: 바람)은 구조 전체에 의해 지지된다. 외부 표면의 절반 정도가 창문에 사용 가능하다. 프레임 튜브는 내부 기둥 수를 줄여 사용 가능한 바닥 공간을 더 많이 만든다. 차고 문과 같은 큰 개구부가 필요한 경우, 튜브 프레임을 방해하고 구조 건전성을 유지하기 위해 트랜스퍼 거더를 사용해야 한다. 튜브 프레임 구조를 적용한 첫 번째 건물은 칸이 시카고에 설계한 드위트-체스트넛 아파트 건물이었다. 이는 세계무역센터 건설을 포함한 대부분의 후기 초고층 건축에 사용된 관 구조물의 기초를 다졌다.

파즐루르 칸이 개발한 또 다른 혁신은 외부 기둥에 하중을 전달함으로써 건물의 횡방향 하중을 줄인 X-브레이싱의 개념이었다. 이를 통해 내부 기둥의 필요성이 줄어들어 더 많은 층 공간을 만들 수 있었으며, 존 핸콕 센터에서 볼 수 있다. 최초의 스카이 로비도 1969년 칸이 존 핸콕 센터를 위해 설계했다. 나중에 스카이 로비가 있는 건물로는 세계무역센터, 페트로나스 트윈 타워, 타이페이 101 등이 있다.

1987년, Jörg Schlaich와 Kurt Schafer는 콘크리트 분석을 위한 스트럿과 타이 방법에 대한 거의 10년간의 연구의 절정을 발표했는데, 그것은 복잡한 콘크리트 기하학적 분석을 위한 또 다른 강력한 도구를 제공하는 코너와 관절과 같은 불연속 구조물을 설계하는 도구였다.^[35]

20세기 후반과 21세기 초반에 강력한 컴퓨터의 발달로 유한요소해석이 구조해석과 설계에 중요한 도구가 될 수 있었다. 유한요소 프로그램의 개발은 복잡한 구조물의 응력을 정확하게 예측할 수 있는 능력으로 이어졌고, 구조공학 설계와 아키텍처에 큰 진보를 허용했다. 1960년대와 70년대에는 시드니 오페라 하우스 지붕의 디자인에 처음으로 중요한 방법으로 컴퓨터 분석이 사용되었다. 많은 현대 구조들은 컴퓨터 분석을 사용하지 않고는 이해되고 설계될 수 없었다.^[36]

20세기 후반의 재료 이해와 구조적 거동의 발전은 중요했으며, 파단 역학, 지진 공학, 복합 재료, 재료에 대한 온도 영향, 동적 및 진동 제어, 피로, 크리프 및 오더와 같은 주제에 대한 상세한 이해가 개발되었다.rs. 현재 구조 공학에서 이용할 수 있는 지식의 깊이와 폭, 그리고 다양한 구조물의 범위와 그 구조들의 복잡성이 증가함에 따라 구조 엔지니어의 전문화가 증가하게 되었다.

참고 항목

• 기준격리
• 위생 및 상수도의 역사
• 콰나트 물 관리 시스템

참조

외부 링크

• "월드 엑스포스. 구조물의 역사". 아이작 로페스 세사르 지난 150년간 건축 구조의 역사.