구조 공학

Structural engineering
파리의 에펠탑은 구조 공학의 역사적 업적이다.

구조 공학은 구조 공학자들이 인공 구조물의 형태와 모양을 만드는 '뼈와 근육'을 설계하도록 훈련받는 토목 공학 하위 분야이다.구조 엔지니어는 또한 건물 및 비건물 구조물[1] 안정성, 강도, 강성 및 내진 감응성을 이해하고 계산해야 한다.구조 설계는 건축가건축 서비스 엔지니어 등의 다른 설계자와 통합되며 종종 [2]건설업자가 현장에서 프로젝트 건설을 감독합니다.또한 구조적 무결성이 기능 및 안전에 영향을 미치는 기계, 의료 장비 및 차량의 설계에도 관여할 수 있다.구조 공학 용어집을 참조하십시오.

구조 공학 이론은 적용된 물리 법칙과 다양한 재료와 기하학의 구조적 성능에 대한 경험적 지식을 기반으로 합니다.구조 공학 설계는 복잡한 구조 시스템을 구축하기 위해 많은 비교적 단순한 구조 개념을 사용합니다.구조 엔지니어는 이러한 [2]목표를 달성하기 위해 자금, 구조 요소 및 재료를 창의적이고 효율적으로 사용할 책임이 있습니다.

역사

기원전 19년 경의 로마 시대의 수도관, 프랑스, 뒤 가르

구조 공학은 파라오 조저를 위한 계단 피라미드가 역사상 최초의 엔지니어 임호텝에 의해 건설된 기원전 2700년으로 거슬러 올라간다.피라미드는 피라미드의 구조적 형태가 본질적으로 안정적이고 [3]거의 무한히 확장될 수 있기 때문에 고대 문명에 의해 지어진 가장 흔한 주요 구조물이었다.

피라미드의 구조적 안정성은 주로 피라미드의 모양에서 얻어진 것이지만, 피라미드가 만들어진 돌의 강도와 그 [4]위에 있는 돌의 무게를 지탱하는 능력에 달려 있다.석회암 블록은 종종 건물 현장 근처의 채석장에서 채취되었으며 압축 강도는 30~250MPa이다(MPa = Pa6 ×[5] 10).따라서 피라미드의 구조적 강도는 피라미드의 기하학적 구조보다는 피라미드가 세워졌던 돌들의 물질적 특성에서 기인한다.

고대와 중세 역사를 통해 대부분의 건축 설계와 건축은 석공이나 목수 같은 장인에 의해 수행되어 건축의 달인 역할을 수행했다.구조에 대한 이론은 존재하지 않았고, 구조물이 어떻게 일어섰는지에 대한 이해는 극도로 제한적이었고, 거의 전적으로 '이전까지 효과가 있었던 것'과 직관에 대한 경험적 증거에 기초했다.지식은 길드에 의해 유지되었고 좀처럼 진보로 대체되지 않았다.구조물은 반복적이었고, 규모의 증가는 [3]증분적이었다.

구조 부재의 강도나 구조 재료의 거동에 대한 최초의 계산은 존재하지 않지만, 구조 엔지니어의 직업은 산업 혁명과 콘크리트의 재발명에 의해 구체화되었을 뿐이다(콘크리트 역사 참조).구조공학의 기초가 되는 물리과학은 르네상스 시대에 이해되기 시작했고 1970년대에 [6]개척된 컴퓨터 기반 응용 분야로 발전했다.

타임라인

갈릴레오 갈릴레이는 간단한 구조의 실패에 대해 연구한 두 개의 새로운 과학 을 출판했다.
아이작 뉴턴은 그의 운동 법칙을 담은 Philoshiae Naturalis Principia Mathmatica출판했다.
레온하르트 오일러는 기둥 좌굴 이론을 발전시켰다.

구조상의 장애

구조공학의 역사는 많은 붕괴와 실패를 포함하고 있다.때때로 이것은 명백한 태만이 원인일 수 있다, Pétion-Ville 학교 붕괴의 경우처럼.포틴 어거스틴은 3층짜리 교사가 부분적으로 붕괴되어 이웃들이 대피한 후 "건설에 대한 지식이 풍부하기 때문에 엔지니어가 필요하지 않다"며 건물을 혼자서 지었다.최종 붕괴로 94명이 사망했는데 대부분이 어린이였다.

다른 경우에는 구조적 실패에 대한 신중한 연구가 필요하며, 이러한 조사 결과는 개선된 관행과 구조 공학 과학에 대한 더 많은 이해를 가져왔다.이러한 연구 중 일부는 원래 엔지니어가 직업과 허용 가능한 관행에 따라 모든 것을 한 것처럼 보이는 법의학적 조사의 결과이다. 그러나 여전히 실패는 있었다.이와 같이 구조 지식과 실천이 발전한 유명한 사례는 1970년대 호주에서 붕괴된 박스 거더와 관련된 일련의 실패에서 찾을 수 있다.

이론.

전단 응력에서의 볼트 수치.위쪽 그림은 단일 전단, 아래쪽 그림은 이중 전단입니다.

구조 공학은 구조물이 어떻게 자기 무게와 가해지는 하중을 지지하고 저항하는지를 이해하고 예측하기 위해 응용 역학, 재료 과학 및 응용 수학의 상세한 지식에 의존합니다.이 지식을 성공적으로 적용하기 위해서는 구조 엔지니어가 일반적으로 관련 경험적 및 이론적 설계 코드, 구조 해석 기법 및 재료 및 구조물의 내식성에 대한 약간의 지식이 필요합니다. 특히 이러한 구조물이 외부 환경에 노출될 때 그렇습니다.1990년대 이후 AutoCAD, StaadPro, ETABS, Prokon, Revit Structure, Indexa RCB 등 구조물의 도면, 분석 및 설계를 최대한 정확하게 지원하는 기능과 함께 구조 설계를 지원하는 전문 소프트웨어를 사용할 수 있게 되었습니다.이러한 소프트웨어는 지진 및 바람과 같은 환경 부하도 고려할 수 있다.

직업

구조 엔지니어는 엔지니어링 설계 및 구조 분석을 담당합니다.초급 구조 엔지니어는 건물의 보 및 기둥과 같은 구조물의 개별 구조 요소를 설계할 수 있습니다.경험이 많은 엔지니어는 건물과 같은 전체 시스템의 구조적 설계와 무결성을 책임질 수 있습니다.

구조 엔지니어들은 종종 건물, 교량, 파이프라인, 산업, 터널, 차량, 선박, 항공기, 우주선과 같은 특정 유형의 구조물을 전문으로 한다.건축을 전문으로 하는 구조 엔지니어는 콘크리트, 철강, 목재, 석조, 합금, 복합 재료와 같은 특정 건축 자재를 전문으로 하는 경우가 많으며 사무실, 학교, 병원, 주거 등과 같은 특정 유형의 건축물에 초점을 맞출 수 있습니다.

구조 공학은 인간이 그들의 구조물을 처음 짓기 시작했을 때부터 존재해 왔다.그것은 19세기 후반 산업 혁명 동안 건축이 공학과는 다른 직업으로 등장하면서 더 정의되고 정형화된 직업이 되었다.그때까지 건축가와 구조 엔지니어는 같은 존재였습니다. 즉, 마스터 빌더였습니다.19세기와 20세기 초에 등장한 구조 이론에 대한 전문 지식이 발달한 후에야 전문 구조 공학자들이 생겨났다.

오늘날 구조 엔지니어의 역할은 정적 하중과 동적 하중, 그리고 이러한 하중을 견딜 수 있는 구조에 대한 상당한 이해와 관련이 있습니다.현대 구조물의 복잡성은 종종 구조물이 받는 하중을 지지하고 견딜 수 있도록 엔지니어의 엄청난 창의성을 필요로 합니다.구조 엔지니어는 일반적으로 4년 또는 5년 학부 학위를 취득한 후 최소 3년간 전문 교육을 받은 후 완전한 자격을 갖춘 것으로 간주됩니다.구조 엔지니어는 전 세계의 다양한 학회 및 규제 기관(예를 들어 영국의 구조 엔지니어 협회)에 의해 면허 또는 인증을 받습니다.학습한 학위 과정 및/또는 면허를 요구하는 관할권에 따라 건축 엔지니어, 토목 엔지니어 또는 토목 및 구조 엔지니어로 인정(또는 면허)될 수 있습니다.또 다른 국제 기구는 국제 교량 구조 공학 협회 for International Bridge and Structure Engineering.[7]이 협회의 목적은 지식을 교환하고 전문직과 사회를 위해 구조공학의 전 세계적인 실천을 발전시키는 것이다.

전문화

건물 구조

건축가 Jörn Utzon이 설계하고 구조설계가 Obe Arup & Partners가 설계시드니 오페라 하우스
Richard Rogers와 Buro Happold의 영국 런던의 Millennium
세계에서 가장 높은 빌딩인 두바이의 부르즈 칼리파(Burj Kalifa)가 2007년에 건설 중에 있습니다(완성 후).

구조 건축 공학은 건물의 설계와 관련된 모든 구조 공학을 포함한다.그것은 건축과 밀접한 관련이 있는 구조 공학 분야이다.

구조 건축 공학은 주로 재료와 형태의 창조적인 조작과 그 기능적 요건을 충족하고 합리적으로 예상할 수 있는 모든 하중을 받았을 때 구조적으로 안전한 목적을 달성하기 위한 기초적인 수학적 및 과학적 아이디어에 의해 추진됩니다.이것은 재료와 형태, 질량, 공간, 볼륨, 텍스처, 빛의 창조적인 조작에 의해 추진되는 건축 디자인과는 미묘하게 다릅니다.

건축가는 보통 건물의 수석 디자이너이며 구조 엔지니어는 부컨설턴트로 고용됩니다.각 분야가 설계를 주도하는 정도는 구조 유형에 따라 크게 달라집니다.많은 구조물은 구조적으로 단순하고 다층 사무실 건물 및 주택과 같은 건축물에 의해 주도되는 반면, 인장 구조, 그리드 쉘과 같은 다른 구조물은 그 강도에 대한 형태에 크게 의존하며, 엔지니어는 형태에 더 큰 영향을 미칠 수 있으며, 따라서 미적 측면의 상당 부분을 가질 수 있다.n 설계자.

건물의 구조 설계는 건물이 안전하게 서고 구조 요소의 피로, 고정 장치, 부속품 또는 칸막이의 균열 또는 고장 또는 거주자의 불편함을 야기할 수 있는 과도한 편향이나 움직임 없이 기능할 수 있도록 보장해야 합니다.온도, 크리프, 균열 및 가해진 하중에 의한 움직임과 힘을 고려해야 합니다.또한 재료의 허용 제조 공차 내에서 실질적으로 설계할 수 있는지 확인해야 합니다.건축이 작동하고 건물 서비스가 건물과 기능(에어컨, 환기, 연기 배출, 전기 장치, 조명 등)에 적합하도록 해야 합니다.현대식 건물의 구조 설계는 매우 복잡할 수 있으며 종종 많은 수의 팀이 완성해야 합니다.

건축물에 대한 구조 공학 전문 분야에는 다음이 포함됩니다.

지진 공학 구조물

지진 공학 구조물은 지진에 견딜 수 있도록 설계된 구조물이다.

지진 공학의 주요 목적은 구조물들과 진동 지반의 상호작용을 이해하고, 가능한 지진의 결과를 예측하며, 지진 중에 수행할 구조물의 설계와 시공에 있다.

지진에 강한 구조물은 위에 나온 치첸잇자의 엘 카스티요 피라미드처럼 반드시 매우 강하지는 않다.

지진공학의 중요한 도구 중 하나는 기초가 지면과 함께 자유롭게 움직일 수 있도록 하는 면진이다.

토목 구조물

토목구조공학은 건축환경과 관련된 모든 구조공학을 포함한다.이하가 포함됩니다.

구조 엔지니어는 이러한 구조의 수석 설계자이며, 종종 단독 설계자이기도 합니다.이와 같은 구조물 설계에서는 구조적 안전이 가장 중요하다(영국에서는 댐, 원자력 발전소 및 교량의 설계는 공인 엔지니어가 승인해야 한다).

토목 구조물은 종종 큰 온도 변화, 파도나 교통과 같은 동적 하중 또는 물이나 압축 가스의 고압과 같은 매우 극단적인 힘에 노출된다.또한 바다, 산업 시설 또는 지하와 같은 부식성 환경에서 건설되는 경우가 많습니다.

기계 구조

구조공학의 원리는 다양한 기계적(이동식) 구조에 적용됩니다.정적 구조물의 설계는 항상 동일한 형상을 갖는다고 가정하지만(실제로, 정적 구조라고 불리는 구조물은 크게 이동할 수 있으며, 필요한 경우 이를 고려해야 한다), 이동 또는 이동 구조물의 설계는 피로, 하중이 저항되는 방법의 변화 및 신호 전달을 고려해야 한다.구조의 ificant 편향.

기계의 부품에 가해지는 힘은 크게 다를 수 있으며, 큰 속도로 가해질 수 있습니다.보트나 항공기가 받는 힘은 매우 다양하며 구조물 수명 동안 수천 번 그렇게 할 것입니다.구조설계는 그러한 구조물이 전체 설계수명 동안 고장 없이 그러한 하중을 견딜 수 있도록 보장해야 한다.

이러한 작업에는 기계 구조 엔지니어링이 필요할 수 있습니다.

항공 우주 구조

세계에서 가장 큰 여객기인 에어버스 A380기
구조 해석의 심층적 이해에 대한 비산물 요구 설계

항공우주 구조 유형에는 발사체(애틀라스, 델타, 타이탄), 미사일(ALCM, 하푼), 극초음속(우주왕복선), 군용기(F-16, F-18) 및 상업용 항공기(보잉 777, MD-11)가 포함된다.항공우주 구조는 일반적으로 외부 표면, 벌크헤드 및 용접, 리벳, 나사, 볼트 등의 형태와 고정 장치를 지지하는 프레임이 있는 얇은 판으로 구성됩니다.

나노스케일 구조

나노구조는 분자구조와 현미경(마이크로미터 크기) 구조 사이의 중간 크기의 물체입니다.나노구조를 설명할 때 나노스케일의 차원수를 구별할 필요가 있다.나노 크기의 표면은 1차원을 가지며, 즉 물체의 표면 두께는 0.1~100nm 사이입니다.나노튜브는 나노스케일에 두 가지 치수를 가지고 있습니다. 즉, 튜브의 직경은 0.1에서 100 nm 사이입니다. 그 길이는 훨씬 더 클 수 있습니다.마지막으로 구형 나노입자는 나노스케일에 3차원, 즉 각 공간차원에서 0.1~100nm 사이이다.UFP는 마이크로미터 범위에 도달할 수 있지만 나노입자와 초미세입자(UFP)라는 용어는 종종 동의어로 사용됩니다.'나노구조'라는 용어는 자기 기술을 언급할 때 자주 사용됩니다.

의학을 위한 구조 공학

의료기기 설계에는 구조공학에 대한 심도 있는 이해가 필요합니다.

의료 장비(군비움이라고도 함)는 의료 상태의 진단, 모니터링 또는 치료에 도움이 되도록 설계되었습니다.몇 가지 기본적인 유형이 있습니다. 진단 장비에는 진단에 도움이 되는 의료 이미징 기계가 포함됩니다. 진단 장비에는 주입 펌프, 의료 레이저 및 라식 수술 기계가 포함됩니다. 의료 모니터는 의료진이 환자의 의료 상태를 측정할 수 있도록 합니다.모니터는 환자의 활력징후와 심전도, EEG, 혈압 및 혈액 내 용해 가스를 포함한 기타 매개변수를 측정할 수 있습니다. 진단 의료 장비는 예를 들어 당뇨병 관리를 위해 가정에서 특정 목적을 위해 사용될 수도 있습니다.바이오메디컬 장비 기술자(BMET)는 의료 제공 시스템의 중요한 구성 요소입니다.주로 병원에 고용된 BMET는 시설의 의료 장비를 유지관리할 책임이 있는 사람입니다.

구조 요소

정적으로 결정된 단순 지지 빔으로, 균등하게 분산된 부하에서 구부러짐

모든 구조는 기본적으로 소수의 다른 유형의 요소만으로 구성됩니다.

이러한 요소의 대부분은 형태(직선, 평면/곡선) 및 치수(1차원/2차원)에 따라 분류할 수 있습니다.

일차원 2차원
똑바로 곡선 비행기 곡선
(지속적으로) 구부러짐 미소짓다 연속 아아치 , 콘크리트 슬래브 라미나,
인장 응력 밧줄, 넥타이 현수막 껍데기
(중요한) 압축 교각, 기둥 내하력 벽

기둥은 축력(압축)만 전달하거나 축력과 벤딩(기술적으로는 보 기둥이라고 하지만 실제로는 기둥에 불과)을 모두 전달하는 요소입니다.기둥 설계는 요소의 축방향 용량과 좌굴 용량을 반드시 확인해야 한다.

좌굴 용량은 버클 성향을 견딜 수 있는 요소의 용량입니다.용량은 기둥의 형상, 재료 및 유효 길이에 따라 달라지며, 기둥의 상단 및 하단의 구속 조건에 따라 달라집니다.유효 길이는 { K입니다.l {\ l 컬럼의 실제 길이이고 K는 구속 조건에 따라 달라집니다.

축방향 하중을 전달하는 기둥의 용량은 기둥에 가해지는 굽힘 정도에 따라 달라지며, 그 반대도 마찬가지입니다.이 값은 교호작용도에 표시되며 복잡한 비선형 관계입니다.

비임

리틀 벨트: 덴마크트러스 다리

빔은 한 치수가 다른 두 치수보다 훨씬 크고 가해지는 하중이 보통 요소의 주축에 대해 수직인 요소로 정의할 수 있습니다.보와 기둥을 선 요소라고 하며 구조 모델링에서는 종종 단순한 선으로 표시됩니다.

  • 캔틸레버(일단 고정 연결만으로 지원)
  • 심플하게 지원(양단 수직변환 및 한쪽 끝 수평변환과 비교하여 지지대에서 회전 가능)
  • 고정(양단에서 번역 및 회전을 위해 모든 방향으로 지원)
  • continuous (3개 이상의 지원으로 지원)
  • 위의 조합(예를 들어 한쪽 끝과 중간에서 지지됨)

빔은 순수 벤딩만 전달하는 요소입니다.굽힘은 빔 섹션의 한 부분(길이에 따라 분할됨)을 압축하고 다른 부분을 장력으로 만듭니다.압축부는 좌굴 및 파쇄에 저항하도록 설계되어야 하며, 장력부는 장력에 적절히 저항할 수 있어야 합니다.

트러스

미국 미주리주 세인트루이스에 있는 교오바타의 맥도넬 플라네타리움, 콘크리트 조개 구조물
630피트(192m) 높이의 스테인리스(타입 304) 게이트웨이 아치. 미주리 주

트러스란 부재와 연결점 또는 노드로 이루어진 구조입니다.노드에 멤버가 연결되어 있고 노드에 힘이 가해지면 구성원은 장력 또는 압축으로 작용할 수 있습니다.압축에 작용하는 부재는 압축부재 또는 스트럿이라고 하며, 장력에 작용하는 부재는 장력부재 또는 침목이라고 합니다.대부분의 트러스에서는 가세트 플레이트를 사용하여 교차하는 요소를 연결합니다.가세트 플레이트는 비교적 유연하며 굽힘 모멘트를 전달할 수 없습니다.연결부는 보통 부재의 힘줄이 접합부에서 일치하도록 배치되어 트러스 부재가 순수한 장력 또는 압축 상태에서 작동할 수 있도록 한다.

트러스(Trus)는 일반적으로 솔리드 빔을 사용하는 것이 비경제적인 대규모 스팬 구조물에 사용됩니다.

접시들

플레이트는 두 방향으로 구부러집니다.콘크리트 평판이 판의 한 예이다.플레이트는 연속체 역학을 사용하여 이해되지만, 복잡성이 수반되기 때문에 대부분의 경우 성문화된 경험적 접근법 또는 컴퓨터 분석을 사용하여 설계됩니다.

또한 붕괴하중에 상한을 부여하기 위해 가정된 붕괴 메커니즘을 분석하는 항복선 이론을 사용하여 설계할 수 있다.이 기법은 실제로[8] 사용되지만, 이 방법은 잘못 설계된 붕괴 메커니즘에 대한 상한(즉, 붕괴 하중의 안전하지 않은 예측)을 제공하기 때문에 가정된 붕괴 메커니즘이 [9]현실적이라는 것을 보장하기 위해 상당한 주의가 필요하다.

조개껍질은 형태에서 힘을 얻어 두 방향으로 압축력을 전달한다.돔은 껍데기의 한 예이다.순수한 장력에서 현수막 역할을 하는 리프팅 체인 모델을 만들어 형태를 반전시켜 순수한 압축을 실현함으로써 설계할 수 있습니다.

아치

아치는 한 방향으로만 압축력을 전달하기 때문에 석조물로 아치를 만드는 것이 적절합니다.힘의 추력선이 아치의 깊이 내에 있도록 하여 설계됩니다.그것은 주로 어떤 구조물의 풍성함을 증가시키기 위해 사용된다.

용병

용병들은 그들의 형태에서 힘을 얻고 꺾임으로써 순수한 장력으로 횡력을 운반한다.이들은 거의 항상 케이블 또는 패브릭 구조입니다.패브릭 구조는 양방향으로 현수막 역할을 합니다.

자재

구조 엔지니어링은 다양한 재료가 하중을 지지하고 저항하는 방법을 이해하기 위해 재료와 재료의 특성에 대한 지식에 의존합니다.또한 부식 공학적 지식을 통해 이종 재료의 갈바닉 커플링을 방지할 수 있습니다.

일반적인 구조 재료는 다음과 같습니다.

「 」를 참조해 주세요.

메모들

  1. ^ FAO 온라인 출판물 Wayback Machine에서 2016-11-19 아카이브
  2. ^ a b "What is a structural engineer". RMG Engineers. 2015-11-30. Archived from the original on 2015-12-08. Retrieved 2015-11-30.
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  9. ^ "Reappraisal of a Simply Supported Landing Slab" (PDF). Ramsay-Maunder.co.uk. Ramsay Maunder Associates. 2011. Archived (PDF) from the original on 2016-03-04. Retrieved 2022-03-08.

레퍼런스

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추가 정보

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외부 링크