Ⅲ. 설계에 적용된 기초강성의 검증
오류사항에 대해서 설명을 해보고자 다음과 같은 단순한 모델을 바탕으로 2.2절에서 언급한 오류가 무엇인지 살펴보자.
위의 그림과 같이 단부에 수평력과 모멘트를 받는 캔틸레버 기둥은 수평력을 받는 기둥과 모멘트를 받는 기둥으로 각각 분리해 볼 수 있다. 기둥 단부의 수평 변위와 회전각은 학부 때 배운 역학적 지식으로부터 값을 찾아 낼 수 있다.
2.2절에서 언급한 방법은 구조물의 기초강성을 어떻게 적용한 것일까?
수평력에 의한 변위로부터 수평강성을, 모멘트로 인한 회전각으로부터 회전강성을 산정하였다.
즉, 다음과 같이 강성을 정의한 것이다.
하지만 앞에서 살펴본 바와 같이, 수평력도 회전변위를 일으키고 모멘트도 수평변위를 유발한다.
강성이 옳게 정의 되지 않았으므로 해당 변위를 반영하여 강성을 다시 정의해보면 다음과 같다.
앞선 방법과 달리 추가적인 변위까지 고려했으니 이게 맞는 것일까?
간단히 검증해보자.
위 결과에서 보듯이 적용된 하중과는 상이한 하중이 산정됨을 알 수 있다.
즉, 필자가 풍력사업 진행시 사용한 방법은 틀린 방법인 것이다.
Ⅳ. 강성산정 방안 및 설계적용방안
사실 필자도 해당 내용을 의심해 보지 않았었다. 아니, 의심할 필요성을 느끼지 못하고 있었다. 그러다 우연히 기술사 공부에 대한 조언을 구하러 온 옛 동료와 술자리를 하던 중 힌트를 얻게 되었다. 설명이 너무 지루하니 결론으로 바로 들어가 보자.
기초를 1점 스프링으로 치환되어야 할 경우에는 “유연도 행렬”을 이용하여 강성도 행렬을 산정해야 한다.
앞선 예제를 다시 검증해 보자
즉, 강성도 행렬을 바로 구해서 스프링으로 입력하는 게 아니라 유연도 행렬을 구한 후에 역행렬을 취해서 스프링 강성을 입력해 주어야 하는 것이다.
이 글을 읽는 엔지니어 분들에게 좀 더 와닿게 설명을 하려다 보니 설명이 너무 지나치게 길었다.
그렇다면 실무에서는 해당 내용을 어떻게 반영할 수 있을까?
국내에서 주로 사용하는 구조해석 범용프로그램인 MIDAS와 SAP2000에서는 이를 고려할 수 있는 tool이 이미 프로그램 내에 탑재되어 제공되고 있다.
필자가 쓸일이 없으니 무심코 지나쳤을 뿐....
Ⅴ. 결언
본 고의 내용을 많은 엔지니어들이 해당 내용을 이미 알고 있고... 실무에 적용하고 있는데 본인만 몰랐던 것은 아닐까 하는 부끄러움과 걱정이 앞서지만, 행여 필자처럼 해당 내용을 간과하고 설계에 적용하고 있거나 고민을 해보지 않았던 엔지니어들이 있다면 그들에게 약간이나마 도움을 주고자 부끄러운 자기 고백글을 적었다.
기회가 된다면 다음 글은 기초설계시 적용되는 서론의 Method1, Method2, 풍력 발전기 진동기초에 설계방법에 관한 내용을 적어보고자 한다.
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구조를 사랑하는 토목구조기술사&건축구조기술사
