구조최적화 분야는 작게 보면 구조공학의 한 분야에 불과하지만 그것이 지향하는 목표가 보다 근원적이고 원대한 것일 뿐만 아니라, 설계 자체가 복잡하고 다양한 선택과 결정의 과정인 터에, 세부대상이나 접근방법에 따라 여러가지 부 영역을 포괄하는 방대한 연구 영역을 이루고 있다. 크게 대상으로 보아 단면, 기하, 또는 형상과 위상 최적화 등으로 나눌 수 있고, 보다 상급과제로 그들을 통합하는 배치최적화 등이 있다. 다른 한편으로 방법이나 도구로써 각종 수치계산 알고리즘 및 민감도해석과 함께 CAD나 EXPERT SYSTEMS 등을 활용하는 방법 등이 활발히 연구되고 있는 바, 여기서는 구조시스템이 하나의 대규모 공학시스템이라는 본질적 측면에 입각, 복잡한 대형구조시스템의 최적화를 위한 기본이론과 방법을 다루어 보고자 한다.
이 글에서는 PC가 구조공학에 이용되고 있는 분야를 살펴 보았고, 그중 특히 PC의 계산능력과 그래픽을 이용하여 구조설계시 자주 발생하는 문제를 해결하는 예를 고려해 보았다. 철근 콘크리트 예에서는 기둥의 해석 및 설계문제를, 강구조 예에서는 연결부의 조임재군이 편심 하중을 받는 문제를 각각 예시하였다. 여기에 든 예 외에도 이러한 구조 설계용의 PC용 소프트웨어는 얼마든지 개발될 수 있고 실제로 이와 같은 프로그램들은 설계사무소나 엔지니어링 회사에서 매우 유용하게 이용되고 있다. 뿐만 아니라 PC용의 이러한 소프트웨어는 설계과정을 단계적으로 전개시켜 나감으로써 학생이나 실무 엔지니어의 교육용으로도 개발되어질 수 있을 것이다. 또한 수백장의 숫자나 말 보다도 한장의 그림이 공학적인 의사전달에 더욱 큰 역할을 한다는 점을 감안한다면 PC가 더욱 구조공학 분야에 이용될 전망이고 그에 따르는 많은 소프트웨어들이 빠른 속도로 개발될 것으로 생각된다.
현재 심해에서의 석유개발을 위하여 사용되는 구조물의 설계 및 해석에 관한 기술은 수심 약 600 m까지 어느 정도 확립되어 있고, 또한 극지환경하에서의 석유개발용 구조물에 관한 기술도 상당한 수준에 올라 있다고 판단된다. 그러나 아직도 많은 분야에 걸쳐 기술의 개발과 개선을 요구하고 있다. 아울러 이에 관계되는 많은 문제들은 구조공학적인 분야만이 아니라 기계, 재료, 전자, 조선, 해양공학 등 거의 모든 공학분야의 기술이 총체적으로 지원되어야만 해결이 가능하게 된다. 본 고에서는 심해 및 극지유전개발에 사용되고 있는 구조물을 소개하고 이들이 가지고 있는 기술적인 문제점에 대해서 살펴보고자 한다.
본 학회의 Newsletter Vol. 11. No. 4의 "전산 구조 자료실"에서 소개한 인터넷을 이용한 "토목공학분야의 웹사이트(web site)"에 이어서 토목구조공학분야의 전문 웹사이트 중의 하나인 IABSE (International Association for Bridge and Structural Engineering)에 대해 간단히 소개하고자 한다. 먼저, 인터넷망을 이용하여 IABSE의 홈페이지를 찾기 위한 웹주소 즉, URL은 http://iabse.ethz.ch/iabse.html이고 홈페이지의 초기화면 구성은 그림 1과 같다. 그림에서 볼 수 이TSms 바와 같이 유럽을 중심으로 구성된 국제적인 학회인 특색 때문에 3개 언어로 학회명을 표기하고 있는점이 특이하게 느껴진다. 홈페이지에서 제시한 바와 같이 IABSE는 비영리 단체로서 구조공학분야의 관련 지식을 국제적으로 교류하고자 1929년 설립되어 70년 남짓의 오랜 역사를 가지고 있다. 현재 전세계에 걸쳐 약 101개국에서 4000여명 이상의 회원을 확보하고 있는 구조공학관련 국제 전문학회로서 사무국은 스위스의 취리히에 두고 있다. 우리 나라의 경우에는 아시아에서 일본, 인도, 중구에 이어 네 번째로 많은 회원을 보유한 국가이다. 홈페이지는 다음과 같은 7개의 항목으로 구성되어 있다. 뉴스와 정보교류(News-Info Exchange) IABSE의 소개(About IABSE) 학술회의(Conferences) 출판물(Publications) Structural Engineering International(국제 학회지) 회원(Membership-Directory) 유용한 연결 사이트(Links) 각 항목에 대하여 소개되고 있는 내용을 간략하게 살펴보면 다음과 같다.
Structure와 flow, 크게는 인간생활과 자연생활을 대상으로 하는 풍공학에 있어서 가장 중요한 해석방법으로써 전산해석과 풍동실험을 들 수 있다. 금세기 후반에 들어 컴퓨터의 출현 모든 공학분야의 발전에 크게 기여하고 있다는 것은 모두가 인지하는 사실이다. 풍공분야에 있어서도 컴퓨터는 데이타의 처리를 양적으로는 물론 질적으로도 크게 향상시켜주었고 유동장에 구조물이 존재할 때 그 주위를 통과하는 유체에 대한 기존의 사고방식에 새로운 변화를 주고 있다. 그러나 유체라는 것은 매우 복잡하여 이상화된 이론적 취급만으로는 충분히 규명될 수 없는 점도 있고 또한, 이론의 결과를 실제에 이용하기 위해서는 그것을 확인할 필요가 있기 때문에 풍동실험을 하게 된다. 최근 컴퓨터의 발달과 계산기술의 향상에 큰 성과를 올리고 있으나, 구조물의 유체력탄성거동시에 구조물에 미치는 비정상유체력의 평가에는 풍동실험을 이용하는 것이 현재의 풍공학의 주류라 할 수 있다. 본 고에서는 현재 풍공학에서 다루어지고 있는 주요 토픽 중 몇가지를 컴퓨터를 이용한 수치해석적 입장과 풍동을 통한 실험적 입장에서 고찰해 보고자 한다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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