구조물의 설계에 있어서 해석기술과 설계기술은 어떻게 다른가?
1995년 고오베 지진 이후로 내진설계가 우리 사회의 중요한 문제로 대두되었다. 그리고 내진설계를 수행하기 위한 도구인 SAP2000 및 MIDAS 전산구조 프로그램이 도입된 이후로는 내진설계는 내진해석의 결과물로 인식되고 있다.
필자는 1997년 한국전력 전력연구원에서 교량용품업계로 이직하여 미국 DIS사와의 기술 제휴로 LRB라는 고무형 면진제품을 도입하는 실무 책임자로 참여했다. 그리고 면진제품을 설계하는 일을 수행한 경험이 있다.
면진설계를 위한 면진제품은 토목/건축기술자들에게는 다소 생소한 분야이기 때문에 면진제품의 설계는 전문업체에게 의뢰하는 경우가 대부분이다.
내진설계에서 지진하중의 결정은 구조물의 고유주기에 의해 결정되며, 면진구조물의 고유주기는 구조물의 단면과 면진장치의 설계에 따라 결정된다.
그렇기 때문에 필자는 설계사와 면진제품 제조사가 서로 데이터를 주고받으면서 구조물의 단면을 결정해야 한다는 섣부른 걱정을 했었다. 그리고 그 걱정이 DIS사의 기술교육을 통해 설계기술과 해석기술의 차이점을 이해하면서 명확하게 정리된 기억이 있다.
면진설계의 실무를 통하여 알게 된 내진해석기술과 설계기술의 차이점을 기술자들에게 설명하는데 있어서 능력의 한계를 느끼고 여전히 답답한 마음이 가득하다.
구조물의 해석과 설계는 동적해석만이 아니라 정적설계에서도 동일하다.
구조물의 고정하중은 단면의 크기에 따라 결정되기 때문에 설계는 단면을 가정하는 것으로 시작된다. 그리고 단면의 가정은 과거의 경험이 가장 중요하다. 가정된 단면에 대한 수치해석을 통해 과다철근 및 과소철근 등 시방규정에 따라 확인 과정을 거치는 것이 설계기술이다.
시방규정은 기술자들이 반드시 지켜야 하는 법률과 동일하지만, 해석기술의 수행 여부는 처벌의 기준이 되지 않는다.
교량받침을 사용한 면진설계를 수행함에 있어서 기술자들에게 가장 혼돈스러운 점은 여러 종류의 지진파형을 사용한 내진해석을 수행하라는 권고를 설계라고 인지하는 점이다.
내진해석은 모드해석이 기본이다.
교량구조물의 상판을 집중질량으로 모델링하는 과정에서 상판구조물은 병진하는 모드와 회전하는 모드가 존재하게 되며, 병진모드에 의해 각 교각에서 발생하는 지진하중의 크기는 큰 차이가 없다.
반면에 연속교의 경우, 회전모드에 의해 수직하중이 적은 교대에서 수평하중이 크게 발생하는 모순이 발생하게 된다.
또한 입력파의 종류에 따라서 각 모드별로 수평력의 차이가 발생하는 문제를 포괄적으로 수용하려고 하면 이상한 결과를 도출하게 되어 난감한 처지에 빠진다. 다양한 입력파에 의한 해석으로 부재의 단면을 결정하려고 하는 해석기술과 설계기술의 차이점을 이해하지 못했기 때문이다.
다른 예로, 필자는 면진설계를 담당하는 후학들에게 가장 먼저 구조물의 기본 주기를 1.5 ~ 2.0초 정도로 결정하도록 한다. 또한 각 교각의 받침 크기를 통일하라고 추천하지만, 나중에 납품되는 제품을 통해 설계의 기본을 무시하고 해석에 끌려간 결과를 보기도 한다.
기본 주기의 결정은
지진의 재현주기 및 스펙트럼의 형상적인 의미를 이해,
면진구조물이 허용할 수 있는 최대변위에 대한 이해,
온도신축 및 풍하중의 크기에 대한 이해,
면진제품을 생산하는 과정의 모든 문제점까지 인지하는 통찰력에서 출발한다.
“전산프로그램을 사용하는 해석기술은 고급기술이지만, 단면 가정 및 고유주기 결정과 같은 설계기술은 하위기술이다” 라고 생각하면 오산이다.
필자도 후학들에게 이정표가 될 만한 설계기술과 해석기술의 차이점을 기술한 대가들의 글을 읽을 기회가 그리 많지 않았다. 일본에서 지진을 공부한 사실과 교량받침 업계에 진출하면서 내진설계 및 면진설계는 일본책을 많이 참조하게 된다.
특히 필자와도 구면인 다가야마 선생은 "4초 면진으로의 길"을 저술하셨고, 일본의 면진분야에서는 선두주자이다. 책을 감수하시고 다가야마의 은사이신 다다선생님은 일본의 면진분야를 개척하신 분이다.
제1장 총론에서는 다음과 내용이 기술되어 있으며 문어체 표현 및 어려운 개념들이 많아 오역에 대한 두려움이 예상된다. 하지만 소개하고 싶은 욕망을 억제할 수가 없어, 앞으로 수정에 수정을 한다는 생각으로 일단 번역하여 보았다.
내진설계, 일본에서 건축물의 내진성은 濃尾地震(노비지진 1891년, Nobi earthquake)을 계기로 주목 받기 시작했다. 다음 해인 1892년에는 震災予防協会(지진피해예방협회, Association for Earthquake Disaster Prevention) 가 설립되고 목조 구조물의 구조방법에 관한 제안이 이루어졌다.
이러한 제안은 1914년에 佐野利器(Riki Sano, Japanese architect)가 발표한 「가옥내진구조론」에 포함되었다.
일본에서 건축물의 「구조안전」 및 「내진성」이 본격적으로 논의된 이후로 100여년이 경과된 지금, 내진설계의 내용을 정리하면 다음과 같다.
① 지진동의 예측
대상으로 하는 장소에 어떠한 진원을 생각할 수 있으며, 어떠한 지반진동이 예상될 것인가 (부지지반 선택문제의 정량화)
② 입력 및 응답의 예측
지반진동과 상부구조와의 상관관계 및 구조물의 거동 예측 (상부구조의 결정인자)
③ 응답예측과 골조의 응력예측
설계용 응력의 결정 (구조재료, 기법의 결정)
④ 부재의 결정
상세한 부재단면, 치수, 사양, 연결방법의 결정 (설계확정)
이른바, 외적인 입력에서 부재결정까지의 흐름이다. ①에서 ④로 진행됨에 따라 상황이 자세하게 되고, 이미지가 명확하게 된다.
현재의 과학, 기술의 수준에서는 어쩔 수 없지만, 1960년대까지는 ①, ② 문제에 대한 규명은 거의 포기하고, 진도법이라고 하는 이름으로 설계에 대한 약속을 법제화하는 것으로 만족했다.
③, ④에 대해서도 「정적」 문제로 취급하여 실제의 동적거동은 오직 설계자의 판단에 맡겼다.
진도법의 법제화에 중대한 영향을 미친 佐野利器(사노리키)와 眞島健三郞(마시마켄자부로) 두 사람에 의한 柔剛論爭(유강논쟁)은 지금 읽더라도 재미있다.
설계를 판단하는 입장에서는 두 사람의 논리는 서로 일치하지 못하고 어쩔 수 없이 막을 내리는 입장에 있다. 그러나 이러한 논쟁에는 어떤 부분적인 판단 자료가 제공되었던 것은 틀림없다.
이러한 상황 하에서 유능한 설계자는 법적 규제와는 별도로 자신의 책임으로 동적설계와 정적설계를 분리하여 모순을 맞추어 나갔다.
당시 동경대학 명예교수였던 梅村(우메무라)박사는 1971년 6월 건축잡지에 다음과 같은 내용을 기고하였다.
「최근에 매우 발전한 것은 해석기술의 측면이며, 정작 중요한 설계기술은 그다지 진보하고 있지 못하다. 우리들은 해석기술의 진보가 설계기술의 진보라고 착각해서는 안 된다. 여러 가지 구조 기준은 해석 기술적인 측면이 많으며 최근의 동적해석은 이름 그대로 해석기술이다. 동적설계라고 불리고 있지만, 내진설계에 한해서는 오래 전부터 동적설계라고 하더라도 그 해석기술은 한동안 정적해석이었던 것이다. 」
해석의 수단은 수학이며 역학이다. 이 말의 의미는 설계가 기술적임에 반하여 해석은 과학적이라고 말할 수 있다. 그러나 수학도 역학도 현실의 설계를 충분히 해석하여 얻은 실용의 영역까지는 미치지 못하고 있기 때문에, 실제로는 설계를 모델화하여 해석적인 상황으로 두는 것이다.
그 결과 설계는 구체적인 것임에도 불구하고 해석은 추상적이며 현실과 동 떨어진 것으로 된다. 이러한 상황에 대하여 모델화는 구조설계와 구조해석 사이의 "다리를 제공하는" 역할을 수행하는 것이라고 할 수 있다.
모델화는 설계능력의 중요한 부분을 맡는 것이며, 해석의 성과는 모델화의 형태에 달려있다고 할 수 있다. 모델화의 잘못은 해석을 수행하는 자체를 무의미한 것으로 만들며, 설계 자체를 틀렸다고 몰고 갈 가능성이 있다.
설계와 해석은 "닭과 알"의 인과관계에 있다고 할 수 있지만, 먼저 존재하는 것은 설계라고 생각한다. 왜냐하면 해석법에 근거하여 규정된 설계는 수단으로 예속되어 있으며, 구조적으로 우수한 조형물을 기대할 수는 없기 때문이다. 적어도 설계는 이상적으로 생각하는 조형물을 해석적으로 얻을 수 있도록 교묘하게 모델화하고자 하는 동기를 부여하는 것이어야 하기 때문이다.
설계자가 자신의 역학적 해석능력에 따라서 계산을 수행하고, 해석조건을 살릴 수 있도록 조형을 만들어 내면, 이는 그것만으로도 좋은 설계를 충분히 한 것이며 이러한 판단영역은 널리 존재하는 것으로 생각된다.
설계시스템이라고 하는 용어를 사용하면 해석은 하부시스템이다. 하부시스템이라는 것은 세분화하는 것을 말한다. 해석이라고 하는 하부시스템이 세분화하여 상위시스템의 기능을 감퇴시키는 요인이 되고 있지는 않은가.
설계력의 빈곤화라는 길을 걷지 않기 위해서는 각 국면마다 검증할 필요가 있다. 분석적인 연구는 설계자 스스로 심화시켜 나가는 것이지만, 이러한 연구를 종합적으로 적용하기 위한 고도화는 상당한 노력을 경주하지 않고서는 진행되지 않는다.
건축구조물은 설계도서 및 사양서에서 요구되어 있는 것처럼 완성되기는 상당히 어렵다는 사실도 여기서 지적할 필요가 있다.
재질 및 치수도 건설에 관여하는 사람들의 장기간에 걸친 경험에 크게 의존한다고 하는 사실도 무시할 수는 없다. 이와 같이 구조는 완성 후 검사 및 수정이 곤란하고 성능을 검사하는 방법도 불충분하다.
따라서 먼저 "생산"의 환경을 정비하는 것이 바람직하지만 건설현장이라고 하는 환경은 최악이라고 하지는 않더라도 품질관리에는 부적절한 장소이다. 따라서 설계자는 이러한 현실을 알고서 결정해야 한다.
또 다른 한 가지 중요한 사실은 설계결과를 확인할 수 없다는 것이다.
예상하지 못한 결과와 실패의 축적이 과학기술의 진보에서는 중요한 역할을 수행한다. 대부분의 공업제품은 실제로 사용하는 과정에서 성능을 확인할 수 있지만, 건축구조의 성능을 확인하는 것은 매우 어렵다.
"구조설계 즉 내진설계"라는 양상을 나타내고 있는 일본의 시스템에 있어서는 설계 및 건설의 경험은 축적되었다고 하더라도 세부적인 검증은 거의 되고 있지 않다.
1995년1월17일 오전 5시 46분, 고오베에서는 직하형 지진, 兵庫縣南部地震(효고현 남부대지진)이 대도시에서 발생하여 최근에는 보기 드문 막대한 인적, 물적 피해를 발생시켰다. 막대한 피해를 눈앞에서 목격하고서 다시 한 번 내진설계의 타당성이 논의되고 있다.
큰 피해를 받은 건물의 바로 근처에서 아무 일도 없었던 것처럼 무피해의 건물이 멀쩡하게 있기도 하고, 지금까지 볼 수 없었던 접합부의 손상이 발견되기도 하고, 지진은 앞으로의 검토 과제를 수 없이 많이 남겨주었다.
고오베지진으로 제기된 문제를 해결하기 위해서는 건물의 안전성이라고 하는 명제를 신중하게 대처하는 환경을 만들 필요가 있다.
현재의 일반적인 구조해석계산의 방법으로서, 건축구조의 안전성을 명확하게 나타내는 것은 불가능하다. 각각의 구조부재 및 접합부재를 끄집어내면 공통의 기준으로서 안전율은 결정할 수 있을지는 모른다.
계산수법을 결정하고 계산을 수행하는 것은 가능할지 모르지만, 이것이 현실을 제대로 반영하고 있을 지는 의심스럽다. 안전성 계산의 장해가 되는 불확정 요인을 나열하여 보면, 문제를 설계범위에 한정하더라도 구조의 동적해석에 관계하는 것만으로도, 지반진동, 입력의 형상, 지반의 장기적인 안전성, 골조의 응력해석(골조의 역학, 중량, 강성, 접합, 탄소성거동, 복합된 이종재료의 상호관계.... ) 등의 유력한 인자들이 서로 다른 가중치를 가지고 등장하게 된다.
여기서 모델화를 수행하여 각 요소의 가중치도 모델화에 포함하는 단순화, 종합화를 시도하게 되지만, 연구분야 및 연구그룹마다 다른 사정이 있으며 의견도 복잡다양하다.
유기적인 종합성이라는 점에서는 아직도 부족하다는 감을 부정할 수는 없다.
내진문제에서 가장 중요한 문제는 "입력과 응답"이다.
구체적인 건물의 지진시 거동을 연상하지 않으면 종합적인 판단을 하지 못한다. 실질적으로 지진시 거동의 연상은 설계에 있어서 결단해야 하는 정량성과 비교하면 너무나 추상적이고 편의적인 영역에 머물고 있다.
대개의 구조설계자는 반복 수행하는 수치계산에 따라서 계산오차 및 유효자리수, 상용설계식이라고 하는 계산식의 현실 적응도 등을 직감적으로 체득하는 것은 아닐까. 구조물을 실현의 과정 및 생각하지 못한 붕괴, 또는 실험의 기회 등을 거쳐서 설계능력을 갈고 닦는 것이다.
그렇게 배양된 전체적인 균형감각을 구사함으로서 안전성이 추구되는 것이며, 어쩌면 이러한 균형감각 자체가 내진안전성을 지지하고 있는 것이다. 이러한 감각이 있음으로서 처음으로 다양한 조형물의 모델화, 해석방법의 선택이 가능하게 된다.
성철스님 및 법정스님과 같은 큰 스님들은 한마디 한마디에 심오한 뜻이 있는 것처럼, 과연 각 분야에 있어서 대가 분들은 무엇인가 다르다는 느낌을 받은 글이다.
본 글을 읽는 네티즌들이 공감하기 위해서도, 좀 더 구체적인 내용으로 알기 쉽게 설계기술과 해석기술의 차이점을 논하고자 했다. 그리고 설계기술과 해석기술을 혼동함으로서 우리들이 얼마나 많은 잘못을 하고 있으며 또한 위험성도 내포하고 있는지를 발주처를 포함하여 결정권자들이 깨달았으면 한다.
필자도 내진설계가 한참 이슈가 되는 1990년대 중반에 교량용품업계로 직장을 옮긴 이후로 설계사들을 상대로 면진교량을 홍보하는 과정에 느낀 점도, 엔지니어들이 설계기술과 해석기술의 차이점에 관한 이해가 부족하다는 점이었다.
앞서 말했듯 납면진받침을 도입하기 위하여 미국의 DIS사와 기술협력을 체결하고 제법 장기간에 걸쳐 설계기술을 전수받았다. 이러한 납면진받침의 설계기술이란 교량구조물 전체의 해석보다는, 온도하중과 같은 상시적인 변위의 결정, 지진하중에 의한 변위의 결정과 같은 것이며, 산출된 변위에 대하여 납면진받침의 안전성에 대한 검토를 포함하고 있다.
당시에 DIS사는 PC-LEADER라는 설계프로그램을 사용하였으며 필자는 프로그램이 갖는 있는 알고리즘을 이해하고 그 창의성에 감탄하기도 했다.
납면진받침의 설계프로그램이라고 하여 결정된 설계치를 제시하는 것이 아니다. 프로그램은 고무받침의 특별시방서를 만족하는 수많은 경우를 제시하고, 설계자는 여러 경우 중에서 경제성, 제작의 편리성, 시공의 편리성 등 프로그램이 알지 못하는 수많은 조건을 고려하여 특정의 설계값을 결정하는 것이다.
이러한 설계값을 결정함에 있어서, 초기에는 미국에서 한국측(필자)에게 이러한 판단을 맡겨주지 않았다.
한국측에서 교량의 제원을 알려주면, 납면진받침의 제원을 미국측에서 결정하고 그러한 결정을 하게 된 이유 및 배경을 설명하면서 한국측에서 설계기술력을 배양하도록 도와주었다.
미국으로부터 이러한 과정을 거친 후, 당시에 기술본부장으로 재직했던 필자는 프로그램을 구동하기 위한 교량의 제원과 같은 입력데이터는 직원들이 작성하지만, 납면진받침의 제원을 결정하는 마지막 단계는 결코 직원들에게 맡기지 않고 반드시 필자가 결정하였다.
그러나 교량을 설계하고 책임을 져야하는 설계사 입장의 설계기술자들은, 교량받침업체에서 제시한 납면진받침의 설계제원을 설계값으로 인정할 수 없는 문제가 대두하였다.
따라서 자격을 갖춘 설계사에서 설계한 것으로 인정받기 위해서는 공식적인 절차로서 SAP2000 또는 MIDAS와 같은 상용프로그램으로 내진해석을 수행한 서류 제출을 요구 받기 시작하였다. 그리고 면진교량의 설계과정에서 필수적인 서류로 자리 잡았다.
이러한 면진설계의 흐름에 대하여, 설계사들은 내진설계를 하는 것이 아니라 내진해석을 하고 있으며, 설계기술과 해석기술은 서로 상이한 것이기 때문에 내진해석이 내진설계가 될 수 없음을 강조하고 있다.
최근 챗GPT는 최고의 뉴스거리이다. 전문가들의 사용 후기에 의하면 질문을 잘하고 또한 세부적으로 들어가면 갈수록 똑똑해 진다는 평가이다.
설계기술과 해석기술과 같은 개념적인 표현은 인공지능이 보다 잘 이해하고 있을 지도 모른다는 생각에서 한번 대화를 해 보았다. 영어가 한글보다 똑똑하다고 하여 영어로 물어본 내용을 번역기를 통해 번역하였다.
현재 알려진 것처럼 가끔 거짓말을 하는 경우가 있으며, 인간이 판단할 능력만 갖추면 세상을 바꿀 도구가 생겼다는 것도 사실인 것 같다.
질문-1 : 토목/건축 구조물에 있어서 설계기술과 해석기술의 차이점을 설명해 주세요.
답변-1 : 설계기술과 해석기술은 토목 및 건물 구조물 기술의 두 가지 중요한 측면으로, 엔지니어가 설계한 구조물이 안전하고 기능적이며 요구되는 기준을 충족하도록 다양한 방식으로 지원합니다.
설계기술은 엔지니어가 건물이나 구조물의 초기설계를 만드는 데 사용하는 도구, 기술 및 프로세스를 말합니다. 여기에는 구조물의 모양, 크기 및 재료 사양을 결정하는 작업이 포함됩니다. 설계기술에는 CAD 소프트웨어의 사용이 포함되며 엔지니어가 구조물의 상세한 2D 및 3D 모델을 만들 수 있습니다. 기타 설계도구에는 수작업 계산, 엔지니어링 설명서, 표준 및 프로토타이핑이 포함될 수 있습니다.
반면, 해석기술은 건축물이나 구조물의 구조적 성능을 분석하기 위해 엔지니어들이 사용하는 도구, 기술 및 프로세스를 의미합니다. 여기에는 바람, 지진 및 눈 하중과 같은 다양한 하중 조건에서 구조물의 강도와 안정성을 평가하는 작업이 포함됩니다. 해석기술에는 다양한 조건에서 구조물의 구조적 거동을 시뮬레이션 하는 유한요소해석(FEA) 프로그램의 사용도 포함됩니다. 기타 해석도구에는 실험실 테스트, 물리적 모델링 및 수학적 모델링이 포함될 수 있습니다.
요약하자면, 설계기술은 건물이나 구조물의 초기설계를 만드는 데 사용되고, 해석기술은 건물이나 구조물의 구조적 성능을 평가하는 데 사용됩니다. 두 기술 모두 건물이나 구조물이 안전하고 기능적이며, 요구되는 기준을 충족시키는 과정에서 매우 중요합니다.
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