구조물의 모델화와 자유물체도(Free body diagram)

구조물 특히 건축물을 구성하는 기둥이나 보 등의 부재는 일정한 재료로 만들어지고, 두께가 있습니다. 그런데 구조물에 작용하는 힘을 해석하기 위해서는 이 부재를 가늘고 기다란 선재(선적인 부재)로 단순화해서 모델화를 해야 합니다.

 

■ <이전 글> 우력과 모멘트

 

구조물의 모델화

중력방향에 연직(세로방향)으로 서 있는 기둥을 가로 방향으로 자르면 기둥의 단면이 나타납니다. 이 기둥 단면을 따라 기둥의 질량이 분포하게 되는데, 이 질량이 한 점(일반적으로 중심)에 모여 있다고 보면 기둥은 선적인 부재로 생각할 수 있습니다. 이렇게 단순화(모델화)해서 보면 구조 부재는 요소, 접합부는 절점, 기초는 지점(지지점)이라고 할 수 있습니다.

 

 

 

자유물체도

구조물의 모델화를 일반적으로 표현하는 용어가 자유물체도입니다. 구조물에 작용하는 힘을 해석하기 위해서는 구조물을 단순화해서 해석하고자 하는 대상과 구속조건, 힘 등과 관련된 역학적인 조건을 이상화된 형태로 간략하게 표현해야 하는데 이것을 ‘자유물체도(free boody diagram)’이라고 합니다.

자유물체도를 그리는 과정은 크게 세 부분으로 나눌 수 있는데,

1. 해석하고자 하는 대상을 연결된 물체로부터 고립시킨다.
2. 이렇게 고립시켜 표현한 대상에 작용하는 모든 힘과 반력 성분을 표기한다. 작용력, 반력, 치수 등 알고 있는 값은 그 크기와 방향을 모두 기입한다.
3. 모르는 값 즉 구하고자 하는 값의 크기는 영문자 등을 사용하여 문자로 표기하고 그 방향을 임의로 가정하여 화살표로 표기한다. 나중에 평형방정식 등을 풀고 나면 가정한 값이 맞는지 여부를 부호(+또는 -)로 확인할 수 있다.

결국 건축구조물을 자유물체도로 나타내는 것이 모델화라고 할 수 있겠습니다.

건축구조물을 모델화하면 접합부는 절점, 기초는 지점(지지점)이 된다고 얘기했습니다. 절점에 해당하는 부분은 크게 3가지로 나눌 수 있습니다.

 

 

실제 구조계산에서 모델화를 어떻게 하는지는 다음 글을 참고하시기 바랍니다. 

▶ 구조역학의 기본 개념/ 구조물의 모델화/ 보의 하중 계산/ 일방향슬래브

 

구조물의 지점과 절점에 대해서는 다음 글을 참고하시기 바랍니다.

■ <다음 글> 구조물의 지점과 절점

■ 강구조의 모멘트접합과 전단접합

 

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