토목공학

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토목공학 · 건축공학
Civil Engineering · Architectural Engineering
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1. 개요2. 역사3. 건축학과의 비교4. 분야5. 토목공학과6. 기타7. 관련 문서

1. 개요

土木工學 / Civil Engineering

지구를 조각하는 학문으로 불리며, 도로·철도·운하·항만·공항·교량·터널·댐·수도 등 문명을 창출해 나가는 데 필요한 구조물들을 공학 지식을 기반으로 설계/시공/관리하는 공학의 제 분야이다.

2. 역사

다른 공학분야와는 비교도 안 되는 유구한 역사를 자랑하고 있는 공학으로, 또한 다른 공학과 달리 고대부터 공장(工匠)[1] 계열이 아닌 공학이다. 토목공학은 사실상 문명이 시작된 곳에서 함께 시작되었다. 그렇기에 인류 역사상 가장 오래된 학문으로 일컬어진다. 그 역사는 고대 메소포타미아 때로 거슬러 올라갈 정도이다. 이집트 역시 토목공학이 발전했던 나라로, 당시 토목 쪽에서 신통방통하기로 유명한 나라였다. 그 결실이 바로 유명한 피라미드. 또한 고대 로마는 뛰어난 가도 체계로 인해 이탈리아와 프랑스, 독일의 도로 중에서 오래됐다 하는 도로들 중에는 로마 시절에 길을 낸 것을 조금씩 고쳐가면서 현재까지 쓰고 있는 경우도 엄청 많다. 발달된 사회와 수준 높은 문화로 이름 좀 날린 국가는 토목 분야에서도 상당한 업적을 남겼다.

'토목'이라는 단어의 어원은 흙을 쌓고 나무를 얽는다는 뜻의 축토구목(築土構木)이란 말로, 삼국사기와 조선왕조실록에 '토목'이라는 말이 등장한다.[2] 영어로 하면 Civil Engineering으로, Military Engineering, 즉 공병이 담당했던 공학지식이 민간으로 넘어 왔기 때문에 대비되는 말로 쓰기 시작한 것이다. 이는 미서부의 상징물인 금문교를 제안/설계/시공/감독한 최초의 Civil Engineer라 불리운 조셉 스트라우스 이후 널리 퍼지기 시작하였다. 또한 다른 의미로도, 실로 시대의 '문명'을 담당하고 있다는 데에서는 이견이 없다시피 할 것으로 보인다.

3. 건축학과의 비교

건축학과 종종 비교되며 "건축은 설계, 토목은 시공"으로 오해하는 사람들이 많으나, 실제로는 건축설계 / 건축시공 / 토목설계 / 토목시공이 각각 있으며 분야와 관점이 확연히 구분된다. 둘의 관점과 분야가 전혀 다르기 때문에 토목설계와 건축설계가 다루는 분야도 딴판인 경우가 많다. 또한 토목시공과 건축시공도 들어가는 자재와 장비가 전혀 다르며, 중점적으로 보아야 할 것 또한 다르다.

토목공학은 공병이 다루던 기술을 민간에서 다루는 것이기 때문에 군대에서 공병(그중에서도 시설공병)이 다루는 분야는 모두 다룬다. 다리를 짓고 도로를 까는 것 뿐만 아니라 상수도나 하수처리시설 같은 환경 관련 분야 또한 모두 토목공학이 다루는 분야이다. 당연히 건물도 짓는다. 일반적으로 토목공학은 대규모의 사회기반 시설, 즉 다리, 댐, 도로, 상/하수도 등의 시설이나 공항, 지하철 등 많은 사람이 이용하는 큰 구조물 등을 건설하는 것을 목적으로 하며, 건축공학은 빌딩, 아파트 등 사람이 직접 이용하고 상대적으로 소규모인 건물을 짓는 것을 목적으로 한다.[3]

"건축은 설계, 토목은 시공"과 함께 대표적인 오해 중 하나는 "토목은 기초공사, 건축은 건축(설계/시공)"이라는 오해인데, 이것은 건축학에서 측량학과 토질역학을 다루지 않기 때문에 발생하는 문제이다. 이 두 학문은 큰 구조물을 지으려면 반드시 필요한 학문인데 건축학에서는 이것들을 다루지 않으니 큰 건물을 지으려면 이를 다루는 토목공학의 지식이 필요하게 되는 것이다. 즉, 건축학의 부족한 부분을 채우기 위해 토목공학의 지식을 빌려오는 것일 뿐이지 토목공학이 기초공사만 하는 학문인 건 아니다.

4. 분야

크게 나누어보자면 다음과 같다.

정역학 Statics
멈춰있는 물체를 다루는 학문이다. 처음에 중·고등학교 때 배운 삼각함수 및 벡터를 이용해서 힘을 표현하는 법을 배운 후, 벡터의 외적을 이용해서 '모멘트'라는 회전하는 힘을 다루는 법을 배운다.~~비극의 시작~~
이 모든 것을 배운 후 정지된 물체에 작용하는 힘 및 모멘트의 합은 0이라는 식을 세우며 여러 가지 힘과 모멘트에 관한 원리를 배운다. 그리고 전체가 평형이면 부분도 평형이라는 원리를 이용하여 내력의 개념을 배운 후, 트러스/보/프레임에 작용하는 내력을 계산하는 법을 배운다. 마지막으로 부재의 단면에 대한 상수(단면 1차 모멘트, 단면 2차 모멘트 등)를 배우고 끝낸다. 알다시피 고등학교에서 물리학Ⅰ, 물리학Ⅱ를 공부하고 오면 편하다.

응용역학 (고체역학, 재료역학) Solid Mechanics
위의 서술한 정역학이 기본이 되는 과목으로, 정역학과는 다르게 응용역학에서의 물체는 강체가 아닌, 변형을 일으킬 수 있는 변형체라고 가정한다. 이 과목은 기계공학과 및 재료공학과에서도 배우는 과목이기도 하다.
Gere의 재료역학 7판의 순서를 기준으로 배우는 걸 말하자면

응력과 변형률의 정의 및 재료 내에서의 응력-변형률 관계
축하중을 받는 부재의 응력, 변형률 및 변위 구하기(부정정문제, 에너지법을 이용한 충격하중 계산 등이 포함됨)
비틀림을 받는 부재에서의 전단응력, 비틀림각 구하기
부재의 내력 구하기(정역학과 내용 중복)
휨을 받는 보에서의 수직응력 및 전단응력
휨을 받는 보에서의 수직응력을 더 깊게 파고든다.
응력 변환
원통형 압력용기 및 구형 압력용기에 작용하는 인장응력 및 복잡한 하중을 받는 부재의 응력상태 계산
보의 처짐 계산
간단한 부정정구조 해석
기둥의 좌굴(얇고 긴 막대기가 눌림을 받았을 때 길이가 줄어드는 대신 옆으로 휘는 현상)

유체역학 Fluid Mechanics

측량학
제 점간의 위치를 정의하는 학문이다. 본래 측량(測量)이란 말은 측천양지(測天量地)의 준말인데, 학문 그 자체로서 발전되어 있으며 발전 속도가 가히 경이적이다. 브라질이나 미국, 러시아 등 큰 나라에서는 굉장히 발달해 있다.
초창기에는 평판(측판)측량을 썼으나 기술의 발달로 현재 주로 쓰이는 측량기기는 크게 트랜싯, 광파조준의, 이 둘을 합친 토탈스테이션(Total Station), 표고를 산출하기 위한 레벨(수준의), 그리고 직각좌표와 표고를 동시에 산출할수 있는 GNSS(GPS) 측량기 등이 있는데, 이 GPS측량도 Static[4], Single-RTK[5], Network-RTK (VRS, FKP, MAC)[6], DGPS 방식 등이 있다.
측량 기기는 Topcon, Sokkia, Leica, Trimble 등이 주로 쓰이는데, GPS분야는 Trimble이 독보적인 성능을 자랑한다.[7] 최근에는 3D 스캐너라 불리는 지상 LiDar도 하나둘씩 선보이고 있으나 워낙에 비싼 가격이라 아직은 대중화되지를 못하고 있다.
주로 사용되는 소프트웨어로서 측량 내업 등은 AutoCAD Map 3D버전 같은 특화된 버전을 주로 쓰고, 애드온으로 Dream을 많이 쓰며, GIS 분야는 ArcGIS를 주로 쓰나 QGIS 같은 무료 오픈프로젝트 프로그램이 많이 각광받고 있다.

구조역학 Structural Mechanics
정역학, 응용역학을 이수한 이후 여러 가지 구조의 해석법과 계산법을 배운다. 주로 2D에서 많이 다루며, 3D로 가는 경우는 학부과정에서는 드물지만 기본적으로 풀 수는 있는 수준이다. 두 학기에 걸쳐서 배우게 되며, 첫 학기에는 그나마 쉬운 정정구조물 해석을 배우고 두 번째 학기에는 복잡다단한(정정구조물보다 계산과정이 더 길고 힘들다.) 부정정구조물 해석을 배운다. 프로그램(MAIDAS, SAP)을 같이 돌리는 경우에는 이를 같이 해석해야 한다.
가장 근간이 되는 과목이므로 반드시 제대로 들어야 한다. 일부 학교에서는 matlab 코딩으로 간단한 구조를 해석해주는 프로그램을 짤 것을 요구한다. 제발 베끼지 말고 꼭 본인이 짜라. 며칠 밤 새더라도 그게 다 자산이 된다. 계산기는 6by6 이상 연산되는 계산기가 필요하다. 최소 4by4 이상.

지질공학 Geotechnical Engineering
토질역학, 기초공학, 암반역학 등을 합쳐서 지질공학이라 한다. 학부과정에서는 토립자의 부피나 간극을 수학적으로 계산해야 하며, 토립자의 직경에 따라 흙의 명칭을 부여하고 흙을 퍼와서 지우개똥처럼 말다가 부서질 때까지 계속 말고 오븐에 넣어 말리는 등 최첨단 하이테크놀로지 시대에 역행하는 희한한 일들이 펼쳐진다. 참고로 이를 흙의 소성한계시험이라고 하며, 그나마 여기까지가 난이도가 쉬운 토질역학이다.
이후에 지반 내의 물의 흐름인 투수에 대하여 배우는데, 물이 빠르게 흐를 수록 투수계수(Permeability)가 크다고 하며 이를 k로 표시한다. 지질학과의 수리지질학에서는 이 k를 수리전도도(Hydraulic Conductivity)라고 한다.[8]
또한 지반을 연속체로 가정한 후 지반 내부에 작용하는 응력(이를 유효응력이라고 한다) 및 간극수압을 구한다든가, 포화된 점토 지반의 압밀침하량 및 지반의 전단강도 계산, 옹벽에 작용하는 토압 및 사면 안정성 검토 등에 대하여 학습하게 된다.
전통적인 연구분야인 토공 이외에도 지반구조물의 지진 시 거동 및 액상화 현상, 상부구조물의 안정성 확보를 위한 지반조사 및 이에 근거한 기초의 설계 및 시공 방법, 메탄 하이드레이트 채취 시 해저지반 침하, NATM 및 TBM 등에 의한 터널의 굴착 등 다양한 부분에 대한 연구를 진행한다. 유한요소법(FEM), 유한차분법(FDM), 개별요소법(DEM) 등 수치해석과의 접목과 이를 통한 연구 등도 활발히 진행되고 있다.

수리학(水理學) Hydraulics
이름이 수리학인 덕분에 비전공자로부터 수리(修理)하는 공부냐는 우스갯소리를 많이 듣는다. 기계과/전기과 학생들의 이해를 돕자면, 유체역학인데 물만 전문적으로 다루는 유체역학이라고 생각하면 된다.
유체역학부터가 밀레니엄 문제로 유명한 나비에-스토크스 방정식이 기초라 표준화가 어려운 토질역학과 함께 가장 미지의 분야이고 순수 학문적인 성격을 띤다. 그래서 어렵다. 토질역학에서와 마찬가지로 레이놀즈 넘버가 가장 중요한 무차원 상수이다. 여기에 프라우드 수 정도? 그러나 내용 자체는 다 커버한다. 대충대충 넘어가서 그렇지. 종종 차원 씹어먹는 경험식들이 많다.

수문학 Hydrology

구조 동역학 Dynamics of structures
토목공학은 주로 물체의 정적 평형에 대해서 해석을 하지만, 항상 그런것은 아니다. 토목 구조물의 경우는, 일반적으로 구조물의 규모가 큰 편이고 그만큼 가해지는 하중의 규모도 크다. 따라서 외부 동적 하중에 대해서도 면밀하게 살펴 볼 필요가 있다.
해석 방법은 굉장히 다양하다. 디랙 델타 함수 [9]을 응용하여 운동방정식을 직접 적분하여 풀거나, 고유치 해석을 통해서 구조물의 고유진동수, 고유 변형형상을 구할 수 있다. 다양한 수치해석 기법이 사용되며, 계산량이 많기 때문에 손으로 직접 푸는 것은 비효율적이다. 따라서 행렬 계산에 유용한(자유도가 2개 이상인 구조물의 운동방정식은 행렬을 이용하여 편리하게 표현할수 있다) MATLAB을 사용하거나, 자유도가 너무 많아서 이것마저 비효율적이라면 유한요소해석을 사용하여 푸는 것이 일반적이다. FEM 프로그램은 ABAQUS, LS-DYNA, ANSYS, MIDAS CIVIL 등을 추천한다. 접근성이 좋은 마이다스가 초보자가 사용하기에는 가장 좋다. 게다가 multiphysics 문제를 풀 게 아니라면, 마이다스 정도로도 충분히 원하는 수준의 동해석을 할 수 있다.
만약 해석하고자 하는 구조물이 기하 비선형이거나, 탄소성 거동을 보아야만 한다면, 손으로 풀거나 매트랩으로 푸는것은 추천하지 않는다. 이쯤 되면 굉장히 복잡한 알고리즘을 구현해내야 하는데, 이게 아무나 쉽게 되는 것이 아니다.

강구조 설계 및 철근콘크리트 구조 설계
앞에 서술한 정역학/응용역학/구조역학에서 배운 지식들을 기반으로 설계 기준을 적용하여 실제 설계과정을 조금씩 배우는 과정이다. 만약에 앞에서 배운 정역학/응용역학/구조역학을 못하는데 이 설계과목들을 들으려면 마치 중학교 수학을 잘 못하는데 고등학교 수학을 배우려는 것과 같다.
강구조 설계 시간에는 지금껏 배운 강재의 성질을 이용해서 강구조물을 설계하는 방법 및 절차를 배우며, 여기에 들어가는 설계법, 인장부재/압축부재/휨부재 등의 한계상태 및 그에 따른 설계법을 배운다. 또한 부재 간의 연결부위 설계법 등도 여기서 다룬다. 여기에서 다루는 설계법은 3가지로 허용응력설계법, 강도설계법 그리고 한계상태설계법이 있다. ~~요즘은 허용응력설계법을 배우지 않는다.~~
허용응력설계법은 PSC에 쓰이며 현장에서 주로 쓰이는 것은 강도 설계법이다. 한계상태설계법은 앞으로 미래에 쓰이게 될 설계법으로 현재 연구 중에 있다.
철근 콘크리트 구조 설계시간에는 철근콘크리트의 기본 개념 및 콘크리트의 성질 등을 다룬 후 역학적으로 철근콘크리트를 해석하는 방법을 배우고 설계기준에 따라서 철근콘크리트 부재를 설계하는 방법을 배운다.

콘크리트
일반적으로 콘크리트라 말하는 것은 속은 물, 잔골재, 굵은 골재, 혼화재, 혼화제, 접착제로 이루어져 있다. 골재란 콘크리트의 부피를 채우기 위해 첨가하는 부재로 쉽게 말해 돌덩이들이다. 혼화재와 혼화제는 콘크리트의 성질이나 강도를 개량하기 위해 보조적으로 첨가되는 재료들로, 혼화재는 시멘트를 일부 대체하는 재료로 많게는 원래 들어가야 할 시멘트 중량의 30%까지도 대신 첨가하는 경우가 있는 반면 혼화제는 약품의 개념으로 아주 적은 양을 보조적으로 첨가하는 것이다. 접착제란 골재들을 하나로 묶어주는 역할을 하는 것으로 일반적으로는 시멘트를 의미하며 폴리머를 이용하는 경우도 있다. 콘크리트는 압축력에 매우 잘 견디고 골재를 통해 부피를 부풀려서 사용하기 때문에 경제성이 뛰어난 건설재료이다.
일반적으로 학부과정에서는 이 콘크리트를 제원에 맞게 설계하려면 어떻게 해야 하는지를 배우고, 장점과 화학적 메커니즘을 다루고, 실제로 적은 양을 만드는 실습을 하기도 한다. ~~근데 적어봤자 한 30kg된다.~~
이어서 철근콘크리트(Reinforced Concrete, RC)를 배우는데, 학부과정에서는 100% 강으로 한다. 콘크리트를 철근으로 보강하는 이유는 콘크리트가 압축력을 잘 견디는 데 비해 인장력을 견디는 힘이 매우 부족하므로 콘크리트 안에 철근을 섞음으로써 인장력을 대신 버티도록하기 위해서이다. 최근에는 철근을 대신하기 위해 탄소 섬유나 아라미드 섬유 등 다양한 부재가 연구되고 있다. 대나무 또한 저개발국에서는 흔히 쓰이는 보강재이다.

환경공학
위생공학에서 분파되어 나왔으며, 토목과의 하위 분야로 있어서 레이첼 카슨의 침묵의 봄을 읽은 여학우들이 낚여서 들어오게 한다.(...) 일반적으로 학부에서는 상수도학, 하수도학을 다루며, 요새는 미국에서 셰일가스가 화두로 떠올라 꽤나 전망이 밝다. 하수도 처리는 크게 멤브레인 공정과 미생물 공정으로 나뉘고, 상수도 처리는 멤브레인 공정과 화학적 공정 또는 물리적처리, 화학적처리, 생물학적 처리, 고도처리로 나뉜다. 폐기물 공학에서는 메탄화 과정이 가장 중요하며, 토질역학과도 관계가 깊다.

토목시공학
실제로 실무나가면 프리마베라 돌리고 일정관리하는 게 정말 중요하다. 연구분야는 Co-relationship으로 공기와 적정물량을 예측하는 것과, 일정과 일정의 네트워킹관리 등이다. 의외로 중요하다.

5. 토목공학과

자세한 내용은 토목공학과 문서 참고하십시오.

6. 기타

한자에 흙(土)과 나무(木)가 있어 흙과 목재를 다루는 줄 알고, 공학이라는 생각조차 안 하고 들어와서 수업을 듣다보면 가히 충공깽. 사람들 사이에서의 이미지는 노가다 또는 삽질. 실제로 콘크리트 실험할 때는 골재를 채취하기 위해 삽질한다. 다만 그닥 잘 할 필요까지는 없긴 하다. 보통 근무는 현장 관리, 감독이나 사무실에서 설계도면 보고 만들기 등. 실제 삽질은 실험 외에는 안 한다.

도시의 설계와 운영에 관련된 학문으로 도시학과 연계되어 있다.

7. 관련 문서

[1] 수공업에 종사하던 장인을 일컫는 말.[2] '건축'은 원래 '영조(營造)' 또는 '조영(造營)'이라는 말을 썼으나(법률용어 '영조물'이 그 흔적이다), 현재는 일제의 잔재로 '건축'이라는 말을 사용한다. 게다가 영조라고 하면 대부분 이 분을 떠올리는 경우가 많다.[3] 본문의 설명도 다소 아쉬움이 있는데 토목공학은 기반공사나 대규모 인프라를 주로 연구하는 건 사실이지만 공항같은 큰 건물에 건축공학적 지식이 들어가기도 하며, 공항건물 자체의 디자인이나 설계는 건축가의 영역이기도 하다.[4] Static 방식이 GPS측량중 가장 정밀도가 높으나, 동시관측 시 기본 4대 이상이 있어야 하며, 한자리에 고정해야 하며 한 점을 관측하는데 기준점의 경우 1~4시간 이상이 걸리는 단점이 있고, 관측 후 기선해석(GPS Processing)처리를 해야 하는데 다소 어렵다.[5] 고정국 1대, 실시간 이동국 1대 방식[6] LTE 등의 무선인터넷을 이용하여 서버에 접속, 1인측량이 가능한 방식 통칭 VRS라고 많이 부르지만 FKP, MAC방식도 있으므로 통칭은 틀린표현이다. RTK방식은 실시간으로 이동하여 좌표를 수신 받을 수 있는 장점이 있으나, 위성 궤도 상태가 좋지 않거나 주변에 송전탑, 산림, 큰 건물 등의 장애물이 많으면 정밀도는 급격하게 떨어지는데 오히려 Total Station보다 정밀도가 떨어지는 현상을 보이며 울창한 산림은 아예 안 된다라고 봐야한다, 특히 FIX상태에다 주변 환경이 아무리 좋아도 기본오차는 ±0.03~0.05m를 고려해야 한다.[7] 단 가격이 다른 기기의 2배 이상 비싸다.[8] 지질학 관련 학과에서 배우는 수리지질학에서의 k와 토목공학과에서 배우는 토질역학에서의 k는 같은 개념이나, 명칭이 다르다.[9] 충격하중의 해석등에 사용된다. impulse함수라고도 불린다