토목공학

土木工學, Civil Engineering

1 개요

지구를 조각하는 학문으로 불리우며, 교량, 댐, 지하철, 도로, 항구, 상수도, 하수도, 치수 등 문명을 창출해 나가는데 공학 지식을 기반으로 설계/시공/관리하는 공학의 제 분야이다.

사람들 사이에서의 이미지는 노가다 또는 삽질이나 실제로 삽질하지 않는다고는 하는데, 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 안한다.

2 역사

다른 공학분야와는 비교도 안되는 유구한 역사를 자랑하고 있는 공학으로, 당연히 건축공학보다도 조금 빠른 이 공학은 사실상 문명이 시작한 곳에서 함께 시작한 공학이다. 그 역사는 가히 고대 메소포타미아 때로 거슬러올라가며, 이집트 역시 토목공학이 발전한 나라로, 실제로 이집트는 당시 토목 쪽에서 신통방통하기로 유명한 나라였다. 게다가 그 결실이 그 유명한 대피라미드. 또한 고대 로마는 그 뛰어난 가도 체계로 인해 이탈리아에서 아직도 굴리고 있는 도로가 많은 것으로 유명하다.[1] 또한 다른 공학과 달리 고대부터 공장(工匠) 계열이 아닌 체계적인 구상과 조직으로 이루어진 몇 안되는 공학이다.

'토목'이라는 단어의 어원은 축토구목(築土構木)이란 고사성어로, 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 미국의 동부의 상징물인 자유의 여신상과 비견되는 서부의 상징물인 금문교를 제안/설계/시공/감독한 최초의 Civil Engineer라 불리우는 조셉 스트라우스 이후 널리 퍼지기 시작하였다. 또한 다른 의미로도, 실제로 진짜 이 시대의 '문명'을 담당하고 있다는 데에서는 그 누구도 이견이 없을 것으로 본다.

3 건축학과의 비교

건축학과 종종 비교되며 건축은 설계, 토목은 시공으로 오해하는 사람들이 많으나, 실제로는 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.

일반적으로 둘이 겹친다고 여겨지는 구조분야를 예로 들자면 토목공학과의 학생들은 4년간 줄창 열심히 계산해대는 안전율이 일반적으로 3~4, 많게는 5까지도 두고 계산하며, 그에 따른 값들과 계산 방법에 익숙해지는 훈련을 받게되는데 반하여, 건축과는 일반적으로 2 내외의 안전율을 두고 그 값에 익숙해지는 훈련을 받게 된다. 따라서 토목공학과도 집을 지을 수는 있으나, 이는 컴퓨터로 치자면 지뢰찾기를 하기 위해 컴퓨터를 풀옵션사양 맞추는 짓거리로 각자의 특화된 영역이 있는 것이다.

또한 건축과에서는 측량학과 토질역학에 대해 배우지 않는데, 대부분의 구조물들이 그렇게 크지 않게 되기 때문이다. 따라서 큰 구조물을 짓기 위해서는 토목공학의 제반 지식이 반드시 필요하게 된다. 사실 이런 면을 봤을 때 건축학은 미대로 가는 게 맞는 것 같다.

4 배우는 내용

한자에 흙(土)과 나무(木)가 있어 흙과 목재를 다루는 줄 알고, 공학이라는 생각조차 안하고 들어와서 학기 초에 교재를 피면 가히 충공깽. 제분야를 크게 나누어 보자면 다음과 같다.

합력이 0인 물체를 다루는 학문이다. 처음에 중·고등학교때 배운 삼각함수 및 벡터를 이용해서 힘을 표현하는 법을 배운 후, 벡터의 외적을 이용해서 '모멘트'라는 회전하는 힘을 다루는 법을 배운다. 그리고 이 모든 것을 배운 후 물체에 작용하는 힘 및 모멘트의 합은 0이라는 식을 세우며 여러가지 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 물리Ⅱ를 공부하고 오면 편하다.
위의 서술한 정역학이 기본이 되는 과목으로, 정역학과는 다르게 재료역학에서의 물체는 강체가 아닌, 변형을 일으킬 수 있는 변형체라고 가정한다. 이 과목은 기계공학과에서도 배우는 과목이기도 하다.
Gere의 재료역학 7판의 순서를 기준으로 배우는 걸 말하자면
  1. 응력과 변형률의 정의 및 재료 내에서의 응력-변형률 관계
2. 축하중을 받는 부재의 응력, 변형률 및 변위 구하기(부정정문제, 에너지법을 이용한 충격하중 계산 등이 포함됨)
3. 비틀림을 받는 부재에서의 전단응력, 비틀림각 구하기
4. 부재의 내력 구하기(정역학과 내용 중복)
5. 휨을 받는 보에서의 수직응력 및 전단응력
6. 휨을 받는 보에서의 수직응력을 더 깊게 파고든다.
7. 응력 변환
8. 원통형 압력용기 및 구형 압력용기에 작용하는 인장응력 및 복잡한 하중을 받는 부재의 응력상태 계산
9. 보의 처짐 계산
10. 간단한 부정정구조 해석
11. 기둥의 좌굴(얇고 긴 막대기가 눌림을 받았을 때 길이가 줄어드는 대신 옆으로 휘는 현상)
뭔말인지 모를 것이다. 왠만한 학생들도 처음 접하면 어려워하는 과목이니깐. 그렇지만 이걸 못하면 뒤에 배우는 철근콘크리트 설계과목이라던지 강구조 설계과목이라던지 또한 여기서 배우는 개념이 같이 중복되는 토질역학이라던지 많은 후속과목에서 어려움을 겪을 것이다. 잘 해둬야 한다.
참고로 고대 편입시 건축사회환경공학부 전공시험에 요구되는 두 과목이 바로 저 정역학이랑 재료역학이다.
학부과정에서는, 토립자의 부피나 흙과 흙사이의 간극을 수학으로 계산해야 하며, 흙의 크기에 따라 명칭을 부여하고 흙을 퍼와서 지우개똥처럼 말다가 부서질 때까지 계속말고 오븐에 굽고 찌는 둥 최첨단 하이테크놀로지 시대에 역행하는 희한한 일들이 펼쳐진다. 그리고 여기까지가 난이도가 그나마 쉬운 토질역학이다. 지질학과와 다르게 k를 K로 한다.(지질학 관련 학과에서 배우는 수리지질학에서의 K와 토목공학과 토질역학에서의 K는 같은 개념이나, 이름이 다르며, 수리지질학에서 K는 수리전도도이며, 토질역학에서 K는 투수계수이다.) 이는 일반적으로 토목과에서의 유체가 물이기 때문에 고정되어 있어서이다.
이후에 흙을 연속체로 가정한 후 흙 내부에 작용하는 응력 및 흙의 간극수압을 구한다던가 점토가 포화되었을 때의 압밀이라던가 전단강도라던가 옹벽에 작용하는 토압이라던가 사면의 안정성을 검토한다던가,......
전통적인 연구분야인 토공 이외에도 메탄하이드레이트를 채취와 동시에 치환한다던가, 기존 수력 발전을 대체하는 공기 압축식 발전소등의 다양한 연구를 진행한다.
정역학, 재료역학을 이수한 이후 여러가지 구조의 해석법과 계산법을 배운다. 주로 2D 에서 많이 다루며, 3D로 가는 경우는 학부과정에서는 드물지만 기본적으로 풀 수는 있는 수준이다. 두 학기에 걸쳐서 배우게 되며, 첫학기에는 그나마 쉬운 정정구조물 해석을 배우고 두번째 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 들어라. 일부 학교에서는 matlab 코딩으로 간단한 구조를 해석해주는 프로그램을 짤 것을 요구한다. 제발 베끼지 말고 꼭꼭꼭 니가 짜라. 며칠 밤 새더라도 그게 다 자산이 된다. 계산기는 6by6 이상 연산되는 계산기가 필요하다. 최소 4by4 이상.
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. Dirac delta function(충격하중의 해석등에 사용된다. impulse함수라고도 불린다)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 푸는것은 비효율적이다. 따라서 행렬 계산에 유용한(자유도가 2개 이상인 구조물의 운동방정식은 행렬을 이용하여 편리하게 표현할수 있다) MATLAB을 사용하거나, 자유도가 너무 많아서 이것마저 비효율적이라면 FEM(Finite element method, 유한 요소법)을 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. 이쯤되면 굉장히 복잡한 알고리즘을 구현해내야 하는데, 이게 아무나 쉽게 되는것이 아니다.
제 점간의 위치를 정의하는 학문이다. 학문 그 자체로서 발전되어있으며, 브라질이나 미국, 러시아등 큰 나라에서는 굉장히 발달해 있다.주로 쓰는 프로그램은 QGIS.
학문의 발전 속도가 가히 경이적인데, 그 이유인 즉슨 측량학은 GPS와 뗄레야 뗄 수 없는 관계인데 알다시피 GPS는 최첨단 기술을 모조리 쳐박은 것이라서...
역시 Matlab을 이용하여 GPS 신호상으로 전달되어오는 기본적인 정보를 끌어오고 위치를 계산하여 활용하게 하는 프로젝트를 준다. 실무에선 그냥 Total Station만 잘 쓰면 된다고 한다. 요즘은 사람이 최소 두 명 필요한 토탈스테이션(=광파기)의 시대도 갔다. GPS로 찍으면 바로 표준좌표와 고도를 알려주는 측량기가 대세. 심지어 측량결과를 바로 지적도와 연계해준다. 좋은 세상이다. 토탈스테이션 측량을 주로 한다면 측량업이 주가 아니거나 시대에 뒤떨어진 회사. (혹은 지적공사. 그러니 지적공사애들이 측량해주면 기준점이 엉망이다. 장비나 숙련도를 생각하면 그렇게 많이 틀리는 건 아닌데 0.1mm단위로 작업하는 캐드에선 오차가 크게 보인다.) 취업할 때 참고하자.
기술발달로 인해 잡다한 학문적 계산을 모두 자동으로 처리되기에 현장과 학문분야가 유리되어 있는 대표적인 과목. 학문은 학문으로서 존재한다. [3] Lidar 이론이나 이런건 교수에 따라 다르지만 세부적으로 들어가지는 않고 원리만 훑고 넘어간다. 물론 통계를 들으면 초반에는 꿀이다. 애초에 측량학이 가우스가 만든거라서 통계내용과 겹친다.
이름이 수리학인 덕분에 문과 친구들이 수리하는 공부냐고 하고 그 때마다 말해줘도 그 때마다 까먹는 걸보아 그냥 그렇게 생각하고 싶은 듯하다. 수리시설 할 때 그 수리다 이 문돌이들아!!!!기계과/전기과 학생들의 이해를 돕자면, 유체역학인데 물만 전문적으로 다루는 유체역학이라고 생각하면 된다. 유체역학부터가 밀레니엄 문제로 유명한 나비에-스톡스 방정식이 기초라 표준화가 어려운 토질역학과 함께 가장 미지의 분야이고 순수학문적인 깊이가 깊다. 그래서 어렵다. 토질역학에서와 마찬가지로 레이놀즈 넘버가 가장 중요한 무차원 상수이다. 여기에 프라우드수 정도? 그러나 내용 자체는 다 커버한다. 대충대충 넘어가서 그렇지. 종종 차원이 안맞는 경험식들이 많다. 절대 교재를 믿지마라.
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. (물론 아닌경우도 있으며 이에 대해 추가바람.) 폐기물 공학에서는 메탄화 과정이 가장 중요하며, 토질역학과도 관계가 깊다.
  • 강구조 설계 및 철근콘크리트 구조 설계
앞에 서술한 정역학/재료역학/구조역학에서 배운 지식들을 기반으로 설계 기준을 적용하여 실제 설계과정을 조금씩 배우는 과정이다. 만약에 앞에서 배운 정역학/재료역학/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 부재간의 연결부위 설계법등도 여기서 다룬다. 여기에서 허용응력설계법 및 하중저항계수설계법이 있으나 요즘은 허용응력설계법을 배우지 않는다.
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.
바로 그 콘크리트. 물, 잔골재, 굵은 골재, 혼화재, 접착제(cement)로 이루어져 있는데 일반적으로 학부과정에서는 이 콘크리트를 제원에 맞게 설계 하고자하면 어떻게 설계할 것인지를 배우고, 장점과 화학적 메커니즘을 다루고, 실제 아주 적은 양을 만들어 실습한다. 근데 아주 적어봤자 한 30kg된다. 너무 자그만한 숫자라서 사랑스럽지 않은가?
이어서 Reinforced Concrete를 배우는데, 학부과정에서는 100% 강으로 한다. 애초에 Reinforce하는 이유가 콘크리트가 인장력이 떨어져서 사용하는 거라, 사실 대나무로 해도 상관없다.[4] 최근에는 탄소섬유와 아라미드 섬유등 다양하게 연구되고 있다. 근데 그럼 애초에 콘크리트를 쓰는 의미가 뭔지 모르겠다.[5]
실제로 실무나가면 프리마베라 돌리고 일정관리하는 게 정말 중요하다. 연구분야는 Co-relationship으로 공기와 적정물량을 예측하는 것과, 일정과 일정의 네트워킹관리등이다. 의외로 중요하다.

5 컴퓨터 프로그램

아래 프로그램들이 토목과에서 많이 쓰이며 졸업할 때 쯤엔 최소 초급자 이상으로 다루어야 하는 프로그램들이다.

  • 매틀랩 : 학교마다 C++로 하는 학교도 있다고 한다.
  • 마이다스 : SAP를 사용하기도한다.
  • 프리마베라 : 마이크로소프트 프로젝트를 사용하기도한다.
  • 스케치업
  • CAD : 건축이나 토목이나 설계쪽에선 캐드를 못 다루면 일이 안 된다. 국가도 인터넷 허가 신고 접수를 받는 판에 손으로 그려서 내면 접수도 안해준다. 시공쪽이라도 해도 현장에 맞춰서 설계를 변경하는 경우엔 캐드가 필수.
  • 엑셀 : 은근 많이 사용하나 Matlab 파면 설계회사에서 계산서 작업할 때 빼고는 사용할 일이 별로 없다(..)

6 자격증

2학년 때 산업기사, 4학년 때 기사 자격증을 딸 수 있으며 자격증 취득 후에는 당연히 현장으로 나가서 일을 해야 한다. 전문대의 경우 산업기사를 따고 졸업하지만 4년제에 편입하거나 실무경력 2년을 더 쌓으면 기사 자격증 응시가 가능해져 직책상 4년제와 같아질 수는 있지만 현실은 안습. 그래도 초대졸과 대졸의 격차를 다른 학과에 비해 많이 좁힐 수 있다. 이건 다른 공학과도 마찬가지이다.
그리고 기사자격증 취득 후 현장경력이 4년 이상 되면 기술사 자격증을 취득할 자격이 주어진다. 기술사는 매우 어려운 서술형 시험 및 어려운 구술면접을 통과해야 하며 합격률이 얼마 되지 않는다. 토목공학과 졸업으로 취득할 수 있는 기술사에는 대표적으로 토목구조기술사, 토질및기초기술사, 도로및공항기술사, 토목시공기술사 등 여러가지 많다.

워낙 사람과 밀접한 학문이라 기본개념 자체는 오래 전에 정립되어 있어 학교에서 배운 개념을 바로 직장에서 적용하는 경우가 있을 정도로 대학과 현장의 거리가 굉장히 가까운 편이다. 하지만 심화지식들은 직장에선 컴퓨터와 관련 프로그램이 처리해주기 때문에 개념이 중요하고 내부계산은 별로 중요하지 않다.
그래도 자격증은 따두자. 토목공사는 어떤 식으로든 국가와 연계가 되기 때문에 국가가 원하는 일정 자격, 일정 경험, 일정 인원을 충족시켜야 해서 반드시 토목기사가 필요하다. 덕분에 자격증은 취업하는데도 유리하고 취업하고 나면 자격수당이 따로 나온다. 2012년 하반기 토목기사 기준으로 월 20 ~ 30만원선. 단, 공무원은 월 3만원.

요즘은 각종 허가나 신고도 인터넷 접수를 받을 정도로 모든 일이 컴퓨터로 진행돼서 프로그래머 이상으로 컴퓨터 앞에 앉아 있어야 하니 컴퓨터 관련 지식이 많다면 아주 좋다.
프로그램을 짜는 수준까진 아니더라도 오픈프로그램 소스를 보고 주석을 읽으면서 이건 어떤 구조로 이루어져 있고 어떤 용도로 쓰는구나 정도는 알면 좋다. 상사가 세세히 알려줄 수 있는 건 한계가 있다.

6.1 토목 관련 자격증

  • 기능사
건설재료시험기능사, 도화기능사, 석공기능사, 잠수기능사, 전산응용토목제도기능사, 지도제작기능사, 지적기능사, 철도토목기능사, 측량기능사, 콘크리트기능사, 항공사진기능사, 항로표지기능사
  • 산업기사
건설재료시험산업기사, 잠수산업기사, 지적산업기사, 철도토목산업기사, 측량및지형공간정보산업기사, 콘크리트산업기사, 토목산업기사, 항로표지산업기사, 해양조사산업기사
  • 기사
건설재료시험기사, 응용지질기사, 지적기사, 철도토목기사, 측량및지형공간정보기사, 콘크리트기사, 토목기사, 항로표지기사, 해양공학기사, 해양자원개발기사, 해양환경기사
  • 기술사
농어업토목기술사, 도로및공항기술사, 상하수도기술사, 수자원개발기술사, 지적기술사, 지질및지반기술사, 철도기술사, 측량및지형공간정보기술사, 토목구조기술사, 토목시공기술사, 토목품질시험기술사, 토질및기초기술사, 항만및해안기술사, 해양기술사

7 토목공학과

토목공학과 문서 참조.

8 관련 항목

  1. ↑ 이탈리아와 프랑스, 독일의 도로중에서 오래됐다 하는 도로들 중에는 로마시절에 길을 내고 후대에 고쳐서 쓰는 경우가 엄청 많다.
  2. ↑ 참고로 '건축'은 원래 '영조(營造)' 또는 '조영(造營)'라는 말을 썼으나, 현재는 일제의 잔재로 '건축'이라는 말을 사용한다.
  3. ↑ 학부수준에서 실무와 연결되는 공학은 없으니 너무 자책하지말자. 그나마 거리가 가까운 토목이 이정도다. 현대공학처럼 부분심화가 깊게 들어가버린다면 학부수준에선 차라리 넓고 얇게 기본 개념을 아는 게 더 중요할 수도 있다.
  4. ↑ 실제로 저개발도상국에서는 대나무는 많이 쓰이는 강화재료이다
  5. ↑ 당연히 경제성 때문에 사용한다.
  6. ↑ 토목공학으로 보는 사람과 도시공학으로 보는 사람으로 나뉘는데, 실제 토목공학의 많은 과가 동시에 들어간다. 당장 수도만 해도 수리학 내용.
  7. ↑ 토목공학은 구조 재료, 즉 공구리(...)와 강철이 없으면 존재할 수 없으므로 구조 재료 연구와 관련이 깊다. 토목공학과 교수 중 구조 재료 연구를 겸하시는 분들은 재료공학과에도 이름이 올라가있는 경우가 매우 많다.