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견우와 직녀의 오작교(교사용)
작성일 2003-02-23 (일) 10:13
분 류 7학년
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견우와 직녀의 오작교(교사용)

견우와 직녀의 오작교(교사용)

힘의 단원에서 힘의 분해와 합성에 관한 내용을 여학생들이 배우게 되는데, 실제로 힘의 분해와 합성이 어떻게 우리 주변에서 사용되는지 잘 알지 못한다. 그런 힘의 분해와 합성을 가장 분명하게 보여 줄 수 있는 구조물이 다리이다. 다리는 오랜 역사를 지니고 있으며, 인간이 만든 가장 아름다운 구조물 중의 하나이다. 불행하게도 우리나라 다리의 역사에서는 엄청난 사건이 있었다. 성수대교 붕괴사고가 바로 그것이다. 다시는 그런 일이 일어나지 않아야 한다. 다리를 만드는 것은 안전성과 미적인 감각, 이 두 가지를 항상 잘 고려해야 하는데, 여성의 섬세함과 미적인 감각에 잘 어울리는 일 중에 하나가 다리를 설계하고 감독하는 일이 아닐까. 그런 이유로 해서 읽을 거리에 토목공학 분야에서 장대 현수교의 설계와 관리의 일을 하고 있는 마리아그라지아의 인터뷰 글을 넣었다. 이글은 여성의 직업으로서 토목공학자에 대한 작은 안내도 될 수 있을 것이다.

자기 고장의 다리를 보고 왜 그런 구조를 하고 있는 지를 설명 할 수 있다.

1. 수업의 진행과 시간 배정 : 45분 수업

가) 도입 : (5분)

- 자기 지역의 가까운 다리에 대해 이야기 한다.(Experience)
- 다리의 역사에 대해 이야기 한다.

나) 탐구 실험 : (20분)

- 어떤 모양이 가장 힘을 많이 견딜까?
* 4인 1조로 조편성을 하여 조원들이 역할을 분담하여 실험에 참여하도록 지시한다.(Enviroment)
* 각각의 실험은 항상 같은 조건에서 해야한다는 것을 설명한다. 책과 책 사이의 거리를 항상 일정하게 유지해야 한다는 사실을 주지시킨다.
* 실험을 하는 동안에는 자유롭게 활동할 수 있도록 허용적인 분위기를 만드는 것이 중요하다.(Enviroment)

다) 결과 정리 및 토의 : (20분)

- 생각모으기(가장 많은 힘을 견디는 구조가 어떤 이유로 잘 견딜 수 있는지)에 대해 토론하고 기록한다.
* 문제에 대해 각자의 의견을 제시하고 서로의 의견을 기록한 뒤 마지막에 자신의 의견을 다시 정리하여 기록한다.
* 조별로 가장 잘 견디는 구조가 무엇인지 각각 칠판에 기록하게 한 뒤 각 조의 생각모으기를 발표한다.
- 다리에 작용하는 힘을 정리하여 설명해준다.

라) 읽을 거리

- 교량의 설계와 관리를 맡고 있는 여성 공학자의 이야기를 함께 읽고, 여학생들을 격려해준다.(Encouragement)

평가 기준

평가척도

평가

많은 무게를 견디는 구조를 찾고, 그 근거를 댈 수 있는가?

많은 무게를 견디는 구조를 찾고 근거를 댈 수 있다.

A

많은 무게를 견디는 구조는 찾으나 근거가 부족하다.

B

많은 무게를 견디는 구조를 찾지 못한다.

C

① 도입

 1. 보통 주변의 작은 다리들은 형교(GirderBridge)가 일반적이다. 그러므로 다양한 다리의 모양을 이야기하려면 조금은 지역을 넓혀 큰 다리들에 대해 이야기 할 수 있도록 유도한다.

 2. 다리의 역사

우리는 언제, 어디서, 어떻게 인류가 처음 교량을 만들고, 사용했는지 모른다. 아마도 인류의 역사와 같이 시작되었으리라 추측될 뿐이다. 초기의 하천을 가로지르는 통나무 교량부터 최근에 세워진 현대식 교량까지 모든 교량들은 주어진 힘들을 저항, 극복한 것들이다. (무너지기 전까지) 여기서 이 모든 주변의 힘들은 3가지로 나눌 수 있는데 첫째 교량자체의 무게인 사하중이고, 둘째 교량을 지나가는 차량, 사람의 활(이동)하중이며, 셋째 바람, 지진, 물 등의 외부적인 조건에 의한 환경하중이다.

  공학적 의미의 교량의 시작은 로마시대로 볼 수 있으며 Avignon근처에 있는 Pont du Gard는 19 BC경에 세워졌으며 Gard강을 가로질러서 물을 공급하는 40km의 aqueduct의 일부로 길이는 270m 최고높이는 49m이다. 우리나라의 현존하는 가장 오래된 다리는 경주 불국사의 돌계단아래에 있는 청운교와 백운교이다.

 3. 다리의 종류

다리는 상부구조의 형식에 따라 크게 트러스교, 아치교, 현수교, 사장교, 형교, 등으로 나눈다. 각 다리의 특징을 살펴보자.

○ 트러스교(TrussBridge)
   거더(girder)대신 트러스를 사용한 교량으로 16세기 이탈리아의 Palladio에 의해 처음으로 제안되었으며, 강재의 발달과 용접기술의 보급으로 오늘날 지간(교각과 교각사이)이 긴 교량에 적합한 구조형식으로 발전하였다. 우리 나라에서는 1900년에 가설된 한강철교가 최초의 트러스교이다. 트러스란 곧은 강재(鋼材)나 목재를 삼각형을 기본으로 그물 모양으로 짜서 하중을 지탱하는 구조방법으로, 인장력이 작용하는 것과 미는 힘이 작용하는 것뿐이며 휘는 경우는 없으므로 재료의 낭비가 적다. 또 짧은 막대를 조합해서 지간이 큰 공간을 걸치는 이점도 있다.

○ 아치교(ArchBridge)
  아치교는 곡형(曲桁) 또는 곡(曲)트러스를 위쪽으로 볼록하게 구부린 형태를 취하며 양끝을 수평으로 이동할 수 없게 지지한 것이 가장 큰 특징이다. 따라서 아치교는 양끝의 기초지반이 양호하여야 하며 시가지의 미관 등을 고려할 때에 많이 선택하는 형식이다. 오늘날 교량 중 가장 오랜 역사를 가지며 유럽에 가면 2000여년 전의 아치교가 옛 모습 그대로 보존되어 있습니다. 우리 나라도 8세기에 건설된 불국사의 청운교, 백운교, 연화칠보교가 아치구조로 현재까지 보존되어 있다.

○ 현수교(SuspensionBridge)
  현수교는 양쪽에 주탑을 세워 케이블을 걸쳐놓고 행거(hanger)에 바닥틀을 매어 달아 놓은 형태로서 하중을 받으면 크게 변형하고 진동도 크다. 이 교량 형식은 근래 특수 고강도 케이블의 출현으로 장대지간교의 가설에 적합하나 내풍 안전성에 약한 결점을 가지고 있다.(바람불면 흔들린다는 얘기지.) 현수교로서 1,000m를 넘는 최초의 교량은 1929년에서 1932년에 가설된 뉴욕 허드슨강의 George Washington교로서 지간이 1,067m이다. 일본에서는 지간 1,990m의 세계 최장의 현수교가 건설되었다. 우리 나라에서는1973년에 지어진 남해대교가 최초의 현수교이다. 지간이 2,000m라면 굉장하다. 한강교량들이 900∼1300m 정도니까 교각하나 없이 한강을 가로지르는 셈이다.

○ 사장교(Cable-stayedBridge)

  사장교는 주형, 케이블, 탑의 3가지로 구성되어 있으며 탑의 형상과 수, 케이블의 배치, 사용재료 등에 따라 형식을 달리하는 교량으로, 구조형태가 매우 다양하고 해석이 복잡하여 20세기에 이르러 많은 발전을 했다. 사장교는 형태가 다양하여 경제적으로 세울 수 있을 뿐 아니라 미관 및 내풍 안전성도 좋다. 현수교와 비교하여 강성이 좋으며 케이블의 정착장치의 크기도  작다. 우리 나라에서는 진도대교, 돌산대교 그리고, 한강 위의 올림픽대교가 사장교로 건설되어 있다.

형교(GirderBridge)
  다리 중 가장 간단한 형식이며 교각 위에 거더(girder)를 수평방향으로 가설한 교량형식으로서, 재료로는 대부분 강(鋼)과 콘크리트를 사용하는데, 근래에는 상자형 단면의 형태가 많이 사용되는데 이것을 박스거더(box girder)라고 합니다. 거더(girder)란 쉽게 말해서 교각 위에 길쭉하게 얹은 대들보 같은 거라고 생각하면 된다.

그러면 가장 좋은 교량의 구조는 어떤 것일까요?

어떤 사람은 다리는 역사적으로 보아도 아치교가 가장 튼튼하다. 전부 아치로 지어야 한다. 라고 주장하기도 합니다. 아치교가 보기에도 실제로도 안정감 있기는 합니다. 하지만 제약이 없다고는 할 수 없겠죠. "제일 좋은 형식은 없다. 지형적인 조건, 강의 조건, 경제성, 시공성, 미관등을 종합적으로 판단해서 구조형식은 선정하는 것이 바람직하다."

② 탐구 실험

준비된 동전으로 구조물이 견디는 힘을 측정하기에 부족하다면, 추 또는 분동을 이용한다.

③ 생각모으기의 해답

   - ③의 모양은 수직으로 작용하는 힘에 대해 견딜 수 있는 구조가 없고, ④의 경우는 트러스 구조인데 삼각형의 꼭지점에 받는 힘이 분해되어 나누어진다. 트러스 구조를 많이 사용하면 할수록 힘이 나누어져 훨씬 더 많은 하중을 견딜 수 있다. ⑤는 일반적으로 거더 구조라고 하는데 박스형태를 하고 있어 수직성분의 힘에 잘 견딜 수 있도록 되어 있다. ⑥은 아치형으로 힘이 양쪽으로 분산되는 구조를 가지고 있다.

④ 한 걸음 더 의 해답

1. 그림의 공통점은 아치형을 가지고 있다는 것이다.

2. 눌러지는 부분은 기둥이다. 다리의 무게를 들고 있는 양쪽의 줄에 의해 다리의 무게가 눌러지고 있다. 늘어나는 부분은 다리의 무게를 지탱하고 있는 줄, 휘어지는 부분은 자체의 무게에 의해 휘어지는 다리의 상판이다. 다리의 무게는 줄에 의해 힘이 나누어지고, 그 줄을 걸고 있는 늘어나는 긴 줄에 의해 기둥에 힘을 전달한다. 그래서 다리의 무게가 기둥에 의해 버텨지는 구조를 하고 있다.

⑤ 읽을 거리의 보다 상세한 자료는 다음 인터넷 주소를 참고하시오.
(http://www.gsusa.org/girls/How/Careers/Bridge/BRINTERVIEW.htm)

(참고)
교량공학(http://myhome.shinbiro.com/~jscho/index.html)
나성원의 홈페이지(http://myhome.shinbiro.com/~pontina/main.htm)
99 모형교량 콘테스트(http://str.yonsei.ac.kr/99mbc/)
브리지 빌더(http://bridge.new21.net/)
장대교량의역사(http://members.tripod.co.kr/kiki72/bridge_history.htm)

<세계의 유명한 아름다운 다리>


<금문교>

       
<퐁네프의 다리>                                               

교량의 검사와 설계를 하는 토목공학자 마리아 그라지아

교량의 검사와 설계를 하는 토목공학자 마리아그라지아(MariaGrazia Bruschi)를 미국 뉴욕시 그녀의 사무실에서 바쁜 와중에 인터뷰를 했다. 다리위에서나 사무실에서나 그녀는 에너지가 충만되어 있고 자신의 일을 매우 사랑하고 있다. 그녀에게 다음과 같은 몇 가지 질문을 했다.

Q : 당신의 직업은 무슨 일을 하는 것입니까?

A : 내 직업은 새로운 다리를 만들 때 사용할 다리의 형태를 결정하고, 다리를 설계하고, 다리의 각 부분들의 크기에 대해 계산하는 일들을 포함하고 있다. 우리는 다리를 만들 때 어떤 재료를 사용할지, 각 부분들을 어떻게 시공할 것인지를 설명하고, 다리의 모든 부분들을 보여주는 그림인 설계도를 준비한다. 그리고 어떤 다리를 보수해야 하는지를 결정하고, 어떻게 보강할 것인지를 결정한다. 모든 다리들은 항상 다리가 노후되지는 않았는지, 현재의 교통량을 견딜 수 있는지에 대해서 검사를 받아야 하는데, 다리를 검사할 때는 직접 다리의 모든 부분을 올라가서 육안으로 또는 기구를 이용하여 검사한다.

다리가 건설되는 동안 설계대로 다리를 정확하게 건설하는지, 건설방법은 적절한 지를 항상 확인한다.

Q : 당신은 현재의 위치까지 오는데 얼마나 걸렸나?

A : 나는 전문학위를 얻기 위해 공과대학을 6년간 다녔다.(한국에서는 4년이다.)  나의 첫 번째 일은 국제적인 건설회사에서 구조디자인 분야에서의 일이었다. 여기서 3년 정도 지낸 후, 장대 현수교라는 특수분야만을 다루는 엔지니어 컨설팅 회사에 취직했고, 그 후로 지금까지 지난 10년을 일해 왔다.

Q : 당신의 일 중에서 어떤 일을 할 때가 가장 좋은가?

A : 우리의 고객과 함께 일을 하게 되어, 다리를 어떻게 건설할 것인지 어떤 모양으로 할 것인지는 결정하는 기회가 왔을 때, 그리고 그들의 다리가 가지고 있는 문제들에 대한 최상의 해결책을 결정하여 도움을 줄 때이다.

  또한 나는 다른 엔지니어들이 비슷한 문제들을 어떻게 해결했는지는 알아내고 연구하는 것을 좋아하고, 다리의 검사하러 나갈 때 다리 위에 올라가서 다리가 어떻게 서로 연결되어 있는지를 보는 것도 좋아한다.

Q : 자신이 이런 직업을 원한다는 것을 언제 알게 되었나?

A : 내가 고등학교를 졸업했을 때, 나는 수학을 매우 잘 했으며, 그래서 수학교사가 되기를 원했다. 그런데 나의 아빠는 내가 수학을 가르치는 일을 포함하여 더 많은 기회를 제공하는 엔지니어가 적합하다는 것을 확신시켜 주셨다. 대학 4학년 여름때에 엔지니어 컨설팅 회사에서 인턴사원으로 일했으며, 다리에 관하여 많은 것을 배웠다. 그 이후로 이 분야에서 전문가가 되기를 원하게 되었다.

Q : 당신과 같은 분야를 희망하는 여학생들에게 충고 한다면.

A : 엔지니어는 가장 남성적인 분야 중의 하나이고, 많은 엔지니어와 대학 교수들은 여성들이 이런 직업 가지려 할 때 아직도 신중하라고 충고한다. 만약 당신이 이런 조언자들을 만난다면 무시하라! 당신의 지적인 능력과 흥미를 고려하고 자신을 살펴보라. 토목공학에서 여성들이 할 수 없는 일이라는 것은 존재하지 않는다. 다리를 오르고 검사하면서 육체적인 어려움을 겪는다면, 적어도 육체적인 일을 하지 않는 일을 하는 성공적인 엔지니어가 될 수 있다.

   
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