한계 상태 설계법 (일본 토목학회 인용)

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한계 상태 설계법 (일본 토목학회 인용)에 대한 보고서 자료입니다.

본문내용

상 혹은 유지관리상 문제가 있기 때문이다. 고유진동수가 문제가 되는 보도교 등의 구조물에서는 현재는 보행자가 불쾌감을 느끼는 고유진동수를 피하여 설계되어지고 있다. 소음과 저주파 진동이 새로운 문제가 된다면 이들에 대하여 허용한도를 검토하고, 그 한도 내에 들어가도록 설계하는 것은 당연하고 이미 이는 실시되고 있다. 도로, 철도 병용의 혼슈, 시코쿠 연락교에는 철도하중에 대해 교단부와 교단부외 사이의 휨 각의 차이가 열차주행상의 문제가 되어 그 차이를 일정한 범위에 들도록 규정하고 있다.
불리는 이름은 다르지만 한계상태설계법과 동일하게 생각되어지는 설계법에 하중저항계수 설계법이 있다. 한계상태 설계법 혹은 하중저항계수 설계법의 시방서 중에 이전부터 사용되지 않았던 극한 한계상태에 대한 조사, 사용 한계상태에 대한 조사, 피로 한계상태에 대한 조사라고 하는 말이 사용되어지고 있다. 읽는 방법에 있어서 종래에는 작용하중을 근원으로 의미가 그다지 잘 이해되지 않는 안전성의 조사를 하고 있었던 것에 반해 그와는 다르게 극한 상태의 조사를 한 후에 종래에는 전부 조사되어 있지 않았던 사용한계 상태를 조사하는 것처럼 읽을 수 있다.
앞서 진술한 것처럼 다양한 안전율을 허용응력도로부터 분리한다면 명백해지듯이 종래로부터 허용응력법은 정적인 파괴에 있어서는 극한내하력을 조사하고 있다. 허용응력법설계에서도 필요하다면 피로파괴에 관해서도 조사하고 있다. 또한 변형량은 물론 필요한 것이 명백해진다면 고유진동수, 소음, 저주파진동, 교단에서 노면과 교면의 휨 각의 상대차등, 구조물이 소기의 목적을 얻기에 필요한 모든 상태에 있어서 조사하는 일이 요구되어 지고 있지만, 혹은 조사를 필요로 하지 않는 규정이 세워지고 있다. 후자는 한계상태설계법이라 하는 사용한계상태에 들어가는 것이라고 생각해도 좋다. 따라서 허용응력설계법에서도 사용한계상태를 조사해 두고 허용응력설계법과 한계상태설계법 사이에는 본질적인 차이가 없고, 넓게 말하면 강도에 있어서는 식(1)과 식(3), 혹은 (5), (8), (9)와의 차이라고 생각해도 좋을 것이다.
앞서 진술한 이유로 오해를 피하기 위해서는 식(9)의 형태가 좋고, 이 형태를 한계상태설계법이라고 정의한다면 양 설계법에 본질적인 차이는 없는 것으로 한계상태설계법이라 불리는 편이 조사식의 내용을 오해하는 것이 아니라는 의미로써 좋다고 말할 수 있다. 식(9)의 S*, R*는 극한강도 뿐만 아니고, 조사해야 하는 한계상태를 전부 포함하는 것은 당연한 일이다. 한계상태 가운데 피해야 할 고유진동수의 범위처럼 같은 한계상태에 대해 부등호 하나로는 충분치 않은 것도 있지만 그것들에 대해서는 식을 두 개로 나누어 쓴다면 식(9)의 형태가 되고 여기서는 이 이상 언급하지 않는 것으로 한다.
3. 설계시 이용하는 확률변수치
한계상태설계법과 일반적으로 등가라고 생각되어지고 있는 설계법으로, 앞서 말한 하중저항계수설계법이 있다. 구조물의 안전성을 확보하는 확률, 즉 신뢰성은 중요한 문제이다. 통계처리의 구체적인 수법은 별도로 하고, 종래로부터 확률변량에 있어서는, 시방서 제작자가 의논하고 설계에 상용되는 식으로서 확률분포치 중의 어느 값을 채용할까를 결정해 오고 있다. 이와 같은 배경을 생각할 때, 한동안 말해졌던 허용응력설계법은 결정론적 설계법이라는 것은 당연히 준확률론에 기초한 설계법이라고 생각해야 한다. 허용응력도설계법에 채용되어 있는 확률변량내 설계에 쓰이는 값, 이른바 설계치는, 확률분포를 고려하여, 더욱이 경제성과 파괴 또는 부분적인 손상이 발생했을 시의 사회적 영향을 고려하고, 그 당시 기술자의 예지를 모아 결정되어 오고 있다. 극한강도를 예로 들면, 식(5)의 강도의 설계치 R*를 실구조물의 강도가 하회할 확률은 충분히 작다. 하중의 설계치을 결정할 때에도, 결정된 값이 어느 정도 적절한가는 별도로 하고, 경제성에 대한 배려와 하중의 발생빈도가 고려되고 있다. 지진과 법규제가 충분히 행해지고 있지 않은 자동차하중을 제외하고, 실제의 하중효과가 하중효과 설계치 S*를 상회하는 확률은 충분히 작다. 따라서 안전율 ν*를 1로 선택해도 하중효과와 강도부족에 의해 파괴할 확률은 충분히 작다고 생각해도 좋다. 안전율 ν*의 값은 주로, 인적과오와 미지의 요인, 입체구조물을 평면으로 분해해서 해석하기 때문인 불확정요인 등에 대해 안전성을 확보하는 목적으로 선택되고 있다고 생각해도 좋을 것이다.
현행의 시방서가 개개의 확률변량의 분포를 별개로 고려하여, 개개의 확률변량의 설계치를 결정해 왔던 것에 대해, 통계적인 수법을 직접채용하고, 가능한 객관적으로 확률변량의 설계치를 결정하도록 하여 제안된 방법으로, 확률분포의 2차 모멘트까지를 고려하여, 목표로 하는 파괴확률을 달성하고자 하는, 즉 2차모멘트법이 있다. 2차모멘트법의 발전 가운데에서, 처음으로 하중효과와 강도의 양자의 평균치간의 비로서 정의되는 중앙안전율의 개념이 도입되어, 더욱이 이 중앙안전율을 하중효과와 강도에 선형근사를 써서 분리하는 제안이 나왔다. 이 중앙안전율을 하중효과와강도에 분리한 때의 계수가, 하중계수와 저항계수의 원형이라 할 수 있다. 그 후, 확률변량인 하중과 강도의 설계에 이용되는 값으로서 평균치를 채용하는 것에 위화감을 품은 기술자가 많았고, 통계적인 신뢰를 가질 수 있는 범위에서 확률분포 가운데 특정치를 골라 이를 특성치로 부르고, 설계치의 기준으로서 채용하고자 하는 기술자가 많아졌다. 그러나, 이 특성치 그것은 평균치로부터 표준편차의 2～2.5배 정도 떨어진 값으로 선택되어진 것이 많다. 내용기간내에 실제로 작용하는 하중이 설계에 쓰이는 하중을 초과하는 확률이 충분히 작고, 구조공학관계자가 불안을 느끼지 않는 설계하중을 구하기 위해서는 이 특성치에 또한 계수를 곱할 필요가 있다. 이 계수를 하중계수라고 부르고 있다. 강도에 있어서도 동일하게, 이 계수를 저항계수 혹은 강도계수라 부르고 있다.
더욱 간단한 경우로서, 단일하중 s를 생각할 때 그 평균치 , 특성치를 , 평균치에 대한 하중계수를 로 하면, 특성치에 대한 하중계수 는, 에서
..........(10)
으로 표현된다. 당연한 일이지만 는

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한계상태설계,   허용응력설계,   안전