1. 개요
(1) 구조물 설계의 초기에는 허용응력설계법(Allowable Stress Design)이 유일한 설계법이었으나, 1960년대부터 강재에는 소성설계법, 콘크리트에는 강도설계법이 채택되기 시작하였다. 1980년대에는 구조신뢰성 이론에 기초한 하중저항계수설계법(LRFD)과 한계상태설계법(LSD)이 미국과 유럽에서 채택되었다.
(2) 국내에서도 1983년부터 콘크리트 구조물의 경우 강도설계법을 채택하고, 1999년 콘크리트설계기준에서는 허용응력설계법을 부록에서 별도설계법으로 다루고 있다. 강구조물의 경우는 아직 허용응력설계법이 사용되고 있으나 1996년 도로교 표준시방서에서는 부록에 하중저항계수설계법을 도입하였다.
(3) 각 설계법에서는 각기 다른 방법으로 통상 2.0 정도의 안전율을 확보하도록 하고 있고, 안전률을 결정하는 데에는 다음과 같은 사항들을 고려하고 있다.
① 하중값의 정확성. 즉, 구조물이 설계하중을 초과하는 우발적인 과하중을 받을 확률이 높다면 안전률 또한 높여야 한다.
② 구조의 부정확성, 재료의 결함 가능성.
③ 하중이 1회 작용하는가. 반복하여 작용하는가. 즉, 피로파괴의 가능성이 높다면 안전계수를 높여야 한다. 강재의 허용피로응력은 허용응력보다 낮다.
④ 하중의 형태(정하중인가. 동하중인가).
⑤ 부식이나 환경에 영향을 받는 정도.
⑥ 취성파괴를 일으키는가. 연성파괴를 일으키는가. 또, 그 파괴에 따른 피해 정도는 어느 정도인가.
2. 허용응력설계법
(1) 허용응력설계법은 기본적으로 뚜렷한 항복응력과 극한응력을 가지는 연성재료에 대한 설계법이다. 콘크리트로 대변되는 취성재료는 특별한 항복점이 없으므로, 허용응력의 개념을 설계에 도입하기가 곤란하다. 따라서, 콘크리트와 같은 취성재료는 파괴에 이르는 극한 상태를 기준으로 설계하게 된다.(강도설계법)
(2) 통상 구조용 강에서의 안전계수는 1.67(5/3) 즉, 허용응력은 항복응력의 3/5 정도로 규정되어 있고, 이 허용응력을 바탕으로 설계가 행해진다. 또, 극한강도에 대한 안전계수는 약 2.8 즉, 허용응력은 극한응력의 36% 정도가 된다. 다시 정리하면, 대략 항복응력 = 극한응력 x 0.6, 허용응력 = 항복응력 x 0.6이 된다.
(3) 허용응력설계법은 애초에 정역학적으로 정정인 강구조물의 설계를 위해 개발되었으나, 강구조부재는 변형경화와 항복점 이후의 연성변형 능력으로 극한응력에 도달할 때까지 항복하중을 훨씬 초과하는 극한하중에도 견딜 수 있음이 밝혀졌다. 이에 따라서 특별한 경우, 구조물내의 주요단면에서 소성힌지의 형성에 의한 붕괴기구 도달시의 극한 내하력에 기초하여 강구조물을 설계하기도 한다.(소성설계법)
3. 강도설계법
(1) 취성재료의 극한상태에 기초한 설계법이다.
(2) 공칭강도 Sn은 예상되는 강도의 결함을 고려하여 강도감소계수 φ(휨 0.85, 전단 0.8, 압축 0.7)에 의하여 감소시키고, 설계기준에 의한 설계하중 L은 가능한 초과하중을 고려하여 하중계수 γ(고정하중 1.3, 활하중 2.15, 토압 1.7, 풍하중 1.3, 수압 1.3, 지진하중 1.0)에 의하여 증가시켜, φSn ≥ ∑γi Li 의 조건을 만족하도록 한다.
4. 한계상태설계법(하중저항계수 설계법)
(1) 현재의 응력중심의 허용응력설계법과 같은 탄성설계법과는 달리 확률론적 수학 모델을 접목하여, 구조부재나 상세요소의 극한내력, 또는 사용성한계, 피로강도와 같은 각종 한계상태에 바탕을 두고 극한 또는 한계하중에 의한 부재력이 부재의 극한 또는 한계상태내력을 초과하지 않도록 하는 설계법이다.
(2) RC 구조물의 강도설계법이나 소성설계법과 설계기준의 형식면에서는 유사하나 이들과는 달리 계수안전률의 결정을 확률에 기초한 구조신뢰성이론에 의거하여 보정함으로써 일관성있는 안전율을 갖도록하는 보다 합리적이고 새로운 설계법이다.
(3) 한계상태라 함은 구조물이나 구조요소가 그 소기의 목적을 달성하기에 부적합하게 되거나 구조적 기능을 상실한 상태이며, 강도한계상태는 구조물의 일부분 또는 전체의 붕괴와 관련되는 한계상태로 매우 낮은 발생확률을 가져야 하며, 사용한계상태는 구조물의 용도상 구조적 기능이 저하, 손상된 한계상태로 강도한계상태보다는 더 큰 발생확률을 허용할 수 있다.
(4) 설계과정은 ①구조물에 발생가능한 모든 한계상태 관련 파괴모드를 확인하고, ②각 한계상태에 적정한 안전수준과 하중저항계수를 설정한 다음, ③설계자에 의해 지배적인 한계상태를 고려한 구조단면의 설계를 행하는 순으로 진행된다.
(5) 한계상태설계법은 ①광범위한 설계조건에서도 일관성있는 신뢰도를 유지할 수 있고(신뢰도), ②파괴모드의 중요도에 따라 목표안전도를 결정하고, 이에 대응하도록 계수를 조정 가능하고(안전률의 조정성), ③발생가능한 모든 한계상태를 고려하므로 구조물의 거동에 대한 깊은 이해가 필요하고(거동), ④토목, 건축 모두에 구조물의 시공형식이나 재료에 무관하게 공통설계기준의 제시가 가능하고(재료무관 시방서), ⑤통계자료에 기초하여 계수를 결정하므로 자료의 보완에 따라 설계기준 개정이 용이하고(설계기준개정), ⑥고정하중이 지배적인 구조에서 보다 경제적이며 일관성 있는 안전수준을 보유할 수 있는 장점이 있으나(경제성),
(6) 반면에 ①기존설계법과 상이하고(변화), ②기존 설계시스템 개정에 노력과 비용이 필요하고(설계시스템 개정), ③설계실무에의 적용에 설명이 불충분하고(이론지향적), ④경제적인 면에서 동기부여가 아직까지는 미흡하다는 단점이 있다(경제성).
5. 설계적용현황 및 장래전망
(1) 현재로서는 한계상태설계법이 가장 진보된 설계법이고, 궁극적으로 모든 시방서가 채택하여야 할 방향이다. 이에 따라 우리나라도 수년 내에 시방서에 등장을 추진하고 있다.
(2) 하지만 그 설계이론이 생소하고 난해하여, 초기에는 표준설계법으로서 자리잡기가 쉽지 않을 것이다. 따라서, 정부와 연구기관의 표준지침마련 및 기술자의 적응노력이 필요할 것이다.
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