콘크리트 구조 설계법의 진화

보강된 콘크리트 구조는 강재와 콘크리트가 갖는 큰 장점들이 조합된 합성작용에 의해 그 유용성을크게 증대시키는 구조이다. 그러나, 콘크리트 재료의 특성인 임의성, 비균질성, 비선형성, 시간의존성과 이질 재료의 복잡한 합성 거동 때문에, 체계적인 고전역학을 콘크리트 구조물의 해석과 설계에 적용하기가 매우 힘들다. 그림 1.2에 콘크리트 교량을 해석하고 설계하는데 필요한 역학적 단계를 나타냈다. 이 그림에서 알 수 있듯이, 철근콘크리트 구조는 구성 요소인 콘크리트와 강재의 재료 법칙뿐만 아니라, 합성상태의 또 다른 재료 이론이 필요하게 된다는 것을 알 수 있다. 이 합성재료 성질은 그림 1.3에 개념적으로 나타낸 것과 같이 하중 단계마다 균열 유무에 따라 심한 비선형을 갖고 있으며, 균열 발생 후는 방향을 알 수 없는 직방성 재료적인 성질을 갖는다.

이러한 이론적 배경 때문에 지난 1세기 동안 콘크리트 구조를 해석하고 설계하는 작업은 경험과 실험에 주로의존할 수밖에 없었으며, 불확실성이 크게 내재된 분야로 분류되어 왔다.이와 같은 환경에서 교량을 포함한 일반 콘크리트 구조설계기준은 1) 안전성(사용성 및 내구성포함)과 경제성 확보와, 2) 기반 요소 기술의 확보 정도에 따라 그림 1.4와 같이 크게 세 단계로발전하였다. 1960년대 까지는 복잡한 비선형 거동 특성을 갖는 콘크리트 구조의 기반 재료 및 요소부재 이론이 충분히 확보되지 않는 상태에서 선형탄성 이론을 바탕으로 한 허용응력설계법 (WSD)을 사용하였다. 그 후 경험과 연구 개발에 의한 요소 기술의 축척으로 강도설계법 (USD)과 한계상태설계법 (LSD)이 등장하였다. USD와 LSD는 모두 신뢰도기반 하중-저항계수 설계 (LRFD:Load Resistance Factor Design) 방식에 해당하는데, 미국의 현행 ACI나 AASHTO 기준은 USD를 바탕으로 하고 있고, 유럽의 EC 2와 일본의 JSCE는 LSD를 근간으로 하고 있다.