확률에 기초한 설계기준

본 장에서는 확률 또는 신뢰도에 기초한 설계기준의 개념 및 개발이론에 대하여 설명되어진다. 설계기준은 설계자가 설계를 수행할 때 반드시 만족시켜야하는 최소한의 안전도 수준을 규정하고 있다. 2장에서 설명된 대로 구조물의 안전도는 신뢰도해석에 의한 신뢰도지수 또는 파괴확률에 의해 정의되어지므로 설계기준은 신뢰도에 기초한 설계기준이 되어야한다. 신뢰도에 기초한 설계기준은 2.1절에서 설명된 신뢰도해석의 여러 단계에 따라 4가지 단계로 구분될 수 있다.1단계(Level 1)의 설계기준에서는 신뢰도가 안전계수들에 의해 도입되는데, 하중저항계수설계법(Load and Resistance Factor Design Method)이 대표적이다. 2단계(Level 2)는구조물의 신뢰도지수를 목표신뢰도지수가 되도록 설계하는 기준이다. 3단계(Level 3)는 완전한 신뢰도해석에 의한 파괴확률을 적정한 파괴확률이하가 되도록 설계하는 단계이다. 4단계(Level 4)는 설계의 기준으로 비용을 포함한 총 예상기대비용을 최대화하도록 한 설계기준을 의미한다.순수한 의미에서는 설계자가 신뢰도지수() 또는 파괴확률()을 계산하여 설계기준에서요구하는 기준에 만족하는가를 검토하여야 하나, 이는 신뢰도해석에 대한 많은 지식이 요구되며, 좀더 많은 정확한 자료를 요구하고 있다. 이는 아직 현 시점에서 어렵기 때문에 현재는 신뢰도해석의 1단계에 해당되는 하중저항계수설계법을 주로 사용하고 있다. 현재 세계 각국의 주요 설계기준들이 이미 하중저항계수설계법을 적용하고 있는데, 대표적으로 미국의 철골구조 설계기준(AISC, 1986), Eurocode(1984), OHBDC(1991), AASHTO(1998) 등이 있다.

하중저항계수설계법은 확률에 기초한 한계상태 설계법으로 1단계의 설계기준에 해당한다.이 설계법에서는 하중의 불확실성을 하중계수로, 저항의 불확실성을 저항계수로 표현하며,일반적인 설계식은 다음과 같다.여기서, 은 부재강도 또는 저항, 는 여러 하중, 는 저항계수, 는 하중계수들이다. 만약 하중이 고정하중과 활하중의 합이라고 하면, 즉,     이면 식(3.1)은 다음과 같이 된다.이 설계법은 설계식, 식(3.1) 또는 식(3.2)가 기존의 강도설계법과 유사하고 실무자들에게친숙한 형식이어서 큰 어려움 없이 바로 설계에 적용할 수 있는 장점이 있다. 따라서 현재전 세계의 대부분의 설계기준이 이 방식을 채택하고 있으며, 저항계수()와 하중계수()는 각하중조합의 경우에 2단계 신뢰도해석에 의하여 적절하면서도 균일한 안전도를 확보할 수 있도록 결정된다.