성능설계법

START 서브노트 문제:

성능설계법

성능기반설계법에 대해서 서술하시오.

정답:

성능기반내진설계(강도설계법과 비교)

1. 개요

일반 내진설계기준에 의한 강도설계법과 성능기반내진설계는 모두 지진 발생 시 구조물의 안전성을 확보하는 데 목적이 있지만, 사용되는 설계 철학과 방법론에 있어 다음과 같은 핵심적인 차이점을 가지고 있습니다.

2. 설계 철학

강도설계법: 구조물의 모든 부재가 지진 하중에 견딜 수 있도록 충분한 강도를 확보하는 데 초점을 맞춥니다. 즉, 구조물의 모든 부재가 항복하지 않도록 설계하는 방식입니다.
성능기반내진설계: 지진 발생 시 구조물의 기능 및 성능을 명확하게 정의하고, 이를 달성하기 위한 성능 목표를 설정하여 설계합니다. 즉, 구조물이 특정 수준의 지진 하중에 견딜 수 있도록 설계하는 방식입니다.

3. 설계 방법

강도설계법: 규범에 명시된 지진 하중을 구조물에 작용시키고, 이에 대한 응력과 변형을 계산하여 각 부재의 강도가 충분한지 평가합니다.
성능기반내진설계: 비선형 해석을 통해 지진 발생 시 구조물의 실제 거동을 예측하고, 설정된 성능 목표를 달성하는지 평가합니다. 또한, 다양한 지진 하중 시나리오를 고려하여 구조물의 안전성을 검증합니다.

4. 장단점 비교

5. 적용 분야

강도설계법: 일반적인 건축물, 소규모 구조물 등
성능기반내진설계: 중요 구조물(고층 건축물, 교량, 터널 등), 특수한 요구 사항이 있는 구조물(특정 기능성 요구, 지진 안전성 강화 등), 복잡한 구조물 등

6. 결론

강도설계법과 성능기반내진설계는 각각 장단점을 가지고 있으며, 적합한 설계 방법은 구조물의 특성과 요구 사항에 따라 달라집니다. 일반적으로 중요 구조물이나 복잡한 구조물의 경우, 성능기반내진설계를 통해 보다 안전하고 효율적인 설계를 수행할 수 있습니다.

능력스펙트럼(역량스펙트럼)

성능설계법 (부재한계상태, 골조한계상태)

성능설계법은 주어지는 설계방법과 관계없이 비선형 해석이나 실물실험 등을 통하여 성능을 검증하는 설게법이다.

성능설계로 설계하는 경우에도 구조설계 4원칙을 만족해야 한다. 구조물을 적절한 수준의 신뢰성과 경제성을 확보하면서 목표로 하는 사용수명동안 발생가능한 모든 하중과 환경에 대하여 요구되는 안정성능, 사용성능, 내구성능, 친환경성능을 갖도록 설계한다.

설계시 의도하는 성능수준에 적합한 하중조합에 근거하여야 한다. 재료 및 구조물치수에 대한 적절한 설계값을 선택한 후 합리적인 거동이론을 적용하여 구한 구조성능이 요구되는 한계성능을 만족시킨다는것을 검증한다. 이때 구조부재의 강성, 강도와 감쇠, 물성치는 관련기준 또는 실험 결과를 기초로 한다.

실험절차는 KDS 41 10 10 (건축구조기준 구조검사 및 실험)을 따른다.

구조부재, 비구조부재 및 그 연결부는 해석 또는 실험에 의하여 강도설계법에 따라 설계된 부재에서 기대되는 신뢰성 이상의 강도, 강성을 보유한 것이 입증되어야 한다.

성능설계법은 단순히 강도 기준만으로 설계하는 기존 방식과 달리, 구조물의 안전성과 기능성을 명확하게 정의하고, 이를 달성하기 위한 성능 목표를 설정하여 설계하는 방법입니다. 핵심 특징:

목표 성능 설정: 구조물의 사용 목적, 예상되는 하중, 허용 가능한 피해 정도 등을 고려하여 구체적인 성능 목표를 설정합니다.
성능 분석: 다양한 설계 방안을 검토하고, 각 방안이 목표 성능을 얼마나 충족하는지 분석합니다.
성능 기반 설계: 분석 결과를 바탕으로 목표 성능을 달성할 수 있는 최적의 설계 방안을 선택하고, 구체적인 도면과 계산을 통해 설계를 완료합니다.
성능 검증: 설계 완료 후, 시뮬레이션이나 실제 실험을 통해 설계가 목표 성능을 달성하는지 검증합니다. 장점:
구조물의 안전성과 기능성을 명확하게 확보할 수 있습니다.
다양한 설계 방안을 비교 분석하여 최적의 설계를 선택할 수 있습니다.
설계의 합리성을 높이고 경제성을 제고할 수 있습니다.
건축물의 유지 관리 및 개조를 용이하게 합니다. 적용 분야:
고층 건축물, 대형 건축물, 중요 시설 등 안전성이 매우 중요한 건축물
지진, 태풍, 화재 등 특정 하중에 대한 안전성이 중요한 건축물
특수한 기능이나 성능을 요구하는 건축물

개요

지진을 경험한 건축물에 대한 약식평가방법의 일환으로 1975년 Freeman에 의해 처음 소개
ATC-40과 FEMA-273 등에 도입되어 건축물에 대한 내진성능 평가와 보강을 위한 방법으로 사용
- ATC(Applied Technology Council)
- FEMA(Federal Emergency Management Agency)
능력스펙트럼법은 구조물의 횡하중에 대한 저항능력과 구조물에 작용하는 지진의 요구를 하나의 그래프에 표현함으로써 구조물의 내진성능을 평가가는 방법