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한계상태 설계법
한계상태설계법에 대해 설명하시오.
정답:
정의
- 구조물의 기능 또는 안전성을 지배하는 특별한 상태를 한계 상태라 할 때, 구조물의 상태가 한계상태에 도달하는 확률을 허용한도 이하로 되게 하는 설계법
한계상태의 구분
- 한계상태는 강도한계상태와 사용성한계상태로 구분
신뢰성 공학
- 구조물의 상태는 구조물에 작용하는 하중과 재료에 대하여 확률적으로 어떤 분포를 갖게 된다. 따라서 하중이나 재료의 변동성을 확률론적으로 고려하여 구조물의 안전성을 평가해야 하며, 안전성의 척도를 파괴확률과 파괴되지 않을 확률(신뢰성)로 나타내게 된다. 이 신뢰성 지수를 통해 안전성을 확보한다.
한계상태 설계법 (부재한계상태, 골조탄성상태)
- 구조적인 신뢰성 이론에 근거를 두고 확률론에 의하여 구조물의 사용성과 재료강도의 한계상태를 동시에 고려하는 설계법
- 하중과 재료에 대하여 각 부분 안전계수를 사용하여 이들의 특성을 반영함.
- 안정성은 극한강도 설계법으로, 사용성은 사용성 한계상태 설계법으로 검토하므로 강도설계법의 결점을 개선함.
정의
구조물이 파괴될 파괴확률과 구조물이 파괴되지 않을 신뢰성 확률로 나타내어 안전성을 평가하는 설계방법 구조물에 작용하는 실제 하중과 재료의 실제강도로 하중과 강도의 변동을 고려하여 확률론적으로 구조물의 안전성을 평가하며, 구조물이 그 사용목적에 적합하지 않게 되는 어떤 한계상태에 도달되는 확률이 허용한도 이하가 되도록 하는 설계법이다.
특징
- 하중-저항계수 설계법은 1986년에 미국의 AISC에서 채택한 새로운 설계법이다.
- LRFD는 강구조 부재의 극한 내력강도 또는 한계내력에 기초를 두고 극한 또는 한계하중에 의한 부재력이 부재의 극한 또는 한계내력을 초과하지 않도록 하는 설계법
- 하중 및 하중저항 관련 안전모수, 즉 계수 안전율의 결정을 허용응력설계법과 같이 오랜 경험에만 의존하지 않고 모든 불확실성을 확률 통계적으로 처리하는 구조 신뢰성 이론에 의해 처리하는 보다 합리적이고 새로운 설계법
- 강도 한계상태(Strength Limit State)와 사용성 한계상태(Serviceabililty Limit State)로 대별
- 확률이론에 기초한 LRFD는 안전성은 극한상태를 사용성은 사용한계상태를 검토하여 확보함으로써 강도설계법의 결점을 개선한 일보 진전된 설계법. LFRD는 일정한 안전수준을 확보할 수 있는 장점이 있다.
적용방법
하중작용이나 재료강도 등에 대한 통계자료가 충분하지 못하므로 하중작용과 재료강도에 대한 안전계수를 부분적으로 도입하여, 구조물에 작용하는 극한 또는 한계하중으로 발생되는 부재력이 부재의 극한 또는 한계내력을 초과하지 않도록 설계하는 방법니다.
의미
하중과 재료의 저항관련 안전계수를 확정적인 설계안전율에 의하지 않고, 하중과 재료의 저항에 관련된 모든 불확실성을 확률 통계적으로 처리하는 신뢰성 이론에 기초하여 결정하므로 일관성 있는 적정 수준의 안전율을 확보할 수 있어 구조물의 신뢰도를 높이는 보다 합리적이고 새로운 설계방법
안전도 개념
구조물의 안전도와 신뢰도는 불확실량들의 통계적인 추정에 기초한 확률모형인 구조 신뢰성 방법에 의해 파손확률 또는 신뢰성 지수 를 척도로 하여 해석해야 한다. 따라서 종래에 사용해 오던 공칭 안전율도 신뢰성 지수와 저항과 하중의 통계적 불확실량(평균, 분산)의 함수로 유도되어야 한다.
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구조물의 파괴확률
- 확률적인 구조안전도는 구조물의 신뢰도 또는 한계상태 확률, 파괴확률에 의해 정의된다.
- 구조 부재의 안전도 : 랜덤 변량인 안전여유 Z=R-S에 의해 좌우
- Z 0 일 때 안전성을 상실한 파손 또는 파괴상태
- 구조부재의 파손확률
- 확률적인 안전도의 정의로 파손 확률 대신에 상대적인 안전 마진을 나타내는 신뢰정 지수 즉, 안전도 지수를 사용
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