Development of Reliability-Based Serviceability Limit State Design Method for Spread Foundations Under Uplift Loading in Cohesionless Soils

Abstract

The design of foundations is often governed by the serviceability limit state (SLS) requirements of the supported structure, particularly for large spread foundations. This paper aims to develop a reliability-based SLS design method for spread foundations under uplift loading in cohesionless soils. A probabilistic framework was adopted for the empirical characterisation of the compiled load-displacement curves and the quantification of the associated uncertainties. By using the obtained statistics of the curves, reliability analysis was carried out with Monte-Carlo simulations to calibrate the resistance factors within the load and resistance factor design (LRFD) framework. The calibration results showed that the embedment ratio of the foundation and the fitting errors of the empirical model, which were previously unaddressed in the literature, had notable effects on the calibrated SLS resistance factors. The relationship of the SLS with the ultimate limit state was assessed, including the governing limit state at each allowable displacement level, and the probability of ultimate failure of the foundation at the SLS condition. By considering the relationship between the limit states, the procedures for determining the design resistance factor and foundation capacity were proposed.

사질토 지반에서 인발하중을 받는 확대기초의 하중-변위 거동의 불확실성을 확률론적 접근을 통해 분석하여, 신뢰성기반 사용성한계상태 설계법을 개발하였다. 하중-변위 곡선을 포함한 기초인발실험 데이터베이스를 구축하여, 각 곡선을 쌍곡선 함수와 멱함수 법칙과 같은 경험적(empirical) 모델로 나타내어 하중-변위 곡선의 통계특성치를 구하였다. 산정한 통계특성치를 활용하여 몬테카를로 시뮬레이션을 통한 신뢰성분석을 진행하고, 사용성한계상태 허용변위에 따른 하중저항계수설계법(LRFD)의 저항계수를 산정하였다. 신뢰성분석 결과, 기초 근입비가 저항계수값에 큰 영향을 주는 것으로 확인되었으며, 하중-거동 곡선의 측정값과 경험적 모델로부터 얻은 예측값 사이의 오차를 반영함으로써, 더 정확한 저항계수값을 산정할 수 있는 것으로 판단되었다. 더 나아가, 사용성한계상태와 극한한계상태 사이의 관계를 분석하여, 허용변위와 목표신뢰도지수에 따른 지배적인 한계상태를 평가하고, 두 한계상태에 대한 동시 파괴가 일어날 확률을 산정하였다. 분석 결과를 토대로, 사용한계상태와 극한한계상태 사이의 관계를 고려한 신뢰성기반 사용성한계상태 설계법을 제시하였다.