축하중과 휨을 받는 철근 콘크리트 기둥의 정밀 신뢰도 해석

Abstract

국내외 교량설계 개념이 경험적 설계에 기반한 허용응력설계법(ASD, Al-lowable Stress Design)에서 통계자료에 근거한 확률기반의 하중-저항계수설계법(LRFD, Load and Resistance Factor Design)로 변화하고 있다. 하중-저항계수설계법에서는 설계대상 부재의 안정성여부를 판단할 수 있도록 한계상태식을 설정하고, 설계 변수들의 확률적 통계적 특성을 반영하여 신뢰도분석을 수행한다. 이 결과를 바탕으로 균일한 안전성을 확보하도록 하중계수 및 저항계수를 산정하는 한다. 따라서 신뢰도기반 하중저항계수법으로 교량 설계의 개념을 전환하기 위해서는 기존 교량들에 대한 신뢰도평가가 선행되어야 한다. 현재 우리나라의 교량설계기준은 강부재에 대해서는 허용응력 설계법을 적용하며, 콘크리트 부재에 대해서는 강도설계(USD, Ultimate Strength Design)법을 적용하여 설계하도록 제안한다. 철근콘크리트 기둥을 설계하기 위해서는 강도설계법을 적용해야 하는데, 이 경우 대상 부재의 안정성 여부를 판단할 수는 있지만 파괴에 대한 정량적인 지표를 나타내는 신뢰도평가를 수행 할 수 없다는 문제점이 있다. 철근콘크리트 기둥의 신뢰도지수를 평가하기 위하여 지금까지 많은 연구가 진행되어 왔다. 기둥은 축력을 받는 부재지만 제작오차 등에 의한 편심과 외부 하중에 의해 휨을 동시에 받게 되며 순수 축력을 받는 경우는 거의 없다. 따라서 휨과 축력을 거동을 동시에 고려할 수 있는 신뢰도해석이 반드시 필요하다. 휨과 축력을 동시에 고려할 수 있는 방법으로는 철근콘크리트 기둥 PM상관도를 이용한 연구가 있다. PM상관도는 단면의 축강도과 휨강도의 관계를 나타내는 상관도로써, 단면에 작용하는 외부 하중이 PM상관도 내에 존재하면 안전, 외부에 존재하면 파괴가 된다. 이러한 성질을 이용하여 PM상관도를 한계상태로 보고 신뢰도해석을 한 여러 연구가 있다. 하지만 기존의 연구에서는 동일한 편심상에서 반드시 파괴한다고 가정하거나, 파괴 가능한 점을 일부 구간으로 제한하는 등이 한계가 있다. 본 연구에서는 PM상관도 상의 모든 점을 파괴 가능 점으로 보고, 보다 개선된 철근콘크리트 기둥의 신뢰도해석 기법을 제안한다. 제안한 방법을 MCS결과와 비교하여 그 타당성을 검증하고, 하중확률변수의 분포 특성에 따라서 파괴거동이 달라지는 것을 보인다. 제안하는 기법을 이용하여 얻어진 신뢰도지수와 파괴양상은 설계지침서의 목표신뢰도지수를 산정하는 기초자료가 될 것이다.