도로교설계기준의 중력방향 한계상태의 하중-저항계수 및 재료계수 결정

Abstract

도로교설계기준(한계상태설계법)을 포함한 대부분의 현대 교량 설계기준은 신뢰도이론에 기반한 하중-저항계수 설계법을 따르고 있다. 신뢰도 기반 하중-저항계수 설계법에서 안전수준은 신뢰도지수로 표현되며, 목표신뢰도지수는 구조물을 구성하는 모든 부재에 대하여 확보되어야 한다. 하지만 현재 도로교설계기준(한계상태설계법)의 하중-저항계수에 의하여 확보되는 신뢰도지수는 목표신뢰도지수 보다 상당히 높게 나타난다. 따라서 이 논문에서는 최적화에 기반한 하중-저항계수 결정법을 제안한다. 다양한 구조형식과 하중효과에 대한 하중-저항계수의 적용성을 위해 한계상태식을 총 공칭하중효과로 표준화하고, 하중비의 개념을 도입한다. 하중-저항계수에 의하여 계산되는 요구공칭강도와 목표신뢰도지수를 정확히 확보하는 목표강도 사이의 오차를 최소화하는 목적함수를 이용하여 목표신뢰도지수를 균일하게 확보하는 하중-저항계수를 계산한다. 한편, 현재 도로교설계기준(한계상태설계법)은 철근콘크리트부재의 설계에 재료계수를 적용한다. 도로교설계기준(한계상태설계법)의 재료계수와 하중계수에 의해 철근콘크리트부재에 대하여 확보되는 신뢰도지수가 목표신뢰도지수 보다 상당히 높게 나타나는 것을 확인하며, 최적화에 기반한 재료계수 결정법을 제안한다. 휨 및 압축부재에 대하여 목표저항계수와 재료계수에 의하여 계산되는 등가저항계수의 차이를 최소화하는 목적함수를 구성하고 최적의 재료계수를 계산한다. 계산된 재료계수와 하중계수가 목표신뢰도지수를 균일하게 확보하는 것을 확인하며, 하중-저항 및 재료계수는 항상 함께 캘리브레이션된 값으로 사용해야함을 이해한다. 더불어 유로코드의 재료계수 산정 개념을 이해하고 유로코드에 제시된 재료계수의 산정 과정에서 나타난 몇 가지 문제점을 지적한다. 이러한 문제점을 수정하여 유로코드의 방법으로 도로교설계기준(한계상태설계법)에 대한 재료계수를 계산해보고, 유로코드 기반 재료계수 산정법의 근본적인 문제점을 확인한다. 최종적으로는 위에서 설명한 최적화 기반 하중-저항 및 재료계수 결정법으로 도로교설계기준(한계상태설계법)에 적합한 하중-저항 및 재료계수를 제안한다. 제안한 하중-저항 및 재료계수를 통해 확보되는 신뢰도지수가 목표신뢰도지수에 근사하여 균일하게 나타나는 것을 확인한다.

Most of the current bridge design codes including Korean Highway Bridge Design Code(Limit State Design) are based on load-resistance factor design which is founded on reliability theory. In load-resistance factor design, which is founded on reliability theory, the safety level is expressed as a reliability index, and the target reliability index should be secured for all the members constituting a structure. However, the reliability indices secured by the load-resistance factors of current Korean Highway Bridge Design Code(Limit State Design) is much higher than the target reliability index. Therefore, in this paper, a load-resistance factor determination method based on optimization is proposed. For the applicability of load-resistance factors to various structural types and load effects, the limit state function is standardized by the total nominal load effect and the concept of load ratios is introduced. The load-resistance factors, which secure the target reliability index uniformly, are calculated by using the objective function that minimizes the error between the required nominal strength calculated by the load-resistance factor and the target strength that accurately secures the target reliability index. Korean Highway Bridge Design Code(Limit State Design) applies the material factor to the design of reinforced concrete members. It is confirmed that the reliability indices secured by the load-material factors of the Korean Highway Bridge Design Code(Limit State Design) for reinforced concrete members are significantly higher than the target reliability index. Therefore, a method to determine the material factors based on optimization is proposed. For the flexural and compressive members, the objective function minimizing the errors between the equivalent resistance factor calculated by the material factors and the target resistance factor is constructed and the optimum material factors are calculated. It is confirmed that the calculated load-material factors secure the target reliability index uniformly. It is understood that the calibrated load-resistance and material factors should always be used together. In addition, the concept of calculating the material factor of the Eurocode is understood and some problems are pointed out in the process of the calculation. Solving these problems, the material factors for the Korean Highway Bridge Design Code(Limit State Design) are calculated by the method of the Eurocode and the fundamental problems of the method are pointed out. Finally, load-resistance and material factors suitable for Korean Highway Bridge Design Code(Limit State Design) are proposed by the optimization-based method described above. It is confirmed that the reliability indices secured by the proposed load-resistance and material factors are approximated to the target reliability index uniformly.