한계상태설계법(LSD : Limited State Design) (출처 : 철골구조 / 예문사)

한계상태설계법(LSD : Limited State Design) (출처 : 철골구조 / 예문사)

 

1. 개요 

 한계상태설계법은 구조물이 모든 계수하중 조합에 대하여 어떠한 적용 한계상태도 초과하지 않도록 구조물을 설계하는 방법으로 구조물에 요구되는 여러가지 상태에 대해 한계상태를 확보하는 것으로 확률 또는 신뢰성 이론에 기초한다.

수식으로 표현하면 다음과 같다.

저항능력(R)이 하중효과(Q)보다 이상이어야 함

한계상태는 강도한계상태와 사용성한계상태로 나눌 수 있으며, 다음과 같이 정리할 수 있다.



1) 강도한계상태

각 구조부재나 조립재의 설계강도는 계수하중에 근거한 소요강도 이상이어야 한다.

설계강도는 각각의 적용한계 상태에 대하여 공칭강도에 강도저감계수를 곱하여 산정한다.


2) 사용성 한계상태

(1) 과도한 국부손상

(2) 과도한 처짐 및 회전

(2) 과도한 진동



2. 공칭하중

공칭하중의 종류는 고정하중, 활하중, 지붕의 활하중, 풍하중, 적설하중, 지진하중, 빗물하중, 수압, 토압, 초기변형도에 의한 하중 등이 있다.

여기서, 수압은 일정한 압력과 높이에 의해 작용하는 하중을 의미하고 토압은 토압과 지중수압에 의한 수평력을 의미한다.


3. 하중계수와 하중조합

구조물과 구조부재의 소요강도는 아래의 하중조합 중에서 가장 불리한 경우에 따라 결정해야 한다.

하중조합

위의 식 중 식 (3), 식 (4), 식 (5)의 L에 대한 하중계수는 차고 및 공공집회장을 제외하고 활하중이 5.0kN/m~2이하인 장소에 대하여 0.5를 사용할 수 있다.

식(6)과 식(7)의 H에 대한 하중계수는 H에 대한 구조거동과 풍하중 또는 지진하중 또는 사용성 한계상태에 속하는 

구조적 문제들은 상기의 하중계수를 곱하지 않은 사용하중상태, 즉 하중계수를 1.0으로 하며, 다만 지진하중에 대한 하중계수는 0.7로 한다.


<하중조합 예제>

강구조한계상태 기준에 따라 지붕에 작용하는 하중조합의 기본식을 쓰고, 고정하중 1.5kN/m^2, 지붕의 활하중 1.2kN/m^2, 설하중 0.5, 풍하중 0.5 (정압 또는 부압) 작용시 지붕구조를 설계하기 위한 최대하중조합 산정은?

- 풀이 -

4. 충격하중

충격이 발생하는 활하중을 지지하는 구조물은 그 효과를 고려하여 공칭활하중을 증가시켜야 한다. 별도의 규정이 없는 경우, 최소한 다음의 증가율을 적용한다.

5. 크레인 주행로의 수평력

1) 크레인 주행로에 대한 공칭횡방향 수평력은 양중하중과 크레인 트롤리의 무게 합(크레인 다른 부분의 무게는 제외)의 20% 이상이어야 한다.

이 힘은 주행로 레일에 직각방향으로 레일 상부에 작용하는 것으로 가정하며, 레일을 지지하고 있는 구조물의 횡방향 강성에 따라 분배되어야 한다.

2) 크레인 주행방향의 수평력은 레일상부에 작용하는 크레인의 최대차륜하중의 10%이상이어야 한다.

3) 크레인 주행로는 크레인 제동력에 대해서도 설계되어야 한다.


6. 기타 하중

건축물의 실제 상태에 따라 토압, 수압, 진동 등에 의한 외력, 수축 또는 크리프의 영향을 고려해야 한다.


7. 한계상태

한계상태 설계법은 구조물이 모든 계수하중 조합에 대하여 어떠한 적용 한계상태도 초과하지 않도록 구조물을 설계하는 방법이다. 

한계상태의 종류는 다음과 같다.


1) 강도 한계상태 : 안전성과 최대 하중지지력에 대한 것

각 구조부재나 조립재의 설계강도는 계수하중에 근거한 소요강도 이상이어야 한다. 

설계강도는 각각의 적용 한계상태에 대하여 공칭강도에 강도저감계수를 곱하여 산정한다.


2) 사용성 한계상태 : 사용하중 상태에서의 구조성능에 대한 것


(1)  전체 구조물과 각 구성부재, 이음 및 연결재는 사용성에 대한 검토하여야 한다.

이 경우 모든 하중조합에 사용되는 하중계수는 1.0 으로 한다. (단, 지진하중에 대한 하중계수는 0.7)

(2) 사용성 한계상태 설계는 건물의 기능, 외관, 유지관리, 내구성 및 사용자의 편리함을 일정한 기준 이상으로 확보토록 하는 데 있다.

(3) 구조물의 수평 또는 수직 방향의 변위에 대한 제한값은 건물의 용도에 따라 다르게 할 수 있다.


3) 사용성 검토사항

(1) 과도한 국부손상

(2) 과도한 처짐 및 회전 : 구조물의 외관, 기능, 및 배수기능에 나쁜 영향을 주고, 비구조요소에 손상을 준다.

(3) 과도한 진동 : 바람이나 활하중 분포 변화에 의해 발생하며 거주자에게 불쾌감을 주거나 기계장비의 작동에 지장을 준다.



<사용성 한계상태 예제>

강구조의 한계상태 설계법에서 고층건물의 사용성 한계상태에 대하여 설명??

(풀이)

1. 풍하중에 의해 과도한 횡변위 또는 가속도가 발생되어서는 안됨

1) 일반적으로 고층건물의 최대 횡변위는 H/400이하로 제한하고 있으며, 이는 상부층 거주자들이 불안감을 느끼지 않게 하기 위한 것이다.

그러나, 거주자들의 불안감은 변위보다는 가속도에 지배받는다.

최근의 설계에서는 예측되는 풍하중에 대해 고층건물의 응답을 계산하여 인간이 인지하지 못하는 가속도의 범위 내에서 응답을 제한하는 방법에 의해 설계가 이루어지고 있다.


2. 수직부재의 부등축소에 의해 야기되는 문제점 등을 제어해야 함

1) 고층건물의 경우, 수직부재의 부등축소 현상은 피할 수 없는 문제임. 이러한 부등축소 현상에 의해 발생될 수 있는 사용성상의 문제점은 다음과 같다

(1) 커튼월, 수직배관, 엘리베이터 레일

(2) 비구조 부재의 균열

(3) 슬래브 기울어짐


3. 신축 및 해체 작업에 많은 비용이 필요하기 때문에 재건축이 사실상 불가능함

- 따라서, 구조체는 설비 및 외장재의 교체에 대응될 수 있도록 충분한 내구성이 확보되어야 함