한계 상태 설계

LSD(Limit State Design)는 LRFD(Load And Resistance Factor Design, LRFD)라고도 하며, 구조 공학에서 사용되는 설계 방법을 말한다. 한계 상태는 관련 설계 기준을 더 이상 충족하지 않는 구조물의 조건이다.^[1] 조건은 구조물에 대한 하중 정도 또는 기타 조치를 나타낼 수 있으며, 기준은 구조 건전성, 사용 적합성, 내구성 또는 기타 설계 요건을 가리킨다. LSD가 설계한 구조물은 설계 수명 동안 발생할 수 있는 모든 조치를 유지하고 각 한계 상태에 대해 적절한 수준의 신뢰도로 사용 적합성을 유지하기 위해 비례한다. LSD에 기반한 빌딩 코드는 처방전에 의해 적절한 신뢰도 수준을 암묵적으로 정의한다.

소련에서 개발되고 N.S 스트렐레츠키 교수가 주도한 연구를 바탕으로 1955년 구소련 건축규제에 국가제한 설계 방식이 도입되었다.

기준

한계 상태 설계에는 구조물이 두 가지 주요 기준인 극한 한계 상태(ULS)와 사용 가능성 한계 상태(SLS)를 만족해야 한다.^[2]

어떤 설계 과정도 여러 가지 가정을 수반한다. 구조물의 하중을 추정해야 하며, 점검할 부재의 크기를 선택하고 설계 기준을 선택해야 한다. 모든 엔지니어링 설계 기준에는 안전한 구조를 보장하고 구조의 기능을 보장하는 공통 목표가 있다.

극한 한계 상태(ULS)

극한 상태(미국)와 극한 한계 상태(ULS)를 명확히 구분한다. 미국은 고려 중인 부품의 붕괴를 유도하고 접근하는 과도한 변형이 수반되거나 관련성이 있는 구조 전체 또는 사전 합의된 값을 초과하는 변형이 수반되는 물리적 상황이다. 그것은 물론 구조 구조와 잔존 변형의 상당한 비탄성(플라스틱) 거동을 포함한다. 이와는 대조적으로, ULS는 물리적 상황이 아니라 설계 부하에서 강도 및 안정성에 대한 엔지니어링 요구를 준수하기 위해 다른 추가 기준 중에서 충족되어야 하는 합의된 계산 조건이다. 구조물은 모든 요소화된 휨, 전단 및 인장 또는 압축 응력이 고려 중인 섹션에 대해 계산된 요소된 저항보다 낮을 경우 최종 한계 상태 기준을 충족하는 것으로 간주된다. 참조된 인수 응력은 섹션의 하중에 확대 계수를 적용하여 확인할 수 있다. 감소 계수를 적용하여 섹션의 다양한 요인별 저항을 결정한다.

한계 상태 기준은 스트레스보다는 부하 측면에서도 설정될 수 있다. 이 접근방식을 사용하여 분석 중인 구조 요소(즉, 빔이나 기둥 또는 벽과 같은 기타 하중 지지 요소)가 "확대된" 하중이 관련 저항보다 작을 때 안전한 것으로 나타난다.

ULS의 설계 기준을 준수하는 것은 적절한 구조적 안전성을 제공하기 위한 최소 요건(기타 추가 요구 사항 중)으로 간주된다.

사용성 제한 상태(SLS)

위에서 언급한 ULS 점검 외에 서비스 제한 상태(SLS) 계산 점검을 수행해야 한다. 사용가능성 한계 상태 기준을 만족하기 위해 구조물은 일상적인 (매일) 적재에 따라 의도된 용도에 대해 기능을 유지해야 하며, 따라서 구조물이 일상적인 조건에서 점유자를 불편하게 하지 않아야 한다.

ULS의 경우 SLS는 물리적인 상황이 아니라 전산적인 점검이다. 이 목적은 특성 설계 하중(무작동)의 작용 및/또는 부과된 변형, 정착, 진동 또는 온도 구배 등의 특정(비작동) 크기 또는 온도 구배 등을 적용하는 동안 구조적 거동이 관련 스탠에 명시된 SLS 설계 기준 값을 준수하고 이를 초과하지 않음을 입증하는 것이다.힘있게 굴다 이 기준에는 다양한 응력 한계, 변형 한계(변형, 회전 및 곡률), 유연성(또는 강성) 한계, 동적 거동 한계, 균열 제어 요건(균열 폭) 및 구조물의 내구성과 일상의 서비스 수준 및 달성된 인간의 편의성과 관련된 기타 배치가 포함된다.Ved, 그리고 그것의 일상적 기능을 수행하는 능력. 구조적인 문제가 아닌 경우, 구조 설계에도 영향을 미칠 수 있는 음향 및 열 전달에 적용되는 한계도 수반될 수 있다.

이 계산 점검은 탄성 구역의 하반부에 위치한 지점에서 수행되며, 특성(무작위) 작용이 적용되고 구조적 거동이 순수하게 탄성된다.

요인 개발

부하 및 저항 계수는 통계와 사전 선택된 고장 확률을 사용하여 결정된다. 건설 품질의 변동성, 건설 자재의 일관성이 요인에서 설명된다. 일반적으로 재료의 저항에는 통합 계수(1개) 이하가 적용되며 부하에는 통합 계수 이상이다. 자주 사용되지 않지만, 일부 하중 사례의 경우 복합 하중의 감소 확률은 합일보다 작을 수 있다. 이러한 요인은 재료마다 또는 심지어 동일한 재료의 등급마다 크게 다를 수 있다. 목재와 석재는 일반적으로 콘크리트보다 작은 인자를 가지며, 이는 결국 강철보다 작은 인자를 가진다. 저항성에 적용되는 요인은 또한 값들의 도출에 대한 과학적 신뢰도(즉, 특정 유형의 고장 모드에 대한 연구가 많지 않을 때 더 작은 값이 사용된다)도 설명한다. 하중과 관련된 요인은 일반적으로 관련 재료의 유형에 독립적이지만, 구성의 유형에 의해 영향을 받을 수 있다.

인자의 특정한 크기를 결정할 때, 더 결정론적인 하중(죽은 하중과 같이 구조물의 무게와 벽, 바닥 처리, 천장 마감과 같은 영구 부착물)은 지진, 바람 또는 활하중(점포)과 같은 매우 가변적인 하중(1.6)보다 낮은 요인(예: 1.4)이 주어진다. 충격 하중은 대개 예측 불가능한 크기와 로딩의 동적 특성 대 대부분의 모델의 정적 특성을 모두 설명하기 위해 여전히 높은 요인(예: 2.0)이 주어진다. 이론적으로 허용되거나 허용 가능한 스트레스 설계보다 철학적으로 우월한 것은 아니지만, 각 요소가 동일한 고장 확률을 가지도록 의도된 것처럼 보다 일관성 있게 설계된 구조물을 생산할 잠재력이 있다. 실무적인 측면에서 이것은 일반적으로 보다 효율적인 구조를 초래하며, 따라서 LSD가 실제 공학적인 관점에서 우월하다고 주장할 수 있다.

건물 코드의 LSD 처리 예

다음은 캐나다의 국가 건축 법규에서 발견된 LSD의 치료법이다.

NBCC 1995 형식 φR > αD_D + ψ {αL_L + αQ_Q + αT_T}

여기서 φ = 저항 계수 ψ = 하중 조합 계수 γ = 중요 계수 α_D = 사하중 계수 α_L = 활하중 계수 α_Q = 지진 하중 계수 α_T = 열영향(온도) 하중 계수

한계 상태 설계는 대부분의 형태의 토목 공학에서 허용 응력 설계의 오래된 개념을 대체했다. 눈에 띄는 예외는 교통공학이다. 그럼에도 불구하고, 새로운 코드는 현재 LSD 기반인 지질공학과 운송 공학 모두를 위해 개발되고 있다. 결과적으로, 대부분의 현대적인 건물들은 한계 상태 이론에 근거한 코드에 따라 설계된다. 예를 들어, 유럽의 구조물은 유로코드를 준수하도록 설계된다. 강 구조물은 EN 1993에 따라 설계되고, 철근 콘크리트 구조물은 EN 1992에 따라 설계된다. 호주, 캐나다, 중국, 프랑스, 인도네시아 및 뉴질랜드(많은 다른 국가들 중)는 설계 코드 개발에 한계 상태 이론을 이용한다. 가장 순수한 의미에서 LSD와 작업할 때 안전 요인을 논의하는 것은 현재 부적절하다고 간주되고 있는데, 이는 혼란을 초래할 수 있다는 우려가 있기 때문이다. 이전에, LRFD와 ASD는 강철 격자 프레임의 상당히 다른 설계를 생산할 수 있는 것으로 나타났다.^[3]

ASD가 상당히 가벼운 중량 강철 게이블 프레임 설계를 생성하는 상황은 거의 없다. 게다가, 눈이 많이 오는 지역에서는, 방법의 차이가 더 극적이라는 것을 보여주었다.^[4]

미국에서는,

미국은 특히 한계 상태 설계(미국에서는 부하 및 저항 계수 설계로 알려져 있음) 채택이 더디었다. 디자인 코드와 표준은 다양한 기관이 발행하고 있으며, 그 중 일부는 한계 국가 설계를 채택했으며, 다른 일부는 그렇지 않다.

ACI 318 구조 콘크리트에 대한 건축 법규 요구사항은 한계 상태 설계를 사용한다.

ANSI/AISC 360 구조용 강재건축물 사양, ANSI/AISI S-100 냉간성형강재부재 설계를 위한 북미 사양, 알루미늄협회의 알루미늄 설계 매뉴얼에는 두 가지 설계 방법이 나란히 수록되어 있다.

부하 및 저항 계수 설계(LRFD), 한계 상태 설계 구현 및
허용 강도 설계(ASD)는 공칭 강도를 안전 계수로 나누어 허용 강도를 결정하는 방법이다. 이 허용 강도는 일련의 ASD 부하 조합에 필요한 강도와 동일하거나 초과해야 한다. ASD는 LRFD 방식과 동일한 구조 신뢰도와 구성품 크기를 제공하도록 교정되며, LRFD 방식은 활하중비 3이 된다.^[5] 따라서 구조물이 3과 다른 활하중 대 사하중 비율을 갖는 경우 ASD는 LRFD 방법에 따른 설계에 비해 신뢰성이 떨어지거나 효율성이 떨어지는 설계를 생성한다.

반면 물 저장용 ANSI/AWWA D100 용접 탄소강 탱크와 오일 저장용 API 650 용접 탱크는 여전히 허용 응력 설계를 사용한다.

유럽에서는

유럽에서는 유로코드에 의해 한계주 설계가 시행된다.

참고 항목

참조

인용구

^ EN 1990:2002 E, Eurocode - 구조 설계 기본, CEN, 2001년 11월 29일
^ McCormac 2008, 페이지 50. "한계상태라는 용어는 구조 또는 구조물의 일부가 의도된 기능을 더 이상 수행하지 않는 상태를 설명하는 데 사용된다. 한계 상태의 범주는 강도와 서비스 가능성의 두 가지 범주가 있다."
^ 카탄바프네자드, 나저, 앤 호박, 앨런, S.(2020년). 조립식 Gable Frame Design, American Journal of Engineering Research(AJER), Vol. 9(5), 페이지 120-134의 LRFD와 ASD 비교.
^ 카탄바프네자드, 나저, 앤 호박, 앨런, S.(2020년). 고설 지역의 조립식 Gable 프레임 설계- LRFD와 ASD의 비교, 미국 공학 연구 저널(AJER), 제9권(6), 페이지 160-168.
^ Steel Construction Manual Fourteenth Edition. AISC. 2011. pp. 16.1–246. ISBN 1-56424-060-6.

원천

McCormac, Jack C. (2008). Structural Steel Design (4th ed.). Upper Saddle River, NJ: Pearson Prentice Hall. ISBN 978-0-13-221816-0 – via Google Books (preview).

[EN1990-1] EN 1990:2002 E, Eurocode - 구조 설계 기본, CEN, 2001년 11월 29일

[2] McCormac 2008, 페이지 50. "한계상태라는 용어는 구조 또는 구조물의 일부가 의도된 기능을 더 이상 수행하지 않는 상태를 설명하는 데 사용된다. 한계 상태의 범주는 강도와 서비스 가능성의 두 가지 범주가 있다."

[3] 카탄바프네자드, 나저, 앤 호박, 앨런, S.(2020년). 조립식 Gable Frame Design, American Journal of Engineering Research(AJER), Vol. 9(5), 페이지 120-134의 LRFD와 ASD 비교.

[4] 카탄바프네자드, 나저, 앤 호박, 앨런, S.(2020년). 고설 지역의 조립식 Gable 프레임 설계- LRFD와 ASD의 비교, 미국 공학 연구 저널(AJER), 제9권(6), 페이지 160-168.

[5] Steel Construction Manual Fourteenth Edition. AISC. 2011. pp. 16.1–246. ISBN 1-56424-060-6.

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