An Investigation of Reliability and Safety Factors in RC Flexural Members Designed by Current WSD Standard Code

현행(現行) 허용응력설계법(許容應力設計法)으로 설계(設計)되는 RC 휨부재(部材)의 신뢰성(信賴性)과 안전율(安全率) 고찰(考察)

Current standard code for R.C. design consists of two conventional design parts, so called WSD and USD, which are based on ACI 318-63 and 318-71 code provisions. The safety factors of our WSD and USD design criteria which are taken primarily from ACI 318-63 code are considered to be not appropriate compared to out country's design and construction practices. Furthermore, even the ACI safety factors are not determined from probabilistic study but merely from experiences and practices. This study investigates the safety level of R.C. flexural members designed by the current WSD safety provisions based on Second Moment Reliability theory, and proposes a rational but efficient way of determining the nominal safety factors and the associated flexural allowable stresses of steel bars and concretes in order to provide a consistent level of target reliability. Cornell's Mean First-Order Second Moment Method formulae by a log normal transformation of resistance and load output variables are adopted as the reliability analysis method for this study. The compressive allowable stress formulae are derived by a unique approach in which the balanced steel ratios of the resulting design are chosen to be the corresponding under-reinforced sections designed by strength design method with an optimum reinforcing ratio. The target reliability index for the safety provisions are considered to be ${\beta}=4$ that is well suited for our level of construction and design practices. From a series of numerical applications to investigate the safety and reliability of R.C. flexural members designed by current WSD code, it has been found that the design based on WSD provision results in uneconomical design because of unusual and inconsistent reliability. A rational set of reliability based safety factors and allowable stress of steel bars and concrete for flexural members is proposed by providing the appropriate target reliability ${\beta}=4$.

현행(現行) 철근(鐵筋)콘크리트 표준시방서(標準示方書)는 WSD와 USD의 재래적(在來的)인 두 가지 설계편(設計編)으로 구성(構成)되어 있는데 이들 설계기준(設計基準)은 ACI 318-63 및 318-71 Code에 기초를 두고 있다. 이와 같이 주로 ACI 318-63 시방서(示方書)에 기초를 둔 우리의 WSD와 USD의 안전율(安全率)은 우리의 설계(設計) 및 시공실무(施工實務)에 비(比)해 부적절(不適切)한 것으로 받아들여지고 있다. 더구나 ACI의 안전율(安全率)도 확률적(確率的)으로 결정(決定)된 것이 아니고 주로 경험(經驗)과 현실성(現實性)을 고려하여 결정(決定)된 것이다. 본(本) 연구(硏究)는 현행(現行) 허용응력설계(許容應力設計) 안전율규정(安全率規定)으로 설계(設計)되는 휨 부재(部材)의 안전수준(安全水準)을 2차(次)모멘트 신뢰성이론(信賴性理論)에 의해 고찰(考察)하고, 일관성(一貫性)있는 목표신뢰성(目標信賴性)을 제공(提供)하는 철근(鐵筋) 및 콘크리트의 공칭안전율(公稱安全率)과 휨 허용응력(許容應力)을 합리적(合理的)이고도 효율적(效率的)으로 결정(決定)하는 방법(方法)을 제안(提案)하였다. Cornell의 제(第)1계(階) 이차(二次)모멘트법(法)을 하중(荷重)과 저항(抵抗) 결과변화(結果變化)의 대수변환(對數變換)에 의해 적용(適用)하는 방법(方法)을 본(本) 연구(硏究)의 신뢰성해석법(信賴性解析法)으로 사용하였다. 최적(最適) 철근비(鐵筋比)를 갖는 극한강설계(極限强設計)의 과소철근(過少鐵筋)보에 대응하는 균형철근비(均衡鐵筋比)로 설계(設計)되는 균형단면(均衡斷面)이 되도록 하는 독특한 방법으로 콘크리트의 허용압축응력(許容壓縮應力)을 유도하였다. 우리의 시공(施工) 및 설계실무(設計實務)의 수준(水準)에 적합(適合)한 ${\beta}_0=4$를 안전율(安全率) 결정(決定)을 위한 목표신뢰성지수(目標信賴性指數)로 택하였다. 현행(現行) WSD 시방서(示方書)로 설계(設計)되는 RC 휨 부재(部材)의 안전(安全) 및 신뢰성(信賴性)을 여러 수치계산(數値計算)을 통해 고찰(考察)해본 결과(結果), 현행(現行) WSD 기준(基準)에 의한 설계(設計)는 비정당적(非定當的)이며 일관성(一貫性)없는 신뢰성(信賴性)으로 인하여 비경제적(非經濟的)인 설계(設計)도 된다는 사실(事實)을 알 수 있었다. 적절(適切)한 목표신뢰성지수(目標信賴性指數) ${\beta}_0=4$에 따른 휨 부재(部材)의 철근(鐵筋)과 콘크리트의 합리적(合理的)인 허용응력(許容應力)을 본(本) 연구(硏究)의 신뢰성이론(信賴性理論)에 의해 제안(提案)하였다.