허용응력설계법(ASD)과 강도설계법(USD)의 차이

 

1. 구조설계법의 기본 개념

1.1 구조설계

구조설계란 구조물이 다양한 하중에 노출되었을 때 안전성과 사용성을 유지하도록 단면과 부재를 설계하는 과정이다. 이러한 설계는 단순히 재료의 강도만 고려하는 것이 아니라, 하중의 작용 특성, 구조물의 사용 목적, 수명, 외기 환경 등 다양한 요소를 종합적으로 고려해야 한다. 이때 구조설계에서 가장 중요한 것은 하중에 대한 구조물의 저항력을 평가하고, 하중이 커져도 구조물이 파괴되거나 과도하게 변형되지 않도록 적절한 안전성을 확보하는 것이다. 이를 위해 설계 시에는 하중이나 강도에 안전율 또는 계수를 적용하게 되며, 이 방식에 따라 설계법이 구분된다.

 

1.2 철근콘크리트 구조설계에서 대표적으로 사용되는 방법

• 허용응력설계법 (Allowable Stress Design, ASD)
• 강도설계법 (Ultimate Strength Design Method, USD 또는 Load and Resistance Factor Design, LRFD)

이 두 설계법은 하중 및 재료 강도에 대한 접근 방식, 안전율 적용 방식, 설계 등에서 본질적으로 다르다.

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2. 허용응력설계법 (Allowable Stress Design, ASD)

2.1 개 념

허용응력설계법은 구조물이 사용 중 받게 될 하중(사용하중)을 고려하여, 해당 하중에 의해 발생하는 응력이 재료의 허용응력 이하가 되도록 설계하는 방식이다. 즉, 실제 하중을 기반으로 구조물에 작용하는 응력을 계산하고, 해당 응력이 허용된 응력 값보다 작도록 부재를 설계한다. 여기서 허용응력은 재료의 공칭강도(예: 항복강도, 극한강도 등)에 안전율(Safety Factor)을 나눈 값이다. 예를 들어, 강재의 항복강도가 400MPa이고, 안전율이 1.5라면 허용응력은 약 267MPa로 제한된다.

 

2.2 특징 및 수식

허용응력설계 시 다음의 수식을 만족해야 한다.

 $$ \sigma =\frac{M}{S} \leq \sigma _{allow} $$

 

여기서,

• $\sigma$ : 작용 응력
• M : 휨모멘트
• S : 단면계수
• $\sigma _{allow}$ ​: 허용응력 (재료강도 / 안전율)

허용응력설계법은 탄성 영역 내 거동을 전제로 한다. 즉, 구조물이 항복 전의 선형거동 범위 내에서만 설계되며, 비탄성 거동이나 극한 상태는 고려되지 않는다.

2.3 허용응력설계법의 장단점

2.3.1 장점

• 구조 거동이 단순하고 설계 방식이 직관적이다.
• 탄성해석 기반이므로 하중-변형 관계가 명확하다.
• 과거 많은 구조물에 적용되어 실적이 풍부하다.

2.3.2 단점

• 재료의 실제 파괴 특성을 반영하지 못한다.
• 구조물의 극한 상태에 대한 검토가 불가능하다.
• 안전율이 크기 때문에 재료 사용이 비효율적일 수 있다.

2.4 허용응력설계법의 적용 예

허용응력설계법은 과거 KS F 4302나 구 콘크리트 설계기준(KSCE) 등에서 주로 사용되었다. 특히 강구조 등에서도 일부 허용응력설계 개념이 남아 있으나, 현재는 대부분의 주요 구조설계 기준에서 강도설계법으로 대체되었다. 그럼에도 불구하고, 비구조적 요소, 경량 구조물, 또는 보수·보강 설계 시의 참고용 해석 등에서는 허용응력설계법이 보조적으로 활용되기도 한다.

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3. 강도설계법 (Ultimate Strength Design Method, 또는 LRFD)

3.1 개념

강도설계법은 구조물이 파괴되기 직전의 상태, 즉 극한강도(Ultimate Strength)를 기준으로 하여 설계하는 방식이다.
하중에는 하중계수를 곱하여 가중치를 부여하고, 구조체의 강도에는 감소계수(Strength Reduction Factor, φ)를 곱하여 보수적으로 설계한다. 이 방식은 실질적인 재료의 강도 한계 및 하중의 불확실성을 정량화하여 안전성과 경제성을 동시에 고려할 수 있는 설계법으로 평가된다.

3.2 특징 및 수식

강도설계법은 다음 수식을 만족해야 한다.

$$ \sum \gamma _{i}Q_{i}\leq \phi R_{n} $$

 

여기서,

• $Q_{i}$ ​: 각 하중 효과 (예: 고정하중, 활하중, 지진하중 등)
• $\gamma _{i}$ ​: 하중계수
• $R_{n}$ ​: 공칭강도
• $\phi$ : 강도저감계수

하중계수는 하중의 불확실성을 보정하기 위한 계수로, 예를 들어 고정중은 1.2, 활하중은 1.6 등의 값을 사용한다. 강도저감계수는 부재 유형, 응력 상태 등에 따라 0.65 ~ 0.90 사이 값이 적용된다.

 

3.3 강도설계법의 장단점

3.3.1 장점

• 하중과 강도의 불확실성을 계수로 정량화하여 더 합리적이다.
• 재료의 극한강도를 고려하므로 경제적인 설계가 가능하다.
• 다양한 하중조합에 대해 유연하게 대응할 수 있다.

3.3.2 단점

• 설계 과정이 복잡하고 직관적이지 않다.
• 계수 설정에 전문지식이 요구된다.
• 해석 결과를 이해하는 데 시간과 경험이 필요하다.

 

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4. 구조설계기준(KDS)에서의 적용 방식

4.1 설계기준 개요

국내에서는 2021년 개정된 「KDS 14 20 00 : 콘크리트구조 설계기준」을 중심으로 철근콘크리트 구조 설계를 수행한다.
이 기준은 이전 KCI, KSCE 기준을 대체하며, 국제 기준(ACI 318 등)과의 정합성도 높다.

4.2 설계방법의 규정

KDS 14 20 00 기준 제1.3.1절에서는 다음과 같이 명시하고 있다.

“본 기준에서는 강도설계법(strength design method)을 기본으로 하며, 하중계수와 강도저감계수를 적용한 구조강도에 대하여 하중효과가 같거나 작도록 설계하여야 한다.”

따라서 현재 국내 구조설계에서는 강도설계법을 법적 기준에 따른 기본 설계방법으로 규정하고 있다.

4.3 허용응력설계법의 위치

허용응력설계법은 일부 비구조적 부재, 간단한 구조요소, 보수·보강 또는 참고검토용으로만 제한적으로 허용된다. 이는 설계의 주된 근거가 될 수 없으며, 대부분의 공공 및 민간 설계에서도 강도설계법을 요구하고 있다.

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5. 결론 및 정리

두 설계법의 핵심적인 차이는 다음과 같다.

표. 허용응력설계법과 강도설계법

구 분	허용응력설계법	강도설계법
기준하중	사용하중	극한하중
안전성 확보방식	응력에 안전율 적용	하중·강도에 계수 적용
설계 기준	선형거동 기반	극한거동 기반
경제성	낮음	높음
구조설계기준 적용	일부 제한적 적용	기본 설계법으로 전면 채택

현재의 구조설계 실무에서는 강도설계법으로 설계를 수행하고 있으며, 허용응력설계법은 보조적 검토 방식으로만 남아 있다.

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