성능기반설계(PBD)

왜 배우는가: 성능기반설계(PBD)는 규정 수치를 따르는 사양설계에서 벗어나 요구 성능을 직접 검증하는 방식이라 설계기준 체계 변화를 이해하는 데 필요하다. 성능설계법은 1교시 용어와 3교시 설명형 문항으로 여러 회차에 반복 출제되어, 정의·배경·구조를 답안 형식으로 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제123회 3교시 2번, 제114회 1교시 1번, 제109회 1교시 8번, 제104회 1교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

성능기반설계(PBD)는 구조물에 요구되는 성능목표를 먼저 정하고, 해석과 검증으로 그 목표를 만족함을 확인하는 설계법이다.

핵심 키워드

• 성능기반설계(Performance-Based Design, PBD)
• 요구성능(Performance Requirement)
• 내진성능목표(Seismic Performance Objective)
• 내진성능수준(Seismic Performance Level)
• 설계지반운동(Design Ground Motion)
• 비선형해석(Nonlinear Analysis)
• 사양설계(Prescriptive Design)
• 성능검증(Performance Verification)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 "어떤 상태를 얼마나 잘 버틸지 목표를 먼저 정하고, 그 목표를 만족한다는 것을 계산으로 보이는 설계"다. 기준이 정한 치수와 배근을 따르는 사양설계와 달리, 구조물이 실제로 어떻게 거동하는지를 해석해서 판단한다.

정식 정의는 다음과 같다. 성능기반설계는 구조물이 지정된 설계지반운동 또는 하중 조건에서 요구성능을 만족하도록 구조 시스템, 구조요소, 해석방법을 선택하고 그 결과로 성능을 검증하는 설계법이다.

핵심 용어는 다음과 같이 쓴다.

내진성능목표는 지진 규모별로 구조물이 도달하지 않아야 할 상태를 정한 것이다. 기능수행수준과 붕괴방지수준이 대표적이다. 기초 내진설계기준에서도 기초의 내진성능목표는 기능수행수준 및 붕괴방지수준에 따라 설계할 수 있다고 규정한다.

비선형해석은 재료가 항복하거나 부재가 소성변형하는 거동을 반영하는 해석이다. 성능기반설계에서는 선형해석으로 부족한 경우 이를 사용한다.

성능검증은 해석 결과가 내진성능목표를 만족하는지 확인하는 절차다. 성능설계의 결론은 이 검증에 있다.

3. 등장 배경과 필요성

사양설계는 기준에 규정된 방법을 따르면 안전하다고 보는 방식이다. 그러나 새로운 구조 형식이나 특수 용도 구조물에서는 기준이 정하지 않은 거동이 생긴다. 이 경우 기준 규정만으로는 안전성을 설명하기 어렵다.

성능기반설계는 이 한계를 보완하기 위해 도입됐다. 기준 원문도 각 시설물의 내진설계기준에서 규정한 구조시스템, 구조요소 또는 설계법을 사용하지 않는 경우에는 성능기반 내진설계를 수행할 수 있다고 정한다. 이때 절차와 근거를 제시해야 한다.

성능기준의 기본 틀은 내진설계 일반 기준에 있다. 성능기반 내진설계의 최소 내진성능목표는 4.1.4(4)에 제시된 목표 이상이어야 한다. 해석방법으로는 선형정적해석, 선형동적해석, 비선형정적해석, 비선형동적해석을 쓸 수 있다.

기초 설계에서는 기능수행수준에서 주변 지반의 소성거동을 허용하되 기초와 상부 구조물은 탄성 또는 탄성에 준하는 거동을 허용한다. 붕괴방지수준에서는 기초 구조물과 상부 구조물에 취성파괴나 좌굴이 생기지 않도록 한다. 이처럼 성능수준마다 허용 거동이 다르므로 성능설계는 이 허용 거동을 먼저 정하는 데서 출발한다.

성능설계는 설계자와 발주자가 위험도와 경제성을 함께 판단할 수 있게 한다. 중요도가 높은 구조물에는 더 엄격한 성능목표를 정하고, 그 밖의 구조물에는 목표를 달리 정할 수 있다. 이런 점에서 성능설계는 개별 프로젝트의 요구에 맞춘 설계 체계라 할 수 있다.