한계상태(Limit State)라 것은 구조물이나 구조요소가 처음에 계획된 대로 구조적인 역할을 하지 못할때를 말한다. 즉 한계에 다다렀다는 의미로 이해하면 된다.
이러한 한계상태는 크게 3가지로 나뉜다.
1) 극한한계상태
(Ultimate Limit State)
2) 사용성한계상태
(Serviceability Limit State)
3) 특별한계상태
(Special Limit State)
1. 극한한계상_Ultimate Limit State
구조물의 일부 또는 전체가 붕괴(collapse)되는 상태를 말한다.
이런 한계상태로 인명을 잃거나 또는 큰 경제적 손실을 가져올 수 있기 때문에 극한한계상태가 일어날 확률빈도는 아주 낮아야 만 한다.
1) 평형의 상_Loss of equilibrium
구조물의 일부 또는 전체가 강체로서 평형을 잃는 경우가 있다. 이런 파괴는 구조물이 기울거나 또는 미끄러짐에 대한 평형을 유지하기 위해서 필요한 충분한 반력이 발달하지 않을 때 일어난다.
2) 균열파괴_Rupture
구조적으로 중요한 부분의 균열파괴로 인하여 부분적인 또는 전체적인 붕괴로 이어지는 상태를 말한다.
3) 점진적인 붕괴_Progressive collapse
사소한 국부적인 파괴가 인접한 부재에 과하중을 받게하여 파괴시키면서 결국에는 구조물 전체의 붕괴로 발전하는 경우를 말한다.
4) 소성 메커니즘의 형성_Formation of plastic mechanism
구조물이 불안정하도록 보강철근이 여러단면에서 항복하여 소성힌지를 형성하는 경우에 파괴 메카니즘을 말한다.
5) 불안정_Instabilty
구조물의 변형으로 인하여 불안정해지는 경우로 이런 종류의 파괴는 기둥 등에서 좌굴(buckling)파괴를 말한다.
6) 피로_Fatigue
반복적인 하중이 작용하는 경우에 반복적인 응력주기(stress cycles)로 비록 그 응력의 크기는 크지 않더라도 부재가 찢어지거나 파괴되는 경우를 말한다.
2. 사용성 한계상태_Serviceability Limit State
그 자체로 구조물의 붕괴를 가져오지는 않지만, 설계된 목적의 기능적인 용도가 손상을 받는 경우를 말한다. 인명 손실 등의 위험이 그렇게 크지 않으므로 극한 한계상태에 비해서는 그 발생빈도가 높더라도 허용할 수 있다.
1) 과도한 처짐_Excessive deflection
사용하중이 작용할 때 과도한 처짐이 발생하는 상태로 과도한 처짐의 발생은 외관상 불안감을 주거나 또는 비구조적인 요소나 기계 등의 작동을 방해하고 하중의 분포를 변화시킬 수 있다.
2) 과도한 균열의 폭_Excessive crack width
철근콘크리트 구조물에서 보강철근이 외력을 지지하기 위해서는 먼저 콘크리트에 균열이 일어나야 되지만 보강철근의 배치를 세심하게 하면 균열의 폭을 최소화시킬 수 있다.
3) 과도한 진동_Undesirable vibration
철근콘크리트 구조물에서 진동이 문제가 되는 일은 거의 없지만 바닥이나 교량의 수직 진동 또는 고층 건물의 수평이나 비틀림 진동은 사용자에게 불쾌감을 유발할 수 있으므로 과도한 진동이 발생하지 않아야 한다.
3. 특별한계상태_Special Limit State
비정상적인 조건이나 하중에 의해서 손상을 받거나 파괴되는 한계상태
1) 심한 지진하중에 의한 손상이나 붕괴
2) 화재나 폭발 또는 차량의 충돌에 의한 구조적인 영향
3) 부식이나 성능저하에 의한 구조적 영향
4) 장기적으로 물리-화학적인 불안정 문제
4. 한계상태설계_Limit State Design
1) 모든 발생할 수 있는 가능성이 있는 파괴모드를 찾아내서 어떤 한계상태가 설계를 지배하는지 결정한다.
2) 각각의 한계상태가 일어날 수 있는 가능성에 대해서 안전의 등급을 어떻게 할 것인가를 결정하여야 한다. 일반적인 구조물에 대해서는 이런 과정은 건축물 시방서에서 어떤 하중들을 조합에 어떤 요소들을 검토해야 되는지를 명시함으로서 다루고 있지만, 특수한 구조물에 대해서는 기술자가 일반적인 등급의 안전수준이 적절한가를 검토하여야 한다.