구조적 여용성을 갖는 구조시스템의 피로에 의한 연속파괴는 응력재분배를 고려한 시스템 수준에서의 해석이 필요하다. 이러한 시스템신뢰성에 기반한 최적설계는 다수의 반복적인 시스템신뢰성 해석을 필요로 하기 때문에 계산비용이 막대할 수 있다. 이에 본 연구에서는 구조시스템의 피로한계상태를 고려하면서도 비교적 합리적인 계산비용으로 신뢰성 기반 최적설계를 가능하도록 하는 기법을 제안하였다. 구조시스템의 피로 연속파괴에 대한 시스템신뢰성 해석을 위해, 제안 기법에서는 최근 개발된 B3-method(Branch-and-Bound method employing system reliability Bounds)를 도입한다. B3-method는 구조시스템의 구조적 여용성과 응력재분배를 고려해 피로한계상태에 대한 시스템 수준 파괴확률을 효율적으로 계산할 수 있도록 해준다. 이와 더불어, 제안 기법은 메타휴리스틱 최적화 알고리즘인 GWO(Gray Wolf Optimization)를 통합하며, 이렇게 구축된 최적화 프레임워크의 효율성을 더욱 향상시키기 위해 설계 최적화의 관점에서 B3-method 해석에 대한 추가적인 해석규칙을 제안하였다. 이렇게 개발된 기법의 검증을 위해 구조시스템 수치예제에 적용하고 몬테카를로 시뮬레이션 해석 결과와 비교하였으며, 그 결과 제안 기법의 정확성과 효율성이 입증되었다.