보 안정용 가새

왜 배우는가: 보 안정용 가새는 횡좌굴과 비틀림좌굴로 보의 휨강도가 떨어지는 것을 막는 부재다. 실무에서는 구조평면도에 가새 위치와 유형을 정해야 하고, 시험에서는 횡좌굴 원리와 가새 배치를 묻는 문항으로 반복 출제된다.

출제 이력: 제110회 3교시 3번, 제93회 4교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 보 안정용 가새는 보의 압축 플랜지를 횡방향으로 지지하여 횡좌굴과 비틀림좌굴을 막는 부재이다.

키워드

• 횡좌굴
• 비틀림좌굴
• 압축플랜지 횡지지
• 비지지길이 Lb
• 횡좌굴가새
• 비틀림좌굴가새
• 필요강도와 필요강성
• 구조평면도 도시

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 보는 위에서 누르는 하중을 받아 휘고, 위쪽 플랜지는 눌려서 압축을 받는다. 이 압축 플랜지가 옆으로 밀려 나가고 단면이 함께 비틀리면 보는 원래 강도보다 훨씬 일찍 무너진다. 이 가새는 그 옆 방향 움직임을 막아 보가 자기 휨강도까지 버티게 한다.

정식 정의는 다음과 같다. 보 안정용 가새는 보의 압축플랜지가 휨면 밖으로 변위하거나 단면이 회전하지 못하도록 설치하는 횡방향 지지 부재이다. 이 지지 부재가 막는 현상은 횡좌굴과 비틀림좌굴이다. 두 현상은 같은 원인에서 나오지만 지지 위치와 지지 방식이 다르므로 답안에서는 구분해서 쓴다.

횡좌굴은 압축 플랜지가 휨 면 바깥쪽으로 옆휨하면서 단면 전체가 비틀리는 파괴 형태다. 웹과 인장 플랜지가 일부 구속하지만, 개단면인 H형강은 비틀림 강성이 낮아서 이 구속만으로는 부족하다. 폭이 좁고 높이가 큰 H형강일수록 옆휨 강성이 낮아 횡좌굴이 쉽게 생긴다.

비틀림좌굴은 단면이 축 방향 기준선을 중심으로 회전하는 형태다. 보 단면이 비틀림을 받을 때 플랜지 횡방향 변위와 회전이 함께 나타난다. 횡지지가 없는 구간에서는 이 회전을 막는 비틀림좌굴가새가 필요하다.

횡좌굴 강도 판정에서는 압축플랜지가 옆으로 지지되지 않은 길이 Lb를 기준으로 구간을 나눈다. Lb가 짧으면 소성휨강도까지 쓸 수 있고, Lb가 길어질수록 탄성횡좌굴모멘트 Mcr 에 의해 강도가 떨어진다. 따라서 가새로 Lb를 줄이는 것이 가장 효과적인 대책이다.

가새의 역할을 정리하면 세 가지다. 첫째, 압축 플랜지의 횡변위를 막는다. 둘째, 단면의 비틀림 회전을 막는다. 셋째, 보의 비지지길이를 짧게 나눈다. 이 세 역할 중 어느 것이 필요한지는 가새 위치와 방향을 정하는 근거가 된다.

3. 등장 배경과 필요성

강재 보는 같은 단면적에서 휨강성을 높이려고 단면 높이를 키우는 경우가 많다. 그런데 높이가 커지고 플랜지 폭이 좁아지면 약축 휨강성과 비틀림 강성이 함께 떨어진다. 이 조건에서 압축 플랜지는 옆으로 쉽게 밀리므로 횡좌굴 위험이 커진다.

건물 골조에서는 바닥판이 보의 상부 플랜지를 연속 지지하는 경우가 많다. 합성보나 슬래브가 충분히 일체화된 보는 상부 플랜지가 이미 옆으로 묶여 있다. 반면 철골 비합성보나 데크 방향이 보와 직각인 구간은 바닥판이 옆 움직임을 충분히 막지 못한다. 이때 보 안정용 가새가 별도로 필요해진다.

특히 공사 중 상태가 설계에서 중요하다. 바닥 콘크리트를 타설하기 전 철골 보는 데크나 슬래브 없이 단독으로 하중을 받는다. 이 시기에는 상부 플랜지의 횡지지가 거의 없으므로 가설 가새나 영구 가새로 보를 먼저 묶어야 한다. 공사 중에 생긴 횡좌굴 사고는 설계 단계에서 가새 계획이 빠진 경우가 많다.

보의 안정성은 골조 전체의 안정성과도 연결된다. 보가 횡좌굴하면 기둥과 접합부에 예상하지 못한 비틀림과 횡력이 전달될 수 있다. 가새골조가 횡력을 받는 것과 달리 보 안정용 가새는 보 자체의 강도를 확보하는 장치다. 두 가새의 역할을 구분해야 구조평면도에서 가새 위치를 정확히 표시할 수 있다.

설계 기준으로 보면 보 안정용 가새는 강재 휨부재의 횡좌굴 검토와 함께 다룬다. 가새의 필요 강도와 강성은 보의 압축력과 지지 간격에 따라 정해진다. 실무에서는 관련 기준이 정한 비율 수준의 강도를 기준으로 시작하는 것이 일반적이다. 이 값은 설계 관행에서 널리 쓰이는 출발점이며, 최종값은 횡좌굴 검토 결과로 확정한다.

결국 이 주제가 시험에서 중요한 이유는 가새의 필요성, 위치, 유형이 하나의 설계 흐름으로 묶여 있기 때문이다. 답안은 횡좌굴 원리를 먼저 설명하고, 그 원리에 따라 가새 위치를 정하고, 평면도에서 유형을 보여 주는 순서로 쓴다. 이 순서를 지키면 4교시 문항의 다섯 개 세부 질문을 빠짐없이 연결할 수 있다.

4. 구성요소·원리·절차

보 안정용 가새는 압축플랜지의 횡방향 변위와 단면의 비틀림을 막아 보의 횡좌굴 강도를 확보하는 부재다. 강재보는 높이에 비해 폭이 좁아 압축플랜지가 옆으로 휘면서 단면이 함께 비틀리기 쉽다. 가새는 이 변위를 기둥이나 인접 구조에 전달하여 보가 설계휨강도에 도달하도록 돕는다.

구성요소는 가새 부재, 가새 접합부, 가새가 붙는 보 플랜지로 나눈다. 가새의 역할에 따라 횡좌굴가새와 비틀림좌굴가새로 구분한다.

표의 구성요소는 가새 자체보다 접합부가 실패하기 쉬운 점을 보여준다. 접합부 강도가 부족하면 가새가 설계력을 받기 전에 파괴된다. 따라서 접합부는 가새의 설계강도 이상으로 설계한다.

횡좌굴이 일어나는 원리는 탄성 횡좌굴 모멘트로 설명한다. 보의 비지지 길이 Lb가 길수록 횡좌굴 모멘트는 작아진다. 횡좌굴 모멘트 식은 다음과 같다.

$M_{cr}=\frac{C_b\pi}{L_b}\sqrt{EI_y GJ+\left(\frac{\pi^2 EI_y}{L_b^2}\right)C_w}$

여기서 M_{cr}은 탄성 횡좌굴 모멘트(N·mm), C_b는 모멘트 분포계수, L_b는 비지지 길이(mm), E는 탄성계수(MPa), I_y는 약축 단면2차모멘트(mm⁴), G는 전단탄성계수(MPa), J는 비틀림상수(mm⁴), C_w는 뒤틀림상수(mm⁶)이다.

가새를 설치하면 보의 비지지 길이가 짧아져 횡좌굴 모멘트가 커진다. 소성휨 상태를 확보하려면 비지지 길이를 소성 한계 길이 L_p 이하로 둔다.

$L_p=1.76\,r_y\sqrt{\frac{E}{F_y}}$

여기서 r_y는 약축 회전반경(mm), F_y는 강재의 항복강도(MPa)다. 가새 간격 Lb가 L_p 이하이면 보는 소성휨에 도달할 수 있다.

설계 절차는 다음 순서로 진행한다.

• 보의 비지지 길이 Lb를 정하고 소성 한계 길이 L_p와 비교한다.
• Lb가 L_p를 넘으면 가새를 추가해 간격을 줄인다.
• 횡좌굴가새의 소요강도와 필요 강성을 산정한다.
• 횡좌굴가새는 압축플랜지에, 비틀림좌굴가새는 단면 내 적정 위치에 배치한다.
• 가새 부재와 접합부를 설계강도로 검토하고 도면에 기재한다.

절차 3에서 횡좌굴가새의 소요강도는 보의 압축력이 아니라 보의 소요휨강도에서 구한다. 이 점은 흔한 오류이므로 답안에서 명확히 쓴다. 가새 소요강도 산정식은 5절 표에 정리한다.

가새 골조의 구성을 보면 가새가 보와 기둥 사이에서 힘을 전달하는 경로가 드러난다.

도식에서 보는 것처럼 가새력은 접합부를 거쳐 보와 기둥으로 흐른다. 답안에서는 접합부를 가새와 보를 잇는 필수 요소로 표시한다.

5. 관련 법령·기준·표준

보 안정용 가새의 설계는 국내 강구조 설계기준과 국외 기준을 함께 참고한다. 국내에서는 강구조 부재 설계기준 KDS 14 31 10(2017, 하중저항계수설계법)을 기본으로 쓴다. 가새와 보의 접합부는 강구조 연결 설계기준 KDS 14 31 25를 따른다. 국외 기준으로는 미국 AISC 360의 횡지지 조항(Appendix 6)이 널리 쓰인다. 두 기준은 소요강도 산정 원리를 공유하므로 답안에서는 원리 수준으로 비교한다.

강구조 부재 설계기준에서 설계강도는 공칭강도에 저항계수를 곱해 구한다. 총단면 항복에 대한 저항계수는 0.90이다. 횡지지 설계의 핵심 수치는 다음 표로 정리한다.

표의 소요강도 식에서 M_r은 보의 소요휨강도(N·mm), h_o는 두 플랜지 중심 간 거리(mm), C_d는 모멘트 분포에 따른 계수다. 가새의 강성은 소요강도와 별도로 검토한다. 강성이 부족하면 가새가 변형하여 보의 횡지지 효과가 줄어든다.