가새골조

왜 배우는가: 가새골조는 횡력(지진·풍하중)을 트러스 작용으로 저항하는 대표 강구조 시스템이며, 내진 설계에서 연성 상세와 에너지소산 능력을 판단하는 핵심 개념이라 기술사 시험에서 반복 출제된다. 실무에서는 중심가새와 편심가새의 선택, 가새 부재와 접합부 강도 검토가 구조계획의 출발점이 된다.

출제 이력: 제122회 1교시 4번, 제97회 3교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 가새골조는 보·기둥으로 이루어진 골조에 대각선 부재(가새)를 추가하여 수평력을 축력(인장·압축)으로 전달하도록 한 횡력 저항 골조이다. 가새골조는 수평력을 가새의 축력으로 전달하는 횡력 저항 골조이다.

핵심 키워드

• 가새골조(Braced Frame)
• 중심가새골조(Concentrically Braced Frame, CBF)
• 편심가새골조(Eccentrically Braced Frame, EBF)
• 보통중심가새골조(Ordinary Concentrically Braced Frame, OCBF)
• 링크(link)
• 연성(ductility)
• 좌굴방지가새골조(Buckling-Restrained Braced Frame, BRBF)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 기둥과 보만으로 된 사각형 골조는 수평력을 받으면 쉽게 옆으로 밀린다. 대각선 부재를 넣으면 삼각형이 만들어져 모양이 변하지 않고, 수평력이 부재의 축방향 힘으로 바뀌어 기초까지 전달된다. 이 대각선 부재를 가새라고 한다.

정식 정의는 다음과 같다. 가새골조는 가새(brace)를 골조 평면에 배치하여 횡하중에 대한 강성과 강도를 확보하는 시스템이다. 가새가 골조의 한 절점에서 보·기둥의 도심선과 한 점에서 만나면 중심가새, 가새가 보-기둥 접합부에서 떨어진 링크(link)에서 만나면 편심가새이다.

핵심 용어를 풀면 다음과 같다.

• 가새: 골조 평면 내 대각선 부재. 주로 인장과 압축을 받는다.
• 링크: 편심가새에서 두 가새 사이 짧은 보 부분으로, 지진 시 전단 항복으로 에너지를 소산시키는 부위이다.
• 연성(ductility): 파괴 전에 큰 소성변형을 보이는 능력으로, 내진설계의 핵심 목표다.

3. 등장 배경과 필요성

가새골조는 풍하중과 지진하중이 커지면서 강성을 높이는 방법으로 발전했다. 골조의 횡변형은 전단변형과 휨변형으로 나뉘는데, 가새를 넣으면 전단변형이 억제되어 전체 변형이 작아진다. 이 때문에 고층 건물과 내진 요구가 큰 지역에서 널리 쓰인다.

초기의 보통(일반) 가새골조는 연성 상세 요구가 적어 저진동 지역에서 주로 쓰였다. 이후 지진이 큰 지역에서는 상세 규정을 강화한 특수 가새골조가 발전했다. 즉, 중심가새에서는 가새의 좌굴과 접합부의 연성이, 편심가새에서는 링크의 전단 항복이 설계의 핵심이 되었다. 가새는 압축에서 좌굴하기 쉬워 압축 내력이 인장 내력보다 작다는 점이 가새골조 설계의 근본 문제다.

이러한 배경에서 중심가새와 편심가새는 에너지소산 방식과 연성 확보 방법이 다른 두 시스템으로 나뉘어 발전했다. 시험 답안에서는 이 차이를 구분하여 쓰는 것이 중요하다.

4. 구성요소·원리·절차

가새골조(braced frame)는 기둥·보로 이루어진 골조에 대각선 부재인 가새를 추가해 횡력에 저항하는 체계다. 가새가 축력(인장·압축)으로 횡력을 전달하므로 골조 전체의 횡강성과 강도가 크게 높아진다. 가새의 배치 방식과 접합부 상세에 따라 중심가새골조와 편심가새골조로 나뉜다.

가새골조 구성요소

가새골조는 가새의 축력으로 횡하중을 받는 트러스형 거동을 한다. 가새를 설치하면 골조의 전체 거동이 전단변형보다 휨변형에 의해 지배되어 전체 변형이 작아진다는 것이 기본 원리다. 중심가새는 부재 축선이 한 점에서 만나 축력이 주로 가새에 작용한다. 편심가새는 가새 축선을 어긋나게 배치해 링크부의 전단 항복으로 에너지를 흡수한다.

설계 절차

• 설계 횡하중(지진하중, 풍하중)과 층전단력을 구한다.
• 하중조합별 가새의 소요압축강도와 소요인장강도를 산정한다.
• 가새 단면을 가정하고 인장강도 한계상태(총단면 항복, 유효순단면 파단)를 검토한다.
• 압축강도는 유효좌굴길이와 세장비에 따른 좌굴 강도로 검토한다.
• 접합부와 보·기둥의 불균형 축력, 기둥-보 강도비를 검토한다.

인장재의 설계는 총단면 항복과 유효순단면 파단 두 한계상태를 검토한다. 설계강도는 공칭강도에 저항계수 Φ=0.90(총단면 항복)을 곱해 구한다. 압축재 설계강도는 좌굴 강도에 저항계수를 곱해 구한다.

핵심 공식

$\phi_t P_n = \phi_t F_y A_g$

여기서 \phi_t는 인장재의 저항계수, F_y는 강재의 항복강도(MPa), A_g는 총단면적(mm²), P_n은 공칭인장강도(N)다.

계산 확인: 강재 SPSR400 기준 F_y = 400MPa, 총단면적 A_g = 2,000mm²이면 \phi_t P_n = 0.90 × 400 × 2,000 = 720,000N = 720kN이다. 결과는 상식 범위 안이다.

가새골조는 가새의 축력으로 횡하중을 지지하며, 중심가새와 편심가새로 구분된다.

5. 관련 법령·기준·표준

가새골조의 내진 설계는 「건축구조기준」(국토교통부)과 내진설계 기준에 따른다. 내진설계 일반은 KDS 17 10 00에서 내진성능수준과 내진등급을 정한다. 강구조 부재 설계는 KDS 14 31 10, 강구조 연결 설계는 KDS 14 31 25에 따른다. 내진설계에서 가새골조는 연성 확보를 위해 특수 상세 요구를 받는다.

내진성능 및 강도 기준 요약

인장재의 한계상태 설계강도는 총단면 항복, 유효순단면 파단, 블록전단파단, 접합부, 거셋 플레이트 중 가장 작은 값으로 정한다. 기준값 표는 설계 단계에서 원문으로 대조해 쓴다. 개정 연혁으로는 강구조 설계기준의 한계상태설계법 체계 전환이 있다.

Φ=0.90 은 총단면 항복에 적용되는 저항계수로, 설계 강도 산정의 기본 계수다.

6. 유형과 비교

가새골조는 가새의 배치 방식에 따라 중심가새골조(CBF, Concentrically Braced Frame)와 편심가새골조(EBF, Eccentrically Braced Frame)로 나뉜다. 중심가새골조는 가새 축선이 보와 기둥의 교점에 모이고, 편심가새골조는 가새 단부를 보 일부 구간(링크)에 편심시켜 연결한다. 두 방식은 연성 확보 방법이 서로 달라 비교해 두어야 한다.