좌굴방지가새골조(BRBF)

왜 배우는가: 좌굴방지 가새골조(BRBF)는 지진 에너지를 가새 강재 코아의 항복 변형으로 흡수하도록 만든 내진 골조로, 실무에서 고층·중층 건물의 내진 성능 확보 수단으로 쓰인다. 시험에서는 KDS 14 31 60 강재 코아 요구사항과 설계절차를 묻는 문제로 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제131회 1교시 9번, 제100회 4교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

좌굴방지 가새골조(BRBF)는 좌굴방지 가새(BRB)의 강재 코아가 축력에 대해 항복·소성 변형하며 지진 에너지를 흡수하도록 만든 중심 가새골조이다.

핵심 키워드

• 좌굴방지 가새(BRB)
• 강재 코아(steel core)
• 구속 콘크리트 케이싱
• 언본딩 층(unbonded layer)
• 에너지 소산(energy dissipation)
• 중심 가새골조(CBF)
• 반응수정계수(R)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 가새가 지진 때 휘지 않고 늘었다 줄었다 하면서 힘을 흡수하도록 만든 가새다. 가새가 압축을 받아도 옆으로 휘지 않게 가새 바깥을 콘크리트나 강관으로 감싸 구속한다.

정식 정의는 다음과 같다. 좌굴방지 가새(Buckling-Restrained Brace, BRB)는 얇은 강재 코아, 코아를 축방향으로만 자유롭게 두고 횡방향 좌굴을 막는 구속 부재(콘크리트 또는 강관), 그리고 코아와 구속 부재 사이의 언본딩 층(unbonded layer) 으로 구성된다. 이 가새를 골조에 적용한 것이 좌굴방지 가새골조(BRBF)다.

핵심 용어는 다음과 같다.

강재 코아(steel core) 는 인장과 압축에서 모두 항복하는 중심 강재다. 지진 에너지는 이 코아의 소성 변형으로 소산된다. 구속 부재(restraining member) 는 코아의 횡방향 좌굴을 막는 부재로, 압축 시에도 코아가 설계 강도까지 항복할 수 있게 한다. 언본딩 층(unbonded layer) 은 코아와 구속 콘크리트 사이의 마찰과 축방향 구속을 줄이는 층이다. 이 층이 없으면 압축 시 코아가 팽창하면서 구속 부재에 큰 힘이 전달된다.

일반 중심 가새골조(CBF)는 압축 가새가 좌굴한 뒤 강도가 급격히 떨어진다. BRBF는 압축과 인장의 거동이 거의 대칭인 안정된 이력곡선을 보여, 같은 골조에서 에너지 소산 능력이 크다.

3. 등장 배경과 필요성

일반 가새골조는 지진 시 압축 가새가 좌굴하면서 강도와 강성이 크게 떨어진다. 좌굴 후에는 인장 가새만 하중을 받으므로 층 강성이 비대칭으로 변하고, 잔류 변형이 커진다. 이 문제를 해결하려고 가새의 압축 좌굴을 억제하는 방법이 개발되었다.

1980년대 이후 일본과 미국에서 구속 가새의 실험 연구가 진행되었다. 실험 결과 BRB는 인장과 압축에서 안정적이고 반복 가능한 이력 거동을 보였다. 이 결과를 바탕으로 BRBF가 내진 설계 체계에 편입되었다.

BRBF의 필요성은 다음과 같이 정리된다. 첫째, 에너지 소산이 가새 코아에 집중되어 주골조 보와 기둥의 손상이 줄어든다. 둥째, 대칭 이력으로 잔류 변형과 층간변위 편차가 작다. 셋째, 같은 내진 성능에서 부재 단면을 줄일 수 있어 경제성이 높다. 이 때문에 내진 설계 기준은 BRBF를 고성능 내진 골조 유형의 하나로 취급하며, 가새 코아의 재료·상세·시험 요구사항을 별도로 둔다.

한편 BRB는 구속 부재의 강성과 강도가 충분하지 않으면 전체 좌굴이나 국부 좌굴이 발생한다. 그래서 설계에서는 구속 부재의 강도와 강성을 코아 항복 강도에 비례하여 확보하도록 요구한다.

4. 구성요소·원리·절차

좌굴방지 가새골조(BRBF)는 일반 중심가새를 좌굴방지 가새(BRB) 로 바꾼 골조다. 가새가 압축을 받아도 전체 좌굴이 일어나지 않도록 코어를 구속하고, 코어가 인장과 압축에서 비슷한 크기로 항복하게 만든다. 지진 시 가새의 항복 변형으로 에너지를 흡수하는 것이 핵심 원리다.

좌굴방지 가새의 구성요소는 다음과 같다.

각 구성요소는 독립적으로 역할을 나누어 맡는다. 구속재가 충분하지 않으면 코어가 먼저 전체 좌굴을 일으켜 이력 곡선이 찌그러진다. 비접착층이 없으면 코어와 구속재가 마찰로 맞물려 압축 강도가 과도하게 커지고 접합부에 큰 힘이 전달된다.

BRBF의 힘 전달과 에너지 흡수 과정은 아래 흐름과 같다.

코어가 항복할 때의 축방향 내력은 다음 식으로 구한다.

$P_y = F_y \cdot A_c$

여기서 P_y는 코어 항복내력(N), F_y는 코어 강재의 항복응력(MPa), A_c는 코어의 항복 구간 단면적(mm²)이다. 설계에서는 이 값을 기준으로 가새의 소요강도를 정하고, 나머지 부재와 접합부는 코어 항복 후의 최대 강도를 기준으로 검토한다.

BRBF 설계의 기본 절차는 다음과 같다.

• 구조 형상과 중력하중·지진하중을 정하고 등가정적 또는 동적 해석으로 층 전단력을 구한다.
• 층별 가새 소요축력을 구하고 코어 항복내력 P_y를 만족하도록 단면을 정한다.
• 코어 항복 후 최대 강도를 산정해 접합부, 보, 기둥의 설계력을 구한다.
• 구속재의 강성과 강도를 검토해 전체 좌굴을 막는지 확인한다.
• 층간변위를 검토해 허용 한계 내인지 확인하고, 비구조 부재 피해를 점검한다.
• 접합부 상세와 비접착층 시공 조건을 도면에 명시한다.

5. 관련 법령·기준·표준

국내에서 좌굴방지 가새골조의 강재 코어와 설계 요구사항은 강구조 내진설계기준(KDS 14 31 60) 에 규정되어 있다. 건축물 전체의 내진 설계 기준은 건축물 내진설계기준(KDS 41 17 00) 이 기본이며, 강구조 부재 설계는 KDS 14 31 10 계열을 따른다. 구 건축구조기준(KBC 2009)에도 좌굴방지 가새골조 요구사항이 포함되어 있었으나, 현재는 KDS 체계로 정비되어 현행 기준을 우선 적용한다.

주요 기준 수치와 조건을 표로 정리하면 다음과 같다.

강도 조정계수와 응답수정계수는 설계 법령과 기준 개정에 따라 값이 달라질 수 있으므로 적용 시점의 현행 기준으로 확인해야 한다. 외국 기준은 미국 AISC 341 계열에서 같은 개념의 조정계수를 쓰지만, 국내 설계에서는 KDS 기준을 따른다.

코어 재료는 항복점이 명확하고 연신율이 큰 강재를 쓴다. 강재의 항복비와 인성은 이력 안정성에 직접 영향을 준다.

6. 유형과 비교

좌굴방지가새(BRB)는 강재 코아의 항복 형상과 좌굴 억제 방식에 따라 여러 형식으로 나뉜다. 가장 널리 쓰이는 형식은 강재 코아를 강재 또는 콘크리트 충진 강관으로 둘러싸는 구조이다. 코아와 외장 사이에는 비부착재(언본드 재료)를 두어 축력만 코아가 받도록 한다.