횡구속·비횡구속 골조

왜 배우는가: 횡구속·비횡구속 판정은 골조의 2차 효과(P-Δ 효과)를 해석에서 얼마나 반영할지를 정하는 출발점이다. 실무에서 기둥 설계모멘트를 확대할지, 전체 횡변위 해석을 할지가 이 판정으로 갈린다. 기술사 시험에서는 정의, 판단 방법, 안정성지수 계산이 함께 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제119회 1교시 7번, 제116회 2교시 6번, 제103회 1교시 6번, 제91회 1교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

횡구속 골조는 층간 횡변위가 작아 2차 효과를 무시할 수 있는 골조이고, 비횡구속 골조는 횡변위로 인한 2차 효과를 설계에 반드시 고려해야 하는 골조이다.

• 횡구속 골조(Braced Frame, Non-sway Frame)
• 비횡구속 골조(Unbraced Frame, Sway Frame)
• 층 안정성지수(stability index, Q)
• 2차 효과(second-order effect, P-Δ 효과)
• 확대휨모멘트(moment magnification)
• 층간변위비(story drift ratio)
• 전단벽·가새(shear wall, bracing)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 옆으로 잘 밀리지 않도록 벽이나 가새가 횡력을 받아 주는 골조가 횡구속 골조다. 옆으로 밀리기 쉬운 골조가 비횡구속 골조다. 두 구분은 기둥이 횡방향으로 얼마나 움직이는지에 따라 나뉜다.

정식 정의는 다음과 같다. 횡구속 골조는 횡력에 저항하는 전단벽이나 가새 등 횡변위를 억제하는 요소가 있어, 횡방향 변위가 기둥의 휨 거동에 미치는 영향이 작은 골조다. 비횡구속 골조는 이러한 횡변위 억제 요소가 부족하여 층 횡변위가 기둥 모멘트를 유의하게 증가시키는 골조다.

P-Δ 효과는 축력이 횡변위와 곱해져 추가 모멘트를 만드는 현상이다. 횡변위가 커질수록 이 추가 모멘트가 커진다. 따라서 비횡구속 골조에서는 해석 단계에서 이 효과를 함께 계산해야 한다.

확대휨모멘트는 2차 효과를 근사적으로 반영하기 위해 1차 해석 모멘트에 계수를 곱하는 방법이다. 횡구속 골조에서는 부재 자체의 장주 효과만 고려하여 확대한다. 비횡구속 골조에서는 층 전체의 횡변위 효과를 함께 고려한다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 철근콘크리트 설계는 부재를 단독으로 보고 축력과 휨을 검토했다. 골조가 높아지고 기둥이 가늘어지면서 횡변위에 따른 2차 모멘트가 무시할 수 없을 만큼 커졌다. 이에 따라 골조 전체의 횡변위 상태를 판단하는 기준이 필요해졌다.

또한 기둥의 장주 효과를 설계식에 반영하기 위해 골조를 횡구속과 비횡구속으로 나누는 체계가 정립되었다. 이 구분이 있어야 해석 방법과 확대계수 산정 방식을 합리적으로 정할 수 있다. 콘크리트 구조 설계기준은 이 구분을 기둥 설계 절차의 시작점으로 삼는다.