비좌굴 가새시스템(BRB)이란? 일반 가새와 차이점부터 내진설계 원리까지 쉽게 이해하기

건축물의 내진설계를 하다 보면 가새(Brace)라는 구조부재를 자주 접하게 됩니다. 가새는 기둥과 보 사이에 대각선 방향으로 설치되어 지진이나 바람에 의해 발생하는 횡력에 저항하는 중요한 구조요소입니다. 🏢

하지만 일반적인 철골 가새는 압축력을 크게 받으면 좌굴(Buckling)이 발생할 수 있습니다. 길고 가느다란 막대를 양쪽에서 누르면 어느 순간 옆으로 휘어지는 현상을 생각하면 이해하기 쉽습니다.

이러한 일반 가새의 특성을 보완하기 위해 개발된 구조시스템 가운데 하나가 비좌굴 가새(BRB, Buckling-Restrained Brace)입니다.

제가 구조설계를 하면서 가새시스템을 검토할 때도 단순히 가새의 강도만 확인하지 않습니다. 인장과 압축이 반복되는 지진하중에서 가새가 어떻게 거동하고, 그 힘이 접합부와 기둥·보를 거쳐 기초까지 어떻게 전달되는지를 함께 살펴보는 것이 중요합니다.

이번 글에서는 비좌굴 가새가 무엇인지부터 일반 가새와의 차이, 기본 구성과 내진설계에서 확인해야 할 부분까지 쉽게 정리해보겠습니다.

1. 비좌굴 가새 BRB란?

BRB는 Buckling-Restrained Brace의 약자로 우리말로는 일반적으로 비좌굴 가새라고 합니다.

핵심적인 원리는 이름 그대로 압축을 받을 때 가새의 전체적인 좌굴이 발생하는 것을 억제하면서 내부의 핵심재(Core)가 인장과 압축에서 안정적으로 소성변형할 수 있도록 구성하는 것입니다.

일반적인 가새에서는 압축력이 증가하면 좌굴이 구조성능에 큰 영향을 줄 수 있습니다. BRB는 이러한 좌굴을 억제하는 구조를 만들어 반복적인 인장과 압축하중에서 보다 안정적인 이력거동을 확보하는 것을 목적으로 합니다. 📌

쉽게 표현하면,

일반 가새 → 압축력 증가 → 좌굴 가능성

BRB → 좌굴 억제 → 핵심재의 인장·압축 소성거동 활용

이라는 차이로 먼저 이해하면 좋습니다.

2. 일반 가새는 왜 좌굴할까?

철골부재는 인장력을 받을 때와 압축력을 받을 때 거동이 다릅니다.

강재를 양쪽에서 잡아당기면 주로 인장응력이 발생하지만, 길고 가느다란 강재를 압축하면 재료 자체가 압축강도에 도달하기 전에 부재가 옆으로 휘어지면서 불안정해질 수 있습니다.

이것이 좌굴(Buckling)입니다.

일반 가새는 지진이 발생하면 하중의 방향이 반복적으로 바뀌면서 인장과 압축을 번갈아 받을 수 있습니다. 이때 압축을 받는 과정에서 좌굴이 발생하면 가새의 거동이 인장상태와 크게 달라질 수 있습니다.

⚠️ 따라서 내진설계에서는 단순히 가새의 인장강도만 확인하는 것이 아니라 압축 시 좌굴과 반복하중에서의 거동을 함께 고려해야 합니다.

3. BRB는 어떻게 좌굴을 억제할까?

비좌굴 가새는 일반적으로 축력을 부담하는 핵심재(Core)와 핵심재의 좌굴을 억제하는 외부 구속요소로 구성됩니다.

핵심재는 지진하중에 의해 발생하는 인장력과 압축력을 부담합니다. 외부 구속부는 핵심재가 압축될 때 옆으로 크게 좌굴하지 않도록 잡아주는 역할을 합니다.

중요한 점은 외부 구속부가 핵심재의 축력을 대신 부담하는 것이 기본 목적은 아니라는 것입니다.

핵심재 → 축력과 소성변형 담당

외부 구속부 → 핵심재의 좌굴 억제

이처럼 역할을 나누어 생각하면 BRB의 구조원리를 이해하기 쉬워집니다. 🔎

4. 핵심재(Core)가 중요한 이유

BRB에서 가장 중요한 구조요소 가운데 하나가 핵심재입니다.

지진이 발생하면 핵심재는 반복적으로 인장과 압축을 받으면서 소성변형을 통해 지진에너지를 소산하는 역할을 합니다.

따라서 핵심재의 재료특성과 단면, 항복구간 등이 BRB의 구조성능과 밀접하게 관련됩니다.

💡 BRB를 단순히 “두꺼운 철골 가새”라고 생각하면 구조원리를 제대로 이해하기 어렵습니다. 핵심은 가새의 크기가 아니라 좌굴을 억제한 상태에서 핵심재가 의도한 방식으로 반복적인 소성거동을 하도록 만드는 것입니다.

5. 일반 가새와 BRB의 가장 큰 차이

일반 가새와 BRB의 차이를 이해할 때는 인장과 압축에서의 거동을 비교해보면 좋습니다.

일반적인 가새는 인장에서는 비교적 안정적으로 힘을 부담할 수 있지만 압축에서는 좌굴이 발생하면서 거동이 크게 달라질 수 있습니다.

반면 BRB는 핵심재의 좌굴을 억제하기 때문에 인장과 압축에서 보다 안정적인 반복거동을 확보하도록 설계합니다.

일반 가새 → 인장과 압축 거동의 차이가 커질 수 있음

BRB → 인장·압축에서 보다 안정적인 반복거동 확보

이러한 특징 때문에 BRB는 지진에너지 소산이 중요한 내진구조시스템에서 활용될 수 있습니다. 🏢

6. 지진에너지를 소산한다는 것은 무슨 뜻일까?

지진이 발생하면 지반의 움직임으로 에너지가 건축물에 전달됩니다. 구조물은 이 에너지에 반응하면서 흔들리고 변형됩니다.

내진설계에서는 모든 구조부재를 무조건 탄성상태로 유지하는 것만을 목표로 하지 않습니다. 적용되는 구조시스템과 설계개념에 따라 특정 부재가 의도된 방식으로 비탄성거동을 하면서 지진에너지를 소산하도록 계획할 수 있습니다.

BRB에서는 핵심재가 반복적으로 항복하면서 에너지를 소산하는 역할을 담당하도록 설계합니다.

지진 발생 → 건물에 횡력 발생 → BRB에 축력 발생 → 핵심재의 반복적인 비탄성거동 → 지진에너지 소산

이러한 흐름으로 이해하면 BRB를 사용하는 이유가 조금 더 명확해집니다. 📌

7. 이력곡선으로 보면 차이를 이해하기 쉽습니다

구조물에 반복하중을 가하면 힘과 변형의 관계를 그래프로 나타낼 수 있는데 이를 이력곡선(Hysteresis Loop)이라고 합니다.

일반적인 가새는 압축 시 좌굴이 발생하면 인장과 압축에서 서로 다른 거동을 보이고 반복하중 과정에서 성능이 변화할 수 있습니다.

BRB는 좌굴을 억제하여 인장과 압축에서 비교적 안정적이고 충실한 이력거동을 확보하는 것이 중요한 특징입니다.

이력곡선으로 둘러싸인 면적은 구조물이 반복하중 과정에서 소산한 에너지와 관련됩니다.

🔎 그래서 BRB를 이해할 때 단순히 “얼마나 큰 힘을 버티는가?”뿐만 아니라 “반복적인 지진하중에서 어떻게 거동하는가?”를 살펴보는 것이 중요합니다.

8. BRB는 어디에 설치할까?

BRB 역시 기본적으로 건물의 횡력저항시스템을 구성하는 가새이기 때문에 기둥과 보 사이에 대각선 형태로 배치하는 경우가 많습니다.

건축물의 구조계획에 따라 여러 가지 배치방식이 사용될 수 있으며 건물의 평면과 입면, 개구부 및 건축계획 등을 함께 고려해야 합니다.

가새의 위치는 건물의 횡강성과 비틀림 거동에도 영향을 줄 수 있습니다.

따라서 BRB의 개수만 충분히 확보한다고 해서 좋은 구조계획이 되는 것은 아닙니다.

BRB의 강도 + 위치 + 평면 배치 + 접합부 + 주변 골조

를 하나의 구조시스템으로 검토하는 것이 중요합니다. 🏗️

9. 평면 배치가 중요한 이유

건물의 한쪽에만 횡력저항요소가 집중되어 있다면 지진이 발생했을 때 건물이 한 방향으로만 이동하지 않고 비틀림 거동이 커질 수 있습니다.

앞에서 살펴본 평면 비정형과 비틀림 비정형의 개념이 여기에서도 연결됩니다.

BRB를 적용할 때도 건물 전체의 질량과 강성 분포를 고려하여 횡력저항요소를 적절하게 배치해야 합니다.

제가 구조평면을 검토할 때도 가새가 몇 개 있는가보다 어느 위치에 어떻게 배치되어 있는가를 먼저 살펴보는 이유가 바로 이 때문입니다. 📌

10. BRB 접합부가 중요한 이유

BRB가 충분한 성능을 가지고 있더라도 그 힘을 기둥과 보에 전달하는 접합부가 적절하지 않다면 전체 구조시스템의 성능을 제대로 확보하기 어렵습니다.

가새에는 지진 시 큰 인장력과 압축력이 반복적으로 발생할 수 있기 때문에 접합부와 거싯플레이트(Gusset Plate), 주변의 보와 기둥 역시 이러한 힘을 전달할 수 있도록 검토해야 합니다.

BRB → 접합부 → 보·기둥 → 하부 구조 → 기초

이 하중 전달경로가 끊기지 않아야 합니다.

⚠️ 구조설계에서는 BRB 제품이나 가새 단면만 확인하고 끝내는 것이 아니라 가새에서 발생하는 힘을 주변 구조부재가 어떻게 받아주는지까지 확인하는 것이 중요합니다.

11. BRB와 일반 제진장치는 같은 것일까?

BRB는 반복적인 소성변형을 통해 지진에너지를 소산한다는 점 때문에 제진장치와 비슷하게 느껴질 수 있습니다.

하지만 BRB와 모든 종류의 제진장치를 동일한 것으로 생각해서는 안 됩니다.

제진시스템에는 점성댐퍼, 마찰댐퍼, 금속항복형 장치 등 여러 방식이 있으며 각각 에너지를 소산하는 원리와 구조적인 역할이 다를 수 있습니다.

BRB는 가새형 구조부재 자체가 횡력저항과 에너지 소산에 중요한 역할을 한다는 특징이 있습니다.

다음에 살펴볼 제진장치의 종류를 이해할 때 BRB와 비교하면 각각의 차이를 이해하는 데 도움이 됩니다. 💡

12. BRB를 사용하면 건물이 지진에 무조건 안전할까?

BRB가 우수한 내진성능을 확보하는 데 활용될 수 있다고 해서 BRB를 설치한 건물은 무조건 안전하다고 말할 수는 없습니다.

건축물의 내진성능은 BRB 하나로 결정되지 않기 때문입니다.

건물의 질량과 강성, 구조시스템, BRB의 배치와 성능, 접합부, 기둥과 보, 바닥판, 기초 등 전체 구조시스템이 함께 작용합니다.

따라서 BRB 사용 = 내진성능 자동 확보라고 생각해서는 안 됩니다.

적용되는 구조기준에 따라 전체 건축물의 구조해석과 부재설계를 수행하고 각 구조요소의 하중 전달경로를 함께 확인해야 합니다. 🔎

13. BRB의 장점

비좌굴 가새의 대표적인 장점은 압축 시 핵심재의 좌굴을 억제하여 반복적인 인장과 압축하중에서 안정적인 거동을 확보할 수 있다는 점입니다.

이를 통해 지진 시 핵심재의 소성변형을 활용하여 에너지를 소산하도록 계획할 수 있습니다.

또한 가새를 이용한 구조시스템이기 때문에 적절한 구조계획을 통해 건물의 횡강성을 확보하는 데 활용할 수 있습니다.

다만 실제 효과는 건물의 구조형식과 BRB의 성능, 배치 및 설계조건에 따라 달라질 수 있기 때문에 프로젝트별 구조해석이 필요합니다.

14. BRB의 단점과 주의할 점

BRB에도 고려해야 할 부분이 있습니다.

먼저 일반적인 가새보다 구성과 제작이 복잡하며 제품 또는 시스템의 성능을 설계에 정확하게 반영해야 합니다. 또한 접합부와 주변 구조부재에 전달되는 힘을 충분히 검토해야 합니다.

큰 지진 후 핵심재에 상당한 비탄성변형이 발생했다면 해당 BRB의 상태와 성능을 평가할 필요도 있습니다.

따라서 BRB를 선택할 때는 단순히 초기 구조설계뿐만 아니라 제작 → 품질관리 → 설치 → 지진 후 점검과 유지관리까지 고려하는 것이 좋습니다. 📌

15. 구조해석 프로그램에서 확인해야 할 부분

현재 구조설계에서는 BRB가 포함된 구조물도 전문 구조해석 프로그램을 이용하여 모델링합니다.

이때 중요한 것은 BRB를 단순한 일반 가새와 똑같이 모델링해서 결과만 확인하는 것이 아니라 설계에서 의도한 BRB의 구조적인 특성이 해석모델에 적절하게 반영되어 있는지를 확인하는 것입니다.

구조해석 결과에서는 가새에 발생하는 축력뿐만 아니라 층간변위와 전체 건물의 횡거동, 주변 보와 기둥에 전달되는 힘 등도 함께 확인해야 합니다.

제가 구조해석 결과를 검토할 때 중요하게 생각하는 것도 같습니다.

프로그램 결과 → 구조적인 예상과 비교 → 이상한 값이 나타나는 위치 확인 → 모델링과 하중 전달경로 재검토

프로그램은 계산을 해주는 도구이지만 결과가 구조적으로 합리적인지를 판단하는 것은 설계자의 역할입니다. 🏢

16. BRB와 특별지진하중은 함께 생각해야 할까?

내진설계에서는 지진 시 특정 부재가 의도된 방식으로 비탄성거동을 하도록 계획하면서 그 힘이 전달되는 주변 구조요소에는 더 큰 힘을 고려해야 하는 경우가 있습니다.

앞에서 살펴본 특별지진하중과 초과강도 개념이 이러한 부분과 연결될 수 있습니다.

BRB가 항복하면서 예상보다 큰 힘을 주변 접합부나 구조부재에 전달할 가능성을 고려해야 하기 때문에 BRB 자체의 설계와 주변 부재의 설계를 완전히 분리해서 생각해서는 안 됩니다.

다만 실제 적용되는 하중조합과 계수, 부재별 적용범위는 프로젝트에 적용되는 최신 구조기준에 따라 달라질 수 있으므로 구체적인 설계에서는 해당 기준을 확인해야 합니다. ⚠️

17. 구조설계 실무에서 제가 중요하게 보는 부분

BRB처럼 내진성능을 높이기 위한 구조시스템을 검토할 때 제가 중요하게 생각하는 것은 어느 부재를 먼저 항복시키고 어느 부분은 보호할 것인가라는 구조설계의 기본적인 흐름입니다.

단순히 모든 부재를 크게 만드는 것보다 지진이 발생했을 때 구조물이 어떤 순서와 방식으로 거동하도록 설계할 것인지가 중요합니다.

실무적인 흐름으로 보면 다음과 같이 생각할 수 있습니다.

건축계획 확인 → 횡력저항시스템 선정 → BRB 위치 결정 → 건물 전체 구조해석 → BRB 요구성능 확인 → 접합부 및 주변 부재 검토 → 기초까지 하중 전달 확인

특히 저는 마지막 단계인 “이 힘이 결국 어디까지 전달되는가?”를 놓치지 않는 것이 중요하다고 생각합니다.

BRB에서 시작된 힘도 결국 기둥과 보, 하부 구조를 지나 기초와 지반까지 전달되어야 하기 때문입니다. 🏗️

18. 자주 묻는 질문과 답변

Q. BRB는 압축력을 받지 않나요?

BRB의 핵심재는 인장력과 압축력을 모두 부담할 수 있도록 설계됩니다. 중요한 것은 압축을 받을 때 핵심재의 좌굴을 외부 구속요소가 억제하도록 구성한다는 점입니다.

Q. BRB는 일반 철골 가새보다 무조건 좋은가요?

그렇게 단정할 수 없습니다. 건물의 용도와 구조형식, 요구되는 내진성능, 경제성, 시공성 등을 종합적으로 고려하여 적절한 구조시스템을 선택해야 합니다.

Q. BRB가 있으면 전단벽은 필요 없나요?

건축물의 전체 횡력저항시스템은 프로젝트마다 다릅니다. BRB가 있다고 해서 다른 횡력저항요소가 무조건 필요 없다고 판단해서는 안 됩니다.

Q. BRB는 지진에만 사용하나요?

BRB는 특히 내진설계에서 반복적인 비탄성거동과 에너지 소산 능력을 활용하는 구조시스템으로 잘 알려져 있습니다. 실제 적용은 건축물의 구조계획과 설계조건을 종합적으로 검토하여 결정해야 합니다.

19. 마무리

비좌굴 가새시스템(BRB)의 핵심은 이름 그대로 압축 시 발생할 수 있는 핵심재의 좌굴을 억제하고 인장과 압축에서 안정적인 반복거동을 확보하는 것입니다.

일반 가새가 압축을 받을 때 좌굴의 영향을 크게 받을 수 있는 반면 BRB는 외부 구속요소를 이용해 핵심재의 좌굴을 억제하고, 핵심재가 반복적으로 소성변형하면서 지진에너지를 소산하도록 계획합니다.

전체적인 힘의 흐름으로 보면 더욱 쉽게 이해할 수 있습니다.

지진 발생 → 건물의 횡변형 → BRB에 인장·압축 반복 → 핵심재의 소성거동 → 접합부 → 보·기둥 → 기초 → 지반

제가 구조설계에서 계속 강조하는 것도 결국 이 하중 전달경로입니다. 💡

좋은 구조설계는 BRB라는 특정 부재 하나를 사용하는 것으로 완성되는 것이 아니라 BRB와 접합부, 주변 골조, 바닥판과 기초가 하나의 구조시스템으로 제대로 작동하도록 만드는 과정이라고 생각합니다.

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