가설구조물 작용하중

왜 배우는가: 가설구조물에 작용하는 하중은 비계·동바리·흙막이 설계의 출발점이며, 하중을 빠뜨리면 붕괴 사고로 직결된다. 시험에서는 1교시 용어형과 2~4교시 논술형으로 반복해서 출제되므로 하중 종류와 적용 기준을 체계적으로 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제128회 2교시 4번, 제103회 2교시 6번, 제97회 1교시 12번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의는 다음과 같다.

가설구조물 작용하중은 비계·동바리 등 임시 구조물이 시공 중 받는 고정하중, 활하중(작업하중), 풍하중, 시공하중 등 모든 외력이다.

핵심 키워드

• 고정하중: 가설재·거푸집 등 구조물 자체의 무게
• 작업하중(활하중): 작업자·공구·자재 등 사용 중 가해지는 가변 하중
• 풍하중: 바람에 의해 구조물 전면에 작용하는 수평 하중
• 적설하중: 구조물 위에 쌓이는 눈의 하중
• 벽이음 작용력: 비계를 건축물에 고정하는 부재가 받는 하중
• 충격하중: 자재 낙하, 장비 충돌 등으로 발생하는 순간 하중
• 수평하중(횡하중): 풍하중, 지진하중, 편심 하중 등으로 생기는 수평 방향 하중

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면 가설구조물이 공사 기간 동안 버텨야 하는 모든 힘이다. 가설구조물은 본 구조물처럼 장기간 사용하지 않지만, 시공 단계마다 하중 조건이 바뀌고 작업자가 직접 올라서므로 설계 하중을 빠뜨리면 바로 사고가 된다.

정식 정의는 다음과 같다. 가설구조물 작용하중은 가설구조물의 설치·사용·해체 과정에서 구조물과 부재에 작용하는 자중, 사용하중, 환경하중, 시공 중 발생하는 부가 하중을 통칭한다.

핵심 용어를 나누어 보면 다음과 같다.

고정하중은 가설재와 부속 철물, 작업발판, 거푸집 등 구조물 자체의 중량이다. 설계 시 가설재의 단위 중량으로 산정한다.

작업하중(활하중)은 작업자, 공구, 자재 적재물 등 사용 중 변하는 하중이다. 비계 작업발판 위의 작업 인원과 적재 자재가 여기에 해당한다.

풍하중은 가설구조물이 바람을 받아 생기는 수평 하중이다. 높이가 높고 면적이 큰 비계, 시스템 동바리, 타워크레인 지지부에서 특히 중요하다.

벽이음 작용력은 비계가 건축물에 전도되지 않도록 벽이음재가 받는 힘이다. 풍하중과 수평 하중을 건축물로 전달하는 역할을 한다.

3. 등장 배경과 필요성

가설구조물은 본 구조물과 달리 설계 기간이 짧고 재사용 빈도가 높다. 현장마다 조건이 다르고 작업자가 직접 하중을 받으므로 체계적인 하중 산정이 필요하다.

산업안전보건기준에 관한 규칙은 비계와 동바리를 높이와 형식에 따라 조립 기준을 정한다. 예를 들어 동바리로 쓰는 파이프 서포트는 3개 이상을 이어 쓰지 않도록 하고, 높이가 3.5미터 초과 시 수평연결재를 높이 2미터 이내마다 설치하도록 규정한다. 이는 하중의 전달 경로를 확보하기 위한 조건이다.

또한 타워크레인은 자립고 이상에서 벽체에 지지하도록 하고, 와이어로프로 지지할 때는 수평면에서 60도 이내로 설치하고 지지점은 4개소 이상으로 한다. 이처럼 하중 조건을 고려해 지지 방식을 정하는 것이 법령의 취지다.

가설구조물 사고는 대부분 하중 산정 누락, 과적, 벽이음 부족, 풍하중 무시에서 발생한다. 따라서 설계 단계에서 모든 하中을 빠짐없이 검토하는 것이 안전 확보의 출발점이다.

4. 구성요소·원리·절차

가설구조물에 작용하는 하중은 고정하중, 작업하중, 풍하중, 충격하중, 수평하중 등으로 나누어 구성한다. 비계의 경우 작업발판 위의 작업하중과 벽이음으로 전달되는 벽이음 작용력이 설계의 출발점이다. 하중은 부재 자중에서 시작해 작업조건과 외부환경을 더하는 순서로 누적한다.

고정하중과 작업하중은 연직하중이다. 풍하중과 수평하중은 횡력으로서 전도와 좌굴을 지배한다. 설계에서는 연직하중에 대한 압축 안정성과 횡력에 대한 전도 안정성을 함께 검토한다.

원리는 다음과 같다. 연직하중은 기둥 축력으로 누적되어 기초에 전달된다. 횡하중은 벽이음이나 가새를 통해 건축물에 전달된다. 벽이음이 없으면 비계는 자립 상태에서 전도되므로 벽이음 작용력이 핵심 설계값이 된다.

설계 절차는 다음 순서를 따른다.

• 설치 위치와 작업 조건을 확인하고 적용 하중 항목을 정한다.
• 부재 자중과 작업발판 적재하중을 산정한다.
• 설치 지역의 풍속과 벽면 면적으로 풍하중을 계산한다.
• 충격 및 수평 하중을 더해 설계 하중 조합을 만든다.
• 기둥 압축, 벽이음 작용력, 기초 지지력을 검토한다.
• 조립도와 안전조치 기준으로 부재 간격을 확정한다.

계산 예는 다음과 같다. 작업발판 1m²당 적재하중을 2.0kN/m²로 두고 면적 10m²에 적용하면 작업하중은 $W = 2.0 \times 10 = 20\ \text{kN}$ 이다. 여기서 W는 작업하중(kN), 2.0은 단위 면적당 하중(kN/m²), 10은 작업 면적(m²)이다. 결과 20kN은 작업발판 한 구간의 연직 하중으로 상식 범위에 있다.

벽이음 작용력은 풍하중과 수평하중을 건축물로 전달하는 핵심 경로이다.

5. 관련 법령·기준·표준

비계와 동바리의 하중 기준은 「산업안전보건기준에 관한 규칙」이 정한 조립·설치 조치로 구체화된다. 동바리 조립 시에는 수평연결재, 교차가새, 받침철물의 설치 조건을 지켜야 한다. 이는 하중을 안정적으로 전달하기 위한 구조 조건이다.

타워크레인 지지에서는 자립고 이상 높이에서 벽체 지지를 원칙으로 한다. 벽체 지지가 어려우면 와이어로프 지지를 허용하며, 이때 설치각도와 지지점 수를 함께 지킨다. 두 기준은 모두 벽이음 작용력의 전달 방식을 정한다.

작업발판 기준은 작업하중을 견디는 조건이다. 발판재료는 작업 하중을 견딜 수 있어야 하며, 폭과 틈은 낙하와 전도를 막기 위한 값이다. 추락방호망의 설치 높이는 낙하 충격의 크기를 제한하기 위한 값이다.

동바리 조립 기준은 침하 방지와 전도 방지를 함께 요구한다. 받침목이나 깔판 사용, 콘크리트 타설, 말뚝박기 등으로 침하를 막아야 한다. 강재 접합부는 전용철물로 단단히 연결한다.