거푸집·동바리 설계

왜 배우는가: 거푸집·동바리는 콘크리트 강도가 발현될 때까지 구조물을 지지하므로 붕괴 사고의 주요 원인이 된다. 시공·감리 단계에서 설계하중과 조립 기준을 정확히 알아야 하며, 기술사 시험에서도 하중 산정과 안전 조치를 반복해서 묻는다.

출제 이력: 제133회 4교시 5번, 제128회 1교시 5번, 제126회 3교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

거푸집 및 동바리 설계는 타설된 콘크리트가 소정의 강도를 얻을 때까지 고정하중과 작업하중, 수평하중을 안전하게 지지하도록 부재와 이음, 지반을 검토하는 과정이다.

• 거푸집
• 동바리
• 고정하중
• 작업하중(활하중)
• 콘크리트 측압
• 수평하중
• 수직가새

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 거푸집은 젖은 콘크리트를 원하는 모양으로 잡아 두는 틀이고, 동바리는 그 틀과 위에 올라간 콘크리트 무게를 바닥까지 내려 주는 기둥과 보다. 콘크리트가 굳어 스스로 하중을 버틸 힘을 얻기 전까지 이 두 가지가 무너지지 않아야 한다.

정식 정의로는 「콘크리트공사 표준안전 작업지침」 제2조에 따라 거푸집 및 동바리는 콘크리트 구조물이 일정 강도에 이르기까지 형상을 유지하기 위해 설치하는 가설구조물이며, 부재와 그 설치에 필요한 부속 자재를 통틀어 말한다.

거푸집은 굳지 않은 콘크리트가 필요한 강도를 낼 때까지 형상과 치수를 설계도서대로 유지하는 가설구조물이다. 동바리는 타설된 콘크리트가 소정의 강도를 얻기까지 고정하중과 작업하중을 지지하는 부재 또는 임시 지지대이다. 작업 장소가 높으면 발판이나 재료 운반, 위험물 낙하 방지 역할도 한다.

콘크리트 측압은 굳지 않은 콘크리트 자중이 타설 높이에 따라 옆의 거푸집에 작용하는 수평 압력이다. 측압은 거푸집 측판과 긴결재가 받는다. 긴결재(form-tie)는 마주 보는 거푸집 간격을 일정하게 유지하면서 측압을 최종적으로 지지하는 인장 부재이다.

동바리 종류는 강관 동바리, 강관틀 동바리, 조립강주 동바리, 시스템 동바리, 보 형식의 동바리로 나뉜다. 각 종류별 조립 기준은 같은 지침 제9조부터 제13조에 있다.

3. 등장 배경과 필요성

거푸집 및 동바리 붕괴는 콘크리트 타설 중이나 직후에 일어나는 대형 사고의 원인이 되어 왔다. 콘크리트가 굳기 전에는 거푸집과 동바리만이 구조 역할을 하므로, 설계하중 누락이나 조립 불량이 곧바로 붕괴로 이어진다.

초기에는 목재와 파이프 서포트를 경험에 따라 설치했다. 그러나 고층화와 대형 슬래브 공법이 늘면서 연직하중, 측압, 수평하중을 수치로 검토하는 설계가 필요해졌다. 이에 따라 건설기준에 따른 하중 조합과 안전율 검토, 그리고 조립도 작성이 의무화되었다.

현행 체계에서는 「산업안전보건법」에 따라 산업안전 측면의 조립·해체 기준을 두고, 「건설기술 진흥법」의 건설기준이 구조 설계를 규정한다. 높이 5m 이상 거푸집 동바리와 작업발판 일체형 거푸집은 구조적 안전성 확인 대상이다.

이처럼 설계는 구조 안전과 근로자 안전을 함께 다룬다. 따라서 시험에서는 하중의 종류, 설계 절차, 안전 조치를 한 흐름으로 설명하는 능력을 본다.

4. 구성요소·원리·절차

거푸집 및 동바리는 거푸집판, 장선, 띠장, 동바리, 연결재·가새재로 이루어진 가설 구조계다. 각 부재가 하중을 아래 단계로 차례로 전달하는 구조이므로, 한 부재가 약하면 전체가 무너진다. 아래 구성도는 하중 전달 경로를 보여준다.

구성요소별 역할은 다음과 같다.

원리는 하중 전달 순서의 역순 검토다. 동바리가 받을 힘을 먼저 구하고, 그 힘을 기준으로 띠장, 장선, 거푸집판을 차례로 검토한다. 그러나 실무 검토는 보통 판에서 시작하여 동바리로 내려간다. 두 방향 모두 결과가 같아야 한다.

구조 검토 절차는 다음과 같다.

• 설계하중을 정한다. 고정하중(철근콘크리트와 거푸집 무게)과 작업하중을 더하고 충격계수를 곱한다.
• 거푸집판의 휨과 처짐을 검토하여 장선 간격을 정한다.
• 장선의 휨, 전단, 처짐을 검토하여 띠장 간격을 정한다.
• 띠장의 휨과 전단을 검토하여 동바리 간격을 정한다.
• 동바리의 압축과 좌굴을 검토한다. 세장비와 높이에 따라 수평연결재를 배치한다.
• 수평하중에 대해 가새재를 검토하고 조립도에 반영한다.

계산 원리는 다음 식으로 정리한다. 고정하중 w_D [kN/㎡]와 작업하중 w_L [kN/㎡], 충격계수 \alpha를 쓴다. 설계 연직하중은 w = (w_D + w_L) 이고 타설 시에는 충격의 영향을 \alpha로 반영한다. 동바리 한 개가 받는 축력은 P = w \times A_{trib} [kN]이다. 여기서 A_{trib} [㎡]는 동바리 한 개의 負담 면적이다. 좌굴 검토는 세장비 \lambda = KL/r 과 오일러 하중 P_{cr} = \pi^2 EI/(KL)^2 로 한다. 여기서 E [MPa]는 탄성계수, I [mm⁴]는 단면 이차모멘트, K는 유효좌굴계수, L [mm]은 비지지 길이다.

5. 관련 법령·기준·표준

거푸집 및 동바리의 설계와 시공 기준은 「산업안전보건법」에 따른 고용노동부 고시와 「건설기술 진흥법」에 따른 건설기준이 함께 정한다. 현행 고용노동부 고시는 「콘크리트공사 표준안전 작업지침」이다. 이 지침은 조립도 작성, 조립 순서, 해체 시기를 정하고 있다. 조립도에는 부재의 재질, 단면규격, 설치간격, 이음방법을 명시해야 한다.

건설기준은 설계하중과 하중조합을 정한다. 설계는 연직하중, 콘크리트 측압, 풍하중, 수평하중, 특수하중의 하중조합과 안전율을 고려한다. 높이 5미터 이상인 거푸집 동바리와 작업발판 일체형 거푸집은 구조적 안전성 확인을 받아야 한다.

동바리 형식별 조립 기준은 다음과 같다. 이 값들은 「콘크리트공사 표준안전 작업지침」의 조항이다.

고정하중과 작업하중의 기준 값은 설계 기준서에 따른다. 콘크리트 단위중량은 보통 콘크리트 24kN/㎥, 제1종 경량 20kN/㎥, 제2종 경량 17kN/㎥를 적용한다. 거푸집 무게는 0.4kN/㎡ 이상을 적용한다.

산업안전보건기준에 관한 규칙 제332조의2는 동바리 유형별 조립 안전조치를 정한다. 파이프 서포트는 3개 이상 이어 쓰지 않도록 한다. 강관틀과 조립강주, 시스템 동바리의 조치는 위 표와 같은 취지다.

개정 연혁으로는 관련 개정 이후 법령 체계가 바뀌어 산업안전보건기준에 관한 규칙이 동바리 유형별 기준을 두고 있다. 상세한 개정 일자와 내용은 조문의 머리말을 기준으로 한다.

6. 유형과 비교

거푸집 및 동바리는 지지 방식과 부재 형식에 따라 강관 동바리, 강관틀 동바리, 조립강주 동바리, 시스템 동바리, 보 형식의 동바리로 나뉜다. 콘크리트공사 표준안전 작업지침은 각 유형의 정의를 제2조에서 구분하고, 조립 기준을 제9조부터 제13조까지 유형별로 정한다. 설계자는 유형마다 높이 제한과 수평연결재 간격이 다르다는 점을 먼저 알아야 한다.