거푸집·동바리 설계하중

왜 배우는가: 거푸집·동바리는 콘크리트 타설 중 붕괴를 막는 가설구조물이며, 설계하중을 잘못 잡으면 시공 중 인명 사고로 이어진다. 연직하중(고정하중·활하중)과 수평하중의 구분과 값은 구조계산의 출발점이라 시험에서 반복해서 묻는다.

출제 이력: 제116회 1교시 1번, 제110회 1교시 10번, 제91회 1교시 10번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

거푸집·동바리 설계하중은 콘크리트 타설과 양생 중 거푸집과 동바리가 받는 연직하중과 수평하중을 정하고, 그 값을 구조계산에 적용하는 기준이다.

거푸집·동바리 설계하중은 콘크리트 자중과 거푸집 자중, 작업하중(연직)과 콘크리트 측압, 풍하중 등(수평)을 합하여 정한다.

핵심 키워드

• 거푸집: 굳지 않은 콘크리트를 원하는 형상으로 유지하는 가설 틀.
• 동바리: 거푸집을 아래에서 지지하는 가설 부재(지주형·보형).
• 고정하중: 철근콘크리트와 거푸집의 자중.
• 작업하중(활하중): 공사 중 작업자, 장비, 자재 등 가변 하중.
• 콘크리트 측압: 타설 중 거푸집 측면에 작용하는 액체 압력 성격의 수평하중.
• 수평하중: 측압, 풍하중, 편심하중, 수평 충격 등 수평 방향 하중.
• 가새: 동바리의 수평 변형을 막는 대각 부재.
• 책임구조기술자: 설계도서 제출과 승인을 맡는 기술자.

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 콘크리트가 굳기 전까지 무거운 액체 상태의 재료를 떠받치는 임시 구조물을 설계하는 일이다. 거푸집은 형상을 만들고, 동바리는 그 무게를 바닥으로 전달한다. 콘크리트가 자립 강도를 얻기 전에는 이 가설 구조가 모든 하중을 버텨야 한다.

정식으로는 거푸집과 동바리의 구조 안전을 확인하기 위해 적용하는 연직하중과 수평하중의 종류와 크기 기준을 말한다. 연직하중은 고정하중과 활하중으로 나누고, 수평하중은 콘크리트 측압, 풍하중, 편심하중 등을 포함한다.

핵심 용어를 풀면 다음과 같다.

• 고정하중은 변하지 않는 자중이다. 철근콘크리트 단위중량과 거푸집 무게로 구한다.
• 활하중(작업하중)은 공사 중 변하는 하중이다. 작업자와 장비, 적재 자재, 충격 등이 포함된다.
• 수평하중은 수평 방향으로 작용하는 힘이다. 측압과 풍하중이 대표적이다.

3. 등장 배경과 필요성

과거에는 경험에 의존해 동바리를 세웠다. 그러나 고층화와 대형 슬래브 시공이 늘면서 동바리 붕괴 사고가 잇따랐다. 이에 따라 설계하중을 표준으로 정하고, 구조계산과 승인 절차를 갖추게 되었다.

콘크리트 표준시방서와 가설공사 표준시방서는 거푸집·동바리 설계 시 고려할 하중을 규정한다. 설계자는 이 기준을 따라 하중 조합을 만들고, 부재별 강도와 변형을 검토한다. 책임구조기술자가 요구하는 경우 설계도서를 제출하여 승인받는 절차도 이 필요성에서 나왔다.

이 기준이 없으면 콘크리트 자중과 작업하중을 과소평가해 슬래브 처짐이나 동바리 좌굴이 생길 수 있다. 반대로 과대 설계하면 자재와 공기가 낭비된다. 따라서 설계하중은 안전과 경제성을 함께 맞추는 기준이다.

콘크리트 단위중량 24kN/㎥(보통 콘크리트, 철근 포함)

거푸집 무게는 관련 기준이 정한 최소값 이상을 적용한다.

4. 구성요소·원리·절차

거푸집·동바리 설계는 콘크리트를 굳는 동안 지지하는 가설 구조물의 강도·강성·안정성을 검토하는 일이다. 구성요소는 거푸집 널, 장선·멍에 같은 2차 부재, 동바리(지주), 가새, 깔목·받침 철물로 나뉜다. 설계는 이 부재들이 받는 하중을 구한 뒤 부재 응력과 좌굴, 지반 지지력을 검토하는 순서로 진행한다.

표의 부재는 하중 경로 순서로 이어진다. 널이 받은 하중이 장선과 멍에를 거쳐 동바리로 내려가고, 최종적으로 지반이나 하부 구조에 전달된다. 따라서 상위 부재의 검토는 하부 부재의 하중을 결정하는 기초가 된다.

원리는 다음과 같다. 고정하중과 작업하중의 합을 연직하중으로 잡고, 콘크리트 측압과 작업·풍하중을 수평하중으로 잡는다. 수평하중은 가새가 받아 기초로 보낸다. 가새가 없으면 동바리 상부가 흔들리며 좌굴이나 붕괴가 일어날 수 있다. 따라서 수평 안정성은 가새 배치로 확보한다.

설계 절차는 다음과 같다.

• 콘크리트 타설 조건(두께, 타설 속도, 온도)과 부재 치수를 정한다.
• 고정하중과 작업하중을 산정하여 연직하중을 구한다.
• 콘크리트 측압과 풍하중 등 수평하중을 산정한다.
• 거푸집 널, 장선, 멍에 순서로 휨·전단·처짐을 검토한다.
• 동바리의 축력을 구하고 압축강도와 좌굴을 검토한다.
• 가새 배치와 수평 안정성을 검토한다.
• 받침 지반의 지지력과 침하를 검토하고 기초 조치를 정한다.
• 설계 결과를 시공상세도와 설치 기준으로 정리한다.

연직하중의 기본식은 다음과 같다.

$W_{d} = \gamma_c t + W_f$

여기서 W_d는 연직 설계하중(kN/㎡), \gamma_c는 콘크리트 단위중량(kN/㎥), t는 슬래브 두께(m), W_f는 거푸집 무게(kN/㎡)다. 설계 하중은 여기에 작업하중을 더하여 구한다. 예를 들어 보통 콘크리트 두께 0.2m 슬래브는 24 \times 0.2 = 4.8 kN/㎡가 되고, 거푸집 무게를 더하면 고정하중이 된다. 결과는 일반 슬래브 고정하중의 상식 범위에 있다.

고정하중은 콘크리트와 거푸집 무게의 합이며, 수평하중은 가새가 받아 기초에 전달한다

5. 관련 법령·기준·표준

거푸집·동바리 설계는 「산업안전보건기준에 관한 규칙」의 거푸집 동바리 안전조치와, 콘크리트 표준시방서 및 가설공사 표준시방서의 하중 규정을 함께 따른다. 법령은 조립·해체 시 안전 조치를 정하고, 시방서는 설계하중의 값을 정한다. 두 기준이 다를 때는 더 엄격한 조건을 따르는 것이 안전하다.

설계 하중의 기준 값은 다음 표와 같다.

표의 콘크리트 단위중량과 거푸집 무게는 설계 하중의 출발값이다. 경량 콘크리트는 단위중량이 작아 고정하중이 줄어든다. 거푸집 무게는 최소값이 정해져 있으므로 설계 시 이보다 작은 값을 쓸 수 없다.

개정 연혁으로는 가설공사 표준시방서와 콘크리트 표준시방서가 거푸집·동바리 설계 기준을 함께 정리해 왔다. 최근에는 거푸집 동바리 구조계산서 제출과 책임기술자 승인 절차가 강화되는 추세다. 세부 개정 내용은 해당 시방서의 현행본으로 확인한다.

관련 기준이 정한 거푸집 무게 최소값은 고정하중 계산에서 반드시 검토하는 값이다.

6. 유형과 비교

거푸집·동바리 설계하중은 설계 대상 부재와 시공 방식에 따라 적용 조건이 달라진다. 먼저 동바리의 형식을 나누고, 이어서 하중의 성격을 기준으로 비교한다.