거푸집 설계하중

왜 배우는가: 거푸집 설계하중은 거푸집·동바리의 구조 안전성과 콘크리트 품질을 좌우하는 기본 개념이다. 실무에서는 콘크리트 측압 산정이 존치기간과 긴결재 설계의 출발점이 되며, 시험에서는 하중요소의 분류와 측압 요인을 묻는 문제로 반복해 출제된다.

출제 이력: 제139회 3교시 5번, 제96회 1교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

거푸집 설계하중은 콘크리트 타설·양생 중 거푸집널·장선·멍에·동바리·긴결재에 작용하는 수직·수평하중과 굳지 않은 콘크리트의 측압을 말한다

핵심 키워드: 거푸집 설계하중, 수직하중, 시공하중, 동적하중, 콘크리트 측압, 유체압, 타설속도, 긴결재

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 거푸집이 콘크리트를 붓는 동안 버텨야 하는 모든 힘을 계획하는 것이다. 콘크리트는 타설 전에는 무게가 없는 것처럼 보여도 타설 중에는 액체처럼 거푸집을 밀어낸다. 그래서 거푸집 설계하중은 평상시 구조물 하중과 다르게, 시공 단계에서 생기는 하중을 중심으로 구성된다.

정식 정의는 다음과 같다. 거푸집 설계하중은 콘크리트 타설, 다짐, 양생 및 해체 전 단계에서 거푸집 조립체에 작용하는 수직하중, 시공하중, 동적하중, 수평·환경하중의 합으로 정의한다. 이 하중을 근거로 거푸집널, 장선, 멍에, 동바리, 긴결재와 지반의 안전성을 검토한다.

하중 분류의 핵심 용어는 다음과 같다. 수직하중은 거푸집 자중과 굳지 않은 콘크리트, 철근, 매설물의 중량을 말한다. 시공하중은 작업자, 공구, 자재, 타설장비가 올리는 하중이다. 동적하중은 콘크리트 낙하, 펌프 압송, 진동기 작업으로 생기는 충격과 진동을 말한다. 콘크리트 측압은 굳지 않은 콘크리트가 거푸집 측면에 가하는 수평 압력이다.

측압은 유체압과 비슷하게 거동하지만, 응결이 시작되면 그 크기가 점점 줄어든다. 따라서 측압은 타설 직후 최대가 되며 시간이 지나면 감소한다는 점을 이해해야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

철근콘크리트 구조는 현장에서 거푸집을 세운 뒤 콘크리트를 타설해 형상을 만든다. 거푸집이 설계하중을 견디지 못하면 변형, 누수, 붕괴가 발생하고 콘크리트 품질도 떨어진다. 과거에는 경험에 따라 거푸집을 세웠으나, 고층화와 대형화로 타설 높이와 물량이 커지면서 하중을 계산해 설계하는 방식이 필요해졌다.

또한 펌프카 타설, 고유동 콘크리트, 지연제 사용처럼 측압을 키우는 시공 조건이 늘었다. 이에 따라 기준은 타설속도와 콘크리트 온도, 배합, 진동 조건을 측압 산정에 반영하도록 요구한다. 거푸집 설계하중을 명확히 정리하면 안전관리와 공사비 산정, 해체 계획을 함께 합리화할 수 있다.

4. 구성요소·원리·절차

거푸집 설계하중은 수직하중, 시공하중, 동적하중, 수평·환경하중으로 나누어 각 하중이 거푸집널, 장선·멍에, 긴결재, 동바리, 지반까지 전달되는 경로를 따라 구조검토한다. 구성요소별 하중 전달 경로를 먼저 정리하면 어느 부재가 어떤 하중을 받는지 답안에 명확히 쓸 수 있다.

각 구성요소는 하중을 받아 다음 부재로 넘긴다. 그래서 설계는 상위 부재의 반력을 하위 부재의 입력으로 삼아 순서대로 계산한다. 편심 타설이나 일부 구간 선행 타설은 한쪽으로 치우친 반력을 만들므로 별도로 검토한다.

하중 전달 원리는 다음과 같다. 콘크리트 타설로 생긴 측압은 거푸집널을 밀어내고, 널은 장선과 멍에를 거쳐 긴결재가 양쪽에서 붙잡는다. 수직하중은 동바리를 따라 바닥 슬래브나 지반으로 내려간다. 수평력은 동바리 수평연결재·가새가 받아 좌굴 길이를 줄인다.

측압은 긴결재와 동바리 간격을 정하는 핵심 하중이다

검토 절차는 다음 순서로 진행한다.

• 타설 계획에서 타설 높이, 타설 속도, 콘크리트 온도와 배합 조건을 정한다.
• 하중요소별 크기를 산정한다. 자중, 시공하중, 타설 충격, 측압을 각각 계산한다.
• 하중조합을 만들어 거푸집널, 장선·멍에, 긴결재, 동바리에 대해 휨·전단·처짐을 검토한다.
• 동바리 좌굴 길이와 수평연결재 설치 간격을 정하고 지반 지지력을 확인한다.
• 설계값과 실제 타설 조건이 다르면 타설 계획을 조정하고 재검토한다.

측압 산정식은 다음과 같다. 콘크리트를 유체로 간주한 최대 측압은 $p=\gamma_c \cdot h$ 이다. 여기서 p는 깊이 h에서의 측압(kN/㎡), \gamma_c는 콘크리트 단위중량(kN/㎥), h는 타설 면으로부터의 깊이(m)이다. 높이 H 벽체의 단위 폭당 합력은 $P=\frac{1}{2}\gamma_c H^2$ 이고, 작용점은 바닥에서 H/3 지점이다. 여기서 P는 단위 폭당 합력(kN/m), H는 타설 높이(m)이다.

계산 예제를 보인다. 콘크리트 단위중량 \gamma_c = 24\text{kN/㎥}, 타설 높이 H=3\text{m}라 하면, 바닥 최대 측압은 p=24\times3=72\text{kN/㎡}이다. 단위 폭당 합력은 P=\frac{1}{2}\times24\times3^2=108\text{kN/m}이다. 작용점은 바닥에서 3/3=1\text{m} 지점이다. 결과는 벽 1m 폭에 약 108kN의 힘이 작용하는 것으로 상식 범위 안이다.

5. 관련 법령·기준·표준

거푸집 설계하중은 법령에서 직접 수치를 정하기보다 시공 기준과 설계 기준에서 정한다. 국내 현장에서는 콘크리트 구조 설계기준과 콘크리트 표준시방서를 기준으로 삼고, 산업안전 측면에서는 「산업안전보건기준에 관한 규칙」의 거푸집 동바리 조항을 함께 적용한다. 안전 관리 측면에서 동바리와 거푸집의 조립·해체·점검 의무가 있다는 점을 답안에 쓴다. 측압과 하중 계수는 설계 기준 판정에 따른다.

기준 체계는 다음과 같이 정리한다. 설계 하중과 하중조합은 콘크리트 구조 설계기준을 따른다. 현장 시공 관리와 감시 의무는 산업안전보건 기준에서 정한다. 수치는 설계 기준에 맞춰 계산하고, 현장 조건이 다르면 설계 가정을 다시 확인한다.

6. 유형과 비교

거푸집은 구조 형식, 재료, 설치 방식에 따라 여러 유형으로 나뉜다. 유형마다 하중 전달 경로와 측압 대응 방식이 달라 설계하중 산정의 출발점이 된다.