캠버

왜 배우는가: 캠버는 보와 슬래브의 처짐이 설계 허용값을 넘어 외관과 사용성을 해치는 것을 막는 대표 시공 조치다. 장기 처짐은 설계 단계에서 계산하더라도 현장에서 거푸집 높이로 반영해야 실현되므로 시험에서 반복해서 묻는다.

출제 이력: 제120회 1교시 3번, 제98회 1교시 13번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

캠버는 휨부재를 예상 처짐량만큼 미리 위로 솟게 거푸집을 짜서, 하중 재하와 장기 처짐 후에도 부재가 설계 위치에 가깝게 남도록 하는 시공 조치다. 핵심 키워드: 캠버, 거푸집 솟음, 즉시 처짐, 장기 처짐, 크리프, 건조수축, 처짐 허용값, 사용성

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 보나 슬래브의 가운데를 처지기 전에 미리 조금 높게 만들어 두는 것이다. 처진 뒤에 수평이 되도록 하는 것이 목적이다. 정식 정의는 다음과 같다. 캠버(Camber)는 부재의 자중과 외력에 의한 처짐, 그리고 시간에 따라 증가하는 장기 처짐을 예측하고, 그 양만큼 부재 축을 위로 솟게 설정하는 것이다. 원래 목재나 강재에서 아치형으로 휘어 만든 부재를 뜻하는 말이며, 콘크리트 공사에서는 거푸집의 솟음 높이로 구현한다. 즉시 처짐은 하중을 가한 직후에 생기는 탄성 처짐이다. 콘크리트의 탄성계수와 단면 2차 모멘트로 계산한다. 장기 처짐은 지속하중이 작용하는 동안 시간에 따라 더해지는 처짐이다. 콘크리트의 크리프와 건조수축이 주된 원인이며, 압축철근이 있으면 그 증가량이 줄어든다. 솟음량은 캠버의 설계값이다. 즉시 처짐과 장기 처짐을 합한 값을 기준으로 정하며, 그 값을 거푸집 바닥에 반영한다. 장기 처짐의 크기는 다음 식으로 개략 계산한다. 장기 처짐은 즉시 처짐에 계수 \lambda를 곱한 값이다. \lambda=\dfrac{\xi}{1+50\rho'}에서 \xi는 시간 경과 계수이고 \rho'는 압축철근비다. 하중 지속기간에 따라 \xi를 정한다.

3. 등장 배경과 필요성

콘크리트 구조물은 스팬이 길어지고 고강도 콘크리트를 쓰면서 단면이 얇아졌다. 단면이 얇아지면 휨 강성이 낮아져 처짐이 커진다. 처짐을 제한하지 않으면 마감재 균열, 문틀 불량, 배수 불량 같은 사용성 문제가 생긴다. 처짐 문제는 설계 계산만으로는 해결되지 않는다. 즉시 처짐은 설계 단계에서 예측 가능하지만, 장기 처짐은 크리프와 건조수축이 재료와 환경에 따라 달라서 예측값에 편차가 크다. 해외 사례에서도 장기 크리프를 과소평가하여 대형 프리스트레스트 교량 다수가 과대 처짐과 균열을 겪은 기록이 있다. 따라서 설계 처짐을 현장에서 확실히 실현하는 수단이 캠버다. 현장 측면에서도 필요성이 크다. 거푸집 동바리는 타설 중 침하가 생기기 쉽고, 지지 간격과 강성에 따라 거동이 달라진다. 캠버 없이 타설하면 완성 후 바닥이 처져 보이거나 배수 구배가 무너진다. 사람은 처짐을 시각적으로 쉽게 알아채므로 외관 민원으로 이어지기도 한다. 캠버의 필요성은 세 가지로 정리된다. 첫째, 장기 처짐을 상쇄하여 완성 후 형상을 설계와 맞춘다. 둘째, 바닥 마감과 배수 구배를 확보한다. 셋째, 사용성과 외관 기준을 만족시켜 유지관리 비용을 줄인다. 캠버를 정하는 기준은 설계도서와 설계기준의 처짐 허용값이다. 처짐 허용값은 부재 스팬 L에 대한 비율로 표현한다. 활하중에 의한 즉시 처짐과 전체 처짐은 설계기준이 정한 허용값 이하로 관리한다.

4. 구성요소·원리·절차

캠버(Camber)는 부재를 제작할 때 설계 처짐을 예상하여 중앙부를 미리 위로 들어 올리는 치수 보정이다. 콘크리트 슬래브와 보는 하중과 건조수축, 크리프로 시간이 지나면서 처지므로 완공 후 수평이 맞도록 거푸집 높이를 조정한다. 캠버의 핵심은 처짐 예측과 거푸집 높이 보정이다.

탄성 처짐은 하중과 지간의 함수다. 등분포하중을 받는 단순보의 중앙 처짐은 다음과 같다.

$\delta_i = \frac{5wL^4}{384\,E_c I}$

여기서 \delta_i는 순간 처짐(mm), w는 등분포하중(N/mm), L은 지간(mm), E_c는 콘크리트 탄성계수(MPa), I는 단면 2차 모멘트(mm⁴)다.

장기 처짐은 크리프와 건조수축의 영향으로 탄성 처짐보다 커진다. 실무에서는 다음 식으로 장기 처짐을 산정한다.

$\delta_{total} = \delta_i + \lambda \cdot \delta_i' $

여기서 \lambda는 장기 계수, \delta_i'는 지속하중에 의한 순간 처짐이다. 장기 계수는 지속 기간과 압축철근비에 따라 정해진다.

캠버량은 자중과 장기 처짐 합계를 상쇄하도록 정한다

절차는 다음과 같다.

• 설계 하중과 지간을 확정하고 순간 처짐을 계산한다.
• 크리프·건조수축을 반영한 장기 처짐을 산정한다.
• 허용 처짐(설계기준 값)과 비교하여 캠버량을 결정한다.
• 거푸집 높이에 캠버량을 반영하고 측량으로 확인한다.
• 콘크리트 타설 후 존치기간 동안 처짐을 계측하여 기록한다.

5. 관련 법령·기준·표준

캠버와 처짐을 다루는 기준은 국가 설계기준(KDS)의 콘크리트 구조 설계 편과 표준시방서(KCS)다. 처짐 허용값과 장기 계수는 이 기준에서 정한다. 다음 표는 실무에서 자주 쓰는 값이다.

활하중 처짐과 장기 처짐의 허용값은 설계기준이 정한 처짐 한계값이다. 구조물 용도와 부재 종류에 따라 적용 값이 달라진다. 건축 구조 설계에서는 장기 처짐 허용값을 우선 확인한다.

장기 계수 \lambda는 지속 기간에 따라 증가한다. 지속 기간이 길어지면 값이 증가하며 장기적으로 수렴한다. 압축철근을 배치하면 장기 처짐이 줄어든다. 캠버 계산은 이 두 요소를 함께 고려한다.

계산 예제로 지간 8m, 등분포하중 w=10 kN/m, E_c=25,000 MPa, I=4.5\times10^9 mm⁴인 단순보를 보면, \delta_i = 5 \times 10 \times 8000^4 / (384 \times 25000 \times 4.5\times10^9) 이고 결과는 약 \delta_i 약 4.7mm 이다. 이 결과는 보 부재의 일반적인 순간 처짐 범위 안이다.