IPS 공법

왜 배우는가: IPS 공법은 버팀보와 띠장의 간섭을 줄이고 프리스트레스로 흙막이를 지지하는 방식으로, 도심지 굴착에서 실무 적용이 늘고 있다. 1교시 용어 문제와 4교시 공법순서 문제에 반복 출제되어 정의와 구성요소를 정확히 익혀 두어야 한다.

출제 이력: 제123회 1교시 7번, 제108회 4교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

IPS 공법은 띠장 역할의 부재에 프리스트레스를 도입해 토압에 저항시키는 흙막이 지보 공법이다.

• IPS 공법
• 프리스트레스(Prestress)
• 이중 단면 띠장
• 긴장재(케이블·강봉)
• 휨모멘트 재분배
• 버팀보 간섭 저감
• 흙막이 지보공

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 흙막이 벽을 받치는 띠장에 줄(케이블)을 달아 미리 당겨 두고, 그 힘으로 흙이 미는 힘을 버티게 하는 공법이다. 굴착 중에 버팀보를 촘촘히 넣지 않아도 되므로 장비 움직임이 편해진다.

정식으로는 흙막이 벽체 뒤의 토압을 띠장과 긴장재가 함께 받도록 하는 지보 방식이다. 긴장재에 양단 프리스트레스를 주면, 그 힘이 띠장에 역방향 휨모멘트를 만들어 토압에 의한 휨을 상쇄한다. 이 원리를 휨모멘트 재분배라 부른다.

핵심 용어를 나누면 다음과 같다.

• 프리스트레스(Prestress): 외력이 만드는 인장응력을 상쇄하도록 미리 부재에 도입한 응력이다.
• 이중 단면 띠장: 중앙부 단면을 키워 정(+) 모멘트를 받도록 한 띠장재다.
• 긴장재(케이블 또는 강봉): 띠장 양단에 설치해 프리스트레스를 주는 부재다.

IPS 공법은 기존 PS 공법의 겹띠장을 단일 부재로 바꿔 볼트 구멍에 의한 단면 결손과 접합 확인 부담을 줄인 개량형으로 이해하면 된다. 다만 세부 치수와 긴장력은 설계 조건마다 다르므로 답안에는 원리 중심으로 쓴다.

3. 등장 배경과 필요성

기존 버팀보 지지 방식은 버팀보를 일정 간격으로 배치해 굴착면의 토압을 지탱한다. 굴착이 진행될수록 강재 사용량이 늘고, 중앙 말뚝과 버팀보가 간섭해 굴착장비의 이동이 제약을 받는다. 이로 인해 공기와 경제성이 떨어지는 문제가 생긴다.

이 문제를 줄이기 위해 띠장에 프리스트레스를 도입해 버팀보 수를 줄이는 방향이 개발되었다. 도심지에서는 인접 구조물과 매설물 때문에 지보재를 줄이고 작업공간을 넓히는 요구가 커졌다. 그래서 IPS 공법 같은 긴장형 띠장 공법이 실무에서 채택된다.

또한 단일 부재를 쓰면 공장 제작이 쉽고 현장 접합 검사가 줄어 유지관리 부담이 낮아진다. 이 점이 겹띠장 구조 대비 가장 큰 개선 효과다.

4. 구성요소·원리·절차

IPS 공법은 흙막이 벽체와 띠장, 버팀보(스트럿)로 이루어진 지지 구조에 프리스트레스(Prestress) 를 도입해 흙막이 벽체의 변형과 주변 지반의 침하를 줄이는 공법이다. 핵심은 버팀보에 미리 압축력을 주어 굴착 중 발생하는 토압을 초기부터 상쇄시키는 데 있다. 구성요소는 다음과 같다.

원리는 띠장재의 휨모멘트 재분배에 있다. 띠장재를 등단면 3경간 연속보로 보면 단부 지점의 부모멘트가 중앙부의 정모멘트보다 크게 나타난다. 중앙부의 단면 이차모멘트를 키우면 모멘트가 중앙부로 재분배된다. 여기에 중앙부 프리스트레스를 도입하면 중앙부 휨모멘트가 줄어들어 부재 구조가 합리적으로 된다. 즉 긴장재의 역방향 휨이 토압에 의한 휨을 상쇄한다.

시공 절차는 다음과 같다.

• 지반조사 결과에 따라 흙막이 벽체(엄지말뚝, 널말뚝 또는 연속벽)를 설치한다.
• 1차 굴착을 하고 띠장과 버팀보를 설치한다.
• 띠장에 긴장재를 장착하고 소정의 긴장력을 도입한다.
• 긴장력 도입 후 쐐기 정착과 긴장력 유지 상태를 확인한다.
• 다음 단계 굴착을 진행하면서 1~4 단계를 반복한다.
• 굴착 완료 후 계측 결과로 벽체 변위와 긴장력 변화를 확인한다.

계산 원리로 띠장의 설계 휨모멘트는 토압에 의한 값에 긴장재에 의한 역모멘트를 더해 구한다. 긴장력 P (kN)와 편심 e (m)에 의한 역모멘트는 M_p = P \cdot e (kN·m)이다. 토압 모멘트 M_s (kN·m)에서 M_p를 뺀 값이 설계 모멘트가 된다. 긴장력이 과도하면 단부 응력이 커지므로 두 값의 균형을 확인해야 한다.

5. 관련 법령·기준·표준

국내에서 IPS 공법을 직접 규정한 기준 조문은 확인된 자료가 없다. 흙막이 가시설은 굴착공사 표준안전 작업지침(고용노동부 고시)과 건설공사 설계기준(KDS)의 흙막이 항목에 따른다. 아래 표는 굴착공사 표준안전 작업지침에서 확인되는 기준값을 정리한 것이다.

위 기준은 IPS 공법에 고유한 값이 아니라 흙막이 굴착 전반의 안전 기준이다. 긴장력 크기와 버팀보 간격 등 IPS 고유 설계값은 공법 설계서와 설계기준에 따른다. 설계 시 흙막이 벽체의 근입 길이는 히빙·보일링 검토와 함께 정한다.

해당 고시의 머리말 시행일자는 2023-07-01 기준이다.

6. 유형과 비교

IPS 공법은 띠장에 프리스트레스를 도입하는 방식에 따라 여러 계열과 구분된다. 흙막이 지지 방식의 비교 기준을 먼저 정리한다.