거푸집·동바리 설계하중

왜 배우는가: 거푸집·동바리는 굳지 않은 콘크리트를 지지하는 가설 구조물이라 설계하중이 틀리면 붕괴 사고로 직결된다. 산업안전과 구조 설계 양쪽에서 다뤄지는 개념이다. 기술사 시험에서는 하중 종류를 설명하는 문항과 부재를 계산하는 문항으로 함께 출제되었다.

출제 이력: 제126회 4교시 2번, 제92회 3교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

거푸집·동바리 설계하중은 타설 중 가설 부재가 받는 하중을 산정해 안전하게 설계하는 기준이다.

이 절에서 다루는 설계하중은 완성된 구조물의 하중이 아니라 시공 단계에서만 작용하는 임시 하중이다. 거푸집 설계는 콘크리트가 굳기 전의 가장 불리한 상태를 기준으로 한다. 답안 첫 줄에는 위 정의를 쓰고, 이어서 하중 종류를 나열하면 답안의 뼈대가 완성된다.

핵심 키워드

• 거푸집
• 동바리
• 고정하중
• 작업하중
• 충격하중
• 콘크리트 측압
• 타설속도
• 긴결재

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 거푸집은 굳지 않은 콘크리트를 원하는 모양으로 잡아 두는 틀이다. 동바리는 그 틀과 콘크리트의 무게를 바닥까지 받쳐 내려 보내는 기둥과 보다. 설계하중은 이 두 부재가 버텨야 할 힘을 미리 계산해 정한 값이다.

정식으로는 거푸집·동바리 설계하중을 콘크리트 타설 전, 중, 후에 거푸집널, 장선, 멍에, 동바리가 받는 하중을 종류별로 구분하고 조합하여 정한 설계용 하중이라고 정의한다. 일반 거푸집과 특수 거푸집은 하중의 종류와 크기가 달라지므로 각각 따로 산정한다.

핵심 용어는 다음과 같다.

• 고정하중: 굳지 않은 콘크리트의 자중이다. 콘크리트 단위중량은 문제 조건에 따라 적용한다. 이번 문제 조건에서는 거푸집 중량을 무시한다.
• 작업하중: 작업자, 장비, 자재, 타설 기구의 하중이다. 문제 조건에서는 1.5 kN/m2 를 적용한다.
• 충격하중: 콘크리트를 붓거나 진동기를 쓸 때 생기는 동적 영향이다. 문제 조건에 따라 산정한다.
• 콘크리트 측압: 굳지 않은 콘크리트가 거푸집 옆면에 가하는 수평 압력이다. 측압은 거푸집널과 긴결재가 함께 버텨야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

거푸집 사고는 설계하중을 낮게 잡았거나 거푸집을 너무 일찍 제거할 때 발생한다. 외국 자료에서도 굳지 않은 콘크리트 무게를 감당하도록 설계하지 않은 거푸집이 붕괴하거나 변형되어 콘크리트가 새는 사고가 기록되어 있다. 이런 사고를 막으려면 하중 종류를 미리 나누어 계산하는 체계가 필요하다.

굳지 않은 콘크리트는 타설 초기에 거의 액체처럼 거푸집 전체에 압력을 준다. 시간이 지나 굳으면 측압은 점차 줄어든다. 따라서 설계는 측압이 가장 큰 초기 타설 단계를 기준으로 잡는다.

콘크리트 측압은 타설 속도와 온도에 따라 달라진다. 타설 속도가 빠르면 측압이 커지고, 기온이 낮으면 경화가 늦어 높은 측압이 오래 남을 수 있다. 저온에서는 수화 반응이 느려 강도 발현도 늦어진다.

거푸집 부재는 막음널과 이를 지지하는 버팀보, 띠장, 긴결재로 구성된다. 긴결재는 마주 보는 거푸집 간격을 유지하면서 측압을 최종적으로 지지하는 인장 부재다. 긴결재와 동바리가 설계하중을 나누어 받으므로 두 부재의 하중 흐름을 함께 보아야 한다.

동바리는 시스템 동바리처럼 수직재, 수평재, 가새를 공장에서 미리 만들어 현장에서 조립하는 형식이 쓰이기도 한다. 국내에서는 KS F 8021 또는 KS F 8022에 적합해야 한다는 기준이 있다. 설계하중 체계가 있어야 부재 선택이 근거를 가지며, 과다 설계에 따른 공사비 증가와 과소 설계에 따른 붕괴 위험을 함께 줄일 수 있다.

4. 구성요소·원리·절차

거푸집 설계하중은 콘크리트 자중, 측압, 작업하중, 충격하중으로 나뉜다. 구성요소는 거푸집판, 장선, 멍에, 동바리(서포트)이며 각 부재가 하중을 아래 방향으로 차례로 전달한다. 하중은 거푸집판 → 장선 → 멍에 → 동바리 → 지반 순서로 흐른다.

표 설명: 거푸집판과 장선은 하중을 받는 1차 부재이고, 멍에와 동바리는 하중을 모아 내리는 2차 부재다. 긴결재는 측압을 거푸집 양면이 서로 받게 하는 인장 부재다.

원리는 다음과 같다. 굳지 않은 콘크리트는 액체와 같아 깊이에 따라 측압이 커지고, 거푸집은 이 압력을 휨과 축력으로 버텨야 한다. 따라서 판의 휨 강도와 처짐, 동바리의 압축 좌굴을 함께 검토한다.

절차는 다음과 같다.

• 설계 조건 정리: 콘크리트 단위중량, 타설 속도, 온도, 부재 치수를 정한다.
• 하중 산정: 고정하중(자중), 측압, 충격하중, 작업하중을 구한다.
• 부재별 구조 모델 설정: 합판은 연속보, 장선은 단순보나 연속보, 멍에는 동바리 위 지점 보로 가정한다.
• 응력·처짐 검토: 허용응력과 허용처짐(3.0mm 이하)을 만족하는지 확인한다.
• 동바리 좌굴 검토: 세장비와 허용압축응력으로 축력을 검토한다.
• 결과 반영: 간격을 조정하거나 부재 치수를 바꾸고 다시 검토한다.

계산 원리 식은 다음과 같다.

$\sigma = \frac{M}{Z} \le f_{a}$

\sigma: 휨응력(MPa), M: 휨모멘트(N·mm), Z: 단면계수(mm³), f_{a}: 허용휨응력(MPa).

$\delta = \frac{5wL^4}{384EI} \le \delta_{a}$

\delta: 처짐(mm), w: 등분포하중(N/mm), L: 지간(mm), E: 탄성계수(MPa), I: 단면2차모멘트(mm⁴), \delta_{a}: 허용처짐(mm).

동바리의 압축 검토는 세장비 \lambda = \ell/r와 허용압축응력 f_{ca}로 한다. 세장비가 커지면 허용압축응력이 작아지므로 동바리 간격과 높이를 줄이는 것이 효과적이다.

거푸집 설계는 측압·작업하중·충격하중을 판→장선→멍에→동바리 순으로 전달시켜 검토하는 것이다

5. 관련 법령·기준·표준

거푸집과 동바리는 산업안전보건기준에 관한 규칙(산업안전보건기준에 관한 규칙, 「산업안전보건법」 하위 규칙)에서 설치·해체 안전 기준을 둔다. 설계 수치는 콘크리트구조 설계기준과 건설공사 표준시방서, 강재의 허용응력은 강구조 설계기준을 따른다.

표 설명: 문항에서 주어진 값은 계산의 기준이므로 그대로 쓴다. 제시식의 단위는 MPa 기준이며 \ell, b, r의 단위는 mm로 통일한다.

실무에서는 거푸집 설치 시 콘크리트 측압 산정식(예: 타설 속도와 온도에 따른 측압)을 별도로 적용한다. 구체적 식은 해당 설계기준 원문을 따른다.

6. 유형과 비교

거푸집과 동바리는 설치 위치와 지지 대상에 따라 여러 유형으로 나뉜다. 유형을 구분해 두면 설계하중을 어느 부재에 어떻게 전달하는지 답안에 체계적으로 쓸 수 있다. 아래 표는 일반 거푸집과 특수 거푸집의 설계 관점 차이를 정리한 것이다.