가시설 허용응력 할증계수

왜 배우는가: 가설 흙막이는 공사 기간 동안만 쓰이지만 굴착 단계마다 하중이 바뀌므로, 영구 구조물과 같은 허용응력을 그대로 적용하면 과설계가 되고 짧은 기간의 특수 조건을 놓치면 안전 문제가 된다. 허용응력 할증계수는 이 두 방향을 조정하는 기준이라 실무 설계와 시험에서 반복해 묻는다.

출제 이력: 제132회 4교시 6번, 제125회 1교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

가시설 허용응력 할증계수는 가설 흙막이 부재의 허용응력을 적용 기간·하중·자재 조건에 따라 보정하는 계수다.

핵심 키워드

• 허용응력 할증계수
• 가설구조물
• 기본 허용응력
• 단기 적용
• 재사용 자재
• 온도하중
• KDS 21 30 00
• 허용응력 설계

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 가설 흙막이는 공사 중에만 쓰고 철거하는 구조물이다. 영구 구조물과 같은 안전율을 매번 적용하면 자재와 공사비가 과도해진다. 반대로 짧은 기간만 버티면 되는 경우에는 허용응력을 조금 높여 쓸 수 있다. 이 보정을 할증이라고 부른다.

정식으로는 허용응력 설계에서 가설구조물의 사용 기간, 하중 조합, 자재 상태에 따라 기본 허용응력에 곱하는 계수를 허용응력 할증계수라 한다. 적용 식은 허용응력 = 할증계수 × 기본 허용응력이다. 설계 응력이 보정된 허용응력 이하이면 부재가 안전하다고 본다.

허용응력 설계는 사용하중 상태에서 부재 응력이 허용응력을 넘지 않도록 하는 방법이다. 한계상태설계법처럼 하중계수와 저항계수를 따로 쓰지 않고, 재료 허용값 하나로 안전 여유를 정한다. 그래서 할증계수는 허용값 자체를 조정하는 수단이 된다.

할증은 항상 증가만 뜻하지 않는다. 단기 적용처럼 기간이 짧아 장기 누적 영향이 작다고 보는 경우에는 할증을 허용한다. 반면 재사용 자재처럼 성능이 떨어졌을 가능성이 있으면 할증 대신 감소 또는 안전율 증가를 적용한다. 할증 방향과 감소 방향을 함께 이해해야 답안이 완성된다.

온도하중은 일시적으로 작용하는 하중이다. 버팀보에 온도 변화로 생기는 축력이 더해지면 조합 응력이 커지므로, 이 일시 하중을 조합에 넣을지와 할증을 얼마나 줄지를 함께 판단한다. 이런 판단 과정이 할증계수 적용사유의 핵심이다.

3. 등장 배경과 필요성

가설 흙막이는 굴착 단계마다 하중이 바뀐다. 버팀보와 띠장은 온도 변화와 시공 오차를 받으며, 구조물 수명이 짧다. 이 조건에서 설계기준을 영구 구조물과 같게 두면 과설계가 되어 공사비가 늘어난다. 반대로 짧은 기간에도 허용응력을 그대로 두면 자원을 낭비한다. 그래서 적용 조건별 할증 규정이 필요해졌다.

가설 자재는 여러 현장을 옮겨 다니며 쓰는 경우가 많다. 재사용 자재는 피로, 부식, 변형 이력이 있어 신재와 같은 강도를 기대하기 어렵다. 재사용 가설 자재의 허용압축응력은 성능저하를 고려한 안전율로 나눈 값을 쓴다. 따라서 할증은 자재 상태와 함께 판단해야 한다. 설계자가 이 조건을 빠뜨리면 붕괴나 과대 변형으로 이어질 수 있다.

필요성은 세 가지로 정리된다. 첫째, 사용 기간에 따라 허용응력을 합리적으로 정한다. 둘째, 온도하중 같은 일시 하중을 조합에 반영한다. 셋째, 재사용 자재의 성능 저하를 안전 측으로 보정한다. 이 세 가지가 맞물려야 가설 설계의 안전과 경제성을 함께 얻는다.

국내에서는 가설흙막이 설계기준(KDS 21 30 00)이 이 규정을 담는다. 가설공사 일반사항은 KCS 21 10 00 에서 자재와 가설 부재의 기본 조건을 정한다. 두 기준을 함께 확인해야 할증 적용사유를 빠짐없이 설명할 수 있다.

설계 실무에서는 적용 기간과 자재 상태를 먼저 확인하는 순서가 필요하다. 그 다음 하중 조합을 만들고, 마지막에 할증 또는 감소 계수를 정한다. 이 순서를 답안에서 보이면 채점자가 근거를 따라갈 수 있다.

4. 구성요소·원리·절차

가설 흙막이의 허용응력 할증계수는 기본 허용응력에 곱해 설계 허용응력을 정하는 계수다. 적용 여부는 존치기간, 자재 상태, 하중 조합으로 결정한다. 구성요소는 다음과 같다.

하중 지속성과 자재 상태는 서로 반대 방향으로 작용한다. 두 조건이 함께 있으면 각 계수를 임의로 곱하지 말고, 설계기준이 정한 조합 규정을 먼저 확인한다.

원리: 존치기간이 짧은 가설재는 영구구조물보다 낮은 안전율로 쓸 수 있어 허용응력을 높인다. 재사용 자재는 손상, 부식, 피로 이력이 있어 허용응력을 낮춘다. 두 효과를 한 식에 섞으면 근거가 흐려지므로 사유별로 계수를 나눠 적용한다.

$\sigma_a' = \alpha \sigma_a$

여기서 \sigma_a'은 보정 허용응력(MPa), \sigma_a은 기본 허용응력(MPa), \alpha은 할증 또는 감소계수(무차원)다. 재사용 가설재의 허용압축응력은 성능저하를 고려한 안전율로 나눈 값을 쓴다(KCS 21 10 00 기준 인용, 확인 필요).

절차

• 공사 기간과 가설재의 신품·재사용 여부를 확인한다.
• 기본 하중조합을 구성한다.
• 온도·풍·지진 등 일시 하중을 조합에 추가한다.
• 자재 상태에 따라 할증 또는 감소계수를 정한다.
• 보정 허용응력으로 부재와 접합부 강도를 검토한다.
• 접합 볼트 수는 소요 전단력을 볼트 1개당 허용강도로 나눠 정하고, 소수점 이하는 올린다.

볼트 수 산정식은 다음과 같다.

$n = \lceil V / P_a \rceil$

V은 접합부 소요 전단력(kN), P_a은 볼트 1개당 허용 전단강도(kN), n은 볼트 개수다. 온도하중은 설계기준에 따른 하중조합으로 반영하고, 경사버팀보 축력과 띠장 방향 분력은 해당 조합 및 구조 해석에 따라 산정한다. 재사용 자재는 할증을 적용하지 않고 감소계수를 먼저 반영한다.

5. 관련 법령·기준·표준

가설흙막이 설계는 KDS 21 30 00(가설흙막이 설계기준)을 따른다. 가설 구조물의 자재 사용과 재료 허용응력은 KCS 21 10 00(가설공사 일반사항)과 연결된다. 아래 표는 본 절에서 확인된 값과 확인이 필요한 값을 구분해 모았다.

표의 첫 두 행은 적용 사유와 방향을 정하는 근거다. 볼트 1개당 허용 전단강도는 접합면 수와 마찰 조건에 따라 달라지므로 설계기준 값으로 바꿔 넣는다. 필요 볼트 수는 접합부 소요

6. 유형과 비교

가시설 허용응력 할증계수는 적용 사유에 따라 여러 유형으로 나뉜다. 사유별 적용 조건과 할증 방식이 서로 다르므로 표로 정리해 구분한다. 할증은 허용응력을 높여 쓰는 것이므로 임시 구조물의 짧은 존치기간과 재사용 자재 여부를 함께 따져야 한다.