현장에서 암거 등의 상부 슬래브 타설을 위하여 가장 많이 사용되는 가시설은 시스템 동바리일 것이다. 영구구조물과 비교하면 현장 가시설은 대형 엔지니어링사보다는 규모가 작은 업체에서 주로 검토하는데 기존 구조계산서를 반복 사용하는 과정에서 최신 설계기준을 반영하지 못해 이는 시스템 동바리의 붕괴사고로 이어질 수 있는 원인의 단초를 제공할 수 있다.
필자는 많은 시스템 동바리 구조계산서 및 도면을 제출받아 검토하면서 어떠한 설계상의 문제점이 반복되는지 정리하고 최신 설계기준에서 언급한 3차원 구조해석의 적용과 계산 예를 제시하여 실무에서 어떻게 적용해야 하는지 서술해 보고자 한다.
구조계산서 검토 과정에서 많은 업체가 기존에 스프레드시트로 작성된 구조계산서에 하중, 동바리 간격, 대각재 개수 등 입력 값만 변경하여 제출하면서 발생되는 반복적으로 발생되는 문제점을 몇가지 아이템으로 정리해 보았다.
① 최신설계기준 미적용
가장 큰 문제점은 최신 설계기준을 적용하지 않는다는 것에 있다.
필자가 글을 쓰는 시점으로 최신 설계기준은 KDS 21 50 00 : 2022(거푸집 및 동바리 설계기준, 국토교통부)이다. 기준이 계속 변경됨에 따라 다양한 버전의 구조계산서가 제각각으로 통용되고 있다. 최신 설계기준을 항상 참조하여 작성하여야 할 것이다.
② 단위계 일원화
예전 구조계산서를 그대로 사용하다보니 아직도 CGS단위를 쓰고 있다는 것이다. 구조기준에 SI단위계로 통일하여 사용한지는 오래되었으므로 구조계산서에서도 SI단위계를 사용하여 기준과 구조계산서상 혼돈이 없어야 할 것이다.
③ 허용응력의 오류
허용응력도 예전 설계기준으로 잘못 적용할 때가 있고 특히 합판거푸집은 허용응력이 하향조정된 만큼 최신기준으로 적용해야 할 것이다.
④ 재사용강재의 추가안전율 고려 삭제
재사용품 자재도 신재의 기준에 적합한 자재를 사용하도록 KCS 20 10 00 가설공사 일반사항에 언급되었으므로 이미 재사용품이 신재 기준에 맞는 상황에서 재사용강재 성능저하를 고려한 추가안전율 1.3 적용은 두 기준이 상충되는 사항으로 판단하여 삭제되었으므로 허용응력 산정시 줄여서 적용할 필요가 없는 부분이다.
⑤ 전동식 카트 장비 작업하중 삭제
작업하중 적용시 전동식 카트 장비를 고려한 작업하중(3.75 kN/㎡)은 사용이 전무하다는 이유로 삭제되었는데 작업하중 산정시 계속 적용되고 있다. 설계기준에 맞게 콘크리트 타설두께당 작업하중을 적용하여야 한다.
⑥ 수평하중의 누락
마지막으로 슬래브가 종방향, 횡방향 경사각이 클 경우가 있는데 이때의 경사에 대한 수평하중을 고려하지 않고 기본 수평하중만 고려하고 있다. 경사가 클 경우 수평하중에 저항하여야 할 대각재가 더 많이 필요할 수 있으므로 수평하중 산정시 반드시 경사에 대한 영향을 고려해서 산정해야 한다.
최신 설계기준 KDS 21 50 00 : 2022(거푸집 및 동바리 설계기준, 국토교통부)을 살펴보면서 제일 눈에 띄는 “5.0m 미만인 동바리의 경우에 2차원 또는 3차원 구조해석을 생략할 수 있다”는 문구가 생략되었다는 것이다.
기존 기준은 5.0m 이상의 동바리의 경우는 MIDAS와 같은 구조해석 프로그램을 사용하여 3차원 해석을 하고 5.0m 미만은 구조해석을 생략할 수 있다는 것이었다. 하지만, 5.0m 미만의 동바리라도 구조계산을 생략할 수 있는 명확한 근거가 없으므로 해당 단서 조항을 삭제하였다고 설계기준 신구대조표에서 설명하고 있다.
최신 설계기준의 정확한 문구는 “일반적으로 동바리는 ~ (중략) 구조물의 형상, 평면선형 및 종단선형의 변화가 심하고 편재하의 영향을 고려할 경우는 반드시 3차원 해석을 수행하여 안전성을 검증하여야 하며, (이하 생략)”이다.
이에 앞으로 동바리를 설계할 때는 구조해석이 필요하다고 판단되는 경우 높이에 상관없이 3차원 해석을 수행하여야 하며, 검토하는 사람도 3차원 해석이 필요한 경우 추가 검토를 요구할 수 있어야 할 것이다.
KDS 21 50 00 : 2022(거푸집 및 동바리 설계기준, 국토교통부)의 3.2 동바리설계 3.2.1 일반사항의 (1)과 (3)에서 동바리 수직재 검토 방법을 제시하고 있다.
먼저 (1)을 보면 동바리의 설계는 KDS 14 30 00에 따른다고 되어있고 이는 KDS 14 30 05 : 2019(강구조 설계 일반사항(허용응력설계법))과 KDS 14 30 10 : 2019(강구조 부재 설계기준(허용응력설계법)에 따라 설계한다.
또한 (3)항은 수직재의 압축성능을 안전율로 나눈 허용압축력에 근거하여 허용압축응력을 적용하여 안전성을 검토할 수 있게 되어있다.
아래와 같은 계산으로 두 가지 방법에 대해 허용압축력을 비교 검토해 보았다.
i. KDS 14 30 00에 근거한 계산
허용압축하중1 (적용근거 : KDS 14 30 10 : 2019)
허용압축하중
ii. 수직재의 압축성능에 의한 허용압축력
수직재의 압축성능(KDS 21 50 00 : 2022, 표 2.6-2)
안전율 (KDS 21 50 00 : 2022, 표 1.8-1)
허용압축하중
i) 과 ii)의 결과값을 비교하면 ii)의 방법이 간단하고 허용응력값이 i)에 비해 대략 58%의 수준으로 상당히 보수적임을 알 수 있다. 따라서 간단하게 계산해야 할 때 ii)의 방법을 사용하여도 상당히 안전한 결과를 얻을 수 있다고 판단된다.
이상과 같이 시스템 동바리의 반복되는 구조계산서의 문제점과 최신기준에 대해 살펴보았다.
무엇보다도 설계자는 최신기준을 적용하여 동바리를 설계하여 설계하여야 하며, 구조물의 복잡하고 선형이 변화가 심한 경우 등 3차원 해석이 필요하다고 판단되는 경우는 반드시 구조해석 프로그램을 사용하여 검토하여야 한다.
비교적 간단한 구조물의 경우에는 설계기준에서 제시한 방법을 사용하여 간단한 수계산으로 안전성을 검증할 수 있을 것이다.
시스템 동바리 설계할 때 단순 반복되는 작업이라고 간과하지 않고 조금 더 세심하게 조건들은 검토하여 설계하면 동바리 붕괴사고를 방지할 밑거름이 될 수 있을 것이다.
KDS 21 50 00 : 2022 (거푸집 및 동바리 설계기준, 국토교통부)
KDS 21 50 00 : 2022 (거푸집 및 동바리 설계기준 신구대비표, 국토교통부)
KDS 21 50 00 : 2018 (거푸집 및 동바리 설계기준 신구대비표, 국토교통부)
KDS 14 30 10 : 2019 (강구조 부재 설계기준(허용응력설계법), 국토교통부)
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