거푸집, 동바리의 설계와 시공 1

거푸집, 동바리의 설계와 시공

거푸집과 동바리는 콘크리트를 친 후에 굳을 때까지의 가설구조물로서 콘크리트 공사에 차지하는 공사비의 비율도 크고, 완성된 구조물의 외관을 크게 지배할 뿐만 아니라 동바리의 붕괴등의 큰 사고를 유발하기 때문에 세심한 계획, 설계 및 시공이 필요하다.

완성된 콘크리트 구조물의 위치, 칫수가 정확하게 확보되고, 품질이 좋은 콘크리트를 얻기 위하여는 거푸집과 동바리를 계획단계부터 공법사용 재료, 轉用등을 충분히 검토하고 입지조건 하중 조건 등을 고려한 설계와 시공이 되어야 한다.

다음에 거푸집과 동바리로 나누어서 계획, 설계의 순서 및 실제의 시공예를 기술하기로 한다.

Ⅰ. 거푸집의 설계와 시공

1. 거푸집의 계획

거푸집의 계획은 공정, 작업의 안전성, 경제성, 완성된 구조물에서 요구하는 모든 조건 등을 충분히 검토하여 입안하여야 한다.

계획에 있어서 검토하여야 할 중요한 사항은 다음과 같다.

(1) 구조물의 시공구분, 시공순서의 결정

구조물의 중요도, 설계상의 제약조건, 입지조건, 공정, 콘크리트의 공급능력 및 치는 설비의 능력 등을 검토하고 시공구분, 시공순서를 결정한다.

(2) 거푸집 공법의 선정

일반적으로 구조물에 사용되는 일반 공법 이외에, Sliding-Form공법, 단계치기 공법, Traveling Form공법 등을 여러 가지로 비교 검토하여 최적공법을 선정해야 한다.

(3) 사용재료의 선정

구조물에 요구되는 마무리조건, 기상조건, 양생조건, 작업성, 轉用회수 등을 검토하고 사용재료를 선정한다.

(4) 거푸집의 세부계획

단위거푸집의 크기, 제작장소, 안전성 및 작업성으 고려한 조립해체의 방법 등을 세부에 걸쳐서 입안한다.

(5) 거푸집의 轉用計劃

전용계획은 공사비를 절감하는 무엇보다도 중요한 요소이다 따라서 공정, 구조물의 형상, 해체시기, 전용하는 경우의 작업성 등을 충분히 검토하고 전용계획을 수립한다.

2. 거푸집의 설계

(1) 거푸집에 작용하는 하중

거푸집에 작용하는 하중에는 연직방향 하중과 굳지 않은 콘크리트의 측압이 있다. 거푸집은 이들 하중에 대하여 충분히 안전하고 경제적일 뿐만 아니라, 변형에 대하여도 충분한 剛性을 가져야 한다. 거푸집에 작용하는 하중은 현장의 상황에 따라 종종 다르고 예측하기 어려운 경우도 많으나 일반적으로는 거푸집 설계용 하중을 다음과 같이 가정한다.

① 연직하중(슬래브, 보 등의 밑바닥 거푸집에 대하여)

연직방향 하중으로서는 거푸집, 콘크리트 자중에 의한 死荷重, 콘크리트 타설시의 작업하주, 시공시기 등에 의한 動荷重이 있다.

동하중은 계산의 편의상 등분포 하중으로 치환하여 생각하며, 콘크리트 표준시방서 해설(대한토목학회 1969년)에 의하면 250㎏/㎠이상으로 되어 있다.

② 콘크리트의 側壓

연직 거푸집면에 작용하는 콘크리트의 측압은 콘크리트의 콘시스턴시, 쳐오르기 속도에 의하여 큰 영향을 받는 것을 당연하지만 응결의 진행의 늦은 경우(온도가 낮을 때나 응결 지연제를 사용하였을 때 등)나 진동기로서 콘크리트에 진동을 주어 다지는 경우에도 측압은 영향을 받는다.

측압의 크기는 이와 같이 여러 요인에 의하여 영향을 받기 때문에 이것을 定量的으로 정의하기는 어려우며, 여기에서는 현재 제안되어 있는 실험식 가운데 콘크리트 표준 시방서 해설의 제안식과 토목설계편람의 수평압력식을 기술하기로 한다.

콘크리트 표준 시방서 해설의 제안식 : 대한토목학회 1969년판 콘크리트 표준 시방서 해설에는 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하고, 단위 중량 2.4t/㎡, 슬럼프 10㎝ 이하의 콘크리트를 내부 진동기로 처넣는 경우의 산정식이 있다. 다음에 그 산정식과 콘크리트의 쳐오르기 속도와 측압의 관계를 나타내면 그림과 같다.

기둥의 경우

여기에서,

P : 측압(t/㎡)

R : 쳐오르기 속도 (m/hr)

T : 거푸집 안의 콘크리트의 온도 (℃)

H : 현안 지점으로부터 아직 굳지 않은 콘크리트의 높이 (m)

또한 거푸집 진동기를 사용하는 경우, 질은 콘크리트의 응결 지연제를 쓰는 경우에는 이 식의 측압 P의 값을 적당히 할증할 필요가 있다.

토목설계편람의 수평압력의 식:

위 식에서는 작업은 보통 흘려 넣어 다지는 것으로 가정하여 진동기를 사용하지 않을 때이고, 진동기를 사용하는 경우에는 그 정도에 따라 수평압력을 50%~100% 증가시켜 생각할 필요가 있다.

③ 측압의 분포

측압분포의 추정은 최대측압의 추정과 같이 곤란하지만, 여기에서는 하나의 방법으로서 ACI(미국콘크리트위원회)의 방법에 대하여 설명하기로 한다.

이 방법은 측압의 최대치 P를 구하고 (전술한 식으로부터), 동 P를 콘크리트의 단위중량 (r)으로서 나누어 유효 Head(h₀)을 구하는 방법이다. ACI에 의한 측압분포도는 그림과 같다.

 

ACI의 측압분포

(2) 거푸집의 재료와 허용응력도

① 널판에 대하여

널판은 콘크리트 구조물의 정도 혹은 외관에 큰 영향을 주기 때문에 재료의 선정에는 이러한 점들도 고려하여 결정해야 한다.

널판의 재료로서는 종래 목재를 사용하는 것이 많았었지만, 최근에는 銅製 및 합판이 그 耐久性이나 취급의 편리함에 따라 널리 사용하게 되었다.

더욱이 경량이어야 하기 때문에 경합금제나 합성수지제의 거푸집도 사용되는 듯 하지만 가격이 비싸기 때문에 별로 보급되지 않고 있다.

(가) 목제 거푸집

목제 거푸집은 원가가 싸고 경량으로서 가공이 용이하고, 단열성이 우수한 이점이 있으나, 내구성에서 전용을 많이 할 수 없고, 경우에 따라 거푸집 재료비로서 강제나 합판보다 비싼 것도 있다.

사용되고 있는 목재로는 삼나무와 소나무가 대부분이며 보통은 소나무를 사용하는 경우가 많다. 이것은 소나무의 가격이 싸기 때문이며 건조에 대한 비틀림이 적은 점에는 삼나무가 우수하다.

각종 목재의 허용응력도와 변형이 중요시되는 부재의 변형계산에 사용되는 탄성계수의 값을 예로 들면 <표1>과 같다.

(나) 鋼製 거푸집

강제 거푸집은 마무리 칫수가 정확하고, 조립해체가 용이하여 전용회수가 많고, 현장 관리도 하기 쉬우나 취급이 나쁘면 변형하던가, 거푸집 표면의 청소가 불충분할 경우, 또는 거푸집 사용기간이 오래될 때에는 콘크리트 면에 녹이 묻기도 한다. 또 한중 콘크리트에는 단열성이 나쁘고 양생비가 목재보다 많이 드는 결점점이 있다.

현재 시판되고 있는 강제 거푸집은 300㎜ ×1500㎜의 것이 표준치로서, 표준 칫수의 강제거푸집에 대하여 행한 하중시험의 결과로부터 산출된 겉보기의 단면계수 및 휨감성은 Z= 6.5㎥, EI = 5.9 ×10^-7㎏/㎠이다.

<표1> 목재의 허용응력도
 

인장록의 항복점 응력도는 약 3000㎏/㎠이지만, 응력 검토용으로서 안전율 1.25로 하여 σsa=2400㎏/㎠를 생각하면 좋다. 따라서 표준 강제거푸집의 저항휨 Moment는 Mmax = 2400 ×6.5 = 15600㎏ㆍ㎝로 바터재의 간격에 따른 최대 허용 하중은 위 표와 같다.

<표2> 鋼製 거푸집의 耐力
 

(다) 합판 거푸집

합판 거푸집은 목재 거푸집과 같이 가공이 우수하고, 합판 제작이 용이하여 어느 정도 목재가 및 강재 거푸집에 비교하여 경량이므로 대형거푸집 제작이 용이한 이점 등이 있다.

현재 합판에 대한 허용응력도의 규정은 없으나, 실험 결과로부터 판단하여 목재의 허용응력도를 적용하여도 좋을 것으로 생각된다. 또 탄성계수에 대하여는 합판의 구성법에 따라 현저하게 변화하지만 5ply(5층) 이상의 경우는 표판의 섬유방향의 탄성계수 (E₁₁)를 65,000㎏/㎠정도로, 또 이것과 직각 방향의 탄성계수 (E₁)를 50,000㎏/㎠ 정도로 보아도 지장이 없다.

또 밤나무합판 또는 나왕합판의 경우 대체로 E₁₁+E₁ = 115,000㎏/㎠로 보면 안전하다. 따라서 그 구성법에 의하여 E₁ 이 크게 되면 그만큼 E₁₁이 적게 된다고 생각하면 좋다.

② 바터재에 대하여

널판의 보강 및 연결에는 바터재를 사용한다.

바터재로서 보통 사용되고 있는 것은 목재, 강재(경량형강, 파이프 후렉시블 빔등) 가 있다.

목재 바터의 허용응력도는 널판의 경우를 참조하면 된다. 강제 바터는 강도가 강하고, 전용회수도 많기 때문에 경제적이고 어느 재질에도 사용할 수 있는 이점이 있다. 또 후렉시블 빔은 곡면 구조물에 자유롭게 적용된다. 일반적으로 사용되고 있는 경량형강 및 파이프의 단면성능은 <표3>에, 후렉시블 빔의 단면성은 <표4>에, 조립도는 아래와 같다. 또 경량 형강 및 파이프는 허용응력도 2100㎏/㎠을 취하면 된다.

<표 3> 각종 鋼製 바터材의 단면성능
 

<표4> 후렉시블 빔의 성능표
 

후렉시블 빔의 조립도
 

③ Form Tie에 대하여

Form Tie는 보, 벽, 기둥 등의 측면 거푸집의 상호 간격을 유지하면서 콘크리트의 측압에 저항하기 위하여 사용되고 있다.

Form Tie로서는 燒鐵線을 사용하는 경우도 있으나, 특히 鋼製 거푸집에는 면판의 貴通個所에서 잘리는 등 결점이 많기 때문에 일반적으로 Form Tie로서는 시판되는 것을 사용하는 것이 좋다. Form Tie의 예는 그림과 같다.

휨-타이

(A)는 볼트를 비닐관의 가운데를 통하여 콘크리트가 굳은 후에 볼트를 빼어 회수하고 비닐관을 매몰시키는 것이고, (B)는 볼트를 목제 또는 플라스틱제의 콘(Cone)을 넣어 3부분으로 나누어 중간부의 볼트(세퍼레이터)는 콘크리트에 매몰시키고, 콘을 회수가호거 구멍을 메우는 형식이다.

Form Tie의 허용 응력도는 2100㎏/㎠을 취하면 충분히 안전하다.
 

설계예에 적용된 단면
 

(3) 거푸집의 설계 예

위 그림 같은 단면의 거푸집을 설계하여 보기로 한다.

① 설계조건

콘크리트의 단위중량 : 2.4t/㎥

작업하중 : 250㎏/㎡

콘크리트 쳐오르기 속도 : 1.5m/hr

거푸집안의 콘크리트 온도 : 20℃

허용응력도
 

② 측면 거푸집의 검토

--그림-- 

(가) 널판 (21㎜ 두께)

띠장 (핏치 30㎝)으로서 지지되는 연속보로 간주하여 해석한다.

(나) 띠장 (a=5㎝, h=10㎝)

縱바토(][ - 100 ×50 ×20 × 3.2핏치 60㎝)로서 지지되는 연속보로 간주한다.

(다) 縱 바터 (][ - 100 ×50 ×20 ×3.2)
Form Tie(φ13, 90㎝ 핏치)를 지점으로 한 단순보로 간주한다.

(라) Form Tie (φ13 棒鋼)
 

③ 내민 슬래브 거푸집

--그림--

(가) 널판 (21㎜두께)

띠장 (핏치 40㎝)으로서 지지된 연속보로 간주한다)

(나) 띠장 (b=5㎝, h=7.5㎝)

縱 바터(핏치 60㎝)로서 支持되는 연속보로 간주한다.

(다) 縱바터 (b=10㎝, h=15㎝)

바디틀 (핏치 60㎝)로 支持되는 단순보로 간주한다.

④ 윗 슬래브 거푸집

--그림--

(가) 널판 (24㎜ 두께)

띠장 (핏치 50㎝)으로 지지되는 연속보로 간주한다.

(나) 띠장 (b=5㎝, h=25㎝)

파이프 지지의 연속보로 간주한다.

⑤ 底板 거푸집

--그림--

(가) 널판(24㎜ 두께)

※가-더(Girder) 부분

縱 바터 (핏치 30㎝)로 지지되는 연속보로 간주한다.

※ 底板부분

가-더 부분과 같이 縱 바터로 지지되는 연속보로 간주한다.

(나) 縱 바터 (b= 10㎝, h= 10㎝)

받침 보(핏치 70㎝)로 지지되는 연속보로 간주한다.

3. 거푸집의 시공예

(1) 목재 거푸집의 시공예

이 교량은 디비닥 공법으로 기공된 경간 30m의 단순 가-더 복수 가-더 橋이다.본 공사에서 사용된 거푸집은 미관상 모두 목제 거푸집으로 되어 있다. 콘크리트 치기는 그림에 나타낸 바와 같이 제 1 회는 가-더부와 밑판, 제 2 회는 슬래브로서 2회로 나누어진다.

木製 거푸집의 시공예

(2) 銅製 거푸집의 시공예

--그림--

이 공사는 용량 58000㎘의 반 지하식 LNG 저장용 탱크를 대형 오픈 케이스 공법에 의하여 건설한 것이다. 측벽부의 거푸집은 그림에 나타낸 바와 같이 동제 거푸집을 널판으로 사용하고 Lift 4 m의 대형틀에 의하여 시공하였다.

또 최대 측압 P = 2.34t/㎡ 였다.