Proposal of Construction System to prevent Dongbari Collapse by applying IT Convergence Technology

IT 융합기술을 적용한 동바리 붕괴사고 방지를 위한 건설공사 시스템 제안

Abstract

Safety accidents, called industrial accidents in construction work, are causing a lot of casualties, property damage and social controversy in the event of an accident, causing the construction to lose public confidence. The risk of safety accidents at construction sites may continue to increase as the construction of high-rise, large-scale, and multi-purpose complex buildings has increased in recent years. In particular, the most frequently constructed apartment construction among reinforced concrete buildings is designed and constructed with a wall-like structure with no beams for each floor, while the lower floors are made of lamen with columns and beams. As a result, the transfer beam or transfer slab to withstand the upper load is installed on the upper part of the Ramen structure, so the system Dongbari, which is installed as a temporary material during concrete laying construction, may collapse at any time during plowing and curing. The purpose of this study is to apply IT convergence technology to prevent the collapse of the system Dongbari during concrete installation, and to apply many of the variables that may occur during construction on a case-by-case basis to check the stability of the system Dongbari and to propose a model of the anti-conducting prediction system.

건설공사에 있어 산업재해라고 불리는 안전사고는 사고 발생시에는 많은 인명 피해와 재산상의 피해, 사회적으로도 큰 물의를 일으키고 있어 건설공사의 공신력 저하의 원인이 되고 있다. 최근 들어 초고층, 대심도, 다양한 용도의 복합건축물이 시공이 많아짐에 따라 건설현장의 안전사고의 위험은 계속 증가 될 수 있다. 특히, 철근콘크리트 건축물중 가장 많이 시공되는 아파트 공사는 세대구성 부분은 층별로 보가 없는 벽식 구조로 설계와 시공이 되고 저층부에서는 기둥과 보가 있는 라멘 구조로 되어 있다. 그에 따라 상부 하중을 견디기 위한 전이보 또는 전이 스라브가 라멘구조 상부에 설치되므로, 콘크리트 타설 시공시 가설재로 설치되는 시스템 동바리는 타설작업 및 양생시 붕괴 사고가 언제든 발생될 수 있다. 본 연구의 목적은 IT 융합 기술을 적용하여 콘크리트 타설시 시스템 동바리 붕괴가 발생치 않도록 하는 것을 연구 목적으로 하고 있으며, 시공 중 발생 될 수 있는 많은 변수를 각각의 사례별로 적용하여 시스템 동바리 안정성을 확인 하고 전도방지 예측 시스템의 모델을 제안 하고자 한다.

Ⅰ. 서론

1. 연구의 개념 및 근거

산업재해는 근로자가 노동 현장에서 작업 중 일어나는 모든 신체적인 부상, 사망 및 정신적 피해등을 의미한다. 산업재해는 노동 현장에서 근로자가 작업 중 발생할 수 있는 모든 신체적 부상, 사망, 정신적 피해 등을 의미한다. 일반적으로 건설현장에서 안전사고는 근로자의 부상이나 사망을 뜻하는 용어로 사용된다. 특히, 산업안전보건법에서는 1인 이상의 사망자나, 3인 이상의 3개월 이상 요양이 필요한 부상자, 10인 이상의 부상자 또는 직업성 질병이 동시에 발생하는 재해에 대해서는 특별히 관리하고 있다^[1]. 현재의 건설공사는 초고층화, 대도심화, 대규모화되어 갈수록 공정관리와 원가관리가 어렵고 복잡하여 안전관리가 날로 중요시되고 있다. 정부는 안전사고 감소를 위해 여러 가지 대책을 수립하고 중대한 재해가 발생하면 해당 건설사에 상당한 제재를 가하고 있지만, 다단계 하도급으로 이루어진 건설공사 현장에서 공사 관리를 완벽하게 하여 안전사고를 방지하는 것은 매우 어려운 일이다.

표 1. 최근 5년간 건설현장 산업재해 현황

Table 1. Status of industrial accidents over the past five years

최근 5년간 건설업에서 발생한 산재 사고는 해가 갈수록 사망자와 부상자 수가 늘어나는 추세로 건설업 전체의 안전관리 미비로 인해 인적 피해, 재산상의 피해 등 날로 피해가 증가하고 있다. 건설공사 안전사고는 작업을 준비하는 단계부터 작업자가 해당 공정의 작업을 완료할 때까지의 모든 단계에서 발생할 수 있으므로 공사단계별, 공정별 맞춤형 안전관리 중요하다. 하지만 한정된 공사비로 안전사고를 완벽하게 방지하기는 현실적으로 불가능하므로 공사 시작단계부터 공사 완료 단계까지 공정별 위험요소를 철저히 추적 관리해야 한다. 콘크리트 타설 공정은 건설공사의 여러 공정 중에 사망자가 가장 많이 발생하는 공정으로 안전관리가 중요하다.

최근 고층 아파트 건축물은 사용성을 극대화하기 위하여 건축물의 하부구조는 기둥과 보로 구성되는 라멘구조로 구성하고 상부층 주거부분은 보가 없이 기둥이 벽체처럼 길게 구성된 벽식 구조로 구성되어 많이 시공 되고 있다. 상부 벽식 구조의 하중을 하부 라멘구조로 안전하게 전달하기 위해 대용량의 전이보(Transfer Girder)또는 전이 플레이트(Transfer Plate)가 시공되므로 콘크리트 타설시 안전하게 시공할 수 있도록 설치되는 가설부재를 시스템 동바리라고 하며 층고가 높은 부위에 주로 사용되고 있다.

콘크리트 타설시 발생되는 안전사고의 대부분은 이와 같은 시스템 동바리 전도에 의한 사고가 주를 이루고 있다.

그림 1. 트렌스퍼 플레이트 단면

Fig. 1. Transfer plte cross section

이러한 배경 하에 시스템 동바리가 전도되지 않도록 안전하게 작업환경이 되도록 예방하는 시스템을 목적으로 한다.

그림 2. 시스템 동바리 붕괴사고

Fig. 2. System Dongbari Collapse Accident

2. 연구의 구조^[2]

본 연구는 건설공사 시공에 있어 작업자의 안전을 확보하기 위한 전도 방지 시스템 모델에 관한 연구와 제안이며, 범위는 실제 건설현장에서 이루어지는 시스템 동바리 설치 시 관리와 부위별로 콘크리트 타설시 타설량에 따른 동바리 부재의 수평, 수직 변위를 비교하여 전도 발생의 한계점을 확인하는 것으로 범위를 정한다.

1) 시스템 동바리 사고발생 메커니즘을 기반으로 하여 시스템 동바리 설치 문제점을 확인한다.

2) 파악된 문제점을 바탕으로 동바리 설치 시 추가 안전 사항을 제안한다.

3) 시스템 동바리에 단계별로 타설량을 조절하여 동바리 변위에 대한 데이터 흐름을 파악한다.

4) 전단계의 과정을 통해서 현장 적용 가능한 전도방지 모델을 확인하고 추가적인 안전대책을 제안한다.

본 연구의 구도는 그림3 과 같다.

그림 3. 연구의 구도

Fig. 3. Flow chart of research

Ⅱ. 이론적 배경연구

1. 안전사고 모델

모든 안전사고는 사고를 유발하는 원인이 있을 것이라는 가정을 하고, 사고이전 단계로 확인을 하면 사고의 근본적인 원인에 도달한다는 것이 하인리히(Heinrich, 1959)와 버드(Bird, 1992)의 안전사고 메커니즘의 이론이다.

하인리히는 사고의 원인이 개인의 유전적 특성에 있다고 보았으며, 버드의 이론은 하인리히의 이론을 수정하여 안전사고의 근본원인은 관리상 결함에 있다고 이론을 정립하여 안전사고재해의 근본적 원인을 재정립 하였다.

그림 4. 안전사고 모델

Fig. 4. Safety accident mechanism

안전사고는 관리자의 단계별 안전사고 방지 매뉴얼에 의한 확인과 작업 전 작업자에게 작업에 대하여 안전규정 준수교육과 작업 방법에 대한 교육이 중요하며, 무엇보다도 작업자의 당일 작업에 임하는 컨디션을 파악하는 것이 필요하다.

2. 건설현장 안전관리

건설공사는 크게 발주자로부터 공사계약을 맺고 공사에 대한 모든 권한과 책임을 갖고 현장을 관리하는 원도급자와 각 공종별로 원도급자와 계약을 맺고 실제적인 공사를 진행하는 하도급자로 나누어진다. 건설현장의 안전관리는 크게 두 가지로 구분되어 관리가 되며, 하나는 로자의 안전으로 산업안전 보건법에 의한 유해안전관리 계획서에 의해 관리되고 있고, 다른 하나는 사 시설물의 안전으로 건설기술진흥법에 의한 안전관리 계획서로 관리되고 있다. 건설공사의 특성상 실제 현장에서 이루어지는 시설물 공사의 안전 관리는 원도급자 안전관리 보다는 하도급자가 공사중 안전을 주로 관리한다고 할 수 있다. 이러한 관리는 안전사고 발생에 매우 취약하므로 시스템 동바리같이 가설부재는 설계단계에서부터 시공단계까지 단계별로 관리가 되어야 안전사고를 방지 할 수 있다,

Ⅲ. 시스템 동바리 구성요소

1. 시스템 동바리 구성요소

시스템 동바리는 상부에서 내려오는 하중을 지지하는 수직부재(주주)와 상부 U-헤드(상부 스라브판, 장선과 멍에를 설치하기 위한부분) 하부받침대 역할을 하는 잭 베이스, 수평력을 지지하는 수평재와 가새로 이루어져있다.

그림 5. 시스템 동바리 구성부재

Fig. 5. System dongbari component

시스템 동바리는 상부에서 내려오는 하중을 지지하는 수직부재(주주)와 상부 U-헤드(상부 스라브판, 장선과 멍에를 설치하기 위한부분) 하부받침대 역할을 하는 잭 베이스, 수평력을 지지하는 수평재와 가새로 이루어져있다.

2. 시스템 동바리 설치 기준 및 지침

2015년 7월부터 건설 기술진흥법 시행령에 가설 구조물의 구조적 안정성을 확인 의무화가 시행되었다. 그 시점을 기준으로 하여 현재까지도 가설동바리 부분을 포함한 가설 구조물은 설계 시에 구조기술사의 구조 확인을 받아 시공하게 되여 있으나 실제 설계자와 시공자가 가설 구조의 해석 방법에 차이가 있을 수 있어 철저한 확인이 필요하다. 시스템 동바리 설계 시 주요 지적사항은

1) 시스템 동바리 구조 검토시 하중조합에 의한 해석 미실시

2) 구조 검토시 일부 설계하중에 대한 미검토

3) 좌굴 안전성 검토시 좌굴 길이 오류

4) 보 거푸집 및 Form tie에 대한 안전성 미검토

5) 재사용 가설자재 사용시 허용응력 저감 적용 미준수등이 있다.^[4]

설계 시 주의할 부분은 설계하중(수직하중, 활하중, 콘크리트 측압 및 풍하중)의 반영과 하중조합(수직하중과 수평하중 동시 재하)이 미반영 되지 않도록 하여야한다. 또한, 시스템 동바리 시공 시 주요 지적사항은

1) 구조검토 결과에 따른 조립도 이행 미 준수

2) 콘크리트 타설작업 안전수칙 미 준수

3) 시스템 동바리 수직재 연결핀 미 설치

4) 시스템 동바리 최상단 및 최하단 수평 연결재의 설치기준 미 준수

5) 시스템 동바리 일체화를 위한 수평 연결재 설치 시 기준 미 준수등이 있다.

시스템 동바리 전도사고는 사고 발생 시 많은 사망자가 생기 대형사고로 비슷한 사고에 대한 조사 결과 설계와 시공이 기본 사항을 미준수한 것이 사고의 원인으로 지적되고 있다.

Ⅳ. 실험 환경 및 실험방법

1. 실험환경

가. 현장조건

1) 현장명 : 경기도 평택시 고덕 신도시 00 아파트 현장

2) 규모 : 지하1층/지상15층～20층 공동주택 4개동

3) 건축구조형식 : 지하1층 라멘조

지상1～20층 벽식구조

4) 시스템 동바리 설치위치 : 지하층과 지상1층 사이에 트랜스퍼플레이트 설치. (높이 3.2m)

5) 스라브 두께 : 1.2 m

6) 시스템 동바리 1㎡에 작용하는 하중의 크기:

① 콘크리트 1회 타설 높이 400mm로 제한할 때, 하중의 크기: 1.53 ton/㎡

② 콘크리트 1회 타설 높이 800mm로 제한할 때, 하중의 크기: 2.50 ton/㎡

③ 콘크리트 1회 타설 높이 1,200mm로 제한할 때, 하중의 크기: 3.48 ton/㎡

7) 시스템 동바리에 가해지는 하중의 종류:

① 고정하중

② 거푸집 자중

③ 작업하중(수평하중)

④ 풍하중

2. 실험방법

구조설계에서 확인된 시스템 동바리 H= 3.2m에 두께 1.2m의 콘크리트를 타설 할 때 시스템 동바리에 발생하는 수직. 수평 최대 변위를 3D 시뮬레이션에 의하여 계산된 변위값과 비교하여 시공시 구조적 안전 한계치를 확인하려고 한다.

그림6. 시스템 동바리 형태

Fig.6 .System Dongbari form

1) 동바리 높이: 3.2m

2) 동바리 간격: 0.91m

3) 멍에간격: ㅁ 125 * 75 * 2.3 @914mm

4) 장선간격: ㅁ 50 * 50 * 2.3 @250

시스템 동바리 구조계산에는 동바리, 멍에, 장선의 간격과 콘크리트 타설 시에 시스템 동바리에 작용하는 콘크리트하중과 거푸집의 자중 및 작업하중, 충격하중 등의 수직. 수평하중에 대하여 구조검토 및 구조설계를 한다.

콘크리트 타설 시에는 동바리 안전을 위해서 1회 타설 시 최대 콘크리트 두께에 대하여 제한하는 경우가 있다. 실제로 현장에서 콘크리트 타설 시에는 이러한 제한적인 요소가 잘 지켜지지 않는 경우가 많아 타설시 1회 타설하는 콘크리트 높이를 0.4m ,0.8m, 1.2m로 하여 안전성을 검토하였다.^[5][6]

특히, 대량의 콘크리트 타설 시에는 작업자들이 타설작업을 용이하게 하기 위해 일정량의 콘크리트를 타설 부위에 균등하게 시공하여야 하나, 많은 분량의 콘크리트를 한곳에 집중적으로 타설함에 따라 시스템 동바리의 변형이 발생될 수 있어 이 또한 려하여 구조를 해석해야 한다. 이 시험에서는 이 부분도 시험하여 변위량을 확인하였다.

3. 적용별 3D 시뮬레이션

가. 1회 콘크리트 타설을 400mm, 대각재를 매단 설치할 때

1) 하중조건

- LoadCase - D(고정하중) + L(활하중) +HDL(X- 수평하중) + HDL(Y- 수직하중)

- 단위 : mm

그림 7. 3D 시뮬레이션(콘크리트 400mm 타설시)

Fig. 7. 3D Simulation

2) 시험결과 : 최대 변위 2mm 이내로 안전함.

1회 콘크리트 타설 두께를 400mm 로 제한하고 시스템 동바리에 대각재를 매단 설치시 타설시 변위에 안전함.

나. 1회 콘크리트 타설을 800mm , 대각재를 매단 설치할 때

1) 하중조건

- Load Case - D(고정하중) + L(활하중) +HDL(X-수평하중) + HDL(Y- 수직하중)

- 단위 : mm

그림 8. 3D 시뮬레이션(콘크리트 800mm 타설시)

Fig. 8. 3D Simulation

2) 시험결과 : 최대 변위 2mm 이내로 안전함.

1회 콘크리트 타설 두께를 400mm 로 제한하고 시스템 동바리에 대각재를 매단 설치시 타설시 변위에 안전함.

다. 1회 콘크리트 타설을 1200mm, 대각재를 매단 설치할 때

1) 하중조건

- Load Case - D(고정하중) + L(활하중) + HDL(X- 수평하중) + HDL(Y- 수직하중)

- 단위 : mm

그림 9. 3D 시뮬레이션 (콘크리트 1,200mm 타설시)

Fig. 9. 3D Simulation

2) 시험결과 : 최대 변위 2mm 이내로 안전함.

1회 콘크리트 타설 두께를 1,2000mm 제한하고, 시스템 동바리에 대각재를 매단 설치시 타설시 변위에 안전함.

위 시뮬레이션에 의한 시스템 동바리의 안전여부를 확인한 결과 시스템 동바리 모든 수직부재에 대각선으로 대각재를 설치할 경우 1회 타설에 대한 제한 없이 타설하여도 시스템 동바리는 안전한 것으로 나타났다. 하지만 실제로 현장에서는 모든 수직부재에 동바리를 설치하지 않고 전체 수직부재 중 10% 미만의 대각재를 설치하여 시공하고 있다. 그러므로 대각재를 설치하지 않을 경우 위와 같은 조건에서 동바리의 안전성을 3D 시뮬레이션하여 비교하였다.^[7]

라. 1회 콘크리트 타설을 400mm.

그림 10. 3D시뮬레이션((콘크리트 400mm타설)

Fig. 10. 3D Simulation

1) 하중조건

- Load Case - D(고정하중) + L(활하중) + HDL(X- 수평하중) + HDL(Y- 수직하중)

- 단위 : mm

2) 시험결과 : 최대 변위는 하단부 346mm 와 수직부 중간에서 약 255mm, 타설 부위에서는 약 500mm 이상의 변위값을 보여 동바리가 붕괴되는 것으로 확인되었다.

위와 같은 3D 시뮬레이션 결과 대각재(일명: 가새)를 설치 할 때는 시스템 동바리가 구조적으로 안전하나 대각재 미설치 시에는 400mm 콘크리트 타설에도 시스템 동바리의 붕괴가 발생하는 것을 확인하였다.

400mm 타설에도 시스템 동바리가 붕괴되므로, 800mm 타설과 1,200mm 타설은 시험에서 생략하였다.

마. IT 기기를 이용한 변위측정 및 모니터링^[8][9][10]

그림 11. 동바리 경사 계측기 설치

Fig. 11. Dongbari Slope Instrument Installation

1) 3D Simulation 에 의한 설계조건에 따른 시스템 동바리 설치 및 대각재 설치 확인

2) 시스템 동바리 상부 콘크리트 하중 및 각종 하중에 대한 동바리 부재 변위값 산정

3) 동바리 경사계 설치위치 선정 및 경사계설치

4) 무선중계기 설치

5) 콘크리트 타설시 동바리 변위측정에 대한 모니터링 실시. 수직변위와 수평변위 측정

6) 변위값이 한계치 80% 도달시 무선으로 작업중지 및 문제점 파악

7) 지속적인 모니터링에 의한 현장에 적용하는 시스템 동바리 안전관리 모델 구현

실제 현장에서는 구조기술사(건축구조, 토목구조)의 구조설계에 따라 대각재를 설치하고 시공을 하고 있으나, 시스템 동바리 붕괴가 발생하고 난 후 그 원인을 조사해보면 주로 시공시 설계사항 미준수, 대각재 누락 및 설계에서 제시된 규격미달 자재사용, 동바리간격 불일치 등 다양하게 나타나고 있다.

무엇보다 시스템 동바리 붕괴의 가장 큰 원인은 타설 시 타설 제한 규정을 지키지 않고 1회 타설시 과도하게 타설을 하므로 시스템 동바리 수평력의 변형이 가징 큰 붕괴의 요인으로 보고 있다.

Ⅴ. 결론 및 제안

건설현장의 공사과정에서 일어나는 안전사고는 고귀한 생명의 손실과 재산상의 피해 등 많은 사회적 이슈와 문제를 발생시킨다. 정부는 건설현장의 안전사고를 줄이기 위해 안전사고가 발생하면 해당 건설사에 부실벌점을 부여하고 입찰을 제한하는 등 다양한 정책을 마련하고 있지만 이러한 정책만으로는 안전사고를 획기적으로 줄이기에 역부족이다. 특히, 시스템 동바리는 안전사고 발생 시 중대한 재해로 나타난다.그러므로 시스템 동바리의 안전관리는 더욱 적극적으로 대응해야 한다. 시스템 동바리 안전사고 방지를 위해 첫째, 현장 시공이 복잡하고 시일이 걸릴지라도 모든 부재에 대각재를 설치한다. 둘째, 타설 부위 거푸집 하부에 경사 계측기를 설치하고 타설 시간 동안 동바리 수평 및 수직변이를 모니터링하여 변위값이 안전상태를 유지하도록 관리한다. 이와 같은 관리하므로 시스템 동바리 붕괴사고를 효과적으로 예방할 수 있도록 현장 관계자와 감리자 모두가 노력하여야 한다.