추락재해예방을 위한 시스템비계의 선행 안전난간 설치 공법에 관한 연구

Abstract

비계(Scaffolding)는 공사 구조물(예: 건물)의 주위에 조립 및 설치하는 가설구조물(예: 작업발판과 안전난간 및 지지부재)로서 고소작업 시 많이 사용되고 있다. 최근 3년간(2016년~2018년) 국내 산업현장 사고사망자의 51.3%(497명)는 건설업에서 발생하였고, 그 중 56.7%(282명)는 추락에 기인한 것으로 알려지고 있으며, 추락사망자 중 25.5%(72명, 최근 3년간 평균)는 비계관련 작업 중에 발생한 것으로 파악되고 있다. 국내 건설현장에 가장 많이 사용하고 있는 강관비계는 작업발판과 안전난간을 설치하지 않거나 안전기준 미준수 등의 원인으로 추락재해가 지속적으로 발생하고 있다. 그로 인해, 정부에서는 건설업 추락재해예방을 위해 강관비계에 비해 상대적으로 추락 위험성이 낮고, 규격화되어 설치가 편리한 시스템비계 활성화 정책을 추진하여 강관비계가 시스템비계로 대체되고 있다. 그러나 시스템비계는 강관비계와 동일하게 안전난간이 없는 작업발판에 올라가서 안전난간을 나중에 설치하는 공법(안전난간 후행공법)을 적용하고 있어 비계를 설치·해체할 때 여전히 작업자가 추락위험에 노출될 수 있는 한계점이 있다. 이처럼 비계 설치·해체 작업과정에서 발생하는 추락재해의 근원적 예방을 위해 비계설치 시 안전난간을 미리 설치하고, 해체 시 안전난간을 나중에 해체하는 선행 안전난간 설치 공법(안전난간 선행공법)의 도입이 절실히 필요한다.

본 연구는 비계에 대한 국내 실태 분석, 국내·외 제도 분석, 경제성 분석 등을 통해 안전난간 선행공법의 도입 타당성을 종합적으로 분석하였다. 이를 통해 경제성과 작업성 등을 고려하여 국내 건설현장에서 가장 수용성이 높은 교차가새형 안전난간 선행공법(이하 “교차가새형 선행공법”이라 함)과 현행공법인 안전난간 후행공법(이하 “후행공법”이라 함)에 대해 구조해석과 실물실험을 통해 안전성을 검증하였다. 이를 위해, 본 연구는 비계 및 안전시설물 설계기준(KDS 21 60 00 : 2020)에 따라 교차가새형 선행 공법과 후행 공법을 적용한 시스템비계(동일 규모)에 대한 구조해석(선형해석)을 통해 교차가새형 선행공법이 설계기준에 적합한지와 교차가새형 선행공법과 후행 공법의 최대응력비, 최대변위 등을 분석하여 구조성능을 비교 평가하였다. 또한, 실제 소규모 건축현장에 설치하는 시스템비계와 유사한 후행 공법(수평안전난간 2단 설치)과 교차가새형 선행 공법을 적용한 조립체의 극한하중 실험을 통해 구조성능을 비교 분석하였다. 구조안전성 검증후 선행안전난간대의 성능시험을 통해 방호장치 안전인증 고시 개정(안)을 제시하였으며, 그 연구 결과는 다음과 같다.

첫째, 국내 비계 작업 실태 분석 결과에 따르면 비계 설치·해체 작업 시 안전난간을 나중에 설치하는 후행 공법을 적용하고 있어, 추락 위험에 항상 노출되고 있다. 또한, 최근 3년간(2016년~2018년) 건설업 중대재해 분석결과에 따르면 우리나라에서 주로 사용되는 강관비계와 시스템비계에서 99명의 사망자가 발생하였고, 그중 비계 설치·해체 작업에서 27.3%(27명)가 발생되어 선행 공법의 도입이 시급한 것으로 사료된다.

둘째, 국내·외 안전난간 기준에 대한 분석 결과에 따르면 일본과 미국의 안전기준은 교차가새를 중간난간대로 인정하는 등 추락방지에 유효한 구조인 경우 안전난간으로 인정하고 있다. 그러나 국내의 경우 중간난간대의 인정범위에 대한 유권해석이 없어 선진국에서 적용하고 있는 교차가새형 선행안전난간대를 국내에 적용할 수 없는 실정이다. 따라서 안전성, 시공성, 그리고 경제성이 우수한 교차가새형 선행안전난간대를 국내에 도입하기 위해서는 중간난간대에 대한 유권해석(ANSI 규격 등을 반영한 해석) 등의 제도적 개선이 필요하다.

셋째, 선행 공법의 종류에는 순차형, 상승형, 수평틀형, 교차가새형, 수평난간형 선행안전난간 설치공법이 있으며, 시공성, 경제성 및 작업안전성이 높은 공법은 교차가새형 선행 공법인 것으로 분석되었다. 후행 공법과 교차가새형 선행 공법의 경제성 비교 분석 결과 교차가새형 선행 공법이 후행 공법에 비해 총액대비 6.9%, 인건비 대비 5.3%의 비용 절감 효과가 있는 것으로 분석되었다.

넷째, 설계기준에 따른 시스템비계(높이 31m)의 구조해석(선형해석) 결과 교차가새형 선행 공법의 교차가새 단면(φ21.7, 1.6t)이 후행 공법 가새(대각재)의 단면(φ42.7, 2.3t)보다 작아도 부재별 최대응력은 설계기준의 허용응력을 충족하는 것으로 나타났으며, 수직재·띠장 및 장선에 대한 조합응력비는 비슷한 수준으로 분석되었다. 특히, 잭베이스와 수직재의 조합응력비는 교차가새형 선행 공법이 후행 공법에 비해 각각 41.7%와 6.4%가 감소하였다. 반면, 최대 변위는 후행 공법이 교차가새형 선행 공법보다 6% 작았다. 이러한 경향성은 교차가새형 선행 공법이 비계 구조물 전체 구간에 설치한 교차가새형(X형) 선행 난간의 가새역할로 하중의 분산 효과가 있으며, 단면 축소와 부재수 감소에 따른 자중 감소(10.6%, 작업발판 포함)의 영향으로 후행 공법에 적용된 가새에 비해 상대적으로 부재의 단면이 작아도 구조적 안전성을 확보할 수 있다고 해석될 수 있다. 그러나 비계는 가새재와 벽이음의 배치 방법과 부재간 연결조건에 따라 최대응력비와 최대변위 등 구조성능에 차이가 발생할 수 있으므로 본 연구에서 모델링한 조건에 한정한 비교 분석결과임에 유의하여야 한다.

다섯째, 시스템비계 조립체(전체 높이 6.575m, 수직방향 3단)의 압축시험 결과에 따르면 교차가새형 선행 공법은 후행 공법보다 구조안전성과 경제성이 우수한 것으로 나타났다. 교차가새형 선행 공법(띠장 미설치 조건)은 후행 공법(띠장 설치 조건) 대비 극한하중이 9.7%(8.91kN) 우수한 것으로 분석되었다. 후행 공법과 교차가새형 선행 공법의 시스템비계는 유효좌굴 길이가 동일하나, 교차가새형 선행 공법은 일정 수준의 수직하중 분산과 수평방향의 회전을 제어할 수 있어 극한하중이 증가한 것으로 사료된다. 한편, 교차가새형 선행 공법을 적용한 시스템비계는 중량(작업발판 제외)이 후행공법 대비 21.2%(0.5kN) 감소한 것으로 파악되었다. 이러한 선행 공법을 적용한 비계의 중량 감소는 비계 제작에 소요되는 비용을 경감시킬 수 있어 경제성도 상대적으로 높은 것으로 추정된다.

여섯째, 후행 공법 대각재(가새재)의 세장비는 184.4로 세장비 제한 기준(200)에 적합한 것으로 분석되었다. 그러나 교차가새형 선행 공법의 X형 가새재에 대한 세장비는 289.1로 설계기준을 초과하는 것으로 파악되었다. 비록 교차가새형 선행 공법의 X형 가새재가 세장비 기준을 초과하여도 실물실험에서 가새재에는 좌굴 등의 변형이 발생하지 않는 것으로 관찰되었으며, 구조해석결과 가새재의 최대축력(0.836kN/개) 대비 극한하중 시험에 따른 최대압축성능(2.624kN/개)의 비가 3.13으로 설계기준에서 규정하고 있는 압축재의 안전율(3이상)을 충족하는 것으로 평가되었다. 설계기준의 세장비는 강구조 부재 설계기준(하중저항계수설계법)과 건축구조기준 및 해설(2016)과 같이 강제기준이 아닌 권고 기준으로 변하고 있는 추세이다. 따라서 비계의 2차(보조)부재(예: 교차가새)가 세장비 제한기준을 초과할 경우 구조해석에 따른 해당 부재의 최대작용하중 대비 극한하중(최대압축성능)에 대한 비율(안전율)이 설계기준에서 규정하고 있는 안전율 이상이면 구조안전성이 확보될 수 있어『비계 및 안전시설물 설계기준』의 세장비 제한기준은 권고사항으로 개정이 필요하다.

마지막으로 국내 건설현장에 시스템비계의 선행 공법 도입을 위해 선행안전난간대의 구조 적합성 시험, 처짐 및 휨시험, 가새의 압축 성능시험을 통해 방호장치 안전인증고시(안)을 제시하였고, 전문가 회의 등을 거쳐 방호장치 안전인증고시(안)의 타당성을 검증하였다.

본 연구의 구조 해석 결과는 교차가새형 선행 공법의 구조안전성을 확인하는 기초자료로 활용될 수 있다. 또한, 본 연구의 실물실험 방법은 비계관련 신기술 개발을 위한 실물실험의 표준모델 개발에 유용하게 활용될 수 있을 것이며, 구조해석결과와 실물실험 결과 및 선행안전난간대의 안전인증고시 개정(안)은 시스템비계 선행 공법의 국내 실용화에 크게 기여할 수 있을 것으로 예상된다. 방호장치 안전인증 고시 개정이 당장 어렵다면 현행 방호장치 안전인증 고시 중『조립식 안전난간』의 성능기준과 시험방법 적용을 제안한다. 또한, 향후 선행 공법의 활성화를 위해 공공공사 현장의 시스템비계에 선행 공법 사용을 권장하고, 안전보건공단의 재정지원사업(클린사업)과 연계하면 건설현장의 수용성이 높을 것으로 예상된다. 이를 통해 선행 공법이 국내 건설현장에 적용될 경우 비계 설치‧해체 작업 중 추락재해예방과 더불어 건설업의 경쟁력 강화에 크게 기여할 것으로 기대된다.|In the construction sector, there were 99 fatalities from falls associated with steel tube and system scaffolds over the three years from 2016 to 2018, of which 27.3 percent (27 fatalities) were occurred during installing and dismantling procedure. To erect scaffolding installed for high place work, the work platforms are generally installed first and then the safety guadrails are installed after, and vice versa to dismantle. As a result, workers are exposed to the risk of falling because they erect and dismantle scaffolding without guardrails. To minimize the risk of falling, it is necessary to study a new construction method that can erect or dismantle scaffolding while guardrails are installed (called advanced guardrail system). This study analyzed advanced guardrail system in terms of safety regulation, workability and economic efficiency by investigating the domestic situation on the use of scaffolding, reviewing domestic and foreign standards for guardrails and conducting economic feasibility study. For the introduction of the AGS, the structural performance of the system scaffolding applying the CGS and the AGS was compared and evaluated. The structural analysis of the system scaffold (height: 31 m and width: 27.4 m) with AGS confirmed that structural safety was ensured because the maximum stress of each element of the system scaffolding satisfies the allowable stress of each element. As a result of performance comparison of CGS and AGS for each element, the combined stress ratio of vertical posts in AGS was 6.4% lower than that of CGS. In addition, in the case of ledger and transom, the combined stress ratios of AGS and CGS were almost the same. The compression test of the assembled system scaffolding (three-storied, 1 bay) showed that the AGS had better performance than the CGS by 9.7% (8.91 kN). The cross bracing exceeds the limit on slenderness ratio of codes for structural steel design. But the safety factor for the compressive load of the cross bracing was evaluated as meeting the design criteria by securing 3 or more. In actual experiments, it was confirmed that the buckling of a brace did not occur even though the entire scaffolding was buckled. Therefore, in the case of temporary structures, it was proposed to revise the standards for limiting on slenderness ratio of secondary or auxiliary elements to recommendations. Finally, for the introduction of AGS at domestic construction sites, the safety certification notice for protection devices was presented through structural suitability test, deflection and bending test, and compression performance test of bracing. And the validity of the safety certification notice for protection devices was verified through expert meetings. This study can be used as basic data for the introduction of AGS for installing guardrails in advance at domestic construction sites. The results of this study is expected to greatly contribute to preventing falls in scaffolding installation and dismantlement procedure.