굴착공사에서 버팀보(Strut)·띠장·엄지말뚝은 흙막이 구조 전체를 지탱하는 뼈대입니다. 이 부재들이 설계하중 범위 안에서 작동하고 있는지 실시간으로 확인하는 계측기기가 변형률계(Strain Gauge)입니다.
이 글에서는 변형률계의 설치목적부터 설치위치·설치방법·측정방법·유의사항까지 KCS 11 10 15 : 2025를 기준으로 총정리합니다.
변형률계란? — 정의와 측정 원리
변형률계(Strain Gauge, 응력계)는 구조 부재 표면에 부착하거나 콘크리트 내에 매설하여, 부재에 발생하는 미세한 변형(변형률, ε)을 전기저항 변화로 변환·측정하는 계측기기입니다. 측정된 변형률에 부재의 탄성계수(E)를 곱하면 응력(σ)을 산출할 수 있습니다.
📐 응력 산출 공식
σ (응력, MPa) = E (탄성계수, MPa) × ε (변형률)
예: 강재 E = 205,000 MPa, ε = 0.001 → σ = 205 MPa
변형률(ε)은 무차원수로, 부재 원래 길이 대비 변형된 길이의 비율입니다. 변형률계는 이 값을 μm/m(마이크로 변형률, με) 단위로 측정합니다.
KCS 11 10 15 : 2025 §3.10.2.1(4)에 따르면 변형률계는 “굴착공사에 수반되는 흙막이구조물의 지지기구인 버팀보, 엄지말뚝, 중간말뚝, 띠장, 복공구간의 H-beam 등과 같이 응력을 지지하는 기구”에 적용합니다.
| 항목 | 규격·기준 |
|---|---|
| 측정 대상 | 버팀보·띠장·엄지말뚝·중간말뚝·H-beam 등 흙막이 지지부재의 변형률(응력) |
| 측정 방식 | 전기저항식(Electric Resistance), 진동현식(Vibrating Wire), 광섬유식(FBG) 등 |
| 설치 형태 | 표면 부착식(용접·볼트·에폭시), 매설식(콘크리트 내부) |
| 설치 방향 | 측정하고자 하는 응력 방향과 일치시켜 설치 (축방향 압축·인장 측정이 원칙) |
| 초기치 측정 | 설치 직후 스크류잭 가압 전·후 각 1회 측정하여 가압에 의한 초기 응력값 파악 |
변형률계 설치목적
굴착이 진행되면 흙막이 배면의 토압이 단계적으로 증가하고, 이 토압은 띠장을 통해 버팀보에 전달됩니다. 변형률계는 이 과정에서 발생하는 부재 응력을 측정하여 다음 목적에 활용합니다.
💡 설치목적 4가지
① 흙막이 구조 안전성 검토 — 버팀보·띠장·엄지말뚝에 발생하는 실제 응력을 계측하여 설계하중과 비교, 허용응력 초과 여부 판단
② 이상 하중 조기 감지 — 예상보다 과다한 응력 발생 시 즉각 감지하여 부재 파손·좌굴을 예방
③ 굴착 단계별 하중 변화 추적 — 각 굴착 단계마다 지지부재에 가해지는 하중 증가 경향성을 분석하여 다음 단계 시공 안전성 판단
④ 지중경사계와 상호 검증 — 변형률계(응력 측면)와 지중경사계(변위 측면)를 함께 분석하여 흙막이 구조계 안전성을 종합 평가
※ 변형률계와 지중경사계의 역할 차이
변형률계는 버팀대 설치 후에 계측을 시작하므로 설치 이전에 발생한 초기 하중은 측정하지 못합니다. 반면 지중경사계는 굴착 전부터 전 과정을 반영합니다. 따라서 두 계측기의 경향성을 상호 비교하는 것이 핵심입니다. 압축 부재인 버팀보에서 인장 값이 측정되는 경우에는 즉시 현장 설치 상태를 점검해야 합니다.
변형률계 설치위치
KCS 11 10 15 : 2025 3.10.3.1(5)와 현장 실무를 종합한 설치위치 기준입니다. 부재 종류에 따라 설치 위치가 달라집니다.
| 설치 부재 | 설치위치 | 비고 |
|---|---|---|
| 버팀보(Strut) | 버팀보 중앙부 또는 띠장과의 접속부 인근. 최대 축력이 발생하는 위치 선정 → 연구 결과, 버팀보 끝단과 맞버팀대가 접하는 띠장 접속부에서 최대 휨응력 발생 |
응력 집중이 예상되는 단면을 대표단면으로 선정 |
| 띠장(Wale) | 버팀보와의 접합부 또는 버팀보 간 중간 지점 (최대 휨모멘트 발생 구간) | 띠장용 변형률계는 스크류잭 가압 전·후 측정하여 가압에 의한 변위량 차이 기록 |
| 엄지말뚝(H-Pile) | 최대 응력이 예상되는 심도의 플랜지 외면. 설계 시 산정된 최대 휨모멘트 발생 위치 | 지지구조가 버팀대인 경우 스크류잭 가압 전·후 측정, 앵커인 경우 인장 전·후 측정 |
| 중간말뚝(Post Pile) | 버팀보 교차부 인근 중간말뚝 축방향 | 복공구간 H-beam도 동일 방식 적용 |
⚠️ 설치위치 선정 핵심 원칙
• 응력 집중 예상 단면을 대표단면으로 선정 — 일반적으로 굴착 배면에 중요구조물이 있는 위치
• 부재 축방향과 일치하게 설치 — 측정 방향이 틀리면 실제보다 낮은 응력이 측정됨
• 강재 부재에 설치 시 전선이 직접 강재에 닿지 않도록 설치 (고전압에 의한 기능 저하 방지)
• 케이블 연장이 필요한 경우 방수·연결부 파손 방지를 위해 완전 접합 처리
변형률계 설치방법 — 부착 유형별 시공 절차
변형률계는 설치 대상 부재와 환경에 따라 두 가지 방식으로 설치합니다.
4-1. 표면 부착식 (강재 부재 — 버팀보·띠장·엄지말뚝)
| 단계 | 작업 항목 | 세부 기준 |
|---|---|---|
| ① | 설치면 정리 | 부착 위치의 녹·오염물 그라인더로 제거. 평탄하고 깨끗한 면 확보. 에폭시 접착 시 탈지 처리 |
| ② | 변형률계 위치 결정 및 부착 | 측정 방향(부재 축방향)과 일치하도록 위치 결정. 용접·볼트 또는 에폭시 수지로 견고하게 부착. 부재에 밀착시켜 일체화 |
| ③ | 케이블 연결 | 변형률계와 데이터로거(지시계) 연결. 케이블 연장 시 방수·완전 접합 처리. 전선이 강재에 직접 닿지 않도록 보호관 사용 |
| ④ | 보호 커버 설치 | 습기·충격·용접 열로부터 센서를 보호하는 커버 설치. 공사 중 차량·장비 충격 방지 |
| ⑤ | 초기치 측정 | 버팀대 거치 후 스크류잭 가압 전·후 각 1회 측정하여 가압에 의한 초기 응력값 차이를 파악·기록. 감리원 입회하에 실시 |
4-2. 매설식 (콘크리트 내부 매설)
지하연속벽·말뚝·콘크리트 버팀 슬래브 등 콘크리트 속에 변형률계를 매설하는 경우에는 다음 절차를 따릅니다.
| 단계 | 작업 항목 | 세부 기준 |
|---|---|---|
| ① | 위치 결정 및 고정 | 측정 위치에 변형률계를 거치하고 철근에 부착 또는 설치판으로 고정. 측정 방향(부재 주응력 방향)과 일치 확인 |
| ② | 케이블 처리 | 케이블을 철근 등에 결속하여 타설 시 움직이지 않도록 고정. 케이블 인출부 방수 처리 |
| ③ | 콘크리트 타설 | 변형률계 주변에 주의하면서 콘크리트 타설. 진동기(바이브레이터) 직접 접촉 금지 |
| ④ | 초기치 측정 | 타설 완료 직후 초기치 측정. 콘크리트 양생 중 계측값 변화 추이 확인 |
변형률계 측정방법
5-1. 계측 절차
KCS 11 10 15 : 2025 3.10.3.7(3)(4)에 따른 변형률계 측정 절차입니다. 부재 종류별로 초기치 설정 시점이 다릅니다.
| 부재 | 초기치 측정 시점 | 측정 내용 |
|---|---|---|
| 버팀대용 변형률계 | 버팀대 거치 후 스크류잭 가압 전 1회 + 가압 후 1회 측정 | 스크류잭 가압에 의한 응력 차이 파악 및 기록 |
| 띠장용 변형률계 | 스크류잭 가압 전 1회 + 가압 후 1회 측정 | 가압에 의한 변위량 차이 기록 |
| 엄지말뚝용 변형률계 | 띠장 거치 후 — 지지구조가 버팀대이면 스크류잭 가압 전·후, 앵커이면 인장 전·후 각 1회 측정 | 인장·가압에 의한 변화량 기록 |
5-2. 계측빈도
| 시공 단계 | 계측빈도 | 비고 |
|---|---|---|
| 부재 설치 직후 (초기치) | 스크류잭 가압 전·후 각 1회 | 감리원 입회 필수 |
| 굴착 진행 중 | 1회/일 이상 | 굴착 단계별 전·후 반드시 측정 |
| 붕괴유발 부재에 추가 하중 재하 시 | 실시간(상시) 계측 | 콘크리트 타설 등 집중 하중 작업 중 실시간 모니터링 필수 |
| 최종 굴착 완료 후 | 1회/주 이상 | 버팀대 해체 전까지 계속 측정 |
5-3. 계측결과 분석
변형률계 계측결과는 시간(경과일수)-응력값 경시변화 그래프로 분석합니다. 분석 시 다음 사항을 중점적으로 확인합니다.
💡 이상 징후 판단 기준
① 압축 부재에서 인장값 측정 — 버팀보는 압축재이므로 인장값이 나오면 부재 설치 상태(편심·접합 불량) 즉시 점검
② 응력 급증 경향 — 굴착이 진행되지 않는데 응력이 계속 증가하면 주변 지반 이완·크리프 하중 증가 의심
③ 허용응력 접근 — 실측 응력이 설계하중의 80% 이상에 도달하면 즉시 감리원 보고 후 보강 검토
④ 지중경사계와 비교 — 경사계 변위는 수렴하는데 변형률만 증가하면 하중 재분배 발생 가능성 → 종합 분석 필요
변형률계 결과는 굴착 전체 영역의 지중경사계·하중계·지하수위계 등과 동시 비교분석하여 해당 단면 흙막이 구조계 안전성을 종합 판단합니다.
※ 관련 포스팅 → 굴착공사 계측관리 가이드 (10종 계측기기 전체 빈도·관리기준 정리)
설치 및 운용 시 유의사항
| 항목 | 유의사항 |
|---|---|
| 측정 방향 일치 | 변형률계를 측정하고자 하는 응력 방향(부재 축방향)과 정확히 일치시켜 설치. 방향이 틀리면 실제 응력보다 낮게 측정되어 이상 징후를 놓칠 수 있음 |
| 전선과 강재 절연 | 강재 부재에 설치한 변형률계의 전선이 강재에 직접 닿으면 고전압에 의해 센서 기능이 저하될 수 있음. 보호관 또는 절연 테이프 사용 필수 |
| 용접 열 영향 | 설치 부위 인근에서 용접 작업이 예정된 경우 용접 완료 후 변형률계를 부착하거나 열 차폐재로 보호. 고온 노출 시 센서 손상 발생 |
| 온도 보정 | 기온 변화에 따른 열팽창·수축은 응력과 무관한 변형률을 발생시킴. 온도 보상 게이지(Dummy Gauge)를 병용하거나 소프트웨어로 온도 보정 적용 권장 |
| 계측 종료 시점 | 버팀대용 변형률계는 버팀대 해체 전까지 계측을 지속. 해체 공정에서 잭 다운(Jack-Down) 시에도 응력 변화를 기록 |
| 중고 강재 사용 주의 | 반입된 강재의 변형·피로도가 높은 경우 탄성계수가 달라져 응력 환산 오류 발생 가능. 변형 또는 피로도가 높은 강재는 즉시 현장 외부로 반출 |
자주 묻는 질문 (FAQ)
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📌 굴착공사 계측관리 시리즈
📎 적용 기준 원문
- KCS 11 10 15 : 2025 시공 중 지반계측 (2025.12.24. 개정) — 국가건설기준센터(KCSC)에서 열람
- KOSHA GUIDE C-103-2014 굴착공사 계측관리 기술지침 — 한국산업안전보건공단 KOSHA Guide에서 다운로드