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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 보 테이블 폼 각 부재들의 조립·분해 작업을 최소화하고 간단한 조작만으로도 보 거푸집의 규격 조절을 가능하게 하는 보 테이블 폼 전용 가변형 보 브라켓의 개발의 필요성을 인지하였다.
- 따라서 본 연구의 목적은 간단한 조작만으로도 보 테이블 폼의 규격 조절이 가능하며 현장 적용성 또한 우수한 ‘보 테이블 폼전용 가변형 보 브라켓’의 개념 디자인을 제시하고 개념 디자인의 구조적 안정성 분석을 통해 최적 설계안을 도출하는 것이다.
- 보 테이블 폼 전용 가변형 보 브라켓 개념 디자인의 상세 설계를 수행하기 위해 현업에서 실제 개발되어 사용되고 있는 보 브라켓의 재료를 조사하였다. 국내의 대표적인 가설재업체 5개사의 보 브라켓을 조사한 결과, 모든 업체가 한국산업표준(KS) 인증을 받은 표준규격품을 가공하여 보 브라켓을 생산하고 있는 것으로 조사되었으며, 그 중에서도 특히 각형강관, 형강 등이 주재료로 활발히 사용되고 있는 것을 확인할 수 있었다.
- 본 연구에서는 기존 보 테이블 폼이 지니고 있는 문제점을 도출하고 이를 개선하기 위한 방안으로 보 테이블 폼 전용 가변형 보 브라켓 개념 디자인을 제시하였다. 본 연구를 통해 얻은 결론은 아래와 같다.
- 상기에서 도출된 문제점을 개선하기 위해 관련 선행연구를 분석한 결과, 보 테이블 폼과 관련된 연구는 전무한 것으로 조사되었다. 일부 보 거푸집 공사를 위한 시스템 폼에 대한 연구가 진행된 바 있으나, 이는 콘크리트 양생 후 존치 시키는 서포트의 해체 없이 일반 서포트만을 해체할 수 있는 구조를 지닌 시스템 폼을 개발하는 연구이므로 본 연구의 목적과는 확연한 차이가 있는 것으로 분석되었다. 따라서 특허청에서 운영하는 특허정보검색서비스를 활용하여 국내·외에서 등록된 보 브라켓 관련 특허 조사를 실시하였고, 적용된 기술요소가 상호 중복되는 특허를 제외한 대표적인 국내·외 특허 12건에 대한 특징 및 문제점 분석을 수행하였다.
제안 방법
- 1차 구조적 안정성 분석 결과, 부재의 축소 설계가 요구되므로 가변형 보 브라켓 개념 디자인의 상세 설계안을 수정하였다. 상세 설계안은 한국산업표준을 기준으로 수정되었으며, [Table 4]는 각 부재별 축소 전·후의 부재 치수를 비교한 결과이다.
- 3.3절에서 제시한 보 테이블 폼 전용 가변형 보 브라켓 개념 디자인의 상세 설계안을 토대로 1차 구조해석 모델을 모델링하였다. 구조해석 모델은 (1)고정형 수직지지대, (2) 이동형 수직지지대, (3)수평지지대, (4)대각지지대, (5)멍에로 구분되어 모델링 되었으며, 멍에는 가변형 보 브라켓 개념 디자인의 구조해석을 위한 보조 부재로 활용될 뿐 구조 해석 대상에서는 제외하였다.
- 3장의 내용을 바탕으로 보 테이블 폼 전용 가변형 보 브라켓 개념 디자인 상세 설계안의 구조적 안정성 분석을 수행위한 고려요소를 다음과 같이 도출하였다.
- 4) 가변형 보 브라켓 개념 디자인의 1차 구조적 안정성 분석 결과 부재의 축소 설계가 요구됨에 따라 상세 설계안을 수정하였다. 수정된 상세 설계안을 토대로 한 2차 구조적 안정성 분석을 통해 최적 설계안을 도출하였으며, 해당 과정에서 약 27.
- 가설공사 표준시방서에 따르면 보 브라켓 설계를 위한 별도의 지침이 존재하지 않으므로, 보 측면 거푸집의 설계 규정에 따라 가변형 보 브라켓 개념 디자인의 구조적 안정성 분석을 수행하였다. 보 측면 거푸집 설계시 하중은 콘크리트에 의한 측압만을 고려하도록 규정되어 있으며, 식 (1)에 의해 산출된다.
- 구조해석 프로그램인 Midas Gen을 활용하여 가변형 보 브라켓 개념 디자인의 구조적 안정성 분석을 수행하고, 이를 토대로 최적 설계안을 도출한다.
- 또한 일부 대각 부재가 존재하는 제품의 경우 길이 조절이 용이한 건축용 턴버클을 활용하는 것으로 조사되었다. 따라서 본 연구에서 제시한 보 브라켓 또한 각형강관, 형강 등 한국산업표준 인증 제품의 표준규격을 기준으로 상세설계를 수행하였다. 보 테이블 폼 전용 가변형 보 브라켓 개념 디자인각 구성요소의 상세 설계 결과는 [Fig.
- 따라서 특허청에서 운영하는 특허정보검색서비스를 활용하여 국내·외에서 등록된 보 브라켓 관련 특허 조사를 실시하였고, 적용된 기술요소가 상호 중복되는 특허를 제외한 대표적인 국내·외 특허 12건에 대한 특징 및 문제점 분석을 수행하였다.
- 본 연구에서 연구대상 건물로 선정한 A빌딩의 보 폭은 600㎜, 700㎜, 800㎜로 구성되어 있다. 때문에 2차 구조해석 모델을 토대로 보 거푸집 폭이 200㎜ 줄어들었을 때의 변형된 2차 구조해석 모델을 모델링하였다[Fig. 10-a]. 변형된 2차 구조해석 모델 각 부재의 치수 및 재질은 2차 구조해석 모델과 동일하며, 하중분포는 [Fig.
- 문제점 개선을 위해 보 테이블 폼의 구성요소 중 하나인 보 브라켓 관련 국내·외 특허 분석을 수행한다.
- 보 테이블 폼의 구성요소 및 작업 프로세스 분석을 수행하고, 기존 보 테이블 폼이 지니고 있는 문제점을 도출한다. 문제점 개선을 위해 보 테이블 폼의 구성요소 중 하나인 보 브라켓 관련 국내·외 특허 분석을 수행한다.
- 상기에서 제시된 보 테이블 폼 전용 가변형 보 브라켓 개념 디자인의 현장 적용성 검증 및 개선사항 도출을 위한 심층면접(F.G.I 기법)을 실시하였다. 대상자는 건설회사 임직원, 구조기술사, 교수 등으로 구성되었으며, 면접은 개발자가 보 테이블 폼 전용 가변형 보 브라켓의 개발 배경 및 개념 디자인의 구동원리, 개발 효과 등에 대하여 설명하고 이에 대해 자유롭게 의견을 제시하는 형태로 진행되었다.
- 수정 전 상세 설계안과 최적 설계안에 사용된 부재의 양을 비교하기 위해 가변형 보 브라켓의 주요 재료인 각형강관 사용량을 분석하였다. 분석 결과, 수정 전 상세 설계안과 최적 설계안에 사용된 각형강관은 각 8.
- 수정된 가변형 보 브라켓 개념 디자인의 상세 설계안을 토대로 2차 구조해석 모델을 모델링하였다[Fig. 9-a]. 2 차 구조해석 모델 각 부재의 치수 및 재질은 [Table 5]와 같으며, 하중분포는 [Fig.
- 이론적 고찰 내용을 토대로 보 브라켓 개념 디자인을 위한 주요 고려요소를 도출한다. 이를 토대로 가변형 보 브라켓의 개념 디자인을 제시하고 개념 디자인의 상세 설계를 수행한다.
- 3) 가변형 보 브라켓 개념 디자인은 알루미늄 폼과 합판 거푸집을 대상으로 해야 하며, 하부 거푸집의 교체 없이 보거푸집의 폭 조절 가능, 보 거푸집 높이 조절 용이, 거푸집 탈형 보조장치 적용 등의 조건을 충족해야 하는 것으로 분석되었다. 이를 토대로 개념 디자인을 제시하고 상세 설계를 수행하였다.
- 한편, 고정형 수직지지대 및 이동형 수직지지대는 내관 재료를 기준으로 보수적으로 모델링 하였으며, 1차 구조해석 모델 각 부재의 치수 및 재질은 [Table 3]과 같다.
대상 데이터
- 구조적 안정성 분석을 위한 보 규격 설정을 위해 층별로 보 규격이 상이하게 설계된 서울특별시 소재의 A빌딩을 연구대상 건물로 선정하였다. A빌딩의 층별 메인 보의 규격 및 슬래브의 두께를 조사한 결과, 보의 폭은 600㎜, 700㎜, 800㎜로, 보의 안목높이는 550㎜, 600㎜, 650㎜로 구성되어 있는 것을 확인할 수 있었다.
- 3절에서 제시한 보 테이블 폼 전용 가변형 보 브라켓 개념 디자인의 상세 설계안을 토대로 1차 구조해석 모델을 모델링하였다. 구조해석 모델은 (1)고정형 수직지지대, (2) 이동형 수직지지대, (3)수평지지대, (4)대각지지대, (5)멍에로 구분되어 모델링 되었으며, 멍에는 가변형 보 브라켓 개념 디자인의 구조해석을 위한 보조 부재로 활용될 뿐 구조 해석 대상에서는 제외하였다.
- I 기법)을 실시하였다. 대상자는 건설회사 임직원, 구조기술사, 교수 등으로 구성되었으며, 면접은 개발자가 보 테이블 폼 전용 가변형 보 브라켓의 개발 배경 및 개념 디자인의 구동원리, 개발 효과 등에 대하여 설명하고 이에 대해 자유롭게 의견을 제시하는 형태로 진행되었다.
- 본 연구에서는 보 브라켓의 개념 디자인을 제시하고, 층별로 보 규격이 상이하게 설계된 A빌딩을 대상으로 개념 디자인의 구조적 안정성을 분석하는 것으로 연구의 범위를 한정 하였다. 또한 연구에 필요한 보 브라켓 이외의 보 테이블 폼 구성요소는 기존에 상용화 된 보 테이블 폼에 사용되는 부재를 기준으로 연구를 진행하였다.
- 본 연구에서 연구대상 건물로 선정한 A빌딩의 보 폭은 600㎜, 700㎜, 800㎜로 구성되어 있다. 때문에 2차 구조해석 모델을 토대로 보 거푸집 폭이 200㎜ 줄어들었을 때의 변형된 2차 구조해석 모델을 모델링하였다[Fig.
- 본 연구에서는 보 브라켓의 개념 디자인을 제시하고, 층별로 보 규격이 상이하게 설계된 A빌딩을 대상으로 개념 디자인의 구조적 안정성을 분석하는 것으로 연구의 범위를 한정 하였다. 또한 연구에 필요한 보 브라켓 이외의 보 테이블 폼 구성요소는 기존에 상용화 된 보 테이블 폼에 사용되는 부재를 기준으로 연구를 진행하였다.
성능/효과
- 1) AutoCAD로 작성된 파일을 불러올 수 있어 모델링에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있다.
- 1) 알루미늄 폼을 대상으로 하며, 알루미늄 폼 규격보다 넓은 폭을 지닌 보에도 적용 가능하도록 보 하부 거푸집으로는 합판 거푸집 또한 사용 가능해야 한다.
- 1차 구조해석 모델의 응력 및 변위 해석 결과, 고정형 수직지지대, 이동형 수직지지대, 수평지지대, 대각지지대의 부재 응력비가 각 0.751, 0.275, 0.385, 0.826으로 모두 1.0을 초과하지 않는 것으로 분석되었으며, 최대 변위값은 2.3㎜인 것으로 분석되었다. 따라서 해당 모델은 구조적으로 안정한 것으로 확인되었으며 부재의 축소 설계가 필요할 것으로 판단되었다.
- 2) 보 브라켓 관련 특허 분석 결과, 12건의 기술 중 9건의 기술은 보 거푸집 폭 조절 과정이 복잡한 문제점을 지니고 있는 것으로 분석되었다. 그 외의 1건의 기술은 단일규격으로 표준화 되어 생산되므로 보 거푸집 규격 조절이 불가능하며, 2건의 기술은 현장 적용성이 저하되는 것으로 분석되었다.
- 2) 보 하부 거푸집의 교체 및 보 테이블 폼 각 부재들의 조립·분해 작업 없이 간단한 조작만으로도 보 테이블 폼의 보 거푸집 폭 조절이 가능해야 한다.
- 2차 구조해석 모델의 응력 해석 결과, 고정형 수직지지대, 이동형 수직지지대, 수평지지대, 대각지지대의 부재 응력비가 각 0.997, 0.411, 0.634, 0.840으로 모두 1.0을 초과하지 않는 것으로 분석되었으며, 최대 변위값은 2.4㎜인 것으로 분석되었다[Fig. 9-c]. 따라서 해당 모델은 구조적으로 안정한 것으로 확인되었다.
- 3) 가변형 보 브라켓 개념 디자인은 알루미늄 폼과 합판 거푸집을 대상으로 해야 하며, 하부 거푸집의 교체 없이 보거푸집의 폭 조절 가능, 보 거푸집 높이 조절 용이, 거푸집 탈형 보조장치 적용 등의 조건을 충족해야 하는 것으로 분석되었다. 이를 토대로 개념 디자인을 제시하고 상세 설계를 수행하였다.
- 3) 하중 적용 시 등분포, 등변분포 등 다양한 형태의 분포하중을 쉽게 입력할 수 있다.
- 구조적 안정성 분석을 위한 보 규격 설정을 위해 층별로 보 규격이 상이하게 설계된 서울특별시 소재의 A빌딩을 연구대상 건물로 선정하였다. A빌딩의 층별 메인 보의 규격 및 슬래브의 두께를 조사한 결과, 보의 폭은 600㎜, 700㎜, 800㎜로, 보의 안목높이는 550㎜, 600㎜, 650㎜로 구성되어 있는 것을 확인할 수 있었다.
- 그러나 P1, P2 이외의 기술을 사용할 경우, 보 거푸집 폭조절을 위해 각 부재들을 분해하고 보 하부 거푸집을 교체해야 하는 문제점이 있는 것으로 분석되었다. P1, P2의 경우에는 각 부재들의 분해 작업 및 보 하부 거푸집의 교체 없이 보거푸집 폭 조절이 가능하나, P1은 합판 거푸집에만, P2는 합판 거푸집과 유로 폼에만 특화된 기술로 최근 현업에서 주로 사용되는 알루미늄 폼에는 적용이 불가능한 것으로 분석되었다.
- 개념 디자인의 구성요소와 구동원리에 대해서는 보 브라켓 조립 및 보 거푸집 폭 조절 방식이 비교적 간편하다는 점, 보 높이에 따라 보 브라켓 높이 조절이 가능하다는 점, 특히 거푸집 탈형의 편의성을 고려하여 설계되었다는 점에서 현장 적용성이 우수할 것으로 기대된다는 의견이 제시되었다.
- 구조적 안정성 분석 결과, 2차 구조해석 모델의 토대가된 수정된 상세 설계안이 보 테이블 폼 전용 가변형 보 브라켓 개념 디자인의 최적 설계안으로 선정되었다.
- 보 테이블 폼 전용 가변형 보 브라켓 개념 디자인의 상세 설계를 수행하기 위해 현업에서 실제 개발되어 사용되고 있는 보 브라켓의 재료를 조사하였다. 국내의 대표적인 가설재업체 5개사의 보 브라켓을 조사한 결과, 모든 업체가 한국산업표준(KS) 인증을 받은 표준규격품을 가공하여 보 브라켓을 생산하고 있는 것으로 조사되었으며, 그 중에서도 특히 각형강관, 형강 등이 주재료로 활발히 사용되고 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한 일부 대각 부재가 존재하는 제품의 경우 길이 조절이 용이한 건축용 턴버클을 활용하는 것으로 조사되었다.
- 난이도 분석 결과, 보 측면 거푸집으로 합판 거푸집을 사용하고 있는 P1, P7, P9, P11, P12는 보 높이 조절을 위해 합판 거푸집은 물론 합판 거푸집과 보 브라켓을 연결하는 각재 또한 교체해야 하므로 보 거푸집 높이 조절의 가장 높은 난이도인 “상”에 분류되었다.
- 따라서 굳지 않은 콘크리트의 단위질량 2,400㎏/㎥, 콘크리트의 타설 높이 0.65m, 중력가속도 0.01kN/㎏, 보 브라켓 설치간격 1.2m의 변수 값에 따라 보 테이블 폼 전용 가변형 보 브라켓 개념 디자인에 작용하는 콘크리트 측압은 18.72kN/m으로 산출되었으며, 이는 보 최하단부에서 최대 측압으로 작용한다.
- 9-c]. 따라서 해당 모델은 구조적으로 안정한 것으로 확인되었다.
- 3㎜인 것으로 분석되었다. 따라서 해당 모델은 구조적으로 안정한 것으로 확인되었으며 부재의 축소 설계가 필요할 것으로 판단되었다.
- 또한 P8을 제외한 모든 기술은 보 거푸집 높이 조절을 위한 길이 조절이 가능한 것으로 조사되었으며, 각 특징에 따라 높이 조절 난이도가 상이한 것으로 분석되었다. 난이도 분석 결과, 보 측면 거푸집으로 합판 거푸집을 사용하고 있는 P1, P7, P9, P11, P12는 보 높이 조절을 위해 합판 거푸집은 물론 합판 거푸집과 보 브라켓을 연결하는 각재 또한 교체해야 하므로 보 거푸집 높이 조절의 가장 높은 난이도인 “상”에 분류되었다.
- 변형된 2차 구조해석 모델의 응력 해석 결과, 고정형 수직지지대, 이동형 수직지지대, 수평지지대, 대각지지대의 부재 응력비가 각 0.954, 0.413, 0.596, 0.852으로 모두 1.0을 초과하지 않는 것으로 분석되었으며, 최대 변위값은 2.8㎜인 것으로 분석되었다[Fig. 10-c]. 이처럼 해당 모델은 구조적으로 안정한 것으로 확인되었으므로 부재의 축소 설계가 가능할 것으로 보이나, 가변형 보 브라켓 개념 디자인 각 부재들의 연결구조 및 최대 변위값의 증가를 고려해볼 때 추가적인 부재 축소는 불가능할 것으로 판단되었다.
- 수정 전 상세 설계안과 최적 설계안에 사용된 부재의 양을 비교하기 위해 가변형 보 브라켓의 주요 재료인 각형강관 사용량을 분석하였다. 분석 결과, 수정 전 상세 설계안과 최적 설계안에 사용된 각형강관은 각 8.229㎏, 5.969㎏ 으로, 최적 설계안 도출 과정을 통해 약 27.5%의 부재 절감 효과를 얻은 것으로 확인되었다[Table 6].
- 상기의 문제점을 해결하기 위해 기존 보 테이블 폼 각 구성부재들의 조립 형태를 분석한 결과, 보 측면 거푸집과 보하부 거푸집이 코너앵글에 의해 연결되어 위치가 고정되며, 보 브라켓은 콘크리트 측압으로부터 보 거푸집의 형태를 유지시키기 위해 멍에에 고정되어 보 측면 거푸집을 지지하고 있는 것으로 확인되었다[Fig. 2].
- 4) 가변형 보 브라켓 개념 디자인의 1차 구조적 안정성 분석 결과 부재의 축소 설계가 요구됨에 따라 상세 설계안을 수정하였다. 수정된 상세 설계안을 토대로 한 2차 구조적 안정성 분석을 통해 최적 설계안을 도출하였으며, 해당 과정에서 약 27.5%의 부재 절감 효과를 얻었다.
- 10-c]. 이처럼 해당 모델은 구조적으로 안정한 것으로 확인되었으므로 부재의 축소 설계가 가능할 것으로 보이나, 가변형 보 브라켓 개념 디자인 각 부재들의 연결구조 및 최대 변위값의 증가를 고려해볼 때 추가적인 부재 축소는 불가능할 것으로 판단되었다.
후속연구
- 그러나 본 기술의 현장 적용성 및 경제성을 향상시키기 위해서는 구조적 안정성 분석을 실시하여 가변형 보 브라켓 상세 설계안이 콘크리트 측압으로부터 보 거푸집을 안정적으로 지지할 수 있는지 검증하는 과정을 수행하고, 최적 설계를 통해 부재를 최소화하는 연구가 절대적으로 필요하다고 강조하였다.
- 향후 보 테이블 폼 전용 가변형 보 브라켓 개념 디자인의 프로토타입을 개발하고 현장실험을 통한 문제점 분석 및개선사항 도출, 경제성 분석 과정을 통해 해당 기술의 현장 적용성을 향상시킬 수 있을 것이다. 본 연구에서 제시된 보테이블 폼 전용 가변형 보 브라켓 개념 디자인이 상용화될 경우, 층별 용도에 따라 보 규격이 상이하게 설계된 건축물 시공에도 보 테이블 폼의 적용이 가능하게 될 것이며, 이는 거푸집 공사의 작업 생산성 및 안전성 향상에 기여할 것으로 기대된다.
- 그러나 기존의 보 테이블 폼은 층별로 보 규격이 일정한 건축물 시공에만 제한적으로 활용된다는 문제점을 지니고 있다. 해당 문제점을 개선하기 위해서는 보 테이블 폼 전용 가변형 보 브라켓의 개발이 필요할 것으로 분석되었다.
- 향후 보 테이블 폼 전용 가변형 보 브라켓 개념 디자인의 프로토타입을 개발하고 현장실험을 통한 문제점 분석 및개선사항 도출, 경제성 분석 과정을 통해 해당 기술의 현장 적용성을 향상시킬 수 있을 것이다. 본 연구에서 제시된 보테이블 폼 전용 가변형 보 브라켓 개념 디자인이 상용화될 경우, 층별 용도에 따라 보 규격이 상이하게 설계된 건축물 시공에도 보 테이블 폼의 적용이 가능하게 될 것이며, 이는 거푸집 공사의 작업 생산성 및 안전성 향상에 기여할 것으로 기대된다.
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