1. 서론
1.1 연구의 배경 및 목적
거푸집 공사는 철근콘크리트구조물 전체 공사기간의 약 25%의 비중을 차지하고 있으며, 골조 공사비의 30~40%, 전 체 공사비의 10%를 차지하므로 건축공사에 있어 거푸집 공사 의 중요도는 매우 높다(Jung et al., 2002). 이러한 거푸집 공사 의 자재로 최근 규격 폼이 활발하게 사용되고 있으며, 규격 폼 을 활용한 거푸집 공법은 과거 합판 거푸집 공법에 비해 경제 적이고 모듈화 된 부재를 사용하므로 공사기간을 단축시키는 효과를 가져왔다. 그러나 규격 폼을 활용한 거푸집 공법 역시 매 사용 시 마다 거푸집, 동바리 및 각종 부재 등의 조립·분해
작업을 반복적으로 수행해야 하며, 거푸집 및 동바리의 설치·
해체 작업 도중 깔림, 비래, 추락 등 안전사고가 빈번하게 발생 되고 있는 것으로 조사되었다. 따라서 건설업계에서는 기존 거 푸집 공법 대비 작업의 생산성 및 안전성을 향상시키기 위한 시스템 폼의 개발이 활발하게 이루어져 왔으며, 최근 숙련공 확보가 어려워짐에 따라 시스템 폼의 활용이 이전보다 적극적 으로 검토되고 있다. 그 중 보 테이블 폼(Beam Table Form)은 보 거푸집, 동바리 및 각종 부재 등을 조립한 후 일체화된 상태 그대로 설치·해체를 반복하는 시스템 폼으로, 보 거푸집 공사 의 작업 생산성 및 안전성을 향상시키기 위해 고안되었다.
그러나 보 테이블 폼은 층별 용도에 따라 보 규격이 상이하 게 설계된 건축물 시공에 적용될 경우, 일체화 되어있는 보 테 이블 폼 각 부재들을 분해하고 보 하부 거푸집을 교체해야하는 문제점을 지니고 있는 것으로 조사되었다. 따라서 현재 보 테 이블 폼은 층별로 보 규격이 일정한 건축물 시공에만 제한적으 로 활용되고 있는 실정이다. 층별 용도에 따라 보 규격이 상이 하게 설계된 건축물에도 보 테이블 폼이 적용되기 위해서는 보
보 테이블 폼 전용 가변형 보 브라켓 개발
- 개념 디자인 제시 및 구조적 안정성 분석 -
홍유나1·염동준1·유현석2·김영석*
1인하대학교 건축공학과·2한국교원대학교 기술교육과
Development of an Adjustable Beam Bracket for Beam Table Form - Conceptual Design and Structural Stability Analysis -
Hong, Yu-Na1, Yeom, Dong-Jun1, Yoo, Hyun-Seok2, Kim, Young Suk*
1Department of Architectural Engineering, Inha University
2Department of Technology Education, Korea National University of Education
Abstract : Recently, the construction industry has lively utilized system forms to improve the work productivity and safety of form work, and the beam table form is one of them. However, the beam table form is used limitedly for the construction of buildings where the same beam size is applied to every floor. To make it possible to apply the beam table form to a building where different beam sizes are designed according to the uses of floors, it was analyzed that among the components of the beam table form, the beam bracket, should be able to flexible adjust the size of the beam form only with simple operation. Therefore, the purpose of this study is to propose the conceptual design of “an adjustable beam bracket for beam table form” that allows the adjustment of beam form size with simple operation and has excellent applicability to construction sites as well. In case this study’s conceptual design of adjustable beam bracket for beam table form is fabricated into a real thing, it is expected that the beam table form will be applicable to even buildings where different beam sizes are designed according to the uses of floors, thereby contributing to the improvement in the work productivity and safety of form work.
Keywords : Beam Table Form, Beam Form, Conceptual Design, Structural Stability
* Corresponding author: Kim, Youngsuk, Department of Architectural Engineering, Inha University, Incheon, Korea.
E-mail: [email protected]
Received June 28, 2018: revised July 6, 2018 accepted August 17, 2018
테이블 폼 각 부재들의 조립·분해 작업이 최소화 되어야 하 며, 보 측면 거푸집 간 간격을 일정 간격으로 유지시켜주는 부 재인 보 브라켓이 간단한 조작만으로도 보 거푸집의 규격을 유 연하게 조절할 수 있어야한다. 보 브라켓 관련 국내·외 특허 분석을 실시한 결과, 일부 기술이 보 하부 거푸집의 교체 없이 간단한 조작을 통해 보 거푸집의 폭을 조절할 수 있으나, 현장 적용성 및 작업 편의성 측면에서 문제점을 지니고 있는 것으로 분석되었다.
따라서 본 연구의 목적은 간단한 조작만으로도 보 테이블 폼 의 규격 조절이 가능하며 현장 적용성 또한 우수한 ‘보 테이블 폼 전용 가변형 보 브라켓’의 개념 디자인을 제시하고 개념 디자인 의 구조적 안정성 분석을 통해 최적 설계안을 도출하는 것이다.
1.2 연구의 범위 및 방법
본 연구에서는 보 브라켓의 개념 디자인을 제시하고, 층별 로 보 규격이 상이하게 설계된 A빌딩을 대상으로 개념 디자 인의 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 부재 를 기준으로 연구를 진행하였다.
본 연구의 방법은 아래와 같다.
1) 보 테이블 폼 및 보 브라켓에 관한 이론적 고찰
보 테이블 폼의 구성요소 및 작업 프로세스 분석을 수행하 고, 기존 보 테이블 폼이 지니고 있는 문제점을 도출한다. 문
제점 개선을 위해 보 테이블 폼의 구성요소 중 하나인 보 브 라켓 관련 국내·외 특허 분석을 수행한다.
2) 보 테이블 폼 전용 가변형 보 브라켓 개념 디자인 제시 이론적 고찰 내용을 토대로 보 브라켓 개념 디자인을 위한 주 요 고려요소를 도출한다. 이를 토대로 가변형 보 브라켓의 개념 디자인을 제시하고 개념 디자인의 상세 설계를 수행한다.
3) 보 테이블 폼 전용 가변형 보 브라켓 개념 디자인의 구 조적 안정성 분석
구조해석 프로그램인 Midas Gen을 활용하여 가변형 보 브 라켓 개념 디자인의 구조적 안정성 분석을 수행하고, 이를 토 대로 최적 설계안을 도출한다.
2. 보 테이블 폼에 관한 이론적 고찰
2.1 보 테이블 폼 정의 및 보 테이블 폼 공법의 작업 프로세스 분석
2.1.1 보 테이블 폼 정의 및 작업 프로세스
보 테이블 폼(Beam Table Form)은 보 거푸집, 동바리 및 각종 부재 등을 조립한 후 일체화된 상태 그대로 설치·해체 를 반복하는 시스템 폼으로, 거푸집 공사의 작업 프로세스 중 가장 많은 시간이 소요되는 각 부재들의 조립·분해 작업을 최소화하여 보 거푸집 공사의 작업 생산성 및 안전성을 향상 시키기 위해 고안되었다. 보 테이블 폼은 (1)보 거푸집, (2)보 브라켓, (3)멍에, (4)동바리 등으로 구성된다<Fig. 1-d>.
a) Assembling sleepers and a beam lower form
b) Assembling beam side forms and beam brackets
c) Assembling a system support d) Making the beam table form
e) Transporting the beam table form f) Installing the beam table form g) Installing slab forms and pour concrete
h) Dismantling slab forms and the beam table form
e-1) Transporting the beam table form to the upper layer
f-1) Installing the beam table form g-1) Installing slab forms and pour concrete
h-1) Dismantling slab forms and the beam table form
Fig. 1. Working process of beam table form
보 테이블 폼 공법은 <Fig. 1>의 a~d와 같이 보 테이블 폼 조립 작업을 최초 1회 수행하고, 조립된 보 테이블 폼을 보 시공 위치에 설치하는 과정을 거친다. 콘크리트 타설 및 양 생이 완료된 이후 보 테이블 폼은 각 부재들의 분해 없이 조 립된 상태 그대로 해체되어 상부 층에 재설치 되며, 해당 과 정은 <Fig. 1>의 e-1~h-1과 같이 반복 수행된다.
2.1.2 보 테이블 폼 관련 이슈 1) 철근콘크리트 라멘구조 건축물의 증가
철근콘크리트구조 중 라멘구조는 콘크리트 보와 기둥 만으로 골조를 형성하는 구조형식으로, 내부 공간 활용이 자유롭고 시공 효율이 우수하여 건축물의 장수명화를 위 한 대표적인 구조형식으로 주목받고 있다(Hwang et al., 2015). 이에 따라 최근 건설 경향이 벽식구조에서 라멘구조 로 변화되고 있으며, 정부 또한 국가 차원의 제도적 지원을 통해 라멘구조 건축물의 건설을 장려하고 있으므로 향후 신축 라멘구조 건축물 수의 증가와 함께 보 테이블 폼의 수 요는 지속적으로 증가할 것으로 예상된다.
2) 국내 건설기능인력의 부족
고용노동부에 따르면 국내 건설기능인력의 수요는 일정 수준으로 유지되나, 공급은 지속적으로 감소하여 2018년에 는 인력 수급 차이가 약 21만 8천 명이 될 것으로 예측된 바 있다. 특히 숙련공의 경우 약 11만 5천 명 정도의 인력이 부 족할 것으로 예측되었다. 한편 2018년 국내 건설기능인력 의 직종별 수급차이를 예측한 결과, 거푸집 공사와 관련된 형틀공이 약 1만 7천 명으로 건설 직종 중 가장 큰 인력 수 급차이를 보일 것으로 분석되었다.
이와 같은 기능 인력의 부족과 고령화 현상에 대비하기 위하여 최근 건설 회사들은 거푸집 설치 및 해체 시 많은 인력과 시간이 소모되던 기존의 방식을 지양하고, 설치 및 해체가 용이하여 현장 인력을 최소화할 수 있는 시스템 거 푸집의 사용을 선호하고 있다(Kim et al., 2007).
3) 거푸집 공사 시 중대재해 발생 비율
한국산업안전보건공단에 따르면 거푸집 공사 관련 재해 는 2015~2016년 건축공사 공종별 중대재해의 9.64%를 차 지하여 가장 높은 사고발생순위를 기록하고 있으며, 거푸 집 공사는 작업의 특성상 안전사고 발생 시 인사사고로 이 어질 확률이 매우 높은 위험공종인 것으로 조사되었다. 따 라서 보 테이블 폼은 보 거푸집 공사 시 보 거푸집, 동바리 및 각종 부재 등의 조립·분해 작업을 최소화할 수 있으므 로 거푸집 및 동바리의 설치·해체 작업 도중 발생 가능한 깔림사고, 비래사고, 추락사고 등의 중대재해를 예방하기 위한 적합한 대안으로 제시되어 왔다.
2.2 기존 보 테이블 폼의 기술적 한계
보는 슬래브 하부에 일정 간격으로 설치되는 건축물의 구 조부재 중 하나로, 슬래브에 작용하는 하중을 기둥으로 전달 함으로써 건축물이 안정적으로 유지되게 하는 역할을 한다.
때문에 보의 규격은 슬래브에 작용하는 하중의 크기에 따라 결정되는데, 건축물의 공간별 또는 층별 용도가 다양할 경우 보 규격이 서로 상이하게 설계될 수 있다. 특히 최근 건설업 계에서는 건축물 설계단계에서의 VE(Value Engineering)과 정을 통해 공사비를 절감시키고자 하는 노력을 기울이고 있 으며, 이 과정에서 건축물 구조부재의 최적 설계가 수행되 므로 한 건축물에 다양한 규격의 보가 분포하고 있는 경우가 점차 증가하고 있는 것으로 조사되었다.
그러나 보 테이블 폼은 층별로 보 규격이 상이한 현장에 적용될 경우 변화되는 보 규격에 맞게 거푸집을 교체해야 한 다. 따라서 일체화 되어있던 보 테이블 폼을 분해하여 거푸 집을 교체해야 하므로 기존에 각 구성부재들의 조립·분해 없이 일체화된 상태 그대로 상부 층에 설치·해체가 가능하 여 작업 편의성 및 안전성이 우수했던 보 테이블 폼의 이점 이 퇴색된다. 이러한 이유로 현재 보 테이블 폼은 층별로 보 규격이 일정한 건축물 시공에서만 제한적으로 활용되고 있 는 실정이다. 따라서 보 테이블 폼의 현장 적용성을 높이기 위해서는 보 테이블 폼이 거푸집 교체 및 각 구성부재의 분 해를 최소화화면서 보 규격 변화에 대응할 수 있어야 하며, 특히 보 하부 거푸집의 교체 없이 보 거푸집 폭을 조절이 가 능한 형태를 지니고 있어야 한다.
상기의 문제점을 해결하기 위해 기존 보 테이블 폼 각 구 성부재들의 조립 형태를 분석한 결과, 보 측면 거푸집과 보 하부 거푸집이 코너앵글에 의해 연결되어 위치가 고정되며, 보 브라켓은 콘크리트 측압으로부터 보 거푸집의 형태를 유 지시키기 위해 멍에에 고정되어 보 측면 거푸집을 지지하고 있는 것으로 확인되었다<Fig. 2>.
즉, 보 하부 거푸집의 교체 없이 보 거푸집 폭의 조절이 가 능하도록 하기 위해서는 보 측면 거푸집과 보 하부 거푸집이 코너앵글에 의해 서로 구속되지 않고 독립적으로 존재하도 록 설계되어야 한다. 또한 보 측면 거푸집과 보 하부 거푸집
Fig. 2. Role of corner angle and beam bracket
의 위치를 고정시키기 위해서는 보 브라켓이 코너앵글 대신 보 거푸집의 위치를 고정시키는 역할을 해야 하며, 보 측면 거푸집이 보 하부 거푸집 상부를 자유롭게 이동할 수 있도록 해야 한다.따라서 본 연구에서는 보 테이블 폼 각 부재들의 조립·분해 작업을 최소화하고 간단한 조작만으로도 보 거 푸집의 규격 조절을 가능하게 하는 보 테이블 폼 전용 가변 형 보 브라켓의 개발의 필요성을 인지하였다.
2.3 보 브라켓 관련 국내·외 특허분석
상기에서 도출된 문제점을 개선하기 위해 관련 선행연구 를 분석한 결과, 보 테이블 폼과 관련된 연구는 전무한 것으 로 조사되었다. 일부 보 거푸집 공사를 위한 시스템 폼에 대 한 연구가 진행된 바 있으나, 이는 콘크리트 양생 후 존치 시키는 서포트의 해체 없이 일반 서포트만을 해체할 수 있 는 구조를 지닌 시스템 폼을 개발하는 연구이므로 본 연구 의 목적과는 확연한 차이가 있는 것으로 분석되었다. 따라 서 특허청에서 운영하는 특허정보검색서비스를 활용하여 국내·외에서 등록된 보 브라켓 관련 특허 조사를 실시하였 고, 적용된 기술요소가 상호 중복되는 특허를 제외한 대표 적인 국내·외 특허 12건에 대한 특징 및 문제점 분석을 수 행하였다.
보 브라켓 관련 국내·외 특허 분석 결과 <Table 1>, 단일 규격으로 표준화 되어 생산되는 P8을 제외한 기술은 보 거 푸집 폭 조절을 위한 위치 조정이 가능한 것으로 조사되었 다. 그러나 P1, P2 이외의 기술을 사용할 경우, 보 거푸집 폭 조절을 위해 각 부재들을 분해하고 보 하부 거푸집을 교체해 야 하는 문제점이 있는 것으로 분석되었다. P1, P2의 경우에
는 각 부재들의 분해 작업 및 보 하부 거푸집의 교체 없이 보 거푸집 폭 조절이 가능하나, P1은 합판 거푸집에만, P2는 합 판 거푸집과 유로 폼에만 특화된 기술로 최근 현업에서 주로 사용되는 알루미늄 폼에는 적용이 불가능한 것으로 분석되 었다.
또한 P8을 제외한 모든 기술은 보 거푸집 높이 조절을 위 한 길이 조절이 가능한 것으로 조사되었으며, 각 특징에 따 라 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 교체해 야 하므로 보 거푸집 높이 조절의 가장 높은 난이도인 “상”에 분류되었다. 그 외 보 측면 거푸집으로 유로폼 또는 알루미 늄 폼을 사용하는 기술인 P2, P3, P4, P5 중 보 하부 거푸집 과 측면 거푸집을 고정하고 있는 코너앵글 조립·분해작업 이 추가적으로 요구되는 P3, P4, P5는 난이도 “중”에, 코너 앵글의 조립·분해작업이 생략되는 P2는 난이도 “하”에 분류 되었다.
한편 건설현장에서는 거푸집 탈형의 편의성을 확보하기 위해 박리제를 사용하고 있으나 여전히 거푸집이 콘크리트 로부터 쉽게 탈형되지 않는 현상이 빈번하게 발생하며, 시공 단면 품질이 우수한 알루미늄 폼의 경우 그 현상이 보다 심 각하게 발생하고 있는 것으로 조사되었다. 그러나 P5, P8, P12만이 별도의 거푸집 탈형 보조장치를 적용하고 있으며, 그 외의 기술은 탈형을 위한 별도의 장치가 부재하여 작업 편의성이 떨어지는 것으로 분석되었다.
Table 1. Analysis of patent related to beam bracket
Classification
Beam Form Beam FormInterval Control Beam Form Height Control Existence of
Assist Device to Remove Form Side Form Lower Form Feasibility for
Interval Control
Necessity for Change of Lower Form
Feasibility for Height Control
Level of Difficulty for Change of Side Form
Domestic
P1 Plywood Plywood O X O High X
P2 Euro Plywood O X O Low X
P3 Aluminum Aluminum O O O Medium X
P4 Euro Euro O O O Medium X
P5 Euro Aluminum Plywood O O O Medium O
P6 - - O O O - X
International
P7 Plywood Plywood O O O High X
P8 Plywood Plywood X O X High O
P9 Plywood Plywood O O O High X
P10 - - O O O - X
P11 Plywood Plywood O O O High X
P12 Plywood Plywood O O O High O
3. 보 테이블 폼 전용 가변형 보 브라켓 개념 디자인 제시
3.1 보 테이블 폼 전용 가변형 보 브라켓 개념 디자인을 위한 주요 고려요소 도출
2장에서 조사 및 분석된 내용을 토대로 보 테이블 폼 전 용 가변형 보 브라켓 개념 디자인을 위한 주요 고려요소를 아래와 같이 도출하였다.
1) 알루미늄 폼을 대상으로 하며, 알루미늄 폼 규격보다 넓은 폭을 지닌 보에도 적용 가능하도록 보 하부 거푸집으 로는 합판 거푸집 또한 사용 가능해야 한다.
2) 보 하부 거푸집의 교체 및 보 테이블 폼 각 부재들의 조립·분해 작업 없이 간단한 조작만으로도 보 테이블 폼 의 보 거푸집 폭 조절이 가능해야 한다.
3) 보 측면 거푸집의 교체 난이도가 “하”수준이 되도록 해야 한다.
4) 콘크리트로부터 거푸집을 용이하게 탈형시키기 위해 거푸집 탈형 보조장치를 갖추어야 한다.
3.2 보 테이블 폼 전용 가변형 보 브라켓 개념 디자인 3.2.1 가변형 보 브라켓 개념 디자인의 구성요소 및
작업 프로세스
상기에서 도출된 주요 고려요소를 토대로 제시된 보 테 이블 폼 전용 가변형 보 브라켓 개념 디자인은 아래 <Fig.
3>과 같으며, (1)고정형 수직지지대, (2)이동형 수직지지대, (3)수평지지대, (4)대각지지대 등으로 구성된다.
또한 보 테이블 폼 전용 가변형 보 브라켓의 작업 프로세 스는 아래 <Fig. 4>와 같다.
3.2.2 가변형 보 브라켓 개념 디자인의 구동원리 1) 보 거푸집 폭 조절 원리
상부 층의 보 폭이 하부 층과 상이할 경우, <Fig. 5>와 같 이 (1)고정형 수직지지대와 수평지지대의 고정 핀 제거, (2) 일체화 되어있는 보 측면 거푸집, 이동형 수직지지대 및 수 평지지대의 위치 조정, (3)고정형 수직지지대와 수평지지 대의 고정 핀 삽입의 과정을 통해 작업자는 보 거푸집의 폭 을 유연하게 조절할 수 있다.
Fig. 3. Adjustable beam bracket for beam table form [Patent application number : 10-2016-0140039]
a) Assembling sleepers and a beam lower form
d) Assembling a mobile vertical support and horizontal supports
g) Assembling a fixed vertical support and horizontal supports
b) Assembling a fixed vertical Support
e) Assembling a mobile vertical support and a beam side form
h) Assembling a diagonal Support
c) Controlling height of a fixed vertical Support
f) Controlling height of a mobile vertical support
i) Making the beam table form
Fig. 4. Working process of adjustable beam bracket
Fig. 5. Principle for Interval control of beam form
2) 보 거푸집 높이 조절 원리
상부 층의 보 높이가 하부 층과 상이할 경우, <Fig. 6>과 같이 (1)수직지지대의 높이 고정 핀 제거 및 보 측면 거푸집 고정 핀 제거, (2)대각지지대 고정 핀 및 대각지지대 분리, (3)보 측면 거푸집 교체 및 수직지지대 높이 조절, (4)수직 지지대 높이 고정 핀 및 보 측면 거푸집 고정 핀 삽입, (5) 턴버클 원리를 활용한 대각지지대 길이 조절, (6)대각지지 대 고정 핀 삽입의 과정을 통해 작업자는 보 거푸집의 높이 를 조절할 수 있다.
3) 보 거푸집 탈형 원리
콘크리트 양생이 완료된 후, <Fig. 7>과 같이 이동형 수 직지지대에 연결된 2개의 너트를 조여 일체화된 이동형 수 직지지대 및 보 측면 거푸집을 외측방향으로 함께 이동시 킴으로써 작업자는 보 측면 거푸집을 용이하게 탈형시킬 수 있다.
3.3 보 테이블 폼 전용 가변형 보 브라켓 개념 디자인 상세 설계
보 테이블 폼 전용 가변형 보 브라켓 개념 디자인의 상 세 설계를 수행하기 위해 현업에서 실제 개발되어 사용 되고 있는 보 브라켓의 재료를 조사하였다. 국내의 대표 적인 가설재업체 5개사의 보 브라켓을 조사한 결과, 모든 업체가 한국산업표준(KS) 인증을 받은 표준규격품을 가 공하여 보 브라켓을 생산하고 있는 것으로 조사되었으며, 그 중에서도 특히 각형강관, 형강 등이 주재료로 활발히 사용되고 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한 일부 대각 부 재가 존재하는 제품의 경우 길이조절이 용이한 건축용 턴 버클을 활용하는 것으로 조사되었다. 따라서 본 연구에 서 제시한 보 브라켓 또한 각형강관, 형강 등 한국산업표 준 인증 제품의 표준규격을 기준으로 상세설계를 수행하 였다. 보 테이블 폼 전용 가변형 보 브라켓 개념 디자인 각 구성요소의 상세 설계 결과는 <Fig. 8>, <Table 2>와 같다.
Fig. 6. Principle for removal beam form
Fig. 7. Principle for removal of beam form Fig. 8. Components of adjustable beam bracket a) Fixed Vertical Support
c) Horizontal Support
b) Mobile
d) Diagonal Support
Table 2. Detail design of adjustable beam bracket
Material
Size(㎜) Quality of the Material
W×H t
①
Carbon Steel Square Pipe for General Structural Purposes
(KS D 3568)
Square
50×50 3.2
SPSR400
② 40×40 1.6
③ 2.3
④ Rectangle 100×50 3.2
⑤ Hexagon Head Bolt (KS B 1002)
M16 F8T
⑤ Hexagon Nut (KS B 1012)
⑦ Bolt of Turnbuckle for Building (KS F 4512)
M18 SS400
⑧ Body of Turnbuckle for Building (KS F 4513)
3.4 보 테이블 폼 전용 가변형 보 브라켓 개념 디자인 검증
3.4.1 참여 대상 및 진행 내용
상기에서 제시된 보 테이블 폼 전용 가변형 보 브라켓 개 념 디자인의 현장 적용성 검증 및 개선사항 도출을 위한 심 층면접(F.G.I 기법)을 실시하였다. 대상자는 건설회사 임직 원, 구조기술사, 교수 등으로 구성되었으며, 면접은 개발자 가 보 테이블 폼 전용 가변형 보 브라켓의 개발 배경 및 개 념 디자인의 구동원리, 개발 효과 등에 대하여 설명하고 이 에 대해 자유롭게 의견을 제시하는 형태로 진행되었다.
3.4.2 검증 결론
심층면접 결과 건설현장 경험이 있는 참여자 대다수는 기 존 보 테이블 폼의 기술적 한계에 대해 인지하였다. 특히 보 규격이 비교적 일정하지만 기준층이 아닌 일부 층의 보 규격 이 상이한 건축물에 보 테이블 폼을 적용한 경험을 지닌 참 여자는 기준층에서는 보 테이블 폼을 사용하였지만 보 규격 이 상이한 층에서는 기존 규격 폼을 사용할 수밖에 없어 시 공계획이 다소 복잡해지고, 작업 편의성이 저하되는 문제를 실제 경험하였다고 지적하였다.
개념 디자인의 구성요소와 구동원리에 대해서는 보 브라 켓 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 현 장 적용성이 우수할 것으로 기대된다는 의견이 제시되었다.
그러나 본 기술의 현장 적용성 및 경제성을 향상시키기 위 해서는 구조적 안정성 분석을 실시하여 가변형 보 브라켓 상 세 설계안이 콘크리트 측압으로부터 보 거푸집을 안정적으 로 지지할 수 있는지 검증하는 과정을 수행하고, 최적 설계 를 통해 부재를 최소화하는 연구가 절대적으로 필요하다고 강조하였다.
4. 보 테이블 폼 전용 가변형 보 브라켓 개념 디자인의 구조적 안정성 분석
4.1 구조적 안정성 분석을 위한 고려요소
3장의 내용을 바탕으로 보 테이블 폼 전용 가변형 보 브 라켓 개념 디자인 상세 설계안의 구조적 안정성 분석을 수 행위한 고려요소를 다음과 같이 도출하였다.
4.1.1 구조해석 프로그램 선정
Midas Gen은 건설 분야의 대표적인 범용 구조해석 프로 그램으로, 가설구조물 구조검토에 활발하게 사용되고 있으 며 아래와 같은 특징을 지니고 있어 본 연구의 구조해석 프 로그램으로 선정되었다.
1) AutoCAD로 작성된 파일을 불러올 수 있어 모델링에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있다.
2) 국내·외의 다양한 재료의 표준 데이터베이스를 제공 하므로, 부재의 재료를 간편하게 입력할 수 있다.
3) 하중 적용 시 등분포, 등변분포 등 다양한 형태의 분 포하중을 쉽게 입력할 수 있다.
4) 그래픽 보고서를 통해 단일 부재별 해석 결과를 상세 하게 확인할 수 있다.
4.1.2 연구대상 건물의 층별 보 규격 분석
구조적 안정성 분석을 위한 보 규격 설정을 위해 층별로 보 규격이 상이하게 설계된 서울특별시 소재의 A빌딩을 연 구대상 건물로 선정하였다. A빌딩의 층별 메인 보의 규격 및 슬래브의 두께를 조사한 결과, 보의 폭은 600㎜, 700㎜, 800㎜로, 보의 안목높이는 550㎜, 600㎜, 650㎜로 구성되 어 있는 것을 확인할 수 있었다.
4.1.3 가변형 보 브라켓 개념 디자인의 작용하중 산출 가설공사 표준시방서에 따르면 보 브라켓 설계를 위한 별도의 지침이 존재하지 않으므로, 보 측면 거푸집의 설계 규정에 따라 가변형 보 브라켓 개념 디자인의 구조적 안정 성 분석을 수행하였다. 보 측면 거푸집 설계 시 하중은 콘 크리트에 의한 측압만을 고려하도록 규정되어 있으며, 식 (1)에 의해 산출된다. 따라서 보 브라켓에 작용하는 콘크리 트 측압은 보 브라켓 설치간격(L)의 변수를 추가적으로 고 려한 식 (2)에 의해 산출될 수 있다.
P = W × H × g (1) P′= W × H × g × L (2)
P : 콘크리트의 측압(kN/㎡)
P′ : 보 브라켓에 작용하는 콘크리트의 측압(kN/m) W : 굳지 않은 콘크리트의 단위질량(㎏/㎥) H : 콘크리트의 타설 높이(m)
g : 중력 가속도(kN/㎏) L : 보 브라켓 설치간격(m)
따라서 굳지 않은 콘크리트의 단위질량 2,400㎏/㎥, 콘 크리트의 타설 높이 0.65m, 중력가속도 0.01kN/㎏, 보 브 라켓 설치간격 1.2m의 변수 값에 따라 보 테이블 폼 전용 가변형 보 브라켓 개념 디자인에 작용하는 콘크리트 측압 은 18.72kN/m으로 산출되었으며, 이는 보 최하단부에서 최대 측압으로 작용한다. 단, 구조해석 모델의 응력 해석 시에는 극한강도 설계법에 따라 식 (3)이 적용된 소요강도 가 최대 측압으로 작용한다.
U = 1.2D + 1.6L (3)
U : 소요강도 D : 고정하중 L : 활하중
4.1.4 가변형 보 브라켓 개념 디자인의 변위 제한값 설정 가설공사 표준시방서에 따르면 거푸집의 변형기준은 각 공사시방서의 내용을 따르며, 달리 명시가 되어있지 않은 경우 표면의 평탄하기 등급에 따라 규정되어있는 절대변형 값을 따라야 한다. 가변형 보 브라켓 개념 디자인의 구조적 안정성 분석 과정에서는 콘크리트 측압에 의해 발생하는 보 브라켓 변위의 제한값을 가장 고품질인 A급 표면 등급 기준 3㎜로 설정하였다.
4.2 개념 디자인의 구조적 안정성 분석 4.2.1 1차 구조적 안정성 분석
1) 1차 구조해석 모델 개요 및 하중분포
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)멍에 로 구분되어 모델링 되었으며, 멍에는 가변형 보 브라켓 개 념 디자인의 구조해석을 위한 보조 부재로 활용될 뿐 구조 해석 대상에서는 제외하였다.
한편, 고정형 수직지지대 및 이동형 수직지지대는 내관 재료를 기준으로 보수적으로 모델링 하였으며, 1차 구조해 석 모델 각 부재의 치수 및 재질은 <Table 3>과 같다.
구조해석 모델에는 등변분포하중이 작용하며, 4.1.3절에 서 산출된 콘크리트 측압이 보 최하단부에서 최대 측압으 로 작용한다.
Table 3. Specification for component of analysis model
Component Size(㎜) Quality of
the Material
W×H t
(1) Fixed Vertical Support
40×40 2.3
SPSR400
(2) Mobile Vertical Support 2.3
(3) Horizontal Support 1.6
(4) Diagonal Support Diameter 16 SS400
2) 1차 구조해석 모델의 응력 및 변위 해석
1차 구조해석 모델의 응력 및 변위 해석 결과, 고정형 수 직지지대, 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 구조적으 로 안정한 것으로 확인되었으며 부재의 축소 설계가 필요 할 것으로 판단되었다.
4.2.2 가변형 보 브라켓 개념 디자인 상세 설계안 수정 1차 구조적 안정성 분석 결과, 부재의 축소 설계가 요구 되므로 가변형 보 브라켓 개념 디자인의 상세 설계안을 수 정하였다. 상세 설계안은 한국산업표준을 기준으로 수정되 었으며, <Table 4>는 각 부재별 축소 전·후의 부재 치수 를 비교한 결과이다.
Table 4. Modified detail design of adjustable beam bracket
Component Unmodified Size(㎜) Modified Size(㎜)
W×H t W×H t
Table 2
① 50×50 3.2 50×50 2.3
② 40×40 1.6 30×30 1.6
③ 40×40 2.3 40×40 1.6
④ 100×50 3.2 100×50 2.3
4.2.3 2차 구조적 안정성 분석
1) 2차 구조해석 모델 개요 및 하중분포
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. 9-b>와 같다.
2) 2차 구조해석 모델의 응력 및 변위 해석
2차 구조해석 모델의 응력 해석 결과, 고정형 수직지지 대, 이동형 수직지지대, 수평지지대, 대각지지대의 부재 응 력비가 각 0.997, 0.411, 0.634, 0.840으로 모두 1.0을 초 과하지 않는 것으로 분석되었으며, 최대 변위값은 2.4㎜인 것으로 분석되었다<Fig. 9-c>. 따라서 해당 모델은 구조적 으로 안정한 것으로 확인되었다.
Table 5. Specification for component of secondary analysis model
Component Size(㎜) Quality of
the Material
W×H t
(1) Fixed Vertical Support 40×40 1.6 SPSR400 (2) Mobile Vertical Support 40×40 1.6 SPSR400 (3) Horizontal Support 30×30 1.6 SPSR400
(4) Diagonal Support Diameter 16 SS400
4.2.4 변형된 2차 구조해석 모델의 구조적 안정성 분석 1) 변형된 2차 구조해석 모델 개요 및 하중분포
본 연구에서 연구대상 건물로 선정한 A빌딩의 보 폭은 600㎜, 700㎜, 800㎜로 구성되어 있다. 때문에 2차 구조해 석 모델을 토대로 보 거푸집 폭이 200㎜ 줄어들었을 때의 변형된 2차 구조해석 모델을 모델링하였다<Fig. 10-a>. 변 형된 2차 구조해석 모델 각 부재의 치수 및 재질은 2차 구 조해석 모델과 동일하며, 하중분포는 <Fig. 10-b>와 같다.
2) 변형된 2차 구조해석 모델의 응력 및 변위 해석 변형된 2차 구조해석 모델의 응력 해석 결과, 고정형 수 직지지대, 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 모델 은 구조적으로 안정한 것으로 확인되었으므로 부재의 축소 설계가 가능할 것으로 보이나, 가변형 보 브라켓 개념 디자 인 각 부재들의 연결구조 및 최대 변위값의 증가를 고려해 볼 때 추가적인 부재 축소는 불가능할 것으로 판단되었다.
4.3 개념 디자인의 구조적 안정성 분석 결론 구조적 안정성 분석 결과, 2차 구조해석 모델의 토대가 된 수정된 상세 설계안이 보 테이블 폼 전용 가변형 보 브 라켓 개념 디자인의 최적 설계안으로 선정되었다.
수정 전 상세 설계안과 최적 설계안에 사용된 부재의 양 을 비교하기 위해 가변형 보 브라켓의 주요 재료인 각형강 관 사용량을 분석하였다. 분석 결과, 수정 전 상세 설계안 과 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>.
Table 6. Usage of carbon steel square pipe Classification Size(㎜) Weight
(㎏/m)
Length (m)
Total Weight W×H t (㎏)
Unmodified Detail Design
50×50 3.2 4.50 1.148 5.166
100×50 3.2 7.01 0.097 0.680
40×40 2.3 2.62 0.598 1.567
40×40 1.6 1.88 0.434 0.816
Total Weight(㎏) 8.229
Optimum Design
50×50 2.3 3.34 1.088 3.634
100×50 2.3 5.14 0.097 0.499
40×40 1.6 1.88 0.658 1.237
30×30 1.6 1.38 0.434 0.599
Total Weight(㎏) 5.969
Fig. 9. Secondary structural stability analysis
Fig. 10. Structural stability analysis for secondary analysis model a) Analysis Model
a) Analysis Model
b) Distribution of Load
b) Distribution of Load
c) Result of Displacement analysis
c) Result of Displacement analysis
5. 결론
본 연구에서는 기존 보 테이블 폼이 지니고 있는 문제점 을 도출하고 이를 개선하기 위한 방안으로 보 테이블 폼 전 용 가변형 보 브라켓 개념 디자인을 제시하였다. 본 연구를 통해 얻은 결론은 아래와 같다.
1) 보 테이블 폼은 보 거푸집 공사의 작업 생산성 및 안전 성을 향상시키기 위해 고안된 시스템 폼이다. 그러나 기존 의 보 테이블 폼은 층별로 보 규격이 일정한 건축물 시공에 만 제한적으로 활용된다는 문제점을 지니고 있다. 해당 문 제점을 개선하기 위해서는 보 테이블 폼 전용 가변형 보 브 라켓의 개발이 필요할 것으로 분석되었다.
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 단일규격으 로 표준화 되어 생산되므로 보 거푸집 규격 조절이 불가능 하며, 2건의 기술은 현장 적용성이 저하되는 것으로 분석 되었다.
3) 가변형 보 브라켓 개념 디자인은 알루미늄 폼과 합판 거푸집을 대상으로 해야 하며, 하부 거푸집의 교체 없이 보 거푸집의 폭 조절 가능, 보 거푸집 높이 조절 용이, 거푸집 탈형 보조장치 적용 등의 조건을 충족해야 하는 것으로 분 석되었다. 이를 토대로 개념 디자인을 제시하고 상세 설계 를 수행하였다.
4) 가변형 보 브라켓 개념 디자인의 1차 구조적 안정성 분석 결과 부재의 축소 설계가 요구됨에 따라 상세 설계안 을 수정하였다. 수정된 상세 설계안을 토대로 한 2차 구조 적 안정성 분석을 통해 최적 설계안을 도출하였으며, 해당 과정에서 약 27.5%의 부재 절감 효과를 얻었다.
향후 보 테이블 폼 전용 가변형 보 브라켓 개념 디자인의 프로토타입을 개발하고 현장실험을 통한 문제점 분석 및 개선사항 도출, 경제성 분석 과정을 통해 해당 기술의 현장 적용성을 향상시킬 수 있을 것이다. 본 연구에서 제시된 보 테이블 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 것으 로 기대된다.
감사의 글
본 연구는 인하대학교의 연구비지원에 의해 수행되었습 니다.
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요약 : 최근 건설업계에서는 거푸집 공사의 작업 생산성 및 안전성을 향상시키기 위해 시스템 폼의 활용을 적극적으로 검토하고 있 으며, 보 테이블 폼이 그 중 하나이다. 그러나 현재 보 테이블 폼은 층별로 보 규격이 일정한 건축물 시공에만 제한적으로 활용되 고 있는 실정이다. 층별 용도에 따라 보 규격이 상이하게 설계된 건축물에서도 보 테이블 폼이 적용될 수 있도록 하기 위해서는 보 테이블 폼의 구성요소 중 하나인 보 브라켓이 간단한 조작만으로도 보 거푸집의 규격을 유연하게 조절시킬 수 있어야만 하는 것으 로 분석되었다. 본 연구의 목적은 간단한 조작만으로도 보 거푸집의 규격 조절이 가능하며 현장 적용성 또한 우수한 보 테이블 폼 전용 가변형 보 브라켓의 개념 디자인을 제시하는 것이다. 본 연구의 보 테이블 폼 전용 가변형 보 브라켓 개념 디자인이 실물로 제작될 경우 층별 용도에 따라 보 규격이 상이하게 설계된 건축물에서도 보 테이블 폼의 적용이 가능하게 될 것이며, 이는 거푸집 공사의 작업 생산성 및 안전성 향상에 기여할 것으로 기대된다.
키워드 : 보 테이블 폼, 보 거푸집, 개념 디자인, 구조적 안정성
![Fig. 3. Adjustable beam bracket for beam table form [Patent application number : 10-2016-0140039]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dokinfo/5598111.488840/5.892.460.811.132.699/fig-adjustable-beam-bracket-table-patent-application-number.webp)
