KR20210131971A

KR20210131971A - 비정형 거푸집의 변형보정방법

Info

Publication number: KR20210131971A
Application number: KR1020210143924A
Authority: KR
Inventors: 이정호; 주영규; 조훈희; 이동윤
Original assignee: 고려대학교 산학협력단
Priority date: 2019-02-15
Filing date: 2021-10-26
Publication date: 2021-11-03
Also published as: KR102320329B1; KR102340642B1; WO2020167040A1; KR20200099694A

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 비정형 구조물에 대응되는 비정형 거푸집을 제작하기 위한 비정형 거푸집의 변형보정방법은, (A) 기등록된 프로그램에 의해, 비정형 구조물에 대응되는 기준형상이 모델링되는 단계; (B) 기준형상으로 콘크리트가 타설될 때, 기준형상으로 가해지는 콘크리트측압이 고려되어 기준변형형상이 모델링되고, 프로그램에 의해 기준변형형상과 기준형상 간의 차이에 의한 기준변형량이 산출되는 단계; 및 (C) 기준변형량이 고려되어 기준형상에 대한 보정량이 산출되고, 보정량이 기준형상에 반영된 보정형상이 모델링되는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

Description

비정형 거푸집의 변형보정방법{Deformation Compensation Method of Irregular-shaped Expanded Polystyrene Formwork}

본 발명은 비정형 거푸집의 변형보정방법에 관한 것이며, 상세하게는 콘크리트의 측압에 의한 비정형 거푸집의 변형을 고려하여, 비정형 거푸집을 제작하여 의도된 비정형 구조물을 제작할 수 있는 비정형 거푸집의 변형보정방법에 관한 것이다.

최근 건축적 아름다움에 대한 사회적 요구와 이를 실현시킬 수 있는 디지털 설계 기술 및 공학적 기술의 발달로 인해 비정형(Irregular Shape) 건축물이 증가하고 있다. 대표적인 사례로는 빌바오 구겐하임 미술관, 메르세데스-벤츠 미술관 등이 있으며, 국내에도 동대문디자인플라자, Tri Bowl 등의 비정형 건축물이 건설되었다.

현재 비정형 건축물의 시공에는 다른 재료들에 비해 성형성이 좋고 경제적이며 기존 건축물에도 주로 사용되었던 콘크리트가 주로 사용된다. 기존 비정형 콘크리트 건축물의 시공에는 정형 건축물의 시공에도 자주 사용되는 목재 비정형 거푸집, 강재 비정형 거푸집 등이 적용되었으며, 이중 곡면(Double curvature) 등 기하학적 형상이 복잡한 부분에는 EPS(Expanded Polystyrene) 비정형 거푸집이 적용되었다.

그러나 위와 같은 기존 비정형 거푸집의 가공에는 주로 CNC(Computerized Numerical Control) 공법이 사용되는데CNC 공법은 가공 정밀도가 비교적 정확하나 가공속도 느리며 특히 강재, 목재 비정형 거푸집의 경우 자중이 크기 때문에 설치, 시공이 불편하며 재료가 비싸다는 단점이 있다.

이에 비정형 거푸집에 대해 많은 연구가 진행되어 왔으며 왁스 비정형 거푸집, 엑츄에이터를 이용한 비정형 거푸집 등이 개발되었다(Hickert, 2015),(Schipper, 2011). 그러나 재료의 단가가 비싸고 정밀도가 낮아 상용화 단계에는 도달하지 못하고 있는 실정이기 때문에 경제적인 비정형 거푸집의 시공을 위해서는 단가와 자중이 낮은 재료를 빠른 속도로 가공하여 제작할 수 있는 비정형 거푸집의 개발이 필요하다.

이를 해결하기 위해, 기존 비정형 거푸집에 주로 사용되었던 강재, 목재와 비교하여 자중과 단가가 낮은 EPS를 폼라이너(Form-Liner)로 사용하고, 정밀하고 빠른 가공 속도를 위해 3D 프린팅 기술을 적용한 F3D(Free-Form Formwork 3D Printer) 기술을 도입하였다. EPS 폼라이너를 이용한 비정형 거푸집은 도 1에 도시된 공정을 거쳐 제작된다.

도 1을 참조하여 설명하면, 비정형 구조물을 제작하기 위한 비정형 거푸집 형상이 3차원 모델링되고. 이후, 절단장치에 의해 폼라이너(120a, 120b, 120c, 120d, 120e)가 절단된다(도 1(a) 참조). 도 1(b)에 도시된 바와 같이, 폼라이너(120a, 120b, 120c, 120d, 120e)가 적층되어 폼블럭(120)이 제작된다. 폼블럭(120)이 지지체(110)에 의해 결합돤다. 도 1(c) 및 도 2를 참조하면, 비정형 거푸집은 각각의 폼블럭(120)이 조립되어 형성된다.

F3D 기술은 적층 제조 기술(Additive Manufacturing Technology)의 일종인 LOM(Laminated Object Manufacturing) 공정의 3D 프린터를 이용하여 EPS 폼라이너(120a, 120b, 120c, 120d, 120e)를 제작하는 기술로, 판 형식으로 생산된 EPS를 열선, 혹은 레이저를 이용하여 절삭 가공 후 적층하는 방식이다.

그러나, F3D 기술로 제작된 EPS 폼라이너(120a, 120b, 120c, 120d, 120e)는 정밀도가 높고 제작 속도가 빠르다는 장점을 가지고 있지만 EPS 자체의 낮은 강도와 탄성계수로 인하여 비정형 거푸집에 작용하는 하중에 의해 큰 변형이 발생할 수 있다(Lee, 2017).

도 3에 도시된 바와 같이, 각각의 폼라이너로 콘크리트(200)에 의해 측압이 가해진다. 이때, 폼라이너에 가해지는 측압(Pa1 내지 Pa8)은 비정형 거푸집의 중심축을 기준으로 콘크리트(200)와 폼라이너(120a, 120b, 120c, 120d, 120e)의 경계면 간의 거리에 따라 변형량이 가변되면서, 비정형 거푸집의 형상이 가변된다. 이러한 측압에 의한 각각의 폼 폼라이너마다의 변형에 의해, 설계된 도면대로 비정형 구조물이 제작되지 못하는 문제점이 있었다

도 4 및 도 5에서, 비정형 구조물의 대응되는 원래형상이 실선(S1)으로 표시되고, 측압에 의한 변형형상이 점선(S2)로 표시된다. 도 4 및 도 5는 원통 좌표계로 해석된 측압에 의한 폼라이너의 변형을 설명하기 위한 도면이다. 여기서, r₀는 비정형 거푸집의 중심축에서 원래형상(S1)까지의 거리이다. r은 비정형 거푸집의 중심축에서 변형형상(S2)까지의 거리이다. △r은 임의의 각도(θ)에서 변형형상의 반지름(r)과 원래형상의 반지름(r₀)의 변형량이다.

한국등록특허 KR1625791B1에는 비정형 구조물용 비정형 거푸집 어셈블리를 이용한 시공 방법이 개시되어 있다.

본 발명은 콘크리트의 측압에 의한 비정형 거푸집의 변형을 고려하여, 비정형 거푸집을 제작하여 의도된 비정형 구조물을 제작할 수 있는 비정형 거푸집의 변형보정방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 mm은, (D) 보정형상으로 콘크리트가 타설될 때, 보정형상으로 가해지는 콘크리트측압이 고려되어 보정변형형상이 모델링되는 단계를 더 포함하고, 보정량은 보정변형형상이 기준형상에 매칭되게 산출된 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 mm은, (E) 프로그램에 의해 보정변형형상과 보정형상 간의 차이에 의한 보정변형량이 산출되는 단계를 더 포함하고, 보정량은, 보정형상에 대한 보정변형량의 비율과, 기준형상에 대한 기준변형량의 비율 간의 오차가 0에 근접하는 것을 전제로, 식 (1)에 따라 산출되는 것이 바람직하다.

........식(1)

식(1)에서, r₀(θ)는 기준형상이고, f(θ, r₀(θ))는 기준변형량이다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 기준변형량(f(θ, r₀(θ)))은 식(2)에 따라 기준변형형상과 기준형상의 차이에 의해 산출되되, 기준형상(r₀(θ))은 기준형상의 중심축에 대한 임의의 각도(θ) 및 임의의 높이(z)에서, 기준형상의 반지름(r₀)의 변화에 따른 함수에 의해 산출되고, 기준변형형상(r(θ, r₀(θ))은 기준형상의 중심축에 대한 임의의 각도(θ) 및 임의의 높이(z)에서, 기준변형형상의 반지름(r)의 변화에 따른 함수에 의해 산출되는 것이 바람직하다.

f(θ, r₀(θ))=r(θ, r₀(θ))-r₀(θ)...........................식(2)

본 발명의 일 실시예에 있어서, 보정변형량(

)은 식(3)에 따라 보정변형형상과 보정형상의 차이에 의해 산출되되, 보정형상(

)은 기준형상의 중심축에 대한 임의의 각도(θ) 및 임의의 높이(z)에서, 보정량이 반영된 기준형상의 반지름(r₀)의 변화에에 따른 함수에 의해 산출되고, 보정변형형상(

)은 기준형상의 중심축에 대한 임의의 각도(θ), 기준형상 및 보정량이 반영된 함수에 의해 산출되는 것인 것이 바람직하다.

=

-

...식(3)

본 발명의 일 실시예에 있어서, 오차는 식(4)에 따라 산출되는 것이 바람직하다.

.........식(4)

식(4)에서,

은 기준형상에 대한 기준변형량의 비율이고,

는 보정형상에 대한 보정변형량의 비율이다.

본 발명은 콘크리트의 측압에 의한 비정형 거푸집의 변형을 고려하여, 비정형 거푸집을 제작하여 의도된 비정형 구조물을 제작할 수 있다.

본 발명은 비정형 거푸집을 구성하는 높이에 따른 폼라이너 별로 보정량을 산출하여, 각 지점별 측압에 대한 보정량이 반영된 폼라이너가 적층되어 비정형 거푸집을 형성함으로써, 의도된 비정형 구조물을 정밀하게 제작토록 할 수 있다.

도 1은 비정형 거푸집의 제조과정을 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 콘크리트가 타설된 비정형 거푸집의 사시도을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 도 2의 A-A의 단면도이다.
도 4는 도 3의 B부분의 평면도에서 폼라이너로 가해진 콘크리트의 측압에 의한 비정형 거푸집의 변형을 설명하기 위한 도면이다. 도 5는 도 4의 X부분의 확대도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 비정형 거푸집의 변형보정방법의 순서도이다.
도 7은 도 3의 B부분의 평면도에서 폼라이너로 가해진 콘크리트의 측압에 의한 비정형 거푸집의 변형 및 보정적용된 비정형 거푸집을 설명하기 위한 도면이다. 도 8는 도 7의 Y부분의 확대도이다.
도 9 내지 도 16은 본 발명에 의해 보정적용된 비정형 거푸집에 의해 제작된 비정형 구조물과 설계된 비정형 구조물 간의 오차, 및 보정되지 않은 비정형 거푸집에 의해 제작된 비정형 구조물과 설계된 비정형 구조물 간의 오차를 모델별로 설명하기 위한 도면이다.

이하에서는 첨부도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비정형 거푸집의 변형보정방법에 대해 설명하기로 한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 비정형 거푸집(100)은 지지체(110) 및 폼블럭(120)으로 이루어진다. 도 1에 도시된 공정을 통해, 비정형 거푸집(100)은 폼블럭(120)이 지지체(110)에 결합되어 형성된다. 폼블럭(120)은 복수의 폼라이너(120a, 120b, 120c, 120d, 120e)가 적층되어 형성된다. 폼라이너(120a, 120b, 120c, 120d, 120e)는 형상가공이 용이한 스티로폼과 같은 재질로 이루어진다. 스티로폼은 형상가공은 용이하나, 상술했듯이 EPS 자체의 낮은 강도와 탄성계수로 인하여 콘크리트(200)에서 가해진 측압에 의해 변형이 발생한다(도 3 내지 도 5참조).

본 발명의 일 실시예에 따른 비정형구조물에 대응되는 비정형거푸집을 제작하기 위한 비정형 거푸집의 변형보정방법은, 경화전의 콘크리트(200)에 의해 비정형 거푸집(100)의 변형을 고려하여, 콘크리트(200)의 경화 후에 비정형 구조물이 의도된 형상으로 제작되게, 비정형 거푸집(100)을 제작하기 위한 기술이다.

우선, 기등록된 프로그램에 의해, 비정형 구조물에 대응되는 기준형상(S1)이 모델링된다. 기준형상(S1)은 비정형 구조물에 대응되는 비정형 거푸집(100)의 형상이다.

이어서, 기등록된 프로그램에 의해, 기준형상(S1)으로 콘크리트(200)가 타설될 때, 기준형상(S1)으로 가해지는 콘크리트측압이 고려되어 기준변형형상(S2)이 모델링되고, 프로그램에 의해 기준변형형상(S2)과 기준형상(S1) 간의 차이에 의한 기준변형량이 산출된다. 기준변형형상(S21)은 콘크리트(200)의 측압에 의해 기준형상(S1)이 변형된 형상이다.

기등록된 프로그램은 기준형상(S1)을 기준으로 유한요소해석이 수행되는 프로그램이다. 기등록된 프로그램은 콘크리트(200) 타설이 완료된 직후의 상태에 대해 경화 전 콘크리트(200)와 EPS 폼라이너(120a, 120b, 120c, 120d, 120e)를 모델링하여 유한요소해석을 수행하며, EPS 폼라이너(120a, 120b, 120c, 120d, 120e)에서 콘크리트(200)와 접촉하는 요소들을 구성하는 각 지점의 최대변위를 산출한다.

기등록된 프로그램에서, 유한요소해석을 통해 비정형 거푸집(100)의 크기, 타설 속도, 그리고 콘크리트(200)의 배합이 고려되어 경화 전 콘크리트(200)의 거동이 모델링된다.

접촉 조건을 사용하여 비정형 거푸집(100)과 경화 전 콘크리트(200)의 마찰이 고려된다. 그리고, 빠른 타설 속도와 비교적 낮은 비정형 거푸집(100)의 크기를 고려하여 경화 전 콘크리트(200)는 비뉴턴 유체(Non-Newtonian Fulid)와 같이 거동하는 것으로 설정되며, 콘크리트(200)와 EPS 폼라이너(120a, 120b, 120c, 120d, 120e) 사이의 마찰은 접선 방향의 마찰력이 법선 방향의 힘과 비례하는 것으로 모델링된다.

EPS 폼라이너(120a, 120b, 120c, 120d, 120e)와 결합되는 지지체(110)는, 콘크리트(200) 타설 시 동바리 등의 가설재로 충분하게 지지된다고 가정하여 강체로 모델링된다. 해석에 사용된 변수들의 값은 표 1에 따른다.

기등록된 프로그램에 의해, 유한요소해석을 통해 계산된 EPS 폼라이너(120a, 120b, 120c, 120d, 120e)의 지점별 변위에 대해 원형 좌표계를 기반으로 수립된 수학적 보정 방안에 의한 보정량과 보정량 적용 이후의 좌표가 계산된다(도 7 및 도 8참조).

이후, 프로그램에 의해, 기준변형량이 고려되어 기준형상(S1)에 대한 보정량이 산출되고, 보정량이 기준형상(S1)에 반영된 보정형상(S3)이 모델링된다. 보정형상(S3)은 콘크리트(200)에 의한 기준형상(S1)의 변형이 고려되어, 기준형상(S1)이 보정된 형상이다.

보정형상(S3)으로 콘크리트(200)가 타설될 때, 보정형상(S3)으로 가해지는 콘크리트측압이 고려되어 보정변형형상(S4)이 모델링된다. 이때, 보정량은 보정변형형상(S4)이 기준형상(S1)에 매칭되게 산출되는 것이 바람직하다. 보정변형형상(S4)은 콘크리트(200)의 측압에 의해 보정형성이 변형된 형상이다.

보정량은, 보정형상(S3)에 대한 보정변형량의 비율과, 기준형상(S1)에 대한 기준변형량의 비율 간의 오차가 0에 근접하는 것을 전제로, 식 (1)에 따라 산출된다.

........식(1)

식(1)에서, r₀(θ)는 기준형상(S1)이고, f(θ, r₀(θ))는 기준변형량이다.

식(1)에 따른 보정량(x(θ))이 산출되는 과정은 다음과 같다.

우선, 기준변형량이 식(2)에 따라 산출된다.

f(θ, r₀(θ))=r(θ, r₀(θ))-r₀(θ)...........................식(2)

기준변형량은 기준변형형상(S2)과 기준형상(S1)의 차이에 의해 산출된다.

식(2)에서, r₀(θ)는 기준형상(S1)에 대한 함수으로서, 기준형상(S1)의 중심축에 대한 임의의 각도(θ) 및 임의의 높이(z)에서, 기준형상(S1)의 반지름(r₀)의 변화에 따른 함수이다.

식(2)에서, r(θ, r₀(θ))는 기준변형형상(S2)에 대한 함수으로서, 기준형상(S1)의 중심축에 대한 임의의 각도(θ) 및 임의의 높이(z)에서, 기준변형형상(S2)의 반지름(r)의 변화에 따른 함수이다.

다음으로, 보정변형량은 보정변형형상(S4)과 보정형상(S3) 간의 차이에 의해 산출된다. 보정변형량은 식(3)에 의해 산출된다.

=

-

...식(3)

식(3)에서,

는 보정변형량에 대한 함수이다.

식(3)에서,

은 보정형상(S3)에 대한 함수로서, 기준형상(S1)의 중심축에 대한 임의의 각도(θ) 및 임의의 높이(z)에서, 보정량이 반영된 기준형상(S1)의 반지름(r₀)의 변화에에 따른 함수이다.

식(3)에서,

은 보정변형형상(S4)에 대한 함수로서, 기준형상(S1)의 중심축에 대한 임의의 각도(θ), 기준형상(S1) 및 보정량이 반영된 함수이다.

식(2) 및 식(3)에 의해 기준변형량과 보정변형량이 산출되면, 기준형상(S1)과 보정형상(S3)의 변형율에 대한 오차가 산출된다.

오차는 보정형상에 대한 보정변형량의 비율과, 기준형상에 대한 기준변형량의 비율 간의 차이에 의해 산출된다. 오차가 0에 근접할 때, 보정변형형상(S4)이 기준형상(S1)과 매칭되게, 보정형상(S3)이 모델링된 것으로 검증된다.

오차는 식(4)에 따라 산출된다.

.........식(4)

식(4)에서,

은 기준형상(S1)에 대한 기준변형량의 비율이다.

식(4)에서,

는 보정형상(S3)에 대한 보정변형량의 비율이다.

오차가 0에 근접할 때, 식(4)가 식(2)에 반영되어, 식(1)에 따른 보정량(x(θ))이 산출된다.

본 실시예에 있어서, 보정형상(S3)은 오차(= 보정형상에 대한 보정변형량의 비율 - 기준형상에 대한 기준변형량의 비율)이 0에 근접할 때의 보정량(x(θ))이 기준형상(S1)에 반영되어 모델링된다. 이에 따라, 본 발명은 콘크리트의 측압에 의한 비정형 거푸집의 변형을 고려하여, 비정형 거푸집을 제작하여 의도된 비정형 구조물을 제작할 수 있다.

아울러, 본 발명은 비정형 거푸집을 구성하는 높이에 따른 폼라이너 별로 보정량을 산출하여, 각 지점별 측압에 대한 보정량이 반영된 폼라이너가 적층되어 비정형 거푸집을 형성함으로써, 의도된 비정형 구조물을 정밀하게 제작토록 할 수 있다.

이하에서는 도 9 내지 도 16을 참조하여, 상술한 과정에 따라 보정이 수행되어 보정형상(S3)으로 제작된 비정형 거푸집(100)과, 기준형상(S1)으로 제작된 비정형 거푸집(100)에 의한 비정형 구조물의 제작 정밀도에 대해 설명하기로 한다.

도 9에는 원통형 기둥을 제작하기 위한 설계된 비정형 거푸집(100)이 도시된다. 원통형 기둥은 반지름 300mm, 높이 2,400mm로 설계된다. 비정형 거푸집(100)은 1,200mm× 1,200mm ×2,400mm 규격으로 제작된다. 재료 물성치는 Table 1에 제시된 값에 따른다. 비정형 거푸집(100)은 기등록된 프로그램에 따라 50mm의 격자 크기로 도 9와 같이 모델링된다.

도 10에는 본 발명의 검증에 사용된 유한요소해석 모델들의 변수에 대한 개념과 변수별 대표적인 모델들이 개시된다. 도 10에 개시된 각 모델의 이름에서 R은 단면의 반지름을 의미하며, A는 입면의 각도(θ), C는 입면의 곡률 반경(Radius of Curvature)을 의미한다. 단면의 반지름 300mm, 입면의 각도 0° 및 입면의 곡률 반경 0mm을 갖는 300R-0A-0C를 기준으로 단면 반지름, 입면 각도, 입면의 곡률 반경을 변경시키면서 해석을 수행하여 각 모델들에 대해 보정 방안 적용 이전과 이후 변형된 형상과 의도된 형상과의 오차를 계산함으로써 제안된 보정 방안이 비정형 형상을 갖는 부재를 대상으로도 적용이 가능함을 확인하고자 하였다. 표2에는 해석을 수행한 모델들의 이름, 변수의 값이 개시된다.

*설정된 해석 모델들에 대해 유한요소해석을 수행하여 콘크리트(200)와 접촉하는 EPS 비정형 거푸집(100) 면의 요소에서 발생하는 변형이 계산된다. 각 요소들을 구성하는 지점들의 변위를 계산한 후, 식 (5)에 의해 보정량이 산출된다. 계산된 보정량을 EPS 비정형 거푸집(100)의 각 지점에 적용하여 보정이 수행되며, 다시 유한요소해석을 수행하여 보정 이후 측압에 의해 발생한 변형이 계산된다.

도 11 및 도 12는 입면의 각도 0° 및 입면의 곡률 반경 0mm인 동일조건에서, 단면의 반지름 200mm, 300mm, 400mm인 모델에 대해, 기준형상(S1)으로 비정형 거푸집(100)이 제작된 경우와, 보정형상(S3)으로 비정형 거푸집(100)이 제작된 경우에, 설계된 비정형 구조물과의 오차를 설명하기 위한 도면이다.

도 12를 참조하면, 단면의 반지름을 변수로 갖는 해석 모델들의 경우 보정 적용 이전과 보정 적용 이후 모두 반지름이 가장 작은 200mm였을 때 각도에 따른 오차의 편차가 다른 모델들에 비해 작은 것으로 나타났다. 그리고, 보정 적용 이전의 모델들은 반지름이 300mm, 400mm로 증가함에 따라 전체적인 변형과 각도에 따른 변형의 편차가 더욱 증가함을 알 수 있다. 반면, 보정 적용된 모델들은 반지름이 300mm, 400mm로 증가하더라도, 비정형 거푸집(100)에 의해 제작된 비정형 구조물의 형상이 설계된 비정형 구조물의 형상과 비교하여 오차가 거의 없음을 알 수 있다.

도 13 및 도 14는 단면의 반지름 300mm, 입면의 곡률 반경 0mm인 동일 조건에서, 입면의 각도가 1.5°, 3°, 4.5°인 모델에 대해, 기준형상(S1)으로 비정형 거푸집(100)이 제작된 경우와, 보정형상(S3)으로 비정형 거푸집(100)이 제작된 경우에, 설계된 비정형 구조물과의 오차를 설명하기 위한 도면이다.

도 14를 참조하면, 입면의 기울기를 갖는 해석 모델들의 경우 기울어진 측면, 즉 각도가 양의 값을 가질 때 변형이 증가하는 경향을 보였으며, 기울어진 각도가 증가함에 따라 전체적인 변형이 소폭 증가하였으며, 보정 적용 이전과 적용 이후 모두 불규칙적인 오차의 변동이 있음을 알 수 있다. 보정 적용된 모델들은 입면의 각도가 1.5°, 3°, 4.5°와 거의 무관하게, 비정형 거푸집(100)에 의해 제작된 비정형 구조물의 형상이 설계된 비정형 구조물의 형상과 비교하여 오차가 거의 없음을 알 수 있다.

도 15 및 도 16은 단면의 반지름 300mm, 그리고, 입면의 각도 0°에서, 입면의 곡률 반경이 8000mm, 10000mm, 12000mm인 모델에 대해, 기준형상(S1)으로 비정형 거푸집(100)이 제작된 경우와, 보정형상(S3)으로 비정형 거푸집(100)이 제작된 경우에, 설계된 비정형 구조물과의 오차를 설명하기 위한 도면이다. 도 16을 참조하면, 입면에 곡률이 적용된 해석 모델들은 보정 적용 이전에 입면의 기울기가 증가함에 따라 전체적인 오차가 소폭 증가하는 것으로 나타났으나, 전체적인 경향은 비슷하게 나타났다. 보정이 적용된 이후에는 각도에 따라 오차가 비교적 일정했으나 곡률 반경이 10,000mm일 때 전체적인 오차가 다소 증가함을 알 수 있다.

표 3은 각 해석 모델별로 보정 적용 이전, 이후 발생한 오차에 대한 개선도가 개시된다. 개선도는 최대 오차와 평균 제곱근 편차(Root Mean Square Error)로 계산된다.

표 3을 참조하면, 보정 적용 이전 의도된 형상과의 최대 오차 및 평균 제곱근 편차는 모든 해석 모델에서 1mm 이상, 1.6mm 이하의 값을 갖는 것으로 계산되었으며, 최대 오차 중 가장 큰 값은 입면의 기울기가 가장 큰 300R-4.5A-0C 모델에서 계산된 1.55mm, 가장 작은 최대 오차는 가장 작은 반지름을 갖는 200R-0A-0C 모델에서 1.12mm로 계산되었다. 평균 제곱근 편차의 경우, 가장 입면 기울기가 큰 300R-0A-12000C 모델에서 최대 값인 1.42mm가, 반지름이 가장 작은 200R-0A-0C 모델에서 최소값인 1.10mm가 계산되었다.

보정이 적용된 이후, 모든 해석 모델에서의 최대 오차가 0.2mm 이하로 90% 이상 감소하였으며, 평균 제곱근 편차 또한 모든 해석 모델에서 0.1mm 이하로 90% 이상 감소하여 본 발명이 EPS 비정형 거푸집(100)의 변형 이후 정밀도를 크게 향상시켰음이 확인된다.

300R-4.5A-0C모델 및 300R-0A-10000C 모델을 제외한 모델들은 최대 오차 및 평균 제곱근 편차 모두 보정이 적용 이후 96% 이상 향상되었다. 반면, 300R-4.5A-0C 모델의 경우 전체적인 오차는 작아 평균 제곱근 편차는 다른 모델들과 유사하게 96.8% 향상되었으나, 각도에 따른 오차의 불규칙적인 변동으로 인해 최대 오차가 비교적 크게 발생하여 최대 오차는 93.2%만이 향상되었다. 그러나 300R-0A-10000C 모델의 경우 계산된 오차들 간의 변동은 적었으나 전체적인 오차가 비교적 크게 발생하여 최대 오차와 평균 제곱근 편차가 각각 92.6%, 93.5%만이 향상되었다.

이에 따라, 본 발명은 비정형 거푸집을 구성하는 높이에 따른 폼라이너 별로 보정량을 산출하여, 각 지점별 측압에 대한 보정량이 반영된 폼라이너가 적층되어 비정형 거푸집을 형성함으로써, 의도된 비정형 구조물을 정밀하게 제작토록 할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

100: 비정형 거푸집
110: 지지체
120: 폼블럭
200: 콘크리트

Claims

비정형 구조물에 대응되는 비정형 거푸집을 제작하기 위한 비정형 거푸집의 변형보정방법로, 정보처리장치에 설치된 프로그램을 통해 상기 정보처리장치에 의해 수행되는 비정형 거푸집의 변형보정방법에 있어서,
(A) 상기 비정형 구조물에 대응되는 기준형상이 모델링되는 단계;
(B) 상기 프로그램은 유한요소해석을 통해 상기 기준형상으로 콘크리트가 타설될 때, 상기 기준형상으로 가해지는 콘크리트측압이 고려되어 기준변형형상이 모델링되고, 상기 기준변형형상과 상기 기준형상 간의 차이에 의한 기준변형량이 산출되는 단계;
(C) 상기 기준변형량이 고려되어 상기 기준형상에 대한 보정량이 산출되고, 상기 보정량이 상기 기준형상에 반영된 보정형상이 모델링되는 단계;
(D) 상기 보정형상으로 상기 콘크리트가 타설될 때, 상기 보정형상으로 가해지는 상기 콘크리트측압이 고려되어 보정변형형상이 모델링되는 단계; 및
(E) 상기 보정변형형상과 상기 보정형상 간의 차이에 의한 보정변형량이 산출되는 단계를 포함하고,
상기 보정량은 상기 보정변형형상이 상기 기준형상에 매칭되게 산출되며,
상기 보정량은, 상기 보정형상에 대한 상기 보정변형량의 비율과, 상기 기준형상에 대한 상기 기준변형량의 비율 간의 오차가 0에 근접하는 것을 전제로, 식 (1)에 따라 산출되는 것을 특징으로 하는 비정형 거푸집의 변형보정방법.

........식(1)
(상기 식(1)에서, r₀(θ)는 상기 기준형상이고, f(θ, r₀(θ))는 상기 기준변형량이다.)