2.1 신뢰성 시험의 목적

신뢰성 시험은 앵커 설치 시 또는 사용 중에 비정상적이거나 불리한 조건에서도 후설치앵커가 안전하고 유효한 거동을 할 수 있는지를 검증하는 시험, 즉 비정상적이거나 불리한 조건에 대한 앵커 성능의 민감도를 측정하는 시험이다. 시험 결과는 앵커의 성능 범주 설정에 사용되고, KDS 14 20 54^{(KCI 2021)}, ACI 355.2 ^{(ACI 2019)}에서는 앵커의 성능 범주에 따라 강도감소계수를 결정한다.

2.2 신뢰성 시험의 정의

앵커지름별 표준 천공 드릴비트와 지름이 다른 드릴비트를 사용하거나, 설치비틀림이 표준 비틀림보다 낮은 경우를 시공 정밀도가 낮다고 정의한다. 시공 정밀도에 따라 앵커의 성능이 민감하게 변하면 앵커 신뢰도가 낮고, 시공 정밀도 변화에도 앵커 성능이 민감하지 않으면 앵커 신뢰도가 높다고 평가한다. 강도감소계수는 공칭강도의 신뢰도와 해당 공칭강도 파괴유형의 중요도로 결정되므로, 같은 파괴유형에서는 신뢰도가 높을수록(민감도가 낮을수록) 높은 강도감소계수를 사용할 수 있다.

콘크리트용 앵커 설계법 및 예제집^{(KCI 2010)} 제3편에는 신뢰성 시험으로 다음 4가지를 규정한다.

① ‘시공 정밀도에 대한 민감도 시험’은 표준 설치비틀림의 0.5배 비틀림으로 설치된 앵커의 신뢰도를, ② ‘균열폭과 큰 앵커 구멍에 대한 민감도 시험’은 허용범위 이내 최대 지름의 드릴비트로 천공할 때의 신뢰도를, ③ ‘균열폭과 작은 앵커 구멍에 대한 민감도 시험’은 허용범위 이내 최소 지름의 드릴비트로 천공할 때의 신뢰도를, ④ ‘폭이 변하는 균열에 설치된 앵커 시험’은 구조물의 반복적인 변형으로 균열폭이 변하는 콘크리트에 설치된 앵커의 신뢰도를 평가하는 시험이다.

2.3 신뢰성 평가 방법

콘크리트용 앵커 설계법 및 예제집 2판^{(KCI 2010)} 제3편에서는 신뢰성 시험에서 산정된 특성강도를 기준시험에서 산정된 특성강도와 비교하여 Table 1과 같이 앵커범주를 분류한다. KDS 14 20 54^{(KCI 2021)} 4.2(7)항에서는 앵커의 작용력별로 앵커범주에 따라 강도감소계수를 결정한다.

앵커범주 결정을 위한 앵커 성능비 $R$은 식 (1)과 같이 기준시험으로 산정한 특성강도 대비 신뢰성 시험으로 산정한 특성강도의 비율로 정의하는데, 기준시험과 신뢰성 시험의 콘크리트 압축강도 보정을 포함하고 있다.

여기서, $N_{b,\: o}$ $N_{b,\: r}$는 각각 기준시험과 신뢰성 시험의 특성강도($=N_{m}(1-Kv)$) (N), $N_{m}$은 앵커 파괴강도의 평균(N), $K$는 단측검정(one-sided)으로 시험결과의 95 %가 특성강도를 상회하고 이에 대한 신뢰도가 90 %에 상응하는 계수^{(Natrella 1966)}, $v$는 변동계수, $f_{c,\: o}$와 $f_{c,\: r}$은 각각 기준시험의 신뢰성 시험에 사용된 콘크리트의 압축강도(MPa)이다.

신뢰성 시험의 결과는 종류에 관계없이 극한인장하중의 변동계수 $\nu$는 20 %를 초과할 수 없으며, 누적된 시험결과의 변동계수가 20 %를 초과하는 경우에는 표본 크기를 증가시킬 수 있다. 여기서, 표본 크기의 최소 시험체 수는 신뢰성 시험은 모두 5개이다.

3.1 내진용 스테인리스스틸 앵커의 특성

앵커는 일반적으로 탄소강으로 제작되나, 이 연구에서는 외부 환경에서도 사용이 가능한 스테인리스스틸 STS 304CU로 앵커를 제작하였다. 스테인리스스틸은 니켈(Ni)을 많이 함유하여 뛰어난 내식성과 내열성을 지녀 외기 및 특수환경의 노출에도 동일한 성능을 발현하고, 가공성이 우수하여 앵커 제작이 쉽다. 특히 STS 304CU는 STS 304에 구리(Cu)를 첨가하여 성형성이 뛰어나기 때문에 정밀한 형상 가공이 필요한 앵커 제작에 적합하다. STS 304CU의 화학성분과 인장강도, 단면 수축율 특성은 한국산업 표준 KS D 3697^{(KATS 2002)}에 표기된 STS 304의 특성을 만족하며, 구리(Cu)가 첨가되어 화학성분에만 차이가 있다. 앵커 제작에 사용된 STS 304CU 소재의 인장강도는 656.7 MPa로 KS D 3697에 규정된 인장강도 범위 530~710 MPa를 만족하였다.

새로 개발된 내진용 스테인리스스틸 앵커의 형상을 Fig. 1에 나타내었고, 인장을 받는 확장식 앵커의 저항 메커니즘을 Fig. 2에 도식적으로 표현하였다. 확장식 앵커는 천공된 구멍에 앵커를 삽입한 후, 비틀림 또는 변위를 조절하여 앵커에 인장력 $N$을 가하여 슬리브를 앵커 축 직각방향으로 확장시킴으로써 수평력 $H$를 유발시킨다. 이로 인해 콘크리트와 슬리브의 마찰저항 $\mu H$이 발생하여 앵커에 작용하는 인장력에 저항한다.

만일 앵커 설치 후 앵커축을 가로지르는 균열이 발생하거나 앵커 설치시 존재한 균열의 폭이 커지면, 슬리브와 콘크리트면 사이에 작용하는 수평력이 감소하여 인장력에 대한 저항성능이 낮아진다. 따라서 균열 발생이 예상되는 곳에 설치되는 확장식 후설치앵커는 균열폭 증가 후에도 슬리브와 콘크리트 사이의 마찰이 유지되어야 한다. 이를 위해서는 앵커축을 가로지르는 새로운 균열이 발생하거나 기존 균열의 폭이 증가할 때 슬리브가 추가 확장되어야 한다.

새로 개발된 스테인리스스틸 앵커는 균열폭 증가에도 콘크리트와의 마찰을 유지할 수 있도록 Fig. 1(b)와 같이 형상을 개선하였다. 슬리브 표면에 요철(①)을 추가하고 슬리브 끝에 링형태의 요철(②)을 형성하여 콘크리트면과 마찰을 증대시켰다. 더불어 슬리브가 앵커 설치 후에 탄성을 유지하여 균열폭 증가 시 추가 확장이 가능하도록 슬리브 두께를 증가시켰고, 동일한 앵커축 방향 변위에서 앵커축 직각방향 힘이 증가하도록 앵커 헤드 각도(③)를 가파르게 개선하였다^{(Kim et al. 2022a, 2022b)}.

Fig. 1 Anchor drawings(Kim et al. 2022a,2022b)

Fig. 2 Resisting mechanism of post-installed mechanical anchor(Kim et al. 2022b)

3.2 기준시험 결과

선행연구^{(Kim et al. 2022a, 2022b)}에서 스테인리스스틸로 제작된 확장식 후설치앵커에 대한 기준시험을 수행하였다. 세 가지 지름 12 mm와 16 mm, 20 mm 앵커를 사용하였고, 각각의 표준 묻힘깊이 70 mm와 80 mm, 100 mm 및 각각의 최소묻힘깊이 50 mm와 64 mm, 78 mm로 설치되었다. 앵커가 설치된 콘크리트의 압축강도는, 저강도 시험체는 앵커 지름 12 mm, 16 mm, 20 mm 순서대로 24.3 MPa, 22.9 MPa, 21.8 MPa였고, 고강도 시험체는 순서대로 58.9 MPa, 52.0 MPa, 52.4 MPa로, 콘크리트용 앵커설계법 및 예제집 2판^{(KCI 2010)} 제 3편에서 규정하는 범위인 저강도 콘크리트 17~28 MPa, 고강도 콘크리트 45~60 MPa를 만족하였다. 비균열 콘크리트뿐 아니라 내진성능평가를 위해 균열 콘크리트에 대한 시험도 수행하였다. 기준시험결과 중 신뢰성 시험 결과와 비교하는 4가지 시험군의 시험결과를 Table 2에 정리하였다. 전체 38개 앵커 모두 콘크리트 브레이크아웃파괴가 발생하였다.

4.1 시험 변수

각 시험군별 앵커의 직경, 콘크리트 압축강도, 묻힘깊이, 설치 토크와 천공 시 드릴비트의 직경을 Table 3에 정리하였다.

시공 정밀도에 대한 민감도 시험(이하 시공 정밀도 시험)은 최소폭 0.3 mm 균열이 있는 고강도 콘크리트에 설치된 앵커에 대한 인발시험으로, 앵커 설치 시 표준 설치비틀림 값의 50 %만 가하였다. 지름 12 mm와 20 mm 앵커를 각각 표준묻힘깊이 70 mm와 100 mm로 설치하였다.

균열폭과 큰 앵커 구멍에 대한 민감도 시험(이하 큰 앵커 구멍 시험)은 최소폭 0.5 mm 균열이 있는 저강도 콘크리트에 설치된 앵커에 대한 인발시험으로, 해당 앵커에 허용되는 최대 크기의 드릴비트로 천공하였다. 지름 16 mm와 20 mm 앵커를 각각 표준묻힘깊이 80 mm와 100 mm로 설치하였다.

균열폭과 작은 앵커 구멍에 대한 민감도 시험(이하 작은 앵커 구멍 시험)은 최소폭 0.5 mm 균열이 있는 고강도 콘크리트에 설치된 앵커에 대한 인발시험으로, 해당 앵커에 허용되는 최소 크기의 드릴비트로 천공하였다. 지름 12 mm와 20 mm 앵커를 각각 표준묻힘깊이 70 mm와 100 mm로 설치하였다.

시험체 이름은 ①-②SC-M③-H④-⑤로 표기하며, ①은 신뢰성 시험의 종류(시공 정밀도=R, 큰 앵커 구멍=L, 작은 앵커 구멍=S), ②는 콘크리트 강도(H=고강도, L=저강도), ③은 앵커 지름(mm), ④는 묻힘깊이(mm), ⑤는 1~8로 동일 시험체 일련번호를 의미한다.

4.2 시험체 설계

모든 신뢰성 시험에는 기준시험^{(Kim et al. 2022a, 2022b)}과 동일한 형상인 Fig. 3의 콘크리트블록을 사용하였다. 콘크리트블록은 슬래브 형태로, 콘크리트용 앵커 설계법 및 예제집 2판^{(KCI 2010)} 제3편에 따라 철근비 1 % 정도의 철근을 시험체 하부에만 배근하고 피복두께는 15 mm로 계획하였다. 콘크리트블록의 높이는 시험기준^{(KCI 2018)}에 따라 묻힘깊이의 2배와 묻힘깊이에 100 mm를 더한 값 중 큰 값보다 큰 300 mm로 설계하였다. 1개 콘크리트블록에 4개 앵커를 시험할 수 있도록 길이를 정하였다. 앵커중심에서 가력장치의 반력까지는 묻힘깊이의 2배 이상으로 계획하고, 앵커 사이 간격은 앵커 파괴가 인접 앵커에 영향을 주지 않도록 600 mm로 설계하였다. 균열 발생과 균열폭 제어를 위한 유압잭을 배치할 공간(loading box)을 각 앵커 위치 양쪽에 배치하고 이 공간을 고려하여 콘크리트블록의 폭을 1,000 mm로 계획하였다.

콘크리트블록의 길이방향 철근에서 앵커 위치에 균열을 발생시켜야 하므로 비부착처리(bond breaker)하였다. 또한 용이한 균열 발생을 위해 2 mm 두께의 철판(crack control plate)을 설치하여 콘크리트가 연속되는 단면을 최소화하였다.

Fig. 4에 가력장치도를 나타내었다. 앵커와 강봉을 커플러로 연결하고 제작한 철물에 강봉을 관통시킨 후 30톤 용량의 중공 유압잭으로 가력하였고 하중은 중공 로드셀로 측정하였다. 커플러와 너트 사이에 철판을 끼우고 콘크리트블록에 설치한 변위계 4대로 앵커의 수직 변위를 측정하였다. 2대의 LVDT 1은 앵커 주변 콘크리트와 앵커 사이의 상대 수직변위를, 2대의 LVDT 2는 앵커의 절대 수직변위를 측정하였다.

Fig. 3 Specimen of cracked concrete (unit: mm)

Fig. 4 Test setup(Kim et al. 2022b)

4.3 균열생성

각 시험에서 요구하는 최소 균열폭인 0.3 mm와 0.5 mm의 균열을 생성한 후 시험을 수행하였다. 균열폭 0.3 mm는 사용하중 상태에서의 균열 또는 지진하중을 받았을 경우 앵커가 설치된 콘크리트에 발생될 균열을 모사한다.

Fig. 3의 각 앵커 위치 양쪽 빈 공간(loading box)에 유압잭을 넣고 콘크리트블록 길이 방향으로 힘을 가하여 블록의 단변방향으로 균열을 생성하였다. 유압잭의 중심이 콘크리트블록 높이의 중앙과 일치시킴으로써 콘크리트블록 전체 두께에 유사한 폭의 균일을 유도하였다. 균열생성 전에 예상 균열 위치에 균열폭게이지(PI gauges)를 설치하고 균열폭을 관찰하면서 각 시험에서 요구하는 최소 균열폭에 도달할 때까지 유압잭으로 가력하였다. 최소 균열폭에 도달한 후 유압을 유지하였다. 이 방법은 웻지를 타격하여 균열을 생성하는 기존 방법^{(Eligehausen et al. 2004; Mahrenholtz 2013)}에 비해 시험체 전 단면에 보다 균일한 균열을 생성할 수 있다. 또한 기존 방법은 균열 폭이 목표 균열폭 범위를 상회할 경우 미세하게 균열폭을 줄일 수 없기 때문에, 웻지를 제거한 후 다시 타격하면서 균열폭을 조절해야한다. 이 연구에 사용된 방법은 기존의 균열 생성방법보다 균열폭 조절이 유리하다.

콘크리트 폭의 가운데 부근에서 균열이 생성된 위치에 앵커 구멍을 천공하고 Fig. 5와 같이 내시경 카메라를 이용하여 구멍 내부까지 균열 발생을 확인하였다.

Fig. 5 Cracks inside the anchor hole (L-LSC-M16-H80)

5.1 콘크리트 압축강도

콘크리트블록의 압축강도 평가를 위하여 앵커 인발 시험일에 원주형 표준공시체(∅100×200 mm) 3개에 대한 압축시험을 수행하였다. 그 결과, 시공 정밀도와 큰 앵커 구멍, 작은 앵커구멍 순서대로 47.4 MPa와 26.7 MPa, 55.1 MPa였다. 콘크리트용 앵커 설계법 및 예제집 2판^{(KCI 2010)}에서 규정한 저강도(17~28 MPa)와 고강도(45~60 MPa) 범위를 만족하였다.

5.2 파괴유형 및 최대강도

시험결과를 Table 4에 정리하였고, Figs. 6~8에 시험체별 대표 파괴사진을 나타내었다. 시험군별로 평균과 변동계수, 시험체 수를 이용하여 특성강도 $N_{b,\: r}$를 산정하였다.

시험 종류와 앵커 지름, 묻힘깊이에 관계없이 모든 앵커에서 Figs. 6~8과 같은 뽑힘파괴가 발생하였는데, 앵커 중심에서부터 방사형태의 균열이 관찰되었다. 시공 정밀도 시험의 앵커 지름 12 mm인 시험체 중에서 Fig. 6(b)는 원형의 콘크리트 브레이크아웃파괴와 유사한 균열이 관찰되었지만, 최종파괴는 앵커 뽑힘파괴였다. 큰 앵커 구멍 시험과 작은 앵커 구멍 시험에서도 동일하게 앵커를 중심으로 방사형태의 균열이 관찰되었다. 그런데 큰 앵커 구멍 시험에서는 지름 16 mm와 20 mm 앵커 모두 방사형태 균열의 수가 다른 시험에 비해 매우 적었다. 앵커가 큰 앵커 구멍에 설치되어 앵커 슬리브와 콘크리트 사이의 마찰력이 저하되었고, 고강도 콘크리트를 사용하는 다른 두 가지 신뢰성 시험과 달리 저강도 콘크리트블록에서 시험하기 때문에 상대적으로 낮은 최대강도에서 뽑힘 파괴되었기 때문에 균열 수가 적었다고 판단된다.

Fig. 6 Typical failures of reliability to reduced installation effort specimens

Fig. 7 Typical failures of reliability to crack width and large hole diameter specimens

Fig. 8 Typical failures of reliability to crack width and small hole diameter specimens

5.3 하중-변위 관계

시험군별 대표적인 하중-변위 그래프를 Figs. 9~11에 나타내었다. 실선과 점선은 각각 Fig. 4에 표기된 LVDT 2의 평균값과 LVDT 1의 평균값으로 각각 앵커의 뽑힘 변위와 앵커 주변 콘크리트의 변위를 나타낸다. 균열폭 게이지로 측정한 균열폭도 함께 나타내었고, 그래프 상단과 하단의 x축은 각각 균열폭과 변위를 의미한다. 하중이 증가함에 따라 균열이 확대됨을 알 수 있다.

모든 앵커에서 최대하중 이전까지 하중이 증가함에 따라 균열폭과 앵커의 뽑힘 변위가 증가하는 반면 앵커 주변 콘크리트의 변위는 거의 발생하지 않았다. 최대하중 이후에는 하중의 증가 없이 앵커에 뽑힘이 발생하면서 균열폭이 증가하였다.

Fig. 6(b)의 파괴사진을 보면 원형태의 콘크리트 브레이크아웃파괴가 발생한 것처럼 보이지만, Fig. 9(a), 9(b)를 비교하면 두 실험체 모두 최대하중에 도달할 때까지 앵커 주변 콘크리트 변위는 거의 발생하지 않았고, 하중이 증가함에 따라 앵커의 수직변위만 증가한 것으로 보아 콘크리트 브레이크아웃파괴가 아닌 뽑힘파괴가 발생되었음을 확인할 수 있다.

Fig. 9 Graphs of load-displacement of sensitivity to reduced installation effort specimens

Fig. 10 Graphs of load-displacement of sensitivity to crack width and large hole diameter specimens

Fig. 11 Graphs of load-displacement of sensitivity to crack width and small hole diameter specimens

5.4 신뢰성 평가

식 (1)로 산정한 앵커 성능비에 따른 앵커범주를 Table 5에 정리하였다. 시공 정밀도 시험과 작은 앵커구멍 시험은 Table 2의 기준시험 결과 중 균열 고강도 시험인 C-HSC 시험계와 비교하였고, 큰 앵커구멍 시험은 기준시험 중 균열 저강도 시험인 C-LSC 시험계와 비교하였다.

지름 12 mm 앵커는 시공 정밀도 시험에서는 앵커 성능비가 1.07로 앵커범주 1이지만, 작은 앵커 구멍시험에서의 앵커 성능비가 0.75로 범주2로 평가되었다. 그 외에 모든 신뢰성 시험은 앵커 성능비 0.8 이상으로 앵커범주 1로 평가되었다.