1. 서 론

후설치 앵커의 구조성능은 앵커의 기계적 성능 외에도 콘크리트 모재의 압축강도, 설치조건 및 환경과 같은 외부요인에 많은 영향을 받는다. 특히, 콘크리트 압축강도는 후설치 앵커가 콘크리트에 저항하기 위한 가장 중요한 요소이며, KDS 14 20 54^{(KCI 2021)}에는 콘크리트의 압축강도에 따라 앵커의 강도가 결정되는 설계식이 명시되어 있다.

또한, 균열이 발생한 콘크리트는 압축강도가 감소하게 되며, 이는 후설치 앵커의 내력 저하의 원인이 된다. 균열은 콘크리트 노후화 및 지진하중 등 다양한 요인에 의해 발생하게 된다. 이 중 지진하중은 반복하중을 통해 구조물을 거동하게 하여 콘크리트에 다수의 균열을 발생시키고, 기존에 발생한 균열의 폭도 확장시켜 콘크리트 모재를 손상시킨다. 이는 후설치 앵커가 설치된 홀을 관통하는 균열도 형성하여 앵커의 지지력을 저하시킨다. 따라서 균열이 발생하게 되면 앵커의 뽑힘파괴와 탈락이 발생할 수 있으며, Fig. 1과 같이 구조물에 부착된 구조재 및 비구조재의 탈락으로 인해 인명 및 재산피해를 야기시킬 수 있다^{(Kim 2017)}.

균열 콘크리트에 설치된 후설치 앵커의 성능평가에 관한 기존 연구를 살펴보면 다음과 같다. ^{Kim et al. (2022)}은 일반 탄소강재로 제작된 후설치 앵커보다 외부환경 노출에 유리한 스테인리스 스틸로 제작된 앵커를 대상으로 하여 균열 콘크리트에서의 인발시험을 수행하였다. 또한, 앵커가 비정상적이거나 불리한 조건에 대하여 앵커의 민감도를 검토하기 위한 신뢰성시험을 수행하였다^{(Kim et al. 2023)}. ^{Yun and Park (2015)}은 콘크리트용 후설치 앵커의 인장저항성능을 확인하기 위해 콘크리트 강도, 가력 프로토콜, 균열폭 및 철근비에 대한 영향을 고려하여 단조 및 반복가력실험을 수행하였다.

본 연구에서는 기존 연구^{(Hur et al. 2021)}를 통해 인발성능이 향상된 후설치 앵커를 대상으로 연구를 수행하고자 한다. 기존 연구에서는 앵커의 부족한 인발성능을 향상시키기 위해 앵커의 구조상세를 제안하였고, 유한요소해석과 성능검증시험을 통해 개선된 앵커의 성능을 평가하였다. 이에 본 연구에서는 인발성능이 향상된 후설치 앵커가 균열이 발생한 상황에서도 충분한 인발성능을 확보하고 있는지 평가하고자 한다. 균열 콘크리트에서의 앵커 인발시험을 수행한 후, 시험결과를 통해 개선된 후설치 앵커가 균열 상황에서도 충분한 구조성능과 안전한 변동계수 값을 확보하고 있는지 평가하고, 국내외 앵커 설계식과 비교하여 앵커의 성능이 모든 기준을 만족하는지 검토하였다.

2. 비틀림 제어 확장앵커 개요

본 연구에서 검증하고자 하는 앵커는 기계식 후설치 앵커 중 비틀림 제어 확장앵커이며, 기존 연구^{(Hur et al. 2021)}를 통해 앵커의 구조성능을 검증하였다. Fig. 2와 Fig. 3은 비틀림 제어 확장앵커의 상세를 나타내었다. 기존 슬리브의 길이를 증가시켜, 콘크리트와 슬리브가 맞닿는 마찰면적을 확장하였다. 이로 인해 앵커의 전체적인 마찰력이 향상하였고, 토크 가력 시 슬리브의 강재변형이 발생하는 것을 방지하여 균등한 조임력과 안전한 변동률을 확보할 수 있었다. 헤드의 경우, 기존 헤드의 길이를 증가시켜 슬리브가 확장된 상태를 유지할 수 있도록 하여 지지력이 손실되지 않도록 하였다. 또한, 마찰면적이 증가하여 응력이 발생하는 단면적이 확대되었고, 이에 앵커의 전체적인 마찰력이 증가하였다.

3. 시험계획

본 연구에서는 M8, M10, M12, M16, M20의 직경을 가진 비틀림 제어 확장앵커를 대상으로 하여 균열 콘크리트에서의 인발성능을 평가하고자 한다. 해당시험에 대한 내용은 콘크리트용 앵커 설계법 및 예제집(KCI-M-10-005)을 참고하였으며, Table 1에 시험내용을 나타내었다.

앵커의 구조성능 및 신뢰성을 평가하기 위해서는 시험으로부터 얻은 변동계수를 활용하여야 한다. 이는 극한인장하중의 변동계수($\upsilon$)가 15 %를 초과할 수 없으며, 이 규정을 만족하지 못한 앵커는 부적격으로 평가된다.

Table 2는 각 직경별 앵커의 표준 유효 묻힘 깊이와 설치를 위한 적정 토크 값을 나타내었다. 콘크리트 모재의 압축강도는 콘크리트용 앵커 설계법 및 예제집에 명시된 콘크리트 강도 기준을 따라 저강도 콘크리트는 21 MPa, 고강도 콘크리트는 45 MPa로 계획하였다.

4. 균열을 가진 앵커의 인발시험

5. 국내･외 앵커 설계식 검토

본 연구에서는 균열 콘크리트에 설치된 비틀림 제어 확장앵커의 인발시험을 수행하였고, 모든 직경의 앵커가 안전한 변동계수 값을 확보한 것으로 나타났다. 이에 국내･외 앵커 설계식을 비교하여 앵커의 강도가 충분한지 평가하였고, 모든 앵커가 설계기준을 만족하는지 검토하고자 한다.

시험결과와 국내･외 앵커 설계식을 비교하기 위해 각 직경별 앵커의 특성강도를 산정하였다. 특성강도는 시험으로부터 얻은 결과에 5 % 분위수를 적용한 값으로, 통계적 특성을 반영함으로써 안전한 앵커 설계를 수행할 수 있도록 한다. 식 (1)에 특성강도를 산정하기 위한 식을 나타내었으며, Table 6은 콘크리트 강도에 따른 각 직경별 앵커의 특성강도를 나타내었다.

여기서, $F_{m}$ : 시험으로부터 얻은 평균 강도(평균인발하중)

$K$ : 정규분포곡선에 대한 단측검정(one-sided) 허용한계와 90 %의 신뢰도에 대한 5 % 유의수준에 상응하는 계수

$\upsilon$ : 변동계수(표준편차/평균 값)

시험결과와 국내･외 앵커 설계식을 비교하기 위한 앵커 설계기준은 국내의 KDS(Korea design standard), 미국의 ACI (America concrete institute), 유럽의 ETAG(European technical approval guidelines, ^{EOTA 2016)} 앵커 설계기준을 참고하였다. 이 중 국내 KDS(KDS 14 20 54: 2021)는 미국의 ACI(ACI 318-19 or 355.2-19)와 동일한 앵커 설계식을 사용하므로 ACI 설계식(식 (2) 및 식 (3))을 사용하였다. ETAG는 ETAG Annex C의 설계식(식 (4) 및 식 (5))을 사용하였으며, 이는 ACI 318 설계식과 유사한 형태의 콘크리트 브레이크아웃강도 식을 활용하고 있다.

여기서, $A_{Nc},\: A_{c,\: N}$ : 콘크리트 브레이크아웃파괴면 투영면적(mm²)

$A_{Nco},\: A^{0_{c,\: N}}$ : 연단거리 또는 간격에 제한을 받지 않는 경우, 콘크리트 브레이크아웃파괴면 투영면적(mm²)

$\psi_{ed,\: N},\: \psi_{s,\: N}$ : 연단거리에 영향에 대한 수정계수

$\psi_{cp,\: N},\: \psi_{re,\: N}$ : 콘크리트 쪼개짐에 대한 수정계수

$\psi_{c,\: N}$ : 균열 유무에 대한 수정계수(균열인 경우 1.0, 비균열인 경우 1.4)

$\psi_{ec,\: N}$ : 편심하중 영향에 대한 수정계수

$N_{b},\: N^{0_{Rk,\: c}}$ : 단일 앵커의 콘크리트 브레이크아웃강도(kN)

$k_{c},\: k_{1}$ : 인장에 관한 기본 콘크리트 브레이크아웃강도 계수($k_{c}$는 7.0, $k_{1}$은 7.2를 적용함)

$f_{ck},\: f_{ck,\: cube}$ : 콘크리트의 설계기준압축강도(MPa)

$h_{ef}$ : 앵커의 유효묻힘깊이(mm)

본 연구는 인장-연단거리에 영향을 받지 않는 단일 앵커의 인발성능을 평가하므로, 다음과 같은 수정계수를 적용하여 공칭강도를 산정하였다. 앵커 파괴면의 투영면적, 연단거리에 대한 수정계수 및 콘크리트 쪼개짐에 대한 수정계수는 앵커의 강도에 영향을 주지 않는 설계변수이므로 모두 1.0을 적용하였다. 또한, 본 시험은 균열을 가진 앵커 인발시험이므로 균열 수정계수는 1.0을 적용하였다.

Table 7 및 Fig. 11은 시험결과와 국내･외 앵커 설계식에 따른 공칭강도가 비교되어 있다. 균열 및 저강도 콘크리트에 설치된 앵커의 특성강도는 ACI 대비 약 1.03~1.75배, ETAG 대비 약 1.00~1.70배 정도 높게 나타났다. 또한, 균열 및 고강도 콘크리트에 설치된 앵커의 특성강도 역시 ACI 대비 약 1.05~1.64배, ETAG 대비 약 1.02~1.60배 정도 높게 나타났다. 이는 앵커가 균열로 인해 강도 저하의 영향을 받았음에도, 확장된 슬리브의 마찰면적이 충분히 확보되었기 때문에 지지력(마찰력 및 걸림력) 손실이 없으므로 ACI 및 ETAG의 공칭강도보다 높은 강도를 나타낸 것으로 판단된다. 그러나, M8 앵커의 특성강도는 국외 공칭강도에 비해 다소 높거나 동등한 수준을 나타내었다. 앵커는 직경이 작을수록 콘크리트에 저항하기 위한 단면적이 감소되는데, 이로 인해 균열로 인한 영향을 추가로 받게 되어 다른 직경의 앵커와 비교했을 때 공칭강도 대비 성능편차가 크게 나타나지 않은 것으로 판단된다. 하지만, 앵커의 특성강도가 공칭강도와 동등이상의 수준으로 나타났기 때문에 앵커 설계 시 구조성능에 대한 문제는 없을 것으로 판단된다.

Table 7과 Fig. 11의 결과를 살펴보면, 시험결과와 ACI 및 ETAG의 공칭강도가 큰 편차를 나타낸 것을 확인할 수 있다. ACI와 ETAG의 공칭강도는 실제 시험과 동일한 조건을 고려하여 산정하였으므로, 연단거리, 쪼개짐 및 편심하중은 실제 앵커 강도에 영향을 주지 않는다. 따라서, 시험결과와 공칭강도 간에 영향을 주는 요소는 앵커의 투영면적인 것을 알 수 있으며 실제 시험에서도 앵커의 파괴면적은 기준에 명시된 ANco(9hef2)의 면적보다 더 크게 나타난 것을 알 수 있다.

Fig. 12는 실제 앵커의 파괴면적과 ANco에 대한 모식도를 나타내었다. 따라서, 실제 파괴된 앵커의 파괴면적과 ANco에 통해 산정한 투영면적의 상대비를 적용한다면 실제 앵커 강도와 유사한 강도를 나타낼 것으로 판단되며, 이를 고려한 설계식 제안도 가능할 것으로 사료된다.

다만, 정사각형의 투영면적을 나타내는 $A_{Nco}$와 달리 Fig. 8 및 Fig. 10을 보면 일부 앵커의 파괴면적은 직사각형 또는 직삼각형의 형태를 나타내고 있다. 이러한 형태의 앵커 파괴면적을 $A_{Nco}$와 동일한 방법으로 산정하고, 이에 대한 영향계수를 공칭강도에 적용하게 되면 실제 앵커의 강도를 과소평가하게 될 것으로 사료된다. 따라서, 추가 연구를 통해 앵커의 콘크리트 파괴면적에 대한 경향을 분석하고, 실제 앵커의 파괴면적을 반영할 수 있는 계수를 제안하는 것이 좋을 것으로 사료된다.

6. 결 론

본 연구에서는 기존 연구^{(Hur et al. 2021)}를 통해 인발성능이 향상된 후설치 앵커(비틀림 제어 확장앵커)를 대상으로 하여 균열 콘크리트에서의 앵커 인발시험을 수행하였다. 시험결과를 통해 후설치 앵커가 균열 상황에서도 충분한 구조성능과 안전한 변동계수 값을 확보하고 있는지 평가하고, 국내･외 앵커 설계식과 비교하여 앵커의 성능이 모든 기준을 만족하는지 평가하였다. 이로부터 얻은 결론은 다음과 같다.

1) 균열 및 콘크리트 강도에 따른 비틀림 제어 확장앵커의 인발시험결과, 모든 직경의 앵커는 극한인장하중의 허용기준 변동계수 값인 15 % 이내의 값을 만족하여 안전한 변동계수 값을 나타내었다. 다만, 저강도 콘크리트보다 고강도 콘크리트에서 더욱 낮은 변동계수 값을 나타내었는데, 이는 균열로 인한 강도저하의 영향이 고강도 콘크리트보다 저강도 콘크리트에서 더 많은 영향을 미친 것으로 판단된다. 하지만, 모든 앵커의 변동계수는 기준을 만족하고 있으므로 앵커의 성능편차에 대한 신뢰성을 평가하기에는 문제가 없을 것으로 확인된다.

2) 시험결과와 국내･외 앵커 설계식을 비교한 결과, 모든 직경의 앵커 시험결과는 ACI 및 ETAG의 공칭강도를 상회하는 값을 나타내었다. 따라서, 비틀림 제어 확장앵커는 균열이 발생한 상황에서도 안정적이고 높은 구조성능을 확보하고 있음을 알 수 있었다.

3) 시험결과와 ACI 및 ETAG를 비교한 결과, 실제 강도 및 공칭강도 간에 큰 편차가 나타났다. 실제 시험에서의 앵커 파괴면적은 기준에 따라 산정한 투영면적보다 크게 나타나 앵커의 파괴면적이 강도에 영향을 주는 것을 알 수 있었다. 이를 고려한 상대비를 계산하여 공칭강도에 적용하면 실제 앵커의 강도를 정확히 예측 가능할 것으로 판단된다. 다만, 일부 앵커의 파괴형태가 기준에 명시된 앵커 투영면적의 형태와 다르므로 앵커의 파괴형태 경향을 분석하기 위한 추가 연구가 필요할 것으로 판단되며, 이를 통해 앵커의 면적을 고려한 계수를 제안할 수 있을 것으로 사료된다.