2.1 사용조건 시험 항목과 시험 방법

콘크리트용 앵커 설계법 및 예제집^{(KCI 2018)} 제3편에 사용조건 시험은 앵커가 설치되는 위치의 최소 연단거리와 설치 방법, 앵커강재의 전단파괴, 지진 인장 혹은 전단 등 총 5가지 항목으로 규정한다. 이 연구에서는 ‘연단거리 1.5$h_{ef}$를 갖는 모서리에 설치된 앵커에 대한 콘크리트 파괴강도의 검증’과 ‘지진 인장’ 2가지 항목을 실시하였다. 사용조건 시험 결과가 기준시험 결과와 통계적으로 동등한지를 비교한다.

1) 연단거리 1.5$h_{ef}$를 갖는 모서리에 설치된 앵커에 대한 콘크리트 파괴강도의 검증(이하 최소 연단거리 시험) - 콘크리트용 앵커 설계기준^{(KCI 2021)}의 콘크리트 브레이크아웃강도에서 규정된 최소 연단거리 1.5$h_{ef}$가 평가된 앵커에 적합한지를 평가하는 시험으로, 두 방향 연단거리가 1.5$h_{ef}$인 모서리에 설치된 앵커 강도를 가장자리 영향이 없는 상태에서 수행된 기준시험 결과와 비교한다. 여기서 가장자리 영향이 없는 상태란 앵커 중심에서부터 자유면까지의 연단거리가 길어, 예상되는 브레이크아웃 파괴면적이 부재의 가장자리(모서리)에 접하지 않는 것을 의미한다. 만일, 사용조건 시험 결과가 기준시험보다 통계적으로 낮으면, 개발된 앵커가 연단거리를 영향을 받지 않는 거리, 즉 기본 연단거리를 실험으로 결정하여 콘크리트 브레이크아웃강도에 적용하여야 한다.

2) 지진 인장 - 지진에 의한 반복 인장하중을 모사한 실험으로, Fig. 1의 하중이력을 가력한 후 잔류인장강도를 평가한다. 각 하중은 식 (1)~(3)으로 산정한다. Fig. 1의 하중이력 가력 후 파괴될 때까지 가력하여 측정한 잔류인장강도 평균이 $N_{eq}$의 160 % 이상이어야 한다. 만일, Fig. 1의 하중이력 가력 동안에 파괴되거나, 잔류인장강도 평균이 $N_{eq}$의 160 % 미만이면, 기준시험에서 결정된 균열 콘크리트에서 평균 인장강도 $F_{u,\: test,\: 3}$를 낮춰, 지진 인장시험 요건을 만족시켜야 한다.

여기서, $F_{u,\: test,\: 3}$는 기준시험으로부터 결정된 균열 콘크리트에서 평균 인장강도, $f_{c,\: test,\: 3}$와 $f_{c,\: test,\: 12}$는 각각 기준시험과 지진 인장시험에 사용된 실제 콘크리트 압축강도이다.

Fig. 1 Loading pattern for simulated seismic-tension test(KCI 2018)

2.2 내진용 스테인리스스틸 앵커의 특성

새로 개발된 내진용 스테인리스스틸 앵커의 형상을 Fig. 2에 나타내었고, 인장을 받는 확장식 앵커의 저항 메커니즘을 Fig. 3에 도식적으로 표현하였다. 확장식 앵커는 천공된 구멍에 앵커를 넣고 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. 앵커의 재료 및 형상적 특성은 참고문헌^{(Kim et al. 2023)}에 상세하게 설명되어 있다.

Fig. 2 Anchor drawings(Kim et al. 2022a,2022b)

2.3 기준시험 결과

선행연구^{(Kim et al. 2022a, 2022b)}에서 스테인리스스틸로 새로 개발된 확장식 후설치앵커에 대한 기준시험을 수행하였다. 세 가지 지름 12 mm와 16 mm, 20 mm 앵커를 시험하였고, 지름별 표준 묻힘깊이 70 mm와 80 mm, 100 mm로 설치되었다. 사용조건 시험은 모두 저강도 콘크리트에서 실시하는데^{(KCI 2018),} 기준시험에서 사용된 저강도 콘크리트의 압축강도는 앵커 지름 12 mm, 16 mm, 20 mm 순서대로 24.3 MPa, 22.9 MPa, 21.8 MPa였고, 콘크리트용 앵커설계법 및 예제집 2판^{(KCI 2018)} 제3편에서 규정하는 저강도 콘크리트 범위인 17~28 MPa를 만족하였다.

Fig. 3 Resisting mechanism of post-installed mechanical anchor(Kim et al. 2022b)

최소 연단거리 시험은 비균열 콘크리트에서 실시하고 지진 인장시험은 균열 콘크리트에서 실시한다. 기준시험결과 중 이 연구의 사용조건 시험과 비교하는 2가지 시험군의 시험결과를 Table 1에 정리하였다. Table 1에 정리된 전체 35개 앵커 모두 콘크리트 브레이크아웃파괴가 발생하였다.

3.1 시험 변수

2가지 항목의 시험 변수인 앵커 지름과 균열 유무, 묻힘깊이, 연단거리를 Table 2에 정리하였다.

최소 연단거리 시험에서, 앵커는 2면 모두 최소 연단거리인 1.5$h_{ef}$ 떨어진 모서리에 표준 묻힘깊이로 설치한다.

지진 인장시험도 앵커를 표준 묻힘깊이로 시공하고, 연단거리의 영향을 받지 않도록 가장자리에서 충분히 먼 위치에 설치한다.

시험체 이름은 ‘①-LSC-M②-H③-④’로 표기하며, 여기서, ①은 시험의 종류로 ‘M’은 최소 연단거리 시험, ‘ST’는 지진 인장 시험, ‘LSC’는 저강도 콘크리트, ②는 앵커 지름(단위: mm), ③은 묻힘깊이(단위: mm)를 의미하고 ④는 동일 시험체 일련번호로 ‘1’부터 ‘8’까지로 표기한다.

3.2 시험체 설계

콘크리트블록은 슬래브 형태로, 콘크리트용 앵커 설계법 및 예제집 2판^{(KCI 2018)} 제3편에 따라 철근비 1 % 정도의 철근을 시험체 하부에만 배근하고 피복두께는 15 mm로 계획하였다.

최소 연단거리 시험의 비균열 콘크리트블록의 두께는 해당 앵커를 적용할 수 있는 최소 부재두께 $h_{\min}$로 하는데, M12와 M16 앵커 각각 117 mm와 120 mm로 제작하였다. 지진 인장시험에 사용되는 균열 콘크리트블록 두께는 1.5$h_{ef}$와 100 mm, $h_{\min}$ 중 큰 값 이상으로 규정되어 있다. 용이한 제작과 시험을 위해 3가지 앵커 지름에 대해 모두 300 mm로 제작하였다.

최소 연단거리 시험용 콘크리트블록은 Fig. 4(a)와 같고, 1개의 콘크리트블록 각 모서리에 1개씩, 총 4개 앵커를 시험하였다. 지진 인장시험용 콘크리트블록을 Fig. 4(b)에 나타내었고, 비교 대상인 기준시험^{(Kim et al. 2022a, 2022b)}의 균열 콘크리트블록과 동일하다. 연단거리 영향이 없도록 1,000 mm 폭의 콘크리트블록 중앙에 앵커를 설치하였고, 양 측면에는 균열 발생과 균열폭 제어를 위한 유압잭을 배치할 공간(loading box)을 두었다. 균열은 길이 방향 철근을 가로질러 앵커 위치에서 발생해야 하므로, 균열 위치의 길이 방향 철근은 비부착처리(bond breaker)하였다. 또한 균열을 쉽게 발생시키기 위해 2 mm 두께의 철판(crack control plate)을 설치하여 콘크리트가 연속되는 단면을 최소화하였다.

Fig. 4 Details of specimen (unit: mm)

Fig. 5에 시험별 가력장치도를 나타내었다. Fig. 5(a)는 최소 연단거리 시험으로, 기준시험^{(Kim et al. 2022a, 2022b)}과 동일하다. 앵커와 강봉을 커플러로 연결하고 반력 프레임에 강봉을 관통시킨 후 300 kN 용량의 중공 유압잭으로 가력하였고 하중은 중공 로드셀로 측정하였다. 커플러와 너트 사이에 철판을 끼우고 콘크리트블록에 설치한 변위계 4대로 앵커의 수직 변위를 측정하였다. LVDT 1와 LVDT 2는 각각 앵커 주변 콘크리트와 앵커의 수직변위를 측정하였다.

Fig. 5 Test setup and instrumentation

지진 인장시험에는 Fig. 5(b)와 같이 강재로 제작된 사각형의 프레임 안에 반복하중 가력을 위한 액추에이터를 설치하였다. 프레임 하부에 콘크리트블록을 위치하여 앵커에 작용되는 인장력과 프레임의 반력이 평형을 이룬다. 앵커와 강봉을 커플러로 연결하고, 박스 형태의 철물을 이용해 액츄에이터와 강봉을 연결하였다. Fig. 5(c)는 지진 인장시험에서 앵커와 앵커 주변 콘크리트의 수직 변위를 측정하는 모습이다.

3.3 균열 생성

지진 인장시험에서 요구하는 최소 균열폭인 0.5 mm 균열을 생성한 후 시험을 수행하였다. 균열폭 0.5 mm는 지진 발생 시 앵커를 가로지르는 최대 균열로 사용하중에서 발생된 미세균열이 지진하중으로 확대된 균열폭이다.

균열은 ^{Kim et al. (2022a)}에서 고안된 방법으로 생성하였다. Fig. 4(b)에서 각 앵커 위치 양쪽 공간(loading box)에 유압잭을 넣고 콘크리트블록 길이 방향으로 힘을 가하여 블록의 단변방향으로 균열을 생성하였다. 유압잭 중심이 콘크리트블록 높이의 중앙과 일치시켜 콘크리트블록 두께 전체에 유사한 폭의 균일을 유도하였다. 콘크리트블록 가운데 균열 위치에 앵커 구멍을 천공하고 내시경 카메라를 이용하여 구멍 전체 깊이에 걸쳐 균열이 관통함을 확인하였다. 앵커 구멍 가까이 파이형변위계(PI gauges)를 설치하고 균열폭을 관찰하면서 유압잭의 유압을 증가시켜 폭 0.5 mm 균열을 생성하였다. 목표 균열폭 형성 후 유압을 유지하였다.

4.1 콘크리트 압축강도

시험일에 원주형 표준공시체(∅100×200 mm) 각각 3개씩 압축시험을 실시하였으며, 3개 평균 콘크리트 압축강도는 최소 연단거리 시험과 지진 인장시험 순서대로 17.6 MPa와 20.7 MPa였다. 콘크리트용 앵커 설계법 및 예제집 2판^{(KCI 2018)}에서 규정한 저강도 콘크리트 범위 17~28 MPa를 만족하였다.

4.2 최소 연단거리 시험

4.2.1 파괴유형과 최대강도

시험결과를 Table 3에 정리하였고, Fig. 6에 앵커 지름별 대표 파괴사진을 나타내었다. 앵커 지름과 무관하게 앵커 중심에서부터 방사형 균열이 관찰되었다. 앵커의 지름이 커질수록 방사형태의 균열 수가 많아졌는데, 이는 앵커 지름이 커질수록 묻힘길이가 증가하므로 작용 하중이 높아져 최종 파괴 시 더 많은 균열이 발생하였다고 판단된다. 균열 방향과 최종 파괴 양상을 살펴보면, 모든 최소 연단거리 시험체가 콘크리트블록 쪼갬으로 판단된다.

Fig. 6 Typical failures of minimum edge distance specimens

시험 평가방법^{(KCI 2018)}은 최소 연단거리 시험결과가 가장자리 영향이 없는 기준시험과 통계적으로 동등함을 검증해야한다. 시험에 사용된 콘크리트블록의 압축강도가 다르므로 식 (4)로 콘크리트강도를 보정한 후, T-검증으로 동등 여부를 확인하였다.

Table 3 Results of minimum edge distance test (unit: kN)

Specimen No. Series		1	2	3	4	5	6	Avg.	Stdev.	$\nu$ (%) (%)	$K_{5\%}$
M-LSC-M12-H70	$N_{b}$	26.2	27.1	24.9	29.3	25.4		26.6	1.6	5.8
	$k_{c}$	10.7	11.0	10.1	11.9	10.3		10.8	0.6	5.8	8.7
M-LSC-M16-H80	$N_{b}$	40.6	38.6	35.2	36.2	34.2	40.8	37.6	2.6	6.8
	$k_{c}$	13.5	12.9	11.7	12.1	11.4	13.6	12.5	0.9	6.8	9.9

Notes: $N_{b}$: maximum strength of specimens; Avg.; average of $N_{b}$; Stdev.: standard deviation of $N_{b}$; $\nu$: coefficient of variation of $N_{b}$; $k_{c}$: effective factor of $N_{b}$; and $K_{5\%}$: characteristic capacity of service condition tests

(4)

$N_{m}=N_{b}\times\sqrt{f_{c,\: test,\: 1}/f_{c,\: test,\: 9}}$

여기서, $N_{b}$는 시험별 최대강도, $f_{c,\: test,\: 1}$와 $f_{c,\: test,\: 9}$는 각 기준시험과 최소 연단거리시험의 콘크리트블록 압축강도이다.

M12와 M16 앵커의 T-검증값은 각각 0.56, 0.43으로 모두 0.05를 상회하여 기준시험과 통계적으로 동등하였다. 따라서 개발된 M12, M16 앵커는 표준 묻힘깊이로 설치했을 때 최소 연단거리로 콘크리트용 앵커 설계법^{(KCI 2021)}과 동일하게 1.5$h_{ef}$를 사용할 수 있다.

그런데 최소 연단거리시험 강도는 기준시험과 통계적으로 동등하지만, 파괴는 부재 쪼갬으로 기준시험의 콘크리트 브레이크아웃파괴와 달랐다. 식 (5)와 식 (6)으로 $k_{c}$의 특성값 $K_{5\%}$를 구하면, 지름별 각각 8.7과 9.9이다. 앵커 설계법 및 예제집 2판^{(KCI 2018)} 제3편에서 요구하는 비균열 콘크리트에서 콘크리트 브레이크아웃파괴에 대한 특성값 10보다 낮다. 실험체가 콘크리트 브레이크아웃파괴가 아닌 뽑힘파괴가 발생하였으므로, 부재의 강성이 충분히 높아서 콘크리트 브레이크아웃파괴가 발생한다면 특성값이 더 높아졌을 것이다.

(5)

$K_{5\%}=K_{m}(1-K\upsilon)$

(6)

$k_{c}=\dfrac{N_{b}}{\sqrt{f_{c,\: test,\: 12}}h_{ef}^{1.5}}$

여기서, $K_{m}$와 $\upsilon$는 유효계수 $k_{c}$의 평균과 변동계수, $K$는 $t$분포에서 단측(one-sided)으로 90 %의 신뢰도에 대한 5 % 유의수준에 상응하는 계수^{(Natrella 1966)}이다.

4.2.2 하중-변위 관계

시험군별 대표적인 하중-변위 그래프를 Fig. 7에 나타내었다. 실선과 점선은 각각 Fig. 5에 표기된 LVDT 2와 LVDT 1의 평균값으로 각각 앵커의 뽑힘 변위와 앵커 주변 콘크리트의 변위를 나타낸다. 모든 앵커가 유사한 하중-변위 관계를 보였는데, 하중이 증가함에 따라 앵커의 뽑힘 변위가 지속하여 발생한 반면 앵커 주변 콘크리트의 변위는 발생하지 않았다. 즉 콘크리트 브레이크아웃파괴는 발생하지 않았다.

Fig. 8에 기준시험과 최소 연단거리 시험의 앵커 변위를 비교하였다. 일반적으로 뽑힘파괴가 발생하면 최대 하중 이후 일정 하중을 유지한 채 앵커 변위가 지속해서 증가하는데, 기준시험은 이러한 경향을 잘 보여주고 있다. 반면에 최소 연단거리 시험에서는 최대 강도 발현 직후 하중이 급격히 저하되었다. 따라서 최소 연단거리 시험은 콘크리트 브레이크아웃파괴 혹은 뽑힘파괴가 아니라 부재 쪼갬 파괴로 평가된다.

3.2절 시험체 설계에서 설명하였듯이, 최소 연단거리 시험의 콘크리트블록은 앵커설계법 및 예제집 2판^{(KCI 2018)} 제3편에 따라 제조사에서 제공한 최소 부재두께로 제작되었다. 앵커설계법 및 예제집 2판^{(KCI 2018)} 제3편은 ACI 355.2^{(ACI 2007)}를 참고하여 작성되었는데, ACI 355.2-07에는 최소두께 선정방법을 규정하지 않았다. 2019년 개정된 ACI 355.2^{(ACI 2019)} 9.1.1~9.1.3에서 기계식 후설치앵커의 최소두께 산정방법을 처음 규정하였고, 2022년 개정판에서 같은 내용이 10.1.1~10.1.3으로 이동하였고 2023년 공개 토론용 개정판^{(ACI 2023)}에도 그대로 유지되고 있다. ACI 355.2-19에서 최소 부재두께는 천공깊이에 앵커지름과 30 mm 중 큰 값을 더한 값보다 커야하고, 제조사의 특기 시방에 따라 설치하는 별도의 설치시험을 실시하여 콘크리트에 균열이나 손상이 발생하지 않는 두께로 규정한다. 별도의 설치시험을 하지 않으면, 최소 부재두께는 2$h_{ef}$로 하고 이 값은 천공깊이에 앵커지름의 2배와 30 mm 중 큰 값을 더한 값보다 커야한다.

Fig. 7 Load-displacement of minimum edge distance specimens

Fig. 8 Comparison of load-displacement relations of anchor between minimum edge and reference tests

Table 4 Comparison of maximum strength and cracking moment

Specimen	$N_{b}$ (kN)	$M_{u}$ (kN･m)	$M_{cr}$ (kN･m)	$M_{u}/M_{cr}$
M12-H70-1	26.2	1.83	1.79	1.02
M12-H70-2	27.1	1.90		1.06
M12-H70-3	24.9	1.74		0.97
M12-H70-4	29.3	2.05		1.15
M12-H70-5	25.4	1.78		0.99
M16-H80-1	40.6	3.25	2.16	1.50
M16-H80-2	38.6	3.09		1.43
M16-H80-3	35.2	2.82		1.30
M16-H80-4	36.2	2.90		1.34
M16-H80-5	34.2	2.74		1.27
M16-H80-6	40.8	3.26		1.51

Notes: $M_{u}$ and $M_{cr}$ are applied maximum moment and cracking moment along the section $b$ of Fig. 9.

앵커에 인장을 가할 때 반력이 앵커를 구속하지 않도록 반력점의 시작은 2$h_{ef}$를 넘어선 위치로 규정^{(KCI 2018, ASTM 2022)}하고 있다. 따라서 Fig. 9와 같이 모서리 부재에서 국부 영역만 지점반력이 작용하여 부재 쪼갬에 상당히 불리한 조건이다. 설계기준^{(KCI 2021)}에서 정의하는 쪼갬파괴는 Fig. 3처럼 앵커의 확장슬리브에 의한 수평력 $H$에 의해 발생되는 파괴인데, 최소 연단거리 시험에서는 국부 영역 반력으로 앵커 위치의 모멘트가 콘크리트블록의 균열모멘트를 초과하면 발생할 수 있다. Fig. 9의 모서리 국부 영역 반력이 앵커에 작용한 하중의 50 %라고 가정하면 앵커 위치에 작용되는 모멘트는 $h_{ef}N_{b}$가 되고, 앵커를 가로지르는 최소 길이인 $b$ 단면의 균열모멘트는 $f_{r}b\left(h_{ef}\right)^{2}/6$가 된다. 시험체별 앵커 위치의 최대모멘트와 균열모멘트를 Table 4에 정리하였다. 최대모멘트/균열모멘트 비가 0.97~1.51인데, 파괴계수 $f_{r}$과 국부 영역 반력의 변동성을 생각하면 최소 연단거리 시험은 콘크리트블록의 부재파괴가 시험결과를 지배한다고 판단된다.

Fig. 9 Support area at corner in simulated seismic-tension test

2면 자유단을 갖는 부재 모서리에 설치된 앵커에 작용된 인장력은 앵커 위치에 모멘트를 유발할 수 없다. 또한 앵커가 설치된 위치는 지지부에서 멀고 자유단에 가까우므로 극단적인 변단면 부재가 아니라면 앵커 위치의 응력비는 매우 낮다. 따라서 최소 연단거리 시험의 부재두께는 실제 상황보다 과도하게 불리한 규정이므로, 실제 앵커 설치 상황을 반영하고 최소 연단거리 영향만을 평가할 수 있도록 개정되어야 한다.

4.3 지진 인장시험

4.3.1 파괴유형과 최대강도

지진 인장시험결과를 Table 5에 정리하였고, Fig. 10에 시험체별 대표 파괴사진을 나타내었다. 모든 앵커가 뽑힘파괴되었고, 방사형태 균열의 수는 앵커 지름과 묻힘길이가 커질수록 증가하였다. 반복가력의 첫가력에서 초기 균열들이 발생하고 이후 반복가력에는 추가 균열이 발생하지 않았다. 대부분의 방사 균열은 잔류 인장강도 확인을 위한 최종 가력에서 발생하였다. 3가지 지름 모두 목표 하중인 1.6$N_{eq}$보다 10 % 이상 높게 발현하여 개발된 앵커의 우수한 지진 저항성능을 확인하였다. 따라서, 개발된 앵커는 내진용으로 적합하다고 판단된다.

유효계수값 평균은 지름별 각 6.8, 6.9와 8.6으로 균열 콘크리트에서 콘크리트 브레이크아웃파괴의 유효계수인 7.0과 유사하거나 높았다.

Fig. 10 Typical failures of simulated seismic-tension specimens

Table 5 Results of simulated seismic-tension test (unit: kN)

No. Specimen		1	2	3	4	5	6	7	8	Avg.	Stdev.	$\nu$ (%)	1.6 $N_{eq}$
ST-LSC-M12-H70	$N_{b}$	22.0	25.9	22.0	24.8	22.7				23.5	1.6	6.8	21.0
	F.M	P	P	P	P	P
ST-LSC-M16-H80	$N_{b}$	26.9	25.8	26.7	30.5	33.3	29.2	29.2	29.0	28.8	2.2	7.8	23.2
	F.M	P	P	P	P	P	P	P	P
ST-LSC-M20-H100	$N_{b}$	44.2	44.2	45.3	44.5	46.1	41.4	40.6	45.2	44.0	1.8	4.2	39.5
	F.M	P	P	P	P	P	P	P	P

4.3.2 하중-변위 관계

시험군별 대표적인 하중-변위 그래프를 Fig. 11에 나타내었고, 그래프의 실선과 점선은 Fig. 7 최소 연단거리 시험의 그래프와 동일하다. 최종 파괴 형태가 뽑힘파괴이므로 최대하중 이후 최종파괴 시까지 콘크리트의 수직변위는 증가하지 않았고, 앵커 수직변위만 증가하였는데 최대강도 이후에도 강도를 유지하면서 변위가 증가하였다. 0.5 mm에서 시작된 균열폭은 하중이 증가하여 앵커 뽑힘이 발생하면서 증가되었다. 대부분의 시험체에서 반복가력 전과 후의 기울기는 유사한데, 반복하중에 의해 추가 손상이 심각하지 않고 탄성상태를 유지한 것으로 판단된다.

Fig. 11 Load-displacement of simulated seismic-tension specimens