2.1. 실험시편 설계 및 제작

본 실험은 저하중용 후설치 세트앵커시스템에 대한 부분 적 실험으로, 앵커 매입깊이 변수는 앵커 직경의 10, 8, 6, 4 배의 네 가지 경우로 실험하였다. 앵커간격 및 연단거리는 동일하게 매입깊이의 2.0, 1.0, 0.5배이며 콘크리트 설계압축 강도는 18, 30MPa의 경우에 대해 실험을 하였다. Table 1은 실험체 일람표이며, 실험체 명명법은 다음과 같다.

S-aa-bb-cc-dd, 여기서 aa는 세트앵커의 매입깊이, bb는 앵 커간격, cc는 연단거리, dd는 콘크리트의 설계압축강도를 나 타낸다.

2.2. 실험방법

본 실험에서는 직경 16mm 국내산 세트앵커 (set anchor) 를 사용하여 전단 실험을 실시하였고, 앵커의 재질은 SS 400 탄소강이며 저하중용으로 시중에서 많이 사용하는 앵커이다. 앵커는 직경 21.5mm 드릴비트로 앵커 구멍을 천공하여 설 치하였다. Fig. 1은 테스트 베드 (2.6m×2.0m×0.4m)를 제작 하는 사진이며, 노출된 강봉들은 전단력을 가력할 때 반력벽 으로 이용하였다.

Fig. 1.

Test Bed for Experiment

Fig. 2는 전단 실험의 전경이며 하중 계측을 위한 로드 셀 (load cell)을 설치한 후 하이드로릭 펌프 (hydraulc hand pump) 를 이용하여 하중을 재하하였으며, 변위를 측정하기 위하여 100mm LVDT를 양쪽에 두 개 설치하여 데이터로거 (data logger)를 이용하여 하중 및 변위량을 계측하였다.

Fig. 2.

Photo of Experiment

3.1. 유한요소해석

3.1.3. 해석모델 및 경계조건

앵커와 콘크리트 모델링에는 LUSAS에서 제공하는 8절점 솔리드 요소 (HX8M)를 사용하였으며, 이때 콘크리트 블록 과 앵커 사이에는 절점을 공유하지 않은 별개의 구조로 모델 링하였다. 앵커와 콘크리트의 두 요소가 접촉되는 접합면은 LUSAS의 스무스 컨택조인트 (smooth contact joint)를 사용 하였다. 앵커와 콘크리트 접촉부에서는 앵커를 주표면 (master), 콘크리트를 부표면 (slave)으로 적용하였다. 초기 gap을 설정 하여 실제 실험과 유사하게 모델링하였고, 스무스 컨택조인 트 요소의 일반적인 응력-변형률 관계는 Fig. 3과 같다.

Fig. 3.

Smooth Contact Joint Elements of the Stress-Strain Curve

3.2. 수치해석 결과 및 분석

3.2.1. 세트앵커의 매입깊이 변수 수치해석

세트앵커의 매입깊이 영향을 분석하기 위해 앵커 직경의 10, 8, 6, 4배의 매입깊이에 따른 실제 전단파괴거동과 수치 해석 거동의 변화를 비교 분석하였다.

Fig. 4는 매입깊이 변수 실험 결과와 수치해석 결과의 전 단파괴거동을 비교한 그래프이다. 실험 결과와 수치해석 결 과의 하중-변위 그래프의 기울기가 유사하게 나타났다. 대체 로 그래프의 기울기가 유사하게 나타났지만 Fig. 4(c)를 살 펴보면 초기 탄성 구간은 유사하나 실험 결과 그래프에 비해 수치해석 그래프의 기울기가 낮게 나타났으며, Fig. 4(d)의 경우 최대 하중이 약 15kN 차이가 발생하였다.

Fig. 4.

Numerical Results for Embedment Depth

Fig. 5는 수치해석 결과이며 콘크리트와 앵커의 응력분포 를 나타낸 것이다. 수치해석 시 콘크리트의 응력분포를 살펴 보면 콘크리트 상부에 앵커의 접촉면에 응력이 집중되는 것 으로 나타났으며 매입깊이 변수에 상관없이 콘크리트부에서 는 응력 및 형상의 차이가 없었지만 앵커부에서는 매입깊이 가 깊을수록 앵커의 응력 및 형상의 변화가 크게 나타났다.

Fig. 5.

Failure Mode for Embedment Depth

3.2.2. 세트앵커의 연단거리 변수 수치해석

세트앵커의 연단거리 영향을 분석하기 위해 매입깊이의 2.0, 1.0, 0.5배의 연단거리에 따른 실제 전단파괴거동과 수 치해석 거동의 변화를 비교 분석하였다.

Fig. 6을 살펴보면 초기 그래프의 기울기에 차이를 보였다. 실험체의 세팅 시 접촉이 완벽하지 않아 변위가 더 발생하여 생긴 실험오차로 판단된다. 연단거리가 256mm인 경우 실험 과 수치해석 결과는 모두 강재가 극한하중을 받아 강재 파괴 가 발생하였지만, 연단거리 변수가 128mm, 64mm인 경우는 콘크리트 파괴가 발생하였다. Fig. 6의 그래프를 살펴보면 실 험에서는 최대 전단하중 이후 하중이 유지되었지만 수치해석 결과는 최대 전단하중 이후 해석이 종료되었다. 수치해석에 사 용된 프로그램이 미세한 균열은 해석이 가능하나 균열이 커질 경우에는 본 프로그램의 사용은 제한적인 것으로 사료된다.

Fig. 6.

Numerical Results for Edge Distance

Fig. 7은 수치해석 결과이며 콘크리트와 앵커 응력분포를 살펴보면 콘크리트 블록에서 앵커와 콘크리트의 접촉면에 응력이 집중되는 현상이 나타났다. 연단거리 변수 128mm, 64mm일 때 수치해석 결과 앵커에 가해지는 하중 방향으로 콘크리트의 면적이 작아 콘크리트 블록에 생긴 균열이 커지 면서 해석이 종료되었다. 실험 및 수치해석 결과 최대 전단 하중 및 파괴모드가 유사하게 나타났다.

Fig. 7.

Failure Mode for Edge Distance

4.1. 세트앵커의 매입깊이 매개변수 분석

세트앵커의 매입깊이 영향을 분석하기 위하여 앵커 직경 의 10, 8, 6, 4배의 매입깊이를 실험 변수로 선정하여 실험한 결과를 이용하여 분석하였다.

Table 3 및 Fig. 8을 살펴보면 18MPa 콘크리트 블록에서 의 실험 결과는 매입깊이가 앵커 직경의 6배 이상이면 하중 에 큰 영향이 없는 것으로 판단된다. 매입깊이 변수가 4배인 실험 결과, 파괴모드는 프라이아웃 파괴 후 강재가 뽑히는 현상이 발생하였으며 매입깊이 변수 6배 이상의 실험 결과 모두 강재 파괴가 발생하였다. 매입깊이 변수 8배의 최대 전 단하중이 66.08kN이며 10배의 최대 전단하중 62.44kN 보다 약 5.51% 크게 나타났다. 이 경우 매입깊이가 얕은 실험에 서 최대 전단하중이 더 크게 나타났으나 모두 강재 파괴가 발생하였기 때문에 실험오차 범위 내에 있다고 사료된다. 매 입깊이 변수 8배의 최대 전단하중이 66.08kN이며 6배의 최 대 전단하중 58.66kN 보다 약 11.23% 크게 나타났다. 매입 깊이 변수 6배의 실험 결과 최대 전단하중이 58.66kN이며 4 배의 최대 전단하중 39.48kN 보다 약 32.70% 크게 나타났다.

Fig. 8.

Shear Load-Embedment Depth Graph

30MPa 콘크리트 블록에서의 실험 결과 매입깊이 변수가 하중에 미치는 영향은 없는 것으로 판단된다. 매입깊이 변수 에 대한 실험 결과 모두 강재 파괴가 발생하였으며 매입깊이 변수가 앵커 직경의 6배인 실험의 최대 전단하중이 가장 크 게 나타났으나 그 차이가 크지 않았다. 매입깊이 변수 10배의 최대 전단하중이 62.02kN이며 8배의 최대 전단하중 62.58kN 보다 약 0.90% 작게 나타났다. 매입깊이 변수 8배의 최대 전단하중이 62.58kN이며 6배의 최대 전단하중 63.84kN 보 다 약 1.97% 작게 나타났다. 매입깊이 변수 6배의 최대 전 단하중이 63.84kN이며 4배의 최대 전단하중 60.20kN 보다 약 5.70% 크게 나타났다.

Table 3 및 Fig. 9를 살펴보면 18MPa 콘크리트 블록에서 의 실험 결과 매입깊이 변수가 6배 이상이면 변위에 큰 영향 이 없는 것으로 판단된다. 매입깊이 변수 4배인 실험의 경우 최대 전단하중 시의 변위가 가장 작게 나타났으며 매입깊이 변수 6배인 실험의 최대 전단하중 시의 변위가 가장 크게 나 타났다. 매입깊이 변수 4배 실험의 경우 프라이아웃 파괴 후 강재가 뽑히는 현상이 발생하면서 변위가 가장 작게 나타났 다. 매입깊이 변수 6배 실험의 경우 콘크리트 표면이 다른 실험에 비해 더 많이 문들어지면서 변위가 가장 크게 나타난 것으로 추정되며 그 차이가 크지 않은 것으로 보아 콘크리트 특성에 의한 차이로 판단된다. 매입깊이 변수 10배의 최대 전단하중 시의 변위가 25.23mm이며 8배의 최대 전단하중 시의 변위 25.00mm 보다 약 0.90% 크게 나타났다. 매입깊 이 변수 8배의 최대 전단하중 시의 변위가 25.00mm이며 6 배의 최대 전단하중 시의 변위 27.55mm 보다 약 8.60% 작 게 나타났다. 매입깊이 변수 6배의 최대 전단하중 시의 변위 가 27.55mm이며 4배의 최대 전단하중 시의 변위 15.07mm 보다 약 44.9% 크게 나타났다.

Fig. 9.

Displacement-Embedment Depth Graph

30MPa 콘크리트 블록에서의 실험 결과 매입깊이 변수가 6배 이상이면 변위에 큰 영향이 없는 것으로 판단된다. 매입 깊이 변수가 4배인 경우 콘크리트 표면과 앵커 밑 부분의 거 리가 짧아 콘크리트의 표면이 더 많이 문들어지면서 변위가 크게 발생한 것으로 판단된다. 매입깊이 변수 10배의 최대 전단하중 시의 변위가 13.00mm이며 8배의 최대 전단하중 시의 변위 14.31mm 보다 약 9.15% 작게 나타났다. 매입깊 이 변수 8배의 최대 전단하중 시의 변위가 14.31mm이며 6 배의 최대 전단하중 시의 변위 14.33mm 보다 약 0.21% 작 게 나타났다. 매입깊이 변수 6배의 최대 전단하중 시의 변위 가 14.33mm이며 4배의 최대 전단하중 시의 변위 19.14mm 보다 약 25.08% 작게 나타났다.

4.2. 세트앵커의 연단거리 매개변수 분석

세트앵커의 연단거리 변수에 대한 영향을 분석하기 위해 매입깊이는 동일하게 128mm이며 매입깊이의 2.0, 1.0, 0.5 배의 연단거리에 대해 연단거리 진행방향으로 하중을 재하 하였고 실험한 결과를 이용하여 분석하였다.

Table 4 및 Fig. 10을 살펴보면 18MPa 콘크리트 블록에 서의 실험 결과는 연단거리가 하중에 큰 영향을 미치는 것으 로 나타났다. 연단거리가 매입깊이의 2배인 실험 결과 강재 파괴가 발생하였지만 연단거리가 매입깊이의 1배 이하인 실 험 결과 모두 콘크리트 파괴가 발생하였다. 연단거리 변수 2 배의 최대 전단하중이 66.08kN이며 1배의 최대 전단하중 27.44kN 보다 약 58.47% 크게 나타났다. 연단거리 변수 1 배의 최대 전단하중이 27.44kN이며 0.5배의 8.82kN 보다 약 67.86% 크게 나타났다.

Fig. 10.

Shear Load-Edge Distance Graph

30MPa 콘크리트 블록에서의 실험 결과는 연단거리가 하 중에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 연단거리가 매입깊 이의 2배인 실험 결과 강재 파괴가 발생하였지만 연단거리 가 매입깊이의 1배 이하인 실험 결과 모두 콘크리트 파괴가 발생하였다. 연단거리 변수 2배의 최대 전단하중이 62.58kN 이며 1배의 최대 전단하중 49.42kN 보다 약 21.03% 크게 나타났다. 연단거리 변수 1배의 최대 전단하중이 49.42kN이 며 0.5배의 18.34kN 보다 약 62.89% 크게 나타났다.

Table 4 및 Fig. 11을 살펴보면 18MPa 콘크리트 블록에 서의 실험 결과는 연단거리가 클수록 최대 전단하중 시의 변 위가 크게 나타났다. 연단거리가 매입깊이의 1배 이하인 실 험은 측면 균열이 먼저 일어나면서 변위가 작게 발생한 것으 로 판단된다. 연단거리 변수 2배의 최대 전단하중 시의 변위 가 25.00mm이며 1배의 최대 전단하중 시의 변위 4.22mm 보다 약 83.12% 크게 나타났다. 연단거리 변수 1배의 최대 전단하중 시의 변위가 4.22mm이며 0.5배의 최대 전단하중 시의 변위 1.89mm 보다 약 55.21% 크게 나타났다.

Fig. 11.

Displacement-Edge Distance Graph

30MPa 콘크리트 블록에서의 실험 결과 연단거리가 클수록 최대 전단하중 시의 변위가 크게 발생하는 것으로 나타났다. 콘 크리트 강도 18MPa의 경우와 마찬가지로 연단거리가 매입깊이 의 1배 이하인 경우 강재의 극한하중을 받기 이전에 콘크리트 파괴가 발생한 것으로 추정된다. 연단거리 변수 2배의 최대 전 단하중 시의 변위가 14.31mm이며 1배의 최대 전단하중 시의 변위 6.99mm 보다 약 51.15% 크게 나타났다. 연단거리 변수 1 배의 최대 전단하중 시의 변위가 6.99mm이며 0.5배의 최대 전 단하중 시의 변위 3.93mm 보다 약 43.78% 크게 나타났다.

4.3. 세트앵커의 콘크리트 강도 매개변수 분석

콘크리트 강도 변수에 대해서는 콘크리트 설계압축강도 18, 30MPa의 경우에 대해 분석을 하였다.

Fig. 12를 살펴보면 콘크리트 강도 18MPa의 경우 매입깊 이가 앵커 직경의 4배인 경우 하중이 가장 낮게 나타났다.

Fig. 12.

Shear Load-Concrete Strength Graph of Embedment Depth

앵커 본체가 하중을 받을 때 앵커 밑의 콘크리트가 하중을 견디지 못하면서 앵커의 극한하중을 받기 이전에 프라이아 웃 파괴 후 앵커가 뽑히는 현상이 발생하여 최대 전단하중이 낮게 나타난 것으로 판단된다. 콘크리트 강도 30MPa의 경우 콘크리트의 강도가 강하기 때문에 앵커 밑의 콘크리트가 하 중을 받쳐주며 앵커가 극한하중을 받아 강재 파괴가 발생하 면서 매입깊이 변수에 대한 모든 실험결과 최대 전단하중이 비슷하게 나타난 것으로 판단된다. 콘크리트 강도 30MPa의 실험 결과 모두 강재 파괴가 발생하였으나 콘크리트 강도 18MPa은 매입깊이가 얕은 경우 프라이아웃 파괴 후 앵커가 뽑히는 현상이 발생한 것으로 보아 매입깊이가 얕을수록 콘 크리트 강도의 영향이 큰 것으로 판단된다.

Fig. 13을 살펴보면 모든 매입깊이 변수의 실험 결과 콘크 리트 강도 18MPa의 최대 전단하중 시의 변위가 콘크리트 강도 30MPa의 최대 전단하중 시의 변위보다 더 크게 나타 났다. 콘크리트 강도 18MPa의 경우 30MPa보다 강도가 약 하기 때문에 앵커 본체가 하중을 받을 때 콘크리트 표면이 더 많이 문들어지면서 변위가 더 크게 나타난 것으로 추정된 다. 콘크리트 강도 18MPa의 매입깊이가 앵커 직경의 4배인 실험 결과를 보면 최대 전단하중 시의 변위가 가장 작게 나 타났다. 앵커 본체가 극한하중을 받기 이전에 프라이아웃 파 괴 후 앵커가 뽑히는 현상이 발생한 이유인 것으로 판단된다.

Fig. 13.

Displacement-Concrete Strength Graph of Embedment Depth

Fig. 14를 살펴보면 연단거리가 매입깊이의 2배인 경우 콘 크리트 강도 18, 30MPa 모두 최대 전단하중이 비슷하게 나 타났다. 연단거리가 매입깊이의 1배 이하인 경우 콘크리트 강도 18MPa보다 30MPa인 경우 모두 콘크리트 파괴가 발생 하였으나 전단 하중의 감소폭은 콘크리트 강도에 영향을 받 는 것으로 판단된다.

Fig. 14.

Shear Load-Concrete Strength Graph of Edge Distance

Fig. 15를 살펴보면 연단거리가 매입깊이의 2배인 실험 결 과 콘크리트 강도 18MPa이 30MPa보다 변위가 더 크게 나 타났다. 연단거리가 충분하였기 때문에 앵커 본체가 하중을 받으면서 콘크리트 파괴가 일어나지 않았고 콘크리트의 강 도가 약해 표면이 더 많이 문들어지면서 변위가 크게 발생한 것으로 판단된다. 연단거리가 매입깊이의 1배 이하인 경우에 는 콘크리트 강도 18MPa이 30MPa보다 작게 나타났다. 연 단거리가 짧아 앵커 본체가 하중을 받으면서 콘크리트가 하 중을 버티지 못하고 더 빠른 파괴를 보이면서 변위가 작게 발생한 것으로 판단된다.

Fig. 15.

Displacement-Concrete Strength Graph of Edge Distance