2.1. 파단형 인발볼트

간이 인발시험에 사용되는 파단형 인발볼트는 시중에서 구 할 수 있는 볼트로서 직경 10 mm인 고력볼트를 선택하였 다. 보통강도 콘크리트(∼30 MPa)인 경우 인발시험시 10 mm 일반볼트로 인발하중이 30kN까지 실험이 가능하지만 고강도 콘크리트(∼60 MPa)인 경우 일반적으로 인발하중이 30 kN을 초과하므로 본 실험에서는 고력볼트만을 사용하여 인발시험 을 실시하였다. 파단형 인발볼트는 23가지의 종류의 직경에 따라 홈을 파서 제작하였으며 각각의 직경에 대하여 최대 30 본을 준비하였다. 인발시험 전에 각각의 직경을 가진 파단형 인발볼트는 3본의 인장시험을 실시하였으며 Table 1에 인장 시험결과를 나타내었다. 직경 7.75와 8.0에서 실험값이 없는 이유는 파단이 제작된 홈에서 발생된다고 예상하였지만 홈의 크기가 볼트 나사선의 크기와 비슷하여 볼트 나사선에서 파 단되어 실험값으로 사용하지 않았기 때문이다.

파단형 인발볼트는 원하는 직경으로 홈을 제작하는 과정에 서 제작 오차가 존재할 수 있으나 인장시험 결과 각각의 볼트 의 인장하중값을 3본의 평균값과 비교해 보면 최소 97%에서 최대 102%으로 거의 대부분이 ±1%의 범위에 인장하중값이 존재한다. 이를 통하여 볼트 직경의 정밀도를 확인할 수 있으 며 콘크리트 강도를 평가할 수 있는 지표로 충분하다는 것을 확인 할 수 있다. 이러한 각각의 직경을 갖는 파단형 인발볼트 는 모의벽체 시험에서 콘크리트 강도를 추정하는 데 사용되 었다.

2.2. 모의벽체시험 개요

인발시험을 위해서 Fig. 2와 같은 모의 시험벽체를 제작하 였다. 시험벽체는 1200×600×120 mm크기로 콘크리트 강도에 따라 각각 2개의 총 4개의 시험체를 Photo 3과 같이 제작하였 다. 간이 인발시험에 사용되는 파단형 인발볼트 용 인발너트 는 표준인발시험(ASTM C 900-06) 규격에 맞도록 제작하여 콘크리트 타설 전에 Photo 4와 같이 거푸집에 설치하였다.

Fig. 2

Wall specimen

Photo 3

Outside of wall specimens

Photo 4

Inside of wall specimen

본 실험에 사용된 콘크리트는 고강도로서 40 MPa와 60 MPa급 배합을 사용하였으며 고강도 콘크리트인 관계로 일정 한 품질을 확보하기 위하여 레미콘을 주문하여 사용하였다. 모의시험벽체는 봉 진동기를 사용하여 다짐한 후 충분한 수 분공급과 함께 양생포를 사용하여 보양하고 콘크리트 타설 24시간 후에 탈형하여 실내에서 양생시켰다.

재령일에 따른 콘크리트 강도와 인발하중을 비교하기 위하 여 각각의 강도조건에 따라 3개씩 총 60개의 공시체를 KS F 2403을 준수하여 제작하였다. 공시체 크기는 ∅100 mm×200 mm로 시험벽체와 동일한 시점에서 탈형하고 동일한 환경조 건에서 실내 양생을 실시하였으며 압축강도시험 전에 연마하 였다. 공시체에 대한 압축강도 시험과 인발시험은 콘크리트 타설 후 1일부터 1주일 동안은 매일, 그 후 1주일 간격으로 재 령 14일, 21일, 28일에 실시하여 결과적으로 총 10번의 시험 이 이루어졌다. 인발시험은 모의벽체를 대상으로 실시하였는 데 간이인발시험인 경우 Photo 2와 같이 유압잭으로만 구성 된 장치로 시험이 가능하나 인발하중을 구하기 위하여 Photo 5와 같이 로드셀과 유압잭으로 구성된 인발시험장치를 사용 하여 실시하였다. 첫 번째 벽체를 대상으로는 홈이 없는 고력 볼트를 사용하여 전후면 각각 5곳에서 인발시험을 실시하고 인발하중을 측정하였다.

Photo 5

Simplified pullout test including load cell

두 번째 벽체를 대상으로는 직경이 작은 파단형 인발볼트 를 매입하여 3개의 볼트가 먼저 파단되면 직경이 큰 인발볼트 를 사용하여 다시 인발시험을 실시한다. 그리고 콘크리트가 콘 모양으로 뽑혀 나오면 시험을 중단하고 그 때의 볼트 직경 을 해당 재령일의 최종 볼트 직경으로 결정한다. 그 다음 재령 일에는 그 전 재령일의 최종 볼트 직경을 사용하여 인발시험 을 실시하고 동일한 방법으로 반복하여 최종 볼트 직경을 결 정하였다. 두 번째 벽체에서는 콘크리트 강도와 인발볼트 직 경과의 관계를 구하는 것이 주 목적이어서 인발하중을 측정 할 필요가 없었으나 첫 번째 벽체 시험체에서 구한 인발하중 값과 비교하기 위하여 두 번째 벽체시험에서도 인발하중을 구하였다.

3.1. 콘크리트 압축강도 실험결과

Table 2는 각 재령에 따른 콘크리트 공시체에 대한 압축강 도 결과값을 보여주고 있다. 목표강도는 고강도 콘크리트로 40 MPa와 60 MPa급 레미콘을 주문하였으나 겨울철 실온에 서 연구목적상 모의벽체와 동일한 양생을 실시하게 되어 예 상강도보다 적은 값을 보여주고 있다. 결과적으로 40 MPa급 은 28일 강도가 32.2 MPa(이하 30 MPa급으로 표기), 60 MPa 급은 48.9 MPa(이하 50 MPa급으로 표기)를 보여주었다. 하지 만 콘크리트 강도와 인발하중, 그리고 인발볼트 직경과의 관 계를 살펴보는데는 목표강도가 조금 낮은 값을 보여주었어도 연구결과를 도출하는데 거의 영향이 없다고 판단된다.

3.2. 인발시험결과

Table 3은 인발시험결과를 보여주고 있는데 모의 벽체에 대하여 전후면 5개소, 각 재령에 10개소의 인발시험 결과값을 보여주고 있다. 인발하중값이 없는 부분은 인발너트가 불량 으로 파단형 볼트가 삽입되지 않아서 시험이 불가능한 경우 이다. 30 MPa급 콘크리트에서는 16.4 kN∼32.9 kN의 인발하 중을 보여주었으며 50 MPa급 콘크리트에서는 21.6 kN∼41.2 kN의 인발하중을 나타내었다. 파단볼트 직경에 대한 인장시 험 결과값과 연관해서 비교해보면 30 MPa급 콘크리트에서는 직경 4 mm∼5.5 mm볼트의 인장내력에 해당하며, 50 MPa급 콘크리트에서는 직경 4.5 mm∼6.25 mm볼트의 인장내력에 상응한다.

3.3. 인발하중과 콘크리트 압축강도 관계

Fig. 3과 Fig. 4는 인발하중과 콘크리트 압축강도 관계를 보 여주고 있는데 28일의 인발하중과 콘크리트 압축강도를 100% 로 가정하고 환산한 값을 나타내었다. 30 MPa급이나 50 MPa 급 모두 재령 21일에서 콘크리트 강도가 약간 높게 나타나지 만 인발하중이 초기 재령에서 조금 높은 값을 보이면서 전체 적으로는 동일한 경향을 보여주고 있다.

Fig. 3

Compressive strength versus pullout load(30 MPa)

Fig. 4

Compressive strength versus pullout load(50 MPa)

이러한 경향을 정량적으로 검증하기 위하여 Fig. 5와 같이 인발하중과 콘크리트 압축강도와의 상관관계를 살펴보았다.

Fig. 5

Correlation between pullout load and compressive strength

30 MPa급 콘크리트의 결정계수(R²)는 0.95를 나타내고 있 으며 50 MPa급인 경우는 0.97을 보여주고 있다. 30 MPa와 50 MPa급의 실험값 전체에 대해서는 0.974를 보여주고 있어 매 우 높은 상관관계가 있다고 판단할 수 있으며 결과적으로 콘 크리트 강도를 인발하중으로 정확히 평가할 수 있다고 확신 할 수 있다.

3.4. 파단형 인발볼트를 사용한 간이 인발시험 결과

간이 인발시험 장치를 활용한 인발시험 결과를 Table 4에 보여주고 있다.

표에 나타난 값은 각 재령에서 시험한 파단형 인발볼트 직 경과 그 직경에 해당하는 파단형 볼트의 파단 유무를 나타냈 는데, B는 파단형 볼트가 파단된 경우이며 C는 볼트의 파단 없이 콘크리트가 콘 모양으로 뽑혀 나온 경우를 의미한다. 본 시험은 각 재령에 있어서 목표 콘크리트 강도 도달여부를 판 정할 수 있도록 각 재령에 최소 3본 이상의 파단형 볼트가 사 용된다. 시험 순서는 각 재령에서 일정직경을 가진 파단형 볼 트 3본이 파단되면 그 다음 직경의 볼트를 시험하고 3본의 볼 트에서 콘크리트 콘이 뽑혀 나오면 그 재령에서는 시험을 종 료한다.

그 다음 재령에서는 이전 재령에서 시험이 완료된 직경의 볼트를 가지고 인발시험을 시작하고 3본의 볼트가 콘크리트 콘과 같이 뽑혀 나올 때까지 직경을 높여가면서 시험을 실시 한다. 시험이 종료되면 그때의 직경을 그 재령의 콘크리트 강 도에 대응하는 값으로 추정할 수 있다.

Fig. 6과 Fig. 7은 간이 인발시험 결과를 나타낸 것으로 인발 하중은 각 재령에서 3본의 파단형 볼트가 콘크리트와 같이 뽑 혀 나왔을 때 평균값이며, 인장하중은 그 때의 직경이 가지고 있는 인장하중값으로 Table 1에서 확인 할 수 있다. 30 MPa급 이나 50 MPa급에서도 각각의 직경에 대하여 파단형 볼트의 인장하중이 항상 인발하중보다는 큰 경향을 보여주고 있다.

Fig. 6

Pullout load versus break-off load(30 MPa)

Fig. 7

Pullout load versus break-off load(50 MPa)

결과적으로 각 재령에서 콘크리트의 뽑힘으로 결정된 직경 보다 작은 직경에서 항상 볼트가 파단된다고 추정할 수 있으 므로 목표 콘크리트 강도에 도달하였다고도 판정할 수 있다.

Fig. 8은 목표 콘크리트 강도에 도달하기 위해 필요한 파단 형 인발볼트의 직경을 구해 보았는데, 즉 각 재령에서 콘크리 트의 뽑힘에 해당하는 볼트의 직경보다 한 단계 아래의 직경 을 선택하여 콘크리트 강도와 상관관계를 조사하였다. 결과 적으로 각 재령에서 목표 콘크리트 강도에 근접한 직경의 파 단형 인발볼트를 선택하고 간이인발시험을 통하여 파단유무 를 확인하여 목표 콘크리트 강도 확보 여부를 확인할 수 있다. 수식으로 표현하면 Eq.(1)과 같다.

Fig. 8

Correlation of bolt diameter with compressive strength

여기서, x는 콘크리트 압축강도(MPa), y는 파단형 볼트의 직경(mm)이다.

이 식을 이용하면 재령 28일의 설계기준강도가 30 MPa라 고 가정하고 식에 적용해 보면 y는 5.29값이 나오는데 5.29보 다 큰 직경 5.5mm의 파단형 인발볼트를 선택하고 3본이 파단 된다면 현장에서 설계기준 강도를 확보하였다고 판단 할 수 있다.