2.1 앵커볼트의 종류

콘크리트용 앵커는 콘크리트 타설 전 또는 굳은 콘크리트 부재에 설치함으로써 구조 부재간의 하중 전달을 목적으로 콘크리트 기초와 강재의 연결에 대표적으로 사용되며, 기계 및 배관 설비, 통신 설비, 전력 설비의 비구조요소의 부착 등에 광범위하게 사용된다. 이러한 고정용 콘크리트 앵커볼트의 종류는 앵커볼트를 콘크리트에 설치하는 순서 및 방법에 따라 2 종류로 구분된다. 첫째는 콘크리트 타설 전 미리 앵커볼트를 설치하는 선 설치 앵커볼트(Cast-in-place anchor)이며 콘크리트가 굳은 후 구멍을 천공하여 설치하는 후 설치 앵커볼트(Post-installed anchor)로 분류된다.

본 연구에서는 현재 국내 발전소 내 현장조사를 통하여 운용설비 정착부의 대부분이 선 설치 앵커볼트로 시공된 점을 확인 후 이를 연구대상으로 고려하였다.

2.1.1 선 설치 앵커볼트(Cast-in-place Anchor)

콘크리트가 타설 전에 미리 설치하여 콘크리트가 타설된 후 굳으면서 콘크리트와 일체가 되는 선 설치앵커의 경우, 헤드볼트, L형 갈고리 볼트, J형 갈고리 볼트, 헤드스터드, 나사형 강봉 등의 종류가 있다.

Fig. 3은 선 설치 앵커볼트의 대표적인 종류를 나타내며 왼쪽부터 순서대로 헤드볼트, 갈고리 L형, J형, 헤드 스터드를 보여준다. 헤드볼트의 경우 인장력은 콘크리트에 대한 앵커 헤드의 지압을 통해 전달되는 앵커볼트로 앵커 몸체의 저항에 의해 전단력이 전달된다. 갈고리 볼트는 시공 시 주로 볼트 단부에 마련된 90° 갈고리(L형), 또는 180° 갈고리(J형)의 기계적인 맞물림 효과에 의해 그 성능을 발휘하며 헤드스터드 앵커볼트는 단부에 원판 모양의 머리를 갖고 콘크리트 내에 묻히는 강판을 고정시키기 위해 주로 현장에서 사용된다. 마지막으로 나사형 강봉 앵커볼트는 끝단에 볼트 헤드를 용접하는 대신 너트를 이용하여 앵커의 강도를 발휘시키는 형태로 헤드볼트의 하중전달체계와 거의 동일하다.

2.2 국내외 콘크리트용 앵커볼트 설계기준

국내외적으로 건설구조물 내 콘크리트용 앵커볼트는 매우 빈번히 사용되고 있다. 이와 더불어 많은 나라들이 그들의 현장시공성을 고려하여 적절한 앵커볼트 설계기준도 함께 제시하고 있다. 본 연구에서는 미국콘크리트학회(ACI)에서 제시하고 있는 앵커 설계법을 토대로 국내 콘크리트구조설계기준(2007)을 고려하여 앵커 한계상태를 제시하였다.

2.2.1 앵커볼트 설계 기본 개념 및 파괴형태

본 연구에서는 선 설치 앵커볼트의 구조성능에 대한 실험적 평가를 수행하였다. 인발 및 전단시험 수행을 통하여 도출된 실험결과들에 대하여 “콘크리트구조기준(2012) 부록Ⅱ 콘크리트용 앵커”를 참고하여 인장 및 전단 설계하중 값을 산정하고 앵커볼트의 안전성을 검토하였다. 인장 및 전단하중을 받는 앵커볼트의 기본개념은 아래 식 (1), (2)와 같다.

여기서, $N_{ua}$는 소요 인장강도[N], $N_{n}$는 공칭 인장강도[N]이다.

여기서, $V_{ua}$는 소요 전단강도[N], $V_{n}$는 공칭 전단강도[N]이다.

공칭 인장강도와 전단강도는 Table 1과 같이 발생 가능한 앵커 파괴 형태 중에서 가장 작은 값을 취하여야 한다.

Fig. 4와 5는 인장 및 전단하중을 받는 앵커볼트의 파괴형태를 나타냈다. 인장하중을 받는 앵커볼트의 파괴형태는 설계조건이나 외부환경에 의하여 Fig. 4(a) 강재파괴모드, Fig. 4(b) 강재뽑힘모드, Fig. 4(c) 콘크리트 측면 파열모드, Fig. 4(d) 콘크리트 파괴모드, Fig. 4(e) 콘크리트 분열모드로 발생할 수 있으며 전단하중을 받는 앵커볼트의 파괴형태 또한 Fig. 5(a) 강재파괴나 Fig. 5(b) 프라이아웃, Fig. 5(c) 콘크리트파괴모드로 각각 나타난다.

2.2.2 국내외 앵커볼트 설계기준

우리나라의 경우 2007년도 콘크리트구조설계기준을 개정하게 되면서부터 콘크리트용 앵커 설계법을 처음으로 제시하였다. 국외의 경우, 미국은 “ACI318-11 APPENDIX D”에 콘크리트용 앵커 설계법이 명시되어 있으며 유럽은 “EOTA TR045”을 통하여 앵커볼트 설계 강도를 제시하고 있다.

Table 2와 3은 콘크리트용 앵커볼트 인장설계 하중에 대하여 국내기준(KCI 2012), 미국기준(ACI 318)과 유럽기준(EOTA TR045)을 각각 나타내며 Table 4와 5는 전단하중을 받는 앵커볼트의 국내외 설계 강도식을 나타내었다.

2.3 실험 개요

2.3.1 현장설치 조사 및 대상 앵커 선정

본 연구에서 고려된 앵커볼트의 규격과 조건을 조사하기 위하여 현장조사를 수행하였다. 대상구조물로는 대전광역시에 위치한 대청댐을 테스트베드로 고려하였으며 댐 시설 내 운용설비 고정 정착부에 대하여 Fig. 6과 같이 고정부에 대한 상세조사를 수행하였다. 현장조사 결과, 두 가지의 앵커볼트를 확인하였다. 대청수력발전소가 시공된 당시에는 선 설치 앵커볼트로 대부분이 설치된 것으로 확인되었으며, 2000년에 수행된 내진보강 공사 이후 모두 후 설치 앵커볼트로 보강되어 있는 것으로 확인하였다. 초기 시공 시 설치된 앵커볼트는 콘크리트 기초에 비교적 적절히 잘 설치되어 있는 것으로 조사되었다.

따라서 본 연구에서는 선 설치 앵커볼트에 대하여 성능실험을 수행하였다. 현장조사 시 제공된 도면을 통해 알 수 있었듯 앵커볼트는 직경 M10 또는 M12의 J형 선 설치 앵커볼트로 확인되었으며 시험체 제작 시 용이성을 고려하여 M12 J형 선 설치 앵커볼트에 대한 실험연구를 수행하였다. Fig. 7은 실험 시 사용된 M12 J형 선 설치 앵커볼트의 제원과 실제 적용된 J형 앵커볼트를 나타내며 이에 대한 규격은 Table 6과 같다.

2.3.2 시험체 설계 및 제작

대청댐의 경우 콘크리트 타설 후 수십년이 경과한 상태로 시공된 콘크리트의 노후화는 상당히 진행되었다. 따라서 이들 콘크리트의 노후화에 따른 균열은 피할 수 없는 상태로 이들 콘크리트 균열 발생에 따른 고정부 앵커볼트의 구조성능을 본 연구에서 조사하였다.

콘크리트 노후화에 따른 인위적인 균열을 모사하기 위하여 미국 ACI318-11과 유럽기준 EOTA TR045, ETAG-001에 제시된 콘크리트용 앵커볼트 내진성능평가 기준을 고려하였다.

이들 기준에서는 콘크리트 시험체에 균열 폭 0.5mm를 허용한 후 정적성능평가를 수행하는 방법으로서 본 연구에서는 두께 0.5㎜ 스테인리스 강판을 이용하여 콘크리트 타설 시 삽입을 통하여 콘크리트 시험체에 인위적인 균열을 모사하였다. Fig. 8과 Fig. 9은 균열 콘크리트 시험체 설계 시 고려된 균열 형상과 선설치 앵커의 설치형상을 보여주며 Fig. 10은 인위적인 균열을 모사하기 위한 스테인리스 강판 설계와 제작형상을 나타내었다. 본 실험에 사용된 콘크리트 시험체의 경우 실제 대청댐에 시공된 콘크리트 재료의 성질과 동일한 성능으로 고려하였으며 그 규격은 Table 7과 같다.

2.3.3 시험장비

발전설비 고정부 앵커볼트의 구조성능 실험을 효과적으로 수행하기 위하여 선 설치 앵커에 대한 실험이력이 있는 부산대학교 지진방재연구센터에서 실험을 수행하였다. 시험장비는 Dynamic 1000kN UTM 장비를 이용하여 인발시험과 전단 시험을 각각 수행하였으며 Fig. 11은 본 연구에 사용된 UTM 실험장비를 나타내었다.

2.3.4 하중 가력 조건

ASTM E 488-96에 의하면 하중 가력 조건은 수치적으로 명확히 명시되어있지 않다. 특히 정적시험 시 하중가력 속도는 두 가지 조건으로 주어져 있다. 강성을 계산하거나 적절한 기능을 평가하기 위한 실험의 경우, 정확한 앵커 하중-변위 데이터를 도출하기 위하여 하중을 파괴 또는 최대 변위까지 지속적으로 증가시키는 하중 가력 방법(T-01)과 두 번째는 예상 최종 하중을 15% 씩 증가시키는 스텝로딩(Step-Loading) 방법(T-02)을 실험에서 고려할 수 있다. 본 연구에서는 앵커볼트의 파괴까지 정확한 하중-변위 데이터를 얻고자 지속적으로 천천히 파괴 시까지 하중을 가력하였다. 가력 시 하중속도는 0.4㎜/min로 천천히 거동을 관찰하며 적용하였다. Fig. 12는 인발시험 및 전단시험 하중가력에 대한 모식도이며 Fig. 13은 전단시험에서 균열방향이 가력방향과 수직되게 설치하도록 시험체를 셋팅한 모습을 나타내었다. Table 8은 본 연구에 사용된 시험체별 가력에 대한 정보를 나타내었다.

2.3.5 전단시험방법

앵커볼트 전단 성능시험은 ASTM E 488-96에 맞도록 실험을 수행하였다. 1000kN UTM 실린더에 전단 실험용 지그를 체결하고, 앵커볼트가 매립되어 있는 콘크리트 슬래브를 지면과 수직으로 세워서 전단실험용 지그의 홀에 앵커볼트가 들어가도록 콘크리트 슬래브를 밀착시킨 다음, 지그의 홀 밖으로 나온 앵커볼트를 너트로 손 쪼임 하여 고정시켰다. 실험 도중 콘크리트면의 미끄러짐을 방지하기 위하여, 콘크리트 바닥 슬래브를 1000kN UTM 반력바닥에 지그를 사용해서 F10T M24 고장력볼트(16)로 고정하였다. Fig. 14는 전단시험방법을 나타내었다.

2.3.6 인발시험방법

앵커볼트 인발 성능시험은 ASTM E 488-96를 고려하여 수행하였다. 콘크리트 바닥 슬래브를 1000kN UTM 반력바닥에 두 개의 강판을 이용하여 F10T M24 고장력볼트(8개)로 고정한 뒤, 1000kN UTM 로드셀의 유압식 인장 그립을 사용하여 앵커볼트를 장착 후 실험을 수행하였다. Fig. 15는 인발시험 에 대한 개략도를 나타내었다.

2.4 실험 결과 및 분석

2.4.1 균열 콘크리트에 매립된 선 설치 J형 앵커볼트 전단 시험 결과

미국기준 ACI355.4와 유럽기준 ETAG 001에 근거하여 인위적인 균열 폭 0.5㎜ 발생된 콘크리트 시험체에 대하여 고정 앵커부 전단시험을 수행하였다. 각 시험체별 시험 결과에 따른 최대하중 및 평균값을 Table 9에 나타내었다. Fig. 16- Fig. 18에서 보이듯 12Ø 고정형 앵커볼트 시험체에서 발생된 최대 전단하중 값은 약 22 ~ 26 kN의 범위 내에서 측정되었으며 최종적으로 세 개의 시험체에서 얻어진 최대 평균 전단강도의 값은 24.72 kN으로 평가되었다.

이들 결과에 대하여 국내 KCI 콘크리트용 앵커볼트 설계기준과 그 결과를 비교하였다. Fig. 19에 보이듯 콘크리트 시험체 내 0.5mm 균열 발생 시 고정용 앵커의 전단성능은 설계값고 비교 시 만족하는 것으로 나타났으나 한계치와의 여유는 크지 않은 것으로 평가되었다. 이는 비균열 콘크리트에 매립된 J형 선 설치 앵커볼트 전단시험결과(김동익 2019)와 비교 하였을 때 실제 값과 차이가 다소 발생하는 것으로 나타났다.

전단시험 후 앵커볼트 강재의 파괴패턴은 Fig. 20과 같이 앵커볼트 강재의 파괴로 확인하였다. 이는 상대적으로 콘크리트 지지력에 비하여 앵커볼트의 직경이 작아 앵커볼트에서 파괴가 발생한 것으로 보인다. 비균열 콘크리트에 매립된 J형 선 설치 앵커볼트 전단시험결과와 비교 하였을 때 실제 값과 차이가 발생하는 것으로 나타났다.

2.4.2 균열 콘크리트에 매립된 선 설치 J형 앵커볼트 인발 시험 결과

인발실험 결과에 따른 시험체 별 최대하중 및 평균값을 Table 10에 나타내었다. Fig. 21- Fig. 23에서 보이듯 12Ø 고정형 앵커볼트 시험체에서 발생된 최대 인발 약 51 ~ 52 kN의 범위 내에서 측정되었으며 최종적으로 세 개의 시험체에서 얻어진 최대 평균 전단강도의 값은 52.06kN으로 평가되었다.

이들 결과에 대하여 국내 KCI 콘크리트용 앵커볼트 설계기준과 그 결과를 비교하였다. Fig. 24에 보이듯 콘크리트 시험체 내 0.5mm 균열 발생 시 고정용 앵커의 인발성능은 설계값고 비교 시 충분히 만족하는 것으로 나타났다. 이는 비균열 콘크리트에 매립된 J형 선 설치 앵커볼트 인발시험결과(김동익 2019)와 비교 하였을 때 인발성능의 경우 전단성능과는 달리 균열발생에 따른 콘크리트 시험체의 성능이 균열이 발생하지 않은 시험체의 값과 거의 비슷한 것으로 나타났다.