2.1 긴 칼블럭앵커

앵커 인발실험에 사용된 긴 칼블럭앵커 상세는 Fig. 2(c)와 같다. 긴 칼블럭앵커는 긴 플라스틱 플러그(long rawlplug)와 긴 나사볼트(long screw rod)로 구성된다. 플러그는 길이 250 mm이며, 몸체 직경은 8 mm 이다. 플러그 한쪽 선단 끝에는 길이 60 mm, 간격이 3 mm인 나사산의 이형돌기가 형성되어 있다. 플러그 나사산부분의 골지름은 8 mm이며 바깥지름은 9 mm이다. 플러그 제작에 사용된 플라스틱은 폴리염화비닐(PVC)이며 재료특성은 Table 1과 같다. 한편 플러그에 삽입되는 긴 나사볼트(long screw rod)의 길이는 250 mm이며 몸체의 직경은 4.7 mm이다. 플러그와 같이 끝에 나사산이 형성되어 있고, 골지름 및 바깥지름은 각각 4.7 mm 및 5 mm이다. 긴 나사볼트(long screw rod)의 머리부분에는 십자 홀이 있다. 긴 플라스틱 플러그(long rawlplug)에 긴 나사볼트(long screw rod)을 체결시키면 플러그 나사산부분의 바깥지름이 최대 13 mm까지 확장된다. 확장된 이형돌기는 천공된 지지체와 밀착되며, 이형돌기와 지지체간 마찰력에 의해 뽑힘하중에 저항한다.

2.2 실험계획

실험체 일람은 Table 2에 나타내었다. 실험체 명에서 18 및 27은 콘크리트 실험체 압축강도, 60 및 110은 긴 칼블럭앵커의 매입깊이이며 실험체 명 끝 숫자는 실험체 연번이다. 예를 들어 18-60-1은 긴 칼블럭앵커를 압축강도가 18 MPa 인 콘크리트 실험체에 60 mm로 매입하여 진행한 첫 번째 실험이다. 긴 칼블럭앵커의 인발실험을 위해서 150 × 150 × 150 mm3인 콘크리트 실험체를 총 8개 제작하였다. 긴 칼블럭앵커의 변위를 측정하기 위해서 실험체 거푸집에 플라스틱 관과 철선을 사용하여 통로를 형성하였다(Fig. 3). 긴 칼블럭앵커의 머리와 LVDT(50 mm)를 연결하기 위해 두께 3 mm 아크릴 막대를 부착하였다. 콘크리트 실험체에서 플라스틱 관과 철선을 통해서 형성된 통로를 60 mm, 110 mm로 18 MPa, 27 MPa에 각각 2개씩 천공한 뒤 플러그를 삽입했다. 이후 충전 드라이버를 사용하여 긴 나사볼트(long screw rod)와 긴 플라스틱 플러그(long rawlplug)를 일체화시키고 동시에 머리 부분을 확장시켜 실험체를 완성하였다.

Fig. 3 Concrete specimen

2.3 재료 특성

본 논문에서 사용된 콘크리트 실험체의 배합은 Table 3와 같다. 콘크리트의 목표설계 압축강도는 18 MPa과 27 MPa이다. 굵은 골재는 10 ~ 20 mm를 사용하였으며, 잔골재는 자연사를 사용했다. 물-시멘트 비는 59%였으며, 유동성 확보 및 콘크리트 다짐을 용이하게 하기 위해 감수제를 각 강도마다 0.5 % 추가하였다. 콘크리트 압축강도 시험용 공시체는 부착 실험체 제작과 함께 타설하였으며,$\varnothing$100 × 200 mm 공시체를 제작하였다.

2.4 가력 및 측정 상세

완성된 실험체를 UTM 위에 올리기 전 UTM위에 로드셀을 설치하여 하중을 측정하도록 하였다(Fig. 4(a)). 완성된 실험체 위에는 LVDT(50 mm)를 연결하여 앵커의 변위를 측정하도록 했다. 긴 칼블럭앵커에 연결철물을 설치하여 UTM으로 하중을 가하였다(Fig. 4(b)). 이때 UTM 하중 재하속도는 1 mm/min로 일정하게 유지하였다. 콘크리트 실험체와 가력 프레임 사이에 철판을 쌓아올려 편심의 영향을 최소화하였다.

Fig. 4 Anchor test set-up (pull-out)

3.1 압축강도 실험결과

Fig. 5는 설계기준강도($f_{ck}$) 18 MPa, 27 MPa의 28일 응력-변형률을 나타내고 있으며, 각 공시체의 최대 압축강도 ($f_{_{-}cm}$), 최대압축강도 시 변형률 값($\epsilon_{c}$), 탄성계수($E_{c}$), 쪼갬인장강도($f_{sp}$)를 Table 4에 정리하였다. 18 MPa의 경우 각 공시체의 $f_{_{-}cm}$이 24.1 MPa, 22.5 MPa, 21.5 MPa이 나왔으며, $\epsilon_{c}$은 0.0025, 0.0023, 0.0024가 나왔다. $f_{_{-}cm}$은 평균 22.7 MPa이며, 이때 발생한 $\epsilon_{c}$이 0.0024이므로 이 실험을 통해서 나온 압축강도는 타당하다고 판단된다. 마찬가지로 27 MPa의 경우도 $f_{_{-}cm}$은 평균이 31.4 MPa일 때 $\epsilon_{c}$이 0.0029이므로 타당하다고 볼 수 있다.

Fig. 5 Stress-strain curve of concrete

3.2 콘크리트 압축강도에 따른 뽑힘강도 평가

Table 5는 각 실험체의 최대 뽑힘강도($P_{\max}$), 슬립량($\triangle_{peak}$)과 파괴유형을 나타냈다. 모든 실험체의 파괴유형은 뽑힘파괴(pullout failure)이며, 콘크리트 블록에 큰 손상은 없었다. 칼블럭앵커 인발실험 결과를 살펴보면, $l_{d}$가 60 mm이고 $f_{ck}$가 18 MPa일 때 평균 $P_{\max}$ 는 4.3 kN이다. $l_{d}$가 60 mm이고 $f_{ck}$가 27 MPa 일 때 평균 $P_{\max}$는 5.1 kN이다. 한편 $l_{d}$가 110 mm이고 $f_{ck}$가 18 MPa일 때 평균 $P_{\max}$ 는 3.95 kN이다. $l_{d}$가 110 mm이고 $f_{ck}$가 27 MPa 일 때 평균 $P_{\max}$는 5.6 kN이다. 이는 콘크리트 실험체의 $f_{ck}$가 27 MPa인 경우가 18 MPa인 경우보다 뽑힘강도이 더 크다는 것을 나타낸다.

칼블럭의 $l_{d}$가 60 mm, 110 mm일 때의 뽑힘강도-변위 그래프를 Fig. 6에 나타내었다. 기울기의 계산을 통해서 실험체의 $f_{ck}$가 증가함에 따른 초기 미끄러짐을 비교했다. 먼저 그래프에서 $P_{\max}$까지의 그래프를 선형으로 가정한다. 이후 기울기의 계산을 통해서 각 실험체 기울기의 평균을 구했다. 18 MPa 및 27 MPa은 각각 기울기가 9.36 MPa/mm 및 10.52 MPa/mm가 나왔다. 여기서 우리는 실험체의 $f_{ck}$가 18 MPa에서 27 MPa로 증가됨에 따라 초기 미끄러짐이 감소됨을 확인 할 수 있다.

Fig. 6 Comparison of pullout strength according to embedded length

3.3 긴 칼블럭앵커의 매입깊이에 따른 뽑힘강도

긴 칼블럭앵커의 $f_{ck}$가 18 MPa이고 $l_{d}$가 60 mm일 때 평균 $P_{\max}$ 는 4.3 kN이다. $f_{ck}$가 18 MPa이고 $l_{d}$가 110 mm 일 때 평균 $P_{\max}$는 3.95 kN이다. 한편 $f_{ck}$가 27 MPa이고 $l_{d}$가 60 mm일 때 평균 $P_{\max}$ 는 5.1 kN이다. $f_{ck}$가 27 MPa이고 $l_{d}$가 110 mm 일 때 평균 $P_{\max}$는 5.6 kN이다. 이는 콘크리트 실험체의 $l_{d}$는 뽑힘강도와 무관하다고 판단된다. 따라서 긴 칼블럭앵커는 전체 길이에 걸쳐 마찰이 작용하지 않고 긴 플라스틱 플러그의 나사산 부분에만 국부적으로 작용한다는 것을 알 수 있다.

칼블럭의 $f_{ck}$가 18 MPa 및 27 MPa일 때의 뽑힘강도-변위 그래프를 Fig. 7에 나타내었다. $f_{ck}$에 따른 초기 기울기를 비교하기 위해 기울기를 계산했다. 60 mm 및 110 mm는 각각 기울기가 9.63 MPa/mm 및 10.24 MPa/mm가 나왔다. 여기서 실험체의 $l_{d}$가 60 mm에서110 mm로 증가됨에 따라 초기 미끄러짐이 감소됨을 확인 할 수 있다.

Fig. 7 Comparison of pullout strength according to concrete compressive strength

3.4 기존 앵커와의 뽑힘강도-변위 그래프 비교

Fig. 8은 ^{Al-Sabah et al. (2021)}의 스크류 앵커, ^{Moreira et al. (2014)}의 나선앵커와 본 논문의 제안된 긴 칼블럭앵커의 뽑힘강도-변위 그래프이다. ^{Al-Sabah et al. (2021)}과 ^{Moreira et al. (2014)}의 앵커인발실험에서는 변위를 가력측에서 계측한 반면, 본 연구에서는 가력측 반대쪽에서 변위를 측정하였다. 최대 뽑힘강도 발현 시점의 변위를 비교해보면, 긴 칼블럭앵커의 슬립량이 가장 적다. 이는 기존 앵커들은 지속적인 하중을 받을 때 최대 뽑힘강도에 도달할 때까지 상대적으로 많은 슬립이 발생했다는 것을 의미한다. 따라서 제안된 긴 칼블럭앵커은 기존에 사용되는 나선앵커나 스크류앵커와 다르게 초기 슬립을 제어할 수 있다는 것을 알 수 있다.

Fig. 8 Pullout strength-slip curve of rawlplug and twisted anchor