4.1 변수설정

이 논문에서는 스테인리스스틸 확장식 후설치 앵커 중 현장에 주로 사용되는 직경 12 mm와 20 mm 두가지 앵커에 대해 실험을 수행하였다. 두 지름의 앵커는 각각 표준 묻힘깊이와 최소 묻힘깊이로 실험을 계획하였다. 최소 묻힘깊이는 앵커 시공 시 표준 묻힘깊이로 설치할 수 없는 경우에 사용하며, 직경 12 mm 앵커의 경우 표준 묻힘깊이는 70 mm, 최소묻힘깊이는 50 mm, 직경 20 mm 앵커의 표준 묻힘깊이는 100 mm, 최소 묻힘깊이는 78 mm이다. 콘크리트 강도는 콘크리트용 앵커설계법 및 예제집 2판^{(KCI, 2018)} 제3편 시험법에서 규정한 범위인 저강도 콘크리트 17~28 MPa, 고강도 콘크리트 45~60 MPa에 따라 저강도 실험체는 21 MPa, 고강도 실험체는 50 MPa로 설계하였다. 또, 일반적인 비균열 콘크리트 뿐만 아니라 내진성능 및 실제 구조물의 환경에서의 성능 평가를 위해 균열 콘크리트에서도 실험을 수행하였고, 모든 종류의 앵커는 각각 8개씩 제작하였다.

4.2 실험체 설계

실험체는 비균열 실험체와 균열 실험체 두 가지로 구분하였고 Fig. 2에 균열 실험체 도면을 나타내었다. 비균열 실험체는 콘크리트용 앵커 설계법 및 예제집 2판^{(KCI, 2018)}을 참고하여, D10 철근을 실험체 하부에만 간격 200 mm로 배근하였고 피복두께는 15 mm로 설계하였다. 각 앵커 간의 유사한 조건을 위해 비균열 실험체의 경우 한 실험체에 8개의 앵커가 설치되도록 설계하였다. 묻힘깊이 100 mm를 기준으로 앵커에서부터 반력점까지의 거리가 묻힘깊이의 2배인 200 mm보다 크게 설계하였다. 실험체의 높이는 묻힘깊이의 2배와 묻힘깊이에 100 mm를 더한 값 중 큰 값보다 큰 300 mm로 설계하였다.

균열 실험체는 비균열 실험체와 다르게 앵커를 설치하기 전 앵커 위치를 가로지르는 균열을 생성하였다. 콘크리트용 앵커 설계법 및 예제집 2판^{(KCI, 2018)}에서는 0.3 mm 폭의 균열을 요구하는데, 이는 사용하중 상태에서의 균열을 모사한 것이다. 선행 연구^{(Eligenhausen et al., 2004; Philipp Mahrenholtz, 2013)}에서는 균열생성을 위해 실험체에 구멍을 배치하여 슬리브를 설치해 웨지를 타격하여 균열을 생성하는 방법을 사용하거나, 실험체에 철근을 미리 관통시켜 제작한 후 강재 프레임에 설치하여 유압잭으로 관통된 철근에 인장장력을 가해 균열을 생성하는 방법을 사용하였다. 이 실험에서는 균열 생성을 위해 연구진이 고안한 방법을 사용하였다. Fig. 3과 같이 유압잭을 배치할 공간을 실험체 내에 설계하여

유압잭으로 콘크리트를 직접 인장하였다. 이 방법은 선행연구에서 사용된 방법들에 비해 균열폭의 조절이 용이하고, 전 단면에 균일한 균열을 할 수 있다. 철근비는 ACI 355 위원회^{(ACI Committee 355.2, 2019)} 및 콘크리트용 앵커 설계법 및 예제집 2판^{(KCI, 2018)}을 참고하여 약 1%로 설계하였으며, 이는 균열 폭 조절 시 철근이 탄성상태를 유지하고, 휨강도가 실험결과에 영향을 미치지 않게 하기 위함이다. 배근된 철근의 균열 생성위치에 철근과 콘크리트 사이 부착을 제거하기 위해 140 mm 길이의 필름지(bond breaker)를 감쌌으며, 2 mm 철판의 균열 유도체(crack inducer)를 설치하였다. 균열 실험체의 높이는 묻힘깊이의 1.5배이상이며 100 mm보다 커야 하므로 200 mm로 설계하였다. 비균열 실험체와 다르게 균열을 생성해야 하므로 단면을 줄이기 위해 비균열 실험체의 높이 300 mm보다 100 mm 작게 설계하였다.

가력은 Fig. 4과 같이 커플러를 이용해 앵커와 강봉을 연결하여 중공을 갖는 철물에 강봉을 관통시킨 후 30톤 용량의 중공 유압잭으로 가력을 하였고 하중은 로드셀로 측정하였다. Fig.4와 같이 앵커의 순수 수직변위를 측정하기위해 변위계 2대(LVDT 1)를 강봉에 고정시킨 철판에 설치하였고, 앵커와 주변 콘크리트의 상대 수직변위를 측정하기위해 앵커 주변 콘크리트에 변위계 2대(LVDT 2)를 설치하였다.

Fig. 3 Specimen of cracked concrete (unit: mm)

Fig. 4 Test setup

4.3 평가 방법

평가는 콘크리트용 앵커 설계법 및 예제집 2판^{(KCI, 2018)}에 제시된 방법을 따른다. 유효계수 $k_{c}$의 평균과 변동계수 그리고 실험한 앵커 수에 따른 계수 $K$가 필요하며, 이 값들을 Eq.(3)에 대입하여 특성강도($K_{5\%}$)를 계산해 앵커를 평가한다. 여기서, 유효계수($k_{c}$)는 실험에서 계측된 최대하중과 콘크리트 압축강도와 유효묻힘깊이를 사용하여 Eq.(2)의 식에서 유효계수($k_{c}$)를 제외한 나머지 변수들을 이항시켜 나타낸 Eq.(4)로 계산된다. 비균열 실험의 경우 산정된 유효계수($k_{c}$)값의 평균이 10 이상일 경우 해당 앵커는 콘크리트브레이크아웃파괴로 평가되며, 10미만일 경우는 뽑힘파괴로 평가되어 설계강도를 산정한다. 균열 실험체는 유효계수($k_{c}$)값이 7이상이어야 한다. 기계식 후설치 앵커의 공칭 콘크리트브레이크아웃파괴강도와 공칭 뽑힘강도는 실험결과에서 산정된 특성강도($K_{5\%}$)값으로 산정한다.

여기서, $K_{m}$은 유효계수 $k_{c}$의 평균, $\nu$는 유효계수 $k_{c}$의 변동계수, $K$는 정규분포곡선에 대한 단측검정(One-sided) 허용한계와 90%의 신뢰도에 대한 5% 유의수준에 상응하는 계수(Natrella, 1996), $N_{b}$는 실험에서 얻은 앵커의 파괴강도 (kN) $f_{c,\: test}$은 실험일에 측정한 콘크리트 압축강도(MPa), $h_{ef}$는 앵커의 유효묻힘깊이(mm)이다.

이 연구에서는 콘크리트용 앵커 설계법 및 예제집 2판^{(KCI, 2018)}에 규정된 최소 실험 수량인 5개보다 많은 8개를 계획하였다. 콘크리트용 앵커 설계법 및 예제집 2판^{(KCI, 2018)}의 평가방법을 따라 최소 시험 수량인 5개 앵커의 실험 결과로 인한 $K_{m}$이 KDS 14 20 54^{(KCSC, 2021)}의 설계값인 10(비균열 콘크리트) 또는 7(균열콘크리트)에 도달하지 못하는 경우 1개씩 실험을 추가하여 최대 8개까지 실험을 실시하였다.

5.1 재료시험 결과

콘크리트 재료시험을 각 실험일에 실시하였고 재료시험 결과를 Table 1 에 나타내었다. 콘크리트용 앵커 설계법 및 예제집 2판^{(KCI, 2018)}에 규정된 저강도 콘크리트 강도(17~28MPa)와 고강도 콘크리트 강도(45~60MPa) 범위를 만족하였다.

5.2 파괴모드

실험결과를 Table 2 에 정리하였다. 파괴모드를 콘크리트브레이크아웃 파괴(C)와 앵커의 뽑힘파괴(P) 그리고 뽑힘 후 콘크리트브레이크아웃파괴(PC) 3종류로 구분하였다. Fig. 5에 대표적인 실험체의 파괴모습을 나타내었다. 콘크리트브레이크아웃 파괴가 발생하기 전 앵커에서 상당한 변위가 발생한 경우를 뽑힘 후 콘크리트브레이크아웃파괴로 정하였다. C와 U는 각각 균열과 비균열 콘크리트 실험체를 의미하고, LSC와 HSC는 각각 저강도와 고강도 콘크리트를 나타내며, M○○은 앵커의 직경이고, H○○는 앵커의 유효 묻힘깊이를 의미한다. 예로 U-LSC-M12-H50은 비균열 저강도 실험체에 12 mm 지름의 앵커를 묻힘깊이 50 mm로 설치한 실험체이다.

실험체의 콘크리트 강도가 같고 앵커의 지름이 동일한 경우 균열 실험체와 비균열 실험체 모두 얕은 묻힘깊이에서 콘크리트브레이크아웃파괴가 비교적 많이 발생하였다. 이는 Eq.(2)에 따라 묻힘깊이가 깊을수록 콘크리트브레이크아웃강도가 높아짐에 의한 것으로 판단된다. 앵커의 종류가 같을 경우 콘크리크강도가 높은 실험체에서 뽑힘파괴가 많이 발생할 것으로 예상하였으나, KDS 14 20 54^{(KCSC, 2021)}에 따라 55MPa이하의 콘크리트에 설치된 후설치 앵커는 콘크리트강도가 뽑힘파괴 발생 여부에 큰 영향을 주지 않는 것으로 판단된다. 또, 실험체의 균열여부도 파괴유형에 영향을 주지 않는 것으로 보인다.

Fig. 5 Typical failures of specimens

5.3 하중-변위 관계

각 앵커 종류별 대표적인 하중-변위 그래프를 Fig. 6과 Fig. 7에 정리 하였다. 실선(Anchor Avg.)과 점선(Concrete Avg.)은 각각 앵커의 뽑힘번위와 앵커 주변 콘크리트의 변위를 의미하는데, Fig. 4에 표기된 LVDT 1의 평균값과 LVDT 2 의 평균값을 나타낸 그래프이다. 콘크리트 브레이크 아웃파괴의 경우 Fig. 6(a)의 점선 그래프와 같이 앵커의 미소변위 발생 후 최대하중에 도달하고 내력이 급격히 저하되는 그래프를 나타낸다. 이 실험에서는 앵커의 파괴모드가 세가지 종류로 나타났다. 대부분의 뽑힘파괴 그래프는 Fig. 6(b)와 같이 최대응력에 도달한 후에도 내력저하가 일어나지 않고 유지되는 그래프 개형을 나타낸다. Fig. 7(f)와 같은 그래프는 최대응력에 도달 후 콘크리트브레이크아웃파괴 그래프처럼 취성적인 파괴와 유사해 보이나, 최대응력 도달 까지 많은 변위가 발생하였으므로 콘크리트브레이크아웃파괴로 판단하기 어려워, 뽑힘 후 콘크리트브레이크아웃 파괴로 정하였고, Table 2에 파괴유형(F.M)을 ‘PC’로 표기하였다.

균열 실험체는 균열게이지로 측정한 균열 폭을 하중-변위 그래프에 함께 나타내었고, 그래프 위쪽 x축은 균열 폭을 의미한다. 가력은 균열 폭이 0.3 mm에 도달하였을 때 진행하였으며, 가력 중 균열 폭이 증가하였다.

Fig. 6 Load-displacement relations of anchors in uncracked concrete

Fig. 7 Load-displacement relations of anchors in cracked concrete