2.1 비틀림 제어 확장앵커 개요

비틀림 제어 확장앵커(이하 웨지 앵커)는 슬리브의 확장력과 콘크리트와의 마찰저항을 통해 지지력을 발현하는 앵커이다(Fig. 1 참조). 이 앵커는 기존연구^{(Hur et al. 2021; Chae et al. 2023)}를 통해 구조상세(슬리브 및 헤드)를 개선하여 인발성능이 향상되었고, 구조적 안전성에 대한 신뢰성을 확보한 것으로 확인되었다. 개선된 구조상세로 인해 콘크리트와 접촉하는 마찰면적이 증가하면서 마찰 저항력이 향상되었다. 또한, 슬리브 너비가 커지면서 슬리브 마디 간 간격이 좁아졌다. 이에 확장 중 골재와 맞물리면서 발생하는 변형을 슬리브끼리 억제하여 균등한 확장력을 확보하고 지지력 손실을 최소화하였다. 그 결과, 앵커의 특성강도($F_{5\%}$)는 설계기준에 따른 설계값($N_{n}$)보다 높은 수준으로 나타났으며, 이를 통해 구조설계 시 앵커의 성능을 효율적으로 활용할 수 있음을 확인하였다.

Fig. 1 Torque-controlled expansion anchor configuration

2.2 기준시험결과

모의 지진 인장시험에서 웨지 앵커에 가해지는 하중이력은 시험규정에 따라 콘크리트용 앵커 설계법 및 예제집에 명시된 기준시험을 통해 결정해야 한다(Table 1 참조). 기준시험은 균열 콘크리트에 설치된 단일 앵커의 인발성능을 평가하는 시험이며, Table 2는 기존 연구^{(Chae et al. 2023)}를 통해 얻은 기준시험결과를 보여준다. 기준시험결과를 보면, 모든 앵커의 특성강도는 콘크리트용 앵커 설계기준^{(KCI 2021)}에 명시된 공칭강도를 상회하는 것으로 나타났다. 또한, 변동계수($\nu$)는 약 3.5 %와 8.7 %로 나타났으며, 평가지침에서 요구하는 극한인장하중의 허용기준 변동계수(15 % 이내)를 만족하였다. 따라서, 웨지 앵커는 균열로 인한 강도 저하의 영향을 받더라도, 앵커의 인발성능과 구조적 안전성에 대한 신뢰성이 우수한 것으로 나타났다.

3.1 시험체 제작

Fig. 2 및 Fig. 3은 콘크리트 시험체 및 제작과정을 보여준다. 모재 운반과 시험과정에서 발생할 수 있는 콘크리트 모재의 손상이 시험결과에 영향을 주지 않도록 철근을 배근하였다. 모재의 중앙부에는 시험규정에서 요구하는 균열폭을 형성하기 위해 두께 2 mm의 균열 유도체를 설치하였다. 이 과정에서 균열은 철근을 가로질러 형성되므로, 해당 위치의 철근과 콘크리트 사이의 부착력을 감소시키기 위해 철근을 이질재로 감싸 균열이 용이하게 형성될 수 있도록 하였다. 시험 특성상 균열폭을 장시간 일정하게 유지해야 하므로, 균열폭 제어에 용이한 기계식 균열 유발장치를 사용하였다. 균열 유발 시 콘크리트에 작용하는 인장력으로 인해 균열 유발부의 대각 방향으로 불필요한 균열이 발생하지 않도록 철근을 배근하여 균열을 보강하였다^{(Kim et al. 2022; Kim et al. 2023)}.

콘크리트 압축강도는 콘크리트용 앵커 설계법 및 예제집에 명시된 강도 범위와 시험규정에 따라 저강도 콘크리트(17~28 MPa)로 계획하였다. 재료시험결과, 평균 압축강도($f_{cm}$)는 25.5 MPa로 나타나 모의 지진 인장시험 시 요구되는 콘크리트 강도 조건을 만족하였다(Table 3 참조).

Fig. 2 Concrete test specimen details

Fig. 3 Cracked concrete specimen fabrication process

3.2 반복가력 및 단조가력 시험계획

모의 지진 인장시험은 콘크리트용 앵커 설계법 및 예제집^{(KCI 2024)} 제 3편 “9.5 사용조건상태의 모의 지진 인장시험”에 따라 수행하였다. 이 시험규정에 따르면, 앵커는 인장 및 연단거리의 영향을 받지 않으며, 콘크리트 균열의 영향만을 고려하여 평가하도록 규정하고 있다^{(Yun and Park 2015; Youm et al. 2019)}(Fig. 4 참조).

(1) 균열 형성 시 과도한 균열은 앵커의 강도를 저하시켜 시험결과의 신뢰성을 낮추므로, 초기 균열 폭을 약 0.1 mm(비구조적 미세균열)로 형성한다. 이후, 앵커가 균열의 영향을 받도록 균열면 위에 홀을 천공한다.

(2) 제조사에서 제공한 묻힘깊이와 토크에 따라 앵커를 설치한 후, 앵커의 양측에 균열 측정기를 부착하여 균열폭을 제어한다. 이후, 균열 유발장치를 이용하여 시험규정에서 요구하는 최소 균열폭(0.5 mm)을 형성하며, 이때 균열폭은 초기 미세균열을 포함한다.

(3) 엑츄에이터와 앵커를 연결할 때, 하중이 앵커에 작용하지 않도록 해야 한다. 시험이 시작되면 하중이력에 따라 10회($N_{eq}$), 30회($N_{i}$), 100회($N_{m}$)의 반복하중을 가력한다. 시험 중 앵커가 손상되거나 파괴되면, 감소된 하중 크기를 줄여 시험을 재개할 수 있다.

(4) 반복가력이 완료되면 앵커가 파괴될 때까지 인장하중을 가하여 잔류인장성능을 평가한다. 평균 잔류인장강도가1.6$N_{eq}$ 이상일 경우, 해당 앵커는 지진하중에 저항할 수 있는 것으로 판정할 수 있다.

Fig. 4 Simulated seismic tension tests program

3.3 하중 프로토콜 계산

반복가력시험을 위한 각 단계별 하중이력은 식 (1)~(3)을 통해 계산할 수 있다. Table 4는 하중이력 및 잔류강도 평가기준을 나타내었으며, $F_{u,\: test,\: 3}$은 기준시험(0.3 mm 균열폭에 설치된 단일 앵커의 인장강도)으로부터 결정된 앵커의 평균 파괴강도, $f_{c,\: test,\: 12}$ 및 $f_{c,\: test,\: 3}$은 모의 지진 인장시험과 기준시험 시 측정한 콘크리트 모재의 평균 압축강도이다^{(Kim et al. 2024)}.

4.1 반복가력 시험결과

M16 및 M20 웨지 앵커의 반복가력시험에 대한 하중-변위 관계를 Fig. 5에 나타내었다.

M16 앵커의 시험결과에 따르면, 첫 단계 가력($N_{eq}$)에서 모든 앵커가 약 0.8~1.4 mm 정도 하중의 증가 없이 변위만 증가하는 경향이 관찰되었다. 이는 앵커의 설치과정의 오차로 인한 각도의 변화에 기인한 것으로 판단된다. 경사진 각도로 설치된 앵커는 하중의 방향과 앵커축이 일치하지 않아 모멘트가 발생하여 인장력 외 추가적인 부하가 걸리게 된다. 이는 순수한 인장하중을 받을 때보다 앵커의 거동이 증가하여 콘크리트에 추가적인 균열과 손상을 일으키게 된다. 이러한 손상은 슬리브의 확장력과 마찰 저항을 감소시켜 콘크리트와 슬리브의 완전한 정착이 이루어지지 않으므로, 앵커의 인장 저항력이 저하되어 하중의 증가 없이 변위만 증가하게 된 것으로 판단된다. 그러나, 단계별 하중이력에서의 하중-변위 관계를 보면, 모든 시험체가 대부분 유사한 인장거동을 보였으며 시험 중 앵커의 손상이나 파괴는 관찰되지 않았다. 이는 개선된 슬리브 상세가 균열로 인해 확장된 홀의 크기만큼 추가로 확장됨으로써 손실된 콘크리트의 구속력을 보강한 결과로 판단된다. 따라서, 개선된 구조상세는 손실된 지지력을 다시 확보하여 지진하중에서도 우수한 인장 저항력을 확보하는 데 효과적임을 알 수 있다.

M20 앵커에서는 #2 및 #3에서 약 1.0 mm의 슬립이 발생한 후, 반복하중에 저항하는 인장거동이 관찰되었다. 이는 M16 앵커와 마찬가지로 설치과정의 오차에 기인한 각도의 영향으로 판단된다. 다만, 모든 앵커 시리즈에서 하중-변위 관계가 대부분 유사하게 나타났으며, 단계별 하중이력에 대한 변위량의 차이는 크지 않으므로 균일한 강성을 확보한 것으로 보인다. 일반적으로 앵커는 직경이 커질수록 슬리브와 헤드 간의 결합면적이 증가하여 기계적 맞물림 효과가 향상된다. 또한, 슬리브의 너비 증가로 콘크리트와 맞닿는 마찰면적이 증가하므로 상대적인 미끌림을 억제하는 효과를 얻을 수 있다. 즉, 개선된 구조상세는 강재요소 간(슬리브-헤드) 결합면적이 증대함으로써 슬리브의 확장력이 안정적으로 유지되었기 때문에 지지력 손실 없이 균일한 거동을 확보한 것으로 판단된다.

웨지 앵커의 반복가력 시험결과, 일부 앵커에서 설치 각도의 오류로 인해 추가적인 거동이 작용하면서 콘크리트 손상에 의한 슬립이 발생하였다. 그러나, 단계별 하중이력에 따른 앵커의 강성이 유사하게 나타나 콘크리트 손상에 의한 슬립이 전체적인 인장거동 저하에 미치는 영향은 미미한 것으로 확인되었다. 또한, 반복하중 조건에서도 앵커의 손상이나 파괴가 발생하지 않아 우수한 지진 인장 저항력을 갖춘 것으로 확인되었다. 따라서, 개선된 구조상세는 균열 및 지진하중에서도 안정적인 인장 저항력을 확보하는데 효과적인 것으로 나타났다.

Fig. 5 Load–displacement relationship for simulated seismic tension test

4.2 잔류인장성능 평가를 위한 단조가력 시험결과

Table 5 및 Table 6은 웨지 앵커의 잔류강도 시험결과를 보여준다. 시험결과에 따르면, M16 앵커의 평균 잔류인장강도는 36.4 kN으로, 평가기준인 $N_{eq}$의 160 %(=34.5 kN)보다 약 5.5 % 높은 성능을 보였다. M20 앵커의 경우, 평균 잔류인장강도는 59.3 kN으로 평가기준(=53.3 kN) 대비 약 11.3 % 정도 향상된 성능 수준을 나타내었다. 이에 모든 앵커의 잔류 인장성능은 평가지침에서 요구하는 성능기준(1.6$N_{eq}$)을 충족하는 것으로 나타났다.

모의 지진 인장시험(사용조건시험)은 후설치 앵커의 적격 여부를 평가하기 위한 변동계수 기준이 규정되어 있지 않다. 다만, 기준시험의 평가기준을 참고하면 모든 앵커의 변동계수는 약 0.7 %와 1.7 %로 나타나 변동계수 허용기준(15 % 이내)을 만족하는 것으로 나타났다. 이는 균열 및 반복하중의 영향을 받더라도 앵커 간 균일한 성능을 확보하였음을 의미한다.

Fig. 6 및 Fig. 7은 단조가력시험에서 관찰된 웨지 앵커의 파괴형상을 보여준다. 시험결과, 대부분의 시험체에서 앵커를 중심으로 방사형 균열이 발생하였으며, 최종적으로 콘크리트 브레이크아웃파괴가 관찰되었다. 이러한 파괴형태는 Fig. 7과 같이 슬리브가 균등히 확장되었을 때 나타난다. 이는 확장된 슬리브 간 기계적 상호간섭이 발생하여 토크(너트를 조일 때 작용하는 회전력)와 골재와의 맞물림에의한 강재변형을 효과적으로 억제하였기 때문에 나타난 결과로 판단된다. 일부 앵커에서는 앵커를 기준으로 한쪽 면에서만 콘크리트 파괴가 발생하였는데, 이는 균열면에 의해 하중전달경로가 차단되었기 때문으로 판단된다. 이러한 현상은 앵커에 작용하는 인장응력이 국부적으로 집중되어 특정 위치에서 콘크리트의 손상과 파괴를 초래할 수 있다. 그럼에도 불구하고 직경별 앵커의 강도 편차를 보면, 평균 파괴강도를 기준으로 M16 앵커는 약 97.7~102.6 %, M20 앵커는 약 98.8~100.8 %로 나타나 콘크리트 파괴에 대한 영향은 앵커의 인발성능에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 이를 통해 구조상세가 개선된 웨지 앵커는 파괴형태와 관계없이 부착물에 작용하는 하중을 균등하게 전달하여 안정적인 고정력을 확보하는 데 효과적임을 확인하였다. 따라서, 웨지 앵커는 내진설계가 필요한 구조물에 적합하며, 국부적인 응력집중을 방지하여 구조적 안전성과 내구성을 확보하는 데 기여하는 것으로 나타났다.

Fig. 6 Failure mode of anchor

Fig. 7 Residual strength test results