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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.11 No.3 pp.46-54
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2020.11.3.046

Behavior Characteristics of Cast-in Anchor Channel Anchor Shape on Non-structural Members

Young-Soo Jeong1, Tae-Ryeon Woo2, Jae-Bong Kim3
1Ph.D. Senior Researcher, Seismic Research and Test Center, Pusan National University, Yangsan, Korea
2Ph.D. Student, Department of Civil Engineering, Pusan National University, Busan, Korea
3Ph.D. Research Professor, Seismic Research and Test Center, Pusan National University, Yangsan, Korea

본 논문에 대한 토의를 2020년 07월 31일까지 학회로 보내주시면 2020년 08월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author: Kim, Jae-Bong Seismic Research and Test Center (SESTEC), Pusan National University, Yansan, 50612, Korea Tel: +82-51-510-8185, Fax: +82-51-510-8181 E-mail: kjb@pusan.ac.kr
April 3, 2020 May 18, 2020 June 8, 2020

Abstract


Anchor channels are applied to the connected components of reinforced concrete structures as a result of their ease of and reliability in being affixed to the exterior of structures. Moreover, cast-in anchor channels do not damage the concrete reinforcement during drilling and have the advantage of minimizing damage due to field welding. In this study, the tensile and shear behaviors of anchor channels, coupled with the stud anchor and plate-welded anchor types, were evaluated experimentally. The test results show that the stud anchor type has a relatively large ultimate tensile strength compared to that of the plate-welded anchor type. As a result of comparing the geometric shape of the anchor embedded in the concrete, the presence or absence of rebar located at the edge, and edge distance, it was found that the shear strength of the plate-welded anchor type is approximately 55% lower than that of the stud anchor type.



비구조재 정착부 앵커형상에 따른 선설치 앵커채널의 거동 특성

정 영수1, 우 태련2, 김 재봉3
1부산대학교 지진방재연구센터 선임연구원
2부산대학교 사회환경시스템공학과 박사과정
3부산대학교 지진방재연구센터 연구교수

초록


앵커채널은 건축 외장재 등을 쉽고 안정적으로 고정하는데 적합하여 철근콘크리트 구조물의 연결 구성요소에 적용되 고 있다. 선설치 앵커채널은 천공 중 콘크리트 보강재를 손상시키지 않으며, 현장용접 등에 의한 손상을 최소화 하는 장점이 있 다. 본 연구에서는 원형앵커와 I형 앵커를 적용한 앵커채널의 인장 및 전단 거동을 실험적으로 평가하였다. 연단거리 및 피복철 근 및 앵커형상에 따른 앵커채널의 인장 및 전단강도 평가를 위하여 인장 및 전단실험을 실시하였다. 시험 결과, 원형앵커의 인 장강도는 I형 앵커보다 증가하는 경향이 나타났다. 그리고 콘크리트에 매립된 앵커의 기하학적 형상, 피복철근 유무 및 연단거 리에 따라 비교한 결과, I형 앵커의 전단강도가 원형앵커보다 약 55% 낮은 것을 알 수 있었다.



    National Research Foundation of Korea
    NRF-2018R1D1A1B07044064

    1. 서 론

    2016년 9월 규모 5.8의 경주지진, 2017년 11월 규모 5.4의 포항지진 등이 발생함에 따라 국내에서도 중 규모 이상의 지진에 대한 경각심이 더욱 고조되고 있다. 특히 경주지진과 포항지진의 경우에는 비구조 재에 의한 피해가 많이 보고되었다(Lee et al., 2016;Yoon, 2018). 따라서 이와 관련한 외벽 마감재, 커튼 월은 물론 천장재, 배관 및 기기의 바닥 정착 등 비 구조재가 구조재에 연결되는 앵커부의 내진성능 향 상을 위한 기술 개발이 필요하다.

    일반적으로 대형 구조물 또는 설비기기 등의 정 착부에는 선설치 앵커(Cast-in anchor)를 적용하고, 건 축물의 보수 및 리모델링 시에는 시공의 유연성과 용이성이 우수한 후설치 앵커(Post-installed anchor)를 적용한다. 1980년대부터 미국과 유럽에서 후설치 앵 커에 대한 많은 시험이 수행되어 국제적인 데이터베 이스도 구축되었으며, 이러한 평가 결과를 활용하여 ACI 318, 349 및 355의 설계규정이 지속적으로 재개 정 되고 있다. 국내에서는 미국콘크리트학회를 참고 하여 콘크리트구조 설계기준 해설(KCI, 2008)을 개정 하였다. 또한 건축, 기계 및 원자력 분야에서 적용되 는 소형, 중대형 선설치 및 후설치 앵커의 매입깊이, 앵커간격, 연단거리 등을 변수로 인장 및 전단거동 에 대한 실험적, 해석적으로 다양한 연구가 국내외 적으로 진행되고 있다(Bui et al., 2018;Kim and Jung, 2018;Lee et al., 2011;Yilmax, et al., 2013).

    헤드볼트, J 또는 L형의 갈고리볼트, 헤드 스터드 등의 다른 유형의 선설치 앵커와 비교하여 앵커 채 널(Anchor channel)은 채널 길이에 따라 다양한 위치 에서 볼트(T-bolt)를 슬롯에 삽입하여 공차에 대한 보 정이 가능하고, 현장 용접 및 천공이 필요하지 않아 보강재가 절단되지 않는 장점이 있다. 이렇게 선설 치앵커와 후설치앵커의 장점을 포괄하는 선설치 앵 커채널의 앵커는 원형과 I형의 앵커를 사용하고 있 다. 원형(Stud type) 앵커는 설치되는 앵커의 개수가 제한되지 않아 주로 2개 또는 3개의 앵커가 채널 후 면에 용접되고, I형(Plates-welded type) 앵커는 균열 및 비균열 콘크리트에 인장 및 전단하중을 전달하여 안전하고 효율적인 형식이다.

    최근 단수 및 복수의 앵커채널 설치에 따른 콘크 리트의 파괴강도를 설계지침에서 제안하고 있으나 (ACI 318, 2014, EAD 330008-02-0601, 2016, EN 1992-4, 2018), 앵커 채널의 경우, 다양한 파괴모드를 가지고복잡한 설계가 필요하며 실험적 결과에 기초 하기 때문에 설계기준은 빈번하게 개정되고 있다 (AC232, 2018). 주로 국외의 제작사에서 앵커채널에 대한 연구가 진행되고 있으며, 앵커채널과 헤드 스 터드와의 전단성능 비교(Bede et al., 2018), 앵커채널 의 인장강도에 대한 실험 및 해석적 평가가 실시되 어 지고 있다(Islam et al., 2017). 하지만 국내에서는 앵커채널의 성능평가를 해석적 적용하고 있으나 제 한적이며(Yoon and Ryu, 2011), 국내 제작사의 앵커 채널에 대한 연구는 매우 부족한 실정이다. 또한 현 재 국내 앵커채널 정착부의 건축구조에 적용되는 설 계기준은 전무한 실정이며, 기본적인 설계 및 기술 적 검토 없이 시공되는 경우가 대부분이다.

    본 연구에서는 기존 일반적인 앵커와 달리 자체 중량이 상대적으로 큰 외벽 커튼월, 천장재 등의 정 착부에 적용되고 있는 선설치 앵커 채널의 거동특성 평가를 위하여 원형 및 I형 앵커를 적용한 앵커채널 의 인장 및 전단실험을 실시하였다. 콘크리트에 매 립된 앵커의 기하학적 형상, 연단거리, 그리고 연단 철근 유무에 따라 선설치 앵커 채널의 인장 및 전단 거동을 비교분석하였다.

    2. 선설치 앵커채널

    2.1 앵커채널

    원형앵커 및 I형 앵커에 대한 앵커채널의 콘크리트 파괴강도는 EN 1992-4 및 EAD 330008-02-0601 및 AC232와 같은 설계 표준에 따라 계산 및 설계되었 다. 하지만 플레이트 용접 앵커 채널(PAC)의 콘크리 트 전단 파괴모드는 모호하고 불분명하다. 앵커 채 널은 T 형 볼트, 열간 압연 또는 냉간 성형 채널 및 다양한 형상의 앵커로 구성된다.

    본 연구에서는 KS D 3519 SAPH 440 강종의 길 이 350mm, 폭 40mm 및 높이 25mm인 채널을 사용 하였다. 원형앵커는 직경 16mm, 길이 70mm의 앵커 3개로 구성되어 있으며, 앵커는 140mm 간격으로 반 자동 아크 용접 방법으로 제작되었다. 그리고 I형 앵 커의 경우, Fig. 1과 같이 두께가 상이한 강재의 용 접을 통하여 제작되었다.

    2.2 콘크리트 블록 실험체

    콘크리트 블록 실험체의 측면파열(side-face blowout) 및 쪼개짐을 방지하고 콘크리트 파괴(Concrete breakout)를 유도하기 위하여 콘크리트 설계기준 압축강도는 30MPa로 제작하였다. 측정결과 콘크리트 압축강도는 28.6∼31.8MPa로 평가되었다.

    총 8개의 직사각형 콘크리트 블록을 제작하였으 며, 인장 강도 평가를 위하여 1100mm x 2000mm x 300mm 콘크리트 블록에 대칭적으로 3개의 앵커채널 을 설치하였다. 또한 전단강도 평가를 위하여 Fig. 2 와 같이 1100mm x 1100mm x 300mm 콘크리트 블록 의 각 변에 1개의 앵커채널을 설치하였다. 또한 콘 크리트 블록의 상부와 하부에 D10 철근을 격자로 배근하여, 유도한 파괴모드 이외의 균열을 방지하였 다. AC232 설계기준 및 선행연구를 참고하여 연단거 리는 100mm 및 150mm로 선정하였으며, 다양한 환 경에서 콘크리트 설계기준의 최소피복 두께를 고려 하여 슬래브의 피복철근 설치 유무에 따른 전단거동 을 평가하고자 하였으며, 실험 매개변수를 Table 1에 나타내었으며, Fig. 2에 실험체의 형상을 나타내었다.

    2.3 콘크리트 블록 실험체

    인장 및 전단 실험은 T 볼트를 특수 제작된 지그 (jig)의 하부와 연결하고, 지그의 상부와 동적시험기 (1,000kN)를 연결하여 수행되었다. 또한 실험 중 콘 크리트 슬래브의 위치변화 등을 제어하기 위하여 슬 래브의 상면 및 후면에 콘크리트 파괴면적을 고려하 여 제작된 프레임 지그를 설치하였다. 인장 및 전단 실험체는 반력바닥과 프레임 지그와 4개의 고장력 볼트로 고정하여 실험 중에서의 콘크리트 바닥 슬래 브의 미끄러짐을 방지하였다.

    인장실험 및 전단실험은 ASTM E488-18에 따라 실시되었으며, 시험체 형상과 가력방향은 Fig. 3과 같다. 하중은 콘크리트 균열 발생까지 0.5mm/min, 균 열 발생 이후부터 파괴까지 1.0mm/min의 일정한 변 위 속도로 유압 액추에이터 변위를 제어하여 가력되 었으며, 10Hz의 샘플링 속도로 하중과 변위를 측정 하였다.

    3. 선설치 앵커채널의 인장 및 전단 거동

    3.1 인장실험 결과

    일반적으로 앵커 채널은 인장하중 하에서 앵커파괴, 앵커와 C 채널의 연결부, C 채널의 립(lib), T 볼트파 괴, C 채널파괴, 앵커의 pull-out, 콘크리트 콘 파괴, 콘크리트 쪼개짐 파괴, 그리고 콘크리트 측면파괴의 9 가지 파괴모드를 가진다.

    본 연구에서 사용된 앵커채널 앵커의 묻힘 깊이 는 다른 선설치 앵커와 비교하여 상대적으로 짧다. 그리고 하중을 받는 T 볼트가 인장하중을 받는 상태 에서 채널을 들어 올리는 동안, 가장 큰 하중을 받 는 앵커의 헤드에서 콘크리트 콘 파괴가 발생하였 다. 상기와 같은 콘크리트 콘 파괴모드의 발생원인 은 일반적인 헤드 스터드 파괴 시의 발생원인과 유 사하다.

    각각의 선설치 앵커채널의 하중-변위 곡선을 Fig. 4에 나타내었으며, 동일한 앵커형상에 대한 실험결 과, 원형앵커와 I 형 앵커의 파괴강도는 유사하게 나 타났다. 그러나 원형앵커의 경우 균열발생 이후 급 격하게 하중이 감소한데 반해, I 형 앵커의 경우 원 형 앵커보다 콘크리트와의 접촉 면적이 넓어 파괴강 도 이후 완만하게 하중이 감소하였다.

    I형 앵커의 경우 원형 앵커보다 지압면적이 약 2.3배 크고 에너지소산능력이 우수하지만, 앵커헤드 의 두께 부족으로 인하여 Table 2와 같이, 원형 앵커 의 파괴강도는 I형 앵커의 파괴강도보다 약 1.18배 증가한 것으로 나타났다.

    3.2 전단실험 결과

    앵커 채널은 전단 하중 하에서 7가지 파괴모드를 가 지며, T 볼트파괴, 앵커파괴, C 채널의 종 및 횡방향 립(lib) 파괴, 앵커와 C 채널의 연결부, 콘크리트 프 라이 아웃, 그리고 콘크리트 연단파괴가 있다. 선설 치 앵커채널에서 연단거리가 충분한 경우에는 강재 파괴, 콘크리트 콘 파괴가 발생하게 되며, 연단거리 가 부족한 경우에는 콘크리트 측면이 파괴되는 콘크 리트 연단파괴가 발생하게 된다.

    연단거리가 150mm이며 피복철근이 없는 경우의 하중-변위 곡선을 Fig. 5에 나타내었다. Fig. 5(a)의 원형앵커 결과는 서로 다른 하중-변위 곡선 형태를 나타내고 있는데, 이는 실험과정 중에서 발생된 슬 립의 영향, 콘크리트의 국부파괴 및 콘크리트와 앵 커하부와의 마찰효과에 기인한 것으로 판단된다. Fig. 5(b)와 같이 I형 앵커는 C 채널 측면에 설치된 앵커에 의하여 지속적인 마찰저항으로 콘크리트 연 단균열의 발생 이후 하중이 증가하는 경향을 나타내 었다. 상기와 같은 결과는 실험방법에 의한 오차보 다는 콘크리트 재료 특성의 변동성 및 제작 오차에 의한 것으로 판단된다.

    연단거리 및 피복철근의 유무에 따른 원형앵커와 I형 앵커의 하중-변위 곡선을 비교하여 Fig. 6에 나 타내었다. Fig. 6(a)는 동일한 연단거리에서 피복철근 의 유무에 따른 파괴강도 및 변형량을 나타낸 것이 며, 피복철근을 설치함에 따라 콘크리트 파괴강도가 증가하였다. 모든 실험체에서 최대하중 이후 하중은 급격하게 감소하는 경향을 나타내었으며, ACI 318과 EOTA, 2012 같이 연단거리가 증가함에 따라 콘크리 트 파괴강도는 증가하는 것으로 나타났다. Fig. 6(b) 와 같이 I형 앵커도 원형앵커와 유사한 경향이 나타 났다.

    건축물 외벽 마감재와 콘크리트 슬래브 사이의 전단력 전달을 목적으로 설치되는 앵커채널은 외벽 마감재와 콘크리트 슬래브와의 일체거동을 위하여 최소 변위에서 전단강도의 발현이 중요하다. 연단거 리 150mm이며 피복철근이 없는 경우, 최대전단력에 서 원형앵커의 수평변위는 3.2∼4.6mm, I형 앵커는 2.3∼2.7mm로 측정되었으며, C 채널 측면에 설치된 앵커로 인하여 상대적으로 I형 앵커에서 적은 수평 변위에서 최대전단력 상태를 나타내었다. 하지만 Fig. 7과 같이 T1-series의 경우에는 I형 앵커의 전단 강도는 원형앵커보다 약 55% 감소하는 경향을 나타 내었다. 또한 T2, T3 및 T4 series 모든 실험체에서 I 형 앵커의 전단강도는 원형앵커보다 감소하는 것으 로 나타났다.

    3.3 콘크리트 파괴면

    인장 및 전단실험 종료 후 각 실험체의 콘크리트 파 괴형상을 평가하였으며, Fig. 8과 같이 인장실험결과 일반적인 복수 형태의 앵커와 유사하게 콘파괴 형태 를 나타내었다.

    앵커최대전단력에 도달하기까지 육안관찰결과 특 별한 손상은 관찰되지 않았으나, 최대전단력 도달 후 앵커채널 단부에서 시작된 원추형 형태의 경사균 열이 관찰되었다. Fig. 9에 전단실험 후 파괴형상을 나타내었으며, 앵커형상, 연단거리, 피복철근 유무와 관계없이 콘크리트가 파괴된 것을 알 수 있다. 하지 만 I형 앵커의 경우에는 복수의 균열이 발생하였으 며, 최초 앵커채널 단부 부근에서 콘크리트 파괴 발 생 후, 앵커채널 후면에 용접된 앵커 부근에서 추가 적으로 파괴가 발생하는 경향을 나타내었다.

    Fig. 10과 같이, 피복철근이 설치되어 있지 않고 상대적으로 짧은 연단거리를 가지는 T3-series 실험 체의 균열은 앵커채널 단부에서 시작되어 슬래브 상 부면 방향으로 경사지게 발생하였다. 앵커형상 및 피복철근에 따라 앵커채널 후면의 콘크리트가 파괴 되는 양상이 다르게 나타났는데, I형 앵커의 경우에 는 앵커채널 단부와 I형 앵커 측면에 설치된 앵커 부근에서 복수의 균열이 관찰되었다. 이는 I형 앵커 측면에 설치된 앵커로 인한 모멘트 저항이 지속적으 로 증가하여 하중작용과 반대 방향의 콘크리트가 파 괴되는 형태를 나타낸 것으로 판단된다.

    4. 결 론

    현재 앵커 채널의 국내 설계기준은 전무하며, 일반 적으로 해외의 기준 DIN EN 1992 및 AC232를 준용 하여 설계되어지고 있다. 앵커채널의 설계 시 앵커 채널에 하중분산이 일정하지 않아 콘크리트 연단파 괴를 유도하기 위하여 앵커간격, 슬래브 두께 및 연 단거리를 일반적인 선설치 앵커보다 크게 가정한다. 따라서 외벽 마감재, 커튼월은 물론 천장재, 배관 및 기기의 바닥 정착 등 비구조재가 구조재에 연결되는 앵커채널의 거동특성 평가가 필요하다. 이에 본 연 구에서는 선설치 앵커 채널의 거동특성 평가를 위하 여 원형 및 I형 앵커를 적용한 앵커채널의 인장 및 전단실험을 실시하였다. 또한 콘크리트에 매립된 앵 커의 기하학적 형상, 연단거리, 연단철근 유무에 따 라 선설치 앵커 채널의 전단거동을 실험결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.

    • (1) 원형 앵커와 I형 앵커의 인장실험 결과는 모 두 원추형 파괴형상을 나타내었다. 원형앵커 가 적용된 앵커채널은 균열발생 이후 급격하 게 하중이 감소하였으나 I형 앵커가 적용된 앵커채널은 파괴강도 이후 완만하게 하중이 감소하였다. 이는 원형앵커 보다 I형 앵커의 경우 지압면적이 약 2.3배 크며 에너지소산 능력은 우수할 것으로 예상되었지만, 앵커헤 드의 두께부족으로 휨지배 파괴로 인하여 원 형행커의 파괴강도는 I형 앵커보다 약 1.18배 높은 것으로 나타났다. 추후 형상 개선 또는 보완이 필요하다.

    • (2) 콘크리트 피복철근의 유무에 따른 전단강도 비교 시, 피복철근을 설치함에 따라 콘크리트 파괴강도가 증가하는 것을 알 수 있으며, 실 제 콘크리트 슬래브의 피복철근에 의하여 SAC 앵커채널의 전단강도는 약 1.5∼1.8배, PAC는 1.4∼1.5배 증가하는 것으로 나타났다.

    • (3) 앵커의 묻힘 깊이와 연단거리의 비가 약 1.0 배에서 약 1.6배로 연단거리가 증가함에 따라 SAC 앵커채널의 전단강도는 약 1.4∼1.8배, PAC는 유사하거나 3.1배 증가하는 것으로 나 타났다.

    • (4) 앵커 형상에 따른 원형 앵커와 I형 앵커의 전 단실험결과는 모두 앵커의 손상은 발견되지 않았으며, 콘크리트의 측면파괴가 발생하였 다. 또한 PAC의 경우에는 앵커채널 후면에 용접된 앵커로 인하여 초기 콘크리트 측면 균열 발생 시 하중보다 증가하는 경향을 나 타내었다. 이는 I형 앵커 측면에 설치된 앵커 로 인한 모멘트 저항이 지속적으로 증가하여 하중작용과 반대 방향의 콘크리트가 파괴되 는 형태를 나타낸 것으로 판단된다.

    본 논문의 실험연구를 통하여 다양한 파괴모드와 복잡한 설계절차 수립을 위한 기초자료를 제공하였 으나, 추가적인 정적 및 동적 실험, 유한요소해석연 구가 필요하리라 사료된다.

    ACKNOWLEDGMENT

    본 연구는 2018년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연 구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임 (NRF-2018R1D1A1B07044064). 이에 감사드립니다.

    Figure

    KOSACS-11-3-46_F1.gif
    Tested Cast-in Anchor Channel (unit: mm)
    KOSACS-11-3-46_F2.gif
    Tested Concrete Slabs with Shear Specimens
    KOSACS-11-3-46_F3.gif
    Test Set-up Condition
    KOSACS-11-3-46_F4.gif
    Comparison of Load-displacement under Tensile Loading Condition
    KOSACS-11-3-46_F5.gif
    Load-displacement without Cover Rebar under Shear Loading Condition
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    Comparison of Load-displacement Depending on Edge Distance and Cov er R ebar under Shear L oading C ondition
    KOSACS-11-3-46_F7.gif
    Comparison of Maximum Shear Load under Shear Loading Condition
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    Failure Shape of Tensile Test (unit: mm)
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    Failure Shape of Shear Test (unit: mm)
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    Concrete Failure under Shear Test

    Table

    Parameters of Tested Specimen with Shear Breakout
    Parameters of tested specimen with shear breakout

    Reference

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