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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.12 No.3 pp.9-22
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2021.12.3.009

Experimental Study on the Concrete Breakout Strength of Post-Installed Expansion Anchors under Shear Loading

Seongyeon Seo1
1Proffesor, Department of Architectural Engineering, Halla University, Wonju, Korea

⋅ 본 논문에 대한 토의를 2021년 07월 31일까지 학회로 보내주시면 2021년 08월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author: Seo, Seongyeon Proffesor, Department of Architectural Engineering, Halla University, Wonju, Korea Tel: +82-010-2376-1275, Fax: +82-33-760-1271 E-mail: syseo@halla.ac.kr
March 21, 2021 May 29, 2021 June 10, 2021

Abstract


Recently, when buildings are repaired, reinforced, and remodeled, post-installed expansion set anchors have increasingly been used to attach or fix structural members owing to their flexibility and availability. The objective of this study is to investigate the shear strength and load–displacement relationships of post-installed expansion set anchors to facilitate building repair or construction. The experimental variables were edge distances and intervals of the expansion set anchors that were post-installed in uncracked and unreinforced concrete. The test results revealed that the capacity ratio increased by certain percentages according to the increase in the edge distances and anchor intervals. In addition, the fracture modes turned into concrete breakout and shear fracture of the set anchors. The test results were compared with those of the ACI and CCD design codes based on the edge distances and anchor intervals. This study also aims to present basic technical data of the post-installed expansion set anchors in building construction and remodeling.



전단력을 받는 후설치 확장앵커의 콘크리트 파괴강도에 관한 실험적 연구

서 성연1
1한라대학교 건축학과 교수

초록


최근 건축물의 보수보강 및 리모델링 시 구조부재를 부착하거나 고정하는 데 있어서 시공의 유연성 및 용이성으로 후설치 확장앵커의 사용량이 점점 증가하고 있는 실정이다. 본 연구에서는 현장에서 비교적 용이하게 시공할 수 있는 후설치 확장앵커를 대상으로 비균열 무근콘크리트에 매입한 확장앵커의 연단거리 및 앵커간격를 변수로 한 전단실험을 통하여 확장앵 커의 전단내력과 하중-변위관계를 분석하였다. 실험결과 연단거리 및 앵커간격에 비례하여 일정비율로 전단내력이 상승하였으 며, 파괴모드는 강재앵커 파괴 및 콘크리트 파괴로 각각 나타났다. 그리고 실험결과를 ACI318-19 및 CCD설계기준과 비교분석 하였으며, 향후 보다 합리적인 후설치 확장앵커의 최적설계를 위한 기초자료를 제시하고자 한다.



    1. 서 론

    최근 건축물의 보수보강 및 리모델링 시 구조부재를 부착하거나 고정하는 데 있어서 시공의 유연성 및 용이성으로 후설치 확장앵커의 사용량이 점점 증가 하고 있는 실정이다. 외국에서는 1980년대 초부터 후설치 확장앵커에 대한 다양한 해석 및 실험을 통 한 설계식을 제시하여 실제 설계에 사용하고 있으나 현재 우리나라에서는 설계자와 시공자가 신뢰할 수 있는 명확한 설계기준이 부족한 상태로서 외국의 설 계기준에 의존하고 있는 실정이다. 후설치 확장앵커 의 콘크리트 파괴강도는 부재실험에 따른 간접적인 평가방법으로서, CCD(Concrete Capacity Design)설계 기준에서 전단을 받는 확장앵커의 콘크리트 파괴강 도는 전단실험결과를 회귀분석하여 평가하고 있으 며, 일반적으로 확장앵커의 내력평가는 CCD설계기 준이 널리 사용되고 있다(Fuchs et al., 1995). 현재 미국에서 확장앵커의 설계법은 ACI349 위원회와 ACI355 위원회의 지원을 받아 ACI318 위원회가 중 심이 되어 주도적으로 개발하고 있으며 ACI318 부 록 D에 규정되어 있다. 그러나 1990년대 후반까지만 해도 ACI318과 AISC LRFD 및 ASD기준에는 콘크리 트용 확장앵커에 대한 특별한 규정이 없었다. ACI349-85의 부록 B와 PCI 설계핸드북 5판에서 선 설치 확장앵커에 대한 기본적인 설계정보를 제공하 였으며, 후설치 확장앵커에 대한 설계는 기본적으로 개별 앵커 제조사에서 제공하는 정보에 의거하여 수 행되어 왔으며, ACI349-85 부록 B와 PCI 설계 핸드 북 5판에서 기술되어 있는 설계법은 1970년대 중반 에 개발되었다. 1980년대 들어서는 유효묻힘깊이, 연 단거리 및 앵커 그룹의 영향을 변수로 하는 다양한 형태의 앵커가 비균열 콘크리트와 균열 콘크리트에 정착되었을 때 이들의 성능에 대한 실험이 독일 슈 투트가르트대학교에서 집중적으로 수행되었다. 1980 년대 후반 ACI349와 ACI 355에 도입된 카파방법도 슈투트가르트대학교의 실험결과로부터 개발된 것이 다. 1990년대 초반에는 이 카파방법이 좀 더 개선되 어 텍사스 오스틴대학교에서 좀 더 사용자 편의 위 주로 만들어졌고 이러한 노력들이 CCD방법으로 이 어졌으며 같은 기간 동안에 실험결과에 대한 국제적 인 데이터베이스도 구축되었다. 1990년대 중반 동안 ACI 349와 ACI355 위원회의 주요 활동은 CCD설계 방법과 실험 데이터를 베이스하여 평가하는 것이었 다. 이러한 평가결과 ACI318, 349 및 355는 CCD설 계방법을 적용하는 쪽으로 진행하였고 ACI318-08 부 록 D와 ACI349-01 부록 B의 설계규정은 CCD설계방 법에 기초하고 있다. 현재 많이 이용되는 확장앵커 공법은 크게 앵커가 콘크리트 타설 전에 매립되는 선설치앵커와 콘크리트 타설후에 매립되는 후설치앵 커로 구분할 수 있다. 본 연구에서는 현장에서 비교 적 용이하게 시공할 수 있는 후설치 확장앵커를 대 상으로, 비균열 무근콘크리트에 매입한 확장앵커의 연단거리 및 앵커간격를 변수로 한 전단실험을 실시 하였다. 실험결과를 중심으로 후설치 확장앵커의 전 단내력 및 파괴모드에 미치는 제요소를 평가하고, 하중-변위관계로부터 최대내력전후에 있어서의 변형 거동을 분석하였으며, 실험결과를 ACI 318-19(ACI Committee 318, 2019) 및 CCD설계기준과의 비교⋅분 석을 통하여 향후 보다 합리적인 후설치 확장앵커의 최적설계를 위한 기초자료를 제시하고자 한다.

    2. 확장앵커

    2.1 확장앵커의 메커니즘

    현재 많이 이용되는 앵커공법은 크게 앵커가 콘크리 트 타설 전에 매립되는 선설치앵커와 콘크리트 타설 후에 매립되는 후설치앵커로 구분할 수 있다. 콘크 리트 타설 전 매립형 선설치앵커에는 고정정착형앵 커와 볼트접합형앵커등이 있다. 고정정착형앵커에는 일반볼트, 후크형볼트, 스터드형 등이 있으며, 볼트 접합형앵커는 매립형 및 관통형 접합기구를 갖는 헤 드볼트형 등이 있다. 후설치앵커는 크게 부착형 케 미컬앵커와 확장앵커로 구분한다. 부착형 케미컬앵 커는 미리 뚫은 구멍에 삽입건을 이용하여 에폭시수 지를 투여한 후 철근 및 로드를 설치하는 에폭시수 지형앵커와 구멍에 캡슐을 선 삽입후 철근 및 로드 를 세팅하여 부착에 의해 내력이 확보되는 캡슐형앵 커 등이 있다. 확장앵커는 정착 시 드릴구멍 내에서 앵커를 팽창시키는 방법으로서, 앵커에 해머로 충격 을 가하는 변형조절용 확장앵커, 너트를 조이는 토 크조절용 확장앵커 그리고 드릴구멍 내의 콘크리트 면에 언더컷을 형성시켜 팽창하는 언더컷앵커 등이 있다. 본 연구에서 사용한 변형조절용 확장앵커는 Fig. 1과 같이 두부에 와셔와 너트, 삽입부에 콘을 가진 스레드봉 및 볼트로 구성되어 있고 콘 주위에 는 확장 슬리브가 있다. 확장 원리는 볼트두부를 타 격함으로서 삽입부의 콘이 확장슬리브를 통하여 확 장되게 되며 홀의 측면에 슬리브가 팽창하게 된다. 확장앵커의 전단강성 및 전단내력은 이러한 기계적 메커니즘에 의해 콘크리트와의 물림작용 및 슬리브 와 콘크리트 면의 마찰조합으로 형성된다. Fig. 1은 변형조절용 확장앵커의 구성 및 확장앵커 형상이다.

    2.2 콘크리트 파괴모드

    Fig. 2는 후설치 확장앵커에 전단하중 작용 시 주요 파괴모드이다. 콘크리트에 설치된 확장앵커에 전단 하중이 작용하면 콘크리트 파괴(Concrete Breakout), 앵커의 전단 파단(Anchor Failure) 그리고 콘크리트 프라이아웃(Concrete Pryout)으로 각각 나타난다.

    연단거리가 충분히 확보되어 연단거리의 영향을 받지 않는 경우, 확장앵커의 강성에 따라 앵커의 전 단파단 및 콘크리트 프라이아웃이 일어날 수 있으 며, 연단거리가 비교적 작은 경우 콘크리트 파괴가 지배적이다. 앵커의 전단파단은 일반적으로 유효묻 힘깊이가 깊고 앵커의 전단강성이 작을 때 그리고 연단거리 및 앵커간격이 클 경우에 일반적으로 발생 한다. 전단에 의한 콘크리트 파괴에 영향을 주는 변 수는 콘크리트강도, 앵커강성, 앵커직경 그리고 유효 묻힘깊이 등이다. 앵커의 강성이 큰 경우 모재의 자 유단에서 멀리 떨어진 앵커는 콘크리트를 들어 올려 콘크리트 프라이아웃으로 나타난다. 그리고 콘크리 트 파괴는 연단거리에 영향이 크며 비교적 연단거리 가 작을 때 일반적으로 발생한다.

    3. 실험계획 및 방법

    3.1 실험계획

    후설치 확장앵커는 연단거리 및 앵커간격 그리고 콘 크리트강도, 유효묻힘깊이, 앵커직경 등에 의해서 콘 크리트 단부파괴강도에 영향을 받게 되며, 일반적으로 연단거리 및 앵커간격이 증가할수록 콘크리트 파괴강 도는 증가한다. 그리고 단일앵커가 아닌 2개 이상의 앵커 그룹으로 시공된 경우 콘크리트 파괴강도는 앵 커간격에 따른 영향을 받게 되며, 앵커간격이 단일앵 커와 같이 거동할 수 있도록 크다면 이론상 단일앵 커의 단순합과 같은 콘크리트 파괴강도가 발생될 것 이다. 그러나 앵커간격이 작아서 단일앵커일 때와 같 이 거동하지 못한다면 앵커간격에 따른 상호작용의 영향으로 인하여 콘크리트 파괴강도는 훨씬 작게 나 타난다. 본 연구에서는 이러한 점을 고려하여 비균열 무근콘크리트에 매입한 후설치 확장앵커의 콘크리트 파괴강도 및 파괴모드에 미치는 제요소를 평가하고, 하중-변위관계로부터 최대내력전후에 있어서의 변형 거동을 분석하기 위해서 연단거리 및 앵커간격를 변 수로한 시험체를 Table 12와 같이 계획하였다.

    Table 1은 연단거리에 따른 전단실험계획으로, 앵 커직경 SD10은 연단거리 40∼200mm, SD12는 연단거 리 55∼200mm 그리고 SD16은 연단거리 70∼200mm 으로 각각 계획하였다. Table 1에서 *는 연단거리의 영향을 받지 않는 기준시험체이다. Table 2는 앵커간 격에 따른 실험계획으로, 앵커직경 SD10, 12는 앵커 간격 60∼160mm 그리고 SD16은 앵커간격 100∼320 mm으로 각각 계획하였다. Table 2에서 *는 확장앵커 의 유효묻힘깊이이다. 참고로 독일 등 유럽에서 제 시하고 있는 CCD설계기준(Fuchs et al., 1995)에서는 앵커의 전단내력에 영향을 받지 않는 연단거리 및 앵커간격으로, 연단거리는 유효묻힘깊이의 1.5배 그 리고 앵커간격은 3배로 각각 규정하고 있다. 따라서 본 연구에서는 앵커직경별로 Fig. 34와 같이, 연단 거리는 유효묻힘깊이의 0.8∼1.7배 그리고 앵커간격 은 0.86∼4배까지 각각 변화시켜 시험체를 계획하였 다. Fig. 3은 연단거리에 따른 확장앵커 시공위치 상 세도이며, Fig. 4는 앵커간격에 따른 확장앵커 시공 위치 상세도이다.

    3.2 실험방법

    후설치 확장앵커의 연단거리 및 앵커간격에 대한 변 수를 고려하여 비균열 무근콘크리트 정육면체(1,600× 1,600×300mm)의 콘크리트 블록을 제작하였다. 확장 앵커는 적절한 직경의 비트로 구멍을 뚫은 후 구멍 내의 먼지나 불순물을 제거한 뒤 타격하여 삽입하였 다. 실험은 예상된 극한하중의 ±1% 이내의 정밀성을 가진 데이터 로거를 이용하여 연속적인 하중-변위 관계선도를 산출하기 위하여 1초당 한 번씩 데이터 를 측정하였다. 확장앵커의 전단가력은 로드셀 (500kN)을 설치한 후 유압장비(600kN)를 이용하여 하 중제어하였으며, 시험체의 변위량을 측정하기 위하여 100mm 변위계(Linear Variable Displacement Transducer: LVDT)를 설치하였다. 확장앵커 전단실험 을 위한 실험체 프레임은 다양한 구성요소의 항복에 대해서 충분한 내력을 갖게 제작하였으며, 확장앵커 와 수직이 되는 축과 900 각도로 전단하중을 작용시 켰다. Fig. 5는 확장앵커의 전단내력 측정을 위한 시 험체 셋업 및 전단실험과정이다.

    4. 실험결과 및 분석

    4.1 콘크리트 압축강도

    Table 3은 콘크리트 배합설계 및 콘크리트압축강도 시험결과이다. 10개의 공시체를 콘크리트블록 시험 체와 동일한 조건에서 28일 양생시킨 후 만능시험기 (U.T.M. 500kN)를 사용하여 콘크리트 압축강도를 시 험하였다. 시험결과 콘크리트 배합강도 21MPa에 대 해서 재령 28일 평균압축강도가 23MPa로 나타났다. 참고로, 앵커는 국내 W사에서 생산되는 확장앵커로 서, 인장강도는 406N/mm2이다.

    4.2 전단실험결과

    Table 45는 비균열 무근콘크리트에 매입한 후설치 확장앵커의 연단거리 및 앵커간격를 변수로 한 전단 실험결과이다. Table 4에서 연단거리에 따른 전단실험 결과, 세트앵커 SD10시험체는 연단거리 E=40를 기준 으로 2.28∼5.02배, SD12시험체는 연단거리 E=55를 기준으로 1.48∼3.53배 그리고 SD16시험체는 연단거 리 E=70를 기준으로 2.05∼3.36배의 내력상승률을 각 각 보였다. Table 5에서 앵커간격에 따른 전단실험결 과, 앵커간격 C=60를 기준으로 SD10시험체는 1.39∼ 2.06배 그리고 SD12시험체는 1.07∼1.47배의 내력상승 률을 각각 보였으며, SD16시험체는 앵커간격 C=100 을 기준으로 1.18∼1.70배의 내력상승률을 나타냈다. 따라서 연단거리 및 앵커간격에 따른 확장앵커의 전 단실험결과, 내력상승률은 연단거리 및 앵커간격에 비례하여 비교적 일정한 비율로 증가하여 나타났다.

    4.3 하중-변위선도

    4.3.1 연단거리에 따른 하중-변위관계

    Fig. 6은 비균열 무근콘크리트에 매입한 후설치 확장 앵커의 연단거리에 따른 하중-변위 관계선도를 나타 낸 것이다. 연단거리에 따른 전단실험결과, SD10- E40∼200시험체의 경우, 최대내력의 약 40%까지는 탄성거동을 보였으며, 그 후 비탄성거동을 보인 후 최대내력의 약 90%에서 항복 후 최대내력에 이르렀 다. 최대내력 이후에 있어서의 거동은 연단거리 증 가에 비례하여 연성적인 거동을 나타냈다. 그리고 연단거리가 비교적 큰 SD10-E200기준시험체의 경우, 항복 후 최대내력에 이르기까지 약간의 소성플로우 를 보였으며, 최대내력 이후 연성능력이 비교적 크 게 나타났다.

    SD12-E55∼200시험체의 경우, 최대내력의 약50% 까지 탄성거동을 보인 후 최대내력의 약 90%에서 항복하기 시작했다. 항복 후 비탄성변형과 함께 최 대내력에 도달했으며, 최대내력 이후에 있어서의 거 동은 연단거리 증가에 비례하여 안정적인 거동을 나 타냈다. 연단거리 200인 SD12-E200기준시험체의 경 우, 항복플로우 없이 최대내력에 도달했으며, 최대내 력 이후에는 비교적 양호한 연성적인 거동을 보여 주었다.

    SD16-E70∼200시험체의 경우, SD16-E70∼100시 험체는 최대내력의 약 60%까지 탄성거동을 보인 후 비탄성거동과 함께 최대내력에 도달했으나, SD16- E130∼200시험체는 최대내력의 약 90%까지 탄성거 동을 보인 후 곧바로 최대내력에 도달했다. 최대내 력이후에 있어서의 내력저하현상은 비교적 비슷하 게 나타났으나, SD16-E130∼200시험체가 SD16-E70 ∼100시험체에 비해 비교적 양호한 연성거동을 보여 주었다.

    4.3.2 앵커간격에 따른 하중-변위관계

    Fig. 7은 비균열 무근콘크리트에 매입한 후설치 확장 앵커의 앵커간격에 따른 하중-변위 관계선도를 나타 낸 것이다. 앵커간격에 따른 전단실험결과, SD10- C60∼160시험체의 경우, 최대내력의 약 70%까지 탄 성거동을 보인 후 비탄성거동과 함께 약간의 항복플 로우를 보인 후 최대내력에 도달했으며, 최대내력 이후에 있어서는 비교적 안정적인 거동을 보여 주었 다. 그리고 SD12-C60∼160시험체의 경우, 최대내력 의 약 80%까지 탄성거동을 보인 후 비탄성거동과 함께 최대내력에 도달했으며, SD16-100∼320시험체 의 경우, 최대내력의 약 90%까지 탄성거동을 보인 후 비탄성거동과 함께 곧바로 최대내력에 도달했다. SD12, SD16 확장앵커의 앵커간격에 따른 최대내력 이후에 있어서는 급격한 내력저하와 함께 취성적인 거동을 보여 주었다.

    4.4 파괴형상

    Fig. 8은 비균열 무근콘크리트에 매입된 후설치 확장 앵커의 전단실험에 따른 파괴형상으로서, 앵커의 전 단파단 및 콘크리트 파괴로 각각 나타났다.

    전단력이 작용하는 반대 방향의 콘크리트를 들어 올릴 만큼 확장앵커의 강성 및 내력이 크지 않아서 콘크리트 프라이아웃은 나타나지 않았다. 실험에서 유효묻힘깊이 및 연단거리가 충분히 확보된 기준시 험체(SD10-E200, SD12-E200)는 앵커강재 파괴가 발 생하였고, 그 이외의 시험체는 대부분 콘크리트 파 괴가 지배적으로 발생했다.

    5. 확장앵커의 설계기준

    확장앵커의 전단강도 설계식은 인장강도 설계식과 마찬가지로 CCD(Concrete Capacity Design) 설계기준 으로부터 발전된 것이다(Fuchs et al., 1995). 전단하 중하에서 콘크리트 파괴가 지배적인 경우, 전단강도 설계식은 CCD설계기준과 같이 전단에 의한 콘크리 트의 원추형 파괴각도를 약 350로 가정하였다. 일반 적으로 전단을 받는 확장앵커에서 가장 불리한 경우 는 콘크리트 가장자리에 대하여 직각 방향으로 확장 앵커에 작용하는 전단력이다. 그러나 가장자리에서 멀리 떨어져 있는 확장앵커에 대해서는 콘크리트 파 괴가 지배적이지 않으며, 확장앵커의 강재강도 또는 콘크리트 프라이아웃 등에 의해 지배된다. 전단을 받는 확장앵커의 파괴모드 중에서 콘크리트 파괴가 지배적인 경우, 전단을 받는 단일앵커의 공칭콘크리 트 파괴강도는 기본콘크리트 파괴강도에 콘크리트 파괴모드에 따른 감소계수와 연단거리의 영향, 콘크 리트의 균열유무, 그리고 얕은부재에 적용된 확장앵 커에 관한 수정계수를 곱하여 결정한다. 그리고 확 장앵커 그룹의 공칭콘크리트 파괴강도는 기본콘크리 트 파괴강도에 파괴모드에 따른 감소계수와 편심, 연단거리, 그리고 콘크리트 균열유무의 영향에 관한 수정계수를 곱하여 결정한다.

    5.1 CCD설계기준

    5.1.1 단일앵커의 콘크리트 파괴강도

    ACI설계기준에서 콘크리트 파괴강도에 영향을 미치 는 인자는 콘크리트 압축강도와 연단거리인데 반하 여, CCD설계기준에 의한 콘크리트 파괴강도에 영향 을 미치는 인자는 콘크리트 압축강도, 연단거리, 확 장앵커의 외경, 그리고 확장앵커의 하중지압길이다.

    Eq.(1)은 Fig. 9와 같은 단일앵커의 투영면적을 고려 한 후설치 확장형 단일앵커의 콘크리트 파괴강도식 이다. Eq.(1)에서 Vno는 전단하중하에서 단일앵커의 콘크리트 파괴강도, ι는 전단에 대해 앵커가 지압을 받는 지압길이(mm), d0는 확장앵커의 외경(mm), fck는 콘크리트 설계기준압축강도(N/mm2), 그리고 E는 확 장앵커의 연단거리(mm)이다.

    V n o = 0.6 ( ι d o ) 0.2 d o f c k ( E ) 1.5 ( N )
    (1)

    5.1.2 앵커간격을 고려한 콘크리트 파괴강도

    설계기준에서 앵커간격을 고려한 콘크리트 파괴강도 는 CCD설계기준과 ACI설계기준이 거의 같으나 투 영면적을 산출하는 공식에 차이가 있다. Eq.(2)는 Fig. 10과 같은 앵커간격에 따른 앵커 그룹의 투영면 적을 고려한 CCD설계기준에 의한 콘크리트 파괴강 도식이다.

    V n = A υ A υ o V n o
    (2)

    여기서,

    • A v = [2(1.5E) + C]h

    • A vo =2(1.5E)(1.5E), A vo =4.5E2

    5.2 ACI318-19 설계기준

    5.2.1 단일앵커의 콘크리트 파괴강도

    Eq.(3)은 Fig. 11과 같은 단일앵커의 투영면적을 고려 한 전단하중하에서 구한 단일앵커의 콘크리트 파괴 강도로서, 콘크리트 파괴강도는 콘크리트 압축강도 의 제곱근과 연단거리의 제곱에 비례한다.

    V n o = 0.48 f c k E 2
    (3)

    Eq.(3)에서, Vno는 전단하중하에서 단일앵커의 콘 크리트 파괴강도, fck는 콘크리트 설계기준압축강도 (N/mm2), 그리고 E는 전단하중 방향의 연단거리이다.

    5.2.2 앵커간격을 고려한 콘크리트 파괴강도

    Eq.(4)는 Fig. 12와 같은 앵커간격에 따른 앵커 그룹 의 투영면적을 고려한 콘크리트 파괴강도로서, 앵커 간격을 고려한 콘크리트 파괴강도는 콘파괴 시 발생 하는 단일앵커의 투영면적에 대한 앵커간격에 따른 앵커 그룹의 투영면적의 비율로서, 강도감소현상을 방지하려면 앵커 그룹의 간격을 적정치 이상 유지해 야 하며, Fig. 12에서 보는 바와 같이 앵커간격이 가 까우면 빗금 부분이 겹치게 되어 투영면적이 감소함 을 알 수 있다. Eq.(4)에서, Vn은 앵커간격을 고려한 콘크리트 파괴강도, Vno은 단일앵커의 콘크리트 파괴 강도, Av은 앵커간격에 따른 앵커 그룹의 투영면적 그리고 Avo는 단일앵커의 투영면적이다.

    V n = A υ A υ o V n o
    (4)
    여기서,  A v = π π / 2 θ 180 + sin θ E 2 θ = 2 cos 1 C 2 E A v o = π 2 E 2

    6. 실험결과 및 분석

    6.1 연단거리에 따른 전단내력

    Fig. 13은 후설치 확장앵커의 앵커직경별(SD10∼16) 연단거리에 따른 전단내력을 ACI설계기준 및 CCD 설계기준에 의한 기준값과 비교한 그래프로서, SD10- E40∼85의 경우, ACI설계기준식은 실험값에 비해 다 소 낮게 분포되어있고, CCD설계기준에 의한 기준값 은 실험값에 비교적 잘 일치하고 있다. SD12-E55∼ 105의 경우 E105를 제외하고 ACI설계기준식은 실험 값에 비해 다소 낮게 분포되어 있어 과소평가되고 있으며, CCD설계기준에 의한 기준값은 실험값에 비 교적 잘 일치하고 있다. 그리고 SD16-E70∼130의 경 우 ACI설계기준식은 실험값에 비해 낮게 분포되어 있어 과소평가되고 있으며, CCD설계기준에 의한 기 준값은 실험값에 비교적 잘 일치하고 있다. 따라서 CCD설계기준에서 제시하는 기준값과 실험값이 비교 적 잘 일치하는 것으로 나타났다.

    6.2 연단거리에 따른 무차원 콘크리트 파괴 강도의 실험값과 기준과의 비교분석

    본 논문에서는 콘크리트 파괴강도 설계식의 타당성 을 검토하고, 실험결과를 분석하여 연단거리에 따른 후설치 확장앵커의 콘크리트 파괴강도 설계식을 제 시하고자 콘크리트 파괴강도에 영향을 주는 연단거 리를 변수로 하여, 연단거리에 따른 실험값을 ACI설 계기준 및 CCD설계방법에 의한 기준값과 무차원화 하여 비교분석하였다.

    Fig. 14는 연단거리에 따른 ACI설계기준 및 CCD 설계기준에 의한 기준값과 27개 시험체의 실험을 통 해 콘크리트 파괴가 발생한 실험체의 실험값을 무차 원화하여 연단거리에 따라 나타낸 것으로서, 콘크리 트 파괴가 발생한 27개 실험체를 가지고 분석한 결 과, ACI설계기준의 경우에는 무차원 평균이 1.163, 표준편차는 0.262, 그리고 변동계수는 0.225로 나타 났으며, CCD설계기준의 경우는 무차원평균이 1.043, 표준편차는 0.182, 그리고 변동계수는 0.186으로 각 각 나타났다. 따라서 실험값/CCD설계기준의 무차원 평균이 1.043로 실험값과 비교적 잘 일치하고 있으 며, 표준편차와 변동계수도 각각 0.182, 0.186으로 비 교적 편차가 적게 나타남으로서, CCD설계기준에서 제시하는 기준값이 실험값이 비교적 잘 일치하는 것 으로 나타났다.

    Fig. 15는 후설치 확장앵커의 연단거리에 따른 콘 크리트 파괴강도의 계수를 구하기 위해 Fig. 14의 무 차원 실험값/CCD설계기준의 비를 이용하여 확장앵 커의 콘크리트 파괴가 발생한 27개의 실험체의 실험 값을 가지고 실시한 히스토그램 및 확률밀도곡선으 로서, 5% 분위수의 특성치를 적용한 후설치 확장앵 커의 연단거리에 따른 계수는 0.627로 평가되었다. 따라서 본 논문에서는 CCD설계기준에 근거하여 후 설치 확장앵커의 콘크리트 파괴강도를 Eq.(5)와 같이 제시한다.

    V n o = 0.627 ( ι d o ) 0.2 d o f c k ( E ) 1.5 ( N )
    (5)

    6.3 앵커간격에 따른 무차원 콘크리트 파괴 강도의 실험값과 기준과의 비교분석

    ACI설계기준에서 제시하는 앵커간격에 따른 콘 크리트 파괴강도는 앵커간격이 C≤2E이거나 콘크리 트 부재두께가 h≤E일 경우 두 앵커의 이상화된 단 부파괴면적의 겹치는 부분을 계산하여 콘크리트 파 괴강도를 감소시킨다. CCD설계기준에서도 앵커간격 에 따른 콘크리트 파괴강도는 앵커간격과 연단거리 가 C≤3E 이거나 부재두께가 h≤1.5E인 경우 두 앵 커의 이상화된 단부파괴면적의 겹치는 부분을 계산 하여 콘크리트 파괴강도를 감소시키고 있다.

    Fig. 16은 앵커간격에 따른 콘크리트 파괴강도의 무차원 비교로서, 앵커간격에 따른 45개 시험체의 실험분석결과, ACI설계기준의 경우, 무차원평균은 1.189, 표준편차는 0.279, 그리고 변동계수가 0.224이 며, CCD설계기준의 경우는 무차원평균은 1.147, 표 준편차는 0.176, 그리고 변동계수는 0.151이다. 따라 서 ACI설계기준은 CCD설계기준보다 무차원평균, 표 준편차, 그리고 변동계수 모두 높게 나타났으며, 실 험값/ACI설계기준의 무차원평균은 1.189로 ACI설계 기준보다 실험값이 다소 높게 나타났다. 따라서 ACI 설계기준값은 앵커간격이 증가함에 따라 점점 과소 평가하는 경향이 있는 것으로 나타났다.

    CCD설계기준은 앵커간격이 증가함에 따라 미소 하게 실험값이 증가하는 경향은 있으나 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며, 실험값/CCD설계기준의 무 차원평균이 1.147로 실험값에 비교적 근접하고 있으 며 표준편차 0.176, 그리고 변동계수가 0.151로써 비 교적 무차원평균값에 근접하게 분포하고 있음을 나 타냈다. 따라서 앵커간격에 따른 콘크리트 파괴강도 는 CCD설계기준이 실험값과 비교적 잘 일치하는 것 으로 판단된다.

    Fig. 17은 후설치 확장앵커의 연단거리에 따른 콘 크리트 파괴강도식의 계수 0.627를 적용하여 CCD설 계기준에 근거한 앵커간격에 따른 콘크리트 파괴강 도분포를 히스토그램 및 확률밀도곡선으로 나타낸 것으로서, 5% 분위수의 특성치를 적용한 결과 무차 원 실험값/CCD설계기준의 비는 1.287로 나타났다.

    6.4 확장앵커의 전단강도

    확장앵커의 전단파괴(Anchor failure in shear)는 일반 적으로 앵커의 인장강도가 작고 연단거리가 비교적 큰 경우에 발생한다. 연단거리를 충분히 고려한 기 본형의 경우 본 실험에 사용된 모든 확장앵커는 앵 커의 전단파괴로 나타났다. Eq.(6)은 ACI318-19설계 기준에서 제시한 후설치 확장앵커에 대한 전단강도 식으로서, 확장앵커의 전단강도는 전단계수에 앵커 의 인장강도와 유효단면적의 곱으로 제안하고 있다.

    V s = 0.5 A s e f u t ( N )
    (6)

    Eq.(6)에서, Vs는 확장앵커의 전단강도, Ase는 앵커 의 유효단면적 그리고 fut는 앵커의 인장강도이다.

    본 실험에 사용한 앵커는 국내 W사에서 생산되 는 확장앵커를 사용하였으며, 인장강도는 406N/mm2 이다. Fig. 18은 확장앵커의 전단계수를 평가하기 위 한 히스토그램 및 확률밀도곡선으로서, 본 실험에서 5% 분위수의 특성치를 적용한 확장앵커의 전단계수 는 0.684로 평가 되었다. 따라서 확장앵커의 전단강 도를 Eq.(7)과 같이 제시한다.

    V s = 0.684 A s e f u t ( N )
    (7)

    7. 결 론

    비균열 무근콘크리트에 매입한 후설치 확장앵커의 연단거리 및 앵커간격를 변수로 한 전단실험결과 다 음과 같은 결론을 얻었다.

    • (1) 연단거리에 따른 전단실험결과, 확장앵커 SD 10시험체는 연단거리 E=40를 기준으로 2.28 ∼5.02배, SD12시험체는 연단거리 E=55를 기 준으로 1.48∼3.53배 그리고 SD16시험체는 연 단거리 E=70를 기준으로 2.05∼3.36배의 내력 상승률을 각각 보였다. 앵커간격에 따른 전단 실험결과, 앵커간격 S=60를 기준으로 SD10시 험체는 1.39∼2.06배 그리고 SD12시험체는 1.07∼1.47배의 내력상승률을 각각 보였으며, SD16시험체는 앵커간격 S=100을 기준으로 1.18∼1.70배의 내력상승률을 각각 보였다. 따 라서 연단거리 및 앵커간격에 따른 확장앵커 의 전단실험결과, 내력상승률은 연단거리 및 앵커간격에 비례하여 비교적 일정한 비율로 증가하여 나타났다.

    • (2) 연단거리에 따른 하중-변위선도에서, 최대내력 의 약 40∼60%까지 탄성거동을 보인 후 완만 한 비탄성거동과 함께 최대내력에 도달하였다. 최대내력 이후에 있어서의 내력저하현상은 비 교적 비슷하였으며, 연단거리에 비례하여 변형 능력이 약간 크게 나타났다. 앵커간격에 따른 하중-변위선도에서, SD10시험체는 최대내력의 약 70%가지 탄성거동을 보인 후 비탄성거동과 함께 최대내력에 도달하였으며, SD12, 16시험 체의 경우, 최대내력의 약 80∼90%까지 탄성 거동을 보인 후 곧바로 최대내력에 도달했다. 그리고 최대내력 이후에 있어서의 내력저하률 은 비교적 비슷하게 나타났다.

    • (3) 비균열 무근콘크리트에 매입된 후설치 확장 앵커의 전단실험에 따른 파괴모드는 콘크리 트 파괴 및 앵커강재 파괴의 형태로 각각 나 타났다. 전단력이 작용하는 반대 방향의 콘크 리트를 들어 올릴 만큼 확장앵커의 강성 및 내력이 크지 않아서 콘크리트 프라이아웃은 나타나지 않았다.

    • (4) 콘크리트 파괴가 발생한 27개 실험체를 가지 고 분석한 결과, ACI설계기준의 경우에는 무 차원 평균이 1.163, 표준편차는 0.262 그리고 변동계수는 0.225로 나타났으며, CCD설계기 준의 경우는 무차원평균이 1.043, 표준편차는 0.182 그리고 변동계수는 0.186으로 각각 나 타났다. 따라서 실험값/CCD설계방법의 무차 원평균이 실험값과 거의 일치하고 있으며, 표 준편차와 변동계수도 비교적 편차가 적게 나 타남으로써 CCD설계기준에서 제시하는 기준 값이 실험값과 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났다.

    • (5) 5% 분위수의 특성치를 적용한 후설치 확장앵 커의 연단거리에 따른 계수는 0.627로 평가되 었으며, 따라서 CCD설계기준에 근거하여 후 설치 확장앵커의 콘크리트 파괴강도를 다음 과 같이 제시한다.

      V n o = 0.627 ( ι d o ) 0.2 d o f c k ( E ) 1.5 ( N )

    • (6) 앵커간격에 따른 45개 시험체의 실험분석결 과, ACI설계기준의 경우, 무차원평균은 1.189, 표준편차는 0.279, 그리고 변동계수는 0.224이 며, CCD설계기준의 경우 무차원평균은 1.147, 표준편차는 0.176, 그리고 변동계수는 0.151로 서, CCD설계기준은 앵커간격이 증가함에 따 라 미소하게 실험값이 증가하는 경향은 있으 나 큰 차이가 없는 것으로 나타났다. 따라서 앵커간격에 따른 콘크리트 파괴강도는 CCD 설계기준이 실험값과 비교적 잘 일치하는 것 으로 판단된다.

    • (7) 후설치 확장앵커의 연단거리에 따른 콘크리 트 파괴강도식의 계수 0.627를 적용하여 CCD설계기준에 근거한 앵커간격에 따른 콘 크리트 파괴강도분포의 5% 분위수의 특성치 를 적용한 결과, 무차원 실험값/CCD Code 비 는 1.287로 나타났다.

    • (8) 본 실험에서 5% 분위수의 특성치를 적용한 확장앵커의 전단계수는 0.684로 평가되었다. 따라서 확장앵커의 전단강도를 다음과 같이 제시한다.

      V s = 0.684 A s e f u t ( N )

    Figure

    KOSACS-12-3-9_F1.gif
    Symbol and Shape of Expansion Anchor
    KOSACS-12-3-9_F2.gif
    Concrete Fracture Modes under Shear Loading
    KOSACS-12-3-9_F3.gif
    Test Specimen Plans according to the Edge Distances
    KOSACS-12-3-9_F4.gif
    Test Specimen Plans according to the Anchor Intervals
    KOSACS-12-3-9_F5.gif
    Shear Experimental View of Expansion Anchor
    KOSACS-12-3-9_F6.gif
    Load-Displacement Curve according to the Edge Distance
    KOSACS-12-3-9_F7.gif
    Load-Displacement Curve according to the Anchor Interval
    KOSACS-12-3-9_F8.gif
    Fracture Shapes of Expansion Anchor
    KOSACS-12-3-9_F9.gif
    Projected Area of Single Anchor
    KOSACS-12-3-9_F10.gif
    Projected Area of Anchor Group according to the Anchor Interval
    KOSACS-12-3-9_F11.gif
    Projected Area of Single Anchor
    KOSACS-12-3-9_F12.gif
    Projected Area of Anchor Group according to the Anchor Interval
    KOSACS-12-3-9_F13.gif
    Comparison of the Test Values and ACI(CCD) Codes according to the Edge Distance
    KOSACS-12-3-9_F14.gif
    Comparison of the Concrete Breakout Capacity according to the Edge Distance
    KOSACS-12-3-9_F15.gif
    Histogram and Probability Density Curve of Expansion Anchor according to Edge Distance
    KOSACS-12-3-9_F16.gif
    Comparison of the Concrete Breakout Capacity according to the Anchor Interval
    KOSACS-12-3-9_F17.gif
    Histogram and Probability Density Curve of Expansion Anchor according to Anchor Interval
    KOSACS-12-3-9_F18.gif
    Histogram and Probability Density Curve of Expansion Anchor according to Anchor Failure under Shear Loading

    Table

    Test Plans according to the Edge Distances
    Test Plans according to the Anchor Intervals
    Mix Proportion of Concrete
    Test Results according to the Edge Distances
    Test Results according to the Anchor Intervals

    Reference

    1. ACI Committee 318 (2002), Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary, ACI 318-02, Appendix D: Anchoring to Concrete, American Concrete Institute, Michigan, USA.
    2. ACI Committee 318 (2011), Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary, ACI 318-11, Appendix D: Anchoring to Concrete, American Concrete Institute, Michigan, USA.
    3. ACI Committee 318 (2014), Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary, ACI 318-14, Appendix D: Anchoring to Concrete, American Concrete Institute, Michigan, USA.
    4. ACI Committee 318 (2019), Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318-19). American Concrete Institute, Michigan, USA.
    5. ACI Committee 355.2 (2000), Evaluating the Performance of Post-installed Mechanical Anchors in Concrete, American Concrete Institute, Michigan, USA.
    6. Fuchs, W. , Eligehausen, R. , and Breen, J. (1995), “Concrete Capacity Design(CCD) Approach for Fastening to Concrete,” ACI Structural Journal, vol. 92, No. 6, pp. 787-802.