1. 서 론
1.1 연구의 배경 및 목적
기존 구조물의 리모델링, 내진보강, 용도변경 에 따른 구조 보강의 수요가 증가하고 있다. 보 강 공사에서는 후설치 앵커를 이용하여 신구 구 조물을 연결하고, 접합부에는 주로 전단력이 작 용한다. 후설치 앵커의 시공을 위해서는 천공 작 업이 필요한데, 천공 작업의 시공성을 고려하여 주로 16mm 이하 지름의 롯드(rod) 앵커가 많이 사용되고 있으나, 앵커의 전단강도가 낮아 다수 의 앵커가 요구된다. 다수 앵커를 노후화된 기존 구조물의 보강에 시공할 경우, 기존 구조물의 손 상이 가속화될 수 있으며, 신설된 보강 구조물의 성능 또한 신뢰하기 어렵게 될 수 있다.
후설치 앵커의 설치 개소 축소를 목적으로 전 단강도를 향상시킨 고전단 링앵커(HRA)가 Figure 1과 같이 개발되었다. 강재 링으로 인해, 단일 롯드(rod) 앵커에 비해 고전단 링앵커는 높 은 강도와 강성을 지닌다. 가력방향 연단거리에 영향을 받지 않는 단일 고전단 링앵커 및 다수 고전단 링앵커의 전단강도 실험결과, 동일 지름 의 롯드 앵커 대비 3배의 전단강도가 발현되었 다 (Chun et al, 2015).
기존에는 내진보강 공법으로 전단벽 증설 또는
신설방식의 보강 공사가 주를 이루었다. 하지만, 최근에는 시공적인 측면과 전단벽 신설 시 발생 하는 기초보강을 최소화하기 위해 Figure 2와 같 이 강재를 이용한 건식 내진 보강 공법이 주로 채택되고 있다. 기 개발된 신구콘크리트 접합용 고전단 링앵커를 구조보강 공법의 흐름에 맞추 어 기존 콘크리트와 신규 강재 접합용 고전단 링앵커로 개량할 필요가 있다.
Figure 1. 고전단 링앵커 형상
* 협성대학교 건축공학과
** 인천대학교 도시과학대학 도시건축학부
강재 접합용 고전단 링앵커의 형상 개발과 전단실험
전상현*․김문길**
6)7)Shape Decision and Shear Experiment of High-Shear Ring Anchor for Steel-Concrete Connection
Sang Hyeon Jeon*ㆍ․Mun-Kil Kim**
Abstract: The demand for reinforcement in accordance with remodeling, seismic retrofit, and change of use of the existing structure is increasing. Originally, shear wall new and extension method has been adopted a lot as seismic retrofit methods. Recently, dry seismic retrofit method that uses structural steel is mostly adopted in order to minimize spatiotemporal aspect and underpinning that occurs when a construct shear wall. We redesigned the form of old and new concrete joint high-shear ring anchor that was developed according to recent reinforcement method and determined construction method. Shear tests were performed on High-Shear Ring Anchor for steel-concrete connection. Comparison with 4 tests shows that the average of test-to-prediction ratios is 1.01.
키 워 드 : 고전단 링앵커, 내진보강, 구조보강, 전단
Key Words : High-Shear Ring Anchor, Seismic retrofit, Structural Retrofit, Shear
1.2. 연구의 범위 및 방법
본 연구에서는 기 개발된 신구 콘크리트 접합용 고전단 링앵커(HRA)를 기존 콘크리트와 신규 강재 접합용 고전단 링앵커로 형상을 개량하고, 그에 맞 는 시공방법을 개발하였다. 또한, 개발된 강재 접 합용 고전단 링앵커의 전단 실험을 수행하여 단일 강재용 고전단 링앵커의 전단강도를 평가하였다.
2. 기존 문헌고찰
2.1 신구 콘크리트 접합용 고전단 링앵커 신구 콘크리트 접합용 고전단 링앵커(HRA)는 5.8등급 M16 단일 롯드(rod)에 강재 링(Ring)을 추가한 형태로 Figure 3에 구성요소를 나타내었 다. 강재 링은 주물로 제작되며, 지름 88mm 높 이 40mm이고, 신구 콘크리트에 각각 20mm씩 설치된다. 링을 구성하는 모든 판의 두께는 4mm 이며, 신설 콘크리트에 매립되는 링 내부에는 6 개 리브가 설치된다. 콘크리트용 고전단 링앵커 의 결합 형상을 Figure 4에 나타내었다.
2.2 신구 콘크리트용 고전단 링앵커의 강도 실험을 통해 단일 고전단 링앵커의 전단강도 평가식을 개발하였다. 고전단 링앵커의 전단강도 는 콘크리트 압축강도, 부재 폭 그리고 앵커 롯
드의 묻힘깊이에 영향을 받으며 강도 평가식은 식(1)과 같다.
Disk Rod
Sleeve Filler
Ring
Adhesive
Rod Washer
Sleeve Ring Filler Nut
Adhesive
Disk
Figure 3. 기존 고전단 링앵커 상세
“A” VIEW “B” VIEW
“A” VIEW “B” VIEW
신콘크리트 구콘크리트
Figure 4. 기존 고전단 링앵커 결합 형상
≤
(1)
여기서 는 측면연단거리,
는 앵커 롯드의 묻 힘깊이이며,
는 콘크리트의 설계기준 압축강 도이다.
식(1)에 따른 예측강도와 실험값을 Figure 5에 서 비교하였다. Figure 5에서 C는 콘크리트의 설 계기준 압축강도이고 L은 앵커 롯드의 묻힘깊이 (a) 내부 강재 프레임 보강
(b) 외부 프레임 보강
Figure 2. 철근콘크리트구조물의 강재 프레임 보강
를 의미한다. 예측식이 단일 고전단 링앵커의 전 단 강도를 적절히 예측하고 있다. 총 22개의 실 험값과 비교한 결과 [실험값]/[예측값]의 비는 1.01이며 변동계수는 7.57%로 매우 정확히 예측 하고 있다.
Ring
Adhesive Disk
Sleeve Rod
Cap Plate Base Plate Nut
Figure 6. 강재용 고전단 링앵커 상세
3. 강재 접합용 고전단 링앵커 개발
3.1 강재용 고전단 링앵커의 형상 결정 기존의 신구 콘크리트 접합용 고전단 링앵커 를 콘크리트와 강재 접합에 사용할 수 있도록 Figure 6-7과 같이 개량하였다. 신구 콘크리트에 동일한 폭과 길이로 매립되어 상호 콘크리트 지
압저항으로 작용하던 강재 소켓타입의 링 요소 를 강재판에 접합시키기 위해 강재 접합면 지름 을 줄여 강성을 증대시켰다. 또한 Cap Plate 요 소를 추가하여 강재판에 작용하는 전단력을 링 앵커로 전달하고, Rod 앵커를 고정함으로써 우 력에 의한 인발에 저항하도록 하였다. 기 개발된 콘크리트 접합용 고전단 링앵커와 강재 접합용 고전단 링앵커의 차이를 Table 1에 정리하였다.
강재 구콘크리트
“B” VIEW
“A” VIEW “B” VIEW
강재 B.PL
“A” VIEW
Figure 7. 강재용 고전단 링앵커 결합 형상
3.2 강재용 고전단 링앵커의 저항원리
강재용 고전단 링앵커에 작용되는 힘을 Figure 8에 나타내었다. 식(2)와 같이 강재 보강 프레임에서 작용되는 전단력(
)은 보수적으로 와샤와의 용접으로 슬리브에 전달되며, 이 힘은 기존 콘크리트에서 소켓링의 지압력(
), 링 내 부 콘크리트의 전단력(
), 앵커로드의 강재 전 단력(
)로 지지된다. 이 중 소켓링 지압력(
) 의 강도와 강성이 가장 크기 때문에, 나머지 2가 지 저항력은 설계에서 무시할 수 있을 것으로 판단된다.
=
+
+
(2)
위와 같이 고전단 링앵커에 전단력이 작용될 때, 와샤 중심에서 소켓링 높이 중심까지의 편심 거리로 인해 모멘트가 유발되고, 이 모멘트에 저항하기 위해 앵커로드에 식(3)과 같은 인장력 이 발생하게 된다.
0 50 100 150 200 250
0 50 100 150 200 250
Measured strength (kN)
Predicted strength (kN)
C18L90 C27L90 C18L125
-10%
n = 22 +10%
Avg. = 1.01 COV= 7.57%
Figure 5. 전단강도 평가식과 실험값의 비교
(3)
여기서 는 앵커로드에 작용되는 인장력, 는 앵커로드에서 소켓링 단부까지의 거리이고, 는 강부재 중심과 소켓링 높이 중심까지의 거리이다.
식(3)을 통해 계산된 인장력에 적합하도록 앵 커로드의 지름과 묻힘깊이를 선정하여야 한다.
3.3 강재용 고전단 링앵커의 시공방법
개량된 형상을 갖는 강재용 고전단 링앵커의 시공방법을 Figure 9에 나타내었다. 기존의 신구 콘크리트용 고전단 링앵커의 시공방법에 Base Plate 설치 후 Cap Plate를 설치하고 필요시에 현장용접하는 부분이 추가되었다. 시공 방법 및 시공 순서는 ①Rod와 Ring의 앵커홀을 천공하고 홀을 청소한다 ②앵커홀과 코어홀에 접착제를 주입한 후 앵커를 설치한다 ③설치된 고전단 링
앵커의 디스크 위에 Base Plate를 설치한다 ④ Disk와 Base Plate 사이에 에폭시 수지를 충전한 다 ⑤Cap Plate를 씌운 후에 Nut를 조립한다 ⑥ Cap Plate와 Base Plate를 필요시에 용접하고, 기존 콘크리트와 Base Plate 사이에 에폭시 수지
구분 역할
기존 신규 비고
Ring 전단력을 콘크리트에 지압력으로 전달 공통
Disk - Ring 강성증대 - Sleeve 연결재
- Ring 강성증대 - Sleeve 연결재 - 우력 모멘트 거리 증가 - 코너부 콘크리트 강도향상
- Ring 외부로 확장 - Air 배출구 신설
Sleeve - Rod 고정
- 우력에 의한 인발 저항
- Rod 고정
- Cap Plate에 전달되는 전단력의 Ring 전달요소 - 신설구간 외부 Ring 제거
Cap Plate -
- 강재에 전달되는 전단력을 Sleeve에 전달 - 시공오차 흡수
- 인발력 작용시 저항
- 신규 요소
Washer+Nut - Rod 고정 (우력에 의한 인발 저항) - Rod 고정 (우력에 의한 인발 저항)
Table 1. 신구 고전단 링앵커 비교
Figure 8. 강재용 고전단 링앵커의 전단력 저항원리 및
앵커로드에 유발되는 인장력
1. 앵커홀 및 코어홀 천공 2. 접착제주입 및 앵커 설치3. Base Plate 설치 4. 에폭시 수지 충전
5. Cap Plate & Nut 조립 용접 후 에폭시 충전 코어홀 천공
앵커홀 천공
기존 Con’c
고전단 링 앵커 설치
접착제 주입
Base plate 설치
Cap Plate & Nut 조립 필요시 Cap Plate +Base Plate 용접
에폭시 충전
Figure 9. 강재용 고전단 링앵커의 시공방법 Load cell
Hydraulic ram Concrete block
Plan
Side view
Load cell Hydraulic ram LVDT
Figure 10. 가력 장치도
를 충전한다.
4. 강재 접합용 고전단 링앵커 전단실험
4.1 실험계획
형상이 개량된 강재 접합용 고전단 링앵커의 전단성능을 평가하기 위하여 전단실험을 수행하 였다. 설계기준압축강도 27MPa 콘크리트로 제작 된 블록에 강재 접합용 고전단 링앵커가 후설치 되었다. 접착제는 HILTI사의 HY200이며, 5.8등급 의 롯드를 사용하였다. 후설치된 링앵커에 전단 력을 가하기 위하여 Figure 10과 같이 돌출된 강 재 링에 강재 가력판을 끼우고 여기에 연결된 강봉을 센터홀 유압장비로 가력하였다. 가력 시 유압장비 중심과 콘크리트 블록의 반력 사이에 존재하는 편심에 의한 실험체 회전을 방지하기 위하여, 콘크리트 블록 하부를 가력면에 설치된 강재 프레임에 강봉으로 고정하였다. 실험하중을 센터홀 유압장비 전면에 연결된 로드셀로 측정 하였다. 가력은 500kN 용량의 센터홀 유압장비 를 사용하였고, 최대 내력에 도달한 후 최대 내 력의 85%로 하중이 저하되면 파괴로 정의하고 실험을 종료하였다. 실험체 목록을 Table 2에 정 리하였다. 지름 16mm의 롯드앵커는 묻힘깊이를 200mm로 하였고, 지름 20mm의 롯드앵커는 묻 힘깊이를 250mm로 하여 각각 2개씩 제작하였다.
실험체 상세는 Figure 11과 같다. 기존 구조물 을 모사하는 콘크리트 블록은 최소 배근으로 설 계하였다. 주철근은 상하부에 SD400 D13 2가닥 씩 배근하였고, 스터럽은 SD400 D10을 250mm간 격으로 설치하였다.
Figure 12에 강재용 고전단 링앵커의 후설치 과정을 나타내었다. 전용천공장비로 천공 후 접 착제를 주입하고 링앵커를 설치한 후 상온에서 양생하였다. 접착제 제조사의 추천 양생시간보다 충분히 양생시킨 후 가력 실험을 실시하였다.
실험체명 **
[MPa]
[mm]
[mm]
D16-L200*
30 16 200
D20-L250 20 250
*D①-L② : ①은 롯드 앵커의 지름 (), ②는 롯드 앵커의 묻힘깊이 () 이다.
**는 콘크리트의 설계기준 압축강도이다.
Table 2. 실험체 목록
4.2 재료시험 결과
실험일 콘크리트 표준 공시체 압축강도는 평 균 33.6MPa로 설계 강도 27MPa를 24% 상회하였 다 (KSA, 2017).
Figure 11. 실험체 상세 (M16 실험체)
(a) 코어홀 및 앵커홀 천공 (b) 코어홀 및 앵커홀 청소
(c) 접착제 주입 (d) 롯드 앵커 및 링앵커 설치 후 양생 Figure 12. 강재용 고전단 링앵커 후설치 과정
(a) D16-L200-1 (b) D16-L200-2
(c) D20-L250-1 (d) D20-L250-2
Figure. 13 실험체 파괴 양상
4.3 실험 결과
가력판이 앵커 상부를 감싸고 있기 때문에, 최대 내력에 도달할 때까지 육안으로 특별한 손 상은 관찰되지 않았다. 실험체별 파괴 사진을 Figure 13에 나타내었다. 모든 실험체가 예상대 로 지압파괴가 발생하였고, 파괴 양상은 기존 신 구 콘크리트 접합용 고전단 링앵커의 전단 실험 결과와 유사하였다. 매립된 링 주변, 특히 가력 방향 전면의 콘크리트만 손상되는 지압파괴가 발생하였다. 파괴 범위는 앵커 중심에서 150mm 정도였다.
강재 링의 하중-수평변위 관계를 Figure 14에 나타내었다. 수평변위는 앵커 좌우에 설치된 변 위계 2개의 평균이다. D16 실험체는 최대강도 235.9kN, 202.9kN 이었고, D20 실험체는 각각 262.5kN, 243.5kN으로 강도가 발현되었다. 롯드 앵커의 지름과 묻힘깊이가 증가함에 따라 최대 강도가 15% 증가하였다. 식(1)에 실제 콘크리트 압축강도를 대입한 예상강도와 실제 실험값을 Table 3에 정리하였다. [최대강도]/[예상강도]의 비가 1.01로 기존 연구에서 산정된 평균강도예측 식으로도 적절하게 강도를 예상하는 것을 알 수 있다.
5. 결 론
본 연구를 통하여 다음의 결론을 얻었다.
1) 강재 보강프레임을 이용한 구조보강 또는 내 진보강 방법에 맞추어 기존 신구 콘크리트 접합용 고전단 링앵커의 형상을 개량하였다.
2) 개량된 링앵커의 형상에 맞추어 시공 방법을 개발·정리하였다.
3) 개량된 링앵커의 전단강도를 평가하기 위해 전단실험을 수행하였다. 실험 결과, 기존 콘 크리트용 고전단 링앵커와 유사한 성능을 발 현하였다.
REFERENCES
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KCI (2012), Concrete Design Code and
0 50 100 150 200 250 300
0 2 4 6 8 10 12
D16-1 D20-1 D16-2 D20-2
Displacement (mm)
Load (kN)
Figure. 14 하중-변위 곡선
실험체명 예상강도
[kN]
최대강도 [kN]
최대강도 /예상강도 D16-L200-1
235.5
235.9 1.00
D16-L200-2 202.9 0.86
D20-L250-1 265.5 1.11
D20-L250-2 243.5 1.03
Avg. 1.01
