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문제 정의
- 실험체의 변위는 LVDT를 사용하여 앵커 플레이트 상하부의 수직, 수평 변위를 측정하여 앵커 볼트의 인발 및 회전을 측정하고자 하였으며, 내민보의 고정단, 자유단 및 내민보 중앙의 변위를 측정하였다. 또한 변형률 게이지를 용접부에 설치하여 앵커 플레이트와 내민보의 용접 파괴 유무를 판별하고자 하였다. 앵커 연결된 내민보의 구조 거동 실험 장치는 Fig.
- 이 연구에서는 후설치 부착식 앵커로 콘크리트에 연결된 캔틸레버 부재의 휨거동 평가 실험을 통하여 앵커 볼트와 캔틸래버 부재의 단면 형상의 효율성을 분석하고자 하였으며, 외부 하중에 효과적으로 저항할 수 있는 앵커 볼트 설치 방법 및 단면 형상을 제안하고자 하였다.
가설 설정
- 부착식 앵커의 부착강도(τ )는 ASTM E48813)에 의한 실험 결과를 적용시켜야 하나, M20에 대한 현장 실험 결과만 확보하였기 때문에 부착 길이(hef)와 볼트 직경(d)의 비9) 를 고려하여 M20볼트의 현장 부착강도인 8 MPa을 보수적으로 판정하여 M24볼트의 경우에는 7 MPa로 가정 하였다.
제안 방법
- A type의 보강형은 지간의 1/2까지만 설치하였으며, B type의 경우에는 전지간에 걸쳐 보강재를 설치하였다. A type과 B type 캔틸레버보는 현장 설치 조건과 유사하도록 각각 12개의 후설치 부착식 앵커로 콘크리트에 연결되도록 설계하였다. 내민보에 재하되는 하중은 앵커를 통하여 콘크리트에 전달되므로 내민보 하단의 보강형에는 압축응력이 작용하고, 상부 앵커에는 인장응력이 발생하며 하부 플레이트에는 지압 응력이 발생 하게 된다.
- 구조 거동 실험은 Fig. 5와 같이 정격 최대 용량 1,000 kN의 액츄에이터를 사용하였으며, 하중 재하 방식은 교량 보도부의 하중 조건을 고려하여 등분포 하중이 재하될 수있도록 H-beam으로 가력하였다. 변위 제어 방식으로 하중을 가력하였으며, 재하 속도는 0.
- 기존 콘크리트 교량의 보도 확장을 위해서는 내민보가 콘크리트 단면에 앵커 연결되어야 하므로 이 연구에서는 Fig. 4와 같은 형상의 콘크리트 블록을 제작하여 내민보를 앵커로 연결하였다. 콘크리트에 삽입된 앵커의 제원은 Table 2에 나타낸 것과 같으며, 실제 교량 설치시 기존 구조체와 후설치되는 보도부의 높이를 같게 할 수 있도록 콘크리트 블록의 상단으로부터 100 mm 하단에 내민보가 설치되도록 하였다.
- 11 mm/sec을 적용하였다. 내민보 하중 재하시 실험체의 전도를 방지하기 위하여 콘크리트 블록에는 오일잭으로 50 kN 이상의 압축력이 작용하도록 하였다. 또한 내민보와 가력 장치 사이의 마찰 응력이 발생하지 않도록 내민보 상부에는 테프론 섬유를 부착하였다.
- 에 따라 설계하였으며, Table 1에 정리하였다. 내민보는 SS400의 H형강(A type) 을 사용하여 지간 2.0 mm와 3.0 mm의보도부를 1 m 간격으로 설치하는 것으로 설계하였으며, 고정하중은 콘크리트 보도와 난간의 자중에 각각 30% 할증하여 산정하였다.
- 8과 같은 파괴 형태가 발생하게 된다. 따라서 이 연구에서는 다음과 같이 각 파괴 형태에 대한 파괴강도를 산정하여 실제 실험 결과와 비교 분석하였다.
- 실험체의 변위는 LVDT를 사용하여 앵커 플레이트 상하부의 수직, 수평 변위를 측정하여 앵커 볼트의 인발 및 회전을 측정하고자 하였으며, 내민보의 고정단, 자유단 및 내민보 중앙의 변위를 측정하였다. 또한 변형률 게이지를 용접부에 설치하여 앵커 플레이트와 내민보의 용접 파괴 유무를 판별하고자 하였다.
- 앵커 설치는 (1) 드릴홀 천공, (2) 천공된 구멍의 청소, (3) 앵커 및 앵커 플레이트 설치, (4) 앵커홀와 앵커 플레이트 사이 공극에 케미컬 레진 주입 등의 과정으로 시공하였다. 앵커와 콘크리트의 부착을 위한 케미컬 앵커의 M24볼트에 대한 추천 인장 하중은 23.
- 이 논문에서는 Eligehausen et al 9) 에 의해 제안된 20 · d · (τu/10)2/3가 부착식 앵커 볼트에 적합하다고 판정하여 적용하였다.
- 이 연구에서는 중소 규모 교량이 보도 확장시 적용 가능한 앵커 연결된 내민보의 구조 거동에 대하여 실험적 으로 분석하였으며, 그 결과를 다음과 같이 정리하였다.
- 이 연구에서는 하부의 지압 응력 발생으로 응력이 걸리지 않는 하부 앵커의 개수를 줄이고, 내민보 하단의 보강재를 보완한 C type에 대해서도 실험을 수행하였다.
- 후설치 내민보의 경우 지간이 길어짐에 따라 외부 하중에 의하여 내민보 단부에 과도한 변위가 발생하게 된다. 이를 제어하기 위하여 D type의 경우에는 C type의 내민보 원형강 내부에 앵커를 추가로 설치하고 프리스트레싱을 도입함으로서 부재의 변위를 제어하고 강도를 향상시키고자 하였다. 긴장력은 부착 강도의 50%가 되도록 D29 철근을 사용하여 토크에 의해 프리스트레싱을 도입하였다.
- 이에 이 절에서는 앵커 연결된 내민보의 실험 결과와 허용 처짐과의 비교 분석을 통해 처짐에 대한 사용성을 검토하여 Table 6에 정리하였다. 처짐에 대한 사용성은 설계 가정과 같이 내민보 간격 1 m에 의한 활하중을 기준으로 LVDT에 의한 자유단의 변위 값과 허용 처짐을 비교하였다. 검토 결과 내민보 간격 1 m에 대한 처짐은 허용 처짐 값과의 비교를 통해 충분한 안전성을 확보한 것으로 판단되었으며, 내민보의 간격을 1.
- 콘크리트 압축강도는 각각 18 MPa, 27 MPa과 35 MPa로제작하였으며, 블록의 크기는 앵커 볼트의 묻힘 깊이 및 내민보의 처짐을 고려하여 1,200 × 1,200 × 600 mm로 결정하였다.
대상 데이터
- 앵커로 연결된 내민보의 구조 거동 실험에는 세 종류의 강도를 가진 콘크리트 블록을 사용하였고, 한 시험체 당 7개 또는 12개의 후설치 부착식 앵커를 설치하였다.
- 콘크리트에 연결되는 내민보는 Fig. 3과 같이 현장에서 가장 많이 사용되고 있는 H형강(A type) 및 원형강(B type)을 사용하였으며 외팔보 하단부에 보강형을 설치하였다. A type의 보강형은 지간의 1/2까지만 설치하였으며, B type의 경우에는 전지간에 걸쳐 보강재를 설치하였다.
데이터처리
- 앵커 볼트의 파괴는 인장과 전단에 의하여 파괴되나, 이 연구에서 적용된 단면의 경우에는 인장 파괴가 지배적인 것으로 해석되었기 때문에 Table 7에는 인장 파괴에 대한 해석 결과만을 정리하였다. 이론 해석은 해석 결과 값 중에서 가장 작은 강도를 나타내는 adhesive bond strength와 실험 결과를 비교 분석 하였다.
이론/모형
- 보도부 확장을 위한 내민보는 도로교 설계기준1) 에 따라 설계하였으며, Table 1에 정리하였다. 내민보는 SS400의 H형강(A type) 을 사용하여 지간 2.
성능/효과
- 1) 일반적으로 앵커 부착되는 구조의 경우, 시공의 불확실성 등으로 인하여 앵커의 부착강도 등을 보수 적으로 설계하는 것이 일반적이나, A type의 경우 에는 앵커의 수가 과대설계된 것으로 나타났기 때문에 C type과 같은 형태의 앵커 조합이 보다 효과 적인 것으로 판단된다.
- 2) 부착식 앵커 볼트의 경우 부모멘트가 발생하지 않는 경우에는 C type과 같이 압축측에는 앵커 볼트를 최소화함으로써 시공비와 시공 절차를 효율화시킬 수 있을 것으로 판단된다.
- 4) 사용 성능의 향상을 위하여 고려할 수 있는 프리스 트레싱 도입의 경우에는 부착강도의 50%이하로 긴장하는 것이 파괴 강도 확보와 사용 성능 향상에적절할 것으로 판단된다.
- 처짐에 대한 사용성은 설계 가정과 같이 내민보 간격 1 m에 의한 활하중을 기준으로 LVDT에 의한 자유단의 변위 값과 허용 처짐을 비교하였다. 검토 결과 내민보 간격 1 m에 대한 처짐은 허용 처짐 값과의 비교를 통해 충분한 안전성을 확보한 것으로 판단되었으며, 내민보의 간격을 1.5~2 m로 연장시킬 경우에 대해서도 안전할 것으로 판단된다.
- 그러나 이론 해석 결과의 파괴 양상과 내민보에 대한 시험체의 주요 파괴 형태는 adhesive bond failure 후 앵커 볼트의 concrete breakout되거나 국부 좌굴이 발생하는 것으로 나타났다.
- 7과 Table 5에 정리하였다. 모든 실험체의 초기 파괴 형태는 부착식 앵커의 인발에 의하여 시작되는 것으로 관찰되었으며, A type과 C, D type의 경우에는 콘크리트 파괴에 발생한 반면 B type의 경우에는 수직 보강재의 좌굴에 의한 파괴가 지배적인 것으로 나타났다. 지간 2 m의 A type 실험체에서 콘크리트가 35 MPa로 강도가 높았던 실험체에서는 앵커 플레이트와 내민보의 용접부가 인장 파괴되는 현상을 나타내었다.
- 의 설계 모멘트를 정리하였다. 시험 결과 H형강을 적용한 내민보의 경우에는 설계 모멘트를 약 3.5배 및 4.9배 초과하는 것으로 과다 설계된 것으로 판단되며, B type의 경우는 지간 2 m에 대해서는 설계 모멘트의 2배 이상으로 모두 안전한 것으로 나타났으나, 지간 3 m의 경우에는 콘크리트 강도 18 MPa와 27 MPa 실험체에서 설계 모멘트에 도달하지 못하고 파괴된 것으로 나타났다. 두 실험체는 수직 보강재 좌굴에 의한 과다한 변형으로 인해 파괴된 것으로 판단된다.
- 앵커 연결된 내민보의 실험 결과와 후설치 부착식 앵커 볼트 분석 결과는 Table 7에 나타내었으며, 표에 나타낸 축력(N)은 부착식 앵커 볼트의 인장력이 작용하는 상부 4개의 볼트에 대하여 단면부에 작용하는 모멘트를 기준으로 환산한 결과이다. 실험 결과와 이론해석 결과를 비교해 보면 모든 시험체는 이론 해석에서 부착식 앵커 볼트의 adhesive bond failure에 지배적인 영향을 받는것을 확인할 수 있다. 실험 결과의 파괴 형상을 확인하면 앞에서 기술한 바와 같이 모든 시험체는 초기에 adhesive bond failure 형상을 보인 후 최종 파괴는 표에서 나타낸 파괴 형상을 보이면서 시험체가 극한상태에 도달한 후 파괴되는 것으로 나타났다.
- 실험 결과의 축력과 해석 결과를 비교했을 때 실험 결과의 축력값이 해석 결과에 비해 적게 나왔음을 확인할 수 있으며, 이는전술한 바와 같이 앵커 볼트에 대한 앵커 볼트의 부착 강도(τ)가 실측치를 사용하여야 하나 이 연구의 주요 목적이 앵커 볼트의 인장 및 전단 거동에 대한 분석이 아닌 앵커 연결된 내민보의 거동 평가였기 때문에 부착강도(τ)값을 문헌을 통한 보수적인 값을 적용하였기 때문인 것으로 판단된다.
- 실험 결과와 이론해석 결과를 비교해 보면 모든 시험체는 이론 해석에서 부착식 앵커 볼트의 adhesive bond failure에 지배적인 영향을 받는것을 확인할 수 있다. 실험 결과의 파괴 형상을 확인하면 앞에서 기술한 바와 같이 모든 시험체는 초기에 adhesive bond failure 형상을 보인 후 최종 파괴는 표에서 나타낸 파괴 형상을 보이면서 시험체가 극한상태에 도달한 후 파괴되는 것으로 나타났다. 실험 결과의 축력과 해석 결과를 비교했을 때 실험 결과의 축력값이 해석 결과에 비해 적게 나왔음을 확인할 수 있으며, 이는전술한 바와 같이 앵커 볼트에 대한 앵커 볼트의 부착 강도(τ)가 실측치를 사용하여야 하나 이 연구의 주요 목적이 앵커 볼트의 인장 및 전단 거동에 대한 분석이 아닌 앵커 연결된 내민보의 거동 평가였기 때문에 부착강도(τ)값을 문헌을 통한 보수적인 값을 적용하였기 때문인 것으로 판단된다.
- D type 실험체의 경우 긴장용 강봉 끝단에 볼트를 현장 용접하여 예상 강도보다 낮은 상태에서 파괴된 것으로 판단되며, 강봉에 직접 정착단을 설치할 경우에는 강도가 실험 결과보다 향상될 것으로 판단된다. 실험체 전체 변위 형상의 경우, 단면 강성이 큰 A type과 수직 보강재가 전지간에 설치된 B type의 경우는 최대 모멘트 도달시까지 내민보의 전체 변형은 선형적인데 비해 수직 보강재가 지간의 1/2만 설치된 C type과 D type의 경우에는 고정 단부터 지간 중앙부까지의 기울기보다 지간 중앙부부터 자유단까지의 변형의 기울기가 큰 것으로 나타나 수직 보강재에 의한 변형 제어 효과가 큰 것으로 분석되었다.
- 앵커 볼트의 개수를 줄이고, 수직 보강형을 보완한 C type의 경우, 같은 원형강을 사용한 B type에 비하여 강도가 30~70%의 상승하였으며, 설계 내하력과 비교하여도 충분한 내하력을 확보한 것으로 판단된다. C type의 단면에 프리스트레싱을 도입한 D type의 경우에는 콘크리트 블록의 강도에 따라 상이한 결과를 나타내었으나, 두 실험체 모두 정착단의 앵커 볼트부의 용접 파단에 의하여 조기 파괴되는 형태를 나타내었다.
- 6에는 실험체별 모멘트-변위 선도와 각 실험체별 최대 내하력을 3등분하여 내민보의 전체 변위 형상을 표시하였다. 전체적으로 A type의 경우가 전체적인 강성이 큰 것으로 나타났으며, B type의 경우는 초기 강성은 C type보다 크게 나타났으나 최대 모멘트 후 하중이 급격히 감소하는 형태를 나타내었다. D type의 경우에는 긴장재 정착단의 볼트 용접부가 파괴된 후 하중이 급격히 감소하였다가 다시 증가한 후 파괴되는 형태를 나타내었으나, 변위는 C type보다 감소하여 사용 상태에서의 강성 증대 효과는 기대할 수 있는 것으로 판단된다.
후속연구
- 3) 이 연구에서 나타난 것과 같이 부착식 앵커로 지지 되는 내민보의 지간이 길어지는 경우 내하력 보다는 처짐 등에 의한 사용 성능이 부재 설계의 중요 인자로 작용하게 되므로 확장 구조물에 대한 사용성능 기준 등이 제시되어야 할 것으로 판단된다.
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