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문제 정의
- [Table 1]에서 기존 앵커두부 정착용 박스형 브라켓(B-M-30), 아치형 브라켓(SM75시리즈)은 실물을 제작하여 [Fig. 6]과 같은 실험6)7)을 통해 개발 브라켓의 구조적 성능을 비교 평가할 목적이다.
- 본 연구에서는 브라켓을 띠장 H형강에 손쉽게 탈부착이 가능하여 설치·해체가 용이하면서, 현장 조건이나 설계에 따른 앵커체의 설치 각도가 변화에 대응성이 높도록 설치각도 조절기능을 부여하였다. 또한 드릴 천공 시 발생되는 시공 상의 각도 오차를 극복하여 빈번하게 발생되는 강연선의 꺽임 현상을 보완할 수 있는 [Fig. 2(b)] 와 같은 그라운드앵커용 앵커두부공법으로 아치형 브라켓을 고안하였고, 이에 대한 앵커체에 도입되는 긴장력에 구조적 안전성을 확인하고 검증하고자 한다.
- 본 절은 아치형 브라켓 SM75A시리즈를 중심으로 강재 사용의 적절성과 보강요소의 효과를 확인하고자 한다. 아치형 브라켓의 보강요소인 겹판과 눈썹판의 유무에 따라 해석을 실시하였다.
제안 방법
- 7]과 같이 사면체 메쉬 (Tetrahedrons)를 적용하였으며, 노드는 23,601개, 요소는 8,873개 모델링되었다. 대상 모델의 상부 띠장 지압판 A는 Y, Z방향으로 구속하고, 하부 지압판 B는 Z방향에 대해 구속 하는 조건을 적용하였다. 또한, C와 같이 재하판과 측판, 겹판의 접하는 부분에는 강재 간의 마찰계수 0.
- 그라운드 앵커공법에서 앵커두부 정착용 브라켓은 띠장 간격을 고려하여 길이가 결정되므로 본 연구에서 브라켓의 길이는 띠장 순간격 300mm인 경우 700mm (SM70), 순간격 350mm인 경우 750mm (SM75), 순간격 400mm인 경우 800mm (SM80)에 대해 모델 설계를 계획하였다. 또한, 앵커브라켓의 강연선이 수평면과 이루는 각도는 최소 25도에서 최대 40도 까지 변화시키면서 모델 해석을 실시한다. 특히 SM80A의 경우 흙막이 벽에 설치 시 토압을 가장 많이 받는 토류판 최하부에 장착함으로써 인장부와 앵커체를 깊게 삽입하는 목적을 갖고 있음으로 브라켓 각도를 30도, 35도, 40도에 대한 평가를 실시한다.
- 표준모델은 SM75-M-30이며, 이을 기준으로 측판에 부착되는 보강재 효과를 확인하고자 겹판 또는 눈썹판의 유무에 따라 해석을 실시한다. 마지막으로 표준 모델을 기준으로 시공 중 발생하는 재하판의 강연선의 편심을 고려하기 위하여 재하판의 중심으로 부터 5%, 10%, 15%, 20%의 편심을 적용한 평가를 실시한다.
- 본 연구에서는 브라켓을 띠장 H형강에 손쉽게 탈부착이 가능하여 설치·해체가 용이하면서, 현장 조건이나 설계에 따른 앵커체의 설치 각도가 변화에 대응성이 높도록 설치각도 조절기능을 부여하였다.
- 본 연구에서는 삼각형 모양의 측판에 재하판을 용접하여 단일 각도에 시공만이 가능한 박스형 브라켓 대신에 아치형 곡면구조를 갖는 측판 구조에 재하판의 각도를 조절할 수 있도록 고안된 아치형 앵커 브라켓을 중심으로 띠장 간격별, 앵커 설치각도별 다양한 비선형 구조해석을 실시하여 응력의 흐름과 내력을 해석적으로 평가하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 절은 아치형 브라켓 SM75A시리즈를 중심으로 강재 사용의 적절성과 보강요소의 효과를 확인하고자 한다. 아치형 브라켓의 보강요소인 겹판과 눈썹판의 유무에 따라 해석을 실시하였다.
- 이와 같은 현상은 박스형 브라켓에서 자주 발생하는 데 강연선이 일직선이 되지 않고 꺾임 현상이나 편심으로 브라켓의 재하판의 작용하중이 집중이 되어 파괴된다. 이에 [Fig. 16]과 같이 브라켓의 재하판 면적에 5%, 10%, 15%, 20%의 편심이 작용하도록 해석을 실시하여 내력을 평가하였다.
- 재하판과 측판과 접하는 면은 아치형 곡면판으로 보강하였으며, 각도를 조절할 수 있도록 걸림턱을 사용하여 결착시키고 각도를 25°~ 40° 사이를 5°마다 이동시킬 수 있으며 하부 지압판은 걸쇠 모양으로 띠장에 손쉽게 탈부착 기능을 갖도록 구현하였다.
- [Table 1]은 해석 모델명을 보여 주며, 예를 들어 SM75-M-30 의미는 브라켓의 전체 길이가 750mm이며, 강연선과의 각도가 30도를 의미한다. 표준모델은 SM75-M-30이며, 이을 기준으로 측판에 부착되는 보강재 효과를 확인하고자 겹판 또는 눈썹판의 유무에 따라 해석을 실시한다. 마지막으로 표준 모델을 기준으로 시공 중 발생하는 재하판의 강연선의 편심을 고려하기 위하여 재하판의 중심으로 부터 5%, 10%, 15%, 20%의 편심을 적용한 평가를 실시한다.
- 흙막이 벽체를 지지하기 위해 그라운드 앵커 공법을 설치 시공하기 위해 흙막이 배면에 설치 각도를 고려하여 천공을 실시한다. 이때 설치 천공 각도나 띠장 설치 위치의 오차는 강연선과 브라켓의 재하판 간의 편심을 발생시켜 압축력이 중심이나 접지면의 불균등 분포 영향을 발생시킬 수 있다.
대상 데이터
- 구조해석 요소는 [Fig. 7]과 같이 사면체 메쉬 (Tetrahedrons)를 적용하였으며, 노드는 23,601개, 요소는 8,873개 모델링되었다. 대상 모델의 상부 띠장 지압판 A는 Y, Z방향으로 구속하고, 하부 지압판 B는 Z방향에 대해 구속 하는 조건을 적용하였다.
- 그라운드 앵커공법에서 앵커두부 정착용 브라켓은 띠장 간격을 고려하여 길이가 결정되므로 본 연구에서 브라켓의 길이는 띠장 순간격 300mm인 경우 700mm (SM70), 순간격 350mm인 경우 750mm (SM75), 순간격 400mm인 경우 800mm (SM80)에 대해 모델 설계를 계획하였다. 또한, 앵커브라켓의 강연선이 수평면과 이루는 각도는 최소 25도에서 최대 40도 까지 변화시키면서 모델 해석을 실시한다.
- 앵커브라켓의 주요 강재 재료는 SS400 이며, 강판의 두께는 SM70, SM75 일 때 9mm, SM80 일 때 12mm을 적용한다. 또한, 재하판은 강종이 SS400 이며, 강판 두께는 14mm을 적용한다.
- 본 아치형 브라켓 제품은 [Fig. 3]과 같으며, 브라켓은 그라운드 앵커체인 강연선의 도입은 인장력을 재하판을 통해 작용되는 압축하중을 브라켓의 보강 판 요소인 아치형 측판을 통해 상하부의 지압판으로 전달시켜 H-형강 띠장에 전달하는 구조이다. 재하판과 측판과 접하는 면은 아치형 곡면판으로 보강하였으며, 각도를 조절할 수 있도록 걸림턱을 사용하여 결착시키고 각도를 25°~ 40° 사이를 5°마다 이동시킬 수 있으며 하부 지압판은 걸쇠 모양으로 띠장에 손쉽게 탈부착 기능을 갖도록 구현하였다.
- 앵커브라켓의 주요 강재 재료는 SS400 이며, 강판의 두께는 SM70, SM75 일 때 9mm, SM80 일 때 12mm을 적용한다. 또한, 재하판은 강종이 SS400 이며, 강판 두께는 14mm을 적용한다.
데이터처리
- 대상 모델 제품에 대해 CAD로 2D, 3D로 모델링 후 ANSYS 13의 해석 프로그램인 워크벤치 (Workbench)를 이용하여 해석하였다.8)
성능/효과
- 1) 그라운드 앵커에서 사용되는 앵커두부 정착공법으로 브라켓을 기존 삼각형 구조의 측판 대신에 아치형 구조와 인장영역 및 압축영역을 적절하게 보강한 결과 동일각도에서 박스형 브라켓에 비해 내력이 24% 향상되는 결과를 얻었다.
- 2) 아치형 브라켓 제품에서 겹판(압축영역)이나 눈썹판(인장영역)을 보강함으로서 브라켓의 내력이 상승되는 결과를 얻었으며, 이는 브라켓의 아치형 측판에 발생하는 인장응력과 압축응력에 대해 응력집중을 낮춰주는 결과라 판단된다.
- 3) 앵커브라켓의 시공 오차로 인한 재하판의 편심량을 반영한 평가에서 5%, 10%, 15%, 20% 편심하중에 대한 최대 내력은 각각 5%, 7%, 10%, 13% 감소하였으나 중심 재하한 박스형 브라켓의 실험 최대내력 보다는 13% 높은 내력을 얻었다.
- 4) 그라운드앵커 두부 정착부로서 사용하는 박스형 브라켓에 비해 새롭게 개발한 아칭형 브라켓은 재하판에 작용하는 압축력에 의해 측판의 휨 변형이 충분히 발생할 수 있도록 아칭 거동하는 것을 확인하였다.
- 1kgf 으로 최적 형상을 갖는 브라켓 구조라 생각된다. 따라서 아치형 브라켓 제품의 측판에는 힘의 분산과 응력 집중을 완화할 수 있도록 측판의 하부에 보강판인 눈썹판을 배치하여 브라켓의 내력을 확보함을 확인할 수 있었다.
- 따라서 아치형 브라켓은 측판에 발생하는 인장영역과 압축영역을 고려하여 겹판과 눈썹판을 부착하였으며, 이는 개발 브라켓의 내구성을 높이며 전체 브라켓의 거동에 효과를 기대한다.
- 20]과 같이 SM75A-M-30 모델을 중심으로 편심량 5%, 10%, 15%, 20% 일 때 각각 55kN (5%), 77kN (7%), 115kN (10%), 145kN (13%) 정도가 저하하였지만 주응력 분포 경향도 비슷한 결과를 나타냈으며, 중심 재하한 박스형 브라켓의 실험 결과 값 보다 높은 내력으로 평가되었다. 따라서 천공 각도나 띠장 시공 오차가 발생하더라도 아치형 브라켓은 재하판에서 발생하는 20%정도 편심량까지 급격한 파괴 없이 거동하는 것으로 확인되었다.
- 1kgf 으로 약15% 절감되었으며, 보다 최적화 설계를 통한 제품의 강재량 절감을 구현할 수 있을 거라 판단한다. 마지막으로 아치형 브라켓의 측판은 하부 인장영역 보강판인 눈썹판과 상부 압축영역 보강판인 겹판을 배치하여 작용 응력의 분산과 힘의 흐름으로 브라켓의 내력을 확보함을 확인할 수 있었다.
- 박스형 브라켓보다 개발 브라켓의 해석 최대 내력은 SM75A-M-30-SP 모델의 경우 내력이 87kN(10%) 증가한 결과를 얻었다. 이는 기존 박스형 브라켓의 경우 측판에서 벌어짐과 횡 좌굴 파괴로 급격한 최대내력이 감소됨을 확인하였다.
- 아치형 브라켓(SM75시리즈) 25도, 30도, 35도 실험체의 최대내력은 각각 1,35kN, 1,107kN, 1,101kN 으로 SM75A시리즈의 해석값과 비교하면 각각 90.8%, 102.1%, 100.1% 수준으로 거의 유사한 결과를 나타냈으며 해석모델링의 정확성을 확인할 수 있다.
- 이와 같이 본 연구에서 개발 제품의 강재량이 기존 박스형 브라켓이 28.4kgf 인데 비해 아치형 브라켓은 24.1kgf 으로 약15% 절감되었으며, 보다 최적화 설계를 통한 제품의 강재량 절감을 구현할 수 있을 거라 판단한다. 마지막으로 아치형 브라켓의 측판은 하부 인장영역 보강판인 눈썹판과 상부 압축영역 보강판인 겹판을 배치하여 작용 응력의 분산과 힘의 흐름으로 브라켓의 내력을 확보함을 확인할 수 있었다.
- 최대내력 시 해석 결과는 [Table 5], [Fig. 17]~ [Fig. 20]과 같이 SM75A-M-30 모델을 중심으로 편심량 5%, 10%, 15%, 20% 일 때 각각 55kN (5%), 77kN (7%), 115kN (10%), 145kN (13%) 정도가 저하하였지만 주응력 분포 경향도 비슷한 결과를 나타냈으며, 중심 재하한 박스형 브라켓의 실험 결과 값 보다 높은 내력으로 평가되었다. 따라서 천공 각도나 띠장 시공 오차가 발생하더라도 아치형 브라켓은 재하판에서 발생하는 20%정도 편심량까지 급격한 파괴 없이 거동하는 것으로 확인되었다.
- 실험 및 해석모델에 곡선에서 해석모델의 초기 강성기울기가 높게 나타난 이유는 제작 초기 결함의 무시, 용접부의 완전 강접 효과, 그리고 작용 압축력의 균등한 응력 분포에 결과라 판단된다. 특히 앵커 각도별 아치형 브라켓 제품의 응력분포는 설치 각도의 증가에 따라 측면판의 하부에서 높은 인장응력 분포도가 눈썹판 효과와 작용 압축력이 지압판으로 직접 전달되는 양상을 보였다. SM75A-M-30의 경우, 측면판의 휨 변형이 충분히 발생하여 아칭 거동을 잘 보여주고 있으며 브라켓의 해석 내력도 기존 박스형 브라켓의 최대내력에 비해 약 268kN (24%) 증가하였다.
- 9]와 같이 정리하였다. 해석 평가내력은 기존 박스형 브라켓의 실험 결과 값 보다 모두 높게 나타났으며, 아치형 브라켓 SM70A와 SM75A (측판 9mm) 보다 SM80A(두께 12mm)가 최대 내력이 각도의 변화와 상관없이 최소 1,031kN 이상, 평균 약 13% 높은 결과를 얻었다.
- 해석결과의 최대 내력을 비교하면, 보강요소를 완전히 제거한 모델인 SM75A-M-30-SP와 보강요소가 모두 부착한 모델인 SM75A-M-30와 비교해 보면 보강요소가 제거된 모델이 151kN (13%)의 낮은 값을 나타냈다. 또한, 겹판 또는 눈썹판이 없는 모델에 대해서도 각각 124kN (10%), 76kN(7%) 낮은 값을 나타냈다.
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