프리캐스트 콘크리트 패널 분절 아치 시공을 위한 선설치 앵커의 ... ·...

1. 서 론

분절된 프리캐스트 패널과 강재 아웃리거로 구성된 아치

시스템은 공장 제작된 콘크리트 프리캐스트 패널의 양단에

V-형 스트립을 통해 강재 아웃리거를 연결한 아치 시스템으

로 기존 프리캐스트 및 석조 아치의 장점과 거동을 분석하여

제시된 아치 형식이다 (Jeon et al., 2019). 분절된 프리캐스트

패널과 강재 아웃리거로 구성된 아치 시스템은 콘크리트 부

재로는 상대적으로 좁은 폭 (500 mm)과 얇은 두께 (100~120

mm)를 가진 분절된 프리캐스트 패널을 아치의 길이 방향으

로 연속배치한 후 각 패널 양단 외측 상부를 V-형 스트립을 통

하여 연결한다. 또한, 스트립 단부를 아웃리거 리브로 연결한

후 아치의 길이 방향으로 연속 배치된 중앙부 아웃리거와 V-

형 스트립 연결 부분을 인양함으로써 아치를 일괄 인양 및 설

치하는 형식이다. 즉, 제작된 프리캐스트 패널을 강재 리브와

스트립으로 연결한 후 인양설치로 아치 구조의 형성이 가능

하므로 가설재를 이용한 가설 공사가 불필요하다 (Jeon et al.,

2019). 따라서 현장의 일괄 인양 및 시공 소요 시간 단축을 위

해 프리캐스트 콘크리트 패널과 아웃리거를 V-형 스트립과

일체화한 시공법이 제안되고 있으며 시공 최적화를 위한 경

제성 및 구조적 측면에 관한 연구가 필요한 상황이다.

프리캐스트 콘크리트 패널과 강재 아웃리거로 구성된 아치

시스템의 경우 프리캐스트 패널과 아웃리거를 V-형 스트립과

일체화하기 위하여 프리캐스트 패널 제작 시 선설치 앵커 묻

힘이 필수적이다. 프리캐스트 패널 양생 후 V-형 스트립을 선

설치 앵커와 연결하고 V-형 스트립 상부를 아웃리거 리브와

볼트로 연결하는 구조 상세를 가지고 있으며, 아치의 길이 방

향으로 (교축방향) 연결된 상태에서 아치 아웃리거와 V-형 스

트립 연결부를 인양하여 아치 구조를 형성하게 된다. 인양 및

시공 시 프리캐스트 패널에 설치된 선설치 앵커의 인발하중

과 아치 형상을 따라 연결부에 작용하는 전단 하중에 의한 선

설치 앵커의 하중 저항성능 평가가 필요하고 이에 기초한 선

설치 앵커의 설계수준을 결정할 필요가 있다. 특히 아치 시스

템을 위한 프리캐스트 패널의 경우 프리캐스트 패널의 두께

가 120 mm 수준으로 콘크리트 단면의 두께가 상대적으로 얇

Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection

Vol. 24, No. 2, April 2020, pp.94-102

https://doi.org/10.11112/jksmi.2020.24.2.94

pISSN 2234-6937

eISSN 2287-6979

프리캐스트 콘크리트 패널 분절 아치 시공을 위한 선설치 앵커의 인발 강도 평가

안진희1, 임홍재2*, 방진수3, 전석현4

Pull-out Capacity of Cast-in-place Anchor for Construction of Precast Concrete

Segment Arch

Jin-Hee Ahn1, Hong Jae Yim2*, Jin Soo Bang3, Seok Hyeon Jeon4

Abstract: Precast concrete segment arch system has an economic and construct ability that combined with advantage of precast concrete and arch

behavior. A precast concrete segment arch system with outrigger is consisted of segmented precast panels, a steel outrigger rib, and V-strip to connect

precast panels with a steel outrigger rib and cast-in-place anchors in precast panels to connect V-strip should have sufficient pull-out capacity to form

its arch shape by site lifting for assembled precast panels and outriggers. However, it is difficult to secure its embedment depth due to the relatively

shallow thickness of precast panel. It can be also occurred that flexure deformation of precast panels caused by its pull-out behaviors. In this study,

pull-out capacity of cast-in-place anchor was examined for construction of precast concrete segment arch system with outriggers. Therefore, a total

of 24 precast panel specimens were fabricated to examine pull-out capacities of cast-in-place anchor in precast panels, and installation depth of anchors,

diameter of anchors and wire mesh effects for the precast panel were examined. From this pull-out tests, its pull-out capacities and failure modes were

evaluated and the type of the cast-in-place anchor applicable to the precast concrete segment panel arch system with outriggers was determined from

comparison of the design specification values.

Keywords: precast concrete, segment arch, cast-in-place anchor, pull-out capacity, diameter and embedment depth of anchor

1정회원, 경남과학기술대학교 토목공학과 부교수2정회원, 부산대학교 사회환경시스템공학부 조교수3정회원, 경북대학교 건설방재공학과 석사과정4정회원, 경남과학기술대학교 토목공학과 박사과정

*Corresponding author: [email protected]

Department of Civil Engineering, Pusan National University, Busan, 46241,

Korea

∙본 논문에 대한 토의를 2020년 5월 31일까지 학회로 보내주시면 2020년 6월

호에 토론결과를 게재하겠습니다.

Copyright Ⓒ 2020 by The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection. This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution

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provided the original work is properly cited.

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J. Korea Inst. Struct. Maint. Insp. 95

아 선설치 앵커의 묻힘 깊이가 제한되고, 패널의 폭 또한 500

mm 수준으로 좁아 묻힌 앵커의 성능이 충분히 발휘되기 어려

울 수 있다. 즉, 아치의 폭이나 지간에 따라 연결된 프리캐스

트 패널들의 누적중량을 통해 인양 시 선설치 앵커가 저항하

여야 하는 인발하중이 증가할 수 있고, 얇은 프리캐스트 패널

과 강재 아웃리거로 구성된 아치의 설치과정에서 필요한 선

설치 앵커의 인발하중에 대한 검토가 필요하다.

선설치 앵커의 인발 저항성능은 콘크리트 물성과 앵커볼트

의 제원에 따라 결정된다. 미국 콘크리트학회는 2002년 개정

부터 콘크리트 성능 설계법 (Fuchs et al., 1995)을 반영하여 콘

크리트용 앵커볼트 설계기준강도를 결정하였으며 (ACI-318,

2002) 국내 콘크리트 설계 역시 동일한 설계기준을 반영하고

있다. 설계강도를 결정하는 주요 변수에 따른 선설치 또는 후

설치 앵커의 다양한 연구가 수행되어왔으나 (Ožbolt et al.,

2007, Delhomme et al., 2015), 설계기준을 만족하지 못하는

상황 또는 설계강도를 구성하는 주요 변수 외 특수한 조건 등

이 고려된 경우 (과다 보강 철근 사용, 콘크리트 손상, 앵커 시

공 불완전성 등) 실제 파괴강도가 설계기준강도를 만족하지

못하는 경우가 발생할 수 있다 (Nilsson et al., 2011, Tian et al.,

2018). Nilforoush et al. (2018)은 충분한 폭과 길이를 확보한

비균열 콘크리트 부재라도 콘크리트 두께와 묻힘 깊이의 비

율에 따라 선설치 앵커의 인발 시 콘크리트 부재의 휨변형이

발생할 수 있고 인발 강도와 그 파괴 모드가 달라질 수 있다는

실험 결과를 보고하였고, 콘크리트 쪼갬파괴 방지를 위한 보

강철근 사용 가능성을 언급하였다 (Nilforoush et al., 2018).

상대적으로 얇은 두께를 가지는 프리캐스트 콘크리트 패널

의 경우 주요 설계기준을 만족하였다고 해도 선설치 앵커 성

능 발휘를 위한 묻힘 깊이 확보를 보장할 수 없으며, 앵커 인장

거동 시 구조상 휨변형을 배제할 수 없는 한계점이 있다. 이에

따라 프리캐스트 패널과 강재 아웃리거로 구성된 특수 아치

시스템의 인양 및 시공 상황을 고려할 수밖에 없는 패널의 시

공성 확보를 위해, 본 연구에서는 얇은 콘크리트 패널에 설치

된 선설치 앵커의 인발성능에 관한 실험연구를 수행하였다.

따라서 실제 시공을 위한 아치 시스템과 동일한 두께의 프리

캐스트 패널을 앵커 직경, 앵커볼트 묻힘 깊이, 와이어 매쉬

등 주요 변수에 따라 총 24개를 제작하여 선설치 앵커의 인발

강도 및 파괴 모드를 평가하였으며, 콘크리트 앵커볼트 설계

기준강도와 비교하여 프리캐스트 콘크리트 패널 분절 아치

시스템에 시공 가능한 선설치 앵커 결정을 위한 연구를 수행

하였다.

2. 아웃리거가 구비된 프리캐스트 패널 분절

아치 시스템

분절된 프리캐스트 콘크리트 패널과 강재 아웃리거로 구성

된 아치는 압축력을 받는 프리캐스트 패널 분절 부재와 인장

력에 저항하는 연속 리브형 아웃리거로 구성된 아치 시스템

으로 Fig. 1과 같은 세부 구성 및 앵커 연결부 상세를 가진다.

상대적으로 두께가 얇고 폭이 좁은 프리캐스트 콘크리트 패

널 사이를 V-형 스트립으로 연결한 후 아웃리거 리브로 연결

한 아치 시스템으로 인장, 압축, 전단 등 다양한 조합 하중이

각 세부 요소에 작용하며 최적 설계를 위한 정밀한 구조해석

이 요구된다. 이러한 아치의 실제 시공 공정을 간략화시키면

Fig. 2와 같이 크게 4 단계로 정리할 수 있다. (1) 아웃리거와

V-형 스트립을 이용한 프리캐스트 콘크리트 패널의 연속 조

립 후 현장 운반과정 (Fig. 2(a)), (2) 크라운부 아웃리거와 스

트립 연결부를 크레인을 통해 인양함으로써 연속 프리캐스트

패널 아치 형상 인양 (Fig. 2(b)), (3) 일체형 프리캐스트 아치

설치 시공 (Fig. 2(c)), 아치 연속 시공 후 배면토 및 상부 성토

시공에 따른 완성 (Fig. 2(d)).

분절된 프리캐스트 패널과 강재 아웃리거로 구성된 아치

시스템의 시공을 위해서는 프리캐스트 패널과 연결된 아웃리

거와 V-형 스트립 연결부를 인양하여야 하므로 인양부 프리

캐스트 패널에 설치된 선설치 앵커의 경우 측면부 프리캐스

트 패널의 자중에 의한 인발하중에 저항하여야 한다. 프리캐

스트 패널의 경우 폭과 두께는 500 mm와 100~120 mm 수준

이며, 길이의 경우 2,000~3,000 mm까지 변화할 수 있으므로,

(a) Structural details

(b) Final construction concept

Fig. 1 Segmented precast panel arch system with outrigger

96 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 제24권 제2호(2020. 04)

프리캐스트 패널 1개 자중에 의한 하중은 약 3 kN 이상으로

작용한다. 따라서 지간이 15 m 수준의 프리캐스트 아치의 경

우 45개 이상의 프리캐스트 콘크리트 패널이 요구되고 전체

아치 자중에 의한 하중은 135 kN 수준으로 평가될 수 있다. 대

상 아치 시스템의 인양 방법으로 프리캐스트 패널에 연결된

아웃리거와 V-형 스트립 연결부를 크레인을 이용하여 인양하

는 경우 프리캐스트 패널에 설치된 선설치 앵커에 인발하중

및 전단하중 등이 작용할 수 있고, 프리캐스트 패널 폭이 좁고

패널 단부가 원형으로 지압저항 영역을 가지므로 상대적으로

앵커의 충분한 인발 저항성능을 가지지 못할 수 있다. 이러한

특수 경우 앵커의 성능 확보를 위한 실험연구로 본 연구에서

는 Fig. 1과 같이 상대적으로 얇은 두께의 (100~120 mm) 구조

적 한계로 충분한 묻힘 깊이를 확보하기 힘든 선설치 앵커의

인발성능 평가를 수행하였다.

3. 프리캐스트 콘크리트 패널 선설치 앵커의

인발 성능 실험

3.1 콘크리트 앵커 실험체 제작

실 구조물에 사용될 프리캐스트 콘크리트 패널의 얇은 두께

를 반영하여 폭 900 mm, 길이 550 mm, 높이 120 mm의 콘크리

트 블록을 통해 선설치 앵커의 인발 성능을 평가하고자 하였다.

Table 1의 배합표에 따라 설계 압축강도 35 MPa인 콘크리트 실

험체를 제작하였으며, 포틀랜드 1종 시멘트 및 최대치수 25

mm의 굵은 골재와 강사가 잔골재로 사용되었다. 선설치 앵커

의 설계강도를 결정하는 많은 주요 변수들이 있으나, 본 연구에

서는 얇은 콘크리트 패널에 가장 큰 영향을 줄 수 있는 (1) 선설

치 앵커의 직경 (diameter), (2) 묻힘 깊이 (embedment depth),

(3) 와이어 매쉬 (wire mesh) 설치의 3가지 변수에 따른 선설치

앵커의 인발 성능 실험을 수행하였다 (Fig. 4). 아치 시스템의 경

우 시공 후 주요 사용하중이 압축하에 있으므로 인장 보강 철근

이 아닌 얇은 콘크리트 패널에 시공이 용이한 와이어 매쉬가 사

용되었으며, 와이어 매쉬의 경우 인양과 시공 시 발생가능한 인

장하중 저항을 위해 고려되었다. 선설치 앵커는 Fig. 3과 같이

콘크리트 블록 중앙부에 위치한다. 선설치 앵커의 인발성능 평

가를 위한 첫번째 변수인 앵커 직경에 따른 결과 비교를 위해 상

대적으로 패널의 두께가 얇은 (120 mm) 콘크리트 단면에 선설

치 앵커의 직경을 12 mm, 16 mm, 20 mm로 변화시켜 실험을 진

행하였으며 이때 묻힘 깊이는 80 mm로 동일하게 고정하였다

(콘크리트 패널 두께의 2/3). 두번째 실험 변수로 선설치 앵커의

묻힘 깊이를 콘크리트 패널 두께의 1/3 (40 mm), 1/2 (60 mm),

2/3 (80 mm)로 변화시켜 실험을 진행하였으며 이때 앵커의 직

경은 16 mm로 고정하였다. 마지막 실험변수로 와이어 매쉬 설

치에 따른 선설치 앵커 인발 성능을 비교하였으며 이때 묻힘 깊

이는 80 mm이고 앵커 직경은 16 mm로 고정하였다. 이때 와이

어 매쉬는 콘크리트 상면으로부터 50 mm와 95 mm에 위치하였

다. 이러한 실험 변수에 따라 콘크리트 앵커 실험체는 총 6개 케

(a) Precast panel transport after

pre-assembly

(b) Lifting of assembled precast

arch system

(c) Installation of assembled

precast arch system using crane(d) Backfill and completion

Fig. 2 Construction step of a segmented precast panel arch system

with outrigger

Design

strength

[MPa]

Water

[kg/m3]

Cement

[kg/m3]

Sand

[kg/m3]

Gravel

[kg/m3]

Superplasticizer

[kg/m3]

35 166 405 888 872 4.05

Table 1 Design strength and mix-proportions of concrete

Fig. 4 Cast-in-place anchor for test

(a) Ground plan (b) Cross-sectional diagram

Fig. 3 Prepared concrete specimen with cast-in-place anchor


이스로 구분될 수 있으며 각 변수에 대해 총 4개의 실험체를 제

작하였다. 콘크리트 실험체 구성은 Table 2에 정리하였다. 콘크

리트 블록 실험체 준비 및 인발성능 실험 준비과정은 Fig. 5와

같다.

3.2 선설치 앵커의 인발 성능 실험

준비된 콘크리트 패널에 설치된 선설치 앵커의 인발 강도

평가를 위하여 Fig. 6과 같이 인발 성능 실험을 구성하였다. 앵

커 설치 방향에 따른 수직방향 인장 가력을 위해 콘크리트 블

록 상면 앵커 중심으로부터 길이방향으로 100 mm 위치에 고

정 지그를 설치하였다. 지그는 바닥면과 볼트 체결로 인발하

중에 저항하며 콘크리트 블록 자체의 수직방향 변위 제어를

위해 고정되었다. 앵커에 대한 인발하중 재하를 위하여 인발

하중 프레임을 300 kN의 가력장치 설치하고 앵커와 인발하중

프레임을 볼트로 체결하여 인발하중 저항 실험을 실시할 수

있도록 하였다. 앵커에 대한 인발하중 재하는 1.0 mm/min의

변위제어를 하였다. 따라서 각 실험체에 대한 인장 하중-변위

곡선 및 최대 인발하중과 최대 변위 값을 측정하였으며, 각 실

험변수에 따른 콘크리트의 파괴 모드를 확인하였다.

3.3 선설치 앵커의 설계기준 강도 평가

다양한 실험변수에 따른 콘크리트 실험체의 성능 평가를

위해 미국콘크리트학회 (ACI-318, 2011) 설계기준에 따라 선

설치 앵커볼트의 설계기준강도를 확인하였다. 선설치 앵커볼

트의 설계기준강도는 다음의 다양한 변수들 앵커볼트 제작에

사용된 강재의 성능, 콘크리트 압축 강도, 콘크리트 실험체 제

원, 앵커 묻힘 깊이, 앵커로부터 연단거리 등을 고려하여 결정

된다. 그리고 다양한 종류의 앵커볼트는 외부 저항에 대한 자

체의 성능을 충분히 발휘하기 위해 앵커의 직경 등 제원 차이

에 따라 유효 묻힘 깊이가 권고되고 있지만, 이를 적용하기에

는 본 실험에서 구성한 콘크리트 패널의 두께가 (120 mm) 폭

과 길이 대비 상대적으로 작은 값을 가진다. 따라서 설계기준

상 기준값은 제공하지 않지만 실험대상 앵커인 선설치 헤드

앵커의 묻힘 깊이를 설정하기 위해 후설치 앵커볼트에 해당

하는 설계기준인 콘크리트 두께의 2/3 또는 두께 100 mm인

결과 중 큰 값보다 작아야 되는 기준을 통해 최대 묻힘 깊이

(80 mm)를 설정하였다. 그리고 다양한 앵커직경 (12, 16, 20

mm) 및 묻힘 깊이 (40, 60, 80 mm)에 따라 해당 선설치 앵커의

인발 저항력 계산하였다.

콘크리트용 앵커볼트에 대한 설계기준 (ACI-318, 2011)에

서는 앵커볼트가 인장을 받는 경우 5 가지의 파괴모드로 분류

할 수 있다. 그 중 준비된 선설치 앵커볼트와 콘크리트 성능 및

실험체 제원에 따르면 본 인발 실험은 (1) 강재파괴 (steel

failure), (2) 뽑힘파괴 (pullout failure), (3) 콘크리트파괴

(concrete breakout failure) 세가지 모드 중 하나로 결정될 수

있다. 강재파괴의 공칭강도는 인장 저항에 있어 앵커강재의

항복강도 따라 으로 결정된다. 여기서, : 앵

커 그룹에서 앵커의 수, : 인장에 대한 단일 앵커의 유효

단면적, 또는 860 MPa 중 작은 값 이하이어야 한

AnchorWidth

[mm]

Height

[mm]

Length

[mm]

Diameter

[mm]

Yield

Strength

[MPa]

Ultimate

Strength

[MPa]

M12 18 7.5

180

12

270 380M16 24 10 16

M20 30 12.5 20

Table 2 Specification and performance data of cast-in-place anchor

(a) Formwork and wire-mesh (b) Concrete casting

Fig. 5 Fabrication of concrete specimen

Specimen

label

Diameter

of anchor

[mm]

Embedment

depth

[mm]

Wire-meshNumber

of specimen

SA12-80 12 80 w/o 4

SA16-80 16 80 w/o 4

SA20-80 20 80 w/o 4

SA16-40 16 40 w/o 4

SA16-60 16 60 w/o 4

SA16-80 16 80 w/ 4

Table 3 Test specimen preparation

Fig. 6 Tensile strength test setup for cast-in-place anchor systems


다. 또한, 인장을 받는 단일 선설치 앵커에 대한 공칭뽑힘강도

는 다음 관계식 ψ으로 결정된다. 여기서, ψ는 균

열 콘크리트에 대한 수정계수로, 사용하중상태에서 해석 결

과 균열이 발생될 경우 1.0, 균열이 발생되지 않을 경우 1.4를

사용하고, 는 뽑힘강도로써 콘크리트 압축강도 (fc) 와 앵커

볼트의 헤드 지압 면적 () 에 따라 결정된다 (

′).

마지막으로 본 콘크리트 실험체의 주요 파괴 모드인 단일 앵

커에 대한 콘크리트 파괴 공칭강도는 식 1에 따른 설계변수들

로 결정된다.

(1)

여기서, : 인장을 받는 앵커에서 콘크리트 파괴체의 투

영면적 [mm2], : 연단거리가 1.5 hef (유효 묻힘 깊이) 이상

인 인장을 받는 단일앵커 파괴면의 투영면적 [mm2], ψ : 인

장을 받는 앵커의 연단거리에 대한 수정계수, ψ : 인장을 받

는 앵커의 콘크리트 균열에 대한 수정계수, ψ : 인장을 받는

앵커의 콘크리트 쪼개짐에 대한 수정계수, : 인장을 받는

앵커의 기본 콘크리트 파괴강도.

프리캐스트 패널에 설치되는 선설치 앵커에 대한 인장파괴

강도를 계산한 결과 (Table 4), 인장하중을 받는 최소 직경 12

mm 앵커는 강재파괴강도가 24.03 kN으로 이 결과는 콘크리

트 파괴강도 37.04 kN 및 뽑힘파괴강도 160.39 kN에 대비하

여 약 65 %와 15 %의 크기로 설계기준강도가 산정된다. 또한,

직경 16 mm의 경우 묻힘 깊이에 상관없이 44.75 kN의 강재파

괴강도와 265.55 kN의 뽑힘파괴강도가 계산되며, 묻힘 깊이

40, 60, 80 mm에 대해 각각 13.10, 24.06, 37.04 kN의 콘크리트

파괴강도가 계산된다. 이는 최소 묻힘 깊이 40 mm를 기준으

로 콘크리트 파괴강도는 강재파괴와 뽑힘파괴 대비하여 약

30 %, 5 %의 값을 가진다. 직경 20 mm의 앵커 또한 콘크리트

파괴강도 37.04 kN은 강재 및 뽑힘파괴강도 69.83, 320.43 kN

에 대비하여 약 53 %와 11 %의 값을 가진다. 즉, 본 실험에서

구성한 인장을 받는 직경 12 mm 앵커는 강재파괴가 우선적으

로 발생되고 직경 16 mm와 20 mm 앵커의 경우 콘크리트 파

괴모드가 우선되어야 함을 확인할 수 있다. 또한, 설계기준에

따라 강재파괴강도와 뽑힘파괴강도는 강재의 제원을 고려하

기에 앵커직경 크기에 따라 설계강도가 결정되나, 콘크리트

파괴강도의 경우 앵커의 제원은 설계변수로 고려되지 않고

앵커 묻힘 깊이가 설계강도 계산 시 반영되므로 본 실험에 사

용된 묻힘 깊이 80 mm의 선설치 앵커들은 동일한 설계기준강

도 37.04 kN을 가진다.

4. 인발성능 실험 결과

4.1 선설치 앵커의 하중-변위 관계 및 최대 인발하중

콘크리트 패널에 설치된 선설치 앵커의 묻힘 깊이 및 앵커

지름 등에 따른 인발 강도 평가 결과 모든 실험체에서 인발하

중 및 변위증가와 함께 최대 인장강도 후 급격한 하중 감소가

발생하는 결과로 나타났다. Fig. 7은 콘크리트 패널에 선설치

된 앵커의 하중–변위 관계를 실험변수에 따라 정리하고 동일

변수에 따라 각 4개의 실험체 결과를 나타내었다. 각 실험체

별 최대 인발 강도 및 최대 변위 결과는 Table 5에 정리하였다.

실험체별 측정된 평균 인발 강도를 앵커 직경, 앵커 묻힘 깊이,

와이어 매쉬 사용에 따라 Fig. 8에 비교 정리하였다.

80 mm의 묻힘 깊이로 설치된 앵커 직경 12 mm, 16 mm, 20

mm의 인발 강도 비교 결과 (Fig. 8(a)), 직경 16 mm 선설치 앵

커의 평균 인발 강도가 (40.44 kN) 직경 12 mm (인발 강도

32.09 kN)와 직경 20 mm (인발 강도 31.16 kN) 대비 크게 측정

되었다. 충분한 콘크리트 두께를 확보하지 못하는 얇은 콘크

리트 패널의 경우 사용 앵커 직경에 따른 일정한 증가 및 감소

경향을 확인할 수 없다. 앵커 직경 16 mm로 일정한 경우 묻힘

깊이에 따른 인발 강도 비교 결과 (Fig. 8(b)), 묻힘 깊이가 60

mm (33.35 kN) 및 80 mm (40.44 kN)에 비해 묻힘 깊이 40 mm

인 경우 (14.46 kN) 40 % 이하의 인발 저항성능을 가지는 것으

로 측정되었다. 즉, 선설치 앵커의 직경 보다는 앵커의 묻힘

깊이가 얇은 콘크리트 패널의 인발 강도에 큰 영향을 미치는

것으로 평가된다. Fig. 8(c)는 와이어 매쉬 설치 유무에 따른

선설치 앵커의 인발 저항성능 비교결과로 매쉬의 설치에 따

라 약 5 %의 인발 강도가 증가하는 것으로 측정된다. 즉, 본 실

험체와 같이 철근 배근이 어려운 상대적으로 얇은 콘크리트

패널의 경우 와이어 매쉬 설치가 패널의 휨인장 저항뿐 아니

라 선설치 앵커의 인발성능 향상에도 충분한 영향을 줄 수 있

을 것으로 판단된다.

Failure mode

Design strength in tension [kN]

SA12

-H80

SA16

-H40

SA16

-H60

SA16

-H80

SA20

-H80

Steel strength 24.03 44.75 69.83

Pullout strength 160.39 265.55 320.43

Concrete breakout 37.04 13.10 24.06 37.04 37.04

Table 4 Design strength of cast-in-place anchor in this study


(a) SA12-H80 (b) SA16-H40 (c) SA16-H60

(d) SA16-H80 (e) SA16-H80M (f) SA20-H80

Fig. 7 Load-displacement measurements with different types of anchor conditions

Model Load [kN] Displacement [mm] Failure mode Model Load [kN] Displacement [mm] Failure mode

SA12-H80 (1) 35.67 3.51 C&S SA16-H40 (1) 15.48 1.17 C

SA12-H80 (2) 31.08 3.09 S SA16-H40 (2) 9.06 1.08 C

SA12-H80 (3) 28.74 2.28 C&S SA16-H40 (3) 12.99 1.41 C

SA12-H80 (4) 32.88 2.64 C&S SA16-H40 (4) 20.31 1.47 C

AVG. 32.09 2.88 AVG. 14.46 1.28

SA16-H80 (1) 39.24 1.89 C&S SA16-H60 (1) 31.29 1.92 C

SA16-H80 (2) 46.59 3.06 C&S SA16-H60 (2) 32.49 1.71 C

SA16-H80 (3) 35.97 2.88 S SA16-H60 (3) 31.86 1.83 C

SA16-H80 (4) 40.08 2.01 C&S SA16-H60 (4) 37.74 2.55 C

AVG. 40.47 2.46 AVG. 33.35 2.00

SA20-H80 (1) 23.88 2.76 C&S SA16-H80M (1) 42.42 2.43 C&S

SA20-H80 (2) 29.1 1.77 C&S SA16-H80M (2) 42.36 2.49 C&S

SA20-H80 (3) 40.44 2.91 C&S SA16-H80M (3) 45.57 2.91 C&S

SA20-H80 (4) 32.23 1.62 C&S SA16-H80M (4) 39.78 2.19 C&S

AVG. 31.16 2.27 AVG. 42.53 2.51

*C: Concrete breakout, S: Splitting

Table 5 Test results and failure mode of various types of specimens

(a) (b) (c)

Fig. 8 Comparison of averaged tensile strength according to the different (a) anchor diameter, (b) embedment depth, and (c) wire-mesh usage


4.2 선설치 앵커의 실험변수별 인발 강도 및 파괴모드

실험 후 콘크리트 표면 및 단면 커팅으로 확인된 실험체의

파괴모드 역시 Fig. 9에 정리하였다. 설계기준강도 계산에 따

르면 직경 12 mm 앵커는 강재파괴가 우선되고 직경 16, 20

mm 앵커는 얇은 두께의 콘크리트 패널의 경우 콘크리트 파괴

(concrete breakout)가 우선 되어야 한다. 그러나 실제 파괴 모

드는 콘크리트 파괴만 발생한 경우와 쪼갬파괴 (splitting)를

동반한 결과로 나타난다. 직경 16 mm 앵커를 대상으로 콘크

리트 두께 대비 1/3 (40 mm), 1/2 (60 mm), 2/3 (80 mm)로 앵커

묻힘 깊이를 증가시킬 경우 40 mm와 60 mm의 경우 모두 콘

크리트 파괴가 발생한 반면 80 mm의 경우 콘크리트 파괴와

함께 쪼갬파괴가 항상 발생하는 경우로 나타났다. 이에 따른

콘크리트 표면의 균열 및 파괴 형상은 Fig. 10에 나타내었다.

즉, 두께가 얇은 콘크리트 패널 선설치 앵커의 경우 휨 변형 발

생을 피할 수 없으며 쪼갬파괴를 동반하는 결과로 나타나며

SA20-H80의 경우 모든 실험체에서 쪼갬파괴형상을 따른다

(Fig. 9). 얇은 콘크리트 패널의 휨변형 및 쪼갬파괴 발생에 따

라 측정된 최대 변위 결과들의 정량적 비교 분석은 어려우며,

이러한 파괴형상에 따라 앵커 직경 및 묻힘 깊이 증가에 의해

하중-변위 곡선 및 측정 강도의 편차가 증가하는 경향으로 나

타난다.

본 실험을 통해 확인되는 묻힘 깊이 증가에 따른 쪼갬파괴 발

생은 설계기준강도 결정 시 고려되는 설계 변수가 아니며, 앵커

의 다양한 직경에 따른 인장 콘파괴강도 역시 설계기준에서는

반영되고 있지 않다. 이렇게 설계기준에서 고려하지 못하고 있

는 변수들을 위해 Nilforoush et al. (2018)은 선설치 앵커의 묻힘

깊이와 직경 변수에 따른 실험연구를 진행하였으며 (Nilforoush

et al., 2018), 그 결과 선설치 앵커의 직경은 인발 강도에 영향을

미치며 묻힘 깊이를 기준으로 콘크리트 두께가 충분히 확보되

지 않은 실험체는 낮은 휨강성 및 휨변형으로 최종 파괴형상이

콘크리트 콘파괴와 동시에 쪼갬파괴가 발생되는 믹스파괴로 발

생됨을 확인하였다. 또한, 선행연구의 경우 콘크리트의 폭과 길

이 대비 동일한 두께 (25 %)를 확보한 경우 콘크리트 두께 증가에

따라 약 17 %의 인발 저항력이 증가함을 확인하였으나, 본 실험

과 같이 얇은 콘크리트 패널을 사용할 수밖에 없는 특수한 경우

파괴 인발 강도 향상을 위해서는 쪼갬파괴를 동반하더라도 묻

힘 깊이를 증가시킬 수밖에 없는 결과로 나타났다. 즉, 본 실험의

최대 묻힘 깊이 (80 mm)를 확보한 경우 앵커 직경 등 앵커 제원이

다르더라도 설계기준에 따른 콘크리트 파괴강도는 37.04 kN으

로 동일하다. 그러나 평균 인발 강도가 설계기준강도 대비 약 109

%인 직경 16 mm 앵커를 제외하고 직경 12 mm 와 20 mm 앵커의

실험 결과는 각각 약 86 %, 84 %으로 설계기준강도를 만족하지

(a) SA16-H80 (b) SA16-H80-left cross section (c) SA16-H80-right cross section

(d) SA20-H80 (e) SA20-H80-left cross section (f) SA20-H80-right cross section

Fig. 9 Cross-section of specimens after fracture

(a) SA16-H40: concrete breakout (b) SA16-H60: concrete breakout (c) SA16-H80: splitting (d) SA16-H80: mixed mode

Fig. 10 Failure modes of specimens using 16 mm diameter of anchors


는 못한다. 앵커직경 12 mm 대비 16 mm에서 큰 인발 강도와 20

mm에서 작은 인발 강도가 나타난 결과는 충분한 묻힘 깊이가

확보된 앵커의 경우 앵커 직경의 증가가 오히려 과도한 쪼갬파

괴를 유발하여 전체 인발 강도를 현저히 저하시킨 결과로 판단

된다. 또한, 직경 16 mm 앵커를 대상으로 콘크리트 두께 대비

1/3 (40 mm), 1/2 (60 mm), 2/3 (80 mm)로 앵커 묻힘 깊이를 증가

시킬 경우 묻힘 깊이 증가에 따라 인발 강도가 증가하는 경향으

로 나타난다. 즉, SA16-H80의 경우가 가장 큰 인발 강도를 발생

시키는 경우로 결정되고, 휨변형을 동반할 수밖에 없는 두께가

얇은 콘크리트 패널의 경우 쪼갬파괴는 피할 수 없는 파괴 모드

이기에 시공가능성 향상을 위해 SA16-H80 실험체에 와이어 매

쉬를 추가하여 실험을 실시하였다. 와이어 매쉬가 설치된

SA16-H80- mesh의 인발 강도 실험결과 Fig. 7과 같이 각 실험체

의 하중-변위 편차가 현저히 줄어드는 경향이 확인되었으며, 측

정된 인발 강도 (42.53 kN) 역시 설계기준강도를 만족하는 결과

로 나타났다. Fig. 11은 실험체에 사용된 앵커의 직경 및 묻힘 깊

이 비율에 따라 측정된 선설치 앵커의 인발 강도와 설계기준강

도비를 나타낸 결과이다. 최대 인발 강도를 확보하기 위해서는

SA16-H80-mesh가 가장 적합하다 판단되며, SA16-H40,

SA16-H60 또한 설계기준을 만족하므로 시공 가능성은 충분한

것으로 판단된다.

5. 결 론

두께가 얇은 프리캐스트 콘크리트 패널에 설치된 선설치

앵커의 저항성능 평가를 위해 묻힘 깊이, 앵커 직경, 와이어

매쉬 사용 유무 등 다양한 설치 변수에 따른 실험연구를 수행

하였다. 인발 강도 측정 결과로부터 묻힘 깊이 (패널 두께의

1/3, 1/2, 2/3) 증가에 따라 인발 저항성능 증가를 확인할 수 있

었으며, 최대 묻힘 깊이를 확보한 경우 직경 16 mm 앵커의 인

발 강도가 12 mm 및 20 mm 직경의 앵커에 비해 20 % 이상 우

수한 인발 강도를 확보할 수 있음을 확인하였다. 측정 인발 강

도 비교로부터 선설치 앵커의 직경보다는 앵커의 묻힘 깊이

가 얇은 콘크리트 패널의 인발 강도에 큰 영향을 미치는 것으

로 판단되며, 충분한 묻힘 깊이가 확보된 후에도 와이어 매쉬

설치가 일정한 인발 강도 확보 및 인발 저항성능을 증가시킬

수 있는 것으로 확인되었다. 앵커 인발 강도 증가를 위한 묻힘

깊이 증가는 얇은 콘크리트 패널의 특성상 휨 변형 발생을 피

할 수 없기에 실험체의 파괴는 콘크리트 파괴와 쪼갬파괴를

동반할 수밖에 없다. 즉, 선설치 앵커의 인발 저항성능을 감소

시킬 수 있는 쪼갬파괴의 영향을 최소화하고 가장 큰 인발 저

항성능을 확보하기 위해 묻힘 깊이 80 mm (패널 두께의 2/3)

의 직경 16 mm 선설치 앵커 사용이 가장 적합할 것으로 판단

된다. 또한, 프리캐스트 패널 분절 아치 시스템의 시공성 확보

및 충분한 설계기준 강도 만족을 위해 와이어 매쉬 사용이 필

요할 것으로 판단된다.

감사의 글

본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원의 지원으

로 수행되었음(과제번호 20-CTAP-C151892-02).

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evaluation of influence of member thickness, anchor-head size, and

Fig. 11 Comparison between designed and experimentally tested

pull-out capacity with various anchor diameter and embedment depth


orthogonal surface reinforcement on the tensile capacity of headed

anchors in uncracked concrete. Journal of Structural Engineering,

144(4), 1-14.

9. ACI Committee 318 (2011). Building Code Requirements for

Structural Concrete, ACI 318M-11, American Concrete Institute.

Received : 03/19/2020

Revised : 03/30/2020

Accepted : 04/23/2020

요 지: 프리캐스트 콘크리트의 장점과 및 석조 아치의 거동을 접목한 콘크리트 패널 분절 아치 시스템은 가설재가 불필요한 시공성을 확보

할 수 있는 경제적 시공법이다. 분절된 프리캐스트 콘크리트 패널의 연속 배치로 구성된 아치는 인양 및 시공을 위한 V형-스트립 연결부의 선

설치 앵커 설치가 필수적이다. 그러나 좁은 폭과 얇은 두께의 콘크리트 패널은 선설치 앵커의 충분한 묻힘 깊이 확보를 보장할 수 없고 앵커 인

발 거동 시 패널의 휨변형을 동반하는 등 앵커 저항성능 확보를 위한 콘크리트 패널의 기하학적 영향이 고려되어야 한다. 따라서 본 연구에서는

프리캐스트 패널과 강재 아웃리거로 구성된 아치구조의 제작시 설치되는 선설치 앵커의 인발 강도 평가를 위한 실험 연구를 수행하였다. 이를

위해 실제 아치 시스템과 동일한 크기의 프리캐스트 콘크리트 패널을 제작하였으며, 선설 앵커의 직경, 앵커 묻힘 깊이, 와이어 매쉬 사용 등의

영향에 따라 총 24개 실험체의 선설치 앵커 인발 강도를 측정하였다. 또한 측정 변수에 따른 설계기준강도 확보 및 파괴 모드 평가를 통해 프리

캐스트 콘크리트 패널 분절 아치 구조에 적용 가능한 선설치 앵커의 형태를 결정하였다.

핵심용어: 프리캐스트 콘크리트, 분절 아치, 선설치 앵커, 인발 성능, 앵커 직경 및 묻힘 깊이

프리캐스트 콘크리트 패널 분절 아치 시공을 위한 선설치 앵커의 ... ·...

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