후시공 앵커를 적용한 접합부 설계 Part1_설계 예시와 설계 프로그램

Ⅰ. 서론

KDS 14 20 54 (2021) 기준이 개정되면서 전반적인 앵커 검토 기준식이 복잡해졌으나 이에 따라 국내 기준을 통해서도 후설치 앵커에 대한 일반설계가 가능하게 되었다.

해당 기준을 살펴보면 앵커설계에서 검토되어야 되는 내용은 총 8가지이다.

기준 내의 표 4.2-1와 같이 앵커의 인장력을 받을 시 검토해야하는 5가지 사항과 전단력을 받을 시 검토해야 하는 3가지 사항으로 구분된다. 그러나 전단 검토를 하기 위해 인장시의 부착강도 및 브레이크아웃을 계산하여 비교 후 다시 적용하는 등의 과정이 내포되어 있기에 실제 계산 과정은 웬만해서는 직접 계산할 엄두가 나지 않게 필요한 계산양이 많아졌다.

Figure 1 KDS 14 20 54 : 4.3.3

특히나 KDS 14 20 54의 4.1에 따라 후설치 앵커 내진설계시, 실험 값에 따라 나온 부착강도 응력 값 사용이 필수적이고, 4.3.3-(2)의 내용에 따르면 후설치 확장앵커, 언더컷 앵커의 경우는 최종적인 강도 값에서 계산 값을 허용하지 않고 있기 때문에 후설치 앵커 사용에 있어서 웬만한 경우에 대하여는 사용하려는 앵커 제조사의 설계 프로그램을 이용하는 게 합리적이다.

따라서 이번 컨텐츠에서는 실무에서 유용한 힐티사의 무료프로그램 사용법을 소개하고, 몇 가지 주의사항과 함께 직접적으로 따로 검토해보아야 할 사항들을 언급한다.

Ⅱ. 후설치 앵커 접합부 설계시 유의사항

우선 프로그램 사용법에 대해 논의하기 전에 따로 검토되어야 할 유의사항 세 가지에 대해 먼저 얘기하겠다.

첫 번째로 내진설계에 따른 부착강도 저감 고려는 균열콘크리트에 따른 부착강도 저감과 별개의 조항이며, KDS 기준상 표 4.3-1 주석의 내용에 따라 부착강도를 조정할 필요가 있다.

이번에 다루는 힐티사의 무료프로그램에서 국내 기준에 따른 내진설계 조항은 따로 제공하지 않는다. 따라서 KDS 14 20 54의 4.1에 따라 내진설계가 필요한 경우 힐티사에서 제공하는 프로그램의 검토결과에서 부착강도와 관련한 강도는 해당 저감계수를 따로 곱하여 추가 검토할 필요가 있다.

Figure 2 KDS 14 20 54 : 4.1 중

두 번째로 주의할 사항은 해당 부착강도 저감 효과가 항상 강도 저감을 가져오지 않는다는 것이다.

오히려 KDS 14 20 54: 표 4.3-1 주석의 내용에 보이듯 지진 발생시 보다 값의 감소비가 더 크기에 식 4.3-21에 따른 단일 앵커의 부착저항면적이 작아지는 크기가 단일 앵커의 부착강도가 작아지는 크기보다 더 크다.

이 때문에 앵커 배치가 촘촘한 그룹 앵커의 경우 표 4.3-1 주석의 내용에 따라 계산시 강도가 오히려 커지는 상황이 발생한다.

개인적인 판단이지만, 이런 경우는 기준에서 의도하던 방향이 아니라 생각하기에, 내진설계에 따른 부착강도 저감효과로 인한 의 증가비율이 감소비보다 큰 경우에는 본인은 해당 효과를 적용하지 않고 보수적으로 검토하고 있다.

세번째 유의 사항은 면내모멘트가 작용할 때의 전단응력 하중방향에 대한 고려이다.

본 컨텐츠에서 직접계산을 추가로 진행하는 이유이기도하다.

Figure 5 KDS 14 20 54 : 4.4.2-(5)

반면에 플라이아웃 강도 검토에 대하여는 편심하중 수정계수는 있으나, 연단과 평행한 하중에 대한 별도의 검토 조항이 따로 없기에 볼트에 작용하는 전단력의 합력 방향으로 연단거리 검토가 되어야하며, 면내 모멘트가 작용할 경우 모든 볼트에서 고려하는 방향이 달라져 그룹 앵커 효과를 명확히 계산하기 상당히 까다롭다.

HILTI PROFIS 프로그램 사용 중 본인이 우려한 내용

이와 관련하여 힐티 사에 기술문의를 따로 해본 결과 제공 프로그램은 플라이아웃 검토시 연단의 2 x 2 배열의 앵커를 이용하여 검토한다는 답변을 받았고, 이 부분에 대하여는 스스로 합리적이라는 판단을 하였으나, 브레이크 아웃에 대하여는 면내모멘트 작용시 기준에 따른 검토가 제대로 이루어지지 않는 듯하여 이번 컨텐츠에서는 본인이 직접 계산한 브레이크아웃 강도 계산을 진행하며 해당 검토 방식에 대해 중점적으로 다룰 예정이다.

(본 컨텐츠에서 다룬 기준과 프로그램은 2023년 2월 26일에 검토를 진행하며 확인한 사항이며 프로그램 동작 방식은 추후에 본 컨텐츠의 내용과 달라 질 수 있음을 알립니다.)

Ⅲ. 설계예시와 프로그램 사용법

본 컨텐츠에서 다루는 접합부 조건은 다음과 같다.

여기에 적용된 앵커의 인장강도 및 항복강도 및 kc값은 PROFIS ENGINEERING SUITE 프로그램으로 1차 검토 시 적용한 앵커의 강도를 힐티 사가 제공한 카탈로그를 바탕으로 입력한 값이다.

https://www.hilti.co.kr 힐티 코리아 사이트에 접속하여 회원가입을 하면 제품-소프트웨어-고정시스템용 소프트웨어 메뉴로 들어가면 PROFIS ENGINEERING SUITE를 웹에서 사용할 수 있다.

표기는 무료 체험 시작이라고 되어있으나, 해당 버튼을 누르고 무료 체험 시작을 거절하면 무료 버전 프로그램 사용이 가능하다.

유료 버전에서는 플레이트 검토, 동시에 여러 하중에 대한 검토 등 추가적인 기능들이 제공되나 무료 기능 만으로 플레이트를 강체로 가정한 경우의 앵커 검토 기능은 제공하고 있다.

접속을 하면 아래와 같은 화면이 나온다.

본인은 여러 프로젝트에서 활용하면서 이런 저런 프로젝트가 화면 상에 추가 되어있으나 처음 접속시 “New design for” 메뉴만 활성화 되어있다.

해당 메뉴를 클릭하여 새로운 프로젝트를 만들면 된다.

새로운 프로젝트를 활성화하면 위와 같이 기본배치가 되어 나오는데, application builder 메뉴에서 적용하는 구조물의 종류와 접합부의 종류를 선택하면 힐티사에서 해당 조건에서 검증된 앵커만 활성화되어 아래에서 선택할 수 있게 된다.

힐티사에서 제공하는 카탈로그에 제원이 있다 하더라도 특정 구조물 조건에서는 검토가 불가능한 앵커를 자동으로 걸러준다.

앞서 서술한 것처럼 앵커설계 기준의 경우 실험 값을 쓰도록 제약 된 사항이 많으므로 해당 조건을 미리 설정하고 실험 값을 사용 가능한 앵커를 고르는 게 바람직하다.

왼쪽 메뉴를 차례대로 설명하면 전구 모양은 방금 설명한 application builder 메뉴이며,

그 아래 직육면체 모양은 콘크리트의 연단거리 및 두께 그리고 강도와 균열 여부 등을 설정하는 메뉴이다.

세 번째는 플레이트의 모양과 위치를 설정하는 메뉴이며,

네 번째는 앵커의 종류와 배치를 설정하는 메뉴이다.

• 이때 앵커의 종류를 application builder에서 미리 설정했다면 매입 깊이와 layout만 설정하면 된다. 앵커 Layout의 경우 직접 좌표를 입력하여 설정 할 수 있다.

다섯 번째 메뉴는 하중을 전달하는 강재의 모양을 설정하는 메뉴이다.

• 초기 세팅은 H형강으로 되어있으나 자신이 원하는 모양대로 조정 가능하다.

마지막 메뉴는 해석 조건을 세팅하는 메뉴로서 기본 값은 플레이트의 탄성변형을 고려하지 않는 강체로 적용하여 해석을 진행한다.

• 유료 버전을 이용할 경우 해당 메뉴에서 플레이트가 탄성 범위에 속하는지 검토하는 기능과, 유한요소해석으로 플레이트 탄성변형에 따른 앵커 하중을 검토를 추가로 진행할 수 있다.

Tips

참고로 추가적인 설명을 하자면, 이번 컨텐츠에서는 플레이트 설계를 포함하고 있지 않기에 축력과 면외 모멘트에 대한 하중은 0으로 두었다.

이렇게 전단력과 면내 모멘트만 접합부에 작용하는 경우는 구조물의 외부에 보강프레임을 병렬로 연결하는 경우에 주로 발생한다.

특히 마감 등의 영향에 의해 기둥부가 아닌 보에 접합부를 형성하는 경우 보강프레임의 밑면 전단력과 접합부의 수평 전단력이 이루는 우력 모멘트가 접합부의 면내모멘트로 들어가게 된다.

아래는 최종적으로 위의 해석 조건을 그대로 적용한 모양이며 이때 우측 상단의 create report를 통해 계산서를 뽑을 수 있으며,

우측의 나머지 화면을 통해 개별 앵커에 작용하는 하중의 크기와 접합부의 안전성 여부를 미리 확인할 수 있다.

참고문헌

1. KDS 14 20 54(2021): 구조설계기준 - 콘크리트용 앵커 설계기준

2. 힐티코리아, 2022년 10월 24일 웨비나 자료, KDS 14 20 54에 따른 후설치 앵커 설계  

About the Editor

GK. Jeong

구조 엔지니어, 블로거 경력 5년 이상

성능 설계 및 예비 설계 프로세스에 대해 전공하였던 엔지니어 입니다. 과거에 전시장, 종합체육관, 호텔, 아파트, 플랜트, 역사 등 다양한 설계 프로젝트에 참여하였고 현재는 댐퍼를 적용한 구조물의 성능설계를 일반적으로 하고 있습니다.

 

<정치,경제,철학,공학,과학, 온갖 지식에 대한 종합적 접근> 블로그를 운영하는 블로거로, 구조 엔지니어링에 필요한 전문 지식 외에도 엔지니어링 접근 방식에 있어 혁신적이고 창의적인 능력을 키우기 위해 여러 방면으로 공부를하고 있습니다.

 

초기 컨텐츠 제작자로 초대된 다른 분들만큼 높은 자격과 존경받을 지식을 가진 전문가라고 아직 스스로 생각하고 있지 않으나, 비루한 지식이라도 후배들에게 도움이 될 수 있도록 보다 성실히 글을 남기려 노력합니다.

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