[Earth Anchor] 앵커의 설계 및 시공

앵커의 설계 및 시공



토목 공학에서 앵커공법은 1874년 최초 시험 적용된 이래 많은 연구 개발이 이루어져 왔으며 1960년대 이후 현재에 이르기까지 지난 40여 년간 앵커 공법의 사용범위 및 빈도는 급격히 증가하고 있는 추세이다.

그 동안 앵커공법은 양적인 증가뿐만 아니라 그 적용범위도 매우 넓어져 옹벽, Dry Dock, Cofferdam, 물탱크, 콘크리트 댐, 고층건물의 기초, 현수교, 아치교, 등대, TOWER, 스키 점프대, 사면안정, 개착식 지반굴착, 수직구, 터널, 지하공동, 등 많은 곳에 적용되고있는 실정이며 이러한 앵커의 적용은 인장, 활동, 전도, 동하중 등 지반의 Prestressing에 관련된 문제를 해결키 위한 것이다.

그간 앵커공법에 대한 기술 발전이 계속되고 지반과 암반에 대한 가설 및 영구 구조개념의 적용 및 시공이 증가되고 있으며 이에 대한 연구 또한 활발하게 진행되고 있으나 아직까지 이에 대한 설계 및 시험 방법 등이 명확히 정의되지 않아 설계와 시공이 서로 일치되지 않는 경향이 많은 것이 국내의 현 실정이다.

특히 국내 앵커공법은 그 이용범위 및 공법의 효용성이 크게 증가하고있는 실정임에도 불구하고 아직 설계 및 시공에 있어서는 명확한 기준이 확립되지 않아 설계자의 설계의도가 현장에 적절히 반영되지 못하는 상태에서 시공되고 있는 것이 국내 건설 현장의 현실이며 이에 대한 검증 방법 및 확인 방법 또한 매우 미비한 실정이므로 이에 대한 보다 깊은 연구가 필요하다 하겠다.

국내에서 가장 일반적으로 쓰이는 깊은 굴착에서의 앵커 공법은 토류벽체를 구조적으로 지지하는 버팀재로서 그 기능은 매우 중요하고 토류 구조물의 안정에 직접적으로 영향을 미치는 관계로 이에 대한 관찰 및 그 기능의 적합 여부는 매우 세밀하게 검토되어야 함에도 불구하고 아직 그 시험 기준조차도 제대로 정립되어있지 않은 것이 현실이다.

일반적으로 앵커공법은 크게 소요 정착력을 보유하는 정착부와 이를 전달하는 자유장부, 소요응력을 구조체에 발휘토록 하는 정착장치의 3부분으로 구별되며 앵커의 안정성 여부는 각 부분에 대하여 면밀히 검토되어야 할 것이다.




1.2 앵커의 종류

앵커의 종류는 크게 그 기능과 정착 방식, 내구 연한 등에 따라 구분되며 일반으로 적용되는 앵커의 종류 및 분류기준, 이에 따른 특징을 열거하면 다음과 같다.

1) 정착 방식에 의한 분류 : 앵커는 정착 방식에 따라 마찰형 앵커, 지압형 앵커 이들 개념이 복합된 복합형 앵커로 구분되며 각각의 특징은 다음과 같다.

① 마찰형 앵커 : 지반과 그라우트의 부착저항에 의해 부착력을 발휘하는 형식으로 대부분의 앵커가 마찰 방식이며 지반의 불균질 특성에 대한 적응성 좋다.
② 지압형 앵커 : 지중에 지압판을 설치하여 지압판의 지압능력으로 정착력을 확보하는 방식으로 일본에서 개량되어 절취사면의 안정 공법으로 많이 사용되고 있으나 지반의 불균질 특성에 대한 적응성이 떨어지며 부식 및 내구성 취약한 단점이 있다.
③ 복합형 앵커 : 최근 개발된 앵커로 마찰형과 지압형의 복합형으로 아직 그 적용 실적이 미비한 실정으로 최근 그 연구가 진행중이다.


2) 내구 연한에 의한 분류. ( 관련 시방기준 : PTI, BS, FIP, Geo-Spec etc. )

① 가설 앵커 : 일반적으로 내구연한이 18개월∼24개월 미만의 가설 구조물에 적용되는 앵커로 비교적 단순하며 단순부식방지 시스템이 적용된다.
② 영구 앵커 : 앵커의 내구 연한을 기준으로 보통 24개월 이상의 내구 연한을 필요로 하는 앵커로 설계 및 시공시 엄격한 품질관리가 요구되고 시공 후 설계 목적에 따른 유지 관리가 필요하며 이에 따른 유지 관리 계획이 수립되어야 한다. 또한 영구앵커는 반드시 이중 부식 방지처리가 되어야 한다.


3) 그라우트 주입 방식에 의한 분류.

① 무가압 앵커 : 자연압(중력)에 의한 Grouting 방식.
② 가압형 앵커 : Grouting 압력 20 BAR 이상
③ 확공형 앵커 : 앵커 홀의 정착부분을 일부 확공하여 정착 능력을 증대한 앵커로 개념적으로는 확공에 의한 부착력 증대효과 있으나 실제 현장에서는 확공 가능성 여부의 확인이 어려우며 그 적용성이 떨어지며 국내 적용실적 미흡한 실정이다.

그라우팅 방법은 앵커의 부착력을 좌우하는 중요한 요소로 지반조건 및 앵커의 기능을 충분히 고려하여 결정되어야 하며 주입압 결정은 사전에 지반조건에 따른 시험이 선행되어야 한다.


4) 기능에 의한 분류.

① Active Anchor : 일반적으로 적용되는 Prestressing방식의 앵커로서 통상 앵커라 함은 Active 개념의 앵커를 의미 한다.
② Passive Anchor : Prestress를 도입하지 않는 수동형 앵커로 Rock-Bolt, Anchor Bolt 등 수동적인 정착 효과만을 발휘한다.

5) 부식 방지 처리 방식에 의한 분류.

① 단순 부식 방지형 앵커 (Temporaroly Anchor) : 가장 일반적인 가설 앵커 에 적용되는 방부식 처리방법으로 대부분의 가설앵커에 적용된다.
② Semi-Permanent Anchor : 일반적인 가설 앵커의 개념으로 설계되나 사용연한 및 앵커의 기능이 비교적 중요한 경우에 적용.
③ 이중 부식 방지형 앵커 (Permannent Anchor) : 영구앵커에 적용되는 앵커 부식방지 방법으로 품질관리 및 시공관리에 세심한 주의가 필요하며 향후 유지관리가 필요하며 이에 따른 유지관리계획이 수립되어야 한다.

6) 인장재의 종류에 따른 분류.

① Wire Type Anchor : 앵커 개발초기에 사용되던 방식으로 최근에는 거의 사용을 안함.
② Strand Type : 앵커 대부분의 방식으로 가장 일반적으로 사용되는 방식.
③ Steel Bar Type : Dywidag 등 일부 업체에서 사용하는 방식으로 국내 적용실적 있으며 보수보강용 앵커 등에 유리하다.




1.3 앵커의 구성.

앵커의 구성 요소는 크게 소요 응력을 발휘하는 정착부, 정착부에서 발휘되는 응력을 전달하는 자유장부, 소요 응력을 구조체에 작용토록하는 정착장치로 구분되며 설계시 각각의 안정성이 충분히 확보되어야 한다..

1) 정착장 ( Bond Length )

지반과 그라우트의 부착력에 의해 앵커의 소요 응력을 직접 발휘하는 부분으로서 지반의 종류, 정착 방식, 인장재의 종류, 그라우팅 방식 등이 충분히 고려되어 소요 응력을 충분히 발휘될 수 있도록 검토되어야 하며 특히 자반종류에 따른 적절한 부착응력τ 값의 선정에 유의하여야 한다.

2) 자유장 ( Free Length )

정착부에서 발휘하는 응력을 목표로 하는 구조체에 전달하는 매개체로 자유장의 기능은 매우 중요하다.

연구보고에 의하면 특별한 경우를 제외하고 대부분의 앵커 파괴는 자유장에서 발생되며 사용연한에 따른 앵커유형의 선택은 매우 중요하고 인장재는 강봉, 강연선, 강선으로 구분되며 최근 신소재의 개발로 탄소섬유를 이용하기도 한다.

특히 사용목적, 내구연한 등에 따른 자유장의 방부식 처리는 매우 중요하게 고려되어야 한다.


3) 정착구 ( ANCHORAGE ZONE )

앵커의 소요 응력을 구조체에 직접 작용토록 하는 요소로 정착 방식은 Button, Wedge, Nut 등이 있으며 가장 널리 쓰이는 방식은 Wedge로 대부분의 앵커에 적용된다.

또한 정착구는 구조체에 응력을 직접 재하하는 부분으로 향후 유지관리를 위해서 재인장 가능한 정착 방식이 적용되어야 함에도 국내 여건상 구조물의 제약, 경제성 등에 의해 적용되지 못하고 있는 실정이나 최근 비교적 간단하고 원가 상승 요인이 없는 재인장형 정착구가 개발되어 향후 앵커 정착구는 재인장 가능한 정착구가 적용되어야 할 것으로 판단된다.

일반적으로 앵커의 파괴는 대부분 자유장과 정착구에서 발생되며 통계에 의하면 정착 장에서의 파괴는 약 15%정도 미만이며, 자유장 부위에서의 파괴는 약 45%, 정착구에서의 파괴는 약 40%정도 보고된 바 있다. 따라서 앵커의 방부식처리 및 정착 방식의 선정은 매우 중요한 요소이므로 세심한 주의가 필요하다.




2. 설 계.




2.1 일 반 사 항.

앵커는 그 설계목적에 따라 안전성, 경제성, 시공성이 충분히 고려되어야 한다 즉, 앵커의 기능 및 설계 목적에 따른 유형 결정, 사용 연한에 따른 방부식 처리 계획, 앵커의 기능상 중요도에 따른 시험계획, 유지관리를 위한 계측계획 등이 종합적으로 고려되어 설계에 반영되어야 하며 특히 향후 유지관리 측면에서는 재인장형 정착구의 적용은 필수라 하겠다..




2.2 앵커의 설계.

1) 정착장 산정.

앵커의 정착장 길이 산정에 있어서 지반과 그라우트재의 부착저항 및 그라우트와 인장재의 부착 저항에 대한 충분한 이해가 요구되며 부착 저항값의 적절한 선택이 매우 중요한 요소이다.
또한 그 정확한 값을 산정하기 위해서는 시공 전에 극한 인발 시험 등 제반 시험을 통하여 그 정확한 값이 제시되어야하나 대부분의 설계단계에서는 그 시험이 곤란한 관계로 경험에 의한 제안치 및 간접 추정법을 이용하고 있는 실정이므로 시공전 시험에 의한 극한 부착저항을 확인 할 수 있도록 조치함이 바람직하나 국내 건설현장의 현실은 이마저도 적용이 어려운 실정이며 이러한 이유로 대부분 안전율이 과다하게 적용되어 안정성을 안전율에 의존하고 있는 실정이다.

정착장 설계에 있어서 고려되어야 할 주요 사항은 다음과 같다.

(1). 최소 안전율 의 만족 여부

S.F ≥ 2.0 : Temporary Anchor
S.F ≥ 3.0 : Permanent Anchor

(2). 정착 길이 산정의 적합성 여부.

가) 지반과 그라우트의 부착 저항에 의한 정착 길이의 산정

암반에 그라우트를 주입하여 정착된 직선의 앵커는 주로 암반과 주입재의 경계면 부근에서 부착 또는 전단이 작용하게 되는데 설계에 있어서는 앵커의 정착장을 따라 균등하게 부착력이 작용하는 것으로 가정되며 부착력은 시험성과가 없는 한 경험에 의하여 결정하는 것이 보통이다.

경험 또는 현장 시험치가 없는 경우에는 극한 부착 응력을 암반의 일축 압축 강도의 1/10을 가정하여 적용할 수도 있으며 이때 최대 값은 42.0 ㎏/㎠을 초과하지 않아야 하며 실제 지반과 그라우트의 부착 저항력 분포는 통상 암반이 약하지 않으면 균등하게 분포되지는 않는 것으로 알려져 있다.
따라서 지반과 그라우트의 탄성계수 비가 10 이하일 경우에는 비 균등성이 고려되어야 한다.

앵커의 인장시 앵커와 암반의 응력 전달 경로는 정량적 해석은 현재로서 거의 불가능하며 설계의 비정밀에 비해서 대부분의 암반에 정착된 앵커는 대부분 충분한 부착 효과를 발휘하며 제안된 경험치들이 실용적으로 안전한 것으로 알려져 있다. 영구 앵커의 경우는 추가하여 하중전달에 따른 주입부의 파괴에 대한 영향이 고려되어야 한다.

실제 앵커의 적용에 있어서 통상적으로 앵커의 최소 정착장은 3.0m이상으로 추천되고 있으며 특별한 경우 이외에는 3.0m이상을 확보할 수 있도록 하여야 한다.(P.T.I.) 또한 하중이 주로 부착 또는 전단에 의해 전달되므로 어느 한계 길이 이상의 정착은 불필요한 것이 되며 어떤 현장 조건에서나 최대 정착장을 계산하기 위해서는 인장재 보강이 된 주입부의 인장응력-변형율 관계와 지반저항-변위 곡선 등을 알아야 한다.

통상적으로 실제 적용에 있어서 10.0m이상은 거의 없으며 또한 앵커의 부착거동특성에 의하면 11m이상의 길이는 부착효과를 발휘하지 못하는 것으로 설명되므로 상기 언급한 불필요한 정착장의 계산은 필요치 않게 된다.

인장재의 하중이 판 또는 미리 조립된 Capsule로 전달되는 경우에는 축방향 및 Radial 방향의 압축 응력은 주변 지반의 횡방향 구속에 의하여 저항하게 된다. 이러한 것들을 검토하기 위하여 암반 또는 견고한 점토의 E값과 모래와 자갈의 탄성 및 Dilatancy 성질들을 알아야 할 필요가 있다.

나) 그라우트와 인장재의 부착 저항력에 의한 정착길이 산정.

주입재와 인장재의 부착력은 인장재의 종류, 길이, 형상, 주입재의 강도 등이 고려되는 것이 보통이다.

인장재의 특성에 대하여 제안된 여러 가지 경험적 방법들이 있으며 특히 주입재의 압축강도는 제시된 시방 기준을 충분히 만족시킬 수 있어야 하며 참고로 주입재의 강도 300 ㎏/㎠을 기준으로 할 때 인장재의 부착 저항력의 한계는 아래와 같다.

- 깨끗한 원형 WIRE 또는 원형 강봉 : 10.0 ㎏/㎠
- 깨끗한 상태의 꼬인 WIRE : 15.0 ㎏/㎠
- 깨끗한 STRAND 또는 이형 강봉. : 20.0 ㎏/㎠

상기의 값들은 인장재 여러개가 나란히 5.0mm이상 떨어져 있는 경우에 적용 가능하며. 고인장 앵커에서는 인장재가 취성이 강한 주입재에 응력을 전달하여 정착이 깨지는 특수한 상황이 있을 수 있으므로 더 상세한 검토가 필요하다.

주입재와 인장재의 경계에서 작은 균열의 발생은 피할 수 없는데 이때 한계 정착장에서 부착과 마찰저항의 손실이 발생하며 이 한계 정착장을 넘어서 인장재의 늘어남이 생기고 이 신장량은 앵커 인장시 앵커 정착부에서 하중-신장 자료를 해석하는데 매우 중요하다.

열악한 환경에 앵커가 설치되어 장기간에 걸쳐 인장력이 작용할 때 주입부 균열이 어떤 영향을 주는지 파악하는 것도 중요한 사항이다.

인장재의 밀도는 정착력의 감소와 관계가 있으므로 현행 기준에는 인장재의 단면적이 천공 단면적의 15%이하가 되도록 규정하고 있다.(BS, FIP, PTI etc.)

다) 최소 정착력 확보를 위한 최소 정착 길이.

일반적으로 추천되는 최소 정착 길이는 3.0m이상으로 가급적 이 기준을 만족시킬 수 있도록 유의하여야 하며 이는 지반의 불균일성 등에 따른 정착력의 불확실성에 대한 최소 정착력의 확보를 위한 것이다. 특히 지반 상태가 절리등 불 균일한 경우에는 최소 정착장의 산정은 더욱 세심하게 검토되어야 한다.

라) 장기 하중에 대한 creep 영향에 대한 검토.

앵커의 Prestressing후 장기간에 걸친 동하중 재하와 시간의 영향에 의해 실제 앵커의 보유하중은 다소간의 감소를 보이게 되는데 이러한 잔류하중 감소영향을 Creep이라 하며 Creep은 다음과 같은 3가지 요인에 의해 발생된다.

① 정착장 주변 지반의 Creep : 지반의 Creep발생은 지반의 강성 및 상태와 재 하중에 의해 크게 좌우되며 실험에 의하면 일반적인 고소성 실트층 지반에서는 파괴 하중의 약40%하중재하 단계에서부터 Creep 발생이 시작되며 조밀한 상태의 고소성 실트층 지반에서는 파괴하중의 약55%∼80%에서 Creep이 시작되는 것으로 발표된 바 있다

주입재와 인장재간에 발생하는 Creep의 영향은 Grout의 강도에 크게 영향을 받으며 인장시 작용하는 하중에 의한 그라우트의 균열이 주원인이 된다.
각국의 시방기준에 의하면 Grout의 강도는 보통 250∼300 ㎏/㎤으로 추천하고 있으며 이에 대한 연구가 더욱 요구되는 실정이라 하겠다.

Steel Tendon에서 발생하는 Creep은 주로 인장재의 Relaxation에 의해 발생되며 이때 그양은 인장재의 종류, 인장재에 대한 작용 하중, 탄성계수 등에 의해 지배된다. 참고로 인장재의 종류에 따른 Relaxation의 발생은

① NORMAL RELAXATION WIRE AND STRAND 의 인장재를 사용할 때 인장재 공칭응력의 70%재하시 약 8%, 50%재하시 약 3%정도가 발생하며
② LOW RELAXATION WIRE AND STRAND 의 인장재를 사용할 때 인장재 공칭응력의 70%재하시 약 2.5%, 50%재하시 약 1%정도가 발생되고
③ STEEL BAR 사용시 인장재 공칭응력의 70%재하시 약 4%, 50%재하시 약1.5% 정도가 발생되는 것으로 알려져 있다.

특별한 경우에는 재료의 특성에 맞는 명확한 검토가 이루어져야 하며 다음에 따른다.

CREEP AT TIME T AFTER LOCKOFF = Cr log T

상기의 RELAXATION의 적용시 적절한 안전율이 적용되어야 한다.

가) ∼ 라) 항의 검토 결과에 의해 적절한 정착 길이를 결정하여야 하며 지반 조건이 불리하거나 설계 하중이 큰 고인장 앵커 의 경우에는 CREEP에 의한 정착력 감소 영향을 면밀히 검토하여 그 영향에 대한 충분한 안정성을 확보하도록 설계되어야 한다.

(3). 지반의 종류별 부착 저항.

기존의 제안된 지반의 종류에 따른 부착저항 값은 여러 가지가 있으며 각각 다양한 값을 나타내고 있다. 특히 설계에서의 부착저항 값의 선택은 지반의 종류에 대한 충분한 고려와 제안된 값의 지반 조건 및 시험 배경 등을 충분히 고려하여 적용하여야 한다.


2) 자유장 산정.

앵커의 자유장은 정착부에서 발휘하는 소요 앵커력을 목적하는 구조체에 전달하는 매우 중요한 앵커의 구성 요소이다. 특히 앵커 파괴의 대부분은 자유장부에서 발생되므로 이에대한 검토는 매우 중요하다.

앵커의 자유장 산정에 있어서 중요한 요소는 설계 앵커력에 대하여 충분히 저항할 수 있도록 고려되어야 하며 또한 앵커 구조물의 내적 안정이 유지될 수 있도록 충분한 길이를 확보하여야 한다. 앵커의 내적 안정 계산 방법으로 가장 일반적인 방법은 크란즈의 간이 계산법이 있으며 또한 일반적으로 제안된 여러 가지 방법들이 있으나 이는 대부분 경험적인 방법들로서 이론적 근거가 부족한 실정이다.

(1) 토류 구조물에서의 자유장 산정 방법..

① FOUNDATION ENGINEERING MANUAL
- CANADIAN GEOTECHNICAL SOCIETY -
② FOUNDATION ANALYSIS AND DESIGN - Joseph E. Bowles
③ 쏠레땅쉬 제안 방법.


(2) 수직 및 경사 앵커의 자유장 산정 방법..


3) 정착구의 선정

정착구의 선정에 있어서 중요한 사항은 현장 작업 여건과 인장재의 종류에 의해 결정되어지며 설계 하중에 따른 각 제조 업체별 사양들이 다양하게 제공되고 있으며 정착구의 종류는 단순 정착형과 향후 유지 관리가 가능한 재인장형으로 구분된다.

기존의 국내 적용되는 대부분의 앵커는 적용의 제한성, 경제성등의 이유로 단순정착형 정착구가 적용되고있는 실정이나 앵커의 특성상 지반의 불확실성 및 향후 유지관리측면에서 재인장이 필요한 경우가 발생되므로 가급적 재인장이 가능한 앵커 정착구의 적용이 바람직하다..

그간 재인장 방식의 어려움과 경제적인 이유로 재인장 정착구가 제한적으로 적용되었으나 최근 간편하게 재인장 할 수 있고 추가 비용의 부담이 없는 정착장치가 개발되어 향후 그 보급이 늘어날 전망이다.

■ 표 2-2 : 앵커 정착구의 종류

종 류
단순 정착형
VSL 재인장형
K101형 정착구

특 징
가장 일반적으로 사용되나 유지관리가 불가능.
경제성및 기존앵커의 공간적 제약으로 국내앵커 대부분 적용.
향후 유지관리가능 하나 재인장을 위한 공간확보 필요 경제성 및 공간적 제약으로 적용사례 거의 없음. 현재 특허출원중인 정착구로 적용사례 없으나 향후 유지관리 가능하고 공간적 제약이 없으며
경제적임,

경제성
100
500
110



2.3 JACKING FORCE 의 결정

앵커의 설치에 있어서 Lock-off Load의 결정 및 Jacking Force의 결정은 앵커의 설치 목적을 달성하는 단계로 매우 중요한 사항이며 앵커의 특성상 지반의 크리프 및 정착장치에서의 손실 등 손실이 발생하므로 이에 대한 대책이 강구되어야 한다.

1) Lock-off Load.

Lock-off 하중은 앵커된 구조물의 구조적 해석에 의해 결정되어지는 하중으로 앵커의 Jacking Force와는 다른 의미를 갖으며 일반적인 앵커 구조물에서의 Jacking Force는 설계하중에 앵커의 특성상 발생되는 손실을 고려하여 결정된다.

토류 구조물에서의 초기 LOCK-OFF LOAD의 산정 방법은 토압 본포도에 의한 1/2 분할법, "P - Y" LATERAL SOIL REACTION 해석법, F.E.해석법, 운동학적 해석법 등 여러가지 방법이 제안되어 있으나 그 이론적인 배경은 토압 이론과 토류벽체의 거동에 관련되어 설명된다.

앵커의 초기 LOCK-OFF LOAD의 산정을 위해 제안된 여러 가지 방법들을 이해하기 위하여는 토류벽체 해석 방법 전반에 걸친 이해가 요구되는 사항이며 일반적으로는 단계별 버팀굴착의 상태로 Terzagi 와 Peck의 토압 이론을 적용하여 "P - Y" LATERAL SOI REACTION 해석법의 개념을 적용하여 각 단계별 토압 및 축력, 부재력을 산정 한다.

이는 토류벽체의 변위를 어느 정도 허용하는 연성벽체로 토압이론을 적용하여 해석하게 되며 이때 앵커의 Prestress Load의 결정은 토류벽체 배면에 작용하는 토압의 양상 및 토류벽체의 변위, 부재력에 직접적인 영향을 미치게 되므로 매우 유의하여 결정하여야 할 사항이다

2) 토류벽에서의 Lock-off Load.의 결정

Lock-off Load.의 결정에 있어서 일반적으로 적용되는 Terzagi 와 Peck의 이론은 아래 그림과 같다.


3) JACKING FORCE.

앵커는 일반적으로 앵커의 본질적인 특성에 의해 응력 손실이 발생되며 그 손실에 대하여 보정치가 적용된 것을 통상 JACKING FORCE 라하며 현장에서의 작업은 JACKING FORCE를 기준으로 이루어지게 된다.

이때 고려되는 일반적인 앵커의 응력 손실은 크게

① 정착장치에서의 손실,
② 인장재의 특성에의한 손실,
③ 정착장과 지반의 Creep에 의한 손실
④ 인장재의 만곡으로 인한 손실. 등으로 구분 할 수 있으며 설치된 앵커에 필요한 Lock-Load를 정확히 도입하기 위해서는 이러한 손실에 대한 보정이 이루어져야한다

특히 지반조건이 불리한 경우, 사용연한이 비교적 긴(일반적으로 영구앵커) 경우에는 손실에 대한 보정이 반드시 검토되어야 한다.
일반적으로 앵커의 응력손실은 Lock-off Load의 약 15∼20%정도 발생되며 Jacking Force를 결정 할 때 이를 반영하면 크게 문제되지 않을 것으로 판단된다.
특별한 경우에는 이에 대한 면밀한 검토가 이루어져야 한다.




2.4 앵커의 파괴거동

1) 정착부의 파괴.

앵커공법의 적용에 있어서 정착부의 기능은 매우 중요하며 목적하는 Prestressing Force에대한 저항력을 보유하고 있는 부분으로서 그 기능을 충분히 발휘할 수 있도록 하기 위해서는 파괴에 대하여 충분한 안정성을 확보하여야 한다.

정착부위의 파괴 형태는 극한 인발력의 부족으로 하중 도입 즉시 발생하는 순간 파괴와 시간의 경과에 따라 서서히 진행되는 진행성 파괴, 앵커의 설계 길이가 부적절함에 의해 발생하는 앵커의 붕괴로 구분 할 수 있다.

특히 정착부가 일반 토사에 정착될경우 시간의 경과에 따른 CREEP의 영향으로 인한 진행성 파괴의 확률이 매우 높으므로 이에 대한 세심한 검토가 요구된다.

2) 인장재의 파괴.

앵커의 구성요소에 있어서 가장 중요한 요소인 인장재의 파괴는 대단히 중요하며 인장재의 파괴 즉시 앵커의 기능을 상실한다는 점에서 인장재의 파괴는 매우 중요하게 검토되어야 한다.

인장재의 종류로는 강봉, 강연선, Wire, Non-Allow Strand, Low-Alloysteel Bar 등이 쓰이고 있으며 이때 설계에 고려되는 인장재의 최대 Prestress손실은 인장력을 가한 후 100시간이 경과되는 동안 발생하는 Relaxation이다.

인장재의 설치에 있어서는 10.0mm이상의 Grout피복두께가 확보 될 수 있도록 하여야 하며 인장재가 공내의 중앙에 위치 할 수 있도록 간격재가 필히 설치되어 인장재가 공내에 흐트러짐이 없도록 하며 주입재의 중심에 인장재가 위치하여 균열에 의한 부식이 최소화 될 수 있도록 하여야 한다.

인장재의 파괴 유형은 인장재의 극한하중을 초과하는 응력에 대한 파괴와 시간의 경과에 따른 부식에 의한 단면손실에 기인하는 파괴, 인장재의 Relaxation에 의한 장기적인 인장력의 상실, 정착부를 구성하는 그라우트의 강도 부족으로 유발되는 만곡부의 풀림으로 발생하는 인장력의 상실 등이 있다.

앵커의 설계및 시공관리에 있어서 인장재의 선택및 관리기준은 매우 엄격히 적용되어야 하며 인장재의 파괴에 대하여 충분한 검토가 선행되어야 한다.

3) 정착장치의 파괴

앵커의 정착장치는 인장재가 정착되는 STRESSING HEAD와 반력을 구조체에 전달시키는 지압판으로 구성되며 앵커의 인장력은 콘크리트와 블록 또는 강재 띠장 형태의 2차 전달 시스템을 통하여 주 구조체에 전달된다. 이러한 구조 역학적 시스템은 구조역학 규준에 잘 명기되어 있으나 다음 사항은 별도로 관리되어야 한다.

- 인장재가 중심축에서 ±5.0MM이내에 위치하도록 두부가 정착되어야 한다.
- 중심축에서 3°이내의 각오차를 허용한다.
- 정착구(ANCHOR HEAD + WEDGE)의 품질관리.

과도한 직성오차는 하중전달의 효율을 감소시키며 쐐기의 정착을 어렵게 한다. 이와 관련하여 쐐기가 5.0 MM깊이 범위에 정착되었을 경우에는 문제가 되지 않는다.

앵커의 정착 장치는 앵커의 보유 응력을 구조체에 직접 전달하는 요소로서 그 파괴 형태는 지압판의 휨에 의한 인장력의 감소, HEAD및 WEDGE의 강도 부족으로 인한 파괴, Wedge에 의한 인장재의 파괴 등이 있으며 시공시 엄격한 품질관리가 요구되는 사항이다.




3. 시 공.
앵커에 시공에 있어서 앵커를 구성하는 각부의 기능을 충분히 발휘 할 수 있도록 적절히 시공되어야 하며 공법의 특성상 향후 유지관리가 필요하므로 이에대한 계획이 수립되어야 한다. 특히 향후 유지관리를 위해서 재인장이 가능한 정착구의 적용은 필수적이라 하겠다.



3.1 앵커의 제작.

앵커를 구성하는 주요자재는 정작구, 대좌, 인장재, Grouting Hose P.E Hose간격재, Spacer조임재 등으로 구성되며 각 자재에 대한 품질 기준은 시방서를 기준으로 체크되어야 한다.

- 앵커의 제작에 있어 아래의 사항은 특히 주요하게 관리되어야 한다

① 앵커의 길이
② 정착장부의 간격재 및 조임재의 설치여부.
③ 자유장부 피복여부. 및 SPACER 설치여부.
④ 인장재의 절단방법 : 인장재의 절단은 반드시 Cutter를 사용하여야 한다.
⑤ 설계도서상의 정작 길이와 자유장의 길이 확인.

- 앵커체의 제작단계에서의 주요 Check List.

① 투입자재의 시험 성적서
② 투입자재의 규격 및 적합성 여부.
③ 제작장의 청결도.




3.2 천공 및 설치.

앵커의 설치를 위한 천공작업은 원칙적으로 책임 기술자의 입회하에 실시되어야 하며 이때 주요 관리기준은 천공 Hole의 Dia. 천공깊이, Hole의 청결도 등이 Check되어야 한다.
특히 천공 지반의 지질조건을 설계기준과 비교되어야 하며 지질조건이 설계조건과 상이할 경우에는 이에 따른 재검토가 이루어져야 한다.
일반적인 천공장비는 자주식 천공장비로 PCR 200 Crawler Drill을 이용하며 지층조건 및 천공깊이에 따라 T4, C6 등을 사용하기도 한다.




3.4 Grouting.

Grouting은 인장재에 작용하는 앵커력을 직접 전달하는 중요한 매개체로 품질 관리 및 시공관리가 매우 중요하다. 특히 그라우트의 강도 및 상태는 매우 중요한 요인으로서 주로 배합비의 영향을 많이 받는다. Grout의 주재료인 시멘트는 일반 수화시멘트가 사용되며 강재 인장재의 부식을 피하기 위하여 중량비 0.02%이상의 염소, 0.1 %이상의 황은 함유되지 않아야 한다.

HIGH-ALUMINA 시멘트의 사용은 더욱 규제되는데 6개월 이하의 가설앵커에만 사용이 허용된다. 이는 수화 반응시 발생되는 수화열과 'REVERSION문제' 때문이다.

WORKABILITY의 증가, BLEEDING의 감소, 주입재의 팽창과 같이 시험에 의하여 주입재의 성능이 향상되는 것이 증명된 경우에만 첨가제를 첨가 할 수 있다. 이러한 첨가제는 인장재 또는 주입재에 손상을 입히는 제품이어서는 안된다.

예를 들면 염소, 황, 질소를 0.1%이상 함유한 첨가제는 사용될 수 없다.

또한 주입재의 물/시멘트비, 첨가제의 농도, FLOW READING 등은 매우 중요하게 관리되어야 할 사항이며 각각의 시방기준을 충분히 만족시킬 수 있도록 관리되어야 할 것이다.

일반적으로 그라우트의 압축강도는 재령 7일기준 강도 180㎏/㎠ 이상 28일강도 250 ㎏/㎠이상을 확보하도록 하여야 한다.




3.5 앵커의 인장작업.

앵커의 긴장작업은 설치된 앵커로 하여금 설계목적을 발휘할 수 있도록 하중을 재하하는 단계로 설계 목표하중이 정확히 재하될 수 있도록 주의하여야 하며 일반적인 하중의 재하는 유압장비를 사용하며 작업 전 그 성능 및 시험성적서가 반드시 첨부되어야 한다.

일반적으로 앵커의 인장작업은 그라우트 주입후 1주일 이상 경과 후 시행되어야하며 특수한 경우 조강제를 사용하여 단축하는 경우도 있으나 이때는 그라우트의 강도시험을 반드시 실시하여 압축강도를 확인 후 인장하여야 한다.




4. 앵커 시험.


4.1 일 반 사 항.

앵커에 관련된 시험은 각국의 규정에 따라 다소 차이를 보이고 있으나 그 근본 원리는 동일한것으로 앵커의 적절한 설계 정수를 얻기 위해 선행시험, 시공후 확인시험으로 구분되며 아래와 같이 나눌 수 있다.

(1) 계약 전 시험.
(2) 현장시험.
(3) 일반적인 확인시험.
(4) 각 앵커의 거동시험.
(5) 앵커-지반-구조 시스템의 전반적인 거동 분석.

(1), (2)의 시험은 시공전 설계의 적절함과 설계의 안전도를 계약에 앞서 증명하는 것이 목적이다. 시험 앵커들은 실제 설계된 앵커와 같은 기울기로 같은 토층에 설치하여 실제 상황과 동일하게 하여 그 시험 결과를 직접 반영 할 수 있도록 한다.

일반적인 확인시험은 각 앵커의 단기 저항력을 확인하고 하중의 안전계수를 측정하는 것이 그 목적이며 이러한 시험들은 항상 실시되고 있으나 확인시험 기준은 표준화되어있지 않고 각각의 규정들에 차이를 보이고 있는 것이 현실이며 확인 시험에서 가장 중요한 것은 장기간에 걸친 인장력의 손실을 고려한 최적의 과인장 허용치는 결정 될 수 없다는 것이다. 전체적인 안정 또는 군앵커 효과 등의 확인이 중요한 경우 앵커시스템의 현장 계측에 대한 연구가 필요한 실정이다




4.2 시험 목적.

앵커 시험은 시공전 시험과 시공중 시험, 준공후 시험으로 구분되며 각 단계에서의 적합성여부를 판정하기 위하여 실시되어야 하며 그 목적은 다음과 같다.

1) 앵커 설치 지반에 대한 앵커의 적정성 여부 판단.
2) 앵커의 안전도를 확인.
3) 앵커 각부의 길이 및 기능에 대하여 설계 목적과의 부합 여부를 판정.




4.3 앵커 시험의 종류.

앵커시험의 시험에는 그 목적에 따라 인발 시험, 인장 시험, 확인 시험의 3가지로 구분되나 그 적용의 한계성으로 인하여 대부분 시험이 실시되지 못하고 있는 실정이다. 특히 확인시험의 경우 단순 정착형 정착구의 적용으로 시험 자체가 불가능한 실정이며 대부분 무시되어 진행되고 있는 것이 현실이다.

1) 인 발 시 험
앵커의 인발 시험은 설계조건에 의한 앵커의 인발 저항을 증명하기 위한 시험으로 그목적은 지반의 극한 인발력을 확인하는 것이며 인발 시험은 보통 앵커의 현장 설치 이전에 실시하는 것이 원칙이며 앵커의 설계정수를 얻는 것이 주목적이다.

2) 인 장 시 험.
인장시험은 설치된 앵커의 성능을 확인, 검증하기 위한 시험으로 실제로 시공되는 앵커와 동등한 조건에서 실시하여 설치되는 앵커의 인발 거동을 추정할 수 있는 자료를 얻을 수 있다.

3) 확 인 시 험.
설치된 앵커의 성능을 확인하기 위한 시험으로 보통 20개소당 1개소를 시행토록 규정하고 있으며. 시험절차는 인장시험 절차와 동일하나 하중의 크기를 조금 작게 한다.

4) LIFT-OFF 시험
인장이 완료된 앵커의 보유 응력을 확인 할 수 있는 시험으로 유지 관리를 위한 기초 자료가 된다. (LOAD-CELL이 설치된 경우 LIFT-OFF 시험은 불필요하다)


앵커 시험자는 앵커시험의 결과를 신속히 분석, 평가하여 그에 대한 결과를 신속히 감독자에게 통보해 주어야 한다.

1) 측정의 정확도.

시험의 수행도중 측정은 앵커 정착구의 실질적 변위와 지압판의 변위는 재가된 자료들과 관련하여 정밀도 ±2.0 %를 갖는 기구 또는 보정된 기구에 의해 측정되어야 하며 모든 시험기구는 검정서가 있어야 하고 변위, 하중에 대하여 기준값의 ±2.0 %이내로 정확하게 계측되어야 한다.

2) 시험 순서

(1) 초기하중은(TA.L) 0.1 TP ≤ TA.L ≤ 0.2 TP 로 정하고 TA.L과 TP사이는 △T크기의 등간격으로 6∼10 等分 하여야 한다.
(2) 총 늘음량은 탄성 변위와 소성 변위의 합이며 STRAND가 긴장된 상태에서 자료의 변위는 계산된 신장량의 0.5%를 초과해서는 안된다.
(3) 하중의 재하 및 제거의 순환은 TA.L로부터 증가되어 시험하중에 도달시까지 단계별로 연속 하여 수행되어야 한다.

각 순환 단계에서 지정된 하중에 도달한 후 n.△T시간동안 하중 또는 변위를 고정시킨 후 하중 또는 변위의 변화량을 측정한다. 그리고 n은 초기에 1을 선택하나 그 한계가 TABLE 1에 도달할 때까지 연속적으로 증가시킨다.

△T는 TABLE 2 에 따른다.

[ TABLE 1 }

관찰시간
한계치

변위의 증가량
하중 감소량

(a).0∼△T
max. lr의 2%
max. Tp의 2%

(b).△T.∼3△T
max. lr의 1%
max. Tp의 1%

(c).3.△T∼10△T
max. lr의 1%.
max. Tp의 1%


- note : (a)가 만족되지 못하면 관찰시간을 늘려 (b)로 CHECK하고 (b)가 만족되지 못하면 관찰시간을 늘려 (c)로 CHECK 한다.


[TABLE2]

지 반 상 태
△T.

A. 암반 또는 마찰력이 없는 지반  최소 5 분

B. 마찰력이 매우작은 지반또는과압밀된 흙 최소 15 분

C. 보통상태의 진흙 또는 진흙섞인 실트  최소 1 시간


4) 위와 같은 반복작업을 실시한 후 그림 1-2와 같이 수행한다.

첫째로,
시험하중에 도달하면 0.3 Tp까지 4개의 등간격으로 하중을 감소하고,

둘째로,
LOCK-OFF LOAD까지 3개의 등간격으로 하중을 증가시킨다.
각각 이들의 하중과 변위를 측정 기록한다.

마지막으로 고정작업을 실시한다.

5) 기 록.

TEST의 각 단계에서 측정된 하중과 변위는 정확히 기록되고 하중-변위 곡선에 표시되어야 한다.

6) 측정의 정확도

앵커 HEAD의 실질적 변위 와 지압판의 변위는 ENGINEER에 의해 재가된 자료들에 관련하여 정밀도 ±2%이내로 확보되는 기구에 의해 측정되어야 한다.

Stressing되어지는 힘은 정밀도 ±2%를 갖는 기구 또는 보정된 기구에 의해 측정되어야 한다. 모든 시험 기구는 검정서가 있어야 하며 변위, 하중에 대하여 기준값의 ± 2% 이내로 정확히 계측되어야 한다.

7) TEST의 조건.

앵커 시험은 다음의 조건을 만족 시켜야 한다.

a) 하중과 변위의 관계
하중과 변위의 변화는 table 1에 주어진 한계를 넘지 않아야 한다.

b) 유효 자유장
유효 자유장은 최대 시험하중이 작용시 다음의 한계를 만족시켜야 한다.
유효자유장 (Lef) : 0.9 * Lf ≤ Lef ≤ Lf + 0.5 Lb

c) 잔류하중
LIFT-OFF TEST를 통하여 측정한 잔류하중은 1.1*Td 이상이어야 한다.

d) WEDGE DRAW-IN
WEDGE 정착시 DRAW - IN은 설계 기준값 이하이어야 한다.

e) ZERO FRICTION LINE
마지막 6개의 점은 최소 자승법에 의해 ZERO FRICTION LINE을 결정하는데 사용된다.

8) 유효 자유장 길이를 추적하여 설계길이와 비교 검토한다..

9) 다단계 하중 재하에 따른 TEST가 완료 된후 LOCK-OFF LOAD를 재하 하여 하중을 고정시킨다.

10) LIFT-OFF TEST를 실시하여 잔유 응력을 확인하여 설계하중과 비교한다.

이때 잔류하중은 설계 하중의 110% 이상이어야 한다.