1. 서 론
2. 모노셀을 이용한 하중분산형 앵커의 현장계측 및 결과
2.1 흙막이 가시설 조건
2.2 하중분산형 앵커의 길이 조건
2.3 하중분산형 앵커 계측결과
3. 하중분산형 앵커의 편하중 분석방법
3.1 내하체간의 편하중 분석 방법
3.2 강연선간에 발생하는 편하중 분석 방법
3.3 편하중비의 범위 분석 방법
4. 하중분산형 앵커의 편하중 분석
4.1 내하체간 편하중 분석
4.2 강연선간 편하중 분석
4.3 하중분산형 앵커의 편하중 분석 결과
5. 결 론
1. 서 론
하중이 정착장에 고르게 분산되는 하중분산형 앵커(Load distributing anchor)는 압축형 앵커에 비하여 앵커의 부착력 및 안정이 크며 상대적으로 강도가 작은 지반에서도 목표 앵커력으로 효과적인 정착이 가능하다는 이점이 있다. 그러나 하중분산형 앵커는 각 강연선의 길이 차이로 인해 멀티 인장시험기(Multi strand test jack)로 앵커의 각 강연선을 동시에 인장할 경우 짧은 강연선의 경우 과도한 인장하중이 작용하고 긴 강연선에는 상대적으로 작은 인장하중이 작용하여 편하중이 발생할 수 있다.
최근 개발된 하중분산형 앵커는 인장형 및 압축형 앵커에 비해 비교적 시공 경험과 연구사례가 충분하지 못한 편이다. 이로 인해서 하중분산형 앵커에서 발생할 수 있는 편하중 문제를 다룬 연구성과나 이를 뒷받침할 설계 및 계측기준 또한 미비한 상황이다. 기존 연구를 살펴보면 앵커의 내하체 간격에 따른 하중분포 특성 및 극한 인발력에 관한 연구가 수행된 바 있으며(Lee, 2014; Hwang and Lee, 2016; Han et al., 2017; Lee et al., 2019), 지반조건에 따른 하중분산형 앵커의 하중분포 특성을 분석한 연구도 보고된 바 있다(Hong and Jun, 2015; Gu et al., 2019; Han, 2016). 또한, Song et al.(2024)은 모노셀을 활용한 계측결과를 통해, 각 강연선에 작용하는 하중에 차이가 발생했음을 확인하였다.
기존 연구 동향에 따르면, 앵커의 마찰저항력은 주로 지반 조건과 응력중첩 현상에 의해 영향을 받는 것으로 나타났다. 편하중이 증가할 경우 응력중첩은 더욱 심화되며, 이러한 편하중은 내하체와 연결된 강연선 간 길이 차이와 깊은 관련이 있는 것으로 판단된다. 그러나 대부분의 선행 연구에서는 다양한 지반 조건을 고려했음에도 불구하고, 내하체별 편하중 영향을 체계적으로 분석하지 못한 한계가 있다.
이에, 본 연구에서는 실제 편하중에 대한 거동을 분석하기 위해 하중분산형 앵커의 내하체와 연결된 각 강연선에 작용하는 하중을 모노셀을 사용하여 흙막이 가시설 현장에서 계측을 수행하였다. 이러한 계측결과는 설계 앵커력 확보를 위해 통상 정착 시키는 풍화암 지반 조건에서 앵커 길이에 따른 편하중 경향을 분석하는데 활용하였으며 내하체와 강연선간에 발생하는 편하중의 크기를 정량 분석하였다. 또한, 이러한 분석을 바탕으로 모노셀을 이용한 앵커 계측의 필요성을 검토하였다.
2. 모노셀을 이용한 하중분산형 앵커의 현장계측 및 결과
본 연구는 하중분산형 앵커에 발생하는 편하중 분석을 위해 풍화암 지반에 정착된 27개소에 대한 계측결과를 강연선간 길이 차이를 고려하여 수행하였다.
2.1 흙막이 가시설 조건
흙막이 현장은 지하 5층에서 지상 40층까지 계획된 아파트 단지로 Fig. 1과 같이 총 6단면에 대한 계측이 수행되었다. 흙막이 가시설은 Table 1과 같이 지하연속벽(Diaphragm wall) 공법을 적용하였으며 지보재는 하중분산형 앵커로 공용기간 2년 이내의 가설앵커이다. 지반조사 결과, 본 현장의 지층은 Table 2와 같이 매립층, 퇴적층, 풍화토, 풍화암 및 연암으로 구성되어 있다.
Table 1.
Design conditions of retaining wall and temporary support
Table 2.
Result of subsurface exploration
2.2 하중분산형 앵커의 길이 조건
흙막이 가시설에 설치된 하중분산형 앵커의 길이는 설치 깊이에 따라 달라지며, 강연선의 길이도 각각 다른 길이로 시공되어 있다. 긴 강연선의 길이는 앵커의 전체 길이와 일치하는 반면, 짧은 강연선은 식 (1)과 같이 내하체 간격에 따라 달라진다.
여기서, 은 짧은 강연선의 길이(m), 은 긴 강연선의 길이(m), 는 내하체의 간격(m)이다. Table 3은 식 (1)을 적용하여 하중분산형 앵커의 강연선 길이를 정리한 결과이다.
Table 3.
Anchor strand length conditions for load-distributing anchors
2.3 하중분산형 앵커 계측결과
계측 결과는 하중분산형 앵커에 작용하는 편하중에 대한 거동 특성을 분석하는데 목적이 있다. 하중분산형 앵커의 하중 계측시 Table 4와 같이 하나의 앵커에 대하여 4개의 강연선에 대한 하중 측정 데이터를 측정하였으며, 편하중에 대한 분석을 위해 각 강연선의 길이에 따라 결과를 분류 하였다.
Table 4.
Anchor strand length conditions for load-distributing anchors
전체 구간에서 각 내하체에 작용하는 하중을 비교한 결과, 긴 강연선과 연결된 내하체가 짧은 강연선과 연결된 내하체 보다 상대적으로 작은 하중이 작용하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 기존 문헌(Song et al., 2022)에서 수행된 바와 유사하며, 강성이 큰 짧은 강연선에 하중이 집중된 것으로 판단된다. 또한 하중분산형 앵커의 내하체와 강연선의 작용하중은 각 구간별로 상이하지만 계측결과를 바탕으로 분석한 결과 하중분산형 앵커의 강연선과 내하체에서 모두 편하중이 발생하고 있음을 확인하였다.
3. 하중분산형 앵커의 편하중 분석방법
3.1 내하체간의 편하중 분석 방법
내하체간 발생하는 편하중은 앵커의 길이 차이에 의해 발생하며, 짧은 강연선으로 하중이 집중되는 경향이 나타난다(Song et al., 2024). 짧은 강연선과 긴 강연선 길이는 정규화하여 식 (2)와 같이 길이비(SLR, Strands Length Ratio)로 나타낼 수 있다.
여기서, 은 2개의 내하체와 연결된 가장 긴 강연선의 길이(m), 은 2개의 내하체와 연결된 가장 짧은 강연선의 길이(m)이다. 앵커를 인장할 때 발생하는 변위는 멀티 인장시험기를 이용할 경우 각 강연선의 길이가 상이하더라도 늘음량은 동일하다. 즉, 각 강연선에서 발생하는 변위()는 동일하므로, 하중과 변위의 관계는 식 (3)과 같이 나타낼 수 있다.
여기서, 과 는 긴 강연선과 짧은 강연선의 내하체에 작용하는 하중(kN)을 나타낸다. 각 내하체에 작용하는 하중은 모노셀을 이용한 현장계측을 통해 측정할 수 있으며 정규화하여 식 (4)와 같은 계측시의 편하중비(, Asymmetric Load Ratio)로 산정할 수 있다.
편하중은 시공 중 흙막이 벽체의 수평변위나 강연선의 품질 차이, 응력부식 문제 등으로 인해 증가하는 경향을 보인다(Song et al., 2022). 이러한 인자들로 인해 하중분산형 앵커는 시공 후 유지 관리 과정에서 계측된 편하중비와 구조계산에 의한 편하중비(길이비)가 상이할 수 있다. 따라서 현장계측 및 구조계산 결과는 식 (5)와 같이 편하중비의 상대오차(, Relative Error)를 평가할 필요성이 있다.
3.2 강연선간에 발생하는 편하중 분석 방법
내하체에 연결된 강연선은 동일한 길이를 가지므로 이론상 서로 동일한 하중을 가진다. 따라서 구조계산에 의한 강연선간의 편하중비는 1로 가정된다. 하지만 실제 현장에서 앵커를 인장할 때에는 다양한 변수에 의해 서로 다른 하중이 작용할 가능성이 존재한다. 이에 계측결과에 의한 편하중비를 식 (6)과 같이 산정하였다.
여기서, 은 강연선간 편하중비, 는 내하체와 연결된 두 강연선 중 큰 하중(kN), 은 내하체와 연결된 두 강연선 중 작은 하중(kN)이다. 산정된 편하중비는 식 (5)와 동일하게 상대오차를 이용하여 분석하였다. 이때, 구조계산에 의한 편하중비는 1로 가정되므로 강연선간 상대오차()는 식 (7)과 같이 산정된다.
3.3 편하중비의 범위 분석 방법
내하체 및 강연선간 편하중비의 범위는 상대오차의 평균값과 표준편차를 식 (8) 및 식 (9)에 적용하여 수행하였을 때 상대오차의 평균은 신뢰구간 95%까지 예측할 수 있다. 이는 현장에서 계측된 하중분산형 앵커의 편하중 발생 범위를 95%의 확률까지 고려할 수 있음을 의미한다.
여기서, 는 보정된 내하체간 편하중비, 는 보정된 강연선간 편하중비, 는 상대오차의 평균, 는 상대오차의 표준편차, 는 표준편차의 배수값이다.
4. 하중분산형 앵커의 편하중 분석
4.1 내하체간 편하중 분석
Fig. 2는 계측 및 구조계산시 편하중비를 비교하여 나타낸 것이다. 계측결과와 구조계산 결과는 서로 유사한 경향이 나타났으나 약간의 오차가 발생하였다. 계측결과 편하중비는 Fig. 2와 같이 구조계산 편하중비보다 전체적으로 큰값으로 나타났다. 이는 실제 앵커의 긴 강연선과 짧은 강연선간에 발생한 편하중이 구조계산에 의한 편하중보다 클 수 있다는 점을 시사한다. 따라서 단순하게 구조계산만으로 하중분산형 앵커의 편하중을 예측할 경우 과소설계가 될 수도 있을 것으로 판단된다. 따라서, 본 연구에서는 편하중의 차이를 정량적으로 평가하기 위해 오차 산정을 수행하였다.
Table 5는 내하체간 편하중비의 상대오차에 대한 분석결과를 나타낸 것으로 내하체간 편하중비는 1.31~1.42, 상대오차는 (–)3.10%~(+)7.26%의 범위로 나타났다.
Table 5.
Relative error of eccentric load ratios between anchor bodys in weathered rock
상대오차가 양수인 경우는 계측결과 편하중비가 구조계산 편하중비보다 커서 편하중이 과하게 작용하고 있음을 나타내며 상대오차가 음수인 경우는 계측결과 편하중비가 구조계산 편중비보다 작아서 편하중이 적게 작용하고 있음을 의미한다. 상대오차에 대한 평균 및 표준편차는 Table 6과 같다. 상대오차에 대한 변동계수는 0.83, 분산은 7.52로 나타났다. 이는 변동성으로 인한 결과 해석시의 오류가 발생할 수 있음을 보여주며 이를 최소화 하기 위해 편하중비에 대한 보정을 수행하였다.
Table 6.
Mean and standard deviation of relative error between anchor bodys
| Ground conditions | Relative error of asymmetric load ratio (%) | |||
| Average | Deviation | Variance | Coefficient of variation | |
| Weathered rock | 3.29 | 2.74 | 7.52 | 0.83 |
내하체간 편하중비 보정 결과 신뢰구간 95% 범위까지 고려하였으며 Fig. 3 및 Table 7은 95% 신뢰구간에 대한 내하체간 편하중비의 범위를 길이비 1.1~1.4 조건에 대하여 산정한 것이다. 분석결과 내하체간 편하중비는 1.08~1.60 사이로 내하체간 하중 차이는 최대 약 60%가 발생될 수 있음을 보여주고 있으며 기울기는 완만하였으나 상대오차의 평균값()이 커 길이비간 차이도 다소 큰 것으로 나타났다. 또한, 내하체간 편하중비의 범위는 하한치(-2σ)와 상한치(+2σ)의 차이는 약 0.12에서 0.22 정도로 확인되었다.
Table 7.
95% Confidence interval of asymmetric load ratios between anchor bodys
4.2 강연선간 편하중 분석
Table 8 및 Fig. 4는 강연선간 하중 계측결과에 대한 편하중비에 따른 상대오차를 나타낸 것으로 강연선간 편하중비는 1.01~1.11, 상대오차는 0.94%~10.74%의 범위로 나타났으며 길이가 짧은 강연선간 편하중비 및 긴 강연선간 평하중비는 값이 증가할수록 상대오차는 증가함을 알 수 있었다. 따라서, 편하중의 차이를 정량적으로 평가하기 위해 오차 산정을 수행하였다.
Table 8.
Anchor strand length conditions for load-distributing anchors
상대오차에 대한 평균 및 표준편차는 Table 9와 같다. 상대오차에 대한 변동계수는 0.53, 분산은 6.45로 나타났다. 강연선간 편하중비는 내하체간 편하중비 보다 편하중은 작은 값으로 나타났으나 상대오차는 Table 8과 같이 더 큰 값을 보였다.
Table 9.
Mean and standard deviation of relative error between strands
| Ground conditions | Relative error of asymmetric load ratio (%) | |||
| Average | Deviation | Variance | Coefficient of variation | |
| Weathered rock | 4.79 | 2.54 | 6.45 | 0.53 |
따라서 동일한 길이를 갖는 강연선간에도 간과할 수 없는 수준의 편하중이 발생하는 것을 알 수 있었다. 이에, 변동성으로 인한 결과 해석시의 오류가 발생을 최소화 하기 위해 편하중비에 대한 보정을 수행하였다. Table 10 및 Fig. 5는 강연선간 편하중비 보정시 신뢰구간 95%에 대한 강연선간 편하중비의 범위를 나타낸 것이다. 강연선간 편하중비 범위는 1.00~1.10인 것으로 나타났으며 하한치(-2σ)와 상한치(+2σ)의 차이는 0.10 정도인 것으로 나타났다. 이는 강연선간의 편하중은 2가닥의 강연선간에 최대 10%까지의 하중 차이가 발생할 수 있음을 보여주며 내하체간 편하중과 동시에 발생할 경우 더 큰 편하중이 발생할 것으로 판단된다. 이에, 앞서 분석한 내하체간 편하중과 강연선간 편하중의 결과를 종합하여 하중분산형 앵커와 연결된 강연선간 발생되는 하중이 어느 정도 차이가 발생 될 수 있는지에 대해 분석하고자 한다.
Table 10.
95% Confidence interval of asymmetric load ratios between strands
4.3 하중분산형 앵커의 편하중 분석 결과
내하체간의 편하중과 강연선간의 편하중이 동시에 발생할 경우 하중분산형 앵커와 연결된 4가닥의 강연선간 발생되는 편하중비()는 식 (10)과 같이 산정할 수 있다.
여기서, 은 전체 편하중비, 은 내하체간의 편하중비, 강연선간의 편하중비이다. 내하체간의 편하중의 상한값은 풍화암에서 1.60이며 강연선간 편하중비의 상한값은 풍화암에서 1.10이므로 하중분산형 앵커의 각 강연선은 최대 1.76의 편하중비가 산정된다. 이는 하중분산형 앵커가 동일한 제원의 강연선에 대하여 최대 76%의 하중 차이가 발생될 수 있다는 것을 보여주며 유지관리 기간중에 앵커의 하중이 지속적으로 증가할 경우 4가닥 앵커의 전체 하중이 한계값에 도달하지 않더라도 편하중이 집중된 강연선부터 파단이 발생할 수 있다는 편하중의 가장 큰 문제점을 보여준다. 따라서 멀티인장 시험기를 사용하여 하중분산형 앵커에 인장하중을 부여하는 경우에는 계측관리시에 유의하여야 하며 모노 인장시험기를 이용하여 인장하중을 부여하더라도 강연선간의 편하중에 대한 불확실성이 존재하기 때문에 계측시에 멀티셀 보다는 모노셀을 이용하여 유지관리함이 적절할 것으로 판단된다.
5. 결 론
하중분산형 앵커에서는 내하체에 연결된 각 강연선의 길이 차이로 인해 편하중이 발생하는 문제가 존재한다. 이에 따라, 앵커에서 발생하는 편하중 거동을 정략적으로 분석하고, 그에 대한 대책을 마련할 필요가 있다.
본 연구에서는 하중분산 앵커를 대상으로 모노셀을 이용한 현장계측을 수행하였다. 측정된 계측결과는 통계적으로 분석하기 위해 내하체 및 강연선간에 발생될 수 있는 편하중을 각각 편하중비로 산정하였으며 내하체와 강연선간에 발생하는 편하중의 크기를 정량적으로 분석하였다.
(1) 계측결과 긴 강연선과 연결된 내하체와 짧은 강연선과 연결된 내하체에서의 발생 하중은 서로 상이하므로 하중분산형 앵커의 강연선과 내하체에서 모두 편하중이 발생하고 있음을 확인하였다.
(2) 신뢰구간 95%에 대한 내하체간 편하중비는 최대 1.60, 강연선간 편하중비는 최대 1.10으로, 내하체간은 최대 60%, 2가닥의 강연선간에는 최대 10%의 하중 차이가 발생할 수 있음을 확인 하였다.
(3) 인장 하중을 가할 시 하중분산형 앵커에서 발생되는 편하중비는 내하체간의 편하중과 강연선간의 편하중이 동시에 작용할 경우 최대 1.76으로 산정되었다. 이는 동일한 앵커에 연결된 강연선간에 최대 76%의 하중 차이가 발생될 수 있음을 보여준다.
(4) 멀티인장기를 사용할 경우 편하중이 발생될 수 있으므로 지반조건 및 앵커 길이비에 따른 마찰저항력을 감소시킬 수 있는 설계가 필요할 수 있다.
(5) 편하중의 주요 문제점은 유지관리 기간 동안 앵커의 전체 하중이 허용 한계에 도달하지 않더라도 편하중이 집중된 강연선에서 국부적으로 파단이 발생할 수 있다는 점이다. 따라서 하중분산형 앵커에 인장 하중을 가할 때는 멀티인장 시험기를 사용하는 경우에는 강연선간 편하중 발생 가능성에 유의해야 하며, 모노셀 계측 시스템을 통한 하중 분포 모니터링이 보다 더 적절한 대안이 될 수 있다.
