삼우기초기술

제품과 기술력 그리고 철학 (Vol.2 – 하중분산 편)

“백지장도 맞들면 낫다”

조상들의 숨은 지혜가 엿보이는 속담입니다.

협력의 중요성에 대해 강조하는 속담이지만, 공학적으로도 통용 가능한 속담입니다.

하중분산의 영어표기는 Load Distribution 이며, Distribution의 어원은 '할당하다'의 의미인 “tribute” 에 '따로 떼다'라는 의미의 “dis”가 만나 “분포”, “분배”, “유통”의 의미를 갖습니다.

다시말해 하중분산은 하중을 단순하게 나누는 것에 한정되지 않고, 하중을 적정하게 분배시킨다는 의미를 포함합니다.

이번 주제는 하중분산과 앵커에 대한 내용으로서, “제품과 기술력 그리고 철학” 시리즈의 두 번째 이야기입니다.

그라운드 앵커의 역사는 1934년으로 거슬러 올라갑니다. 1882년에 준공된 알제리의 'Cheurfas' 댐의 구조를 보완하기 위해 Tie-Down으로 시공된 이후, 그라운드 앵커는 다양한 구조물의 보강목적으로 활용되어 왔습니다.

대부분의 기술의 발전사처럼, 단순하게 기술의 구현에 중점을 둔 1세대 기술 이후, 기존 구조를 보완하고자하는 실증연구를 통해 그라운드 앵커공법의 구현도 다양한 방식으로 시도되어 왔습니다.

<지압력을 이용한 지압형 앵커>

<자천공(self-Drilling) 방식의 헤리컬(Herical type) 앵커>

이밖에도 다양한 새로운 시도가 도전되어 왔으나, 엔지니어링에 있어 중요한 요소인 시공기간과 비용이라는 제약으로 인해 오늘날 쉽게 접할 수 있는 마찰형 앵커가 주류를 이루게 되었으며 전세계 앵커시장의 90%를 차지하는 것으로 추정되고 있습니다.

마찰형 앵커는 지반과 그라우트의 마찰력을 이용하는 방식으로서 비교적 시공이 간편하고 앞서 시도된 다른 매커니즘의 앵커에 비해 경제성이 우수한 장점이 있습니다.

마찰형 앵커가 구현되기 위해서는 다음의 세가지 인터페이스에 대한 검토가 요구됩니다.

❶ 지반과 그라우트 구근의 하중전달

❷ 그라우트 구근과 보강재의 하중전달

❸ 보강재의 내력

상기 열거된 요소 중 “❸보강재의 내력검토” 는 비교적 간단합니다. 재료의 사용범위가 탄성한계 이내에서 사용되고, 규격화된 재료를 사용하기 때문입니다.

“❶지반과 그라우트 구근의 하중전달” 인터페이스도 다양한 수행결과로 누적된 데이터베이스 또는 현장에서 직접적으로 수행한 시험결과를 토대로 구할 수 있고, 무엇보다도 1.5~3.0 이라는 안전율이 포함되어 발생 가능한 오차를 어느정도 줄일 수 있습니다.

하지만, “❷그라우트 구근과 보강재의 하중전달” 의 인터페이스는 비교적 까다로운 조건을 가집니다.

그 이유에 대하여 아래에서 살펴보도록 하겠습니다.

<흙의 구성 개요> 

일반적으로 지반은 흙과 물과 공기에 의한 공극으로 이루어지며,

지반 내 환경조건에 따라서 ▷지하수가 유입되거나, ▷지반의 공극으로 그라우트가 유출되거나, ▷국부적인 지반붕괴에 의해 그라우트 구근의 일부가 붕괴토로 대체되는 예측 불가능한 지반환경에서 그라우트 구근이 형성(Casting)되므로, 그라우트 구근의 형태 및 강도를 명확하게 관리하기가 어려운 점은 건축 구조물용 콘크리트의 캐스팅 환경과는 확연하게 대조되는 차이점입니다.

따라서, 그라우트 구근의 강도(응력)가 불균질하게 형성되는 특징이 지중에 형성된 그라우트 구근의 잠재적 문제요소라 할 수 있으며, “❷그라우트 구근과 보강재의 하중전달” 의 인터페이스가 비교적 까다로운 조건을 가지는 이유입니다.

이와 같이 내제된 문제점을 해결하기 위해서는 그라우트 구근을 불균질하고 취약부가 존재하는 재료로 간주하고 접근해야하며, 그라우트 구근이 과다한 응력에 파괴되지 않도록, 응력을 저감시킬 수 있는 방안의 검토가 필요합니다.

일반적으로 물체의 응력을 감소시키기 위해서는 다음과 같은 방식이 가능합니다.

❶ 재료의 허용강도(Grade)를 증가

❷ 하중의 작용면적을 증가

❸ 하중(P)의 크기를 줄이는 방법

하지만, 현실적으로 그라운드앵커 공법에 상기의 개념을 도입했을 때, 시공자가 관리할 수 있는 방안은 다음과 같이 한정적이게 됩니다.

❶ 재료의 허용강도(Grade)를 증가

‣ 그라우트 배합비 저감을 통한 재령강도 조정 ▶ 유동성 감소로 시공성 저하

‣ 양생기간을 증가조정 ▶ 간접공사비 증가요인

❷ 하중의 작용면적을 증가

‣ 천공경을 확대 ▶ 시공성 제약 및 감소, 공사비 증가

❸ 하중(P)의 크기를 줄이는 방법

‣ 小하중 多개소로 보강수량을 증가조정 ▶ 앵커 간 간섭문제 및 직간접 공사비 증가

‣ 구근 내 하중을 분산 ▶ 직관적인 응력감소 효과 기대가능

이와 같은 이유로 시공성이나 재료의 강도의 변화없이 리스크를 감소시킬 수 있는 하중분산 기법이 가장 현실적인 그라우트 구근의 응력을 저감시킬 수 있는 대안입니다.

대표적인 하중분산 기법의 활용예시로서 사장교의 원리를 들 수 있습니다. 적정한 스테이 케이블의 배치를 통해서 교량상판 전면에 걸쳐 압축하중이 비교적 균등하게 분포되는 구조를 가지고 있습니다.

(a) 사장교 축하중의 작용경로

(b) 사장교 상판에 작용되는 압축력의 분포

만일, 교량의 지지구조가 한지점의 하중전달 구조라면 스테이케이블의 재료강도를 충족시키기도 어렵겠지만, 그보다 교량 상판에 국부적으로 집중되는 응력에 의해 콘크리트의 압축파괴 현상이 발생되게 됩니다. 이를 방지하기 위해서는 보다 두텁고 견고한 구조의 상판이 요구될 수 밖에 없고 이는 늘어난 자중에 의한 구조적 안정성 감소와 경제성 감소로 직결되는 문제로 이어집니다. 그래서 위와 같은 적정한 분산구조를 이용하여 재료역학적, 구조적인 안정성, 경제성을 동시에 확보할 수 있는 것입니다. 

다시 앵커분야의 이야기로 돌아와서, 하중분산 기법은 지반에서 형성되는 그라우트 강도의 취약점과 불확실성을 별도의 비용증가 없이 개선할 수 있는 방안입니다.

이를 다르게 표현하자면, 응력이 집중되는 구조의 앵커는 시공자가 그라우트 강도를 충분히 확보해야만 하중전달구조가 성립되므로 시공의 난이도가 비약적으로 상승한다는 결론으로 이어집니다.

한정적이고 제약적인 그라우트 구근의 양생환경을 고려할 때, 현실적으로 시공자가 이를 충분히 대비하기는 분명 어려울 것입니다.

하중분산 기법의 효과는 앵커분야에서 오랜기간 다양한 연구를 통해 실증되어 왔습니다.

(기존방식의 앵커와 하중분산형 앵커의 응력개념, Barley)

(응력집중형 앵커와 하중분산형 앵커의 효율비교, JGA)

일본의 경우는, 하중분산 기법의 효과를 효율보존의 측면으로 해석하였는데, 비교적 짧은 구간에 해당되는 3m 이내의 정착장에서는 하중분산 유무의 차이가 미미하지만 일반 집중형의 경우 3m를 초과하는 길이부터 10m에 도달하기까지 하중전달의 효율이 2/3로 감소되는 것으로 정의합니다.

국내 하중분산형 앵커의 경우 통상적으로 2~3m 간격으로 하중을 분산시키므로 효율의 감소가 집중형에 비해 적다고 표현할 수 있습니다.

이와 같은 원리를 활용하여, 10m보다 긴 정착장을 가진 앵커를 구현할 수 있는 기술이 하중분산기법입니다.

국내시장에서는 생소하겠지만, 실제 시공사례입니다.

‣ 정착장이 28m인 앵커

‣ 4,000kN이 넘는 고하중 앵커 (※ 앵커 1본 최대 5,357kN)

‣ 75.8m에 달하는 초장형 앵커

위와 같은 시공이 가능했던 기술적 저면에, 그라우트 응력 분산효과와 10m를 초과하는 정착장을 형성할 수 있는 하중분산 기법을 활용했기 때문에 가능했습니다.

<24 strrands × 15.7㎜ , SW-RCD> 

 <22 strrands × 15.7㎜ , SW-RCD>

‣ 하중의 분산구조를 통해서 그라우트 강도가 최상의 조건이 아니라도 하중전달이 가능한 구조!

‣ 하중의 효율적인 분배를 통해서 전반적인 정착장을 활용할 수 있는 구조!

시간이 흐를수록 기술은 나날이 발전하고, 기존의 장벽 또한 새로운 방식을 통해 넘게 마련입니다.

하지만, 무엇보다 중요한 것은

하중분산형 기법을 활용하여 현실적인 시공이 가능하게 되었으며, 이제는 초연약지반을 대상으로 한 앵커 적용분야의 확장도 현실화되어, 국내에 시공이 불가능한 지반조건이 없다고 해도 과언이 아닐 정도로 종래 집중형 앵커의 한계를 뛰어넘고 있습니다.

삼우기초기술은 하중분산 매커니즘을 국내에 최초로 도입하였으며, 전국적으로 활용되는 표준기술이 되어 모든 지반조건과 요구되는 하중에 맞게 활용되고 있고, 이에 더해 하중분산형 앵커기법을 역으로 해외에 역수출하는 쾌거도 이뤄내고 있습니다.

기술을 제작하는 행위에는 기능만이 필요하지만, 대중적으로 활용되는 기술은 관련분야에 대한 이해도와 기술적 철학이 스며있어야만 가능합니다.

자신있게 말씀드립니다.

"삼우기초기술의 철학은 내하체 구조에도 스며들어 있습니다."

내하체 구조가 미치는 시공철학에 대해서 다음기사를 통해 이어서 소개할 것으로 말씀드리며,

제품과 기술력 그리고 철학 – 하중분산편”을 마칩니다.