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제품과 기술력 그리고 철학 – 하중분산 편
작성자 (주)삼우기초기술 작성일 2022.07.14 22:45 조회 80

제품 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”, “유통의 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. 1982년에 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.

 

 

지반과 그라우트 구근의 하중전달 / 그라우트 구근과 보강재의 하중전달 / 보강재의 내력

 

 

상기 열거된 요소중 보강재의 내력검토는 비교적 간단합니다. 재료의 사용범위가 탄성한계 이내에서 사용되고, 규격화된 재료를 사용하기 때문입니다.

 

 

지반과 그라우트 구근의 인터페이스도 누적된 데이터베이스 또는 현장에서 직접적으로 수행한 시험결과를 토대로 구할수 있고, 무엇보다도 1.5~3.0 이라는 안전율이 포함되어 어느정도 오차를 줄일 수 있습니다.

 

 

하지만, 그라우트 구근과 보강재의 하중전달의 인터페이스는 비교적 까다로운 조건을 가집니다.

 

 

<흙의 구성개요>

 

 

지반은 흙과 물과 공기에 의한 공극으로 이루어집니다.

 

 

지반조건에 따라서 지하수가 유입되거나 지반의 공극으로 그라우트가 유출되는 혹은 국부적인 지반붕괴에 의해 그라우트 구근의 일부가 붕괴토로 대체되는 예측 불가능한 지반환경에서 그라우트 구근이 캐스팅되므로 그라우트 구근의 강도를 명확하게 관리하기가 어려운 점은 건축 구조물용 콘크리트의 캐스팅 환경과는 확연하게 대조되는 차이점입니다.

 

 

물체의 응력을 감소시키기 위해서는 재료의 허용강도(Grade)를 증가시키거나, 하중이 작용하는 면적을 늘리거나, 혹은 하중(P)을 줄이는 방법이 있습니다.

 

 

 

그라운드 앵커공법에 있어 위의 개념을 도입하면 시공자가 관리할 수 있는 그라우트 구근의 관리방안은 다음과 같이 한정적이게 됩니다.

 

그라우트 w/c 배합비 중 w 함량 저감을 통한 재령강도 조정 유동성 감소로 시공성 저하

그라우트 구근의 캐스팅 기간을 증가조정 간접공사비 증가요인

그라우트 구근의 응력 작용면적을 확장 시공성 및 공사비 증가요인 미미

 

 

 

이와 같은 이유로 시공성이나 재료의 강도의 변화없이 리스크를 감소시킬 수 있는 분산기법이 가장 현실적인 대안인 것으로 볼 수 있습니다.

 

 

대표적인 분산기법의 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, 등간격의 적정한 분산구조가 아닌, 단 한지점의 하중분산 구조라면 아무리 스테이케이블의 강도가 높다한들, 교량 상판에 국부적으로 집중되는 응력에 의한 파괴현상이 발생되게 됩니다. 이를 방지하기 위해서는 보다 두터운 구조의 상판이 요구될 수 밖에 없고 이는 경제성과 직결되는 문제로 이어집니다.

 

 

앵커에 있어서도 이는 동일한 원리로 작용됩니다.

 

 

예를들어 국부적으로 그라우트 구근에 응력이 집중되는 구조의 앵커라면, 시공자가 그라우트 강도를 충분히 확보해야만 하중전달구조가 성립되므로 시공의 난이도가 비약적으로 상승할 수 밖에 없습니다. 한정적이고 제약적인 그라우트 구근의 양생환경을 고려할 때, 현실적으로 시공자가 이를 충분히 대비하기는 분명 어려울 것입니다.

 

 

그래서, 삼우기초기술은 이렇게 생각합니다.

 

 

 






시공자가 현실적으로 시공할 수 있는 난이도의 시공이 되어야 한다.”

 




 

 

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


하중의 분배를 통해서 전반적인 정착장을 활용할 수 있는 구조!

 

 





 

이런 이유로 삼우기초기술은 하중분산 매커니즘을 국내에 최초로 도입하였으며, 이제는 전국적으로 활용되는 표준기술이 되어 다양한 지반조건과 요구되는 하중에 맞게 활용되고 있습니다.

 

 




여기에 더해,



"삼우기초기술의 철학은 내하체 구조에도 스며들어 있습니다."

 



 



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

 

 

제품과 기술력 그리고 철학 하중분산편을 마칩니다.





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