EOTA TR066에 따른 신-구 콘크리트 경계면 전단설계

현재 철근콘크리트 구조물 설계를 위한 유럽 기준인 European Committee for Standardization EN 1992-1-1 (EC2) [1]에는 현장타설 콘크리트와 프리캐스트 콘크리트 부재 간 접합부의 전단강도 설계 규정이 포함되어 있다. 그러나 전단연결재를 후설치 방식으로 적용하는 경우에는 기존 기준만으로는 실제 거동을 충분히 반영하기 어려운 한계가 있다. 이에 따라 최근에는 보다 합리적이고 현실적인 접합면 전단설계 방법으로 European Organisation for Technical Assessment TR066이 주목받고 있다.

본 기사에서는 콘크리트 증타에 대한 전반적인 내용을 다루고자 한다. 우선 콘크리트 증타와 관련된 현재의 설계기준을 검토하고, 접합면의 전단강도를 구성하는 주요 하중전달 메커니즘과 각 내력 요소들의 역할에 대하여 설명한다.

또한 EOTA TR066을 기반으로 접합면의 표면 처리 방법과 후설치 전단 연결재의 시공 방법에 대해서도 함께 소개하고자 한다. 마지막으로 실제 설계 과정에서 적용할 수 있는 모델링 방법과 함께, Hilti의 설계 소프트웨어 PROFIS Engineering 에 포함된 콘크리트 증타 모듈의 활용 방법에 대해서도 살펴보고자 한다.

Figure 1 산업시설 보강 현장의 슬래브 증타 사례

신규 콘크리트를 기존 구조물에 추가로 시공하여 보강하는 공법인 콘크리트 증타는 기존 구조물의 보수 및 성능 개선 요구가 증가함에 따라 그 중요성이 점차 확대되고 있다. 서로 다른 시기에 타설된 콘크리트 층을 일체화 하여 교량 단면을 보강하는 경우나, 기존 콘크리트 부재에 신규 콘크리트로 보강하는 사례는 증타 공법의 사례를 Figure 2에서 확인할 수 있다.

다만 이러한 설계법에서 서로 다른 타설 시점의 신구 콘크리트 접합부에서 발생하는 전단응력이 충분히 전달되지 못할 경우, 일체화 거동이 확보되지 않아 구조적인 측면에서 안전성이 저하될 수 있으므로, 이는 곧 구조물의 안전성, 사용성, 내구성의 문제로 이어질 수 있다.

Figure 2 건축 및 토목현장의 수평부재 증타 사례

Figure 3a 는 신구 콘크리트 접합면에서 전단응력이 충분히 전달되지 않는 상태, 즉 무보강 접합면에서의 보의 응력 상태를 나타낸다. 이 경우 각 콘크리트 층은 서로 독립적인 구조체처럼 거동하게 된다. 이는 해석을 위한 단순화된 가정이며, 실제로 무보강 접합면에서도 신규콘크리트 접합면에는 부착력에 의한 부착강도가 존재한다.

그러나 이러한 부착력은 접합면에서 약 0.03mm - 0.05mm 수준의 미소한 상대 변형이 발생하는 순간 미세 균열이 발생하면서 급격히 저하되기 시작한다.

따라서 신구콘크리트의 일체화 거동을 위해서는 후설치 전단연결재를 적용하는 것이 일반적이다. 이러한 방법을 통해 압축영역 및 인장영역을 확장시켜 구조적 보강 효과를 확보할 수 있으며, 기존 단면 높이를 복원함으로써 보수 및 보강 효과를 동시에 달성할 수 있다. (Figure 3a 참조)

b) With the activation of shear stress

a) Without the activation of shear stress

Figure 3 접합면에서 전단연결재 미보강, 보강에 따른 전단강도의 발현

EOTA TR 066, Connector for strengthening of existing concrete structures by concrete overlay [2]에 서 제시하는 설계개념은 접합면의 설계강도는 마찰/점착력(Cohesion), 맞물림(interlocking), 다웰작용(dowel action) 등 접합부의 모든 주요 하중 전달 매커니즘과 제품별 특성을 종합적으로 고려하여 접합부 및 접합면을 설계하고 산정할 수 있도록 한다.

이러한 개념은 후설치 전단연결재를 적용한 신구콘크리트 경계면 전단설계에 있어 보다 현실적인 거동을 반영한 최신 설계 개념으로 평가된다. 따라서 EOTA TR066 [2]는 해당 분야의 최신 기술 수준을 반영한 기준이라 할 수 있다. 이는 후설치 전단연결재의 개별 하중 전달 거동을 충분히 반영하지 못하는 European Committee for Standardization EN 1992-1-1 (EC2) [1]과는 뚜렷한 차이를 보인다.

Figure 4는 후설치 전단연결재 설계의 발전과정을 보여주며, Hilti의 설계 방법에서 출발하여 일반 건축에서의 인허가 및 승인, fib Model Code for concrete structures 2010 [3], 그리고 최종적으로 2019년 European Organisation for Technical Assessment TR 066 [4]에 이르기까지의 발전과정을 확인할 수 있다.

Figure 4 post-installed shear connectors to the final design according to EOTA TR 066 의 발전과정

2 신구 콘크리트 경계면 전단설계 공법의 시공 절차

콘크리트 증타를 적용한 보강 공법의 시공은 일반적으로 몇 가지 주요 단계로 분류할 수 있다. 먼저 기존의 손상된 콘크리트 층을 철거하거나 품질이 양호한 부분까지 노출시키는 작업이 수행되며, 이후 점착력을 확보하기 위해 표면을 거칠에 하는 작업이 이루어진다. 다음 단계로 후설치 전단 연결재의 설치가 진행되고, 이어서 신규 철근 배근이 수행된다. 최종적으로 신규 콘크리트를 타설함으로써 증타가 완성된다. (Figure 5 참조)

EOTA TR066 [2] 설계 개념을 설명하기에 앞서, 본 절에서는 해당 기준에서 제시하고 있는 내용과 함께 표면 처리 및 후설치 전단연결재 설치 시 유의해야 할 사항들을 정리한다.

또한 실제 적용에 있어서는 국가별 추가 설계 기준을 함께 고려해야 한다. 예를 들어 독일의 ZTV-ING, 독일 연방철도청(EBA)의 EiT와 같은 기술 규정, 스위스의 터널 및 지반공학 관련 매뉴얼, 오스트리아의 RVS 지침 등 다양한 국가별 가이드라인과 규정이 존재하며, 이러한 기준들은 해당 국가의 표준 및 규정과 함께 종합적으로 적용되어야 한다.

Figure 5 콘크리트 증타를 적용한 시공 단계의 절차

2.1 표면 처리 및 후설치 전단연결재 설치

접합면의 표면 거칠기 처리는 일반적으로 고압수 분사를 통해 수행된다. 밀링과 같은 다른 방법은 국가별 기준 또는 추가 기술 지침에서 허용되지 않는 경우가 많다. 이는 밀링 과정에서 발생할 수 있는 미세 균열이 콘크리트 구조물에 손상을 유발할 수 있기 때문이다.

거칠게 처리된 표면에서는 콘크리트 내부에 잘 정착된 골재가 명확하게 노출되어야 한다[2]. 요구되는 평균 거칠기 깊이 Rt는 규정된 최소값을 만족해야 한다.

평균 거칠기 깊이는 Kaufmann 모래 표면 방법 또는 전자식·광학식 측정 장비를 통해 평가할 수 있다[2]. 또한 거칠기 처리된 기존 콘크리트의 성능 적합성은 접합면에 수직한 방향의 부착 인장강도(adhesive tensile strength)를 측정하여 검증해야 하며, 이 값은 최소한 fh ≥ min(1.5MPA, fctm)을 만족해야 한다[2].

거칠기 깊이 및 인장강도 시험 범위는 European Organisation for Technical Assessment TR 066 [2]에 따라 수행되어야 하며, 추가적인 규정 및 국가별 기준을 함께 고려해야 한다. 특히 거칠기 깊이 측정 시에는 가장 불리하게(가장 거칠기가 낮은) 구간을 기준으로 평가해야 한다.

2.1.1 접합면 청결 조건

작업 절차는 거칠기 처리 시점부터 콘크리트 타설 시점까지 접합면이 항상 청결한 상태를 유지하도록 계획되어야 한다[2]. 분진이나 기타 오염물의 유입은 가능한 한 철저히 방지해야 한다.

특히 천공 작업 중 발생하는 분진은 반드시 집진 장치를 통해 즉시 제거해야 하며, 예외 없이 관리되어야 한다[2]. 압축공기를 사용하여 표면을 청소하는 경우에는 반드시 오일이 포함되지 않은 공기를 사용해야 한다[2].

2.1.2 거칠어진 표면의 후처리

청결하게 처리된 접합면은 콘크리트 타설 전까지 수일간 충분히 습윤 상태를 유지해야 한다. 또한 타설 당일에는 물 고임 현상이 크기와 관계없이 모두 제거되어야 하며, 진공 흡입 등의 방법으로 관리해야 한다[2].

콘크리트 타설 시점에서 표면은 과도하게 젖지 않은 상태, 즉 실크 매트(silk matt) 정도의 약한 건조 상태를 유지해야 하며, 이는 신구 콘크리트 계면에서의 수화 반응을 촉진하기 위한 조건이다[2].

2.1.3 후설치 전단연결재

후설치 전단연결재는 다양한 시스템이 존재하며, 일반적으로 스크류 앵커와 부착식앵커로 구분된다.

스크류 타입의 전단연결재(HUS4)의 설치는 일반적으로 3단계로 수행된다. 먼저 기존 콘크리트에 천공을 실시하며, 가능하면 집진 기능이 포함된 중공 드릴 비트(Hilti Hollow Drill Bit)를 사용하여 분진 발생을 최소화한다. 또는 ETA 기준에 부합하는 일반 해머 드릴링 및 청소 절차를 적용할 수도 있다.

또한 ETA에서는 일부 설치 조건에 대해 Hilti 전단연결재의 경우 천공 홀 청소를 생략할 수 있는 경우도 명시하고 있다. 이후 콘크리트 스크류는 전용 임팩 드라이버를 사용하여 체결된다.

천공 깊이는 일반적으로 나사 체결 깊이보다 약간 크게 설정되는데, 이는 콘크리트 내 나사 형성 과정에서 발생하는 분진 및 잔재물이 수용될 공간을 확보하기 위함이다.

이 시스템의 인장 지지 거동은 천공 오차에 영향을 받으며, 이는 제품 ETA에서 규정하고 있다. 또한 콘크리트 내부에 형성되는 나사산에 의해 일정 범위 내에서 높이 조정이 가능하다(그림 6 참조).

Figure 6 상부철근이 배근된 Hilti 전단연결재의 설치 전경 및 상세

부착식 앵커 타입의 후설치 전단 연결재는 특수 제작된 부재 또는 추가 부속품이 장착된 표준 부재로 구성되며, 예를 들어 HCC-B는 철근 배치 및 시공성을 최적화한 특수 부재에 해당한다(그림 6).

이러한 전단 연결재는 종류와 관계없이 기존 콘크리트에 천공을 실시하는 과정이 필요하며, 앞서 언급한 바와 같이 천공 중 발생하는 분진은 반드시 즉시 제거되어야 한다. 이를 위해 Hilti는 SAFEset 기술을 제공하고 있으며, 이 기술은 천공 과정에서 분진을 자동으로 흡입·제거함과 동시에 ETA 기준에 부합하는 추가적인 천공 홀 세정까지 수행할 수 있도록 설계되어 있다.

이후 모르타르는 자동 또는 공압식 주입 장비를 통해 천공홀 내부에 주입되며, 그 후 전단연결재가 삽입되는 순서로 시공이 진행된다.

그림 7에서는 다양한 Hilti 전단 연결재의 종류와 각각의 기술적 특성, 그리고 적용 범위를 종합적으로 정리하여 보여준다.

Figure 7 Hilti HCC(Hilti Concrete Connector) 전단연결재의 개요 및 European Organisation for Technical Assessment TR 066 [2]에 따른 접합면 전단강도 설계를 위한 주요 기술적 특성

3 접합면의 하중 전달 매커니즘

종방향 전단응력을 받는 접합면의 거동은 일반적으로 전단-마찰(shear-friction) 이론을 통해 설명할 수 있다. 다만 전단-마찰 이론이라는 용어는 여러 발전 단계를 포함하고 있어 다소 오해의 소지가 있을 수 있다는 점에 유의해야 한다.

초기의 전단-마찰 이론은 전단력과 압축력이 동시에 작용하는 접합면에서 전단응력의 전달 메커니즘이 마찰력에 의해서만 보장된다는 가정을 기반으로 한다. 일반적으로 이 이론의 기본 개념을 설명하기 위해 톱니형 단순 모델이 사용되며, 이는 Figure 8에 나타나 있다.

Figure 8 Shear-friction theory as sawtooth model 1960 by Birkeland and Birkeland [5].

Figure 9 철근으로 보강된 신구 콘크리트 접합부에서의 전단 전달 메커니즘, Hilti HCC-B 전단연결재를 예로 한 점착력, 맞물림, 마찰력, 다월 효과

이 이론은 1960년대 초 Birkeland과 Birkeland [5]에 의해 정립되었다. 이후 1972년 Mattock과 Hawkins [6]은 접합면의 하중 전달 메커니즘에 점착력(cohesion) 성분을 포함하여 이론을 확장하였다. 1978년에는 Loov [7]이 콘크리트의 압축강도를 이 이론에 반영하였다.

최종적으로 Randl [8]은 철근으로 보강된 합성 접합부에서의 전단 전달은 점착력(cohesion), 마찰력(friction), 그리고 다월 작용(dowel action)의 세 가지 주요 메커니즘으로 구성된다고 정리하였다. 이러한 세 가지 주요 메커니즘은 그림 9에서 명확하게 설명된다.

그림 10은 각 하중 전달 메커니즘(점착+맞물림, 마찰, 전단보강 (Zilch and Reinecke [9]))에 따른 상대 변위에 대한 전단응력 곡선을 나타낸다. 여기서 점착 성분은 기존 콘크리트와 신설 콘크리트 입자 사이의 화학적 접착력에 의해 발생한다.

부착 결합이 최대 강도에 도달하면 접합면에서 분리가 발생하며, 이후 전단응력은 표면 거칠기에 의한 기계적 맞물림(mechanical interlocking)에 의해 전달된다.

콘크리트 접합면 사이의 상대 변위가 증가함에 따라 접합면을 관통하는 전단연결재가 점차 하중을 부담하게 되며, 이 과정에서 전단연결재는 강재의 항복, 인발(pull-out) 파괴 등 다양한 파괴 모드에 의해 파괴될 수 있다.

전단연결재가 저항을 발휘하는 동안 접합면에는 압축력이 작용하게 되며, 이에 따라 전단력은 마찰력을 통해 추가로 전달된다. 또한 콘크리트 층 간의 상대 변위로 인해 후설치 전단연결재에는 전단력이 작용하게 되며, 이는 일반적으로 다월 작용으로 정의된다.

Figure 10 개별 하중 전달 메커니즘(점착/맞물림 , 마찰 , 전단보강 (다월 작용))에 따른 상대 변위의 함수로 나타낸 전단응력 곡선