앵커의 적절한 내진 설계로 구조물을 안전하게 보호하세요!

피해 최소화와 안전 극대화

1.지진은 자연 현상입니다.

지진은 자연 현상지진은 특정 지역에서 더 낮거나 더 높은 확률(위험)로 발생할 수 있는 자연 현상입니다(그림 1.1). 구조물의 잠재적 손상 또는 붕괴를 의미하는 지진 위험은 두 가지 주요 요소를 포함합니다: 지진 발생 시 지반 가속도와 구조물의 유형 및 중요도 등급에 따른 구조물의 취약성에 따라 지진 위험도가 달라집니다. 지진은 많은 구조적 및 비구조적 고장으로 이어져 경제적 손실, 부상 또는 인명 손실을 초래할 수 있습니다.
내진 설계는 지진 발생 시 지반의 흔들림으로 인해 발생하는 힘을 견뎌내 붕괴를 방지하는 안전 기능을 포함하고 있습니다. 내진 설계의 목표는 피해를 줄이는 것뿐만 아니라 지진 발생 시 모든 구조물의 기능을 보장하는 것입니다. 중규모에서 대규모 지진의 대부분은 상당한 피해를 유발할 수 있으므로(그림 1.2) 지진 활동을 모니터링하는 것은 재난 완화를 위해 매우 중요합니다.



(그림 1.1) 전 세계 지진 위험 지도(출처: GSHAP)

2. 내진 설계가 필요한 구조 및 비구조 애플리케이션

구조 및 비구조 애플리케이션에 내진 설계가 필요한 이유구조 및 비구조 연결부는 모두 지진력을 견딜 수 있도록 설계되어야 합니다. 구조적 적용 분야는 지진 취약 지역에 위치한 구조물의 안전과 지속 가능성을 위해 내진 설계가 당연히 필요하지만, 비구조적 연결부의 손상도 심각한 손상, 안전, 경제성 및 응급 서비스 등으로 이어질 수 있습니다(그림 2.1 참조).







그림 2.1: 구조적 및 비구조적 용도가 다른 건물의 일반적인 그림



광범위한 연구에 따르면 대부분의 상업용 건물에서 지진 발생으로 인한 수리 비용이 가장 많이 드는 부분은 기계 또는 전기 지지대나 유틸리티 고정 장치와 같은 비구조 시스템에서 발견됩니다(그림 2.2). 많은 비구조적 설비는 안전 요건을 충족하도록 적절하게 설계되어야 합니다[1].




그림 2.2: 구조적, 비구조적 구성 요소의 손실 평가 [1]

3. 내진 카테고리 및 사후 설치 앵커의 자격 요건

내진 범주는 구조물의 지진 위험 가능성을 평가하고 구조물의 내진 설계를 정의하는 데 사용됩니다. 유럽 코드 프레임워크에서 앵커의 내진 성능은 두 가지 유형으로 분류됩니다: C1과 C2. C1은 일반적으로 낮은 수준의 위험도를 나타내는 반면, C2는 더 높은 수준의 지진 위험을 나타냅니다.

• 성능 카테고리 C1은 최종 한계 상태(최대 가정 균열 폭 Δw = 0.5mm)에서의 저항으로만 앵커 용량을 제공합니다.
• 성능 카테고리 C2는 최종 한계 상태에서의 저항과 손상 한계 상태 및 최종 한계 상태에서의 변위(최대 가정 균열 폭 Δw = 0.8mm)를 모두 고려한 앵커 용량을 제공합니다.

모든 경우에 콘크리트 부재의 단면 가소화가 예상되는 부위, 즉 플라스틱 힌지(그림 3.1 참조)에는 균열 폭이 앵커가 평가되는 Δw = 0.8mm의 한계를 초과할 가능성이 있으므로 앵커를 설치해서는 안 됩니다.




그림 3.1: 철근 콘크리트 부재의 플라스틱 및 탄성 부분의 예 [2]



EN 1992-4 [3]의 표 C.1에는 EN 1998-1 [4]에 따른 건물/구조물의 내진 수준 및 중요도 등급에 따라 내진 카테고리 C1 및 C2에 따라 평가된 앵커 사용에 대한 권장사항이 포함되어 있습니다. 구조 및 비구조 연결부에 대한 내진 설계 카테고리는 예를 들어 내진 수준 “≥ 낮음” 및 중요도 등급 II, III에 대해 정의됩니다. IV, 앵커는 내진 C2에 맞게 설계되어야 합니다.
내진 성능에 대한 자격은 사후 설치 기계식 앵커의 경우 EAD 330232 [5], 사후 설치 본딩 앵커의 경우 EAD 330499 [6]에 따라 내진 카테고리 C1 및 C2에 대해 언급된 필수 성능 테스트가 적용됩니다. 성능 카테고리 C1의 경우 맥동 인장 및 교번 전단 하중에 대한 시험이 수행되며, 성능 카테고리 C2의 경우 맥동 인장, 교번 전단 및 균열 사이클링 하에서의 시험에 대해 파단까지 시험이 수행됩니다. 특정 간격으로 시험 힘과 변위에 대해 연속 측정이 수행됩니다.

4. EN 1992-4에 따른 내진용 후설치 설치 앵커 설계

지진 작용의 설계 값은 구조 및 비구조 연결 모두에 대해 수직 및 수평 지반 운동에 대해 가능한 모든 영향을 고려하여 EN 1998-1 [4] 및 EN 1992-4 [3] 부록 C에 따라 결정됩니다.
정적 조건과 지진 조건 모두에서 사후 설치 앵커의 설계 요건은 크게 다른데, 정적 조건은 비교적 일정한 하중을 수반하는 반면 지진 조건에서는 앵커가 동적이고 때로는 예측할 수 없는 하중에 저항해야 하기 때문입니다. 주요 차이점은 표 4.1에 요약되어 있습니다.

표 4.1: 정적과 내진의 주요 차이점


지진 발생 시 연결부를 보호하기 위해 a) 용량 설계 b) 탄성 설계 및 c) 연성 설계 등 다양한 설계 전략을 따릅니다.





그림 4.1: 접합부 보호를 통한 내진 설계

지진 하중에 대한 내진 설계:

및 (EN 1992-4, 섹션 7.2.1, 7.2.2, C.5 참조)의 추가 계수는 다양한 고장 모드에 대한 정적 저항에 사용됩니다.
특성 내진 저항

• 은 전단 하중 하에서 앵커와 픽스처 사이의 홀 간극으로 인한 관성 효과(즉, 해머링 효과)를 고려하기 위해 ETA에 주어진 감소 계수이며 0.5입니다. 힐티 충전 세트(그림 4.2)를 사용하여 구멍의 간극을 채우면 은 1.0이 될 수 있습니다.
•  는 지진 작용 및 관련 균열의 영향을 고려할 때 고려해야 할 요소입니다:

a) 큰 균열 폭의 형성
b)무작위 균열 분포로 인한 그룹 내 패스너의 불균일한 장력 강성


다양한 유형의 앵커에 대한 값은 EN 1992-4, 표 C.3에서 가져올 수 있습니다.



그림 4.2: 힐티 충진 세트




지진 하중에서 역률은 강철 파손의 경우 k_15=1, 보조 보강재를 사용한 고정의 경우 2/3, 그 외의 모든 경우에는 1로 사용됩니다.
손상 한계 상태 및 최대 한계 상태의 변위는 각 ETA에서 내진 카테고리 C2에 해당하는 모든 앵커에 대해 정의됩니다. 최대 변위의 제한을 고려하기 위해 실제 변위와 제한 변위의 비율을 사용하여 하중을 줄입니다.
설치 후 앵커는 지진 조건에서 선택 및 사용하기 위해 필요한 ETA가 있어야 하며, 특성 저항 및 변위 값은 해당 문서에서 가져와야 합니다.

5. 프로피스 엔지니어링을 이용한 내진 설계는 어떻게 하나요?

힐티의 사용자 친화적인 클라우드 기반 구조 엔지니어링 설계 소프트웨어 PROFIS Engineering은 내진 하중을 위한 설계 옵션을 제공합니다. 설계 인터페이스의 “하중/계산 유형” 탭에서 그림 5.1과 같이 내진, 추가 내진 범주 및 설계 유형에 대한 하중 유형을 선택해야 합니다. “지진 변위”도 사용 가능한 옵션에서 선택할 수 있으며, ETA / EN 1992-4 또는 설계 요구 사항에 따라 사용자 지정할 수 있습니다.
또한 “앵커” 탭에서 “구멍 채우기” 옵션은 구멍 간격이 있는 앵커와 없는 앵커에 따라 내진 설계 저항이 달라지므로 반드시 확인해야 합니다. 하중 유형을 “내진”으로 선택하면 정의된 애플리케이션에 대해 사후 설치 앵커에 대한 권장/승인 옵션이 목록에 나타납니다(그림 5.2). 해석을 통해 생성된 설계 보고서에는 내진 조건 세부 정보도 언급되어 있습니다(그림 5.3).




그림 5.1: PROFIS 엔지니어링의 앵커에 대한 내진 설계 입력값





그림 5.2: PROFIS에서 사용 가능한 앵커 옵션 그림 5.3: 내진 설계 조건이 언급된 설계 보고서

6. 결론

설치 후 연결부의 내진 설계는 주기적 하중에 대한 앵커의 성능을 보장하고 위험을 최소화하고 안전을 유지하는 데 중요합니다. 지진 발생 시 동적 반복 하중, 연성 등과 관련하여 앵커의 특성이 변화하므로 지진 조건을 고려한 설계를 수행해야 합니다. 적절한 내진 설계가 이루어지지 않은 경우, 지진 취약 지역에 위치한 구조물의 경우 예측할 수 없는 하중 수준에서 앵커가 고장나 심각한 손상, 중요 인프라 손실 또는 생명의 위험까지 초래할 수 있습니다.
설계를 시작하려면 https://profisengineering.hilti.com/ 을 방문하세요.

참고 자료

[1]
S. Taghavi and E. Miranda, "Seismic Performance and Loss Assessment of Nonstructural Building Components," in National Conference on Earthquake Engineering, Boston, 2002.
[2]
M. S. Hoehler, Behavior and Testing of Fastenings to Concrete for use in Seismic Applications, PhD Thesis, California, August, 2006.
[3]
EN 1992-4:2018: Eurocode 2 - Design of concrete structures - Part 4: Design of fastenings for use in concrete, Brussels: CEN, 2018.
[4]
Eurocode 8: Design of structures for earthquake resistance -Part 1 : General rules, seismic actions and rules for buildings, Brussels: CEN, 2004.
[5]
EOTA EAD 330232-01-0601: Mechanical fasteners for use in concrete, Brussels: EOTA, 2021.
[6]
EOTA EAD 330499-02-0601: Bonded fasteners and bonded expansion fasteners for use in concrete, Brussels: EOTA, 2022.
[7]
S2C Handbook: Steel to concrete connections using Post-installed systems, Schaan: Hilti Corporation, 2024.