부착식 앵커의 부착강도 : 성능을 결정하는 핵심 요소들

엔지니어가 매립식 앵커(cast-in anchor)와 후설치 앵커(post-installed anchor) 중 어느 시스템을 적용할 것인지는 다양한 요인에 의해 결정된다. 앵커의 작동 원리, 시공 방법, 그리고 공기와 예산에 미치는 영향 등이 대표적인 고려 요소이다. 무엇보다도 기술사는 관련 법규와 윤리 강령에 따라 공공의 안전, 건강 및 복리를 최우선으로 고려해야 할 책임을 가진다.

최근 엔지니어링 업무는 예산과 업무 범위가 지속적으로 축소되는 추세에 있다. 이러한 환경에서는 후설치 앵커 시스템을 종합적으로 비교·평가하기 위해 방대한 기술자료와 시험 결과, 그리고 각종 주석 및 적용 조건을 일일이 검토하는 데 충분한 시간과 인력을 투입하기가 쉽지 않다.

본 글에서는 후설치 접착식 앵커 시스템(post-installed adhesive anchor system)의 성능에 영향을 미치는 화학적·물리적 요인을 이해하기 쉽게 설명하고자 한다.

왜 이것이 중요한가?

부착식 앵커 시스템을 부적절하게 선정하거나 올바르지 않은 방법으로 시공할 경우, 앵커의 설계강도 저하 또는 정착부의 파괴가 발생할 수 있다. 이러한 문제는 막대한 보수·보강 비용을 초래할 뿐만 아니라 공기의 지연을 유발하며, 심한 경우에는 공공의 안전을 위협하는 결과로 이어질 수도 있다.

International Code Council Evaluation Service, ICC-ES는 2006년에 콘크리트용 후설치 부착식 앵커의 승인기준(Acceptance Criteria for Post-Installed Adhesive Anchors in Concrete Elements, AC308)을 제정하였다. AC308은 후설치 부착식 앵커 시스템이 국제건축구조설계기준(IBC)의 요구사항을 충족하는지를 평가하기 위한 적합성 기준을 규정하고 있다.

AC308에 따라 IBC 적합성이 입증된 부착식 앵커 시스템은 ACI 318의 콘크리트 정착 설계 규정(Anchoring to Concrete)에 따라 구조 설계에 적용할 수 있다.

접합부 설계에는 선설치 앵커(cast-in anchor)와 후설치 앵커(post-installed anchor)가 사용된다. 선설치 앵커는 ACI 318의 콘크리트 앵커 설계 규정을 직접 적용하여 설계할 수 있다.

반면, 후설치 앵커는 ICC-ES의 승인기준에 따라 성능이 검증되어야 하며, 그 목적은 다음과 같다.

• 국제건축기준(IBC)의 요구사항에 적합함을 입증하고

• ACI 318의 콘크리트용 앵커 설계 규정에 따라 앵커를 설계하는 데 필요한 성능 데이터를 확보하는 것이다.

2011년에는 ACI 355.4가 제정되어 부착식 앵커 시스템의 성능을 검증하기 위한 시험기준이 마련되었다. 이를 통해 AC308과 ACI의 시험기준이 상호 일치하도록 조화(harmonization)가 이루어졌으며, 후설치 부착식 앵커의 성능평가 체계가 보다 체계적으로 정립되었다.

이와 관련된 제도 변화와 승인 절차에 대해 보다 자세히 알고자 한다면, [Changes in Adhesive Anchor System Approvals](STRUCTURE, 2015년 9월)을 참고하기 바란다.

평가보고서(Evaluation Service Reports)와 설계기준

ICC-ES 평가보고서(ICC-ES Evaluation Service Reports, ESR)는 엔지니어링 제품에 대해 제3자 전문기관이 수행한 성능평가 결과를 제공하는 기술문서이다. 이러한 평가보고서는 관할 행정기관(Authority Having Jurisdiction, AHJ)의 승인을 전제로, 해당 제품이 국제건축기준(IBC)의 요구사항을 충족함을 입증하는 자료로 활용될 수 있다.

ICC-ES 평가보고서는 표준화된 형식으로 기술 정보를 제공하지만, 제품에 따라 보고서에 포함되는 정보의 범위와 상세 수준은 상당한 차이가 있을 수 있다. 따라서 보고서를 검토할 때에는 각 제품의 특성과 적용 조건을 충분히 확인하는 것이 중요하다.

다음에서는 특정 용도에 적합한 부착식 앵커 시스템을 선정하는 데 유용한 정보를 제공하는 ICC-ES 평가보고서의 주요 항목을 살펴본다.

그림 1. ICC-ES 평가보고서의 주요 참고 항목

ICC-ES 평가보고서에는 ACI 318의 콘크리트 앵커 설계 규정을 적용하여 앵커를 설계하는 데 활용할 수 있는 공개 시험·성능 데이터 표가 포함되어 있다.

이 표에는 일반적으로 다음과 같은 정보가 포함된다.

• 앵커 구성요소의 규격 및 물리적 성질

• 앵커 구성요소에 대한 설계 정보

• 콘크리트 파괴 (콘크리트 콘 파괴) 설계 정보

• 부착강도

ACI 318-14에 따른 하중저항계수 설계법(Load and Resistance Factor Design, LRFD)에서는 인장 및 전단에 대해 발생 가능한 파괴 모드별 설계 강도(capacity)를 평가하여, 부착식 앵커 시스템의 성능을 지배하는 지배적인 파괴모드(governing failure mode)를 결정해야 한다.

부착식 앵커 시스템을 비교하는 간략한 방법으로는 ICC-ES 평가보고서 표에 제시된 공칭 부착강도(nominal bond strength)를 비교하는 방법이 있다.

그러나 이러한 표는 콘크리트의 상태, 검사 수준, 사용 중 온도 범위, 또는 천공 방법 등에 따라 구분될 수 있다. 또한 표 하단의 각주에는 설계 계산에 적용되는 여러 감소계수(reduction factors)가 포함될 수 있다.

ICC-ES 평가보고서는 제조사의 설치 지침(Manufacturer’s Printed Installation Instructions, MPII)으로 마무리된다. 해당 설치 지침에는 보고서 본문에서 시험을 통해 검증되었으며 반영된 내용과 일관된 시공 절차가 상세히 설명되어야 한다.

즉, MPII는 평가 보고서에서 검증된 시험 조건과 동일한 방식으로 현장 시공이 이루어지도록 보장하는 중요한 기준 문서로 기능한다.

그림 2. ACI 318-14 18.8.2.1절: 주요 설계 매개변수의 명시 권장

부착식 앵커 시스템은 경화제와 수지 간의 화학 반응에 의해 형성되는 부착 강도(adhesive bonding)에 의존한다. 이러한 화학 반응의 결과로 모재와 형성되는 부착은 온도, 먼지 또는 수분의 존재 여부 등 다양한 요인의 영향을 받을 수 있다.

ACI 318 17.8.2.1절에서는 부착식 앵커 시방서에 포함되어야 하는 특성 부착강도 매개변수(characteristic bond stress parameters)를 명시하고 있다.

본 글에서는 다음의 세 가지 부착강도 매개변수에 초점을 맞춘다.

• 천공 또는 천공 홀 세척 방법 (drilling or hole-cleaning methods)

• 콘크리트의 습윤 상태 (moisture condition of the concrete)

• 설치 시 온도 (temperature at time of installation)

제조사 설치 절차의 신뢰성 시험

부착식 앵커의 적절한 시공은 다음과 같은 절차를 포함한다. 먼저 경화된 콘크리트에 대해 승인된 천공 방법을 사용하여 천공을 수행하고, 천공 과정에서 발생한 먼지 및 이물질을 제거하기 위해 구멍을 철저히 청소한다. 이후 주입재를 적정하게 주입하고, 부착제의 겔 타임(gel time) 또는 작업 가능 시간(working time) 이내에 앵커 요소를 삽입하여야 한다.

그림 3. 부착식 앵커 시공 단계 및 각 단계의 목적

천공된 구멍의 청소 상태는 접착식 앵커의 성능에 매우 큰 영향을 미친다. 이에 따라 AC308에서는 적절한 구멍 청소 절차를 확립하기 위하여 기준시험(reference test)과 신뢰성시험(reliability test)을 규정하고 있다.

기준시험은 접착제가 적합한 성능을 발휘할 수 있는 기준 청소 절차를 설정하기 위한 시험으로, 이 시험 결과를 바탕으로 접착식 앵커의 부착강도(bond stress)가 산정된다. 일반적인 구멍 청소 절차는 압축 공기를 이용하여 천공된 구멍 내부의 분진을 제거한 후, 강철 와이어 브러시를 사용하여 구멍 내부를 청소하고, 다시 압축 공기로 잔여 분진을 제거하는 순서로 이루어진다.

이와 같은 blow–brush–blow 방식은 접착식 앵커 시스템에서 가장 널리 적용되는 청소 방법이지만, 각 단계의 반복 횟수와 전용 강철 와이어 브러시의 사용 여부, 그리고 압축 공기의 요구 압력은 제품 시스템에 따라 달라질 수 있다.

신뢰성 시험에서는 기준 시험과 동일한 앵커 조건을 적용하되, 기준 시험에서 수행한 구멍 청소 횟수의 절반만을 실시한 상태에서 시험을 수행한다. 이 시험의 목적은 청소 절차가 축소된 경우에도 접착식 앵커가 기준 시험에서 확인된 부착 강도의 일정 수준 이상을 확보할 수 있음을 검증하는 데 있다.

따라서 신뢰성 시험에서 허용되는 최소 청소 절차가 1회 불기–1회 솔질–1회 불기(1 blow–1 brush–1 blow)인 경우, 이에 대응하는 기준 시험의 최소 청소 절차는 2회 불기–2회 솔질–2회 불기(2 blow–2 brush–2 blow)가 되어야 한다. 이는 신뢰성 시험에서 청소 절차를 기준 시험의 절반 수준으로 축소하여 수행한다는 원칙에 따른 것이다.

그림 4: 다양한 앵커 범주별로 확보되어야 하는 부착 응력의 비율

제조사는 기준 시험(reference test)에 적용할 구멍 청소 절차의 수준을 자유롭게 선택할 수 있다. 일반적으로 청소 횟수가 증가할수록 천공된 구멍 내부에 남아 있는 분진과 이물질이 더욱 효과적으로 제거되므로, 접착제와 콘크리트 사이의 부착 성능이 향상된다.

일부 제조사는 설치자가 현장에서 수행해야 하는 수동 청소 절차에 대한 부담을 줄이기 위해, 2회 불기–2회 청소–2회 불기(2×2×2)의 최소 기준 청소 절차를 기준 시험에 적용하기도 한다. 이는 청소 절차를 최소화하더라도 접착식 앵커 시스템 자체의 성능과 내구성을 바탕으로 요구되는 성능을 확보할 수 있도록 설계하려는 의도에 따른 것이다.

접착식 앵커 시스템이 신뢰성 시험에서 기준 시험의 부착강도 값 대비 요구되는 일정 비율 이상의 성능을 확보하지 못하는 경우, 해당 앵커는 당초 목표로 한 성능 등급보다 낮은 범주(Category)로 평가될 수 있다. 또한 목표 성능을 안정적으로 확보하기 위해 기준 시험에서 적용하는 구멍 청소 절차를 강화하여, 청소 횟수를 늘리거나 보다 정교한 청소 방법을 적용할 수도 있다.

이와 같이 부착 강도를 확보하고 이를 안정적으로 유지하기 위해 적용되는 정교한 청소 방법에는 해당 접착식 앵커 시스템 전용으로 설계된 강철 와이어 브러시를 사용하는 방법이나, 브러시를 전동 드릴에 장착하여 청소하는 방법 등이 있다. 이러한 브러시는 일반 브러시에 비해 더 넓거나 조밀하게 배열된 철선재질을 적용함으로써, 천공된 구멍 내부의 분진을 더욱 효과적으로 제거할 수 있도록 설계된다.

2011년에 발표된 [A Field Study of Adhesive Anchor Installations]에서는 현장에 시공된 접착식 앵커의 77%가 제조사의 인쇄된 설치 지침(Manufacturer Printed Installation Instructions, MPII)을 준수하지 않은 것으로 보고되었다.

이러한 문제를 해결하기 위해 2013년부터 일부 제조사는 접착식 앵커 시스템의 구멍 청소 과정에서 발생할 수 있는 작업자의 인적 오류를 줄일 수 있는 새로운 앵커 기술을 도입하였다. 대표적인 기술로는 다음과 같은 방법이 있다.

• (a) 접착제에 의한 부착력이 아닌 마찰 저항을 통해 하중을 전달하는 토크 제어식 앵커 요소로, 요구 성능을 확보하기 위해 별도의 구멍 청소가 필요하지 않은 기술

• (b) 천공과 동시에 발생하는 분진을 즉시 흡입·

  배출하는 중공형 드릴 비트 (hollow drill bit) 시스템

이러한 기술은 구멍 청소 절차를 단순화하거나 생략할 수 있도록 함으로써, 작업자의 시공 편차를 줄이고 접착식 앵커의 시공 신뢰성을 향상시키는 데 목적이 있다.

콘크리트나 조적을 천공하거나 가공하는 과정에서 발생하는 결정질 실리카 분진(respirable crystalline silica dust)을 흡입하여 발생하는 폐질환인 규폐증(silicosis)과 관련된 중증 건강 피해 및 사망 사례가 증가함에 따라, 미국 산업안전보건청(Occupational Safety and Health Administration, OSHA)은 2017년 6월 호흡성 결정질 실리카 분진에 대한 규제를 강화하고 이에 대한 단속을 재개하였다.

OSHA의 건설 분야 호흡성 결정질 실리카 기준(Respirable Crystalline Silica Standard for Construction)인 OSHA 1926.1153(일명 Table 1)은 작업 유형별로 허용되는 호흡성 결정질 실리카 분진의 최대 노출 수준과 이를 저감하기 위한 작업 방법을 규정하고 있다. 여기에는 후설치 앵커(post-installed anchor) 시스템의 구멍 청소 방법에 관한 요구 사항도 포함되어 있다.

기존에 ICC-ES 평가보고서(ICC-ES Report)에 포함되어 있던 구멍 청소 기술은 시험을 통해 분진 제거 성능이 검증되었으며, OSHA Table 1의 분진 저감 목적을 충족하는 것으로 확인되었다.

반면, 기존의 구멍 청소 기술을 보유하지 않았던 일부 앵커 제조사는 공구 제조사와 협력하여 OSHA Table 1의 요구사항을 만족할 수 있는 분진 제거 시스템을 개발하였다.

현재 일부 제조사는 이러한 분진 제거 시스템을 제조사의 설치 지침(MPII)에는 포함하고 있으나, 해당 시스템을 ICC-ES 평가 보고서의 성능시험 항목에는 반영하지 않은 경우도 있다. 또한 분진 제거 시스템이 ICC-ES 평가 보고서에 포함되어 있는 경우에도, 일부 제품은 여전히 추가적인 수동 구멍 청소 절차를 요구하거나, 건조 콘크리트(dry concrete)에서만 사용할 수 있도록 제한되는 경우가 있다.

수분 조건의 영향

AC308 및 ACI 355.4에 따른 접착식 앵커의 성능 시험에서는 제품의 설치 조건에 대한 신뢰성(reliability) 또는 민감도(sensitivity)를 반영하기 위해 강도 감소계수를 산정한다.

접착제의 민감도는 경화제와 수지의 혼합 상태, 구멍 청소의 적절성, 모재의 수분 함유 상태 등 다양한 요인의 영향을 받을 수 있다. 인장하중에 적용되는 강도 감소계수는 그림 5와 같이 신뢰성 수준에 따라 달라진다. 일반적으로 신뢰성이 높은 접착제는 0.65의 강도 감소계수가 적용되는 반면, 신뢰성이 낮은 접착제는 0.45의 강도 감소계수가 적용된다.

또한 동일한 접착제 제품이라 하더라도 적용되는 f-factor는 앵커 직경, 특별검사(special inspection) 수준, 코어 천공(core drilling) 여부, 그리고 콘크리트 천공 홀의 수분 상태에 따라 달라질 수 있다. 여기서 천공 홀의 수분 상태는 건조 상태(dry), 습윤 상태(water-saturated), 물로 채워진 상태(water-filled) 또는 완전히 침수된 상태(fully submerged) 등으로 구분된다.

그림 5: 접착식 앵커의 신뢰성, 강도감소계수

낮은 강도 감소계수는 일반적으로 단일한 불리한 설치 조건 또는 여러 불리한 조건이 복합적으로 작용한 결과로 나타난다. 일부 부착식 앵커 제품은 가장 높은 신뢰성 수준을 확보하여, 건조 콘크리트(dry concrete)와 습윤 콘크리트(water-saturated concrete)와 같은 서로 다른 조건에서도 모두 0.65의 강도감소계수를 달성하기도 한다.

이와 같이 신뢰성 평가에서는 복합적인 불리 조건의 영향을 충분히 고려하는 것이 중요하며, 이러한 조건은 시험 결과로 산정되는 강도감소계수에 직접적인 영향을 미쳐 앵커의 설계강도 및 성능을 결정하게 된다.

한편 일부 제품의 경우, 앵커 직경이 3/8인치인 경우에는 f-factor 0.65를 적용받지만, 1/2인치 직경의 앵커에서는 강도감소계수 0.45가 적용되기도 한다. 또한 일부 강도감소계수는 모든 설치 방향의 부착식 앵커에 대해 지속적인 검사가 수행된다는 조건 하에 도출되기도 한다. 다만 2015 IBC Chapter 17에서는 지속적인 검사를 요구하는 경우를 수평 또는 상향 경사 방향에서 지속 인장력을 받는 부착식 앵커로 제한하고 있다.

강도감소계수는 또한 수분의 존재 여부에 의해 큰 영향을 받으며, 수분은 부착식 앵커 시스템과 모재 간의 부착 성능을 저하시킬 수 있는 주요 요인으로 작용한다.

비록 설계가 이루어지는 사무실 환경은 일반적으로 기후가 제어되고 건조한 조건이지만, 실제 시공이 이루어지는 현장은 이러한 조건과 크게 다르며 대부분 건조하지 않은 상태이다. AC308에서는 콘크리트가 14일 동안 물에 노출되지 않은 상태를 건조 콘크리트로 정의하고 있으나, 북미 대부분 지역에서는 계절과 관계없이 2주 이내에 강수에 노출될 가능성이 높다.

따라서 설계 단계에서 수분 조건을 고려하는 것은 ACI 기준에서도 요구되는 사항이다. 앵커 설계가 당일 시공을 위한 RFI(Request for Information)에 대응하는 경우이든, 또는 프로젝트 전 기간에 걸쳐 적용되는 일반 시방 조건으로 작성되는 경우이든, 실제 환경을 고려할 때 습윤 콘크리트 상태를 설계 기준으로 가정하는 것이 합리적이다

설치 온도의 영향

접착식 앵커는 경화제와 수지의 정밀한 혼합비에 따른 화학반응을 통해 경화된다. 이때 온도는 접착제의 경화 속도에 큰 영향을 미치는 주요 인자이다. 설치 시 콘크리트 온도가 높은 경우에는 화학반응이 가속되어 경화가 빠르게 진행되며, 반대로 콘크리트 온도가 낮은 경우에는 반응 속도가 저하되어 경화가 지연된다.

온도의 영향과 관련하여 고려해야 할 주요 사항은 크게 네 가지로, 특정 제품이 설치 가능한 온도 범위, 주어진 온도 조건에서 요구되는 경화 시간, 동일 온도 조건에서의 작업 가능 시간(working time), 그리고 특정 적용 조건에서 적절한 시공을 위해 요구되는 제품의 컨디셔닝 조건이 있다.

설치 온도 조건은 ACI 318의 콘크리트 앵커 설계 기준에도 포함되어 있으며, 부착식 앵커 제조사들은 일반적으로 넓은 범위의 설치 온도 조건에 대해 제품을 시험한다. 일반적으로 가장 많이 적용되는 설치 온도 범위는 화씨 41도에서 104도 까지이며, 일부 제품의 경우 최저 화씨 14도와 같은 저온 조건에서도 시공이 가능하도록 시험되기도 한다. 실제 프로젝트에서 예상되는 환경 온도에 대한 적용 가능성을 검증하기 위해서는 해당 부착식 앵커 시스템의 ICC-ES 평가 보고서를 반드시 참고해야 한다.

이상적으로 부착식 앵커 시스템은 경화 시간과 작업 가능 시간 사이에서 현실적인 균형을 확보해야 한다. 건설 공정 일정이 점점 더 촉박해짐에 따라, 초기 하중 재하가 가능한 짧은 경화 시간이 점점 더 중요하게 요구되고 있다. 그러나 특정 모재 온도 조건에서 요구되는 전체 경화 시간을 충족하지 않고 하중을 가하는 것은 접착 성능에 치명적인 영향을 미칠 수 있으므로 반드시 주의해야 한다.

일반적으로 시공자들은 제조사의 인쇄된 설치 지침(MPII)과 무관하게, 접착식 앵커 설치 후 약 24시간 경과 후 하중을 적용하는 것을 하나의 경험적 기준(rule-of-thumb)으로 사용하기도 한다. 다만 일부 제품은 이보다 더 긴 경화 시간을 요구하기도 하며, 이는 그림 6에 제시되어 있다. 또한 습윤 상태의 콘크리트에서는 추가적인 경화 시간이 요구될 수 있으며, 이러한 조건은 ICC-ES 평가보고서 또는 MPII의 각주에 별도로 명시되어 있다.

그림 6: 화씨 41도 조건에서 요구되는 공표된 경화 시간

작업 가능 시간(working time)은 부착식 앵커 선정 시 또 하나의 중요한 고려 요소이다. 작업 가능 시간 동안 시공자는 천공된 구멍 내부에 요구되는 양의 접착제를 공극 없이 주입하고, 앵커 요소를 요구 매입 깊이까지 정확히 삽입한 후 적정 위치에 고정해야 한다. 온도가 높은 조건에서는 대부분의 제품이 최소 약 5분 이상의 작업 가능 시간을 제공하여 시공자가 해당 작업을 비교적 안정적으로 수행할 수 있도록 한다. 반면 일부 제품의 경우 작업 가능 시간이 90초에 불과한 경우도 있다.

제품의 화학적 조성에 따라 특정 환경 조건에서 사용을 위해 별도의 컨디셔닝이 요구되기도 한다. 수성 기반(water-based) 접착제의 경우 제품 온도를 최소 화씨 32도 이상으로 유지해야 하며, 많은 제품에서 일반적으로 요구되는 최소 컨디셔닝 온도는 화씨41도이다. 또한 일부 제품은 모재 온도가 화씨 70도 미만인 경우 접착제를 화씨 70도까지 사전 컨디셔닝하도록 요구하기도 한다.

ACI 318의 설계 기준

ACI 318에서는 접착식 앵커 시스템의 성능 신뢰성이 설치 환경에서의 불리한 조건에 의해 영향을 받을 수 있음을 인정하고 있으며, 이러한 조건에는 모재의 수분 상태, 설치 시의 온도, 천공 방법, 그리고 구멍 청소 절차 등이 포함된다. 이러한 요소들은 AC308에 따른 시험을 통해 평가되지만, 그 결과로 도출되는 부착강도, 감소계수, 그리고 ICC-ES 평가 보고서에 포함되는 사용 조건은 제품별로 상당한 차이를 보인다.

ACI 318-14의 17.8.2.1 절 요구사항을 만족하는 부착식 앵커 시스템의 신뢰성을 확보하기 위한 모범적인 설계 방법 중 하나는, 설계 단계에서 설계 기준 파라미터(basis-of-design parameters)를 포함하고 이를 일반 시방서(general notes)에 명시하는 것이다. 대표적인 예시는 다음과 같다.

• 균열 콘크리트 (cracked concrete)

• 수포화 콘크리트 (water-saturated concrete)

• 설치 시 모재 온도 범위 : 화씨 23도 ~ 104도

• 허용 천공 방법 : 해머 드릴(hammer drill), 중공 드릴 비트(hollow drill bit), 다이아몬드 코어 드릴(diamond core drill)

이와 같이 최종 설치 상태에 대한 설계 기준을 명확히 반영함으로써, 엔지니어는 실제 시공 현장의 다양한 조건에서도 접착식 앵커 시스템이 요구되는 신뢰성 있는 성능을 확보하도록 유도할 수 있다.