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글쓴이 운영자 날짜 2014-11-10
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제 목 : 철골 기초용 앵카볼트 요구 묻힘길이
철골 기초용 앵카볼트 묻힘 길이에 관한 연구
{A study for Anchor Bolt embed length requirement in Steel Structure}

By


RYU CHANGMYONG
(류창명)
PROFESSIONAL ENGINEER IN MECHANICAL
(건설기계기술사/산업기계설비기술사)


AND

PES ENGINEERING
(피이에스기술사사무소 대표)
MECHANICAL ENGINEERING CONSULTATION
ADVISER/FOUNDER
http://www.pes21.com
wine@pes21.com
info@pes21.com
+82-10-7515-3761







최초 작성일자 : 2014년 05월24일
최종 수정일자 : 2014년 11월12일




--- 목 차---
요 약

1. 앵카볼트 길이 선정시 적용 문제점 고찰

2. 앵카볼트 하중 및 응력 거동

3. 앵카볼트 응력 거동 시뮤레이션 시험 결과

4. 앵카볼트 인장/압축 축력에 따른 요구 매설 길이

5. 앵카볼트 축력에 따른 최대 변형량

6. 앵카볼트 최대 유효 길이



결 론


참고 문헌


저자 소개















요 약
본 연구는 콘크리트 기초용 앵카볼트 묻힘 길이에 대한 역학적인 설계적 근거를 제시하고 , 경제적인 앵카볼트 소요 길이를 설계하는 기준을 마련하는데 도움이 되고자 한다.
일반적으로 앵카볼트 길이 선정은 앵카볼트 사이즈 결정 이후에 수행하는 설계 절차로서 해당 기기 또는 철골의 하중과 전단응력, 굽힘모멘트를 고려하여 적정한 크기를 결정하게 된다. 하지만, 앵카볼트 적정 묻힘길이 선정 부분에는 여러 가지의 설계적 결정 인자가 복합적으로 존재함과 동시에 기계와 토목간의 설계적 공유점(Interface)을 안고 있다는 것이다. 이러한 이유로 앵카볼트 사이즈 선정은 기기측 설계자가 선정하고, 소요 길이 부분은 토목구조설계자가 선정하는 이유도 그 원인일 수도 있다. 즉, 적정 앵카볼트 길이 선정은 해당 볼트의 크기와 콘크리트의 물리적 특성을 고려하여 선정해야함에도 불구하고 간혹 소요 길이 결정이 토목구조부분만 고려되어 선정되는 사례도 발생하고 있음을 지적한다. 특히, 이 부분은 해외 전문 설계 업체에서도 적정 설계 길이를 선정하기 위하여 그 동안 많은 실험과 역학적 검토가 있어 왔지만, 해당 적용 규정에 따라 다양한 이론과 적용 조건을 달리하여 해당 설계 적용 기준에서 하나의 일관된 계산 적용식을 제시하지 못하고 있다는 것이 사실이다. 필자 또한 이 분분에 대한 프로그램 개발을 위하여 참조한 각종 자료 또한 각각의 적용 기준을 달리하기 때문에 지금까지는 역학적 해석차원에서 앵카볼트 묻힘길이를 선정하였다면, 이제는 간편적인 앵카볼트의 최대 축력 기준으로 적정 매설 길이를 고찰하는데 그 중점을 두었다.


주제어 : 앵카볼트묻힘길이, 철구조물, 앵카기초볼트, ANCHOR BOLT, STEEL STRUCTURE

ABSTRACT: This paper has been prepared by PES-ENG for the guidance in decision of required embed Anchor bolt length. that are cast into reinforced concrete foundations in order to "Anchor" steel structures to those foundation. The guide its of a general nature, explaining the manner in which anchor bolts behave and therefore should be designed, the materials and installation methods that should be specified and used in their manufacture, and common problems with design, manufacture and installation. The basic principles of structure action are described, with only a small number of relevant equations, Because of the infinite variety of foundation types, reinforcing arrangements and edge distance. It is not possible to provide "equations" to cover all situation. However, if the fundamental action are understood and allowed for in the design of the bolt embedment and the foundation, a dependable anchorage can be achieved. Thus, this paper shows that simple theory of required Anchor bolt embed length based on considering anchor bolt"s axial force against concrete"s bearing force between two force equilibrium equation, that of concrete bearing force is no more than maximum tensile stress of anchor bolt.

1. 앵카볼트 길이 선정시 적용 문제점 고찰
Anchor Bolt 소요 길이 선정시 설계적 고려 사항 중 주요 문제점을 나열하면 다음의 예를 들 수 있다.
1) 불합리한 계산 과정
2) 설계적 적용 기준과 콘크리트 가장자리와의 이격 거리에 대한 기준이 불투명
3) Anchor Bolt 사용 재질과 콘크리트 특성과의 불일치
4) Anchor Bolt 간격과 콘크리리트 구조와의 관계에 대한 사양이 불확실
5) Anchor Bolt와 적용 Washer와의 역학적인 검토 적용 기준 미확립
6) Anchor Bolt 사이즈 선정시 Washer와 Base Plate와의 용접 조건이 미반영
7) Anchor Bolt 사이즈 선정시 Anchor Bolt Root 형상이 고려되지 않음
8) Anchor Bolt 사이즈 선정시 콘크리트 매몰 길이가 반영되지 않고, Anchor Bolt는 전단 파괴 조건으로만 고려함
9) Anchor Bolt 길이 선정시 유효 매몰 길이와 콘크리트구조와의 관계 해석 기준이 미확립
료된다.

2. 앵카볼트 하중 및 응력 거동
(본 자료는 SESOC DESIGN GUIDE (Author : John Scarry, Edited By Barry Davidson)를 인용하였으며, 앵카볼트에 적용되는 인장,전단,굽힘모멘트에 대한 응력 거동을 나타내고 있다)
Fig 1 : 축압축응력이 지배
Fig 2 : 벤딩 모멘트가 지배
Fig 3 : 축인장응력이 지배
Fig 4 : 축인장응력과 벤딩모멘트가 지배
Fig 5 : 몰타르 측면 베어링 하중이 지배
Fig 6 : Base Plate와 콘크리트에 볼트 베어링 하중 및 볼트 벤딩 하중이 지배
Fig 7 : 앵카볼트에 벤딩 모멘트가 지배


















3. 앵카볼트 응력 거동 시뮤레이션 시험 결과
본 시험은 Czech Technical University in Prague에서 M24 앵카볼트의 인장력에 따른 콘크리트와 앵카볼트의 파지력의 변위 거동을 시험한 결과를 나타낸 것으로서, 볼트에 인장 응력이 걸릴 때 볼트의 탄성 한계는 축 방향 변위 값이 0.5mm 범위로 나타난다. 이는 5.4항에서 매설길이 250mm 조건에서 최대 변형량이 0.494 mm와 거의 일치한다고 볼 수 있다.













4. 앵카볼트 인장/압축 축력에 따른 요구 매설 길이
1) 앵카볼트 사이즈 M20의 허용 축력, 즉 19,215.7 kgf 하중을 가할 경우 요구되는 매설길이를 산출한 결과이며, 요구되는 매설 길이는 226mm(앵카볼트 직경의 약 10배)로 나타남을 알수 있다.
























5. 앵카볼트 축력에 따른 최대 변형량
1) 앵카볼트 사이즈 M20의 최대 인장 응력(400Mpa), 즉 M20 볼트 단면적에 대한 최대 축력(12,566 kgf)에서 매설길이 160mm 조건에서 최대 변형량을 산출한 결과이며, 0.3139 mm로 나타남을 알 수 있다.


















2) 앵카볼트 사이즈 M20의 최대 인장 응력(400Mpa), 즉 M20 볼트 단면적에 대한 최대 축력(12,566 kgf)에서 매설길이 350mm 조건에서 최대 변형량을 산출한 결과이며, 0.6866 mm로 나타남을 알 수 있다.



















3) 앵카볼트 사이즈 M20의 최대 인장 응력(400Mpa), 즉 M20 볼트 단면적에 대한 최대 축력(12,566 kgf)에서 매설길이 650mm 조건에서 최대 변형량을 산출한 결과이며, 1.2752 mm로 나타남을 알 수 있다.



















4) 앵카볼트 사이즈 M20의 최대 인장 응력(400Mpa), 즉 M20 볼트 단면적에 대한 최대 축력(12,566 kgf)에서 매설길이 250mm 조건에서 최대 변형량을 산출한 결과이며, 0.494 mm로 나타남을 알 수 있다.


















6. 앵카볼트 최대 유효 길이
1) 앵카볼트 매설길이 650mm에 대한 최대 유효 길이 산출 결과이며, 최대 유효 길이는 80.5mm(앵카볼트 직경의 약 4배)로 나타남을 알 수 있다.











2) 앵카볼트 매설길이 350mm에 대한 최대 유효 길이 산출 결과이며, 최대 유효 길이는 80.5mm(앵카볼트 직경의 약 4배)로 나타남을 알 수 있다.













결과

앵카볼트 최대 묻힘 요구 길이는 앵카볼트 직경의 최대 축력, 즉 앵카볼트의 최소 인장강도 값에서 결정되며, 이는 철골 기초용 앵카볼트의 콘크리트 내부에서의 매설 길이에 대한 최대 변형을 고려하여 매설된 앵카볼트가 인장 반력에 따른 콘크리트로부터 뽑이거나 콘크리트가 파괴되지 않는 범위이내에서 매설 길이가 선정되는 것이 타당함을 알 수 있다. 즉, 앵카볼트의 최소 인장 응력을 만족하는 범위내에서는 앵카볼트의 유효 매설길이는 앵카볼트 주변 콘크리트 베어링 보다는 앵카볼트의 최대 축력이 지배되어 앵카볼트 유효 매설길이는 제한된다고 보는 것이다. 특히, 본 연구에서 앵카볼트의 최대 묻힘 요구 길이는 앵카볼트의 최소 인장 강도(SS400, 400Mpa) 대비 콘크리트의 압축강도(24Mpa) 응력비(c)는 16.6/1 수준이며, 이러한 배경으로 앵카볼트의 유효 묻힘 길이는 다음의 식으로 산출할 수 있다.
즉, 앵카볼트 인장력과 콘크리트의 베어링 간에는, F=A*c=R*Le---⑴ 식이 성립되며, 이때의 앵카볼트 유효 묻힘 길이(Le)=A*c/R 가 성립된다.


앵카볼트 유효 묻힘길이 : Le
앵커볼트 최대 요구 묻힘 길이 : L=Le*k
앵카볼트의 단면적: A
앵카볼트의 직경 : d
응력비(c) =σ1/σ2
앵카볼트 최소 인장강도 :σ1
콘크리트 최소 압축강도 :σ2
앵카볼트의 원주길이(R) = (π*d)
안전계수(k) : 3

따라서, SS400(최소 인장강도 400Mpa), M20 앵카볼트에 대한 최대 묻힘 길이를 산출하면 다음과 같이 산출 할 수 있다.
앵카볼트 유효 묻힘길이(Le)=A*c/R=314mm^2*16.6/3.14*20m=83mm
앵카볼트 최대 요구 묻힘 길이(L)=Le*k=83mm*3=249mm

이상으로 앵카볼트의 최대 묻힘 요구 길이는 앵카볼트의 최대 축력과 체결토크에 따라 다소 차이가 있을 수 있으나, 통상적으로 앵카볼트와 콘크리트의 최소 강도를 비교한다면, 안전율을 고려하여 앵카볼트 직경의 약 12배 정도가 적정하며, 이때 앵카볼트의 유효 묻힘 길이는 앵카볼트 직경의 약 4배 정도로 나타내고 있음을 알 수 있다.

이러한 결과는 상기 5.4)항 최대 변형량 0.494 mm 을 만족하고 있으며, 이때의 최대 변형량은 상기 3항 앵카볼트 응력 거동 시뮤레이션 시험 결과를 만족하는 범위이다. 특히, 앵카볼트의 유효 묻힘 길이, 83mm는 상기 6 1),2)항의 앵카볼트 유효 묻힘길이와 거의 일치함을 알 수 있다. 다음의 계산 결과는 앵카볼트 요구 묻힘 길이를 계산한 결과를 나타낸 것이다.

참고문헌
1) HERON Vol, 53(2008) No.1/2, Frantisek Wald, Czech Technical University, Faculty of Civil Engineering, Prague, Czech Republic.
2) Akiyama H. : Seismic Design of Steel Column for Architecture. In Japanese, Gibodokupan, Tokyo 1985.
3) Eurocode 3, ENV-1993-1-1, Design of Steel Structure-General Rule and Rules for Buildings. CEN, Brussels 1992, including Part 1.1, A2: Design of Steel Structures-General Rules and Rules for Building, Annex J, European Pre-norm, CEN, Brussels 1998.
4) Melchers R.E. : Modelling of Column-Base Behaviour. In Connections in Steel Structures, Behaviour, Strength and Design, Proceedings, ed. Bjorhovde R., Brozzetti J., Colson A., Elsevier Applied Science, London 1987, pp. 150-157
5) NZS 3101:1995 Concrete Structures Standard, STandards New Zealand.
6) Design Standard for Steel Structure 1979, The Architectural Institute of Japan.
7) ACI 318-05, " Building Code Requirements for Structure Concrete", ACI 2005.







저자 소개

피이에스기술사사무소 대표
(건설기계기술사/산업기계설비기술사)
기계공학기술사 저자(총 20권)
http://www.pes21.com
창원기계공업고등학교 졸업(3회)
경남대학교 기계공학과 졸업(83)



- 주요 경력
1991년 ~ 1998년 : 탈기기 및 급수가열기 설계
1999년 ~ 2004년 : 압력용기 및 열교환기 구조설계
2005년 ~ 2006년 : 중저속내연엔진/발전 계통설계
2007년 ~ 현재 : 건설/시공/감리

- 보유 자격
건설기계기술사/산업기계설비기술사
- 주요 연구 논문
1) 배관 플랜지면 부식원인과 대책 방안(영문)
2) 배관 플랜지 가스켓 파손 원인 및 방지책(국문)
3) 방수 콘테이너 사이폰 누수 현상(영문)
4) 차압식 수직축 적층 풍력 발전기

- 주요 개발 안내
2001년 : 탈기기 설계자동화 프로그램
2003년 : 화공열교환기 구조설계 웹프로그램
2005년 : 압력용기/열교환기 견적 자동화 프로그램
2007년 : 무동력 가압 양수 발전기(발명특허
출원 번호 :10-2009-0100012)
2012년 : 하이브리드-자연순환식 수차발전기(발명특허
출원 번호 :10-2012-0143279)
2014년 : 차압식 수직축 적층 풍력타워(발명특허
출원 번호 :10-2014-0019350)
2014년 : 수직부상 다단 양력형 풍력 터빈(발명특허
출원 번호 :10-2014-0018416)

* 원문은 자료실에 있음
http://www.pes21.com/home_56/room_solution/dataroom.ASP
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