전 세계적으로 규모 5.0 이상의 지진발생빈도는 계속적으로 증가하고 있으며 국내에서도 최근 경주 및 포항 등에서 지진 발생빈도가 점차 증가하는 추세를 보이고 있다. 플랜트 구조물의 경우 2008년도 발생한 중국 쓰촨 성 지진으로 인하여 발전소 내 전력설비의 전도 등으로 인한 손상이 크게 발생한 사례가 있어 국내 발전소 내 발전설비 정착부에 대한 내진성능 검증 및 안정성 연구 또한 매우 중요하다.
본 연구에서는 현재 국내 발전소 내 설치된 발전설비 현장조사를 통하여 콘크리트 슬래브에 설치된 발전설비 정착부 앵커볼트에 대한 구조 및 내진성능 평가를 수행하였다. 현장설치 조사대상으로는 대전광역시에 위치한 대청수력발전소를 선정하였으며 현장조사 결과 대청댐 내 실제 발전설비 정착부에 선 설치 M10 J형 갈고리 앵커볼트가 설치됨을 확인하였고 앵커볼트 직경에 따른 구조성능을 조사하기 위하여 M12 J형 갈고리 앵커볼트를 추가로 선정하였다.
국내 발전설비 정착부에 설치되어있는 앵커볼트의 인발과 전단성능 평가를 위하여 본 연구에서는 콘크리트의 상태에 따라 세 가지 시나리오로 구분하여 실험연구를 수행하였다. 첫째는 비균열 콘크리트에 매립된 고정부 앵커볼트 성능평가(Case 1), 둘째는 콘크리트 균열에 따른 고정부 앵커볼트의 성능평가(Case 2), 셋째는 에폭시 균열보강 후 콘크리트에 매립된 고정부 앵커볼트 성능평가(Case 3)로 각각의 시험체를 제작, 인발 및 전단실험을 수행하였다.
비균열 콘크리트에 매립된 고정부 앵커볼트 구조성능평가(Case 1) 결과, 인발성능의 경우 M10 J형 갈고리 볼트는 설계 값보다 약 40% 높은 것을 확인하였으며, M12 J형 갈고리 볼트는 설계 값보다 약 36% 높은 것으로 나타났다. 이는 현재 발전소 내 발전설비 정착부에 설치된 선 설치 J형 앵커볼트의 성능이 국내 콘크리트용 앵커볼트 설계기준에 만족하는 결과를 갖는다고 판단할 수 있다.
균열 콘크리트에 대한 앵커볼트 구조성능평가(Case 2) 결과, 인발성능의 경우 M12 J형 갈고리 볼트는 설계 값보다 약 35% 높은 것으로 확인하였으며, 전단성능의 경우 M12 J형 갈고리 볼트는 설계 값보다 약 7% 높은 것으로 확인하였다. 이는 비균열 콘크리트 매립형 앵커결과와 비교 시 인발성능에서는 비슷한 결과 값을 나타냈으며, 전단성능에서는 약 14% 감소한 것으로 나타났다. 따라서 선 설치 J형 앵커볼트의 경우 갈고리 볼트의 현장설치 특성상 갈고리에 철근이 배근되어 인발성능에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며, 전단성능의 경우 균열과 수직방향으로 하중을 가하는 경우 균열 폭에 따라 성능에 영향을 미치는 것으로 나타났다.
균열 후 에폭시 보강콘크리트에 매립된 앵커볼트 구조성능평가(Case 3)의 경우 인발 및 전단성능 모두 설계 값을 상위하는 것으로 나타났으며 Case 1과 비교 시 인발성능의 경우 약 1% 높은 것을 확인하였으며 전단성능의 경우 균열 보강 전?후에 있어 동일한 값을 갖는 것으로 나타났다. 이는 선 설치 앵커를 사용하는 경우 콘크리트에 균열 발생에 따른 에폭시 보강 시 고정부 앵커 지지력이 충분히 복구될 수 있다고 판단된다.
마지막으로 앵커 성능평가 실험에 대한 신뢰성을 검증하기 위하여 비균열 콘크리트에 매립된 고정부 앵커볼트 구조성능평가 인발실험에 대하여 상용유한요소해석 프로그램(ABAQUS)을 이용, 해석적 연구를 수행하였다. 강재의 소성모델과 3개의 자유도를 가진 솔리드 유한요소를 활용, 3차원 비선형 해석을 수행하였으며 앵커-콘크리트 접착 경계면의 부착특성을 고려하기 위하여 비선형 접촉경계조건(Contact)을 해석 시 적용하였다. 그 결과, 하중-변위 거동에서 고려된 해석 값은 전반적으로 실험값과 잘 일치하는 결과를 보여주었으며 M10의 경우 해석에서 도출된 최대하중 값이 실험값보다 약 3%, M12에서는 최대하중이 약 2% 높은 것을 확인하였다.