프리스트레스트 콘크리트

3. 프리스트레스트 콘크리트와 철근 콘크리트의 비교

콘크리트는 압축강도에 비해 인장강도가 매우 작기 때문에, 철근 콘크리트 보에서는 인장측에 철근을 넣어 인장응력을 부담하도록 한다. 그러나 철근 콘크리트 보는 사용하중에 의해 인장측에 미세한 균열이 발생하고, 이 균열은 구조물의 내구성을 저하시킨다.^[10] 이러한 철근 콘크리트의 단점을 보완하기 위해 프리스트레스트 콘크리트(PSC)가 사용된다. PSC는 콘크리트에 미리 압축응력을 주어 인장응력을 상쇄시키는 방식으로, 철근 콘크리트 구조물의 단점을 보완한다.

접합식과 비접합식 후텐션 기술은 전 세계적으로 널리 사용되며, 시스템 선택은 지역적 선호도, 시공업체의 경험, 대체 시스템의 가용성에 따라 결정된다. 두 가지 모두 설계자의 구조적 강도 및 사용성 요구 사항을 충족하는 규정 준수, 내구성 있는 구조물을 제공할 수 있다.^[10]

접합식 후텐션은 비접합식 시스템에 비해 다음과 같은 장점을 가진다.

• 말단 정착부 무결성 의존도 감소: 텐던 그라우팅 후, 접합식 텐던은 그라우트에 의해 주변 콘크리트에 연결되어 텐던의 우발적 절단이나 말단 정착부 파손 시에도 국지적인 영향만 미친다.^[2][10]
• 극한 강도 증가(휨): 접합식 후텐션은 구조물의 휨에 의해 텐던 변형률이 직접 저항을 받으므로, 텐던의 인장 변형률이 높아져 전체 항복 강도를 실현하고 더 높은 극한 하중 용량을 생성한다.^[2][6]
• 개선된 균열 제어: 접합식 텐던은 콘크리트 균열 발생 시 기존 철근(철근)과 유사하게 반응하여 균열 확장에 대한 저항이 크므로, 설계 기준에서 철근 요구 사항을 줄일 수 있다.^[10][11]
• 개선된 내화 성능: 접합식 텐던은 변형률 재분배가 없어 국부적인 과열이 전체 구조에 미치는 영향을 제한하여 비접합식 구조보다 화재 조건에 대한 저항력이 높다.^[12]

• 프리패브 가능성: 비접합식 텐던은 말단 정착부와 함께 현장 밖에서 쉽게 프리패브할 수 있어 시공 중 설치 속도가 빠르다.
• 현장 생산성 향상: 접합식 구조물에 필요한 후텐션 그라우팅 공정을 없애 현장 노동 생산성이 향상된다.^[10]
• 설치 유연성 향상: 비접합식 단선 텐던은 설치 중 접합식 덕트보다 취급 유연성이 높아 서비스 관통부 또는 장애물 주변으로 쉽게 우회할 수 있다.^[10]
• 감소된 콘크리트 피복 두께: 비접합식 텐던은 크기가 작고 부식 방지가 향상되어 콘크리트 표면에 더 가깝게 배치할 수 있어 콘크리트 요소 두께를 줄일 수 있다.^[2]
• 간편한 교체 및/또는 조정: 콘크리트로부터 영구적으로 분리되어 있어 손상되었거나 힘 수준을 수정해야 하는 경우 쉽게 응력 해제, 재응력 및/또는 교체할 수 있다.^[10]
• 우수한 과부하 성능: 접합식 텐던보다 극한 강도는 낮지만, 전체 길이에 걸쳐 변형률을 재분배할 수 있으므로 우수한 붕괴 전 연성을 제공한다. 극단적인 경우, 비접합식 텐던은 순수한 굽힘 대신 사슬선 형태의 작용을 할 수 있어 구조적 파괴 전에 훨씬 더 큰 변형을 허용한다.^[13]

4. 프리스트레싱 방법

콘크리트에 프리스트레스를 주는 방법은 크게 기계적인 방법과 화학적인 방법이 있다. 기계적인 방법으로는 프리텐션 방식과 포스트텐션 방식이 대표적이다.^[1] 프리텐션 방식은 콘크리트 타설 전에 PC 강재를 긴장시키는 방식이며, 포스트텐션 방식은 콘크리트 타설 후에 PC 강재를 긴장시키는 방식이다. 화학적인 방법으로는 팽창재를 사용하여 콘크리트에 프리스트레스를 가하는 방법이 있다.^[36][37]

4. 1. 기계적인 장치를 활용하는 방법

• '''프리텐션 방식''' : 콘크리트를 타설하기 *전에* PC 강재를 긴장시키는 방법이다.
• '''포스트텐션 방식''' : 콘크리트를 타설한 *후에* PC 강재를 긴장시키는 방법이다.

4. 1. 1. 프리텐션(Pre-tension) 방식

4. 1. 2. 포스트텐션(Post-tension) 방식

• 콘크리트 구조물(예: 건물, 지상 슬래브)에 직접 배치된 개별 스트랜드 텐던
• 개별적으로 윤활 및 피복 처리된 스트랜드를 묶어 콘크리트 내부나 옆에 배치되는 캡슐형 덕트 안에 넣어 만든 단일 텐던 (예: 재긴장 가능 앵커, 외부 포스트텐션)

• 앵커 장치 무결성에 대한 의존도 감소: 텐션을 가하고 그라우팅한 후, 본드형 텐던은 고강도 그라우트에 의해 전체 길이에 걸쳐 주변 콘크리트에 연결된다. 경화된 그라우트는 매우 짧은 거리(약 1미터) 내에서 전체 텐던 장력을 콘크리트로 전달할 수 있다. 따라서 텐던이 우발적으로 절단되거나 앵커 장치가 파손되어도 텐던 성능에 미치는 영향은 매우 작으며, 앵커에서 텐던이 빠져나오는 일은 거의 없다.^[2][10]
• 극한 강도 증가(휨): 본드형 텐던은 구조물의 휨에 직접 저항하며, 변형률 재분배가 일어나지 않는다. 이로 인해 텐던의 인장 변형률이 높아져 텐던의 항복 강도를 최대한 활용하고 더 높은 극한 하중 용량을 낼 수 있다.^[2][6]
• 균열 제어 개선: 콘크리트에 균열이 생기면, 본드형 텐던은 기존 철근과 유사하게 작용한다. 균열 양쪽에서 텐던이 콘크리트에 고정되어 있어 균열 확장에 대한 저항성이 더 크므로, 많은 설계 기준에서 본드형 텐던에 대한 철근 요구량을 줄일 수 있다.^[10][11]
• 내화 성능 개선: 본드형 텐던은 변형률 재분배가 없어 국부적인 과열이 전체 구조에 미치는 영향을 줄일 수 있다. 따라서 본드형 구조는 언본드형 구조보다 화재에 대한 저항력이 더 높을 수 있다.^[12]

• 프리패브 가능성: 언본드형 텐던은 앵커 장치와 함께 현장 밖에서 쉽게 제작할 수 있어 시공 속도가 빨라진다. 다만, 제작에 추가적인 리드 타임이 필요할 수 있다.
• 현장 생산성 향상: 본드형 구조물에 필요한 그라우팅 공정이 없어 언본드형 텐던의 현장 노동 생산성이 향상된다.^[10]
• 설치 유연성 향상: 언본드형 단선 텐던은 설치 중 본드형 덕트보다 다루기 쉬워 서비스 관통부나 장애물 주변으로 쉽게 우회할 수 있다.^[10]
• 콘크리트 피복 두께 감소: 언본드형 텐던은 크기가 작고 부식 방지 성능이 뛰어나 콘크리트 표면에 더 가깝게 배치할 수 있어 콘크리트 두께를 줄일 수 있다.^[2]
• 간편한 교체 및/또는 조정: 콘크리트와 영구적으로 분리되어 있는 언본드형 텐던은 손상되었거나 힘 조절이 필요한 경우 쉽게 응력을 해제하거나, 다시 긴장시키거나, 교체할 수 있다.^[10]
• 우수한 과부하 성능: 극한 강도는 본드형 텐던보다 낮지만, 언본드형 텐던은 전체 길이에 걸쳐 변형률을 재분배할 수 있어 붕괴 전 연성이 우수하다. 극단적인 경우, 언본드형 텐던은 사슬선 형태로 작용하여 구조적 파괴 전에 더 큰 변형을 허용할 수 있다.^[13]

4. 2. 화학적인 방법을 사용하는 방법

5. 프리스트레스 손실

콘크리트의 탄성 변형, 콘크리트 크리프, 콘크리트 건조 수축, 긴장재 릴랙세이션, 긴장재와 쉬스 사이의 마찰 등 여러 요인에 의해 가해진 프리스트레스에 손실이 발생한다.^[14] 장기적인 내구성은 널리 사용되는 프리스트레스 콘크리트의 필수적인 요구사항이다. 현장에서 사용되는 프리스트레스 구조물의 내구성 성능에 대한 연구는 1960년대부터 진행되어 왔으며, 최초의 시스템이 개발된 이후로 텐던 보호를 위한 부식 방지 기술은 지속적으로 개선되어 왔다.^[15]

프리스트레스 콘크리트의 내구성은 주로 프리스트레싱 텐던 내 고강도 강재 요소에 제공되는 부식 방지 수준에 의해 결정된다. 또한, 비결합 텐던 또는 케이블-스테이 시스템의 말단 고정 어셈블리에 대한 보호도 중요한데, 이는 두 가지 모두의 고정 장치가 프리스트레싱력을 유지해야 하기 때문이다. 이러한 구성 요소 중 어느 하나라도 손상되면 프리스트레싱력이 해제되거나 스트레싱 텐던이 물리적으로 파열될 수 있다.

현대 프리스트레싱 시스템은 다음 영역을 다루어 장기적인 내구성을 제공한다.

• 텐던 그라우팅(결합 텐던): 결합 텐던은 주변 콘크리트 내에 위치한 덕트 내부에 배치된 번들 스트랜드로 구성된다. 번들 스트랜드에 대한 완벽한 보호를 보장하기 위해, 스트랜드 장력을 가한 후에 덕트를 공극 없이 부식 억제 그라우트로 압력 주입해야 한다.
• 텐던 코팅(비결합 텐던): 비결합 텐던은 부식 방지 그리스 또는 왁스로 코팅되고 내구성이 있는 플라스틱 기반의 전체 길이 슬리브 또는 시스가 장착된 개별 스트랜드로 구성된다. 슬리빙은 텐던 길이 전체에 걸쳐 손상되지 않아야 하며, 텐던 양단의 고정 장치로 완전히 연장되어야 한다.
• 이중층 캡슐화: 스테이 케이블 및 재스트레싱 가능한 댐 앵커와 같이 영구적인 모니터링 및/또는 힘 조정이 필요한 프리스트레싱 텐던은 일반적으로 이중층 부식 방지 기능을 사용한다. 이러한 텐던은 그리스 코팅 및 슬리브 처리된 개별 스트랜드로 구성되며, 스트랜드 번들로 모아져 캡슐화된 폴리에틸렌 외부 덕트 내부에 배치된다. 덕트 내부의 나머지 공극 공간은 압력 그라우팅되어 각 스트랜드에 대해 다층 폴리에틸렌-그라우트-플라스틱-그리스 보호 장벽 시스템을 제공한다.
• 고정 장치 보호: 모든 후장력 설치에서 말단 고정 장치의 부식 방지는 필수적이며, 비결합 시스템의 경우에는 특히 중요하다.

6. 콘크리트 강도

대한민국 표준시방서 KCS 14 20 53 :2018에서는 프리스트레싱할 때 콘크리트 강도가 다음 조건을 만족하도록 규정하고 있다.^[53]

• 프리스트레싱 직후 콘크리트 최대 압축응력의 1.7배 이상
• 프리텐션 방식: 30MPa 이상. 단, 소형 부재나 건축물 부재처럼 안전성이 검증된 경우 25MPa까지 낮출 수 있다.

• 프리텐션: 30MPa
• 포스트텐션: 28MPa

• 포스트텐션 부재: 설계기준압축강도 30MPa 이상
• 프리텐션 부재: 설계기준압축강도 35MPa 이상

7. 프리스트레스트 콘크리트의 적용 분야

PC강재를 사용하여 하중이 작용하기 전에 콘크리트 부재에 압축력을 가하는(프리스트레스) 프리스트레스트 콘크리트(PC)는, 철근 콘크리트에 비해 인장응력에 의한 균열을 방지할 수 있지만 비용이 증가한다.^[67]

보통 프리스트레스트 콘크리트를 PC, 철근콘크리트를 RC라고 부르지만, 건축 분야에서는 프리캐스트 콘크리트를 PC, 프리스트레스트 콘크리트를 PS라고 부르기도 한다. (구분할 때 프리캐스트 콘크리트는 PCa로 표기)

PC 콘크리트는 고강도 강재와 현대식 콘크리트의 조합으로, 매우 다용도 건설 재료이다.^[1] 건물, 교량, 댐, 기초, 포장, 파일, 경기장, 사일로, 탱크 등 구조 및 토목 공학의 대부분 분야 설계 기준에 포함되어 있다.^[7]

PC 교량은 국내 신설 콘크리트 교량의 대부분을 차지하며, 교량 등 보 부재에서 경간을 크게 할 수 있어 대규모 구조물에 적합하다.

전주, 콘크리트 파일, 건축 부재 및 건축물 보 등에 자주 쓰이며, 저수용 PC탱크, 난형소화조 등에도 사용된다. 아파트 바닥 슬래브에 채택되면 바닥 처짐을 지지하기 위한 소보를 없앨 수 있어 선호된다.

기존 철근콘크리트 구조는 철골 녹스는 기간이 약 40년 정도이며, 콘크리트가 이산화탄소와 결합하여 산화해 녹이나 박리 현상이 발생하기 쉽다.^[67] 반면 프리스트레스트 콘크리트는 PC 압착 공법으로 2~3세기 동안 견딜 수 있다.

프리스트레스트 콘크리트는 다음과 같은 다양한 분야에 적용된다.

• 교량
• 건축물
• 댐
• 탱크 및 사일로
• 원자로 격납 건물 및 폭발 방지벽
• 기타: 침목

7. 1. 교량

7. 2. 건축물

• 더 긴 경간 확보: 동일한 구조 깊이에서 하중 균형은 사용 중 처짐을 줄여 경간을 늘리고 지지대 수를 줄일 수 있다.
• 구조 두께 감소: 주어진 경간에 대해 사용 중 처짐이 감소하면 더 얇은 구조 단면을 사용할 수 있으며, 이는 층고를 낮추거나 건물 서비스 공간을 더 확보할 수 있다.
• 빠른 거푸집 해체 시간: 일반적으로 프리스트레스트 콘크리트 건축 요소는 5일 이내에 완전히 응력을 받고 자립한다. 이 시점에서 거푸집을 해체하여 건물의 다음 구역에 재배치하여 건설 "주기 시간"을 단축할 수 있다.
• 재료비 절감: 구조 두께 감소, 기존 철근량 감소, 빠른 시공의 조합은 프리스트레스트 콘크리트가 다른 구조 재료에 비해 건축 구조물에서 상당한 비용 절감 효과를 보이는 경우가 많다.

^{[24][25][26][27][28][29][30][31][32][33][34][35]}

7. 3. 댐

7. 4. 탱크 및 사일로

7. 5. 원자로 격납 건물 및 폭발 방지벽

8. 프리스트레스트 콘크리트의 역사

프리스트레스트 콘크리트(PSC) 기술은 19세기 후반 미국과 유럽에서 처음 개발되기 시작했다. 대한민국에는 1950년대 후반에 도입되어 교량 건설 등에 활용되기 시작하였다.

8. 1. 세계의 프리스트레스트 콘크리트

8. 2. 대한민국의 프리스트레스트 콘크리트

9. 프리스트레스트 콘크리트 관련 사고

PSC 시공 시 오류나 과도한 하중, 또는 내진 성능 부족 등으로 인해 사고가 발생할 수 있다. 인장강도 계산 오류나 시공 실수로 과도한 장력이 가해지면 프리스트레스트 콘크리트는 스스로 휘어져 파괴될 수 있다. 또한, 하중이나 자중에 비해 강도가 충분하지 않은 경우에도 휘어짐으로 인해 파괴될 수 있다.

이러한 사고는 드물지만, 실제로 발생한 사례가 있다. 삿포로-오타루 자동차도 공사에서는 철근에 과도한 장력을 가해 시공하는 바람에 고가교가 휘어져 두 동강 나면서 낙하하는 사고가 발생했다.^[1] 오래된 고속도로의 경우, 과적된 화물자동차의 통행으로 설계 이상의 하중이 가해져 도로가 물결치는 현상이 발생하거나 내진 성능이 부족해지는 문제가 발생하기도 한다. 한신·아와지 대지진 당시 고가도로 붕괴 사고를 계기로 이러한 문제점이 밝혀졌으며, 전국적으로 내진 보강 공사가 진행되고 있다.^[1]

참조

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