PSC/개요

프리스트레스 방식

긴장 시기에 따라

프리텐션

프리텐션 방식 예시. 인장대 좌측 끝에 정착장치가 있음.

강재를 긴장해두고 콘크리트 타설. 콘크리트가 경화된 뒤 강재 긴장 해제해서 콘크리트에 압축력을 줌.

작은 지름 PS 강선, PS 강연선(strand) 사용.

• 직선배치
• 절선배치
• Long line 방식(연속식)으로 여러 개 동시 생산 가능.

장점

• 일반적으로 설비 좋은 공장 생산. 품질 좋음.
• 동일 형상, 치수의 프리캐스트 부재를 대량 생산 가능.
• 포스트텐션과 달리 쉬스, 정착장치 불필요

단점

• 긴장재 곡선배치 어려움. 대형부재 제작에 부적합.
• 부재 단부에는 프리스트레스가 도입되지 않아 설계 시 주의 필요.

포스트텐션

콘크리트 타설 전에 거푸집에 덕트, 쉬스를 만들어두고 타설. 콘크리트 경화한 뒤 강재를 긴장, 정착하여 콘크리트에 압축력을 줌.

정착 후 그라우팅 여부에 따라 부착 포스트텐션 부재(post-tensioned bonded member), 비부착 포스트텐션 부재(post-tensioned unbonded member)로 구분.

• 
  포스트텐션 방식 예시1
• 
  포스트텐션 방식 예시2 : 중간 칸막이가 있는 속 빈 콘크리트 보(hollow cellular concrete beam with intermediate diaphragm)
• 
  포스트텐션 방식 예시3
• 
  PC 부재로 하여 조립하기 편하다.

장점

• PS 강재 곡선 배치 가능. 대형 구조물에 적합.
• 콘크리트 부재를 받침으로 하여 현장에서 쉽게 강재 인장. 인장대 불필요.
• PC 부재 결합과 조립에 편리.
• 비부착 포스트텐션 부재는 강재 재긴장 가능.

부착 여부에 따라

기사 13-2

부착

프리텐션은 부착. 그라우팅.

부착 긴장재(bonded tendon).

비부착

비부착 긴장재

부식 방지 위해 아연도금/그리스 도포/방청 처리.

그라우팅 필요 없도록 아스팔트 침투 종이로 피복된 PS 강재. 플라스틱 쉬스 속에 넣은 PS 강재 사용.

비부착 단점

• 부착 포스트텐션 부재에 비해 파괴강도 낮음.
• 부착 포스트텐션 부재에 비해 균열폭 커짐.

긴장재 위치에 따라

내적 프리스트레싱

internal prestressing. 긴장재가 콘크리트 속에 있다.

내부 긴장재(internal tendon), 외부 긴장재(external tendon), 외부 케이블(external cable)

외적 프리스트레싱

외적 프리스트레싱

external prestressing. 부재 외부에 긴장재가 있는 경우.

기존 구조물 보강에 주로 쓰이다가 최근엔 외적 프리스트레싱만으로 구조물 만들거나, 내적, 외적 병용하기도 함.

외부 긴장재(external tendon), 외부 케이블(external cable).

긴장재 형태에 따라

선형 프리스트레싱

linear prestressing. 직선/절선/곡선 배치. 보, 슬래브.

원형 프리스트레싱

circular prestressing. PSC 원형탱크, 사일로, 관.

부재 시공 방식에 따라

프리캐스트

공장 제작/현장 근처 제작장.

대량생산 가능. 경제적. 품질관리 우수.

현장타설 콘크리트

거푸집, 동바리 필요.

운반, 가설비 절약. 크고 무거운 부재에 사용.

프리캐스트, 현장타설 두 방식의 장점만을 취하기 위해 합성구조(composite structure)로 만들기도 함.

도입되는 프리스트레싱 정도에 따라

엄밀한 구분은 아님.

full prestressing

사용하중 하 인장응력 없도록 프리스트레싱한 것.

액체 저장 탱크, 피로와 반복재하 심한 철도교 설계 시.

partial prestressing

사용하중 하 인장응력이 어느정도 발생.

하중 단계별 응력

초기

프리스트레싱 전

무근 콘크리트처럼 아주 약함. 균열, 인장 금지!

• 받침부 국부침하 금지.
• 콘크리트 건조수축균열 방지 위해 양생 주의.
• 온도 급변 금지.

프리스트레싱 작업중

긴장재 생애동안 가장 큰 응력 받음. 긴장작업 자체가 강재 인장시험과 같다.

많은 수 강선이 배치된 경우 소수 강선 끊어지는 것은 괜찮을 수 있으나, 소수 강봉을 배치한 경우 강봉 끊어지면 바꿔 넣어야 함.

콘크리트 재령이 적은데 강도가 높아야 하므로 콘크리트 품질 좋아야 함. 특히 정착부.

비대칭 긴장 시 예정된 프리스트레스를 초과하는 응력이 콘크리트에 가해질 수 있으므로 사전에 긴장재 긴장 순서를 검토해서 정해두어야 함.

프리스트레스 직후

프리텐션 부재 : 인장대 정착부 풀어주는 1회 작업으로 끝

포스트텐션 부재 : 긴장재 여러 개인 경우 많음. 여러 차례 긴장 작업.

도입 직후 프리스트레스 : 초기 프리스트레스(Initial Prestress)

재긴장

retensioning. 콘크리트 건조수축, 크리프에 의한 프리스트레스 감소를 줄이기 위해 실시.

자중만 작용할 때 일부 긴장하고, 사하중이 추가될 때 나머지 긴장하는 경우도 있음.

프리스트레싱 단계마다 응력검토해야 함.

중간 단계

운반, 가설 시 응력 주의. 균열 발생 위험 있음.

• 단순보를 부재 중앙에서 들어올리는 경우
• 내민 부분 가지도록 받치거나 뒤집는 경우
• 경사지게 하는 경우.

최종 단계

사용하중

하중 조합해서 검토.

프리스트레스 손실량을 빼고 유효 프리스트레스를 가지고 검토.

균열하중(cracking load)

균열, 파괴 안전도도 검토해야 함.

균열하중 크기는 피로강도 척도가 되기도 함.

균열로 강재 부식, 구조물 변형 위험이 있으므로 균열하중 검토 중요.

극한하중

균열하중보다 큰 하중을 받으면 균열 발생과 동시에 PS 강재 응력과 압축부 콘크리트 응력이 갑자기 커짐.

PS 강재에 큰 응력 작용 시 훅의 법칙 성립 안 함. 따라서 극한하중 검토를 한다.

기타

심한 반복하중에 의한 피로파괴 검토.

매우 큰 지속하중에 의한 크리프 처짐 검토.

작은 지속하중에 의한 솟음(camber) 검토.

PSC 특징

장단점 기사 16-4

장점

• PSC는 균열이 발생하지 않도록 설계하기 때문에 PSC부재는 강재의 부식 위험이 없고 고강도 재료를 사용하여 내구적인 구조물. 수밀성.
• PSC 부재는 과다한 하중으로 인하여 일시적인 균열이 발생하더라도 하중이 제거되면 균열은 다시 복원되므로 탄력성과 복원성이 강한 구조물이다.
• PSC 부재는 완전 프리스트레싱 상태로 설계하는 것이 보통이므로 전 콘크리트 단면을 유효하게 이용할 수 있다.
• 고강도 재료를 사용함으로써 단면을 줄일 수 있어서 같은 설계 하중 하에서 RC 부재보다 자중 경감, 경간을 길게 할 수 있고 구조물이 날렵하므로 외관이 아름답다.
• 긴장재 절선 또는 곡선 배치 시 전단력 감소.
• 안전성이 높다. PSC는 강재를 긴장시킬 때 최대 응력이 콘크리트와 PS 강재에 작용한 상태(프리스트레싱 과정 자체가 강재 인장 시험)이므로 이때 안전하였다면 보통의 사용하중에서도 안전하다. 또한 PSC 부재는 파괴의 징조가 뚜렷하므로 사전 대비가 가능하다.
• 하중이 커질수록 모멘트 팔길이가 커지고 PS 강재 응력은 매우 조금만 늘어난다.
• 충격하중, 반복하중 저항력 좋음.
• PSC 부재는 프리캐스트를 사용할 경우는 거푸집 및 동바리공이 불필요하다. 현장 PSC인 경우는 이어대기 시공이나 분할 시공이 가능하다.
• PSC 부재는 풀 프리스트레싱인 경우 인장력을 받지 않으므로 균열이 없고, 부재 전단면 유효하게 이용하여 단면이차모멘트 증가하므로 처짐이 적다.

단점

• PSC 부재는 가볍고 복원성이 풍부하지만, RC에 비하면 단면이 작기 때문에(휨강성 작음) 변형이 크게 일어나고 진동하기가 쉽다.
• 고강도 강재는 고온에 접하면 갑자기 강도가 감소하므로 PSC는 RC보다 내화성에 있어서는 불리하다.
• RC에 비해 응력검토 단계가 많다. 완공 전 응력 발생에 민감하므로 설계, 제조, 운반, 가설에 주의 필요.
• PSC는 고강도 재료를 사용하므로 같은 설계하중에 대하여 RC보다 재료는 절약되지만 단가가 비싸고, 보조 재료(시스, 그라우팅 작업, 정착장치와 재킹 작업)가 많이 소요되므로 RC에 비하여 일반적으로 공사비가 많이 든다.

기본 개념

설명문제(세 가지 '개념'들의 명칭 구분 (기사 13-3, 18-3)) + 계산문제(응력 개념 > 하중 평형 개념 > 내력 모멘트 개념)

• 응력 개념 = 균등질보의 개념(계산 ♣♣♣)
• 강도 개념 = 내력모멘트 개념(계산 ♣)
• 하중 개념 = 하중 평형 개념 = 등가 하중 개념(♣♣)

응력 개념(균등질보의 개념)

계산 ♣♣♣기사 14-2

콘크리트에 프리스트레스가 가해지면 PSC 부재는 탄성체로 전환되고 이의 해석은 탄성이론으로 가능하다는 개념. 가장 널리 통용된다.

긴장재를 직선으로 도심에 배치한 경우

기사 14-1, 15-1, 18-3

압축과 휨이 작용한다는 의미로 보면 된다.

$f_{\text{상 연 }}={\frac {P}{A}}+{\frac {M}{Z}},\quad f_{\text{하 연 }}={\frac {P}{A}}-{\frac {M}{Z}}$

긴장재를 직선으로 편심배치한 경우

기사 13-3, 14-3, 16-4

3항 부호 이유

${\begin{aligned}f_{\text{상 연 }}&={\frac {P}{A}}+{\frac {M}{Z}}-{\frac {P\cdot e}{Z}}\\&={\frac {P}{A}}+{\frac {M}{I}}y-{\frac {P\cdot e}{I}}y\\\end{aligned}}$

${\begin{aligned}f_{\text{하 연 }}&={\frac {P}{A}}-{\frac {M}{Z}}+{\frac {P\cdot e}{Z}}\\&={\frac {P}{A}}-{\frac {M}{I}}y+{\frac {P\cdot e}{I}}y\\\end{aligned}}$

절선, 곡선배치

	원래 식	$\theta \approx 0$일 때 식
축방향력	$P\cos \theta$	$P$
휨모멘트	$-P\cos \theta \cdot e_{x}$	$-P\cdot e_{x}$
전단력	$-P\sin \theta$	0

절선, 곡선 배치 모두 같은 결과 식이 나오며, 식은 똑같이 유도할 수 있으므로 생략함.

절선, 곡선 배치하면 하중에 의한 전단력을 상쇄시켜주는 장점이 있음.

강도 개념(내력 모멘트 개념)

계산 ♣

RC와 같이 압축력은 콘크리트가 받고 인장력은 PS 강재가 받는 것으로 하여 두 힘에 의한 내력모멘트가 외력모멘트에 저항한다는 개념(기사 16-2)

$C=T=P$

$M=Cz=Tz=Pz$

${\begin{aligned}f_{c}&={\frac {C}{A}}\pm {\frac {Ce'}{I}}y\\&={\frac {P}{A}}\pm {\frac {Pe'}{I}}y\\\end{aligned}}$

하중 개념(하중 평형 개념 = 등가 하중 개념)

♣♣

긴장력과 부재에 작용하는 하중(외력)을 같도록 만들게 한다는 개념으로 이 개념에 의하면 휨 응력이 발생하지 않고 압축력만 받는 부재로 전환된다.

긴장재를 포물선으로 배치한 경우

기사 ♣12-3, 14-3, 15-2, 19-1, 19-3

등분포 상향력 u에 의한 최대 휨 모멘트는 $M_{max}={\frac {u\cdot l^{2}}{8}}$

긴장력 P에 의해 중앙단면에 발생하는 모멘트 M = P s

두 모멘트의 값은 같은 값이므로 상향력은 정리하면 $u={\frac {8P\cdot s}{l^{2}}}$

순 하향 분포하중 : w - u

이로 인한 모멘트 $M={\frac {(w-u)l^{2}}{8}}$

양단 P에 의한 수평, 수직력은 $P\cos \theta ,P\sin \theta$이나, $\theta \approx 0$이므로 $P,0$가 된다.

${\begin{aligned}f_{c}&={\frac {P\cos \theta }{A}}\pm {\frac {M}{I}}y\\&\doteqdot {\frac {P}{A}}\pm {\frac {M}{I}}y\\\end{aligned}}$

긴장재를 절선으로 배치한 경우

계산. 기사 15-2

힘의 평형조건 $\sum V=0$에 의해

$U-2P\sin \theta =0$

상향력 $U=2P\sin \theta$

$P\sin \theta$로 인해 절선배치는 전단력을 감소시켜주는 효과가 있다.

${\begin{aligned}f_{c}&={\frac {P\cos \theta }{A}}\pm {\frac {M}{I}}y\\&\doteqdot {\frac {P}{A}}\pm {\frac {M}{I}}y\\\end{aligned}}$

참고 문헌

• 신현묵. 《프리스트레스트 콘크리트》 10판. 동명사. 
• 전찬기 외 (2015). 《토목기사 필기 - 철근콘크리트 및 강구조》. 성안당.