[철근콘크리트와 강구조] 제 9장. 프리스트레스트 콘크리트(PSC)(서론 및 재료의 성질/프리스트레싱 방법 및 공법)#1

 1. 서론 및 재료의 성질

  (1)프리스트레스트 콘크리트의 의미: 외력에 의하여 발생되는 인장응력을 상쇄시키기 위하여 미리 압축응력을 도입한 콘크리트 부재를 프리스트레스트 콘크리트(Prestressed concrete, PSC)라고 한다.

 

  (2)PSC의 장단점

   1)PSC의 장점

    ·균열이 발생되지 않도록 설계하기 때문에 강재의 부식 위험이 적고 내구성이 좋다.

    ·과다한 하중으로 일시적인 균열이 발생해도 하중을 제거하면 다시 복원되므로 탄력성과 복원성이 우수하다.

    ·콘크리트의 전단면을 유효하게 이용할 수 있다.

    ·강재를 곡선배치한 경우에는 전단력이 감소되어 복부를 얇게 할 수 있고 또한 고강도 재료를 사용함으로써 단면을 감소시킬 수 있어 RC부재보다 경간을 길게 할 수 있다.

    ·프리캐스트(Pre Cast)를 사용할 경우 시공성이 좋다.

    ·PSC 구조물은 안전성이 높다.

   2)PSC의 단점

    ·내화성에 있어서는 불리하다.

    ·변형이 크고 진동하기 쉽다.

    ·단가가 비싸고 보조재료가 많이 사용되므로 공사비가 많이 든다.

 

  (3)콘크리트

   1)강재가 고강도이므로 고강도의 콘크리트가 요구된다.

  (4)PS 강재

   1)종류

    ①강선(Wire): 지름 2.9~9mm 정도의 강재로 주로 프리텐션 공법에 많이 사용된다.

    ②강연성(Strand): 강선을 꼬아서 만든 것으로 2연선, 7연선이 많이 사용되고, 19연선, 37연선도 사용된다.

    ③강봉(Bar): 지름 9.2~32mm 정도의 강재로 주로 포스트텐션 공법에 쓰인다. 강봉은 강선이나 강연선보다 강도는 떨어지지만 릴랙세이션이 작은 장점이 있다.

 

   2)요구되는 강재의 성질

    ①인장강도가 클 것: 고강도일수록 긴장력의 손실률이 작다.

    ②항복비(=(항복강도/인장강도)*100%)가 클 것

    ③부착강도가 클 것

    ④응력 부식에 대한 저항성이 클 것

    ⑤릭랙세이션이 작을 것

    ⑥곧게 잘 펴지는 직선성이 좋을 것

    ⑦구조물의 파괴를 예측할 수 있도록 강재에 어느 정도의 연신율이 있을 것

   3)PS 강재의 탄성계수

(5)기타의 재료

   1)쉬스(Sheath): 포스트텐션 방식에서 사용하며, 강재를 삽입할 수 있도록 콘크리트 속에 미리 뚫어두는 구멍을 덕트(duct)라고 한다. 덕트를 형성하기 위해 사용하는 관을 쉬스라고 한다. 쉬스는 파형의 원통이 가장 많이 쓰인다. 쉬스는 변형에 대한 저항성이 크고, 콘크리트와의 부착이 좋아야 하며, 충격이나 진동기와의 접촉 등으로 변형되지 않아야 하고 쉬스 이음부는 시멘트 풀이 흘러 들어가지 않아야 한다.

   2)그라우트(Grout): 강재의 부식을 방지하고, 동시에 콘크리트와 부착시키기 위해서 쉬스 안에 시멘트풀 또는 모르타르를 주입한다. 이런 목적으로 만든 시멘트풀 또는 모르타르를 그라우트라 하고, 그라우트를 주입하는 작업을 그라우팅(Grouting)이라고 말한다.

   3)정착장치와 접속장치

    ①정착장치: 포스트텐션 방식에서는 긴장재를 긴장한 후, 그 끝부분을 부재에 정착시켜야 하는데 이때 쓰이는 기구를 정착장치라 한다.

    ②접속장치(Coulper): PS강재와 PS 강재를 접속하거나 또는 정착장치와 정착장치를 접속할 때 사용하는 기구이며 나사를 이용하는 것이 많다.

 

 2. 프리스트레싱 방법 및 공법

  (1)프리스트레싱 방법

   1)기계적 방법: 잭(Jack)을 사용하여 강재를 긴장하는 방법이며, 가장 많이 쓰이는 방법이다.

   2)화학적 방법: 팽창성 시멘트를 이용하여 강재를 긴장하는 방법이다. 팽창 시멘트를 사용한 콘크리트는 초기 재령에서 팽창한다. 이때 강재로 구속시켜 놓으면 강재는 긴장되고 콘크리트는 압축된다.

   3)전기적 방법: 강재에 전류를 흘려서 가열하여 늘어난 강재를 콘크리트에 정착하는 방법이다.

   4)프리플렉스(Preflex) 방법: 고강도 강재로 된 보에 실제 작용할 하중보다 작은 하중을 가하여 휘게 한 상태에서 콘크리트를 친 후, 콘크리트가 충분한 강도에 도달하면 하중을 제거한다. 그러면 콘크리트에는 압축 응력이 도입된다.

 

  (2)프리텐션(Pre-tention)공법

    :콘크리트를 타설하기 전에 강재를 미리 긴장시킨 후 콘크리트를 타설하고, 콘크리트가 경화되면 긴장력을 풀어서 콘크리트에 프리스트레스가 주어지도록 하는 방법이며, 콘크리트와 강재의 부착에 의해서 프리스트레스가 도입된다. 주로 공장 생산에 이용된다.

   1)프리텐션 공법의 작업 순서

    지지대 설치⟶강재 배치 후 긴장⟶거푸집 설치⟶콘크리트 타설⟶콘크리트 양생⟶콘크리트 경화 후 강재 절단

   2)장점

    ·공장 생산에 이용하므로 품질 관리에 유리하다.

    ·대량 생산이 가능하다.

    ·부착에 의한 긴장력을 전달하므로 쉬스와 같은 부가적인 재료가 필요 없다.

   3)단점

    ·강재를 곡선으로 배치하기가 어려워 대형 구조물 제작에는 부적당하다.

    ·단부에 프리스트레스의 도입이 어렵다.

   4)프리텐션 공법의 종류

    ·롱라인 공법(Long-line method, 연속식): 한 번의 긴장으로 여러 개의 부재를 동시에 제작할 수 있는 방법으로, 넓은 면적이 필요하지만 대량 생산이 가능하다.

    ·인디비듀얼 몰드 공법(Individual mold method, 단독식): 거푸집 자체를 인장대로 하여 1회의 긴장으로 비교적 큰 부재를 1개씩 제작하는 방법이다.

 

  (3)포스트텐션(Post-tention) 공법

   : 주로 현장 생산에 이용된다.

   1)포스트텐션 공법의 작업순서

    철근과 쉬스를 배치하고, 거푸집 제작⟶콘크리트 타설⟶콘크리트 양생⟶콘크리트가 경화된 후 강재를 쉬스 속에 삽입하고, 긴장한 후, 단부에 정착시킨다.⟶쉬스 속을 그라우팅 한다.

   2)장점

    ·강재를 곡선 배치할 수 있다.(대형 可)

    ·부재의 결합과 조립이 편리하여 현장에서 1개의 크고 긴 부재를 만들 수 있다.

    ·프리텐션 부재보다 비교적 낮은 강도의 콘크리트를 쓸 수 있다.

    ·별도의 지지대가 필요 없다.

   3)단점

    ·정착장치, 쉬스, 그라우트 등이 필요하다.

    ·부착시키지 않은 경우 파괴 강도가 낮고 균열폭이 커진다.

   4)긴장재 정착방법의 종류

    ·쐐기식 공법: 강재와 정착장치 사이의 마찰력을 이용하는 정착방식으로 강선과 강연선에 주로 사용된다.

    ①②CCL 공법

    ②프레시네(Freyssinet) 공법

    ③마그넬(Magnel) 공법

    ④VSL 공법

    ·지압식 공법: 지압판으로 너트 또는 리벳의 머리 모양으로 가공된 PS 강선을 지지하도록 한 공법이다.

    ①리뱃머리식: BBRV 공법

    ②너트식: 디비닥(Dywidag) 공법

    ·루프식 공법: 루프형 강재의 부착과 지압에 의해 정착하는 공법이다.

    ①바우어 레온하르트(Baur-Leonhart) 공법

    ②레오바(Leoba) 공법

 

  (5)디비닥(Dywidag) 공법: PS 강봉에 전조 나사를 만들고 강재 너트로 정착시키는 공법이며, 커플러를 사용하여 쉽게 PS 강봉을 연결해 나갈 수 있는 장점이 있어, 고량의 캔틸레버 공법에 이용되고 주로 포스트텐션 방식에 사용된다.