1. 개요
Prestressed Concrete, 약칭 PSC.[1] 한글로 표기할 때는 프리스트레스트 혹은 프리스트레스 콘크리트라고 칭한다. 학술상 한글로는 어떻게 기재하든 무방하나 영어로는 ed를 꼭 붙여야 한다.철근 콘크리트의 개념은 값싸지만 인장력이 약한 콘크리트에 철근으로 보강함으로써, 인장력과 기타 복잡한 거동을 보강한 구조물이다. 사실, 철근콘크리트는 영어로 Reinforced Concrete(RC)임으로 무엇으로 보강하였던 보강만 되면 이 개념에 속한다. 대나무를 이용한 것도 역시 가능.
그런데 압축력과 인장력은 +,-관계에 있으므로, 미리 콘크리트 구조체에 압축력을 도입하여 구조물 사용시 발생하는 인장력을 상쇄할 수 있다. 이러한 개념을 도입하여 탄생한 것이 PSC이며, 이로 인해 구조물의 단면을 획기적으로 줄일 수 있게 되었다.
2. 특징
콘크리트의 경우 압축응력에 그럭저럭 잘 견딘다. 긴 콘크리트 부재의 한 지점에 압축응력을 가해도 한계를 넘어 부서질 때까지 부재 전체가 압축응력에 저항한다. 하지만 콘크리트는 인장응력은 전혀라고 해도 좋을 정도로 잘 견디지 못한다. 콘크리트는 모래 알갱이 등이 시멘트, 물 등과 섞이며 강하게 접착되어 있는 상태라고 할 수 있는데, 따라서 압축의 경우는 견딜 수 있지만 인장이 가해져 입자들의 사이가 벌어지고 접착이 떨어지면 다시 붙기가 힘든 것이다.이 때문에 보통 고체역학, 재료역학에서 어떤 물체의 강도를 측정할 때는 보통 인장과 압축에 대한 강도를 둘 다 측정하지만 콘크리트만은 압축에 대한 강도만 측정하고 인장에 대한 강도는 고려하지 않는다. 더불어 인장부의 단면계수 또한 인정하지 않는다. 즉, 그냥 존재하지 않고 무게만 차지하는 부분으로 생각된다. 콘크리트는 압축은 잘 견디지만 인장이 조금만 가해져도 바로 부서지기 때문이다.
반면 강재는 인장과 압축을 둘 다 잘 견딘다. 철을 이루고 있는 원자는 금속결합에 의해 형태를 유지하기 때문인데, 각 입자가 전자기력에 의해 압축력이 작용할 경우 척력으로 입자들끼리 밀어내면서 저항하고 인장력이 작용할 경우 인력으로 입자들끼리 잡아당기면서 저항하게 된다. 강철처럼 불순물이 적절하게 포함되고 미세구조가 열처리로 적절히 배열될 경우에는 인장력을 받을 때 발생하는 전위의 움직임(Dislocation Movement)에 저항하여 인장강도가 더욱 강해지게 된다. 다만 설계를 벗어나는 부하 발생 등으로 인해 소성구간에 들어서면 인장이건 압축이건 철근은 그 힘에 저항하지 못하고 끊어지게 된다.
구조체가 가장 많이 받는 힘은 트러스 구조물을 제외하고는 휨이다. 휨이란 현상은 단면 전체에 압축력과 인장력이 고르게 발생하지 못하고 연속적으로 축력이 변해 생기는 현상이며, 다른 추가력이 없이 횡방향 힘만이 작용한다면 보통 인장과 압축이 동시에 발생한다. 또한 이런 힘은 단면 깊이의 3승에 반비례한다.
따라서 콘크리트에 PS 강재를 삽입하고 압력을 주어 압축력을 사전에 도입한다. 이때, 콘크리트는 프리텐션의 경우 최소 35 MPa이상의 고강도 콘크리트를, 포스트 텐션의 경우 최소 30MPa이상의 고강도 콘크리트를 이용하여 압축력에 견딜 수 있어야 하며, PS강재 또한, 일반 철근보다 강도가 높다.
이렇게 함으로써 인장력 발생을 최소 혹은 아예 없도록 하면 단면 깊이를 극단적으로 줄일 수 있으며, 철근 콘크리트에서 무시되던 인장 부분 단면계수를 유효하게 사용할 수가 있다.[2]
3. 현황
개발 이후 현대에 이르기까지 건축재료의 주류 중 하나. 사실상 교량 현장에서는 RC보다 이쪽이 많이 쓰인다고 보면 된다. RC보는 고작해봐야 15m까지 경제성이 있다고 보는 반면, PSC는 박스거더를 이용할 경우 30m이상에도 경제성이 높다고 한다.상당히 오래전에 나왔음에도 그 획기성 때문에 아직도 연구되고 있으며, 현장에서도 많이 이용되고 있는 건설기술인 셈이다.
4. 종류
4.1. 프리텐싱
콘크리트가 굳기 전에 프리스트레스를 도입하는 방식이다. 이 방식은 프리캐스트, 즉 공장제만이 가능하다.제작 순서는 다음과 같다.
1. 우선 거푸집을 만들어 두고 PS강재를 배치한다.
2. 콘크리트를 타설하고 PS강재를 거푸집 밖에서 고정시키며 강재에 인장력을 도입한다.
3. 콘크리트가 굳으면 거푸집을 제거하고 콘크리트 밖에 있는 PS강재를 끊어 고정을 해제한다.
이렇게 되면, 인장력으로 인해 늘어난 강재가 줄어들려고 하면서 콘크리트에 압축력을 가하게 된다.[3]
4.2. 포스트텐싱
콘크리트가 굳고 나서 프리스트레스를 도입하는 방식. 주로 현장에서 제작된다.제작 방법은 다음과 같다.
1. 거푸집을 설치하며 PS강재가 들어가는 모양으로 거푸집 내에 쉬스관을 설치한다.
2. 콘크리트를 타설하고 양생한다.
3. 양생이 완료되면 PS강재를 삽입한다.
4. 삽입된 PS강재에 프리스트레스를 도입하고 정착시킨다.
5. 필요에 따라 쉬스관에 시멘트 풀을 주입하여 PS강재를 고정시킨다.
이 방식은 PS강재 배치 모양이 비교적 자유롭기 때문에 자주 이용된다.
4.3. 풀 프리스트레싱
콘크리트 균열강도[4] 이하의 인장력까지만 허용하는 방식.주로 거대 구조물이나 교량같이 사용빈도와 중요도가 높으며 하중재하의 변동이 큰 구조물에 사용되며, 일말의 인장균열도 허용하지 않기 때문에 안정성이 높다.
4.4. 파셜 프리스트레싱
인장 균열을 허용하는 방식.프리스트레스를 사용함에도 인장 균열을 허용한다. 따라서 추가적인 철근보강이 필요하다. 단면을 줄일 수 있다는 장점이 있으며, 비교적 중요도가 낮고 하중변동이 작은 구조물에 사용된다.
사용하중 내에서는 사실 균열이 발생하지 않는 것이 보통이나 안전계수로써 고려된 설계하중 범위에서는 균열이 발생할 수 있다. 즉, 균열이 발생하는 상황은 예상이상의 하중이 발생한 경우이다. 물론 허용범위 이내지만.
다만, 이 경우에는 균열이 발생하므로 인장 부분의 단면계수를 유효하게 사용하는 것이 불가능하다.
4.5. PS강재 배치 모양에 따른 분류
4.5.1. 축선에 따른 일자형
구조물에 축선에 따라 배치하는 형태.프리스트레스 도입으로 인해 순수 압축력만 도입되므로 계산이 편하다.
4.5.2. 축선 밖 일자형
축선 밖에 일자형으로 배치하는 형태.축선 밖에 프리스트레스를 도입하게 되면 휨 모멘트도 함께 도입된다. 따라서 PS강재의 위치를 적절히 하게되면, 작용력에 의해 나타나는 휨 모멘트조차 어느정도 상쇄가 가능하다!
거기에 압축력 도입은 덤.
4.5.3. 역 포물선형
포물선의 반대방향으로 PS강재를 설치하는 형태.보는 자중을 받는다. 자중을 받는 보의 휨 모멘트는 포물선 형태를 띄는데, 이런 형태로 PS강재를 설치하게 되면 PS강재로부터 중심축의 거리와 상쇄 휨 모멘트는 비례관계에 있으므로, 휨 모멘트가 많이 발생하는 부분에서는 휨 모멘트가 많이 상쇄되고 적은 부분에서는 적게 상쇄된다.
즉, 일정한 휨 모멘트를 유지할 수 있게 된다.
교량에서 가장 많이 사용하는 형태이기도 하며, 굳이 역 포물선 형태 뿐 아니라 꺾이는 직선 배치로 비슷한 결과를 낼 수는 있다.
현실적으로 포스트 텐싱 방법에서 주로 사용되며 프리 텐싱에서 사용하기에는 여러모로 작업효율이 떨어져서 자주 사용되지는 않는 듯하다.
5. 프리스트레스 손실(Prestress loss)
프리스트레스는 도입된 후 손실량이 발생한다. 이 손실량은 PSC의 강도에 직접적인 영향을 주기 때문에 정확한 계산이 중요하다.하지만 장기손실같은 경우는 수학적해를 얻기 쉽지 않다. 그나마 꽤나 연구가 진척된 덕에 정확한 값에 근사하는 계산은 가능해졌다.
5.1. 단기손실(즉시손실)
프리스트레스 도입 즉시 나타나는 프리스트레스 손실이다.5.1.1. 정착장치의 활동(Anchorage slip)
PS강재에 프리스트레스를 도입하게 되면 정착장치, 즉 PS강재를 고정시켜주는 장치가 그 힘에 의해 움직이게(slip) 된다. 이렇게 되면 정착장치가 움직인만큼 강재에 변형이 발생하게 되고 이는 프리스트레스 손실로 이어진다.5.1.2. 탄성변형
앞에서 서술한대로 프리스트레스가 PS부재에 도입된다는 것은 그만큼 압축력이 부재에 가해진다는 의미이다. 따라서, 부재는 받은 압축력만큼 탄성변형을 하게 되는데 이로인해 프리스트레스 손실이 발생한다.5.1.3. 마찰(Friction)
포스트텐션 방식의 경우 쉬스관을 배치한 후 콘크리트를 타설하고 콘크리트 양생이 끝난 후 쉬스관을 따라 PS강재를 삽입하는 방식이다. 이 경우 보통 효율을 위해 쉬스관과 PS강재는 곡률을 갖게 된다. 이러한 방식은 쉬스관과 PS강재의 거동이 완전히 일치하지 못하게 되는 결과를 낳는데, 이로인해 쉬스관과 PS강재 사이에 마찰력이 발생한다. 그리고 이는 프리스트레스 손실로 이어진다.다만, 쉬스관에 시멘트풀을 채워 PS강재와 쉬스관을 일치시키면 이로인한 손실을 무시할 수 있다. 또한 프리텐션의 경우에는 아예 쉬스관이 존재하지 않으므로 해당손실이 발생하지 않는다.
5.2. 장기손실
프리스트레스가 도입된 후 시간이 지남에따라 점차 나타나는 손실.5.2.1. 크립(Creep)
콘크리트는 크립이 발생하는데 크립은 양생과정 중에 지속적으로 작용한 응력(Stress)로 인해 생기는 변형을 뜻한다. 즉 지속하중에 의한 변형이다. PS는 결국 압축력을 도입하는거고 이는 지속하중으로 이어진다. 따라서 크립현상을 발생시킨다. 물론 자중에 의해서도 발생한다.이러한 현상으로 인해 프리스트레스 손실이 발생한다.
5.2.2. 릴렉세이션(Relaxation)
프리스트레스 도입 후 PS강재의 긴장력이 시간이 지남에따라 일정수준까지 풀리게된다. 이를 긴장이완(Relaxation)이라하며, 당연히 직접적으로 프리스트레스 손실로 이어진다.5.2.3. 건조수축(Shrinkage)
콘크리트가 양생되는데 필요한만큼의 수분을 제외한 수분을 자유수라고 한다. 콘크리트 타설시 편의성[5]을 위해 필요이상의 수량을 배합하게 된다. 당연히 함수율(W/C ratio)이 높을수록 콘크리트 자체의 강도는 떨어진다. 그와 동시에 자유수는 증발하게 되는데[6] 이러한 증발로 인해 원래 타설시보다 부피가 줄어들게 된다. 즉, 수축이 일어난다. 해당 과정은 철근 콘크리트에도 설명이 되어있다.이러한 수축은 당연히 프리스트레스 손실로 이어진다.
6. 주의점
- 사용시 강도가 충분히 높은 강재와 고강도 콘크리트를 이용해야한다. 그렇지 않으면 프리스트레스를 도입하는 단계에서 부재가 파괴될 수 있다.
- PS강재의 파괴강도 계산이 굉장히 복잡하다. 일단 비선형이다!
- Prestress loss에 유의하여야 한다.
- 진동에 약하다. 애초에 단면을 줄여놨으니 당연하겠지만...
- 기본적으로 철근 콘크리트는 아예 인장부에 균열이 나는 것을 전제로 설계되고 PSC는 균열이 나타나도 금방 아물지만, Partial prestress가 아닌 Full prestress로 설계되는 경우, 인장균열이 지속적으로 발생하면 치명적인 결과를 초래할 수 있다.
[1] 과거에는 PC라고 축약했으며, 지금도 이쪽 명칭으로 기억하는 사람들이 많다. 그러나 Personal Computer의 대중화로 용어에 혼동이 오자 이쪽을 PSC로 바꿔 부르게 되었다.[2] 사실 Full prestress의 경우 인장부가 없거나 극단적으로 작다. Partial prestress의 경우는 인장균열을 고려하므로 생략.[3] 콘크리트에 고정되어 있으므로 PS강재는 줄어들지는 못하고 계속 줄어들기 위한 힘을 가하게 된다. 일종의 스프링과 같은 셈[4] 균열이 나타나는 강도[5] Workability라고 한다[6] 해당현상으로 인해 콘크리트에 균열이 발생하기도 하며, 이를 막을 수 없기 때문에 균열위치를 조절한다든지 하는 방법을 사용한다.