서언

프리스트레스트 콘크리트(Prestressed concrete : 이하 PSC)란 PS강재(Prestressing steel)를 사용하여 미리응력을 넣어준 즉, 프리스트레스(Prestress)를 도입한 콘크리트를 말한다. 이번 강좌에서는 전 강좌에서 소개한 프리캐스트 콘크리트(Precast concrete : PC)의 한 형태로 많이 이용되고 있는 PSC에 대하여 그 공법의 도입배경, 종류 및 특성, 시공에 대하여 기술하여 본다.

도입배경

우리 주변에서 철근 콘크리트 공사를 진행하는 것을 보면, 철근의 경우는 큰 인장력을 받는데 비하여 고가 이므로, 콘크리트 부재에서 인장력이 크게 작용하는 쪽으로 철근을 많이 보내주기 위해 꺽고 구부린다. 즉, 철근은 꺽고 구부려도 문제가 없을 정도로 많이 늘어나는 인성(靭性)을 갖고 있는데 비하여 콘크리트는 구부리면 바로 부러지는 취성(脆性)재료이다. 반면, 동일한 단면의 철근은 콘크리트 보다 큰 힘을 받고(고강도), 동일 응력에는 변형이 작은 고탄성을 나타낸다. 따라서 철근 콘크리트의 단순보로 가정하여 일예를 들면, 그림 1의 1)과 같이 상부에는 압축, 하부에는 인장력이 작용하는데, 인장측에 철근을 배근하게 되면 고강도·고탄성으로 큰 힘을 받을지라도 조금 늘어나는 상황이면 아직도 여유가 있지만 콘크리트에는 균열이 발생하여 철근의 능력을 최대한 활용하지 못하는 상황이 된다. 

그러므로 이번에는 철근보다 몇 배 강한 피아노선을 만들 때 쓰이는 PS강재를 그림 1의 2)와 같이 콘크리트에 인장이 작용하는 쪽에 배치하여 미리 잡아당겨 주고 난 다음 콘크리트와 일체화 시켜주면 콘크리트는 압축력으로 작용하여 그림 1의 3)과 같이 인장력이 없어지게 된다. 즉, 콘크리트에 인장력이 작용하더라도, 이것을 압축력으로 상쇄시켜서 균열을 방지하고 PS강재는 여유를 가지고 낭비되던 응력을 최대한 활용하게 되어 이상적인 구조체가 만들어지는 것이 성립원리이자, 도입배경이다. 단, PS강재의 종류로는 철선 굵기정도의 PS강선, PS강선 여러가닥을 꼬아 만든 PS강연선, 철근 굵기 정도로 굵게 만든 PS강봉이 있다.

PSC의 종류 및 특성

PSC의 종류로는 응력을 도입하는 시기에 따라 2종류로 대별된다. 즉, PS강제에 미리 응력을 준 상태에서 콘크리트를 타설하고 콘크리트가 굳어진 후 PS강재를 절단하는 방식의 프리텐션방식(Pretensioning system)과 PS강재를 삽입할 관을 배치하고 콘크리트를 타설하여 굳힌 다음 덕트에 PS강재를 삽입하고 긴장하여 콘크리트에 고정시키는 포스트텐션방식(Posttensioning system)의 2종류가 있다.

(1) 프리텐션 방식

이 방법은 주로 공장에서 쌍티(TT)바닥판, 스팬크리트(Spancrete), 스피롤 판(Spiroll core floor), 중공 바닥판 및 원심력을 이용하는 말뚝, 전주 등을 제조할 때 적용되는 방법이다. 프리텐션 방식으로 PSC를 제조하는 방법의 종류에는 또다시 두가지로 분류된다. 먼저, 초기방법 및 특별한 상황일 경우에 이용하는 방법으로 PS강재를 제품별로 하나씩 당겨 개별적으로 제조하는 단독형틀법(Individual mold method)이 있는 반면, 최근에는 그림 2와 같이 수십 혹은 100 m가 넘는 제작대에 PS강재를 잭 등을 이용하여 긴장한 다음, 한번에 여러개의 부재를 성형하고 굳어진 다음 절단하는 방식으로 몇 개를 동시에 제조하는 롱라인법(Long line method)이 있는데, 이것은 대량생산에 효율적인 방법이 된다.

(2) 포스트 텐션방식

이 방법은 주로 현장에서 장스팬인 교량의 보 등을 제조할 때 이루어지는 방법이다. 즉, 이 방식은 콘크리트를 부어넣기 전에 PS강재를 삽입하기 위한 덕트(Duct)를 만드는 관(Pipe)또는 시즈(Sheath : 칼집과 같은 씨우개 란 뜻임)를 묻어두고 콘크리트를 부어넣어 경화된 다음 (이때, 콘크리트의 압축강도는 프리스트레스를 준 직후 콘크리트에 발생하는 최대 압축응력의 1.7배 이상) PS강재를 삽입하고, 강재의 한 끝은 정착 시키고 다른 끝을 유압잭 등을 사용하여 긴장시키게 된다. 긴장된 PS강재를 정착시키는 공법은 여러 종류가 있으나 대표적인 것은 1939년 E. Freyssinet(프랑스)에 의해 고안되었고, 그 후 다음과 같은 방식도 개발되었다.

   1) 쐐기식(Wedge system : PS강재의 일종인 PC강선 혹은 강연선을 쐐기로 고정하는 방법)

   2) 나사식(Screw system) : PC강봉의 단부에 나사를 달아 너트로 정착하는 방법

   3) 기타 : 상기 이외에도 압착 나사식, 버튼 해드식, 루프식, 용융합금식 등이 있다. 

또한, 덕트(시즈)에 PS강재를 삽입하고 PS강재를 긴장시킨 다음 PS강재와 덕트(시즈)사이에는 시멘트 페이스트, 시멘트 모르타르, 기타 교착물로 그라우팅하여 PS강재에 부착력을 주고, 또한 강재의 부식을 방지하게 하는 부착식 방법이 있고, 또 하나는 PS 강재 주위를 비워주는 비 부착식 방법이 있다. 먼저, 부착식 방법의 경우, 충전시키는 그라우트재의 배합은 물-결합재비 45 % 이하에, 염분함유량, 블리딩 및 체적 변화가 없는 것으로 한다. 또한 그라우트재는 덕트의 길이 및 형상. PS 강재의 종류 및 덕트 속에 점유하는 PS강재의 단면적의 비율 등과 같은 구조조건, 주입작업에 있어서 시공시간 등의 시공조건 및 기온 등의 기후조건을 고려하여 그리우팅의 유동성, 재료분리 저항성, 체적변화 등을 적절히 설정함과 동시에 적절한 주입방법을 설정해 주어야 한다.

그리우트 시공은 프리스트레싱이 끝나고 8시간이 경과 한 다음 가능한 빨리 하여야 하는데, 늦어도 프리스트레싱이 끝난 후 7일 이내에는 실시하여야 한다. 만약 이러한 기한을 준수하지 못할 경우에는 부식 방지제를 사용하여 PS강재를 보호하여야 한다.

또한 비부착 방법(Unbond posttension)은 강재에 녹막이 윤활유를 도포하고 폴리에틸렌 등을 감아 시즈에 끼워 넣거나, 혹은 방습 보강지의 테이프로 감은 긴쟁재(Unbond tendon)를 콘크리트와 같이 부어넣는 공법이 있다. 이 공법은 부착이 없기 때문에 부재 파괴내력이 저하하는 등의 단점이 있으나, 반대로 PS강재에 균일한 응력이 작용하여 한곳의 집중응력을 분산하는 효과가 있고, 무엇보다 그라우팅 작업의 번잡성을 생략 할 수도 있다. 또한 이 방법은 기존 구조물을 외부에서 보강할 때 외부 텐돈(External tendon)으로 활용할 수도 있다.

PSC의 종류 및 특성

PSC부재의 구조체로의 조립 시공은 프리캐스트 콘크리트의 조립과 동일하게 이루어진다. 따라서 PSC부재의 제작, 운반, 보관, 접합 등 시공은 이전 기술강과(제 285회)를 참조한다. 단, 운반 및 보관의 경우 지진, 차량사고, 부동침하 등 예상치 못한 다양한 원인에 의하여 부재가 무너지거나, 기울어 지거나, 넘어져 뒤집어 지는 일(전도)이 없도록 대책을 마련해 두어야 한다. 또한, 그라우트를 주입하지 않은 포스트 텐션 부재를 한냉기에 장기간 보관할 경우에는 덕트 내에 물이 고여서 동결되어 그 펭창압으로 부재에 균열이 생길 수도 있으므로 동결되지 않도록 보온 대책을 마련할 필요가 있다. 

특히, PSC구조 부재를 조립하여 접합할 경우에는 부재의 위치, 형상 및 덕트가 잘 일치하도록 부재를 설치하고, 접합작업 및 프리스트레싱 중에 어긋나거나 비틀림이 생기지 않도록 하여야 한다. 기타 PSC의 품질검사 및 현장 품질관리에 관한 상세한 사항은 KSC 14 20 53(프리스트레스트 콘크리트)를 참조한다.