9급 공무원 토목설계/PSC 기본개념

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프리스트레스 방식[편집]

긴장 시기에 따라[편집]

프리텐션[편집]

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[편집]

콘크리트 타설 전에 거푸집에 덕트, 쉬스[1]를 만들어두고 타설. 콘크리트 경화한 뒤 강재를 긴장, 정착하여 콘크리트에 압축력을 줌.[2]

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

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[편집]

부착[편집]

프리텐션은 부착. 그라우팅.

부착 긴장재(bonded tendon).

비부착[편집]

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.

부재 시공 방식에 따라[편집]

프리캐스트[편집]

장점

  • 공장 제작/현장 근처 제작장.
  • 대량생산 가능. 품질관리 우수.
  • 경제적
    • 공기단축
    • 비계 등에 의한 부대비용 감소.
    • 자재 제작/관리 인력 감소.
  • 우기 공사 가능.
  • 현장타설로 불가능한 모양, 마감, 색상 생산 가능.
  • 해체 및 재사용 가능. 기존 구조물에 사용 가능.
  • 콘크리트 건조수축, 크리프 조절 가능.

단점

  • 접합부 설계 및 시공에 상당한 기술 요구.
  • 부재 운반비용 발생.
  • 작업 중 안전성 보강위한 임시 지지대 설치 비용 발생.
  • 조립 시 크레인 등 고가장비 사용 불가피.
  • 부재가 현장에 도착한 뒤 결함의 수정 불가.

현장타설 콘크리트[편집]

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[편집]

엄밀한 구분은 아님.

full prestressing[편집]

사용하중 하 인장응력 없도록 프리스트레싱한 것.

액체 저장 탱크, 피로와 반복재하 심한 철도교 설계 시.

partial prestressing[편집]

사용하중 하 인장응력이 어느정도 발생.

PSC 특징[편집]

♣장단점

장점[편집]

  • 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 탄력성복원성이 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 응력매우 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[편집]

  • 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.

재료[편집]

PS 강재 요구 성질[편집]

  • 인장강도가 클 것.(고강도 철근의 약 4배) : 고강도일수록 긴장력 손실율이 작다.
  • 항복비가 클 것(80% 이상) : PS강재는 뚜렷한 항복점이 없다.
  • 릴렉세이션이 적을 것
  • 부착 강도가 좋을 것 : PS 스트랜드나 이형 PS강재가 부착력 우수
  • 직선성을 유지할 것.(코일 상으로 감아서 출하하는 PS 강선이나 PS 스트랜드를 풀었을 때 곧게 잘 펴져야 한다. 감은 지름은 소선 지름의 150배 이상이어야 함.
  • 응력 부식에 대한 저항성이 클 것(고인장 응력을 받는 PS 강재에 과도한 녹이나 작은 흠이 있으면 응력 집중으로 인해 부식이 촉진되는데 이를 응력 부식이라 함)
  • 적당한 늘음, 인성이 있을 것.
  • 피로에 대한 저항성이 클 것(철도교, 도로교)

PS 강재 탄성계수[편집]

시험에 의해 정하는 것이 원칙이나, 시험에 의하지 않을 때는 다음 값으로 해석해도 됨. 철근의 탄성계수와 같음

콘크리트 강도[편집]

PS 강재가 고강도이므로 콘크리트 강도도 고강도여야 함. 보통 28-40MPa. KDS 24 14 21 :2019 콘크리트교 설계기준(한계상태설계법) 1.5.7 프리스트레스트 구조물에 따르면

  • 프리텐션 :
  • 포스트텐션 :

프리텐션 방식에서 더 큰 강도가 요구되는 것은 콘크리트와 강재의 부착에 의해 긴장력이 전달되기 때문. 포스트텐션 방식은 부재 양단 정착에 의해 긴장력이 전달됨.

프리스트레스 도입시 압축강도는 KCS 24 10 00 :2018 콘크리트교량공사 3.2.2 프리스트레싱 시의 콘크리트의 압축강도에 의해 특별한 규정이 없으면 아래 값으로 적용할 수 있다.

  • 프리텐션 : 30 MPa
  • 포스트텐션 : 28 MPa

배합[편집]

건조수축과 크리프가 최소가 되도록 배합하고 양생해야 함. 일반적인 물-결합재비는 45% 이하로 해야 함.(현장 : 35-40%, 공장 : 33-35%)

기본 개념[편집]

설명문제(세 가지 '개념'들의 명칭 구분) + 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)[편집]

계산 ♣♣♣

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

긴장재를 직선으로 도심에 배치한 경우[편집]

Prestressed concrete1.png

압축과 휨이 작용한다는 의미로 보면 된다.

긴장재를 직선으로 편심배치한 경우[편집]

Prestressed concrete2.png
3항 부호 이유

절선, 곡선배치[편집]

균등질 보의 개념-긴장재 절선배치.jpg
원래 식 일 때 식
축방향력
휨모멘트
전단력 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)[편집]

계산 ♣

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

내력 모멘트 개념.jpg

하중 개념(하중 평형 개념 = 등가 하중 개념)[편집]

♣♣

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[편집]

PSC1.png

등분포 상향력 u에 의한 최대 휨 모멘트는

긴장력 P에 의해 중앙단면에 발생하는 모멘트 M = P s

두 모멘트의 값은 같은 값이므로 상향력은 정리하면

순 하향 분포하중 : w - u

이로 인한 모멘트

양단 P에 의한 수평, 수직력은 이나, 이므로 가 된다.

긴장재를 절선으로 배치한 경우[편집]

계산

Prestressed concrete3.png

힘의 평형조건 에 의해

상향력

로 인해 절선배치는 전단력을 감소시켜주는 효과가 있다.

같이 보기[편집]

각주[편집]

  1. 포스트텐션 방식에서 강재 삽입 위해 뚫어두는 구멍을 덕트(duct)라 하고 덕트 형성을 위해 쓰이는 관을 쉬스(sheath)라 함.
  2. http://kissulsa.com/30138151374

참고 자료[편집]

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