7장. 프리캐스트콘크리트구조•셸구조 (프리스트레스트 콘크리트 구조 -1)

1. 개   요

프리스트레스트 콘크리트구조란 구조물의 기둥 • 보 • 내력벽 등 외력을 지지하는 중요 부분에 프리스트레스를 도입한 구조물의 총칭이다. 프리스트레스란 설계하중에 따른 응력의 전부 또는 일부가 상쇄되도록 계획적으로 미리 주어지는 콘크리트의 응력을 말한다. 콘크리트 부재에 프리스트레스를 도입하면 아래 그림과 같이 단면응력 상태를 모형화할 수 있다. 힘을 받는 부재에 생기는 인장응력을 프리스트레스 등의 방법으로  없어지게 할 수가 있다. 이것은 콘크리트의 인장강도의 부족을 보완하는 작용을 하고 있다.

프리스트레스의 도입 (단면응력, +압축, -인장)

아래 그림에서 1번은 콘크리트 본래의 성질을 나타내고 압축강도에 비하여 인장강도는 작다. 또 2,3,4번과 같은 방침으로 프리스트레스를 주면 콘크리트에는 각기 2,3,4번과 같은 성질이 주어져서 콘크리트의 겉보기 인장강도는 증대되며 4번에서는 압축강도도 증대된다.

프리스트레스도입의 개념도 (응력과 변형관계)

프리스트레스의 도입으로 휨 인장응력 • 축방향 인장응력을 없애고 하중 • 외력에 의한 단면의 응력이 줄게 되며 가구구성성분 중 보 특히 간사이가 20m를 넘는 보에 적용하면 효과가 크고 또 실제로 보방향의 보는 모두 프리스트레스 콘크리트조로 하고 기둥과 도리 방향의 보 • 바닥판 등은 보통 철근코크리트조로 할 때가 많다. 따라서 이와 같은 구조물은 복합구조물이 되지만 프리스트레스보를 포함하는 평면가구는 프리스트레스 콘크리트조로 설계하고 기타 부분은 보통 철근콘크리트조로 하는 것이다. 프리스트레스 콘크리트 부재의 설계방법에는 장기 설계하중을 받을 때 인장응력도가 생기지 않게 하는 방법과 인장응력도는 생기지만 그 값이 허용응력도를 초과하지 않게 하는 방법이 있다. 전자를 풀프리스트레싱이라 하고 주요한 구조부재는 이 방법으로 설계된다. 후자는 부분프리스트레싱이라 하고 경미한 부재에 적용한다.

 

2. 재   료

(1) PC강재

 

(a) PC강재의 종류

프리스트레스 콘크리트에 쓰이는 고강도 강재를 PC강재라 한다. 이것은 콘크리트에 프리스트레스를 주기 위한 철근으로 단선 • 꼰줄 또는 종강 등이 있다. 단선은 여러 개를 나열하여 한 묶음 다발로 쓸 때가 많다. 이것들을 총칭하여 PC강재 또는 긴장재 또는 텐돈이라 한다. 프리스트레스 도입공법은 긴장재 • 정착장치 •긴장장치 등을 선정조합하여 쓰되 각종 특허 공법이 있다. PC강재의 종류는 다음과 같다.

# PC강선

# PC강 꼰줄

# PC강봉

# 피아노선

# 경강선

 

(b) PC강재의 항복점 강도

PC강재는 명료한 항복점을 나타내지 않는 것이 많다. 아래 그림과 같이 하중과 늘음의 곡선으로 표시된 PC강재에 대하여서는 0.2%의 늘음점에서 처음 곡선의 원점에 있어서의 점선에 평행한 직선상에 곡선과의 교점 A에 대응하는 하중을 항복하중으로 한다. PC강재에 인장하중을 가하여 일정한 길이를 유지할 때 시간의 경과와 같이 일어나는 응력이 늦추어짐을 이완응력이라 한다.

 

PC강선의 항복하중

 

(2) 콘크리트

사용하는 콘크리트는 보통콘크리트로 하지만 설계의 기준강도는 프리텐션 방식일 때 350kg/cm² 이상, 포스트텐션 방식일 때 300kg/cm² 이상의 고강도 콘크리트를 쓴다. 프리스테스트 콘크리트는 강도와 같이 중요한 성질은 도입된 프리스트레스가 시간경과에 따라 강도 감소의 원인이 되는 콘크리트 건조수축과 크리프가 작도록 해야 한다. 따라서 배합은 모르타르량 물시멘트비를 적게 하고 또한 치밀하게 다져야 한다. 보통 쓰이는 물시멘트비는 현장시공일 때 35 ~ 50% 공장시공일 때 33 ~ 35% 정도로 하고 있다. 또 PC강재는 부식성의 조건에 민감하므로 콘크리트는 불순물 특히 염분의 함유량이 적은 것을 쓰고 또 혼화재료의 성부에 주의하고 밀실하게 다져 넣어야 한다.

 

(3) 줄눈 • 그라우트 재료

줄눈사이 • 갈램 틈서리 등에 시멘트모르타르 • 약약 등의 교착재를 사춤 쳐 넣거나 충전하는 일을 주입 또는 그라우팅이라 하고 그에 쓰이는 재료를 총칭하여 그라우트라 한다. 프리캐스트 부재를 접합하여 전체에 프리스트레스를 도입할 때에는 접합부에 모르타르 또는 콘크리트의 줄눈을 만든다. 줄눈너비가 2 ~ 3 mm일 때는 모르타르로 하고 그 이상일 때에는 콘크리트 줄눈을 사용한다. 또 특수한 것은 줄눈너비가  1 ~ 10mm 정도로 하고 수지접착제의 접착 또는 그라우팅으로 한다. 줄눈모르타르의 배합은 중량비 1 :1 ~ 1 : 2 물시멘트비 30~35% 정도로 한다. 줄눈콘크리트는 보통 줄눈너비 20cm 이상일 때에 쓰이며 조기강도를 내기 위하여 조강포틀랜드 시멘트를 사용한다. 줄눈그라우트는 줄눈너비 10mm 정도일 때 쓰인다. 배합은 시스와 PC강재와의 사이에 주입하는 그라우트에 따르지만 물시멘트비는 더 적게 한다. 수지로 접착할 때는 한 족 부재에 에폭시수지 등을 도포하고 다른 부재를 압착하는 공법으로 접착한다. 이때의 양부재의 접합면은 완전히 밀착되는 부재면으로 제작되어야 한다. 줄눈 너비는 1mm 이하고 한다. 수지 품질의 종류 • 공법 등은 미리 충분히 검토하여 둔다. PC용 그라우트는 PC강재의 부식을 보호하고 또 시스와 PC강재 사이에 부착이 되도록 하는 것이다. PCG에는 보통 시멘트페이스트를 쓰되 골재로써 모래 • 플라이애시 등이 쓰일 때도 있다.

 

(4) 정착 및 접속부품

포스트텐션 공법에서는 긴장한 PC강재를 콘크리트 부재에 정착하기 위한 부품을 정착구라 하고 PC강재 상호를 접속하기 위한 부품을 접합구라 한다. 이들 정착구와 정착부 콘크리트 및 보강철근을 정착장치라 총칭한다. 정착공구에는 쐐기식과 나사식 외에 많은 형식이 있다. 정착구는 정착부 콘크리트 및 보강철근과 일체로 되어 PC강재를 정착한다. 정착효과의 시험법은 따로 규정하고 있다.