포스트텐션 보 설계

왜 배우는가: 포스트텐션 보는 긴 경간과 얇은 단면을 동시에 만족해야 하는 건축 구조에서 널리 쓰인다. 층고가 제한된 현장에서 보의 춤을 줄이면서 처짐과 균열을 제어하는 방법으로 시험에 반복해 나온다.

출제 이력: 제102회 3교시 1번, 제98회 4교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 포스트텐션 보는 콘크리트를 먼저 친 뒤 쉬스 속 긴장재를 긴장하여 정착장치로 고정하고, 그 힘으로 보에 압축력을 도입한 프리스트레스트 콘크리트 보이다.

핵심 키워드

• 포스트텐션: 콘크리트 경화 후 긴장재를 긴장하는 프리스트레싱 방식
• 긴장재: 고강도 강선 또는 강연선(strand)으로 된 인장 부재
• 쉬스: 긴장재를 콘크리트와 분리해 넣는 관
• 정착장치: 긴장력을 콘크리트에 고정하는 장치
• 정착구역: 긴장재가 콘크리트에 정착되는 구간
• 프리스트레스 도입: 긴장재의 인장력을 콘크리트에 압축력으로 전달하는 조작
• 유효 프리스트레스력: 손실을 뺀 뒤에도 콘크리트에 남아 있는 힘

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 콘크리트 보를 먼저 만든 뒤 보의 양 끝에서 강선을 잡아당겨 보를 미리 누르는 방식이다. 보 아래쪽이 인장을 받아도 미리 준 압축력이 그 인장응력을 상쇄한다. 프리스트레스는 외력에 의해 생기는 인장응력을 소정의 한도로 상쇄하도록 미리 콘크리트에 도입한 응력으로 정의된다.

포스트텐션은 긴장재가 콘크리트와 직접 접촉하지 않고 쉬스 안에 놓인다. 긴장재 양 끝에는 정착장치가 콘크리트에 고정되고, 긴장 후 긴장재를 정착장치에 고정하면 큰 영구 압축력이 콘크리트에 남는다. 포스트텐션 부재는 정착장치의 지압으로 압축력이 전달되므로, 긴장재에는 단부부터 전 길이에 걸쳐 일정한 긴장력이 작용한다.

프리텐션은 긴장재와 콘크리트의 부착으로 힘이 전달되어 단부 근처에 전달길이가 생긴다. 포스트텐션은 이 전달길이가 없다는 점이 다르다. 반면 긴장재의 인장력은 긴장 과정에서 쉬스 마찰과 정착 손실을 받는다.

긴장 시 콘크리트 강도도 중요하다. 프리스트레싱할 때 콘크리트 압축강도는 프리스트레스 직후 콘크리트 최대 압축응력의 1.7배 이상이어야 한다(KCS 14 20 53). 교량 기준에서는 포스트텐션 도입 시 압축강도를 28MPa로 적용할 수 있다고 정한다. 건축 설계에서는 이 조건을 긴장 단계 검토에 함께 쓴다.

3. 등장 배경과 필요성

RC 보는 인장 측 콘크리트가 균열을 일으키므로 경간이 길어질수록 춤이 커진다. 프리스트레스는 인장응력이 생길 자리에 미리 압축력을 주어 균열을 억제하고, 같은 하중에서 단면을 줄이게 한다. 그래서 긴 경간의 보와 슬래브, 층고가 제한된 현장에서 사용된다.

1900년대 초 미국의 R.E.Dill은 콘크리트의 건조수축과 크리프로 응력이 손실된다는 점을 밝히고 포스트텐셔닝의 개념을 제시하였다. 응력손실을 이기려면 연성이 큰 고강도 강재가 필요하다는 결론이었다. 1926~1928년 프랑스의 E.Freyssinet은 이 조건을 만족하는 강재로 응력손실을 극복하는 방법을 제시하였고, 1940년에는 원추형 쐐기 정착장치를 포함한 Freyssinet 시스템을 발표하였다.

국내에서는 1956년 PSC 침목 제조를 시작으로 프리스트레스트 콘크리트가 도입되었다. 1962년에는 프레시넷 공법으로 구운교가 착공되어 국내 최초의 프리스트레스트 교량이 되었다. 이후 건축 분야에서도 긴 슬래브와 보에 포스트텐션이 적용되었다.

포스트텐션이 필요한 이유는 현장 긴장이 가능하기 때문이다. 긴 부재를 분할 시공한 뒤 긴장재로 연결할 수 있고, 정착구역에서 힘을 받으므로 대형 부재의 현장 조립에 적합하다. 다만 정착구역의 응력 집중과 쉬스 내 부식 관리가 함께 검토되어야 한다.

T형보와의 관계도 여기서 나온다. 보와 일체로 친 슬래브는 보의 플랜지가 되어 압축 면적을 넓힌다. 휨 압축응력은 보에 가까운 부분에서 크고 멀어질수록 작아지므로, 그 분포를 일정한 폭으로 환산한 것이 유효폭이다.

4. 구성요소·원리·절차

포스트텐션보는 콘크리트를 경화시킨 뒤 쉬스(sheath) 안의 긴장재(PS 강연선)를 잭으로 당기고, 단부 정착장치로 고정해 콘크리트에 압축력을 준다. 설계는 이 압축력을 편심 프리스트레스로 보고, 외력 모멘트와 상쇄되도록 긴장재 위치를 정하는 방식이다. 구성요소는 다음과 같다.

긴장재 위치에 따라 편심 e가 정해진다. 단부는 도심에 가깝게, 중앙부는 도심에서 멀게 두어 하중 모멘트가 큰 중앙부에서 부모멘트를 상쇄한다. 단면 응력은 다음 식으로 검토한다.

$\sigma = \frac{P}{A_c} \pm \frac{P\,e}{Z} \mp \frac{M}{Z}$

여기서 σ는 콘크리트 응력(MPa), P는 긴장력(N), A_c는 콘크리트 단면적(mm²), e는 긴장재 도심에서 단면 도심까지 편심(mm), Z는 단면계수(mm³), M은 해당 단면의 휨모멘트(N·mm)이다. 상단 응력은 압축(+)·인장(−)을 부호로 구분해 대입한다.

포스트텐션보는 긴장재 편심으로 하중에 의한 휨을 상쇄하는 구조다

검토 절차는 다음과 같다.

• 설계하중(고정하중·마감하중·활하중)으로 단부와 중앙부의 휨모멘트를 구한다.
• 긴장재 개수와 1개당 유효 프리스트레스력으로 P를 정하고, 도입 직후 손실을 가정해 초기 긴장력을 정한다.
• 긴장재 위치(단부 75mm, 중앙부 230mm 등 설계조건값)로 편심을 구한다.
• 도입 직후 상·하단 응력을 검토한다. 이때 콘크리트 강도는 긴장 시 강도를 쓴다.
• 사용하중 상태 상·하단 응력을 검토한다. 손실 후 유효 긴장력을 쓴다.
• 응력이 허용치를 벗어나면 P, e, 단면을 조정하고 1~5를 반복한다.
• 긴장재 프로파일을 입면도로 표시하고 정착구역 보강을 확인한다.

긴장재 긴장력은 설계기준 인장강도 비율 이하로 두고, 긴장 후 정착 직후에는 설계기준 항복강도 비율 이하를 함께 만족해야 한다. 두 값 중 작은 쪽을 쓴다.

5. 관련 법령·기준·표준

건축 구조물은 KBC 2009를 따르고, 프리스트레스트 콘크리트의 재료·강도는 콘크리트구조 설계기준의 프리스트레스트 콘크리트 규정을 적용한다. 긴장 시 콘크리트 강도는 KCS 14 20 53:2018 3.5.3에서 긴장 직후 최대 압축응력의 1.7배 이상을 요구한다. 교량 기준(KCS 24 10 00, KDS 24 14 21)의 값은 참고로만 쓴다.

표의 값은 설계조건으로 주어진 f_ck=30MPa와 긴장 시 강도 70% 가정에 맞춰 대입한다. 긴장 시 f_ci=0.7×30=21MPa이다. 이 값으로 도입 직후 압축 허용치는 0.6×21=12.6MPa가 된다.

긴장 시 인장 허용치는 일반적으로 긴장 시 콘크리트 강도의 제곱근에 비례하는 값으로 두며, 인장이 생기는 단면에는 부착 철근을 보강한다. 개정 연혁은 KCS 14 20 53:2018과 KDS 24 14 21:2019의 현행 판이 기준이다. 긴장재 1개의 공칭 단면적은 사용하는 강연선의 공칭 지름에 따라 정해진다.

긴장 시 콘크리트 강도는 긴장 직후 최대 압축응력의 1.7배 이상으로 정한다