부착·비부착 강선

왜 배우는가: 부착강선과 비부착강선의 거동 차이는 PSC 거더의 휨 해석과 긴장재 설계에서 가장 기본이 되는 구분이다. 실무에서는 긴장재 종류에 따라 하중 증분에 대한 강선 응력 산정법이 달라지므로 이를 정확히 알아야 한다. 시험에서는 응력 산정 계산과 구조 특성 비교가 함께 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제135회 3교시 4번, 제126회 1교시 7번, 제124회 1교시 2번, 제64회 1교시 11번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

부착강선은 콘크리트와 완전히 부착되어 변형이 단면 변형률과 일치하고, 비부착강선은 콘크리트와 분리되어 부재 전체 길이의 평균 변형률에 따라 응력이 정해지는 긴장재이다.

핵심 키워드: 부착강선, 비부착강선, 그라우팅, 쉬스, 변형적합, 평균 변형률, 유효 길이, 하중 증분 응력

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 강선이 콘크리트와 붙어 있느냐, 떨어져 움직이느냐의 차이다. 붙어 있으면 강선은 그 자리 콘크리트의 변형을 그대로 따라간다. 떨어져 있으면 강선은 부재 전체가 늘어난 만큼을 나눠 받는다.

정식 정의는 다음과 같다. 부착강선(Bonded tendon) 은 쉬스 내부를 시멘트 그라우트로 충전하여 긴장재가 콘크리트와 전 길이에 걸쳐 부착된 긴장재다. 비부착강선(Unbonded tendon) 은 긴장재를 그리스 등으로 피복하여 콘크리트와 부착을 끊은 긴장재로, 정착구에서만 힘을 전달한다.

부착 여부는 하중 증분에 따른 강선 응력 증가량을 결정한다. 부착강선은 단면 위치의 콘크리트 변형률에 맞춰 응력이 늘어나고, 비부착강선은 정착구 사이 전체 길이의 평균적 변형률로 응력이 늘어난다.

그라우팅(Grouting) 은 긴장 후 쉬스 안을 채우는 작업이다. 이 작업의 유무가 부착·비부착을 가른다. 쉬스(Sheath) 는 긴장재를 감싸 콘크리트와의 접촉을 막거나 허용하는 관이다.

3. 등장 배경과 필요성

프리스트레스트 콘크리트는 1880년대 말 처음 쓰였고, 이후 프리텐션 방식에서 포스트텐션 방식으로 발전했다. 포스트텐션은 콘크리트 타설·양생 후에 긴장하므로 긴장재를 부착할지 비부착으로 둘지를 선택할 수 있다.

부착 방식은 단면 해석이 단순하고 극한강도가 크다는 장점이 있다. 반면 시공 중 쉬스 내부 그라우트 품질이 문제가 되면 내구성이 떨어질 수 있다. 비부착 방식은 그라우팅 작업이 없어 시공이 빠르고, 외부 긴장재와 함께 교량·슬래브에 많이 쓰인다. 다만 부재 전체 변형에 응력이 분산되므로 해석과 강도 산정이 부착 방식과 다르다.

비부착 강선은 파괴 직전 연성이 좋고 과하중 시 큰 변형을 허용한다는 특성이 있다. 그러나 극한 상태에서 같은 강선 응력을 얻으려면 부재 변형이 커야 하므로, 극한강도는 부착강선보다 낮게 평가하는 것이 일반적이다.

4. 구성요소·원리·절차

PSC 보에서 부착강선과 비부착강선은 긴장재가 콘크리트와 어떻게 연결되느냐에 따라 하중에 따른 응력 증분이 다르게 나타난다. 답안에서는 긴장재 구성요소를 먼저 나열하고, 부착·비부착 각각의 응력 발생 원리를 설명한 뒤, 절차를 순서대로 적는다.