긴장력 손실

왜 배우는가: 긴장력 손실은 PSC 부재에서 유효 프리스트레스를 결정하는 핵심 변수다. 실무에서는 긴장 작업 중 신장량과 잭킹력을 관리하는 근거가 되고, 설계에서는 사용 단계의 응력 검토에 쓰인다. 즉시손실과 장기손실을 구분해 설명하는 문제가 여러 교시에 걸쳐 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제135회 2교시 2번, 제127회 1교시 4번, 제126회 4교시 6번, 제125회 4교시 5번, 제124회 1교시 4번, 제121회 1교시 1번, 제120회 4교시 3번, 제118회 3교시 5번, 제104회 4교시 4번, 제63회 1교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 긴장력 손실은 PS강재에 도입한 긴장력이 긴장 작업과 시간 경과에 따라 감소하는 현상이며, 즉시손실과 장기손실로 나눈다.

• 긴장력 손실, 즉시손실, 장기손실
• 마찰 손실, 정착장치 활동, 탄성변형
• 크리프, 건조수축, 긴장재 릴렉세이션
• 유효 프리스트레스, 긴장응력

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 PS강재를 힘껏 당겨 콘크리트를 눌러 두었는데, 그 힘이 시간이 지나면서 조금씩 줄어드는 현상이다. 힘이 줄어드는 이유는 긴장 작업 자체에서 생기는 것과 시간이 지나며 생기는 것으로 나뉜다.

정식 정의는 다음과 같다. 긴장재에 도입된 초기 긴장력에서 콘크리트 부재에 실제로 유효하게 남는 긴장력을 뺀 값이 긴장력 손실이다. 여기서 즉시손실은 긴장 작업 중이나 정착 직후에 바로 발생하는 손실이다. 장기손실은 콘크리트의 크리프, 건조수축, 긴장재 릴렉세이션처럼 시간에 따라 서서히 누적되는 손실이다.

핵심 용어 풀이는 다음과 같다.

• 마찰 손실은 쉬스 내벽과 긴장재 사이 마찰로 긴장력이 잭 쪽에서 멀어질수록 감소하는 손실이다. 포스트텐션 부재에서만 생긴다.
• 정착장치 활동은 쐐기가 자리 잡으며 긴장재가 짧아지는 현상이다. 긴장재 길이와 정착 활동량으로 손실 범위가 정해진다.
• 탄성변형은 후속 긴장재를 긴장할 때 이미 긴장된 재료가 함께 짧아져 생기는 손실이다.
• 크리프는 지속 응력 아래에서 콘크리트 변형이 시간에 따라 증가하는 현상이다.
• 건조수축은 콘크리트의 수분이 빠지며 길이가 줄어드는 현상이다.
• 릴렉세이션은 일정한 변형을 유지해도 긴장재의 응력이 시간에 따라 줄어드는 현상이다.

포스트텐션 마찰 손실은 식으로 나타낸다. 잭 단부 긴장력을 P_0, 임의 위치 x의 긴장력을 P_x, 곡률마찰계수를 \mu(무차원), 곡선 배치의 각변화 합을 \alpha(rad), 파상마찰계수를 k(1/m), 단부에서 거리를 x(m)라 하면 P_x = P_0 e^{-(\mu\alpha + kx)} 이다. 곡률마찰계수와 파상마찰계수는 쉬스 종류와 긴장재 상태에 따라 달라진다.

긴장응력 조건이 주어지면 그 값이 잭 단부 응력의 기준이 된다.

3. 등장 배경과 필요성

콘크리트는 인장강도가 압축강도에 비해 매우 작다. 그래서 인장응력이 생기는 부분에 미리 압축응력을 가해 두면 사용 중 하중에 의한 인장균열을 줄일 수 있다. 이 원리가 프리스트레스트 콘크리트이며, 긴장재를 통해 도입하는 압축력이 프리스트레스다. 도입한 프리스트레스가 그대로 남는다면 설계가 단순하다. 그러나 실제로는 긴장 작업과 시간 경과에 따라 힘이 줄어든다.

손실을 무시하면 사용 단계의 처짐이 커지고 균열 폭이 설계보다 크게 나타날 수 있다. 장대 교량에서 장기 크리프를 과소평가해 처짐과 균열이 생긴 사례가 보고되어 있다. 따라서 설계에서는 손실량을 미리 산정해 유효 프리스트레스를 정한다. 긴장 작업에서는 신장량과 잭킹력을 측정해 손실이 설계 범위 안인지 확인한다.