1장 기본개념 - PS 콘크리트

1.1.1 정의

프리스트레스트 콘크리트(Prestressed Concrete)는 PSC 또는 PS 콘크리트라고도 한다.

프리(pre, 외력을 받기 전에) + 스트레스(stress, 응력) + 콘크리트
→ 콘크리트가 외력을 받기 전(pre)에 스트레스를 많이 받고 있는 콘크리트란 의미이다.

[그림 1.1.1 프리스트레스트 콘크리트의 개념도]

프리스트레스트 콘크리트는 콘크리트의 최대 약점인 낮은 인장강도를 보완하기 위해 미리 압축응력을 가해두는 공학적 기법이다. 이를 통해 콘크리트 구조물의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있다.

1.1.2 원리

PSC의 기본 원리:

콘크리트는 인장 강도가 압축 강도에 비해 현저하게 작으므로(약 1/10 수준), 인장 응력이 생기는 부분에 미리 압축의 프리스트레스(prestress)를 주어 콘크리트의 인장 강도를 겉보기로 증가시키도록 한 것이다.

주요 특징:

인장응력 감소: 보의 인장측에 이 원리를 사용하면 보의 겉보기 휨 강도를 증가시킬 수 있다.
균열 방지: 설계 하중을 받았을 때 균열이 생기지 않는다.
수축균열 감소: 수축 균열이 적다.
처짐 감소: 프리스트레스에 의한 상향 캠버(camber)가 발생하여 처짐이 감소한다.

프리스트레스 도입 방법:

콘크리트 단면에 압축의 프리스트레스는 PS 강재(긴장재, tendon)를 인장하여 그 반작용을 이용한다. 긴장재는 철근에 비하여 상당히 고강도인 강연선(strand)이나 강봉(steel bar)을 주로 사용하며, 정착장치, coupler, 쉬스(sheath), 긴장잭 등 각종 장비가 필요하다.

[그림 1.1.2 PSC의 원리 - 압축 프리스트레스 도입]

1.2.1 현장타설 vs 프리캐스트

시공 장소에 따른 분류:

구분	현장타설 (CIP)	프리캐스트 (Precast)
정의	현장에서 콘크리트를 직접 타설하는 것 (Cast-in-Place, Cast-in-Situ)	공장에서 콘크리트 구조를 미리 제작해서 현장으로 운반하는 것
RC 구조	현장타설 철근콘크리트 (CIP RC)	프리캐스트 철근콘크리트 (Precast RC)
PSC 구조	현장타설 프리스트레스트 콘크리트 (CIP PSC)	프리캐스트 프리스트레스트 콘크리트 (Precast PSC)
장점	• 복잡한 형상 가능 • 일체성 확보 용이	• 품질관리 우수 • 공기단축 • 대량생산 가능
단점	• 양생시간 필요 • 품질관리 어려움	• 운반·가설 필요 • 크기 제한

[그림 1.2.1 현장타설과 프리캐스트 콘크리트의 비교]

1.2.2 완전 긴장 vs 부분 긴장

프리스트레스 수준에 따른 분류:

구분	완전 긴장 (Full Prestressing)	부분 긁장 (Partial Prestressing)
정의	사용 중에 균열이 발생하지 않는 프리스트레스트 콘크리트	사용하중 하에서 휨인장 균열의 발생을 허용하도록 설계된 프리스트레스트 콘크리트
균열 상태	사용하중 하에서 균열 없음	사용하중 하에서 미세균열 허용
PS 강재량	많음	적음 (완전긴장의 60~80%)
경제성	재료비 높음	재료비 절감
적용	수밀성·내구성 중요 구조물	일반 건축물

Note: 최근에는 경제성과 성능을 절충한 부분긴장 방식이 많이 사용되고 있다. 허용 균열폭은 일반적으로 0.1~0.2mm 이하로 제한한다.

1.2.3 기타 분류

1) 긴장 시기에 따른 분류:

프리텐션 (Pre-tensioning): 콘크리트 타설 전에 긴장재를 먼저 긴장
포스트텐션 (Post-tensioning): 콘크리트 경화 후에 긴장재를 긴장

2) 긴장재 위치에 따른 분류:

내적(internal) 프리스트레싱: 긴장재가 콘크리트 단면 내부에 배치
외적(external) 프리스트레싱: 긴장재가 콘크리트 단면 외부에 배치

3) 긴장재 형상에 따른 분류:

선형(linear) 프리스트레싱: 긴장재를 직선으로 배치
곡선(curved) 프리스트레싱: 긴장재를 곡선으로 배치

4) 부착 여부에 따른 분류:

부착(bonded) 긴장재: 그라우팅으로 긴장재와 콘크리트를 부착
비부착(unbonded) 긴장재: 긴장재와 콘크리트를 부착시키지 않음

[그림 1.2.2 PSC의 다양한 분류 체계]

1.3.1 단순보 중간지점 단면에서의 응력 비교

크기가 같은 단면의 경우 균열 전과 파괴 전의 응력을 비교했을 때 RC에 비해 PSC가 더 큰 하중을 받을 수 있다.

RC 보 (프리스트레싱 없음):

설계하중에서 인장측에 균열 발생
인장철근이 인장력 전부 부담
상부 압축응력 집중

PSC 보 (프리스트레싱 있음):

프리스트레스로 인장응력 상쇄
설계하중에서 균열 미발생
전단면 유효
응력분포 균등

[그림 1.3.1 RC보와 PSC보의 응력분포 비교]

1.3.2 하중과 변위 관계 비교

거동 특성 비교:

하중 단계	RC 보	PSC 보
초기 상태	처짐 없음	상향 캠버(솟음) 발생
사용하중	균열 발생, 처짐 증가	균열 없음, 처짐 작음
극한하중	급격한 파괴	연성파괴 (경고 있음)
강성	균열 후 급격히 감소	균열 전까지 높은 강성 유지

[그림 1.3.2 RC보와 PSC보의 하중-처짐 곡선 비교]

결론: RC에 비해 PSC가 더 큰 변위를 받을 수 있으며, 균열 발생 전까지 우수한 구조성능을 보인다.

장점 (Advantages):

균열 미발생: 설계하중 하에서 균열이 생기지 않으므로 내구성 및 수밀성이 우수
경량화: 복부 폭을 얇게 할 수 있어 구조물 자중 감소 (장대교량 및 큰 하중 구조물에 적합)
처짐 감소: 고정하중 및 활하중에 의한 처짐이 작음
충격·반복하중 저항: 충격하중이나 반복하중에 대한 저항력이 큼
연성파괴: 파괴의 전조(前兆)가 뚜렷함
장경간 가능: RC보다 긴 경간 구조 가능
복원성: 구조물의 자중이 가볍고 복원성이 우수

단점 (Disadvantages):

내화성 불리: 고강도 강재는 고온에서 급격한 강도 감소 (RC보다 내화성 취약)
시공 복잡: 정착장치, 쉬스(Sheath), 그라우팅 등 부속재료 및 공정 추가
높은 초기비용: 고강도 재료 및 특수 장비로 인한 초기 공사비 증가
설계 복잡: 응력 및 안전성 검토 단계가 많고 하중의 크기·방향에 민감
전문 인력 필요: 설계, 제조, 운반, 가설 전 과정에서 세심한 주의와 전문성 요구
진동 발생: RC에 비해 단면이 작아 변형이 크고 진동하기 쉬움

문제 1

다음 사항 중 프리스트레스트 콘크리트의 장점이 아닌 것은?

구조물의 자중이 가볍고 복원성이 우수하다.
철근 콘크리트에 비하여 강성이 크고 진동이 적다.
부재에 확실한 강도와 안전율을 갖게 할 수 있다.
설계하중 하에서는 균열이 생기지 않으므로 내구성이 크다.

해설: RC에 비해 단면이 작기 때문에 변형이 크게 일어나고 진동하기가 쉽다.

답: 2

문제 2

다음은 프리텐션 방식과 포스트텐션 방식의 장점을 열거한 것이다. 옳지 않은 것은?

프리텐션 방식은 보통 공장에서 제조되므로 제품의 품질에 대한 신뢰도가 높다.
프리텐션 방식은 PS 강재를 곡선으로 배치하기가 쉬워서 대형 부재 제작에도 적합하다.
프리텐션 방식은 같은 모양과 치수의 프리캐스트(precast) 부재를 대량으로 제조할 수 있다.
포스트텐션 방식은 프리캐스트 PSC 부재의 결합과 조립에 편리하게 이용된다.

해설: 포스트텐션은 조립과 긴장재의 곡선 배치를 통한 대형부재 제작이 용이하다.