2장 재료 - PS 콘크리트

2.1.1 구성성분

[그림 2.1.1 콘크리트 구성성분]

콘크리트의 4대 구성 재료:

시멘트 (Cement, C): 결합재
물 (Water, W): 수화반응 매개체
잔골재 (Fine Aggregate, S): 모래 (Sand)
굵은골재 (Coarse Aggregate, G): 자갈 (Gravel)

물시멘트비 (W/C, Water-Cement Ratio):

W/C = 물의 중량 / 시멘트의 중량 ≈ 0.5 / 1 = 0.5 = 50%

예제:
W/C = 0.5, 물(W) = 140 kgf/m³ 인 경우
→ 140/C = 0.5
→ 시멘트 C = 140/0.5 = 280 kgf/m³

콘크리트 단위중량:

γ_conc = γ_W + γ_C + γ_S + γ_G

일반적으로 약 2,300~2,400 kgf/m³

콘크리트 배합비 (Mixing Ratio):

중량비: 시멘트 : 잔골재 : 굵은골재 = 1 : 2 : 4
또는: 1 : 3 : 6

2.1.2 압축강도

설계기준강도 (f_ck, 설계기준압축강도):

콘크리트 부재를 설계할 때 기준이 되는 콘크리트의 압축강도로서, 일반적으로 재령 28일의 압축강도를 기준으로 한다.

평균압축강도 (f_cm):

설계에 대한 검증과 콘크리트의 다른 성질을 평가하기 위해서 실제 콘크리트의 평균압축강도가 필요할 경우가 있다. 충분한 통계 자료가 없다면 평균압축강도 f_cm은 다음과 같이 평가할 수 있다.

f_cm = f_ck + Δf

여기서 Δf는:
• Δf = 4 MPa (f_ck ≤ 40 MPa인 경우)
• Δf = 6 MPa (f_ck > 60 MPa인 경우)
• 직선보간 (40 MPa < f_ck ≤ 60 MPa인 경우)

[그림 2.1.2 콘크리트의 응력-변형률 곡선]

2.1.3 탄성계수

중요: 철근의 탄성계수(E_s)는 콘크리트 탄성계수(E_c)의 약 7~10배이다.

탄성계수의 정의:

E_c = f / ε = 응력-변형률 곡선의 기울기

[그림 2.1.3 응력-변형률 곡선에서의 탄성계수]

탄성계수의 종류:

초기접선탄성계수 (Initial Modulus): 원점에서 그은 접선의 기울기, 초기 선형상태의 기울기
접선탄성계수 (Tangent Modulus): 임의의 점에서 그은 접선의 기울기 (위치에 따라 달라짐)
할선탄성계수 (Secant Modulus): 원점과 0.5f_ck 또는 0.25f_ck에 대한 점을 연결한 기울기
→ 국내에서는 할선탄성계수를 콘크리트의 탄성계수 E_c로 한다.

콘크리트의 할선탄성계수 (Secant Modulus): E_c

콘크리트의 단위질량의 값이 1,450~2,500 kg/m³인 콘크리트의 경우:

E_c = 0.077 m_c^1.5 ³√f_cm (MPa)

보통중량골재를 사용한 콘크리트 (m_c = 2,300 kg/m³):
E_c = 8,500 ³√f_cm (MPa)

여기서 f_cm에 대한 충분한 시험자료가 없는 경우:
f_cm = f_ck + Δf (= 28일 평균강도)

콘크리트의 초기접선탄성계수 (Initial Modulus): E_ci

크리프 계산에 사용되는 콘크리트의 초기접선탄성계수와 할선탄성계수와의 관계:

E_ci = 1.18 E_c (MPa)

2.1.4 PSC용 콘크리트

(1) 압축강도가 높아야 한다

설계기준강도 최소값:

f_ck ≥ 35 MPa : 프리텐션 방식
f_ck ≥ 30 MPa : 포스트텐션 방식

고강도 콘크리트가 필요한 이유:

PSC는 프리스트레싱에 의해 콘크리트에 큰 압축응력이 작용
일반적으로 PSC는 재령 28일 강도 40 MPa 이상 사용
부재 단면을 축소시킬 수 있어 구조물 자중 경감
긴 경간 구조물이나 고층 건축물에 유리

고강도 콘크리트의 장점:

탄성계수 증가 → 처짐 감소
건조수축 감소
크리프 감소
프리스트레스 손실 감소

배합강도 (f_cr): 실제 현장에서의 콘크리트 강도는 이론적 필요 강도를 정확하게 타설하고 시공하기 어렵기 때문에 배합 설계시 배합강도는 설계기준강도보다 대략 15% 정도 크게 한다.

(2) 건조수축 및 크리프 변형이 적어야 한다

[그림 2.1.4a 건조수축이란?]

[그림 2.1.4b 콘크리트 기둥의 시간 경과에 따른 변형 메커니즘]

건조수축 (Shrinkage):

콘크리트 내부 수분이 증발하면서 발생하는 체적 감소
시간이 지남에 따라 점진적으로 발생
프리스트레스 손실의 주요 원인

크리프 (Creep):

일정한 하중이 지속적으로 작용할 때 시간에 따라 증가하는 변형
탄성변형 + 소성변형(크리프 변형)
프리스트레스 손실의 가장 큰 원인

[그림 2.1.4f 크리프로 인한 부재의 변형]

[그림 2.1.4g 강거더와 콘크리트거더의 시간 경과에 따른 변형 메커니즘]

(3) 시공성이 좋아야 한다

콘크리트의 배합은 PS 긴장재, 덕트(쉬스), 철근, 정착장치 등의 주위에 콘크리트가 잘 채워질 수 있도록 해야 한다.

(4) 정착부 강도가 충분해야 한다

정착부 부근의 콘크리트의 강도는 정착에 의해 생기는 지압응력에 견디는 강도 이상이 되어야 한다.

[그림 2.1.4h 포스트텐션 방식의 PSC 구성: 덕트와 긴장재의 배치]

2.2.1 PS 강재의 종류

PS 강재는 다음과 같이 구분할 수 있다:

종류	영문명	특징
강선	Wire (鋼線)	• 직경 3~8mm의 고강도 강재 • 주로 프리텐션 방식에 사용
강연선	Strand (鋼撚線)	• 여러 가닥의 강선을 꼬아서 만듦 • 7연선(7-wire strand)이 가장 일반적 • 프리텐션·포스트텐션 모두 사용
강봉	Stress Bar (鋼棒)	• 직경이 큰 원형 막대 • 주로 포스트텐션 방식에 사용 • 나사식 정착 가능
기타	Other	• 특수 형태의 긴장재 • 외부 긴장재 등

[그림 2.2.1 강연선과 강봉]

2.2.2 PSC용 PS 강재의 요구 조건

(1) 인장강도가 커야 한다

PSC에서는 PS 강재의 릴랙세이션, 콘크리트의 건조수축, 크리프 등으로 인하여 처음에 가해진 프리스트레스가 시간이 지남에 따라 감소한다.

초기 프리스트레스가 감소한 후에도 PSC가 성립되기 위해서는 소요의 유효 프리스트레스가 남아 있어야 한다. 따라서 PS 강재를 높은 인장응력으로 긴장해두어야 하므로 고강도 강재가 필요하다.

(2) 항복비가 커야 한다

항복비 = (항복강도 / 인장강도) × 100%

• PS 강재의 항복비: 80% 이상 (가능하면 85% 이상)

(3) 릴랙세이션(Relaxation)이 작아야 한다

릴랙세이션(응력이완): PS 강재를 긴장한 채 일정한 길이를 유지하면 시간의 경과와 더불어 인장력이 감소하는 현상

[그림 2.2.2a PS 강재 인장력의 시간 경과에 따른 변화]

[그림 2.2.2b 릴랙세이션으로 인한 PS 강재 인장력의 변화]

(4) 적당한 연성과 인성이 있어야 한다

연성(Ductility): 인장력을 가했을 때 유연하게 늘어나는 성질
인성(Toughness): 인장력을 가했을 때 견디는 성질

(5) 응력부식 저항성이 커야 한다

응력부식 (Stress Corrosion): 높은 응력 하에서 강재에 녹이 빨리 발생하거나 녹이 없더라도 조직이 취약해지는 현상

강재는 무응력 상태보다 높은 응력 하에서 부식이 촉진되며, 정확한 그라우팅 및 방청 처리를 하는 것이 좋다.

(6) 콘크리트와의 부착강도가 커야 한다

특히 프리텐션 방식에서 중요하다.

(7) 충분한 피로강도를 가져야 한다

반복하중을 받는 구조물(교량 등)에서 중요하다.

(8) 직선성(신직성)이 좋아야 한다

곧게 잘 펴지는 성질이 좋아야 시공이 용이하다.

2.3.1 철근

중요: 모든 등급의 철근이 동일한 기울기(즉, 탄성계수)를 갖고 있다.

철근의 탄성계수, 프리스트레싱 긴장재의 탄성계수:
E_s = 200,000 MPa

형강의 탄성계수:
E_ss = 205,000 MPa

※ 프리스트레싱 긴장재의 탄성계수는 실험에 의하여 결정하거나 제조자에 의하여 주어지는 것을 원칙으로 함

[그림 2.3.1 이형철근의 응력-변형률 곡선]

2.3.2 쉬스와 덕트

쉬스 (Sheath): 덕트를 형성하기 위해 쓰이는 관

덕트 (Duct): 포스트텐션 방식에서 PS 강재를 삽입하기 위해 미리 콘크리트 속에 뚫어주는 구멍

쉬스의 종류:

금속 쉬스: 강재 파형관 (가장 일반적)
플라스틱 쉬스: HDPE 등
고무 쉬스: 특수 용도

쉬스의 역할:

긴장재를 보호
긴장재가 자유롭게 움직일 수 있는 공간 제공
그라우팅을 위한 공간 제공

[그림 2.3.2 PSC 거더 제작을 위한 쉬스 및 철근 배치]

2.3.3 그라우트

그라우트 (Grout): 포스트텐션 방식에서 PS 강재의 부식방지 및 부착을 위해 쉬스 안에 주입하는 시멘트 풀(paste) 및 모르타르(mortar)

그라우팅 (Grouting): 그라우트를 주입하는 작업

그라우팅의 목적:

부식 방지: PS 강재를 외부 환경으로부터 보호
부착 확보: PS 강재와 콘크리트의 부착
응력 전달: 긴장력을 콘크리트에 효과적으로 전달

그라우트 재료:

시멘트 페이스트 (W/C = 0.40~0.45)
또는 시멘트 모르타르
팽창제 또는 감수제 첨가 가능

[그림 2.3.3 PSC 거더의 포스트텐션과 그라우팅 개념도]

[그림 2.3.4 강봉과 강선으로 당긴 쉬스관의 그라우팅]

문제 1: 2019년 공무원 9급 (토목설계)

프리텐션 프리스트레싱 강재가 보유하여야 할 재료성능으로 옳은 것은?

인장강도가 작아야 한다.
연신율이 작아야 한다.
릴랙세이션이 작아야 한다.
콘크리트와의 부착강도가 작아야 한다.

해설:

인장강도가 커야 한다.
적당한 연성이 있어야 한다.
콘크리트와의 부착강도가 커야 한다.

답: 3

문제 2

PS 강재의 종류가 아닌 것은?

강선
강봉
강연선
도관

해설: PS 강재의 종류는 강선, 강봉, 강연선이다.

답: 4

문제 3

긴장재를 긴장한 채 일정한 길이로 유지해두면 시간의 경과와 더불어 인장응력이 감소한다. 이와 같은 현상은?

긴장재의 지연파괴
긴장재의 릴랙세이션
긴장재의 응력부식
긴장재의 크리프

해설: 릴랙세이션(relaxation, 응력이완) - 일정한 길이를 유지할 때 시간이 지남에 따라 응력이 감소하는 현상

답: 2

문제 4

쉬스(sheath)에 대한 다음 설명 중 틀린 것은?

쉬스는 변형을 막고 탄성을 크게 하기 위해 파형으로 만든다.
콘크리트를 칠 때 진동기와 쉬스를 충분히 접촉시켜 공극을 없애야 한다.
이음부는 모르터의 침입을 막기 위해 테이프 등으로 감는다.
그라우팅(grouting)을 하기 직전 덕트(duct) 내부는 압축공기로 깨끗이 청소해야 한다.

해설: 타설 시 진동기의 접촉이나 충격 등으로 인하여 쉬스가 쉽게 변형되거나 눌려서는 안 된다.