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프리스트레스트 콘크리트에서 부착긴장재와 비부착긴장재의 차이토목구조/프리스트레스트 콘크리트(PSC) 2025. 4. 18. 09:10반응형
프리스트레스트 콘크리트 거더 단면 1. 서 론
프리스트레스트 콘크리트(Prestressed Concrete)는 콘크리트의 취약한 인장 성능을 극복하기 위해 인공적으로 긴장력을 도입하여, 구조물의 휨과 균열을 최소화하는 구조입니다. 이러한 프리스트레싱 시스템에서 긴장력을 전달하는 핵심 요소는 바로 '긴장재(Tendon)'이며, 이 긴장재는 부착형(Bonded)과 비부착형(Unbonded)으로 나뉘게 됩니다. 이 두 가지 방식은 긴장재의 콘크리트 내부에서의 위치, 거동 방식, 유지관리의 용이성, 구조적 안전성 등에서 서로 다른 특성을 보이며, 구조물의 형태 및 용도에 따라 선택적으로 적용됩니다.
2. 부착 긴장재 (Bonded Tendons)
2.1 정 의
부착 긴장재(Bonded Tendons)는 긴장재(주로 강연선, PC Strand)가 콘크리트 속의 덕트(duct)에 위치한 상태에서 긴장을 도입하고, 이후 그라우트를 주입하여 긴장재와 콘크리트 사이에 전단저항력을 갖는 부착력(Bond Strength)을 형성하는 방식입니다. 즉, 콘크리트와 강재가 물리적으로 접착되어 일체화되며, 이로 인해 구조적 거동이 하나의 통합된 부재처럼 작용하게 됩니다. 주로 포스트텐션(Post-Tension) 방식에서 사용되며, 특히 교량과 같이 정확성, 신뢰성이 요구되는 구조물에서 널리 활용됩니다.
2.2 특 징
부착 긴장재는 구조물의 각 부위에 도입된 프리스트레스를 콘크리트 단면 전체에 고르게 분산시키는 특성이 있습니다. 긴장재가 콘크리트와 밀착된 상태로 존재하기 때문에, 하중이 작용할 때 구조물은 하나의 통합된 단위로 응력에 저항하며, 균열 발생 시 그 위치에만 영향을 주고, 구조 전체에 영향을 끼치지 않는다는 점에서 국부적 손상에 대한 저항성이 우수합니다. 이러한 특징은 특히 반복하중이 작용하는 구조물에서 매우 중요한 장점으로 작용합니다.
2.3 장 점
- 일체성 우수 : 콘크리트와 긴장재가 일체화되어 전단력 및 휨모멘트에 대한 저항력이 높고, 하중의 재분배 능력도 우수합니다.
- 균열 제어 능력 탁월 : 긴장력이 콘크리트 전체에 균일하게 전달되므로, 구조물 전체의 균열을 효과적으로 제어할 수 있습니다.
- 파괴 시 안전성 확보 : 국부적인 파괴로 제한되며, 연쇄적 파괴(Progressive Collapse)가 발생할 가능성이 낮습니다.
- 시공 이후 구조적 안전성 : 장기 사용 중에도 구조의 안전성이 비교적 높으며, 외부 요인에 대한 저항성이 뛰어납니다.
2.4 단 점
- 시공 품질 관리가 매우 중요 : 그라우트 주입 불량이나 공극 발생 시, 긴장재 부식 위험 증가 및 구조성능 저하 가능성이 있습니다.
- 긴장재 교체 불가능 : 일체화되어 있어 손상 발생 시 긴장재를 쉽게 교체할 수 없으며, 보수 시 특수 공법이 요구됩니다.
- 시공 난이도 상승 : 긴장 도입 후 그라우팅 작업까지 필요하므로 시공 공정이 길고 품질 확보가 어려울 수 있습니다.
- 긴장력 모니터링 어려움 : 구조물 사용 중 긴장재의 상태를 직접적으로 확인하거나 개별 긴장력 조절이 불가능합니다.
3. 비부착 긴장재 (Unbonded Tendons)
3.1 정 의
비부착 긴장재(Unbonded Tendons)는 긴장재가 콘크리트 내부에 존재하지만, 윤활제(그리스 등)로 코팅된 후, 폴리에틸렌(PE) 튜브 또는 플라스틱 덕트에 삽입되어 콘크리트와 물리적으로 부착되지 않은 방식입니다. 즉, 긴장재가 콘크리트와 접촉하지 않고, 콘크리트 속에서 자유롭게 움직일 수 있는 구조로 구성됩니다. 이 방식은 특히 슬래브 구조물이나 건축물 바닥판 등에 자주 사용되며, 시공성과 경제성이 뛰어난 장점이 있습니다.
3.2 특 징
비부착 긴장재는 콘크리트와 독립적으로 작용하므로, 구조적으로는 각각의 긴장재가 개별 부재처럼 거동합니다. 이로 인해 구조물 전체에 걸친 응력 재분배 능력은 낮지만, 긴장재의 개별 조절 및 교체 가능성은 높아져 유지관리 측면에서 유리한 조건을 가집니다. 특히, 아파트 바닥 슬래브와 같이 경제성과 시공 속도가 중요한 경우에서 많이 채택되고 있습니다.
3.3 장 점
- 시공성 우수 : 긴장 도입 후 그라우트 주입이 필요 없으므로 공기가 짧고 시공이 간편합니다.
- 유지보수 용이 : 긴장재가 콘크리트에 고정되어 있지 않기 때문에 필요 시 개별 긴장재의 교체나 장력 조정이 가능합니다.
- 경제적 구조 적용 : 건축물 바닥 슬래브와 같은 반복적 구조물에 적용 시 자재 및 공사비 절감 효과가 있습니다.
- 긴장력 재조정 가능 : 사용 중에도 필요에 따라 장력을 조절할 수 있어 장기적인 구조 관리에 유리합니다.
3.4 단 점
- 구조적 일체성 부족 : 콘크리트와 긴장재가 부착되지 않아 구조적 일체성이 낮아지고, 하중 분산 효과도 제한적입니다.
- 균열 제어 능력 저하 : 부착력이 없기 때문에 하중 증가 시 균열의 제어력이 떨어지며, 균열 발생이 넓게 퍼질 수 있습니다.
- 연쇄파괴 가능성 : 긴장재 손상 시 해당 부위가 전체 구조물에 영향을 줄 수 있는 리스크가 존재합니다.
- 내구성 문제 : 긴장재의 위치나 상태를 콘크리트 외부에서 확인하기 어렵고, 윤활유 손실 또는 습기 유입 시 부식 위험이 증가할 수 있습니다.
4. 구조적 비교 : 부착 긴장재 vs 비부착 긴장재
4.1 일체성 및 하중 분산 능력
부착 긴장재는 긴장재와 콘크리트가 강하게 결합되어 있어 구조적으로 하중을 단면 전체로 효과적으로 분산시킵니다. 반면 비부착 긴장재는 콘크리트와 분리되어 있어 국부적인 하중에 대한 저항은 가능하지만, 전반적인 하중 분산 능력은 상대적으로 낮습니다.
4.2 파괴 양상과 안전성
부착형은 파괴가 발생하더라도 국부적으로 제한되어 있으며, 이는 구조 전체의 붕괴로 이어지는 것을 방지합니다. 비부착형은 한 부위에서의 손상이 전체 구조물에 영향을 미칠 수 있어, 반복하중 또는 충격하중에 상대적으로 약할 수 있습니다.
4.3 유지관리 및 점검의 용이성
비부착 긴장재는 개별 긴장재의 접근이 가능하고 장력 조절 및 교체가 가능하므로 유지관리 측면에서 우수합니다. 반면, 부착형은 구조물 속에 고정되어 있어 접근이 불가능하고, 보수 시 추가적인 조치가 필요합니다.
4.4 실무 적용 사례
- 부착 긴장재는 교량, 장경간 슬래브, 고하중 구조물 등 대규모 구조물에 적용됩니다.
- 비부착 긴장재는 아파트 바닥 슬래브, 주차장, 옥상 슬래브 등 반복적이고 시공성이 중요한 건축물에 많이 사용됩니다.
5. 국내 설계기준(KDS)에서의 규정 및 실무 적용 경향
국내의 국토교통부 설계기준(KDS 14 23 00 프리스트레스트 콘크리트 구조기준)에서는 부착 및 비부착 긴장재 모두를 명확히 구분하여 설계 지침을 제공하고 있으며, 각 방식에 따른 긴장력 손실 계산, 정착 조건, 설계 장기응력, 그라우팅 품질 관리 등에 대해 상세하게 규정하고 있습니다. 실무에서는 구조물의 종류에 따라 적용 방식이 달라집니다.
- 건축 구조물, 특히 공동주택, 상업시설, 슬래브 구조물에서는 비부착 긴장재가 주로 사용됩니다. 시공이 간단하고 경제성이 뛰어나며, 유지보수에도 유리하기 때문입니다.
- 반면, 교량, 터널 라이닝, 장경간 구조물처럼 고하중, 신뢰성이 요구되는 구조물에서는 부착 긴장재가 주로 사용됩니다. 구조적 안전성, 하중 분산, 파괴 저항성에서 우수한 성능을 제공하기 때문입니다.
6. 결 론
프리스트레스트 콘크리트에서 부착 긴장재와 비부착 긴장재는 각각 고유의 장단점과 구조적 특성을 가지고 있습니다. 설계자는 구조물의 형태, 하중 조건, 시공 여건, 유지관리 계획 등을 종합적으로 고려하여 최적의 긴장재 시스템을 선택해야 하며, 관련 설계기준(KDS)에 따라 적절한 설계 및 시공 절차를 준수하는 것이 무엇보다 중요합니다. 이번 시간에는 프리스트레스트 콘크리트에서 부착긴장재와 비부착긴장재의 특징, 장단점 및 구조적 특성에 대해 알아 보았습니다.
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