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1. 일반
1) 프리스트레스를 주는 데는, 통상 고장력의 강재(PC강재)가 이용되며 다음의 두 방법으로 대별된다.
① 프리텐션방식 : 거푸집속의 소정위치에 배치된 PC강재에 인장력을 준 다음 콘크리트를 쳐 넣는다. 콘크리트의 경화 후 강재의 긴장력을 서서히 늦추어 콘크리트와 강재와 부착에 의해 프리스트레스를 주는 방식
② 포스트텐션방식 : 거푸집속의 소정위치에 PC강재를 통한 쉬스를 배치해 놓고 콘크리트를 쳐 넣는다.
콘크리트의 경화 후 PC강재에 긴장력을 주어 강재단을 콘크리트 부재에 정착하여 프리스트레스를 주는 방식, 통상 프리스트레스를 준 다음 쉬스내에 시멘트 페이스트 그라우트를 주입하여 콘크리트와 PC강재와의 부착을 생기게 한다.
* Pre-Tension 공법과 Post-Tension 공법의 비교
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NO. |
공종 |
Pre-Tension 방법 |
Post-Tension 방법 |
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1 |
시공방법 |
PC 강선 인장
Concrete 타설
긴장 풀어서 Prestress 도입
공장제품으로 품질이 우수하다. |
PC 강선 인장
Concrete 타설
경화후(σck가 85%일 때)
긴장-정착-Grouting |
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2 |
공장설비 필요성 |
대량생산
(L=12m까지 제작) |
현장제작에 유리 |
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3 |
곡선배치 가능성
(역학적 안정성) |
직선배치 |
우수(곡선 배치) |
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4 |
장대지간에 적용성 |
불리 |
우수 |
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5 |
분할시공서(Block Segment) |
불리 |
우수 |
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6 |
긴 부재 |
불리 |
유리 |
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7 |
짧은 부재 |
유리 |
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8 |
σck |
350kg/cm2 |
300kg/cm2 |
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9 |
σr |
σck × 1.15 |
σck × 1.15 |
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10 |
도입시기(압축강도 기준) |
300kg/cm2 |
250kg/cm2 |
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11 |
정착장치 |
불필요 |
필요 |
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12 |
Prestressing 방식(종류) |
Long Line방식, Individual Mold Method |
Freyssinet, BBRV, VSL, Dywidag, Preflex 공법 |
* Post-Tensioning 방식
가. Grouting의 역할
(1) PC 강재의 녹방지 시키고
(2) Concrete와 부착시키기 위해서 Sheath안에 Mortar 투입
나. Grout 재료
(1) Concrete
(2) Mortar
다. Grout 배합
(1) Cement : Portland Cement 사용
(2) 조립 잔골재 사용
(3) W/C비 : 45%이하
(4) 지연제와 감수제
(5) Aluminum 분말 사용 - 팽창성 높게 한다.
라. PC Grout의 구비조건
(1) 반죽질기 : 시공에 적합해야 하고
(2) 팽창율 : 10% 이하
(3) 압축강도 : 200kg/cm2 이상(재령 28일)
마. 시공시 주의사항
(1) Grout Mixer, Grout Pump, 한중, 서중, Fly Ash
(2) Grout의 주입압력 : 6kg/cm2 이상
2) 프리텐션방식의 대표예로서 공장생산의 비교적 소형치수의 부재에 이용되는 롱라인방식이 있다. PC강재를 100∼150m 떨어진 지지대간에 긴장, 정착하여 동시에 다수의 제품을 만들 수가 있다.
포스트텐션 방식은 비교적 대형의 부재나 프리캐스트 부재의 접합에 이용된다. 포스트텐션방식에서는 사용하는 긴장재에 의해 여러 가지의 정착구가 고안되고 있다. 그 주요한 것은 쐐기고정(플레시네, MDC, 후프콘, OSPA등), 강선재두와 너트고정(BBRV), 전조나사·너트고정(DB 더크)등이 있다.
2. 콘크리트, PC강재, 정착구 및 접속구
1) 콘크리트
프리스트레스 콘크리트에는 고강도의 콘크리트 및 강재를 이용할 필요가 있다. 이것은 당초 주어진 프리스트레스가 콘크리트의 클립, 건조수축이나 PC강재의 리락크세이션(응력이완)에 의해 점차로 감소되기 때문에 큰 프리스트레스를 도입하고 또 이것을 오래 잔존시키기 위해서는 클립, 건조수축이 적은 고강도의 콘크리트를 필요로 하기 때문이다. 일반적으로 굵은골재의 최대치수 25mm를 표준으로 하고 압축강도 400kg/㎠ 이상의 콘크리트가 이용되고 있다.
2) PC강재
- PC강재의 저장에 있어서
① 코일상에 감은 PC강재를 세로로 몇단이나 겹치게 되면 유해한 휨이 지속적으로 작용하여 응력부식의 우려가 있으므로 겹치는 수를 제한 할 필요가 있다.
② 코일을 푸는 경우에 말려있던 습성이 남지 않도록 하기 위해 코일의 감기는 직경을 강재의 직경의 150배 이상으로 한다.
3) 정착구 및 접속구
(a) 정착구, 접속구에는 쐐기방식, 나사방식 등 여러 종류가 있으나 다음 항목을 만족하는 것으로 한다.
① 정착구와 콘크리트를 조합한 시험에 있어 정착제는 긴장재의 규격인장하중의 100%이상 견디어낼 것.
② 정착구 또는 접속구와 긴장재를 조합한 시험에 있어 부착없는 상태에서의 정적인장시험으로 정착구의 정착효율 또는 접속구의 접속효율은 긴장재의 규격인장하중의 95%이상일 것. 단, 효율이 95%미만 90%이상인 경우는 새로운 규격치를 정해 사용해도 좋다.
(b) 정착구 및 접속구의 시험은 『PC공법의 정착구 및 접속구의 시험방법(안)』에 의한다.
3. 긴장재(PC강재 또는 PC강재군)의 배치작업
1) 긴장재의 배치상황은 프리스트레스의 크기나 부재의 파괴안전도에 중대한 영향을 미치기 때문에 설계에 표시된 위치 및 형상에 정확히 배치하지 않으면 안된다.
허용되는 배치오차는 주로 부재치수에 의해 다르며 긴장재의 도심위치의 착오는 부재높이가 1m 미만의 경우 5mm 이하, 1m 이상의 경우는 부재높이의 1/20이하로 10mm 이하가 된다.
2) 배치작업 중 PC강재가 열영향을 받지 않도록 주의한다. 이 때문에 용접봉을 접촉시키지 않도록 하는 것은 물론 아크용접 불꽃을 받지 않도록 주의한다.
4. 프리스트레싱
1) 콘크리트에 주어진 프리스트레스는 여러 가지의 요인에 따라 감소되기 때문에 이러한 프리스트레스의 손실을 고려하여 긴장재를 인장하지 않으면 안된다. 즉 긴장재 끝에 주는 인장력은 다음식으로 표시된다.
Pi = P(x) + [ΔPi(x) + ΔP(x)]
여기서, Pi : 긴장재 끝에 주는 인장력(kg), P(x) : 설계단면에 있어서 소요의 프리스트레스 힘(kg), ΔPi(x) : 프리스트레싱 직후에 있어서 설계단면에 생기는 프리스트레스력의 손실(kg)에서,
① 콘크리트의 탄성변형에 의한 손실
② 긴장재와 덕트(쉬스기타에 의함)와의 마찰에 의한 손실
③ 긴장재를 정착할 때의 세트(정착구의 변형이나 유희)에 의한 손실등 ΔPt(x) : 설계단면에 있어서 프리스트레스힘의 경과시 손실(kg)
① 콘크리트의 클립 및 건조수축에 의한 손실
② PC강재의 리락크세이션에 의한 손실
2) 프리텐션방식의 경우에는 보통 다수의 PC강재를 동시 긴장하여 콘크리트의 경화 후 동시에 해방하기 때문에 해방시에 부재단축(콘크리트의 탄성변형)이 일어나며 그 결과 긴장재가 풀려서 프리스트레스가 감소되므로 반드시 이것을 고려하지 않으면 안된다.
3) 포스트텐션방식의 경우에는
(a) 프리스트레싱의 경우 반력을 콘크리트 부재자체에서 받기 때문에 긴장재를 동시 긴장하도록 하는 경우에는 탄성변형에 의한 손실은 없다. 그러나 일반적으로 PC강재를 순차로 인장하기 때문에 앞에 정착된 PC강재의 인장력은 그 후의 프리스트레싱에 의한 콘크리트의 탄성변형에 의해 감소된다. 통상 간략하기 위해 평균감소량을 구하고 이것을 모든 PC강재의 인장력에 일정하게 가산한다.
(b) 긴장재 끝에 인장력을 줄 때 긴장재와 덕트와의 사이에 마찰에 의해 인장끝에서 멀어짐에 따라 인장력은 점차로 작아지기 때문에 이것을 고려하여 긴장재 끝에 주는 인장력을 할증해 둘 필요가 있다.
마찰손실이 크기 때문에 긴장재 끝에 주는 인장력이 과대해지는 경우에는 감마제를 이용한다. 감마제로서 중성세제, 수용성 그리스등, 긴장후 용이하게 제거될 수 있는 것을 이용한다. 단 부착이 생기지 않는 경우는 방청효과를 겸한 그리스, 파라핀, 왁스등이 이용된다.
4) 프리스트레싱을 실시해도 좋을 때 콘크리트의 강도
(a) 프리스트레싱을 실시해도 좋을 때 콘크리트의 압축강도는 프리스트레스를 준 직후에 콘크리트에 생기는 최대압축응력의 1.7배 이상으로 한다. 이것은 콘크리트에 생기는 최대압축응력은 긴장재의 리락크세이션, 콘크리트의 클립, 건조수축등에 의해 차츰 감소되기 때문에, 일반의 설계하중에 대해 안전도를 작게해도 좋은 것이다.
또한 콘크리트의 압축강도는 가급적 구조물의 콘크리트와 같은 상태로 제조 및 양생한 공시체의 압축강도로 한다.
(b) 프리텐션방식의 경우는 콘크리트와 PC강재와 사이에 충분한 부착강도가 필요한 것도 고려하여 300kg/㎠이상으로 한다. 부재길이가 짧은 경우는 부착길이도 짧기 때문에 부착에 대해서 특히 배려를 요한다. 보통 프리스트레싱시 압축강도는 400kg/㎠이상이 된다.
5) 프리스트레싱 중의 위험방지
프리스트레싱에 의해 인장력이 주어지는 긴장재는 큰 에너지를 갖기 때문에 만일 긴장재가 파단된다던지, 정착구나 인장장치가 파손 된다던지 하면 순식간에 에너지가 개방되어 추출될 우려가 있다. 그러므로 작업원의 위험방지를 위해 프리스트레싱 작업중 어떠한 경우라도 인장장치나 고정장치의 이면에 서지 않도록 지도하는 동시에 인장장치의 후방에 방호판을 둔다.
5. 긴장재 끝에 주는 인장력의 계산
긴장재 끝에 준 인장력은 여러 가지의 원인에 의해 감소된다. 이하에 인장력 또는 프리스트레스 힘의 손실의 계산법의 개요를 말한다.
1) 콘크리트의 탄성변형에 의한 손실
포스트텐션방식에 있어서 긴장재를 순차 인장하는 경우, 앞에 정착된 긴장재의 인장력은 그 후의 프리스트레싱에 의한 콘크리트의 탄성변형에 의해 감소되기 때문에 최초에 인장재의 손실이 크고 순차 손실량은 작아진다. 그라나 이와같이 하여 개개의 긴장재의 인장력을 계산하는 것은 번잡하므로 다음식에 의해 평균인장응력 감소량을 계산한다.
Δσp = (1/2)nσcpg(N-1)/N
여기서, Δσp : 평균인장응력 감소량(kg/㎠), n : PC강재와 콘크리트의 영계수비(Ep/Ec), σcpg : 프리스트레싱에 의한 긴장재 도심위치
의 콘크리트의 압축응력에서 프리스트레스힘 및 동시에 작용하는 영구하중(빔의 변형에 의한 자중재하)을 고려하여 구하는(kg/㎠), N : 긴장회수(긴장재의 조수)
각 조의 긴장재의 단면적을 ap로 하고, 간단히 하기 위해 각조의 긴장재의 인장력에 apΔσp를 일정하게 가산한다.
2) 마찰에 의한 손실
(a) 마찰손실은 덕트의 물결치는 것에 의한 길이에 따른 마찰손실과 휨에 의한 마찰손실에서 구성되는 것으로 한다.
(b) 긴장재 끝의 인장력을 Pi : 설계단면에 대한 인장력을 Px로 하면 마찰의 영향은 다음식으로 나타낸다.
Px = Pi e-(μα+ix)
여기서, Px 및 Pi : 설계단면 및 긴장재단에 대한 인장력(kg), α : 긴장재의 각변화(rad), x : 긴장재의 길이(m), μ : 각 변화 1rad당 마찰계수(휨의 영향), λ : 긴장재의 길이 1m당 마찰계수(파도치는 영향), μ, α는 실측치가 없는 경우 표이용
(c) 긴장재의 길이 40m 이하 각변화 30°정도 이하는 경우는 근사식으로서 사용할 수가 있다.
Pi = Px/(1-μα-λx)
3) 정착구의 세트에 의한 손실
세트량은 정착구의 종류에 따라 다르며 쐐기방식의 경우 2∼4mm로 가장 크다. 그러나 세트에 의해 긴장재의 단부부근이 변형되어도 긴장시와 같은 마찰저항이 역방향으로 작용하여 부재가 극히 짧은 경우를 제외하고, 부재의 중앙부까지 그 영향을 미치는 일은 없으며 보통 긴장재 끝의 인장력의 산정에 세트의 영향을 고려하지 않아도 된다.
4) 콘크리트의 크리이프, 건조수축 및 PC강재의 리락크세이션에 의한 손실 이것들의 경과시 손실의 영향은 다음 식으로 표시하는 유효계수로 나타낸다.
η = Pe/Pt = (σpt - Δσpcs -Δσpr)/σpt
여기서, η : 유효계수, Pe : 유효인장력(kg), Pt : 프리스트레싱 직후의 긴장재의 인장력(kg), σpt : 프리스트레싱 직후의 긴장재의 인장응력(kg/㎠), Δσpcs : 콘크리트의 크리이프, 건조수축에 의한 긴장재의 인장응력의 감소량(kg/㎠), Δσpr : PC강재의 리락세이션에 의한 긴장재의 인장응력의 감소량(kg/㎠)에서 식 (13.23)에서 구한다.
Δσpcs = nΦ(σ'cd+σ'cpt)+Epε'cs / 1+n(σ'cpt/σ'pt)(1+Φ/2)
여기서, Φ : 콘크리트의 크리이프계수(표 참조), ε'cs : 콘크리트의 건조수축변형(표 참조), σ'cd : 긴장재 도심위치에 대한 영구하중(자중 및 사하중)에 의한 콘크리트의 압축응력(kg/㎠), σ'cpt : 긴장재의 도심에 있어서 프리스트레싱 직후의 프리스트레싱(kg/㎠), σpt : 프리스트레싱 직후의 긴장재의 인장응력(kg/㎠)
Δσpr = γσpt
여기서 γ : 겉보기의 리락크세이션율(콘크리트의 크리이프, 건조수축에 의해 부재가 점차로 단축되는 것을 고려한 경우의 리락크세이션)로 표 에 의한다.
표 1 콘크리트의 크리이프 계수
|
시멘트의
종류 |
환경조건 |
프리스트레스를 주었을 때 또는 재하할 때의 콘크리트의 재령 |
|
4∼7일 |
1∼4일 |
2∼8일 |
3개월 |
1년 |
|
조강 시멘트 |
옥외
옥내 |
2.6
4.0 |
2.3
3.3 |
2.0
2.8 |
1.7
2.1 |
1.2
1.3 |
|
보통 시멘트 |
옥외
옥내 |
2.8
4.3 |
2.5
3.6 |
2.2
3.1 |
1.9
2.4 |
1.4
1.6 |
표 2 콘크리트의 건조수축변형(×10-6)
|
콘크리트의 재령
환경조건 |
3일이내 |
4∼7일 |
28일 |
3개월 |
1년 |
|
옥외의 경우 |
250 |
200 |
180 |
160 |
120 |
|
옥내의 경우 |
400 |
350 |
270 |
210 |
120 |
* 설계에서 건조수축을 고려할 때의 건조개시 재령
표 3 PC강재의 겉보기의 리락크세이션율 γ
|
종류 |
γ(%) |
|
PC 강선, 강연선
PC 강봉
저리락크세이션 PC강재 |
5
3
1.5 |
6. 프리스트레싱의 관리
1) 프리스트레싱에 있어서 긴장재와 덕트간의 마찰상태등에 의해 설계단면에 있어서 인장응력은 변동되기 때문에, 이 편차를 고려하여 설계에서 정한 인장력을 만들지 않도록 긴장재 끝에 인장력을 주지 않으면 안된다.
2) 개개 긴장재의 프리스트레싱의 관리는 다음방법에 의하는 것이 편리하다.
(a) 긴장작업 중 잭의 하중계의 시도(示度)와 긴장재의 빼낸량을 측정하여 이것을 관리 특성으로 한다.
(b) 그림 에 표시한 바와 같이 임의의 마찰계수치 μA 및 μB를 이용하여 해당 긴장재에 대해서 기장재 끝에 주는 인장력과 빼낸량과의 관계직선을 구한다.
이 경우 물결치는 영향 λ은 각 변화로 환산한다.
λ = μΔα
여기서, Δα : 긴장재 1m당 부가각도화로 보통 Δα=0.012rad로서 만족하다.
(c) 긴장시에 있어서 하중계의 시도와 빼낸량과의 관계직선을 묘사하여 직선 AB와의 교점을 구하고, 이점이 표시하는 인장응력에 2∼3%를 할증한 것을 만류한다.
(d) 하중계의 시도와 빼낸량이 선형관계가 되지 않는 경우는 무엇인가의 이상이 생긴 것으로 판단되므로 프리스트레싱을 다시 고치지 않으면 안된다.
7. PC 그라우트
1) PC 그라우트는 덕트내에 완전히 충전하고 긴장재를 녹쓸지 않도록 보호하는 동시에 콘크리트 부재와 긴장재를 부착에 의해 일체화 할 것을 목적으로 한다.
일반 설계하중작용시에는 부착의 유무에 따라 프리스트레스트 콘크리트 부재의 역학적 거동에 변함이 없으나 파괴시의 내력은 부착이 없는 경우는 상당히 저하된다. 설계상은 보통 단면내력을 30% 저감한다.
2) PC 그라우트의 성질
PC 그라우트는 다음 조건을 만족하는 것으로 하고 시험은 「PC 그라우트 시험방법(안)」에 의한다.
① 유동성 : 덕트의 길이, 형상, 시공시기 등에 의한 JA 로트 유하시간 15∼30초(통상의 감수제를 이용하는 경우)
② 팽창율 : 10% 이하에서 주입완료까지(30분 정도) 블리딩율을 상회 할 것.
③ 블리딩율 : 3% 이하
④ 압축강도(28일) : 200kg/㎠ 이상
⑤ 염화물 함유량 : 그라우트 속에 전염화물 이온량은 0.30kg/㎥ 이하로 한다.
3) PC 그라우트의 시공
(a) PC 그라우트의 배합은 물시멘트비 40∼45%의 시멘트페이스트로 하고 발포제, 감수제등의 혼화재료를 적당히 첨가한다. 고성능감수제를 이용하여 물시멘트비를 35% 정도로 하는 것도 있다.
(b) 주입작업의 순서
① 덕트내에 물을 통하여 이물질을 제거하는 동시에 충분히 적신다.
② PC 그라우트를 그라우트펌프에 넣기 전에 1.2mm 체를 통과 시킨다.
③ 주입을 개시하여 유출구에서 일정한 유동성의 그라우트가 충분한 양이 유출될 때까지 중단치 않고 실시한다.
④ 유출구를 닫고, 주입압을 높이는데 유지하여 주입을 마친다.
(c) 한중 시공의 경우는 덕트주변을 5℃이상, 주입시의 그라우트의 온도를 10∼25℃로 하고, 주입 후 5일간 50℃이상으로 유지한다. 고성능감수제를 이용하여 물시멘트비를 저감한 경우는 한중 시공에 대해서 유리하다. 즉 덕트주변을 5℃, 그라우트 온도를 10∼25℃로 하면 주입완료후 기온이 -5℃에 도달할 때까지에 10시간 이상 경과되면, 그 후 단속적으로 기온이 -5℃가 되어도 凍害는 인정되지 않았다.
(d) PC 그라우트의 시험
공사 개시전에 유동성, 팽창율, 블리딩율, 압축강도의 시험을 실시한다. 공사중의 시험으로서는 상기 중 블리딩시험을 생략해도 좋다. |