더 많은 프리스트레싱이 항상 더 큰 저항을 의미하지는 않습니다!

아마 알고 계시겠지만, ULS 검토는 구조물이 파괴되기 전까지 얼마나 많은 하중을 견딜 수 있는지를 나타냅니다. 하중 효과는 레버 암에 작용하는 한 쌍의 내력에 의해 저항된다는 것이 유효합니다.

프리스트레스트 콘크리트이든 철근 콘크리트이든 관계없이, 동일한 항복강도를 가진 동일한 양의 강재를 사용하면 프리스트레스트 구조물과 철근 콘크리트 구조물은 내력에 도달하기 전까지 동일한 하중을 견딥니다. 프리스트레스트 콘크리트의 추가적인 압축 응력은 구조물이 더 오래 저항하는 데 도움이 되지 않습니다. 그렇다면 왜 이렇게 주목받는 걸까요?

좀 더 자세히 살펴보겠습니다

프리스트레싱을 통해 콘크리트에 압축 응력을 가하면 재료의 거동이 크게 변화합니다. 균열 발생은 응력 여유분이 초기 하중에 저항하므로 지연됩니다. 추가 하중 증분에 따라 콘크리트는 감압 상태에 도달합니다. 이후 콘크리트는 인장강도가 초과될 때까지 인장에 저항합니다.

따라서 균열 발생은 철근 콘크리트에 비해 훨씬 늦게 일어납니다. 또한 동일한 하중에서 프리스트레스트 콘크리트는 균열 발전이 더 느리고 균열 폭도 더 작습니다. 이는 철근의 부식 문제와 관련하여 중요합니다. 또한 구조물의 강성과도 관련이 있습니다. 프리스트레스트 구조물의 높은 강성은 더 작은 변형으로 이어집니다.

아래 그림에서 외부 축방향 인장력을 받는 프리스트레스트 부재와 철근 콘크리트 부재의 이론적 비교를 확인할 수 있습니다. 강연선과 철근은 동일한 항복강도를 가진 동일한 강재로 가정합니다. 양도 서로 대응합니다. 유일한 차이점은 강연선에 긴장력이 도입되어 있다는 것입니다.

• 상태 1 - 첫 번째 하중 증분이 적용됩니다. 프리스트레스트 콘크리트는 응력 여유분을 사용합니다. 철근 콘크리트도 인장강도가 초과될 때까지 저항합니다. 
• 상태 2 - 철근 콘크리트의 인장강도가 초과되면 균열이 발생합니다. 이 시점에서 철근의 이용률이 변형률과 함께 증가합니다. 반면 프리스트레스트 콘크리트에서는 응력 여유분이 여전히 하중 효과에 대응합니다.
• 상태 3 - 프리스트레스트 콘크리트의 인장강도가 초과되면 균열이 발생합니다. 이 시점에서 철근 콘크리트와 마찬가지로 철근의 이용률이 변형률과 함께 증가합니다.
• 상태 4 - 강재의 항복강도가 초과됩니다.

이는 이론적으로 두 구조물이 동시에 붕괴에 이른다는 것을 의미합니다. 즉, 추가적인 압축 응력은 ULS 검토에 영향을 미치지 않습니다.

반면, 동일한 하중에서 철근 콘크리트 구조물은 프리스트레스트 구조물에 비해 훨씬 일찍 상당한 균열과 변형률이 발생합니다. 따라서 설계가 사용한계상태(SLS) 검토를 만족하지 못할 수 있습니다.

또한 프리스트레스트 콘크리트의 위와 같은 장점 외에도, 프리스트레스트 부재의 위치를 통해 내력 분포에 영향을 줄 수 있다는 점도 언급할 필요가 있습니다. 이는 후장 긴장 구조물의 경우에 널리 활용됩니다.

실무에서의 이론

IDEA StatiCa 애플리케이션의 결과와 이 논리가 어떻게 일치하는지 확인해 보겠습니다. IDEA StatiCa Detail에서 두 가지 예제를 살펴보겠습니다. 첫 번째 예제는 선 긴장 빔이고, 두 번째 예제는 프리스트레싱을 제외하고 동일합니다.

이론적 경우와 달리, 부재에는 이제 휨 모멘트도 함께 작용합니다. 붕괴 직전에 훨씬 더 큰 변형을 경험하게 됩니다. 그 외에는 원리가 동일하게 유지되어야 합니다.

IDEA StatiCa Detail

아래 그림은 콘크리트, 철근 및 강연선의 이용률을 보여줍니다. 두 구조물 모두 적용된 하중을 전달할 수 있습니다. 예상대로 철근 콘크리트 빔에 대한 ULS 검토도 유사한 이용률로 통과되었습니다. 

SLS 검토에서는 상당한 차이가 발생합니다.

철근 콘크리트에서 균열이 더 많이 발전하며, 앞서 언급한 바와 같이 이는 구조물의 강성에 영향을 미치고, 따라서 변형에도 영향을 줍니다.

왜 알아야 할까요? 

이것은 이론적인 예제임을 언급하는 것이 중요합니다. 실제 사용에서는 동일한 특성의 철근으로 부재를 보강할 수 없습니다. 또한 사용한계 기준으로 인해 작동하지 않았을 것입니다. 그렇다면 왜 중요할까요?

프리스트레스트 콘크리트의 거동에 대한 올바른 이해는 그 활용을 단순화합니다. 프리스트레싱 힘을 추가하는 것이 나은지, 아니면 더 많은 프리스트레스트 강연선/후장 긴장 텐던을 추가하는 것이 나은지 결정할 수 있어야 합니다. 또는 설계를 수정하는 것이 나을 수도 있습니다.

올바른 지식을 갖추면, 프리스트레싱은 더 적은 재료와 더 우아한 형태로 더 큰 경간을 극복하는 데 도움이 됩니다. 토목공학에서 교량(주로 후장 긴장 콘크리트 설계)의 경우이든, 구조공학에서 선 긴장 빔 및 후장 긴장 슬래브의 경우이든 마찬가지입니다.

프리스트레싱 설계에 적합한 애플리케이션은 무엇인가요?

일반적인 프리스트레스트 부재(선 긴장 또는 후장 긴장)를 설계하려면 IDEA StatiCa 빔 애플리케이션을 사용할 수 있습니다. 시공 단계 및 손실 계산을 포함한 해를 제공합니다.

불연속 영역뿐만 아니라 IDEA StatiCa Detail 애플리케이션 사용을 권장합니다.