콘크리트는 ‘다지다’ 혹은 ‘누르다’는 뜻의 라틴어 "concretus" 유래되었다고 하며 로마시대에 화산회와 석회석을 써서 만들어진 것이 그 시초라고 알려져 있으며 현대의 콘크리트는 19세기 초기에 포틀랜드시멘트(Portland cement)가 발명된 후  시멘트, 물, 자갈, 모래를 배합하여 굳힌 재료를 이야기합니다. 콘크리트는 기존에 사용되던 석재와 비교하여 비슷한 성능을 가지면서도 거푸집을 이용하여 여거가지 형상을 만들기 쉬워 널리 사용되고 있습니다.

잘 알려진대로 콘크리트라는 재료는 압축에는 강하지만 인장에는 약한 재료입니다.

외력에 의해 보에 아래와 같이 하중에 의한 휨이 발생하게 되면 그림과 같이 보의 상면에서는 압축력이, 하면에서는 인장력이 발생합니다. 인장에 약한 콘크리트는 인장력이 발생하는 하면에서 균열이 발생하며 파괴되기 때문에 휨부재로 사용하기에는 적당하지 않습니다. 이러한 콘크리트의 단점을 보완하기 위해 인장에 강한 강재(철근)을 콘크리트 내부에 배치하여 보강한 것이 바로 주변에서 흔히 볼 수 있는 철근콘크리트 (RC, Rainforced Concrete)입니다.

철근콘크리트 보의 휨거동

 

 

하지만 이러한 철근콘크리트 구조도 지간이 길어질수록 더 큰 단면이 필요하고 이에 따라 자중이 점점 더 커지게 되어 보통 15~20m 이상의 지간장에 대해서는 비효율적인 구조가 됩니다. 또한 차량 등 사용하중에 의해 발생하는 구조물의 처짐과 인장력에 의한 균열의 발생은 피할 수 없습니다.

이러한 RC 구조의 한계와 단점을 보완하기 위하여 콘크리트에 인장력이 발생하지 않도록 콘크리트에 강선을 넣고 양단에서 강력하게 잡아당겨 고정시킴으로써 콘크리트에 항상 압축력이 작용하게 만들어 휨에 강하고 사용하중에 의한 균열을 억제할 수 있도록 만든 콘크리트 구조가 바로 프리스트레스 콘크리트(PSC, PreStressed Concret)입니다. 앞서 설명한 철근콘크리트가 인장에 약한 콘크리트를 철근으로 보강함으로 단점을 보완하는 개념이라고 한다면 프리스트레스 콘크리트는 압축력을 가함으로서 단점이 발현되지 않도록 하는 보다 적극적인 방법이라고 할 수 있겠습니다.

프리스트레스는 아래 그림과 같이 프리스트레스에 의해 발생하는 보의 압축력이 외력에 의해 발생하는 보의 하면의 인장력 보다 클 수 있도록 도입하여 외력이 작용시 콘크리트에 인장력이 발생하지 않도록 합니다. 

프리스트레스 콘크리트 개념

프리스트레스 콘크리트 구조의 콘크리트는 일반 철근콘크리트 보다 더 큰 압축력에 저항해야 하므로 고강도의 콘크리트를 사용합니다.

프리스트레스 시스템의 개념은 1872년 미국의 P.H.Jackson이 프리스트레싱 시스템을 착상하여 이후 미국과 유럽에서 발전을 거듭하여 1940년 프랑스의 E. Freyssinet이 현재에 널리 사용되고 있는 원추형 쐐기를 이용한 PS강재의 정착장치인 Freyssinet System을 발표하며 PSC 콘크리트 교량의 건설이 급속하게 발전되었습니다.

프리스트레스를 도입하는 방법에는 미리 강선을 인장하고 콘크리트를 타설하는 프리텐셔닝(Pre-Tensioning) 방법과 타설후 굳은 콘크리트에 강선을 넣어 인장하는 포스트텐셔닝(Post-Tensioning) 방법이 있습니다.

프리텐션(Pre-Tensioning) 개요

프리텐셔닝 방식은 별도의 정착장치나 덕트 등이 필요하지 않고 공장에서의 대량생산에 적합하다는 장점이 있으나 강재를 곡선으로 배치하기 어려워 대규모 구조물에는 적용이 어렵습니다. 주로 프리캐스트 슬래브, 기초파일, 콘크리트 관 등 작은 구조물들에 적용되고 있습니다. 자세한 사항은 프리 텐셔닝 방식의 프리캐스트 슬래브 제작 영상을 참조하세요( www.youtube.com/watch?v=ehQPLdSE_Gc)

 

 

포스트 텐셔닝 방식은 강선을 삽입하기 위한 덕트와 정착 장치를 설치하고 콘크리트를 타설한 후 충분히 경화한 뒤에 덕트에 강선을 넣고 인장하여 프리스트레스를 도입하는 방식입니다. 대규모의 구조물에 적용이 가능하여 교량 뿐 아니라 원자력 발전소 등의 대규모 건축물에도 널리 적용되는 방식입니다. 포스트 텐셔닝 방식은 프리스트레스 강재를 곡선으로 배치할 수 있어 구조물의 효율을 높일 수 있습니다. 

.포스트 텐션(Post-Tensioning) 개요

 

강재의 곡선배치시 상향력이 발생하여 구조물 효율을 높일수 있다.

 

포스트 텐셔닝 방식은 강재를 정착하는 방식에 따라 여러가지 방식이 있으며, 대부분 강연선을 원뿔모양의 쐐기를 이용하여 정착하는 방식을 주로 사용하며, 강봉을 인장후 너트를 이용하여 고정하는 방식도 사용하고 있습니다.

 포스트 텐션 시스템 예 (Freyssinet System, 출처: Freyssinet 카탈로그)

 

추가로 아래 Practical Engineering Youtube 채널에 철근콘크리트와 프리스트레스 콘크리트에 대한 동영상을 참조하시면 이해에 도움이 되실겁니다. 근데 한국어 자막이 없네요.

 

 

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