PSC거더의 원리 및 특징

PSC거더는 교량 상부구조 형식 중 하나다.

최근 PSC거더로 인한 사고가 빈번하게 발생되었기에 해당 부재에 대한 정확한 이해가 필요해서 기록한다.

PSC거더는 Prestress Concret의 약자이다.

콘크리트는 압축력엔 강하지만 인장력엔 약한것이 가장 큰 특징이다.

이러한 취약성을 제거하기 위해 인장력이 작용하는 하부쪽으로 미리 압축력을 줘서 이 후 외력이 작용했을 때 미리 준 압축력에 의해 인장력을 상쇄시키켜주는 원리로 작용한다.

콘크리트 속에 PS강선을 삽입하고 이 강선을 양쪽에서 잡아당긴 후 양 끝을 정착시키면 강선은 다시 수축하려는 힘이 작용하고 양 끝 정착부에서는 쪼그려들려는 힘 즉, 압축력이 작용하게 된다.

이 때 상부에서 누르는 힘, 외력이 작용한다면 콘크리트 부재의 하부는 늘어나려는 인장력이 또 작용할것이다. 이때 미리 줬던 압축력이 이 늘어나는 힘(인장력)을 상쇄시켜준다는 것이 이 공법의 핵심이다.

PSC거더는 교량 상부구조 형식 중 하나로, 최근 관련 사고가 빈번하게 발생하면서 이에 대한 정확한 이해가 요구된다.

PSC(Prestressed Concrete)란, 콘크리트의 인장력에 대한 약점을 보완하기 위해

사전에 압축력을 도입한 콘크리트

를 의미한다.

콘크리트는 압축력에는 강하지만 인장력에는 취약하다는 것이 가장 큰 특징이다. 이를 보완하기 위해 인장력이 작용하는 하부에 미리 압축력을 도입하여, 외력 작용 시 발생하는 인장력을 상쇄시키는 방식이 바로 프리스트레스트 공법이다.

콘크리트 내부에 PS강선(Prestressing Steel Strand)을 삽입하고 이를 양 끝에서 인장하여 정착시키면, 강선은 다시 수축하려는 성질을 가지게 된다. 이때 양 끝 정착부에 압축력이 작용하고, 외력에 의해 부재 하부에 인장력이 작용하더라도 사전에 도입된 압축력이 이를 상쇄시켜 구조적으로 안정성을 확보하게 된다.

그렇다면 프리텐션과 포스트텐션은 무엇인가?

• 간단하게 설명하면
• 프리텐션은 텐션을 먼저 주고 콘크리트를 타설하는 것이고

포스트텐션은 콘크리트를 타설한 다음에 텐션을 준 것이다.

주로 프리텐션은 공장에서 제작하고, 포스트텐션은 현장에서 직접 타설한다.

프리텐션 공법은 세그먼트를 제작해서 현장에 가져가서 조립하는 방식에 많이 쓰고

포스트텐션은 한 경간씩 길게 현장에서 타설할때 주로 적용한다고 보면 될 것 같다.

PSC거더는 이 포스트텐션 방식으로 주로 시공이 된다.

프리텐션(Pre-Tension)과 포스트텐션(Post-Tension)

프리스트레스트 공법은 강선에 텐션을 언제 도입하느냐에 따라 두 가지 방식으로 나뉜다.

프리텐션(Pre-Tension)

: PS강선에 먼저 인장력을 가한 뒤 콘크리트를 타설하는 방식이다. 주로 공장에서 제작되는 세그먼트 공법에 적용된다.

포스트텐션(Post-Tension)

: 콘크리트를 먼저 타설한 후, 강선을 삽입해 인장하는 방식이다. 주로 현장에서 시공되며, PSC거더는 대부분 이 방식으로 시공된다.

자~ 그럼 포스트텐션의 원리를 다시 한번 더 이해해본다.

포스트텐션은 콘크리트를 타설 한 후에 인장한다고 했다.

그러니깐 강연선을 타설 한 후에 삽입해서 인장한다는 것이다.

강연선을 타설 후에 삽입하려면 미리 넣을 공간을 만들어둬야 한다.

그게 바로 쉬스관이다.

PSC거더를 제작할때 철근을 조립한 후 이 쉬스관을 배치한다.

이 후에 타설이 진행이 된다.

양생이 끝나면 쉬스관에 강연선을 기계장치를 이용해 삽입하게된다.

쉬스관 하나에 5~6가닥 정도의 강연선이 들어간다.

그리고 양 쪽에서 이 강연선을 잡아당기고 고정한 후 쉬스관 속을 그라우팅한다.

이때 그라우팅을 철저히 해야 강연선과 콘크리트가 일체과가 될 수 있다.

난 처음에 이 부분에서 이해가 되질 않았다.

쉬스관속에 들어있는 강연선을 인장한다고 해서 콘크리트와 따로 놀고있을 것 같은데 어떻게 압축력이 작용하는지 이해가가질 않았다.

근데 그라우팅 후 양 쪽을 고정시킨다면 강연선은 수축하려 들것이고 이 힘이 양 쪽 정착구에서 그대로 작용하게 된다. 즉, 양쪽 정착구에서 중앙으로 압축력을 작용시켜주는 것이다.

따라서, 포스트텐션 방식에서는 그라우팅과 정착구 주변 콘크리트 강도가 매우 중요하다고 볼 수 있을 것 같다.

정착구 주변의 콘크리트가 강도가 나오지 않는다면 양쪽에서 작용하는 압축력을 감당하지 못하고 정착구 주변으로 균열이 발생하거나 정착구가 콘크리트 속으로 침하되는 등 제대로 된 압축력을 발휘 못할 수 밖에 없기 때문이다.

포스트텐션의 원리

포스트텐션 방식에서는 콘크리트 타설 전, 강연선(PS강선)이 삽입될 공간인 *쉬스관(Sheathing Pipe)*을 미리 배치한다.

콘크리트 타설 및 양생이 완료된 후, 쉬스관 내부에 강연선을 삽입하고 이를 양쪽에서 인장 후 정착시킨다. 일반적으로 하나의 쉬스관에 5~6가닥의 강연선이 삽입된다.

인장 작업 후에는 쉬스관 내부를 *그라우팅(Grouting)*하여, 강연선과 콘크리트가 일체화되도록 한다.

처음에는 강연선이 콘크리트와 따로 노는 느낌이 들 수 있지만, 그라우팅 후 강선이 수축하려는 힘이 정착구에서 압축력으로 작용하며 콘크리트에 힘을 전달하게 된다.

이 과정에서

그라우팅 품질

과

정착구 주변 콘크리트 강도

가 매우 중요하다. 만약 정착구 부근의 콘크리트 강도가 충분하지 않으면, 압축력 전달이 제대로 되지 않아 균열 또는 정착구 침하 등의 문제가 발생할 수 있다.

그리고 PSC거더의 장기처짐에 대한 보정에 대해서 알아본다.

기다란 부재인 거더 특히 텐션을 준 부재는 추 후 인장력이 저감하면서 부재에 처짐이 발생할 수 밖에 없다.

이러한 처짐에 대해서 보정값을 주기 위해 캠버설계를 한다.

캠버설계는 거더 제작시에 의도적으로 상향으로 휘어지게 제작하는 것이다.

이렇게 하면 시간이 지나 장기침하가 발생되어도 수평을 유지할 수 있다.

그리고 일부 거더는 재긴장을 할 수 있는 장치를 설치해두기도 한다.

오랜시간이 흘러 거더가 인장력이 풀렸을때 재긴장 시켜 다시 수평력을 회복시켜 줄 수 있도록 미리 재긴장 장치를 설치해둔다.

그리고 구조설계 시 이러한 처짐에 대하여 정확한 보정값을 적용하여 해석해야한다.

장기처짐과 캠버설계

PSC거더는 장시간이 지나면서 인장력 손실로 인해 처짐이 발생할 수 있다.

이를 고려하여 **캠버설계(Camber Design)**를 적용하는데, 이는 거더를 제작할 때 의도적으로 위로 휘어지도록 설계하는 것이다.

이로 인해 시간이 흐르면서 장기처짐이 발생하더라도 전체적으로 수평을 유지할 수 있게 된다.

일부 거더에는 **재긴장 장치(재텐션 장치)**를 설치하여, 시간이 지나 인장력이 줄어들었을 때 다시 긴장을 도입해 구조적 성능을 회복할 수 있도록 한다.

마지막으로 PSC거더에서 발생된 횡만곡현상에 대해서 얘기해본다.

횡만곡현상은 젓가락을 양쪽에서 누를때 구부러지는 현상이라고 생각하면된다.

이는 콘크리트의 품질이 저하되었거나 인장력을 너무 과하게 줬을 경우 발생될 가능성이 높다.

특히, 세장한(가늘고 긴) 부재에서 많이 발생될 수 있다.

지난번 시흥시에서 발생된 사고가 이 원인 때문이었다.

횡만곡현상을 저감시키기 위해선 설계시 이를 반드시 반영해야할 것이다.

그리고 콘크리트의 품질관리와 적절한 긴장력 도입이 중요하다.

횡만곡현상(Lateral Bending)

PSC거더에서 발생할 수 있는 대표적인 이상현상 중 하나가

횡만곡현상

이다.

이는 젓가락을 양끝에서 누를 때 중간이 휘어지는 현상처럼, 부재가 측면으로 휘어지는 변형을 말한다.

주로 다음과 같은 원인으로 발생한다:

콘크리트 품질 저하

과도한 인장력 도입

부재의 세장비(길이에 비해 얇은 형상)가 큰 경우

최근 시흥시에서 발생한 사고 역시 이러한 횡만곡이 주요 원인으로 지목되었다.

이를 방지하기 위해서는 설계 단계에서 횡만곡에 대한 충분한 고려가 필요하며, 콘크리트 품질 관리와 긴장력의 적절한 도입이 필수적이다.

결론

PSC거더는 현대 교량 구조물에서 널리 활용되는 중요한 부재이나, 그 원리와 시공 방식에 대한 명확한 이해 없이는 안전을 보장할 수 없다.

특히 포스트텐션 공법에서의 그라우팅 품질, 정착구 강도, 장기처짐에 대한 고려, 그리고 횡만곡 발생 방지 등은 구조 안전성과 직결되므로, 시공 전후 철저한 관리가 요구된다.

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