프리스트레싱 시공: 잭의 압력이 아니라 늘음량으로 관리한다

프리스트레싱은 잭의 압력계만으로 관리하지 않는다. 같은 힘을 걸어도 덕트 안의 마찰이 다르면 부재에 실제로 들어가는 인장력이 달라지므로, 기준은 늘음량을 함께 재고 계산값과 다르면 마찰시험을 하도록 한다.

그리고 그 마찰을 만드는 것이 쉬스의 위치다. 그래서 이 기준의 시공 조문은 밀리미터 단위의 배치 허용오차로 시작한다.

세 가지 상황에서 확인한다. ① 배근 검사 — 쉬스가 도면 위치에 있는지가 긴장 결과를 정한다. ② 긴장 작업 — 잭 압력과 늘음량을 함께 기록한다. ③ 그라우팅 — 강재를 넣은 뒤 며칠 안에 채워야 하는지가 습도로 정해진다.

이 글은 KCS 24 11 15 프리스트레싱(한계상태설계법)의 조문을 인용한다. 설계 측면의 손실 계산은 프리스트레스트 콘크리트를 참고할 수 있다.

1. 쉬스의 위치가 밀리미터로 규정된다

3.1은 긴장재와 쉬스의 배치 허용오차를 두 개의 표로 준다. 먼저 연단거리다(표 3.1-1).

범위시공 허용오차

주요한 설계단면의 양측 ℓ/10 범위 (ℓ은 지간)설계치수의 ±5% 또는 ±5 mm 중에서 작은 값

기타의 범위설계치수의 ±5% 또는 ±30 mm 중에서 작은 값. 다만 최소 피복두께는 확보

주에 정의가 붙어 있다 — "주요한 설계단면이란 단면력이 큰 위치나, 경간 중앙 또는 지점 부근 위치의 단면을 의미한다". 그리고 기준점은 "프리텐션 부재의 경우 PS강재의 중심, 포스트텐션 부재의 경우 쉬스의 중심"이다.

같은 부재에서도 위치에 따라 여섯 배까지 허용오차가 달라진다(±5 mm와 ±30 mm). 모멘트가 큰 자리에서는 긴장재가 조금만 위아래로 어긋나도 편심이 바뀌어 도입되는 모멘트가 달라지기 때문이다.

두 번째 표는 쉬스 배치 자체의 허용오차다(표 3.1-2, 단위 mm).

긴장재의 위치수직 방향수평 방향

슬래브에 배치된 수평 긴장재±6±12

복부에 배치된 곡선 긴장재, 지점이나 경간 중앙의 1/3 구역±6±6

복부의 중간 1/2 구역에 배치된 긴장재±12±6

부재의 위 또는 아래에 배치된 수평 긴장재±6±6

하부구조 및 기초에 배치된 수평 긴장재±12±12

복부에 배치된 수직 긴장재±6 (종)±6 (횡)

복부의 곡선 긴장재가 가장 엄격하고(수직·수평 모두 ±6), 기초의 수평 긴장재가 가장 느슨하다(±12/±12). 복부의 곡선 긴장재는 그 곡률이 마찰손실을 만드는 요인이므로, 위치가 어긋나면 곡률이 달라지고 마찰이 달라진다.

쉬스를 붙잡는 방법도 규정된다 — "콘크리트 타설에 의해 움직이지 않도록 스페이서나 평평한 강재 등을 사용하여 적절한 간격으로 견고하게 지지"하며, 지지 간격은 금속 재질 1.2 m 이하, 폴리에틸렌 재질 0.6 m 이하를 권장한다(3.1 (2)).

폴리에틸렌 쉬스의 간격이 절반인 것은 재질이 무르기 때문이다. 타설 중 콘크리트가 밀면 금속보다 쉽게 휘어 곡선이 달라진다.

2. 콘크리트가 굳기 전에는 긴장하지 않는다

프리스트레스 도입 시 부재에 발생하는 최대 압축응력은 도입 시 콘크리트 압축강도의 60%를 넘지 않아야 한다. 또는 특별한 규정이 없으면 포스트텐션 방식에서는 28 MPa, 프리텐션 방식에서는 30 MPa을 도입 시 최소 압축강도로 적용할 수 있다. 이때 압축강도의 확인은 구조물과 동일한 양생조건의 공시체를 사용한다. — KCS 24 11 15, 3.3.1 (3)

프리스트레스 도입 시 부재에 발생하는 최대 압축응력은 도입 시 콘크리트 압축강도의 60%를 넘지 않아야 한다. 또는 특별한 규정이 없으면 포스트텐션 방식에서는 28 MPa, 프리텐션 방식에서는 30 MPa을 도입 시 최소 압축강도로 적용할 수 있다. 이때 압축강도의 확인은 구조물과 동일한 양생조건의 공시체를 사용한다. — KCS 24 11 15, 3.3.1 (3)

두 가지 방식으로 같은 것을 막는다. 비율 조건(60%)은 강도가 얼마든 그 절반 조금 넘게만 쓰라는 것이고, 절대값 조건(28 · 30 MPa)은 강도 확인이 어려울 때의 하한이다.

동일 양생조건의 공시체를 요구하는 것이 실무의 핵심이다. 표준양생한 공시체는 현장의 부재보다 강도가 높게 나오므로, 그 값을 믿고 긴장하면 실제 부재는 아직 약한 상태에서 압축을 받는다.

이 조건이 가장 까다로운 공법이 캔틸레버 공법이다 — "캔틸레버 공법으로 시공하는 교량의 경우에는 콘크리트 강도가 비교적 낮은 시기에 프리스트레싱이 순차적으로 수행되기 때문에 매 단계별로 면밀히 검토하여야 한다"(3.3.2 (2)). FCM은 한 세그먼트를 치고 굳기를 기다렸다가 긴장해 다음으로 나아가는 공법이므로, 공기를 줄이려면 더 이른 재령에 긴장하게 된다.

긴장 방식에도 조건이 있다 — "한 개의 쉬스 안에 다수의 강연선이 삽입된 경우 다중 강연선용 잭을 사용하여 모든 강연선들이 일시에 긴장되어야 한다". 예외는 둘이다 — 플랫 덕트에 5개를 초과하지 않는 강연선이 들어 있고, 긴장 중 강연선 간의 꼬임이 발생하지 않는다는 것을 입증할 수 있을 때만 단일 잭을 쓸 수 있다(3.3.1 (2)).

하나씩 당기면 먼저 당긴 강연선이 나중 것과 덕트 안에서 서로 꼬이고, 꼬인 강연선은 마찰이 달라져 계획한 힘이 들어가지 않는다.

3. 늘음량이 맞지 않으면 마찰시험을 한다

측정된 늘음량이 계산된 늘음량과 차이가 크거나 공사감독자에 의해 요구되는 경우 각각의 텐던을 대표할 수 있는 두 개의 텐던에 대하여 마찰시험을 수행한다. … 시험 텐던에 대하여 파단하중의 80%까지 10단계로 나누어 인장하며, 각 단계에서의 늘음량과 하중값을 기록하여야 한다. 필요하다고 판단되는 경우 이론적인 계산 늘음량은 이 시험값에 의하여 수정될 수 있으며, 이 수정된 인장량은 공사감독자의 승인을 얻어야 한다. — KCS 24 11 15, 3.3.3 (4)

측정된 늘음량이 계산된 늘음량과 차이가 크거나 공사감독자에 의해 요구되는 경우 각각의 텐던을 대표할 수 있는 두 개의 텐던에 대하여 마찰시험을 수행한다. … 시험 텐던에 대하여 파단하중의 80%까지 10단계로 나누어 인장하며, 각 단계에서의 늘음량과 하중값을 기록하여야 한다. 필요하다고 판단되는 경우 이론적인 계산 늘음량은 이 시험값에 의하여 수정될 수 있으며, 이 수정된 인장량은 공사감독자의 승인을 얻어야 한다. — KCS 24 11 15, 3.3.3 (4)

절차가 완결되어 있다 — 차이 발견 → 대표 텐던 두 개 시험 → 10단계 기록 → 이론값 수정 → 승인. 시험 방법도 열거된다: "인장 및 고정단에 로드셀을 설치하거나 고정단에 전달된 힘을 프리스트레싱 장비로 측정하거나 또는 신뢰성 높은 측정 방법".

관리 조문의 전제가 계산이 틀릴 수 있다는 것이다 — "여러 가지 원인에 의해 마찰계수 및 탄성계수 등의 변동이 있을 수 있으므로 이를 고려하여 긴장재에 도입하는 인장력이 소정의 값 이하가 되지 않도록 하여야 한다"(3.3.3 (2)).

탄성계수도 가정하지 않는다 — "강연선 및 강봉의 탄성계수는 인정된 실험실에서 시험을 수행하며, 공급자가 제출한 시험성적서에 기준"하고, "탄성계수와 늘음량에 적용되는 단면적은 공칭단면적을 기준으로 한다"(3.3.3 (3)).

소선이 끊어져도 되는 범위까지 정해져 있다.

긴장 시 개별 강연선에서 파단되는 소선이 1개를 초과하지 않고, 파단된 소선들의 총 단면적이 부재에 배치된 강연선 총 단면적의 2%를 초과하지 않는 범위에서 강선의 파단이 허용될 수 있다. — KCS 24 11 15, 3.3.3 (5)

긴장 시 개별 강연선에서 파단되는 소선이 1개를 초과하지 않고, 파단된 소선들의 총 단면적이 부재에 배치된 강연선 총 단면적의 2%를 초과하지 않는 범위에서 강선의 파단이 허용될 수 있다. — KCS 24 11 15, 3.3.3 (5)

두 조건을 동시에 만족해야 한다. 한 강연선에서 여러 소선이 끊어지면 그 강연선 자체가 못 미더워지고, 전체 단면적의 2%를 넘으면 부재의 프리스트레스가 부족해진다. 계측 수단으로는 로드셀 외에 "검증된 변형률 게이지나 광섬유 센서"를 쓸 수 있다(3.3.3 (6)).

4. 그라우팅 기한은 습도로 정해진다

긴장이 끝난 강재는 덕트 안에서 노출된 상태이므로, 그라우트를 채우기 전까지 부식이 진행된다. 기준은 그 허용 기간을 습도로 정한다.

조건강재 삽입 이후 주입 기한

습한 지역 및 해상 (습도 70% 이상)7일

습도 40% 이상, 70% 이하15일

습도 40% 이하의 건조한 조건20일

3.2 (2)의 값이다. 그리고 단서가 붙는다 — "만약 이러한 기한을 준수하지 못할 경우 부식 방지제를 사용하여 강재를 보호해야 한다". 조문은 그라우트를 "프리스트레싱이 끝난 후 가급적 조속히 시공"하도록 하고, 이 기간은 강재를 넣은 시점부터 센다.

습한 곳에서 7일과 건조한 곳에서 20일의 차이가 이 조문의 요점이다. 부식은 물과 산소가 있어야 진행되므로 습도가 기한을 정한다. 해상 교량에서는 긴장 후 일주일 안에 그라우팅이 공정 계획의 제약이 된다.

정착장치에도 인증 요건이 붙는다 — "정착장치와 접속장치는 KCI-PS101, ETAG 013, PTI M50.1-98 등 국내외에서 인정되고 있는 기준에 따라 공사감독자가 요구하는 각종 시험조건을 만족하여야 한다"(2.2 (2)). 정착구는 제품 인증으로 성능을 증명하는 부품이다.

용어 정의에는 그라우트의 실패 현상도 들어 있다 — 블리딩은 "굳지 않은 그라우트에서 고체 재료의 침강 또는 분리에 의해 혼합수의 일부가 유리되어 상승하는 현상"이다(1.3). 그라우트에서 물이 위로 뜨면 덕트 상부에 물길이 남고, 그 자리는 채워지지 않은 것과 같다.

5. 정리

연단거리 허용오차는 위치로 갈린다 — 주요 설계단면 양측 ℓ/10 범위는 ±5% 또는 ±5 mm, 그 밖은 ±5% 또는 ±30 mm 중 작은 값이며 최소 피복두께는 반드시 확보한다.

복부의 곡선 긴장재가 가장 엄격하다 — 수직·수평 모두 ±6 mm. 하부구조·기초의 수평 긴장재는 ±12/±12.

쉬스 지지 간격은 금속 1.2 m, 폴리에틸렌 0.6 m 이하를 권장한다.

도입 시 최대 압축응력은 그때 콘크리트 압축강도의 60% 이하이며, 최소 압축강도는 포스트텐션 28 MPa · 프리텐션 30 MPa이다. 확인은 동일 양생조건의 공시체로 한다.

한 쉬스의 여러 강연선은 다중 잭으로 일시에 긴장한다. 예외는 플랫 덕트 5개 이하이면서 꼬임이 없음을 입증한 경우뿐이다.

늘음량 차이가 크면 대표 텐던 두 개에 마찰시험을 하고, 파단하중의 80%까지 10단계로 나누어 기록해 이론값을 수정한다.

소선 파단은 강연선당 1개 이하이면서 총 단면적의 2% 이하일 때만 허용된다.

그라우팅 기한은 습도 70% 이상 7일, 40~70% 15일, 40% 이하 20일이며, 넘기면 부식 방지제로 보호한다.

이 기준이 알려 주는 것은 프리스트레스가 설계값이 아니라 시공 결과라는 사실이다. 쉬스가 6 mm 어긋나면 곡률이 바뀌고, 곡률이 바뀌면 마찰이 바뀌고, 마찰이 바뀌면 부재 안쪽에 들어가는 힘이 바뀐다. 그래서 조문은 잭의 압력만 보지 말고 늘음량을 함께 재라고 하고, 두 값이 어긋나면 계산을 고치게 한다.