Chapter 3. 재 료

-강재-

• 지름이나 형상에 따라 다음과 같이 분류함

1) PS 강선: d 2.9~9 mm 의 원형강선 (KS D 7002) 2) 이형 PS 강선: 부착강도를 높이기 위함 (형태에 따라 ribbed, indented, crimped, strap, oval 로 나눔) (볼록돌기) (오목돌기) (파형가공) (직사각형단면) (타원형단면)

3) PS 강연선: 강선을 꼬아서 씀 (2연선 또는 7연선이 많이 쓰임) 곡선배치가 쉽고 시공성이 좋다 4) PS 강봉: d 9.2~32 mm 로 포스트텐션에 주로 쓰임 5) 이형 PS 강봉: d 7.4~13 mm로 표면에 돌기 또는 곰보 부착 PS 강봉은 강연선보다 강도는 떨어지나 끝부분(정착단)의 가공(나사전조 등) 이 쉽고 릴랙세이션이 작다. – 단, 정착단 단부에 주의

PS 강재의 종류

(교재 부록 참고)

6) 그 밖의 PS 강재 - 피복된 PS 강재: 포스트텐션용, 부식방지 - 저 릴랙세이션 PS 강재: KS D 7002 - L type - 특수 PS 강재: 큰 용량의 프리스트레스를 요구하는 경우 (사장교 케이블등) 에 사용 (교재 그림 2-12 참조)

- PS 경강선 (hard drawn steel): PSC 관, 탱크 등에 사용 (KS D 7009) - FRP(Fiber Reinforced Plastic) bar: 상용화 시도중

PS 강재의 종류

이형 PS 강봉 예:

3.2 강 재

3.2.1 PS 강재의 품질 1)높은 인장강도 요구 2)큰 항복비 (항복점 응력의 인장강도에 대한 백분율) 요구 3)적은 릴랙세이션 (Relaxation) 4)적당한 연성 (Ductility) 과 인성 (Toughness) 필요 5)높은 응력부식(stress corrosion)에 대한 저항성 6)부착시켜 사용하는 PS 강재는 콘크리트와의 부착강도가 커야 함

7)어느 정도의 피로강도 요구 8)온도 9)직선성이 좋아야함

높은 인장강도 요구

3.2.1 PS 강재의 품질 1)높은 인장강도 요구

- PSC는 콘크리트의 건조수축, Creep, 강재의 Relaxation 등으로 처음에 도입한 프리스트레스가 시간에 따라 감소하게 됨.

초기 프리스트레스가 감소한 후에도 충분한 유효 프리스트레스가 남아 있어야 함.

초기에 PS 강재를 높은 인장응력으로 긴장해야 함. 따라서 고강도 강재가 필요함 (1000 MPa 이상) (RC: 400~700 MPa)

높은 인장강도 요구

• 고강도+고장력 강재의 사용

콘크리트의 건조수축과 크리이프가 끝난 후의 강재 및 콘크리트 부재의 길이는 같다.

''cs ll =

- 건조수축과 크리이프로 인한 콘크리트부재의 단축량: ccushc ll )( εε +=∆

- 건조수축과 크리이프로 인한 강재 응력의 감소량: scushs Ef )( εε +=∆

- 강재에 남는 유효 인장응력 (초기인장응력 – 감소량): ppppipe Efff ε=∆−=

)( cushpip εεεε +−=

- 강재응력의 손실율: 100×∆

pi

p

ff

(Page 61~63 참고)

• 고강도+고장력 강재의 사용

높은 인장강도 요구

PC 강재의 경우 최초에 긴장재에 준 인장응력이 클수록 유효 인장응력과 최 초에 준 인장응력의 비가 커진다. 프리스트레싱 효율이 좋아짐

큰 항복비 요구

2) 큰 항복비 요구 (항복비: 항복응력/인장강도*100) - 항복비가 커지면 소성변형률이 작아짐

일반적으로 항복점은 뚜렷이 확인되지 않기 때문에 0.2%의 영구신율(잔류변형률)을 나타내는 응력을 항복점으로 정함

PS 강재의 항복강도는 대략 0.85~0.9fpu임 Ep=200 GPa (=Es)

적은 릴랙세이션

3) 강재의 적은 릴랙세이션 (Relaxation) - PS 강재를 어떤 인장력으로 긴장한 채 그 길이를 일정하게 유지해 두면, 시간이 지남에 따라 PS 강재의 인장응력이 감소하게 되는 현상

PS 강재의 Relaxation으로 인해 콘크리트에 걸리는 프리스트레스가 감소하게 됨

따라서 PS 강재는 Relaxation이 작아야 함 • 강재의 릴랙세이션은 강재의 크리이프와 표리의 관계임 (예: 사장교의 경우 PSC 케이블은 크리이프에 지배됨)

• 인장강도의 ½ 이하의 응력하에서는 발생하지 않음

- 순 릴렉세이션: 일정 변형률하에서 일어나는 인장응력의 감소량을 최초에 준 PS 강재의 인장응력에 대한 백분율로 나타냄

- 겉보기 릴렉세이션: 콘크리트의 건조수축, 크리이프 등의 변형이 포함되어진 경우 실제 PSC 구조물에서 프리스트레스의 감소량 계산시 사용

적은 릴랙세이션

- 순 릴렉세이션: 일정 변형률하에서 일어나는 인장응력의 감소량을 최초에 준 PS 강재의 인장응력에 대한 백분율

PS 강재 단독시험에 의해 구함. (상온에서의 1000시간 시험 값의 2배로 가정해도 됨 – KS D 0814 KS D 7002) - 겉보기 릴렉세이션: 건조수축과 크리이프의 영향을 고려함 (PS 강선, 강연선: 5%, PS강봉: 3%, 저 릴랙세이션 PS 강재: 1.5%) • 포스트텐션

• 프리텐션

−−= 55.0

10log

1 10

py

pi

pi

p

fft

ff

−

−−= 55.0

10loglog

1 1010

py

pirn

pi

p

fftt

ff

fp: 긴장후 t 시간(hour) 경과후의 PS 강재의 인장응력 fpi: 프리스트레스 도입 직후의 PS 강재의 인장응력 fpy: PS 강재의 항복점 응력 tr: 프리텐션의 경우 t=0에서 긴장하고 tr에서 긴장력을 푸는 시점 tn: 해당시간 tn * fpi/fpy 는 0.55 보다 커야한다.

적당한 연성과 인성

4) 적당한 연성 (Ductility) 과 인성 (Toughness) 필요 - 연성: 파괴에 이를 때까지 변형될 수 있는 소성변형량 - 인성: 가해진 힘의 세기와 연성의 곱으로 나타냄 (파괴에 이르기까지 높은 응력에 견디며 큰 변형을 나타내는 재료를 인성이 크다고 함)

인성이 큰 재료는 연신율(Elongation)도 크다 • 고강도강은 연강에 비하여 일반적으로 연신율과 인성이 낮다 • 구조물 파괴예측 및 강재의 조립, 가공을 위해 어느 정도의 연신율 (혹은 인성) 요구됨

높은 응력부식에 대한 저항성

5) 높은 응력부식에 대한 저항성 - 일반적으로 PSC부재는 균열이 발생하지 않으므로 강재의 부식에 대한 염려가 덜함

- 높은 응력을 받는 강재는 긴장후 몇시간 혹은 수십시간 후에 급속하게 파단되는 경향이 있음 (지연파괴 혹은 응력부식에 의한 파괴)

- 또한 높은 응력하에서 무응력일 때보다 일반적으로 부식이 잘 일어남

PS 강재는 항상 높은 응력을 받고 있으므로 응력부식에 대한 저항성이 커야 함 (또한 Pitting corrosion 이나 작은 홈 등 응력집중을 일으키는 결함부위가 없도록 품질관리 철저)

프리텐션시의 부착강도

6) 부착시켜 사용하는 PS 강재는 콘크리트와의 부착강도가 커야함

- 프리텐션 방식에서 특히 중요

PS 강연선이나 이형 PS 강재의 사용 (부착력 증대)

피 로 강 도 및 온도

7) 어느 정도의 피로강도 요구 - 도로교나 철도교와 같이 하중변동이 큰 구조물일 경우 필요 - 일반적인 경우 PS강재에는 이미 높은 인장응력 (1000 MPa)이 주어져 있기 때문에 활하중에 의한 응력의 변화가 그리 크지 않음 (50~70MPa) 피로효과가 그리 크지 않음

- 인장응력의 변동범위가 1) 연결부 또는 정착부에서 140 MPa 이하일 경우, 2) 그 밖의 부위에서 160 MPa 이하일 경우는 피로를 고려하지 않음

8) 온도의 영향: PS 강재는 온도에 민감함 저온 취성, 고온 인장강도, 탄성계수 감소 화재시 급속파단 가능성 증대

기 타 (재료)

1) PSC부재에는 전단, 배력, 긴장재조립용, 정착부 및 지압부 보강용 철근등이 사용됨

2) 쉬스(Sheath): 포스트텐션의 경우 긴장재수용을 위한 공간(구멍)을 덕트

(Duct)라고 하며 이때 쓰이는 관을 쉬스(주름관) 라고 함 그라우팅 적용시 강제 쉬스(두께 0.2~0.4 mm)를 사용 그라우팅 미적용시 플라스틱제 쉬스를 사용 3) 정착장치와 접속장치 4) PSC 그라우트: 콘크리트와 부착시 사용 (적당한 유동성과 팽창성을 가져야함) 교재 참조

5) 접합재료: 프리캐스트 부재를 접합하는데 사용. 강도나 수밀성은 프리캐스트부재와 동등하거나 그 이상이어야 함. (접합눈금의 두께에 따라 0.2~0.4 mm인 경우 에폭시, 1~6 cm 인 경우 모르터, 20~50 cm 인 경우 콘크리트)