콘크리트 보강법: 철근 및 프리스트레스트 콘크리트

긴 다리 위에 자동차가 가득할 때, 다리는 어떻게 무게를 지탱할 수 있을까? 다리에 가로놓이는 부재인 보는 주로 콘크리트로 만드는데, 다양한 방법을 통해 콘크리트가 더 큰 하중을 버티도록 설계하여 무게를 지탱하게 할 수 있다. 하중 등의 외력이 부재에 작용할 때 그 반작용으로 부재 내부에는 저항하는 힘인 내력이 발생한다. 응력은 내력을 부재의 단면 면적으로 나눈 것으로, 단위면적당 내력의 크기이다. 응력에는 물체를 늘어나게 하는 힘인 인장력에 의해 발생하는 인장응력, 이와 반대로 물체를 압축하는 힘인 압축력에 의해 발생하는 압축응력 등이 있다. 외력이 증가하면 응력도 증가하지만, 부재가 견딜 수 있는 최대한의 응력인 강도보다 응력이 커지면 부재에 균열이 발생한다. 이후 응력이 더 증가하면 부재가 파괴되는 극한 상태에 도달한다.

큰 하중이 보에 작용하면 보가 아래로 휘어지면서 변형이 일어난다. 하중에는 부재 자체 무게 등의 고정된 값인 고정하중과 구조물 위에서 이동하는 사람이나 자동차의 무게 등 변화하는 값인 활하중이 있으며, 이 둘을 더한 것을 사용하중이라고 한다. 하중에 의한 변형이 일어나면 보의 상단에는 압축력이 작용하여 길이가 짧아지고, 하단에는 인장력이 작용하여 길이가 길어진다. 보의 재료인 콘크리트는 압축에는 강하지만 인장에는 약한 재료로, 인장응력이 생기는 부분에 인장에 강한 철근이나 강연선 등의 강재를 배치하여 인장응력을 부담하게 하는 방법이 개발되어 왔다. 이러한 콘크리트 보강법에는 철근 콘크리트와 프리스트레스트 콘크리트가 있다.

철근 콘크리트는 콘크리트의 아래쪽에 강재인 철근을 배치한 것으로, 하중을 받으면 콘크리트는 압축력에, 철근은 인장력에 저항한다. 하중이 증가하여 인장응력이 인장강도보다 커지면 콘크리트에 회복할 수 없는 균열이 생겨 구조물의 내구성이 저하된다. 반면에 프리스트레스트 콘크리트는 하중에 의해 발생하게 될 인장응력이 정해진 한도까지 상쇄되도록 미리 압축응력을 가한 것이다. 압축력과 인장력은 작용 방향이 반대이므로 압축응력을 미리 준 만큼 하중에 의해 발생하는 인장응력은 상쇄된다. 이를 위해 인장응력이 생기는 부분에 고강도 강재를 배치하고 인장하여 그 반작용으로 콘크리트에 압축응력을 미리 가한다. 이때 가해지는 압축응력을 긴장력이라고 한다.

프리스트레스트 콘크리트는 완전 긴장 콘크리트와 부분 긴장 콘크리트로 나눌 수 있다. 완전 긴장 콘크리트는 사용하중이 작용할 때 발생하는 인장응력이 상쇄되도록 긴장력을 강하게 준 것으로 부재에는 압축응력만 작용한다. 부재에 압축응력만 작용할 때 부재의 전 단면이 하중에 저항한다. 하지만 완전 긴장으로 설계된 구조물이더라도 사용하중이 계획한 무게보다 커지면 균열이 생길 수 있으며, 큰 긴장력이 도입되기 때문에 고정하중만 작용할 때 중앙부에 솟음이 발생한다. 부분 긴장 콘크리트는 완전 긴장 콘크리트보다 작은 긴장력을 준 것이다. 고정하중만 작용할 때 발생하는 인장응력이 상쇄되도록 긴장력을 준 것으로 부재에는 압축응력만 작용한다. 이때 부재의 전 단면이 하중에 저항한다. 사용하중이 작용할 때 부재에 균열이 발생하지만, 철근 콘크리트에 비해 균열폭이 작고 활하중이 제거되면 긴장력에 의해 균열이 폐합되는 회복 가능한 특성이 있어 내구성이 우수하다. 고정하중만 작용할 때 부재가 경미하게 솟거나 수평을 ⓐ이루게 설계할 수 있다.

프리스트레스트 콘크리트에서 긴장력을 도입하는 방식에는 ㉠프리텐션 방식과 ㉡포스트텐션 방식이 있다. 프리텐션 방식은 강재에 인장력을 가해 늘어난 상태에서 콘크리트를 타설*하고, 콘크리트가 굳으면 강재의 인장력을 풀어 준다. 콘크리트에 부착된 강재가 수축하면서 원래의 모양으로 돌아가려는 힘이 콘크리트에 마찰력으로 전달되어 긴장력을 주는 방식이다. 포스트텐션 방식은 콘크리트를 타설하고 난 후에 강재를 인장하는 방식이다. 콘크리트 내에 강재를 삽입할 관을 배치하고 콘크리트를 타설한다. 콘크리트가 굳으면 관에 강재를 삽입하고 인장한 후 양 끝을 정착장치로 고정한다. 콘크리트 양 끝의 정착장치가 서로 당기는 힘에 의해 콘크리트에 긴장력이 도입된다. 이처럼 프리스트레스트 콘크리트는 콘크리트의 약점을 보완하기 위해 제작 과정에서 부재에 압축응력을 주는 방법인 것이다.

* 타설: 건물을 지을 때 구조물의 거푸집과 같은 빈 공간에 콘크리트 따위를 부어 넣음.