포스트텐션(Post-Tension, PT) 공법은 일반적으로 텐던(tendon)으로 알려진 고강도 강선 또는 봉을 이용하여 콘크리트 또는 다른 재료를 보강하는 방법으로 많은 경우 건설현장의 제약과 건축적인 요구에 의해 다른 공법으로 해결이 불가능한 경우에 대해 대안으로 사용되어 온 공법이다. 또한 포스트텐션 시스템은 조립과 설치에 특수한 지식과 경험이 필요하였다. 그러나 최근 건설시장은 신소재와 신공법의 발달과 함께 친환경 및 경제성에 대한 요구가 증가함에 따라 장스팬 및 층고절감이 가능한 포스트텐션 공법을 일반 건축물에 적용하는 사례가 점차 늘어나는 추세에 있다. 따라서 본 지에서는 3회에 걸쳐 포스트텐션 공법과 설계 및 시공사례 등을 소개하고자 한다. 1. 포스트텐션 공법 소개 2. 포스트텐션 공법의 경제성 비교 3. 포스트텐션공법의 설계사례와 설계시 고려사항
현대산업사회에서는 혁신적인 디자인, 초대형, 장스팬 등 구조엔지니어링이 필요한 다양한 건축물들이 시공되고 있으며, 포스트텐션 공법은 이러한 기술적 요구를 수용하는데 있어 좋은 해결방법의 하나로 적용이 늘어나고 있는 공법이다. 이에 본지에서는 지난호(3월)의 "포스트텐션 공법의 소개"에 이어 경제성을 비교분석하여 포스트텐션 공법적용의 장점을 소개하고자 한다. 경제성 비교에서는 공법에 사용되는 인건비와 재료비 등의 직접비용을 제외한 공기, 유지관리, 해제 등 다양한 요소들이 고려되며, 각 건물의 특성에 따라 달라지므로 명확한 경제성 분석을 하기는 힘들다. 그러므로 본 기사에서는 포스트텐션 공법의 경제성에 영향을 주는 요소들을 분석하고, 각 구조 공법의 상대비용을 비교하여 포스트텐션 공법 적용을 위한 가이드라인을 제공하고자 한다.
바닥슬래브의 처짐과 차음 성능을 개선하기 위하여 포스트텐션 중공슬래브가 최근에 자주 사용되고 있다. 동일한 8m 스팬 1층구조물을, 한 구조물은 일반슬래브(solid slab)로, 다른 구조물은 중공슬래브(void slab)로 2개를 제작하여 각 구조물의 바닥슬래브에 포스트텐션을 도입하였다. 중공슬래브의 고유진동수와 감쇠율의 진동특성을 일반슬래브와 비교하였으며, 포스트텐션 도입 후에 일반슬래브와 중공슬래브 각각에 있어서 고유진동수와 감쇠율의 진동특성을 상호 비교하였다. 210mm의 일반슬래브 보다는 250mm 중공슬래브의 1차 고유진동수가 큰 것을 알 수 있다. 포스트텐션 도입 후에도 중공슬래브의 1차 고유진동수는 일반슬래브 보다 큰 것을 알 수 있다. 일반슬래브와 보이드슬래브의 감쇠율은 포스트텐션 도입 전과 도입 후에 거의 동일한 값을 보이는 것을 확인하였다.
이 연구는 포스트텐션 콘크리트 부재의 화재에 대한 구조성능 평가기술을 개발하기 위하여, 고온에 노출된 포스트텐션 보와 슬래브 부재의 구조특성과 평가기법을 내화 실험을 통하여 연구하였다. 내화 실험 시 가열은 전기로를 사용하였으며 수열온도를 $400^{\circ}C$, $600^{\circ}C$, $800^{\circ}C$로 하였다. 이 연구로부터 고온을 받는 강연선은 응력 이완이 발생되고, 냉각되면서 긴장력의 일부 복원이 나타나는 것을 알 수 있었다. 포스트텐션 보와 슬래브 실험체가 각각 목표온도 도달 후 4시간 경과 시 포스트텐션 부재의 강연선의 잔존 긴장력을 살펴보면, 포스트텐션 보는 $400^{\circ}C$에서는 70%, $600^{\circ}C$에서는 10%, $800^{\circ}C$에서는 2%정도로 볼 수 있으며, 포스트텐션 슬래브는 $400^{\circ}C$에서는 94%, $600^{\circ}C$에서는 84.5%, $800^{\circ}C$에서는 62%정도로 나타났다. 상대적으로 포스트텐션 슬래브의 잔존 긴장력 손실이 작았던 이유는 슬래브가 고온에 일면 노출되었고, 강연선의 강도복원이 일어났기 때문으로 여겨졌다. 이 연구로부터 화재가 발생하는 경우 포스트텐션 부재는 강도 및 긴장력의 손실이 발생하고, 보강 시 손실된 내력만큼의 복원설계가 필요함을 확인하였다.
한국의 포스트텐션 시장은 2000년 이후부터 급성장하고 있으며 많은 엔지니어와 시공사들이 관심을 가지고 있다. 본 논문에서는 최근 한국 포스트텐션 시장의 동향과 초고층 포스트텐션 건물의 구조시스템과 시공에 대해 소개하고자 한다. 그리고 초고층 포스트텐션 건축물 설계시 고려해야할 사항에 대해서도 살펴본다. 울산에 위치한 파크폴리스는 39층 타워 2개동으로 구성되어있으며 건물 높이는 지상144m로 현재 공사가 진행중이다. 이 건물은 비부착방식 포스트텐션 시스템으로 설계되었으며 완공시 한국내 최고층 포스트텐션 건물이 될 것이다. 구조시스템은 플랫 슬랩, 외주 기둥, 코어월로 이루어져있다. 처음에는 테두리보를 가지는 일반 철근 콘크리트 구조로 설계되었지만 시공성 향상을 위해 포스트텐션 플랫슬래브로 재설계되었다.
본 연구는 전이슬래브의 두께를 줄이고 철근량을 감소시키기 위해 포스트텐션을 전이슬래브에 적용하는 포스트텐션 전이슬래브에 관한 연구이다. 본 논문에서는 전이슬래브와 같이 두꺼운 판요소 해석에 적합한 Wood-Armer 공식과 부착 긴장재를 사용한 포스트텐션 설계방법을 제안하고자 한다.
국내에서 처음으로 포스트텐션 콘크리트 포장의 시험시공이 2008년 10월 13일 수행되었다. 슬래브의 길이가 120m이며, 두께는 15cm의 폭 8.2m로 시공되었다. 본 시험시공을 통하여 포스트텐션 콘크리트포장(PTCP) 공법의 설계와 해석, 시공 등을 경험하였고 많은 실험데이터가 수집되었다. 또한 본 연구의 주요결과를 요약하였다.
포스트텐션 경량콘크리트 보의 극한 휨 거동 시 보강지수가 비부착 긴장재 응력에 미치는 영향을 평가하기 위하여 3개의 보 시험체가 실험되었다. 주요 변수는 보강지수 0.06, 0.15, 0.30 이었다. 실험결과 포스트텐션 경량콘크리트 보의 최대 휨 내력 시 비부착 긴장재의 응력은 ACI 318-08의 경험식에 의해 안전측에서 평가될 수 있었다.
포스트텐션 경량 콘크리트(LWC) 보 시험체 7개가 상부 대칭 2점 집중 하중 하에서 실험되었다. 주요 변수는 부착 주철근 양 및 유효 프리스트레스 양이다. 경량 콘크리트의 설계강도 및 단위 용적 중량은 각각 30 MPa과 1,770 $kg/m^3$이다. 포스트텐션 보통 중량 콘크리트에서와 같이 균열 진전과 비부착 긴장재의 응력은 부착 철근 및 유효 프리스트레스 양에 의해 영향을 받았다. 부착 철근 및 유효 프리스트레스 양의 증가와 함께 보의 사용성과 휨 내력은 향상되는 반면 비부착 긴장재의 응력은 감소하였다. 포스트텐션 경량 콘크리트 보의 균열 제어를 위해서는 ACI 318-08에서 제시하는 최소 부착 철근이 요구되었다. 포스트텐션 경량 콘크리트 보의 휨 거동 및 비부착 긴장재의 응력 증가는 제시된 비선형 해석 모델에 의해 적절하게 예측될 수 있었다. 반면 ACI 318-08 기준은 포스트텐션 LWC 보의 휨 내력 및 비부착 긴장재의 응력 증가에 대해 지나치게 안전측에 있었다.
본 연구에서는 비부착형 포스트텐션 시스템의 해석에 적용할 수 있는 모델링기법을 제시하였다. 모델링은 유한요소 해석 프로그램을 이용하였으며, tube-to-tube contact 요소를 도입하여 강연선의 물리적 형상을 직접적으로 모델링하는 방법과 실제의 강연선 외에 가상의 강연선을 콘크리트에 매입하고, 두 개의 강연선을 스프링으로 연결하여 간접적으로 모델링하는 방법을 동시에 제시하고 비교하였다. 콘크리트의 인장경화 현상을 무시하였을때 두 모델링기법에서는 거의 동일한 결과를 제공하지만 콘크리트의 인장경화를 고려한 경우에는 스프링을 이용한 간접적인 모델링기법을 통해서만 결과를 얻을 수 있었으며, 결과 또한 콘크리트의 경화현상을 고려하지 않은 경우와 다소 상이하였다. 비교를 통하여 비부착형 포스트텐션 시스템의 모델링기법으로 스프링을 이용한 모델링기법을 최종적으로 선정하고 기존의 실험적 연구에서 인용한 실험결과와 해석결과를 비교, 검증하였으며 또한 파라미터 스터디를 통해서 모델링의 적절성을 확인하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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