3.1 시편 제작

텐던의 손실량 추정은 대부분 강연선 자체의 재료특성에 대한 성능평가를 중심으로 연구가 진행되었으며, 프리스트레스트 콘크리트에 실제로 적용되어 측정된 사례는 드물다. 따라서 시간 경과에 따른 프리스트레스력 감소를 실험적으로 평가하기 위해 손실량 실험방법을 제안하고 평가하고자 한다. 격납건물 등 사회기반시설물에 실제로 적용되는 강연선을 콘크리트 구조물에 적용하여 장기손실 평가하기 위해, 본 연구에서 사용한 PS 텐던은 Table 1에서 보는 바와 같이 200,000 MPa의 동일한 탄성계수를 가지면서 KS D 7002 (KATS 2011)에서 규정된 인장강도 1,860 MPa급인 SWPC 7B(B type), 인장강도 2,400 MPa급인 SWPC 7D(D type), 총 2가지 종류의 강연선을 적용하였으며, 장기손실 측정을 위한 실험체는 효율적인 프리스트레스 손실을 도출하기 위하여 Fig. 1에서 보는 바와 같이 총 길이가 18 m인 PSC 거더를 제작하였다. 콘크리트의 압축강도는 사회기반시설물에 보편적으로 적용되는 40 MPa로 설계하였으며, 구조물의 내부에 있는 긴장재가 외부로 노출되어 강연선의 게이지 설치 및 측정을 위해 거더의 지점부를 제외한 중앙단면은 PS 곡선형 변단면으로 설계하여 Fig. 1에서 보는 바와 같이 중앙부에서 멀어질수록 콘크리트 두께가 점점 감소하는 형상으로 일정한 곡률을 갖도록 특수한 형상으로 설계하였다. 측정용 강연선을 한 가닥씩 노출시켜 구조물 전 영역에 밀착되어 균일하게 구조물을 지지하도록 하고, 손실량을 균일하게 측정할 수 있도록 노출된 텐던에 게이지를 설치하였다. 강연선은 구조설계식의 결과를 이용하여 Fig. 1에서 보는 바와 같이 쉬스관을 배치하여 중앙부에 B type은 7가닥, D type은 5가닥을 각각 배치하여 거더에 동일한 긴장력을 도입하고 전체적인 압축력을 받게 하였다. 측정용 강연선은 중앙부 텐던으로부터 175 mm씩 떨어진 지점에 각각 한 가닥씩 설치하여 게이지 부착 및 프리스트레스 손실을 측정할 수 있도록 Fig. 2(g)에서 보는 바와 같이 외부로 노출시켰다. 쉬스관에 매립되는 중앙부 강연선부터 1단 긴장을 통해 포스트텐셔닝한 후 측정용 강연선의 설계긴장력은 B type, D type 각각 182 kN, 235 kN으로 적용하여 긴장하였다. 마지막으로 프리스트레싱 이외에 실험체에 지속하중을 반영하기 위하여 총 60 kN의 하중재하블록을 중앙부에 올려놓아 구조물이 지속하중을 받을 수 있도록 하였다. Fig. 2에 실험체 제작과정을 상세히 나타내었다.

Fig. 1. Test specimen details

Fig. 2. Procedure of PSC girder manufacturing

3.2 장기손실 측정용 센서 설치

앞서 언급한 바와 같이 시편에 측정용 강연선을 설치하였으며, 데이터 손상 방지 및 신뢰성 확보를 위해 Fig. 3에서 보는 바와 같이 강연선의 A, B 위치에 1.4 m 간격으로 계측센서를 설치하였다. 계측센서는 전기저항식 변형률 게이지인 FLA-1-11-3L 스트레인 게이지를 사용하였으며, 긴장된 강연선의 하부면을 공업용 그라인더를 이용하여 Fig. 4에서 보는 바와 같이 센서를 부착할 수 있도록 평평하게 면을 만들었다. 노출된 환경에서의 오염을 방지하기 위하여 고른 면에 소독처리를 하고 부착 지점에 EB-2 접착제를 이용하여 센서를 부착하였다. EB-2 접착제는 에폭시 성분의 접착제로서 일반 CN 접착제보다 접착력이 우수하여 최대 6개월까지 접착을 유지할 수 있다. 따라서, 접착력이 약해지는 6개월 주기로 센서를 교체하였으며, 변형률 초기값을 보정하여 이전 센서에서 측정된 수치와 연결성을 확보하였다. 센서는 M-coat A, SB, VM Tape를 이용하여 방수처리함으로써 데이터 노이즈를 제거하였다. 노출되는 강연선의 부식방지를 위해 최종적으로 Grease를 도포하여 습기 및 외부의 공기 접촉을 차단시켰다. 또한, 측정용 강연선의 인장부는 손실량을 고려하여 추후 재 인장이 가능하도록 보호캡을 통해 보호하였다.

Fig. 3. Tendon strain gauge locations

Fig. 4. Cross-section view of test specime

Fig. 5. Data acquisition system

3.3 계측시스템 구성

강연선의 장기손실량 계측을 위한 시스템 구성은 Fig. 5와 같다. 데이터 측정을 위해 사용된 데이터 로거는 일본 Tokyo Sokki 제품의 계측장비인 TDS-303과 50채널의 연결채널 1개소 Switch Box를 사용하였다. 상시 데이터 수신을 위해 공업용 컴퓨터를 설치하고, 데이터 송신을 위한 CDMA를 구축하여 계측장소에서 분석장소까지 데이터를 실시간으로 전송받아 손실량을 측정 및 분석할 수 있도록 구성하였다. 이와 같은 시스템은 본 연구에서뿐만 아니라 또한, 정전 및 자연재해로 인한 전원 차단에 대비하여 누전 차단기 및 UPS Power를 설치하여 무전원 상태에서도 일정 시간 배터리를 이용하여 시스템이 유지될 수 있도록 하였다. 계측은 시간 및 기온을 고려하여 0시, 6시, 12시, 18시 등 6시간 단위로 측정하여 분석하고, 기상상황 측정도 병행하여 강연선 손실의 경향과 영향특성을 평가하였다.

4.1 도로교 설계기준에 의한 예측결과

실험을 통해 측정된 결과와의 비교를 위해 우선, 본 연구에서 적용된 단면특성을 도로교설계기준(MOLIT 2016)에서 정한 식에 대입하여 재령 30일부터 재령 3,600일(10년) 동안의 SWPC 7B(B type) 텐던의 장기손실량을 Table 2에 나타내었다. 콘크리트에 가해진 PS 긴장력의 즉시손실 원인인 탄성수축량을 산정 시 긴장재의 편심거리 $e=0$, 초기 PS 긴장력에 의한 중심축에서의 콘크리트 응력은 모멘트가 작용하지 않으며, PS 긴장재의 단위면적에 작용하는 프리스테레스 응력을 적용하여 산정하였다.

또한, 정착장치의 이동에 의한 손실은 일반적으로 쐐기식 정착장치에서의 활동량이 3~6 mm이므로, 정착 이동량은 5 mm를 가정하여 산정하였으며, 마찰손실 산정 시 MOLIT(2016)의 마찰계수 범위 내에서 결정하여 파상마찰계수(0.004) 및 곡률마찰계수(0.19)를 적용하였다. 크리프 손실량은 MOLIT (2016)에서 정한 식에 따라 산정하였다. 긴장재의 경우, 응력이완에 의한 손실량을 저응력이완 긴장재로 적용하여 계산하였으나, 계측 시 설치되는 전기저항식 변형률 센서로는 릴랙세이션 측정이 불가능하다. 따라서, 이론 식과 실제 계측값을 정확하게 비교하기 위해서는 이론 값에서 릴랙세이션의 결과를 제외하고 계산하였다. MOLIT(2016)에서 제시된 설계식에 의해 계산된 B type의 초기 프리스트레스는 1,414 MPa이었으며, 1년 후 텐던의 손실량은 327.11 MPa, 손실률은 23.13 %를 나타내었다. 긴장 후 2개월까지 약 177.05 MPa의 손실을 보여 긴장 초기에 손실이 가장 많이 발생하고 있는 것으로 나타났으며, 이후 60일에서 90일까지의 손실은 37.17 MPa, 이후 월별 손실률은 점차 감소하는 경향을 나타내었다. 긴장 후 2년 뒤의 장기손실량은 374.84 MPa로, 손실률은 초기 인장응력과 비교하여 26.51 %의 손실이 발생한 것으로 계산되었다. 계산식에 의해 구조물의 인장응력 도입 이후 10년 후 장기손실량을 추정하여 보았으며, 손실량은 443.94 MPa, 손실률은 31.39 %로 나타났다. 인장응력 도입 후 2년 뒤부터 10년까지의 장기손실량은 45.85 MPa로, 손실량은 시간이 지나면서 감소하고, 특히 즉시손실 및 초기손실이 많이 발생한다는 것을 계산에 의한 추정식으로도 확인할 수 있었다.

4.2 시간에 따른 프리스트레스 손실

앞서 도로교 설계기준 계산식을 통해 예측된 손실량과의 비교를 위해 실제 PSC 구조물에 적용된 긴장재의 손실량 측정을 수행하였다. 데이터 계측은 게이지를 설치하고 긴장력을 도입한 2015년 1월부터 2년 3개월 뒤인 2017년 4월까지 6시간 단위(0, 6, 12, 18시)로 계측이 수행되었다. 계측데이터는 계측시스템을 통해 실시간으로 측정장소에서 분석장소로 데이터가 전송 및 저장되었으며, 월별, 시간별 데이터를 분석하였다. 측정된 데이터는 기상상황(온도 및 습도)에 따라 결과가 많이 달라지므로, 측정 당시의 기상상황도 Fig. 6에서 보는 바와 같이 조사하였다. 조사된 기상상황을 토대로 최초 측정된 날짜로부터 1, 2년 뒤의 유사한 기상상황 날짜의 데이터를 적용하였다(예시: 2015. 01. 15. 측정→2016. 01. 13~17. 중 유사한 기상상황). 이를 통해 측정된 변형률 값에 센서의 factor(2.14±1 %)와 온도 보정(temperature compensation) (11×10$^{-6}$/°C)을 통하여 결과를 분석하였다.

Fig. 6. Temperatures of the measured day (2015.01~2017.04)

부착된 게이지의 시간별 초기 측정값과 약 2년간의 측정값(겨울)을 비교하여 Fig. 7과 Table 3에 1년 단위로 손실결과를 나타내었다. SWPC 7B 강연선 중앙부는 1년 후 0시, 6시, 12시, 18시 기준으로 각각 1.69, 3.31, 1.29, 1.47 %의 손실이 발생하였으며, 2년 후 손실은 3.32, 3.82, 3.63, 2.94 %가 발생하여 약 3.5 %의 손실이 발생한 것으로 나타났다. 반면 SWPC 7D의 1년 후 0시, 6시의 손실은 각각 0.31, 1.12 %의 손실이 발생하였으나, 12시, 18시는 인장응력이 증가하여 손실이 발생하지 않은 것으로 측정되었다. 이러한 결과는 측정된 시점에서의 외부환경(온도, 습도 등)의 영향으로 인해 측정오차가 발생한 것으로 판단된다. 2년 후의 손실은 1.92, 2.88, 1.59, 1.79 %로 7B type의 텐던과 비교하여 적은 손실이 발생하는 것으로 나타났다.

Fig. 7. Prestress loss of PS tendon (center cross-section)

또한, B와 D 타입 모두 기온이 감소하는 18시 이후부터 익일 06시까지는 프리스트레스가 소폭으로 증가하다가 기온이 상승하는 06시 이후부터 18시 이전까지는 프리스트레스가 감소, 즉, 손실률이 감소하는 경향을 나타내어, 온도변화로 인한 콘크리트 및 강재의 열팽창 현상이 작용하는 것으로 판단할 수 있다.

도로교 설계기준(MOLIT 2016)에 의해 산정된 설계값과 계측에 의한 실측값을 Fig. 8을 통해 비교하였다. 설계값의 1년 후, 2년 후의 손실률은 각각 23.13, 26.51 %, 실측값은 시간별 손실률의 차이는 존재하지만 1년, 2년 후 각각 1.69, 3.32 %의 값을 나타내고 있다. 계산식에 의해 예측된 손실량과 실측에 의한 손실을 비교하여 보면 20 % 이상 큰 차이가 발생한 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 외기온도가 20 °C로 고정되어 있고, 환경요인을 배제한 실험적 오차가 전혀 없는 상황에서의 이론적인 손실은 초기손실과 장기손실로 나누어 전형적인 긴장력 손실 그래프 경향을 보여주고 있으나, 실측에서는 시간 및 계절에 따라 온도변화가 지속해서 작용하고 있기 때문에 콘크리트의 건조수축, 크리프 영향이 크게 발생하고, 이에 따른 긴장재의 수축과 이완이 하나의 요인으로 작용하는 것으로 판단할 수 있다. 하지만, Fig. 8의 8개월, 20개월 후의 결과를 비교하면 이론값과 계측값이 상당히 유사한 것을 볼 수 있다. 이러한 결과는, 계측값에서의 계절에 따른 프리스트레스 상승･하강의 반복적인 경향을 나타내고 있지만, 평균적으로 발생하는 프리스트레스 손실은 이론값의 그래프 경향을 따라가고 있음을 확인할 수 있다. 다만, 본 연구에서는 프리스트레스트 콘크리트 구조물의 강연선에 대한 계측만을 수행하였으므로, 콘크리트의 건조수축, 크리프 손실을 함께 측정하여 지속적인 계측결과를 바탕으로 시간 경과에 따른 프리스트레스의 변화를 추가로 파악할 필요가 있다고 판단된다.

Fig. 8. Calculated and measured PS loss results

4.3 계절에 따른 프리스트레스 손실

기온 변화에 따른 프리스트레스 손실 경향을 분석하기 위하여 온도변화가 가장 큰 겨울과 여름을 대상으로 Fig. 9와 Table 4에 1년, 2년 뒤의 평균 프리스트레스 차이를 나타내었다. B type 강연선은 겨울과 비교하여 여름에 평균적으로 약 180.16 MPa의 프리스트레스가 감소하는 경향을 나타내고 있으며, 2년 뒤에는 약 222.1 MPa의 프리스트레스가 감소하였다. SWPC 7D 강연선은 SWPC 7B와 비교하여 프리스트레스 손실은 적었으나 계절 변화에 따라 프리스트레스가 변화하는 것을 확인하였다. 겨울과 비교하여 여름의 프리스트레스는 약 63.59 MPa, 2년 뒤에는 약 191.9 MPa 감소하는 것으로 나타났으며, B type과 비교하여 약 13 % 정도 적게 발생하였다. 본 계측결과를 통해 프리스트레스 변화는 콘크리트의 재료적 특성 측면에서 콘크리트의 크리프와 건조수축이 중요한 요소임을 알 수 있다. 강연선에 설치한 스트레인 게이지의 중심부에서 계측된 값을 분석한 결과, 동절기(12~2월)에서 하절기(6~8월) 기간 동안 계절별 프리스트레스의 변화가 뚜렷하였으며, 월별 프리스트레스 변동 추이는 반복적인 형태를 나타내고 있음을 확인할 수 있다.

Fig. 9. Prestress loss results of climate

4.5 위치별 프리스트레스 변화

강연선 위치별 프리스트레스 손실을 분석하기 위해 Fig. 10~11에서 보는 바와 같이 프리스트레싱을 가한 텐던의 인장부와 단부 지점, 중앙부 총 세 지점의 프리스트레스 손실에 대해 분석하였다. 또한, Table 5에 위치별 2년간의 평균 프리스트레스 감소에 따른 유효 프리스트레스 응력을 나타내었으며, 프리스트레스가 가장 많이 발생한 값을 음영으로 표시하였다. 보는 바와 같이 B type 강연선의 경우 위치별 평균 프리스트레스 손실은 강연선의 끝부분, 앵커헤드와 가까운 지점에서 많이 발생하는 것으로 나타났다. 즉, 긴장력 도입으로 인한 앵커 슬립으로 인한 손실이 가장 큰 영향을 받는 것으로 판단할 수 있으며, 중앙부로 이동하면서 손실이 미소하게 감소하는 것으로 나타났다. 18 m 길이의 짧은 거더를 통해 분석한 결과로써 다소 오차 비율이 생길 수 있는 결과지만 실험결과를 통하여 앵커 부분의 손실이 중앙부보다 많이 발생하는 경향을 실험을 통해 분석할 수 있었다. D type 강연선의 경우, 시간과 계절에 따른 분석결과를 통해 B type의 경우보다 프리스트레스 손실이 적게 발생한 결과에 따라 앵커 부분과 중앙부의 손실이 시간에 따라 다른 경향을 나타낼 수 있음을 확인할 수 있었다.

Fig. 10. Prestress loss of PS tendon (anchorage cross-section)

Fig. 11 Prestress loss of PS tendon (end cross-section)