프리스트레스트 콘크리트(Prestressed Concrete, PSC) 구조는 콘크리트의 뛰어난 압축력과 PS 강연선을 활용하여 단면 효율을 극대화시킬 수 있다. 이러한 PSC 구조물에 압축력을 제공하는데 주로 사용하는 PS 강연선은 가장 핵심적인 재료로서 높은 품질이 요구되며, 안정적으로 긴장력을 도입할 수 있어야 한다. 그러나 PSC 구조물에 압축력을 도입할 때부터 사용종료 시까지 PS 강연선의 잔존 긴장력을 안정적으로 확인할 수 있는 방법은 보편화되어 있지 않은 편이다. 이에 잔존 긴장력에 대한 확인이 되지 않는 상태가 지속되고 방치될 경우, 긴장력 감소로 인한 구조물의 전면적인 붕괴사고까지 이어질 수 있다. 따라서 구조물의 긴장력 도입 단계부터 사용종료 시까지 정확하고 안전하게 긴장력을 확인할 수 있는 방안이 반드시 필요한 상황이다.
본 연구에서는 긴장력 계측 가능형 PS 강연선을 개발하고 강연선 및 실험체 수준에서 성능 검증 단계를 거쳐서 실제 PSC 교량에 적용하여 봄으로써 적용성과 사용성을 평가하였다. PS 강연선이 긴장력 계측 기능을 가지게 하기 위하여 최근 SOC 구조물의 계측에 활발히 사용되고 있는 광섬유 센서(FBG 센서)를 적용하였다. 광섬유 센서는 높은 감도와 내구성을 가지며 다수의 센서를 하나의 케이블에 직렬로 배치하는 것이 가능하기 때문에 PS 강연선에 적용하기에 가장 높은 적합성을 가지고 있다.
광섬유 센서를 PS 강연선의 중앙에 있는 심선 내부로 내장시키는 방안으로는 기존 강재 심선을 축방향으로 절단한 후 센서를 부착시키는 방법과 기존 강재 심선을 다른 재료로 대체하고 내부에 센서를 내장시키는 방법을 동시에 고려하였다. 각각의 방법으로 제작된 심선과 강연선으로 조립시킨 상태에서 성능 평가 시험을 수행하였으며, 그 결과를 바탕으로 강연선 자체로서의 성능도 만족시키며 센서 내장 난이도가 낮아 경제성이 높은 탄소 섬유 심선을 광섬유 센서 내장 PS 강연선의 심선 제작방식으로 선정하였다. 제작이 완료된 광섬유 센서 내장 PS 강연선에 대해서 크리프 시험과 릴랙세이션 시험을 수행하였으며 일반 PS 강연선 대비 동등 이상의 장기 성능을 확보하고 있음을 확인하였다.
실제 구조물에 적용하기 전 단계로서 PSC 보 실험체에 광섬유 센서 내장 PS 강연선을 적용하여 긴장력 도입부터 1,600일 이상 외기에 장기간 노출시켰으며, 휨실험으로 인한 최대 하중 가력까지 긴장력의 변화를 계측하였다. PSC 보 실험체에 대한 유한요소 해석을 수행하여 KS, CEB-FIP, ACI의 3개 기준에 따른 이론적 장기 긴장력 손실 데이터를 얻었으며, 열팽창 계수로 보정한 온도보상 장기 실측 데이터와 비교하여 부합성 여부를 판단하였다.
최종 단계로서 광섬유 센서 내장 PS 강연선을 실물 크기 개량형 거더교 모형 실험체 및 공용 중인 PSC 박스거더교 박스 내부 노출 텐던에 적용하였다. 실물 크기 실험체 및 실 교량에서 설계 긴장력 수준까지 적절한 긴장력 도입이 진행되었으며, 각각의 광섬유 센서 별로 위치에 따른 긴장력의 차이를 확인하였다. 개량형 거더교 실물크기 실험체에서는 동적 가진 실험을 통하여 가속도계와 동일한 1차 고유 진동수를 산출하였으며, 이를 통해 교량의 이상 유무를 파악하고 내하력 평가를 위한 기초 데이터를 제공할 수 있음을 확인하였다. 그리고 휨실험에 의한 파괴 시까지 긴장력의 안정적 계측이 가능하여 충분한 사용성을 확보하고 있는 것으로 평가되었다. 실 교량에서는 광섬유 센서 내장 PS 강연선 별로 초기 도입 긴장력 데이터를 확보하고 추후 유지관리를 위한 장기 데이터 취득 준비까지 완료함으로서 교량의 공용기간 동안 긴장력의 추이를 파악할 수 있게 하였다. 이를 통해 광섬유 센서 내장 PS 강연선은 실제 공용 중인 교량에도 높은 적용성을 가지고 있음을 확인하였으며, 충분한 사용성을 가지고 있으므로 PSC 구조물의 유지관리에 효율적으로 적용될 수 있을 것으로 기대된다.