프리스트레스트 콘크리트(PreStressed Concrete) 구조물에서 긴장재에 도입된 긴장력의 분포 및 크기는 구조물의 안전성 및 사용성에 중요한 영향을 미친다. 구조물 내부의 긴장력 분포 및 크기를 확인하기 위한 다양한 방법이 제시되었으나, 전통적인 센서를 통해 긴장력을 측정하는 기존의 방법은 일반적으로 제한적인 정보만을 제공하거나 센서의 손상 및 계측값의 부정확성으로 인해 신뢰성 있는 결과를 도출하지 못하고 있는 실정이다. 또한 도입된 긴장력은 시공단계 및 시간의 흐름에 따른 손실에 의해 변동하며 일정하지 않은 분포를 보이므로 긴장력의 분포 및 크기를 정확히 예측하기는 어렵다. 이러한 요인들은 긴장력의 설계값이 실제와 달라 문제가 발생할 가능성을 내포하고 있으며, 따라서 보다 진보된 계측 방법의 필요성이 요구되고 있는 시점이다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 한국건설기술연구원에서는 FBG(Fiber Bragg Grating)가 삽입된 강연선 형태의 광섬유 센서인 스마트 강연선을 개발하였다. 스마트 강연선은 일반적인 센서의 역할과 더불어 구조적 역할을 동시에 수행할 수 있고, 긴장력의 분포 및 크기를 비교적 용이하고 정확하게 계측할 수 있는 장점이 있다.
이 연구에서는 스마트 강연선을 활용하여 다양한 실험을 수행하고 이론값과의 비교를 통해 프리스트레스트 콘크리트 구조물의 장단기 손실에 대해 고찰하였다. 스마트 강연선을 포스트텐션(Post-tension) 방식의 실 대형 실험체 및 장경간 실 교량에 적용하여 장단기 손실에 중요한 영향을 미치는 마찰계수를 산정하는 합리적인 방법론을 제시하였다. 또한 장단기 긴장력의 크기 및 분포를 계측하고 프리스트레스의 손실과 관련된 이론값과 비교하였다. 이론적 긴장력의 분포는 계측값과 유사한 경향을 보이지만 크기에서는 차이를 보였으며, 그러한 차이가 발생하는 원인에 대해 분석하였다.

이러한 스마트 강연선 계측값을 활용하여 마찰계수 등 프리스트레스 손실 계산에 사용된 일부 가정을 실제 구조 거동에 부합하도록 개선하는 방안을 검토하였다. 또한 그동안 센서 내구성 등의 문제로 어려움이 있었던 실험체 및 실 교량의 장기 계측을 실시하여 시공 단계 및 시간 경과에 따른 긴장력 이력을 고찰하였다.
한편 스마트 강연선의 추가 적용 방안으로 재하시험 시 스마트 강연선의 응답을 활용하여 실 교량의 내하력 평가를 실시하고 기존의 구조물 처짐을 이용한 방법에서 산정된 내하력과의 비교를 통해 보다 진보된 구조물 유지관리 사례를 제시하였다.
또한 프리텐션(Pretension) 부재에서는 다양한 변수에 따른 전달길이 실험을 수행하였으며, 이때 기존 1,860 MPa급 강연선보다 인장강도가 증가한 2,400 MPa급 고강도 스마트 강연선의 적용성도 함께 검증하였다. 이를 통해 좁은 간격으로 배치된 FBG 센서의 유효성이나 증기양생 시 센서의 내구성 등 스마트 강연선의 적용성을 추가로 검증하였다.
이와 같이 스마트 강연선을 통해 기존에 부정확하고 부분적으로만 추정할 수 있었던 프리스트레스트 콘크리트 구조물의 긴장력 정보를 보다 효율적이고 안정적으로 계측함으로써 다양한 분야에 활용할 수 있었다.
이 논문에서는 기존 센서의 단점을 개선한 스마트 강연선의 폭넓은 활용성을 검증할 수 있었으며, 스마트 강연선의 다양한 프리스트레스트 콘크리트 구조물 적용 사례를 통해 설계, 해석, 시공 및 유지관리 시 관건이 되는 다양한 문제들을 좀 더 효과적으로 해결하고, 관련 설계식을 개선하거나 구조거동 예측에 대한 정밀도를 높이는 데 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

In prestressed concrete structures, distribution and magnitude of the prestressing force have a significant effect on the safety and serviceability of the structures. Although various methods have been proposed to measure the distribution and magnitude of the prestressing force inside a structure, conventional methods to measure the prestressing force through traditional sensors often provide limited information or unreliable results due to damage of the sensor and inaccurate measurement values. Also, prestressing force varies with the construction stages and time, showing uneven distribution, which makes it difficult to accurately estimate the prestressing force. Therefore, an advanced method to measure the prestressing force is required since these conventional methods can cause a problem due to the difference between the design value and actual value of the prestressing force.
In order to cope with these problems, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology developed the Smart Strands, which are the strands with fiber optic sensor and FBG(Fiber Bragg Grating) embedded. The Smart Strand has a capability of both the general sensor and structural element. It can measure the distribution and magnitude of the prestressing force in a relatively efficient and accurate way.
In this study, experiments were performed using Smart Strands and the results were compared with theoretical values to address the characteristics of short- and long-term prestress losses.
Reasonable methods for estimating the friction coefficients were proposed, which have a significant effect on the short- and long-term prestress losses, by applying the Smart Strands to post-tensioned full-scale specimens and to actual long-span bridges. Furthermore, the distribution and magnitude of the prestressing force were measured and compared with the theoretical values considering prestress losses. The measured prestressing force distribution showed a similar trend to that of the theory but exhibited some differences in magnitude, where the causes for the differences were investigated. Several assumptions made to calculate the prestress losses such as friction coefficients were investigated for improvement to match with actual structural behavior by analyzing the measured values of Smart Strands. Moreover, long-term measurement of the prestressing force in the specimens and bridges with the construction stages and time was conducted, which has been difficult so far due to decreasing durability of the conventional sensors.
As a further application of Smart Strands, an improved procedure for structural maintenance was proposed by evaluating the load-carrying capacity of an actual bridge under truck loading using the response of the Smart Strands and by comparing with a conventional procedure using deflections.
On the other hand, in the pretensioned members, experiment regarding the transfer length was conducted with various parameters and the applicability of 2,400 MPa high-strength Smart Strand was verified which has higher strength than usual 1,860 MPa strand. Through this experiment, effectiveness of the FBG sensors placed at narrow intervals and durability of Smart Strand during steam curing were also verified.
By using the developed Smart Strands, it was possible to utilize the prestressing force distribution in various fields through effective and stable measurement when compared to conventional inaccurate and imperfect measurement.
In this study, the versatility of Smart Strands that have improved many disadvantages of traditional sensors has been verified. Through the application of Smart Strands to various prestressed concrete structures, it is expected that various problems in design, analysis, construction and maintenance can be effectively solved, the related design formulas can be improved, and precision in predicting structural behavior can be enhanced.