2.1 VPS 시스템 특징

VPS는 중공재의 형상을 최적화 하고 중공재의 부상 및 작업하중에 의한 이탈을 방지하는 기능을 가진 기존 중공슬래브공법(Void Deck Slab, 이하 VDS)과 동일한 구조적 성능을 유지하면서 슬래브용 거푸집을 데크 플레이트가 아닌 일반 거푸집에도 적용할 수 있도록 개선하였다(Yoon, 2014, 2013)^(14-15). VPS는 휨 성능에 영향을 미치지 않는 부분의 콘크리트 단면을 중공재로 치환함으로서 중공재 부피만큼 콘크리트가 줄어들어 자중 감소 효과에 대한 장점이 있다. 이러한 VPS의 특징은 다음과 같다.

2.2 VPS 구성 재료의 주요 기능

VPS는 중공재, 각관, 하부 스페이서, 고정앵커 및 상부앵글로 이루어져 있으며, 각 구성 재료의 주요 기능은 다음과 같다(Fig. 2 참조).

Fig. 2. Details of VPS

중공재는 총 길이 1100㎜에 폭 440㎜로 중공률이 극대화된 연속 요철 모양으로 설계되었다. 중공재 하부를 각관사이에 끼워 고정할 수 있도록 20×10㎜의 홈이 설치되어 있고, 모서리 부분에 응력집중을 최소화하고 부스러짐 방지를 위해 일정 곡률을 갖도록 하였다. 중공재 하부에 설치하는 각관은 중공재 위치 고정 및 상부앵글과 중공재를 결속하는 재료이다. 또한, 작업하중으로 인한 침하를 방지하는 역할을 한다. 하부 스페이서의 역할은 각관 받침 및 작업하중으로 인한 침하를 방지하는 역할을 한다. 고정앵커는 각관과 결속된 중공재 부상 및 수평 이동 방지 역할을 하며 정확한 위치에 고정할 수 있게 한다. 또한, 슬래브 하부 거푸집 제거 전 고정앵커 끝단을 제거하여 슬래브 바닥면을 균일하게 만들 수 있다. 상부앵글은 부상방지 역할을 수행하며, 중공재의 하부는 슬래브 하부 종방향 주철근의 배근에 미치는 간섭을 최소화하기 위하여 큰 곡률을 가질 수 있도록 하였다(Fig. 3참조).

Fig. 3. Construction of VPS

3.1 실험체 계획

VPS의 휨 성능에 대한 검토를 평가하기 위하여 Table 1과 같다. 중공재를 길이방향으로 배치하는 것(FPS)과 직각방향으로 배치하는 것(FNS)을 검토하고, 직각방향으로 배치되는 경우 중공부의 유닛을 연속적으로 연결한 경우와 중공부 유닛 하나를 다수 배치하는 것의 비교를 위한 실험을 계획하였다. 실험은 하나의 변수를 가진 실험체에 대하여 동일한 두 개의 실험체를 제작하여 실험의 신뢰성을 확보하고자 하였다. Fig. 4에 FPS 실험체와 FNS 실험체의 형상을 나타내었다.

VPS의 전단 성능에 대한 검토는 Table 2와 같이 중공재를 길이방향과 직각방향으로 배치하는 것에 대하여 계획하였다. 또한, 직각방향으로 배치되었을 경우(SNS-01), 중공부의 유닛을 연속적으로 연결한 경우(SNS-01)와 중공부 유닛 하나를 다수 배치(SNS-02)하는 것의 비교를 위한 실험을 계획하였다. 슬래브의 경우, 전단 성능은 크게 고려되지 않으나 중공부에 의한 콘크리트 체적감소가 일반 슬래브보다 높아 전단 성능이 부족할 수 있어 그 성능을 파악하는 실험을 계획하였다. 따라서 신뢰성에 대한 고려 없이, 각 변수별로 실험체는 1개씩 계획하였다. Fig. 5에 SPS-01, SNS-01 및 SNS-02 실험체의 형상을 나타내었다.

3.2 실험체 제작

Fig. 6은 VPS의 휨 및 전단 실험체의 제작과정을 나타낸 것이다. 실험체 제작은 ① 거푸집 설치, ② 하부철근 배근, ③ 하부레일 설치, ④ 중공재 배치, ⑤ 상부레일 설치, ⑥ 상부철근 배근, ⑦ 콘크리트 타설 순으로 제작되었다. 실험체는 콘크리트 타설 후 3주가 경과한 시점에서 실험실로 반입하였으며, 28일 이후 콘크리트 압축강도를 확인 후 휨 및 전단 성능 실험을 실시하였다.

Fig. 4. Model details of flexural specimens

Fig. 5. Model details of shear specimens

Fig. 6. Manufacturing of specimens

3.3 재료시험

철근은 KS B 0801(금속재료 인장시험편 규정) 2호의 규정에 따라 시험편을 제작하여, KS B 0802의 금속재료 인장시험방법에 따라 시험을 실시하였다. Table 3에 철근의 인장시험결과를 나타내었다.

콘크리트의 설계 강도는 24 MPa로 KS F 2405(압축강도 실험방법)에 의한 콘크리트 압축강도 시험결과 6개 공시체 평균값은 25.4 MPa로 나타났다. Table 4는 콘크리트 압축강도 시험결과를 나타내었다.

3.4 실험체 셋팅

VPS의 휨 성능을 평가하기 위한 실험은 Fig. 7 및 Fig. 8과 같이 단순보로 가정하여 단순지지 중앙부 2점 가력에 의한 실험을 수행하였다. 가력은 500 kN 용량의 가력기를 사용하였고, 하중측정 장치도 500 kN 용량의 로드셀을 사용하였다. 하중의 처짐은 중앙부와 1/4L 지점에서 100 ㎜의 LVDT를 이용하여 슬래브 처짐을 측정하였다. 또한, VPS의 전단 성능을 평가하기 위한 실험은 휨 실험체와 동일한 방법으로 셋팅을 하였고, 전단 스팬비(a/d)를 2.5로 제한하여 가력을 수행하였다.

Fig. 7. Set-up

3.5 실험체 내력 검토

VPS 휨 실험체는 콘크리트 구조설계 기준(KCI2017)에 따라 식(1) 및 식(2)에 의해 산정되었다. 실험체는 크기는 1,200 ×6,400×280㎜(b×L×h)이다. 실험체의 철근 배근은 인장 측과 압축 측 모두 5-D13($A_{s}$=$A_{s}^{'}$=635㎟)으로 배근하였다. 또한, 중공재를 길이방향(FPS) 실험체의 d =230 ㎜ 이고, 직각방향(FNS) 실험체의 d=215㎜이다.

여기서, $M_{n}$ : 설계 휨 강도, $P_{n}$ : 설계 휨 하중, $l_{a}$ : 지점 거리

4.1 균열 및 파괴상황

FPS-00 실험체는 하중 9.8 kN(변위 4.07㎜)에서 실험체 중앙부에서 초기 균열이 발생하였고, 항복하중 30.3 kN(변위 32.5㎜)까지 균열의 수 및 폭이 증가하였다. 이후 최대하중 43.6 kN(변위 346.7㎜)에서 하중 감소가 발생하여 실험을 종료하였다.

FPS-01-1 실험체는 하중 8.5 kN(변위 3.84㎜)에서 중앙부에 초기 균열이 발생하였고, 항복하중 28.5 kN(변위 36.7㎜)까지 기존 균열의 수 및 폭이 증가하였다. 최종적으로 최대하중 35.3 kN(변위 345.8㎜)에 도달 후 하중감소가 발생하여 실험을 종료하였다. FPS-01-2 실험체는 FPS-01-1 실험체와 유사하게 하중 6.4 kN(변위 6.36㎜)에서 초기 균열이 중앙부에 발생하였고, 균열 폭이 더욱 확장되며 하중 30.6 kN(변위 49.5㎜)에서 항복하였다. 이후 실험이 진행될수록 균열의 수 및 폭만 증가하였고, 최대하중 36.1 kN(변위 437.8㎜)에서 실험을 종료하였다.

Fig. 8. Crack of flexural specimens

Fig. 9. Crack of shear specimens

FNS-00의 실험체는 하중 9.4 kN(변위 2.75㎜)에서 초기 균열이 발생하였고, 하중 26.0 kN(변위 30㎜)에서 항복하였다. 이후, 최대하중 42.3 kN(변위 346㎜)에서 하중 감소가 발생하여 실험을 종료하였다.

FNS-01-1 실험체는 하중 4.7 kN(변위 2.17㎜)에서 실험체 중앙부에 휨 균열이 발생하였다. 이후 실험이 진행될수록 기존 균열의 폭 및 수가 증가하였고, 하중 25.9 kN(변위 33.7㎜)에서 항복하였다. 이후 실험체 중앙부의 균열의 폭이 크게 확장되었고, 최대하중 32.1 kN(변위 331.3㎜) 도달 후 실험을 종료하였다. FNS-01-2 실험체는 하중 11.3 kN(변위 6.27㎜)에서 실험체 중앙부에서 균열이 발생하였다. 이후 추가적으로 불규칙한 균열이 다수 발생하였으며 하중 25.8 kN(변위 30.4㎜)에서 항복하였다. 실험체의 균열 양상을 확인하였을 때, 중공재를 고정하기 위한 하부 각관(레일)의 형상을 따라 균열이 추가적으로 발생하는 것을 알 수 있었다. 최대하중 32.8 kN(변위 339.8㎜) 도달 후 실험을 종료하였다. FNS-02-1 실험체는 하중 6.0 kN(변위 3.12㎜)에서 실험체 중앙부에서 균열이 발생하였다. 하중 25.4kN(변위 35㎜)에서 항복하였고, 이후 실험이 진행될수록 하중-변위 곡선이 일정하게 유지되었다. 최대하중 36.4 kN(변위 343.7㎜)까지 도달하였고, 기존 균열 확장 및 추가 균열 발생 없이 실험을 종료하였다. FNS-02-2의 실험체는 하중 7.8 kN(변위 6.14㎜)에서 초기 균열이 발생하였다. 이후 하중 24.1 kN(변위 35.1㎜)에서 항복하였고, 최대하중 36.1 kN(변위 338.8㎜) 이후 하중감소가 발생하여 실험을 종료하였다.

SS-00의 실험체는 160.8 kN(변위 1.36㎜)에서 실험체 좌측 가력 롤러 부근에서 초기 균열이 발생하였고, 실험이 진행될수록 실험체 중심으로 휨 균열이 확장되었다. 하중 291.4 kN(변위 7.43㎜) 항복하였고 이후 기존 균열의 수 및 폭이 확장되었다. 최대하중 370.3 kN(변위 62.55㎜)에서 우측 가력 롤러 부근에서 휨-전단균열이 발생하였고, 하중 324.1 kN(변위 94.88㎜)에서 실험을 종료하였다.

SPS-01 실험체는 112.0 kN(변위 0.96㎜)에서 좌측 가력 롤러 부근에서 초기균열이 발생하였고, 실험체 중앙부 및 단부 쪽으로 균열이 확장되었다. 이후 좌측 가력 롤러에서 콘크리트 압괴가 발생하였다. 하중 269.3 kN(변위 7.44㎜)에서 항복하였고 최대하중 336.3 kN(변위 55.88㎜)에서 실험체 좌측 가력 롤러 부근에서 휨-전단균열이 확장되었고, 최종적으로 전단파괴가 발생하면서 실험을 종료하였다.

SNS-02 실험체는 101.17 kN(변위 0.774㎜)에서 실험체 우측 가력 롤러 부근에서 초기균열이 발생하였고, 실험이 진행될수록 균열이 수가 증가하였다. 하중 265.63 kN(변위 9.99㎜)에서 항복하였고 최대하중 306.2 kN(변위 53.24㎜)에서 휨 파괴가 발생하면서 실험을 종료하였다. SNS-02 실험체는 106.63 kN(변위 0.91㎜)에서 실험체 우측 가력 롤러 부근에서 초기 균열이 발생하면서 이후 실험체 중심으로 확장되었다. 이후, 하중 265.1 kN(변위 5.37㎜)에서 항복하였고 최대하중 318.9 kN(변위 59.73㎜) 이전까지 기존 균열 확장 및 우측 가력 롤러의 전단균열이 실험체 단부까지 확장되면서 최종적으로 전단 파괴가 발생하며 실험을 종료하였다.

4.2 하중-변위 관계

Table 5와 Fig. 10은 VPS의 휨 성능 실험결과와 하중-변위관계를 나타낸 것이다. VPS 휨 성능 실험결과, FPS-01-1 및 FPS-01-2 실험체의 경우 항복하중 값은 FPS-00 실험체에 비하여 약 94~101%로 나타나 평균 97.5%를 나타내고 있어 항복하중 값에는 큰 차이가 없는 것으로 나타났다. 하지만, 최대하중을 비교해보면 FPS-00 실험체 대비 약 82% 수준을 나타내고 있다. 최대하중 측면에서는 중공재를 포함한 VPS의 성능이 다소 부족한 것으로 나타났다. FNS-01-1 및 FNS-01-2 실험체는 FNS-00 실험체 대비 항복하중은 약 99.4%를 나타내었고, FNS-02-1 및 FNS-02-2 실험체는 FNS-00 실험체 대비 약 95.2%를 나타내어 휨 성능에는 중공재에 영향이 거의 없는 것으로 나타났다.

다만, 최대하중을 비교해 보면 FPS 실험체 및 FNS 실험체 모두 기준 실험체에 비하여 최대내력이 20~25% 감소한 것으로 나타났다. 이는 Fig. 12에 나타난 것과 같이 중공재가 배치되지 않은 기준 실험체는 휨 항복이 발생한 후에도 재료의 초과하중에 의하여 슬래브가 2차 강성을 가지고 지속적으로 내력이 증가하는 반면, 중공재가 배치된 실험체의 경우, 2차 강성이 1차 강성에 비하여 상대적으로 작아 내력의 차이가 나타나는 것으로 나타났다. 하지만 중공재가 배치된 실험체군도 2차 강성이 존재하고 연성도 충분히 확보되고 있어 휨 구조체의 성능이 충분히 발현되고 있는 것으로 판단된다.

Fig. 10. Load-displacement relationship(flexural specimens)

중공재를 배치한 두 실험체 군을 비교하면 미세하지만 FPS계열 실험체가 약 4.0kN정도의 강도가 높게 나타나는데 이는 중공재를 고정시키기 위한 하부레일이 휨 성능을 보완해 주고 있기 때문인 것으로 판단된다. 하지만 그 차이는 미세하며 두 실험체군의 강성차이는 0.8kN/㎜로 유사한 경향을 나타내고 있다.

Table 6과 Fig. 11은 VPS의 전단 성능 실험결과와 하중-변위관계를 나타낸 것이다. VPS 전단 성능 실험 결과 SPS-01 실험체의 경우, 항복하중 값이 SS-00 실험체 대비 약 92.4%로 나타나 SS-00 실험체에 비하여 다소 부족한 것으로 나타났다. 이는 중공재에 의하여 콘크리트 단면이 삭제되기 때문인 것으로 판단된다. 또한, 최대하중의 경우에도 SS-00 실험체 대비 약 91%수준을 나타내고 있어 최대하중 측면에서도 중공재를 포함한 VPS 시스템의 성능이 다소 부족한 것으로 나타났다.

Fig. 11. Load-displacement relationship(shear specimens)

SNS-01 및 SNS-02 실험체의 경우 SS-00 실험체 대비 약 91% 나타나 SPS계열 실험체와 유사한 결과를 나타내었다. 이러한 결과는 콘크리트의 단면이 삭제되어 전단력에 저항하는 능력이 감소하였기 때문으로 판단된다. 최대하중을 비교해 보면 두 실험체 모두 SS-00 실험체에 비하여 최대내력이약 20~25% 감소한 것으로 나타났다. 이는 중공재가 배치되지 않은 기준 실험체는 주철 근의 휨 항복이 발생한 후에도 재료의 초과하중에 의하여 슬래브가 2차 강성을 가지고 지속적으로 내력이 증가하는 반면, 중공재가 배치된 실험체의 경우, 2차 강성이 0에 가까워 내력의 증가가 없는 것으로 나타났다.