정?부모멘트에 최적화된 단면과 구조미를 가진 프리캐스트 슬래브의 구조성능(Structural Performance of Precast Slab with Esthetics and Optimized Section for Positive and Negative Moment, 이하 OPS)는 중앙 경간의 불필요한 하부 플랜지를 제거하여 단면을 최적화하고, 프리스트레스 강연선과 트러스 형태의 전단철근을 배치함으로써 휨 및 전단 구조성능을 향상시킨 멀티 리브형 반조립 PC 슬래브이다. 또한, 이 슬래브는 부재의 길이변화에 유연하게 대응하도록 단면형상을 만들어서 공장 생산시의 작업성을 향상시켰으며, 현대건축의 필수인 디자인 요소를 구조미를 통해서 만족시킬 수 있도록 개발한 것이다.
이 연구에서는 현장적용을 목표로 구조성능을 검증하기 위하여 구조실험을 수행하였으며, 경제성 평가를 수행하여 RC(Reinforced Concrete) 및 타 PC(Precast Concrete) 공법 대비 경쟁력 확보가 가능함을 확인하였다. 특히, 경간에 따라 달라지는 플랜지 위치와 이에 따라 형성되는 변단면으로 인해 일반적인 PC 슬래브 부재와는 다른 구조거동 및 성능이 나타날 수 있으므로 이에 대해 면밀한 연구를 수행하였다. 또한, 현행 구조설계 기준을 바탕으로 실험결과를 비교?분석함으로써 적절한 설계 방안을 제시하였다.
OPS가 반조립 PC 공법임을 고려하여 시공하중에 저항하는 성능을 파악하기 위한 PC슬래브 유닛부재, 시공완료 후 부재의 극한 강도를 검증하기 위한 합성 슬래브 부재, 그리고 단부 연속화 단면에서 부모멘트의 영향을 받는 연속단 합성 슬래브 부재로 실험체를 제작하였으며, 변단면의 경사각, 전단철근의 양을 주요변수로 설정하였다.
실험결과, 휨성능은 PC슬래브 유닛, 합성 슬래브 및 연속단 부모멘트 합성슬래브 실험체에서 모두 현행 구조기준에 의하여 매우 정확하게 평가되었다. 덧침콘크리트 없이 제작된 PC슬래브 유닛부재의 전단내력은 설계기준에 의한 전단강도에 못 미치는 결과를 나타내었으나 이는 다른 여타 공법의 PC 유닛부재와 마찬가지로 토핑시에는 PC 슬래브의 유효춤 대비 철근간격이 넓고 철근의 정착길이가 확보되지 않아서 철근이 그 성능을 발휘하지 못한 때문이며, 콘크리트 단면에 의한 전단기여분만을 반영하여도 시공시 성능은 충분하고 적절하게 설계되는 것으로 나타났다. 합성 슬래브의 경우 전단철근의 경사각과 각 실험체에서 관측된 전단균열각()을 반영하여 전단철근의 기여분을 평가한 결과, 실험체의 강도를 정확히 평가할 수 있었다. 또한, 기준식을 적용하여 산정한 콘크리트 단면의 전단강도()와 전단균열각()을 60°로 간주하여 산정한 전단철근의 전단강도()를 더하여 OPS 합성부재의 전단강도를 산정하는 설계방법을 제안하였다.
합성슬래브 부재 실험에서는 전단연결재의 역할을 하는 전단철근의 돌출높이를 적절히 확보하고 계면의 거친면 처리를 하면 PC유닛과 덧침콘크리트와의 합성 성능을 확보할 수 있는 것으로 나타났다. 90°의 경사각을 갖는 PC유닛 슬래브는 급격한 단면변화에 의한 응력집중 현상으로 인하여 30° 혹은 60°의 변단면 경사각을 갖는 실험체에 비해 낮은 강도에서 조기 파괴되었으나, 합성슬래브 부재에서는 변단면 경사각이 90°인 경우에도 강도저하는 나타나지 않았고 다만 변형능력이 상대적으로 낮은 것으로 나타났다. 이러한 결과를 바탕으로 변단면 경사각을 60°이하로 설계하도록 제안하였다.
또한, 경제성 평가 결과, 하중이 큰 아파트의 지하주차장 지붕층이나 물류창고와 같은 장경간 구조물에서 경제성이 우수한 것으로 확인되었다. 물류센터에 적용할 경우에는 기존의 일체화된 철근콘크리트 슬래브 부재에 비하여 약 10% 정도 경제적인 것으로 분석되었다. 지하주차장에 적용할 경우에도 재래식 슬래브와는 거의 비슷한 수준의 경제성을 확보하였고, 일반적인 PC 슬래브 중에서는 가장 경제적인 것으로 분석되었다. 따라서, 정?부모멘트에 최적화된 단면과 구조미를 가진 슬래브로서 OPS 시스템은 기존 PC 슬래브 시스템과는 차별화된 경쟁력을 가질 수 있을 것으로 판단되며, 이를 바탕으로 여러 건설현장에서 다양하게 적용될 수 있을 것으로 기대된다.