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문제 정의
- 최근 바닥판의 동특성(impedance 등)과 충격력 특성을 반영한 예측방법들이 Nightingale(7) 등에 의해 연구되고 있다. 이 연구에서는 서로 다른 중량충격원을 적용했을 때 발생되는 충격음압 레벨과 바닥구조간의 관계를 조사하였다. 우선 표준 중량충격원의 충격력 특성을 분석하였으며, 또한 충격원 변경에 따른 바닥충격음 평가방법에 대해서 국내 실정을 감안하여 분석하였다.
- 위의 측정결과를 바탕으로 주파수 대역별 충격음 레벨 차이는 충격력 레벨차와 유사한 것으로 나타났으나 바닥구조 및 측정환경에 의해 영향을 미칠 수 있는 것으로 나타났다. 이러한 충격원 간 차이를 통해 바닥구조 개발에 있어 각 충격원 별 현장 바닥충격음 평가방안에 대해서 고찰하였다.
가설 설정
- 바닥판은 2,400 kg/m3의 밀도를 가지는 210 kg/cm2의 철근콘크리트로 모델링하였으며 Shell 요소를 사용하여 바닥판을 모델링 하였다. 내력벽체로 되어 있는 경계부는 clamped로 그 밖의 개구부 경계조건은 free로 가정하였다. 모델링된 거실바닥판 중앙부를 중량충격원으로 가진하였을 때, 바닥판 진동응답을 과도해석(transient analysis)을 수행하여 분석하였다.
제안 방법
- 2종의 표준 중량충격원 및 보행에 대한 충격력을 측정하였다. 표준충격원의 충격력 폭로레벨 측정은 뱅머신 85 cm, 임팩트볼 100 cm 높이에서 각각 낙하 하였으며, 실충격원의 폭로레벨은 성인이 빠른 걸음으로 걸었을 때 3회 평균값을 사용하여 하였다.
- 표준충격원의 충격력 폭로레벨 측정은 뱅머신 85 cm, 임팩트볼 100 cm 높이에서 각각 낙하 하였으며, 실충격원의 폭로레벨은 성인이 빠른 걸음으로 걸었을 때 3회 평균값을 사용하여 하였다. 가진판의 반력을 고려하여 계산시간은 1초로 하였고, FFT시, Rectangular window를 사용하였다.
- 내력벽체로 되어 있는 경계부는 clamped로 그 밖의 개구부 경계조건은 free로 가정하였다. 모델링된 거실바닥판 중앙부를 중량충격원으로 가진하였을 때, 바닥판 진동응답을 과도해석(transient analysis)을 수행하여 분석하였다. 총 해석시간은 0.
- 이 연구에서는 서로 다른 중량충격원을 적용했을 때 발생되는 충격음압 레벨과 바닥구조간의 관계를 조사하였다. 우선 표준 중량충격원의 충격력 특성을 분석하였으며, 또한 충격원 변경에 따른 바닥충격음 평가방법에 대해서 국내 실정을 감안하여 분석하였다.
- 이 연구에서는 표준 중량충격원과 실제 충격원울 측정하였고 뱅머신과 임팩트볼 간의 충격력 특성차이를 분석하였다. 충격원간 충격력 특성차이를 바탕으로 전산해석 및 현장측정결과를 통해 바닥충격음 영향을 검토하여 충격원간 레벨차이 및 평가방법상의 차이를 검토해보았다.
- . 임팩트볼과 뱅머신에 따른 충격음 레벨차이를 통해 완충재를 사용한 표준바닥 구조 도입에 따른 차음효과 및 임팩트볼 도입에 따른 효과를 살펴보았다. 마감공사 직전이나 완료된 신축 공동주택 47세대 154개소에서 측정된 DB를 바탕으로 분석하였다.
- 1은 충격력 측정장치 및 Calibration을 위한 검증단계를 나타내고 있다. 임팩트해머(Type 5803A, Dytran)로 가진했을 때, 입출력 응답간의 차이로부터 시그널 합성 및 FFT 분석방법(시간, 평균화 방법 및 time weighting)을 결정하였다.
- 충격원 변화에 따른 바닥판의 진동응답을 살펴보고 이에 따른 충격음 전달에 대한 양상을 예측하고자 공동주택 부엌을 포함한 거실 면적 40 m2의 바닥면적을 가지는 맨슬래브의 단순바닥판을 모델링하였다. 범용 유한요소해석 프로그램인 ANSYS를 이용하여 모델링 및 해석을 실시하였다.
- 이 연구에서는 표준 중량충격원과 실제 충격원울 측정하였고 뱅머신과 임팩트볼 간의 충격력 특성차이를 분석하였다. 충격원간 충격력 특성차이를 바탕으로 전산해석 및 현장측정결과를 통해 바닥충격음 영향을 검토하여 충격원간 레벨차이 및 평가방법상의 차이를 검토해보았다. 분석결과를 요약하면 다음과 같다.
- 표준충격원의 충격력 특성을 파악하기 위하여 KS에서 제시하고 있는 형태의 충격력 측정 장치를 구성하여 측정 ․ 평가하였다. 충격력 측정 장치는 하중 27 kg의 하부 고정판과 상부 가진판 및 판 사이에 등간격으로 설치된 3개의 Force transducer (Type 2302A, PCB)로부터 충격력을 측정하는 형태로 구성되어 있다.
- 2종의 표준 중량충격원 및 보행에 대한 충격력을 측정하였다. 표준충격원의 충격력 폭로레벨 측정은 뱅머신 85 cm, 임팩트볼 100 cm 높이에서 각각 낙하 하였으며, 실충격원의 폭로레벨은 성인이 빠른 걸음으로 걸었을 때 3회 평균값을 사용하여 하였다. 가진판의 반력을 고려하여 계산시간은 1초로 하였고, FFT시, Rectangular window를 사용하였다.
대상 데이터
- 임팩트볼과 뱅머신에 따른 충격음 레벨차이를 통해 완충재를 사용한 표준바닥 구조 도입에 따른 차음효과 및 임팩트볼 도입에 따른 효과를 살펴보았다. 마감공사 직전이나 완료된 신축 공동주택 47세대 154개소에서 측정된 DB를 바탕으로 분석하였다. 현장 측정은 KS F2810-2의 방법을 따랐으며 측정점 위치 및 개소 수는 국토해양부 고시에 준하였다.
- 범용 유한요소해석 프로그램인 ANSYS를 이용하여 모델링 및 해석을 실시하였다. 바닥판은 2,400 kg/m3의 밀도를 가지는 210 kg/cm2의 철근콘크리트로 모델링하였으며 Shell 요소를 사용하여 바닥판을 모델링 하였다. 내력벽체로 되어 있는 경계부는 clamped로 그 밖의 개구부 경계조건은 free로 가정하였다.
- 충격력 측정 장치는 하중 27 kg의 하부 고정판과 상부 가진판 및 판 사이에 등간격으로 설치된 3개의 Force transducer (Type 2302A, PCB)로부터 충격력을 측정하는 형태로 구성되어 있다. 사용된 가진판은 두께 30 mm, 직경 360 mm으로 5.7 kg의 하중을 가지는 판으로 충격원이 판의 중앙부를 가진하였을 때, 가진판에 부착된 센서에 의해 충격력 응답을 취한다. Fig.
- 표준충격원의 충격력 특성을 파악하기 위하여 KS에서 제시하고 있는 형태의 충격력 측정 장치를 구성하여 측정 ․ 평가하였다. 충격력 측정 장치는 하중 27 kg의 하부 고정판과 상부 가진판 및 판 사이에 등간격으로 설치된 3개의 Force transducer (Type 2302A, PCB)로부터 충격력을 측정하는 형태로 구성되어 있다. 사용된 가진판은 두께 30 mm, 직경 360 mm으로 5.
- 측정 세대는 모두 벽체와 슬래브가 일체된 벽식구조로서 콘크리트 슬래브 두께는 각 150 mm, 165 mm 및 180 mm의 세 개 구조를 대상으로 하였다. 바닥구조는 그 상부에는 기포콘크리트와 모르타르로 이뤄진 온돌마감층으로 구성되었다.
데이터처리
- 충격원 변화에 따른 바닥판의 진동응답을 살펴보고 이에 따른 충격음 전달에 대한 양상을 예측하고자 공동주택 부엌을 포함한 거실 면적 40 m2의 바닥면적을 가지는 맨슬래브의 단순바닥판을 모델링하였다. 범용 유한요소해석 프로그램인 ANSYS를 이용하여 모델링 및 해석을 실시하였다. 바닥판은 2,400 kg/m3의 밀도를 가지는 210 kg/cm2의 철근콘크리트로 모델링하였으며 Shell 요소를 사용하여 바닥판을 모델링 하였다.
이론/모형
- 마감공사 직전이나 완료된 신축 공동주택 47세대 154개소에서 측정된 DB를 바탕으로 분석하였다. 현장 측정은 KS F2810-2의 방법을 따랐으며 측정점 위치 및 개소 수는 국토해양부 고시에 준하였다.
성능/효과
- (1) 중량충격원 가진특성, 즉 충격력 및 충격원의 모달특성에 따라 100 Hz대역의 충격음 레벨이 뱅머신과 임팩트볼 간 역전될 수 있다. 따라서 충격원의 가진특성을 고려하여 바닥구조의 차음성능이 평가되어야 한다.
- (3) 임팩트볼을 이용한 바닥충격음 평가시, 125와 250 Hz에서 바닥충격음 단일수치값이 결정되어 표준바닥구조 도입에 따른 저감효과 평가에 효과적인 것으로 나타났으며 비교적 변별력 있는 성능평가가 가능한 것으로 나타났다.
- 5 Hz로 설정하였다. 40 Hz 이하의 저주파수 대역에서의 충격력이 임팩트볼이 뱅머신에 비해 7 dB 정도 낮은 것으로 나타났다. 실충격원에 해당하는 보행가진의 경우, 표준충격원들과 달리 고주파수 대역으로 올라갈수록 비교적 선형적인 감소패턴을 가지는 것으로 나타났다.
- Fig. 2 상단에 나타난 바와 같이 72 kg 성인 남성의 보행과 표준 중량충격원에 의해 발생하는 충격력 시간에 따른 스펙트럼은 지속 시간과 피크레벨에 있어 차이가 있는 것으로 나타났다. 충격력의 지속시간은 중량 충격원의 경우 20 ms 이내로 보행에 의한 충격은 0.
- 1 dB 뱅머신의 충격음이 높게 나타났으며 125, 250 Hz 대역에서는 대부분 임팩트 볼의 충격음 레벨이 뱅머신에 비해 높은 것으로 나타났다. 그리고 완충재 비삽입 구조와 달리 500 Hz에서 뱅머신의 충격음이 높은 것으로 나타났다.
- 임팩트볼의 경우, 결정 주파수는 대부분 125 Hz으로 단일수치값의 변화폭은 뱅머신에 비해 5 dB 낮은 것으로 나타났다. 따라서 임팩트볼을 활용한 바닥충격음 현장측정을 통해 바닥구조의 차단성능 평가에 대해 보다 변별력 있는 측정결과를 얻을 수 있는 것으로 나타났다.
- 또한, 63 Hz에서 충격원간 차이가 완충재가 삽입된 바닥구조에서 평균 3 dB 높은 것으로 나타났다. 이는 완충재 삽입에 의한 바닥판의 공진효과로 인해 저주파수 대역에서 충격력이 큰 충격원에 대해 증폭되는 효과가 커져 충격음 레벨차가 증가한 것으로 해석된다.
- 뱅머신으로 바닥판을 가진 하였을 때의 진동가속도응답이 임팩트볼에 비해 2배 높게 나타났다. 바닥판의 공진주파수는 23 Hz로 나타났으며, 저차모드의 저주파수 대역에서는 임팩트볼로 가진하였을 때 뱅머신에 비해 10 dB 진동가속도 레벨이 더 낮게 나타났으나 250 Hz 대역에서는 임팩트볼로 가진했을 때, 바닥판의 진동가속도레벨이더 커 소음레벨이 더 클 것으로 예상된다.
- 40 Hz 이하의 저주파수 대역에서의 충격력이 임팩트볼이 뱅머신에 비해 7 dB 정도 낮은 것으로 나타났다. 실충격원에 해당하는 보행가진의 경우, 표준충격원들과 달리 고주파수 대역으로 올라갈수록 비교적 선형적인 감소패턴을 가지는 것으로 나타났다. 이는 이전 문헌들에서 검토한 6~9세 아이들의 주파수 대역별 충격력 특성(2,3)과 유사하나 이전 연구 결과에서와 같이(8) 보행자의 무게에 따라 충격력의 크기가 달라질 수 있는 것으로 나타났다.
- 뱅머신과 임팩트볼의 충격력은 일반적으로 125 Hz를 기준으로 저주파수 대역에서는 뱅머신이 높고, 고주파수 대역에서는 임팩트볼이 높다. 완충재 비삽입 구조의 경우에는 이러한 충격원간 충격력 특성을 잘 반영되고 있으나, 삽입구조의 경우에는 500 Hz에서 그 특성을 달리하는 것으로 나타났다. 삽입 구조500 Hz에서 거실에서의 차이가 침실에 비해 5.
- 5는 완충재 삽입 유무에 따른 뱅머신과 임팩트볼 충격음 단일수치 평가값(Li,Fmax,AW)의 분포를 정리하였다. 완충재가 삽입되지 않은 구조에서는 뱅머신과 임팩트볼로 가진하였을 때, 90 % 이상이 55 dB을 상회하는 것으로 나타났으나 완충재 삽입에 의해 중량충격음 레벨이 전반적으로 낮아졌다. 완충재를 삽입하지 않은 바닥구조의 경우에는 임팩트볼에 대한 충격음 레벨이 전반적으로 뱅머신에 비해 높은 것으로 나타났으나 완충재 삽입 후에는 뱅머신에 비해 임팩트볼에 대한 충격음 레벨이 낮아졌다.
- 완충재가 삽입되지 않은 바닥구조들은 63 Hz에서 거실의 경우 최대 8.4 dB, 침실에서는 최대 6.8 dB 뱅머신의 충격음이 높은 것으로 나타났다. 그러나 125~500 Hz 대역에서는 임팩트볼의 충격음이 평균 3.
- 8 dB 높았다. 완충재가 삽입된 구조들에서는 63 Hz에서 최대 10.1 dB 뱅머신의 충격음이 높게 나타났으며 125, 250 Hz 대역에서는 대부분 임팩트 볼의 충격음 레벨이 뱅머신에 비해 높은 것으로 나타났다. 그리고 완충재 비삽입 구조와 달리 500 Hz에서 뱅머신의 충격음이 높은 것으로 나타났다.
- 이는 완충재 삽입에 의한 바닥판의 공진효과로 인해 저주파수 대역에서 충격력이 큰 충격원에 대해 증폭되는 효과가 커져 충격음 레벨차가 증가한 것으로 해석된다. 위의 측정결과를 바탕으로 주파수 대역별 충격음 레벨 차이는 충격력 레벨차와 유사한 것으로 나타났으나 바닥구조 및 측정환경에 의해 영향을 미칠 수 있는 것으로 나타났다. 이러한 충격원 간 차이를 통해 바닥구조 개발에 있어 각 충격원 별 현장 바닥충격음 평가방안에 대해서 고찰하였다.
- 충격원의 고유진동수는 1차 77 Hz, 2차 110 Hz, 3차 122 Hz 및 4차 173 Hz에서 나타났으며 이는 충격력 폭로레벨 결과와 일치하였다. 이를 통해, 임팩트볼과 같은 중량충격원은 모달 형태로 구조체에 가진되는 것으로 나타났으며, 이러한 충격원의 모달 특성에 따라 바닥판의 응답이 달라질 수 있는 것으로 분석되었다.
- 중량충격원에 대한 충격력 및 임피던스 특성을 조사한 기존 연구결과를 통해 임팩트볼이 실제 충격원과 비교하여 뱅머신에 비해 보다 유사한 것으로 밝혀졌다(2,3). 종래의 뜬바닥구조는 바닥의 공진 주파수를 저주파수 대역으로 이동시키는 방법으로 설계가 되기 때문에, 63 Hz 이하에서 실제보다 과도한 충격력을 가진 뱅머신으로 저감구조의 차단성능을 평가할 경우, 과도한 설계를 유발할 수 있다는 문제점을 가지고 있었다(4).
- 2 상단에 나타난 바와 같이 72 kg 성인 남성의 보행과 표준 중량충격원에 의해 발생하는 충격력 시간에 따른 스펙트럼은 지속 시간과 피크레벨에 있어 차이가 있는 것으로 나타났다. 충격력의 지속시간은 중량 충격원의 경우 20 ms 이내로 보행에 의한 충격은 0.8초이므로 약 40배정도 길게 나타났다.
- 3은 임팩트볼에 대한 주파수 응답함수(FRF)와 충격력의 비교 그래프를 나타내고 있다. 충격원의 고유진동수는 1차 77 Hz, 2차 110 Hz, 3차 122 Hz 및 4차 173 Hz에서 나타났으며 이는 충격력 폭로레벨 결과와 일치하였다. 이를 통해, 임팩트볼과 같은 중량충격원은 모달 형태로 구조체에 가진되는 것으로 나타났으며, 이러한 충격원의 모달 특성에 따라 바닥판의 응답이 달라질 수 있는 것으로 분석되었다.
- 6 kN이하로 나타났다. 한편, 충격력 파형은 뱅머신의 경우, 피크치에 대해 대칭형태의 half-sine파형을 보였으나 임팩트볼의 경우, 가진 초기에는 충격력이 급격하게 증가하다 피크 이후에는 비교적 천천히 감소되는 비대칭형을 가지는 것으로 나타났다.
후속연구
- 향후, 실제 충격원과 충격특성이 가장 유사하여 국제적인 표준충격원으로 규정될 것으로 예상되는 임팩트볼에 대응하는 바닥구조 개발이 필요하며 이에 따라 125, 250 Hz 주파수 대역에서 효과적으로 충격음을 저감할 수 있는 바닥구조 설계가 필요하다. 또한, 현재 개발된 바닥구조에 대한 성능평가 결과를 활용하기 위해 주파수 대역별 삽입손실(insertion loss)을 활용한 평가방법 개발 및 주관적 반응에 영향을 미치는 주요 주파수대역 및 관련 물리적 변수 등과 같은 심리음향학적 측면에서의 저감 시스템에 대한 연구개발이 필요하다.
- 향후, 실제 충격원과 충격특성이 가장 유사하여 국제적인 표준충격원으로 규정될 것으로 예상되는 임팩트볼에 대응하는 바닥구조 개발이 필요하며 이에 따라 125, 250 Hz 주파수 대역에서 효과적으로 충격음을 저감할 수 있는 바닥구조 설계가 필요하다. 또한, 현재 개발된 바닥구조에 대한 성능평가 결과를 활용하기 위해 주파수 대역별 삽입손실(insertion loss)을 활용한 평가방법 개발 및 주관적 반응에 영향을 미치는 주요 주파수대역 및 관련 물리적 변수 등과 같은 심리음향학적 측면에서의 저감 시스템에 대한 연구개발이 필요하다.
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