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문제 정의
- 따라서 이 연구에서는 기존 축소모형 측정방법의 한계를 극복하고자 구조물 전체(시료 및 슬래브)를 상사법칙에 따라 축소하고 벽식구조의 경계조건을 모사하여 축소모형 바닥구조의 차음성능을 평가하였다. 우선 축소모형 제작 대상 및 평가방법을 설정하였고 콘크리트를 대체할 수 있는 슬래브 재료를 선정하였다.
- 그리고 뜬 바닥구조와 같은 다층 바닥 구조에서 보 전달함수법을 적용하여 얻은 저감재 물성에 따른 저주파수 대역의 중량충격음 특성을 살펴보았다. 마지막으로 바닥충격음 저감구조의 특성을 위한 연구방법으로 축소모형 도입의 가능성을 검토하였다.
- 이 연구에서는 국내에서 바닥충격음 저감성능 평가에 일반적으로 사용되고 있는 벽식구조 실험동을 모델로 하여 축소모형의 활용 가능성을 평가해보았다. 벽식구조의 거실부 경계조건과 유사하며 물성 및 슬래브 경계조건, 바닥판들의 차음성능에 대한 데이터가 확보되어 있어 축소모형 평가에 유리하다.
- 최근 층간소음 저감재의 종류가 다양해짐에 따라 서로 다른 물성을 가진 2가지 이상의 저감재가 적층되어 사용되는 경우들이 있다. 이 연구에서는 탄성계수 및 손실계수가 가장 작은 PE-foam과 탄성 계수 및 손실계수가 가장 큰 VED가 서로 적층되어 있는 바닥구조의 충격음 저감특성을 살펴보았다.
제안 방법
- Data acquisition system(B&K, Pulse 3560C front-end)을 통해 음압 및 가속도 신호를 wav 파일로 레코딩한 다음, 음원의 sampling rate를 원래의 1/10로 줄여 분석하였다(5).
- 벽체는 두께 20 mm 아크릴 판을 사용하였다. 각각의 바닥판과 벽체 부재는 시험동 슬래브와 벽체간의 고정단 경계조건을 재현하기 위해 5 cm 간격의 볼트 체결방식으로 일체화될 수 있도록 하였다. 슬래브는 10 mm~20 mm 두께의 판재로 제작되었으며 상부 온돌 마감층은 동일 재질의 10 mm 판재를 슬래브 위에 적층하여 사용하였다.
- 우선 축소모형 제작 대상 및 평가방법을 설정하였고 콘크리트를 대체할 수 있는 슬래브 재료를 선정하였다. 그리고 뜬 바닥구조와 같은 다층 바닥 구조에서 보 전달함수법을 적용하여 얻은 저감재 물성에 따른 저주파수 대역의 중량충격음 특성을 살펴보았다. 마지막으로 바닥충격음 저감구조의 특성을 위한 연구방법으로 축소모형 도입의 가능성을 검토하였다.
- 24 Hz에서 1차 모드가 발생하며 10 Hz~400 Hz 대역에서 8개의 자유도를 가지는 것으로 알려져 있다(8). 따라서 충격력 모달 특성을 모사하기 위하여 중공 구를 사용하였으며 유사한 주파수 특성을 나타내기 위하여 낙하 높이에 따른 충격력 특성을 비교하였다. Fig.
- 모사 가진원으로 슬래브 중앙부를 가진했을 때, 슬래브 천장 중앙(소음 방사면)에서 측정한 진동속도(surface velocity)를 비교하여 각 슬래브간 차이를 살펴보았다. 바닥충격음에 큰 영향을 미치는 슬래브의 1차 고유진동수는 아크릴 10 mm, MDF 15 mm, 아크릴 20 mm, 베크라이트 20 mm의 순으로 높았으며 각 11 Hz, 17.
- 바닥판의 충격음 특성을 살펴보기 위하여 구형의 충격원으로 판 상하부 중앙을 가진하였을 때, 중앙부 가속도계(Endevco, Type 2250-12)를 통해 진동 레벨을 측정하고 이로 인해 방사되는 소음을 수음실 중앙부에서 1/8" 마이크로폰(GRAS, Type 4138)으로 측정하였다.
- 벽체와 연결되어 있는 슬래브 물성에 따른 충격음 특성을 고찰하고 모사대상 구조물인 콘크리트 슬래브를 대체할 수 있는 축소모형 재료를 선택하기 위하여 슬래브(base plate) 재료별로 특성을 살펴보았다. Table 2는 슬래브 재료의 물성을 나타내고 있다.
- 실제 스케일의 실험동(슬래브 두께 210 mm)과 축소모형(베크라이트, 슬래브 두께 20 mm)에 대해 슬래브 중앙을 각각 임팩트볼과 모사 충격원으로 가진했을 때, Table 3과 같은 잔향시간을 가지는 수음실에서 측정한 충격음 레벨을 비교하였다. Fig.
- 앞선 결과에서 실제 스케일의 콘크리트 슬래브의 고유진동수 및 모사 가진원에 따른 주파수 특성이 유사한 것으로 나타난 축소모형 베크라이트 20 mm 측정결과와 실제 스케일의 실험동 210 mm 콘크리트 슬래브간의 방사효율 및 실제 충격음 레벨을 비교하여 축소모형 결과의 재현수준을 검토하였다.
- 1에서부터 순서대로 증가하여 PE-foam이 가장 작 았으며 VED가 가장 큰 값을 가졌다. 위의 조건을 바탕으로 이 연구에서는 저감층 동특성에 의한 충격 진동 및 소음 특성을 살펴보았다.
- 아래의 축소모형 실험결과들은 위 방법을 통해 보정된 주파수 대역, 즉 2 Hz~1,600 Hz에 대해 분석한 결과로 나타내었다. 이 연구에서는 동특성 및 두께가 다른 4종류의 슬래브 및 서로 다른 저감재를 삽입한 4종류의 다층 바닥구조를 설치하여 바닥판의 충격진동(분석구간 2초, 0.5 Hz 간격) 및 방사소음(LiFmax)을 측정하였다. 방사소음의 평가주파수 대역은 KS 2801-2의 방법에 따라 63~500 Hz를 대상으로 하였다.
- 이 연구에서는 위의 이론을 바탕으로 모사대상 실험동의 크기, 축소모형 가용재료의 물성 및 실험 장치의 분석 가능한 주파수 범위를 고려하여 1:10 축소모형을 제작하였다. 축소모형 바닥판의 크기는 0.
- 이 축소모형을 활용한 실험에서는 단층의 저감재가 사용되는 경우(single layer)와 복층으로 구성된 저감재가 사용되는 경우(double layers)의 다층 바닥구조를 대상으로 20 mm 두께의 베크라이트 슬래브 위에 저감재를 적층한 다음 다시 10 mm 두께의 베크라이트 판를 올려놓는 형태로 시험체를 설치하여 저감재 물성별 충격 진동 및 소음 측정결과를 분석하였다. 저감재로서 고려된 재료는 층간소음 저감재로 사용되는 EPDM, EPS, EVA, PE-foam 그리고 점탄성 제진재(VED)를 사용하였다.
대상 데이터
- (2) 이 연구에서는 콘크리트 슬래브를 재현할 수 있는 재료로는 베크라이트를 선정하였다. 그리고 이를 이용하여 다양한 저감재를 사용한 다층 바닥구조에 대해서도 저감재의 탄성계수 및 손실계수에 따른 주파수 대역별 저감특성이 실제 구조물에서의 경향과 유사하게 나타나는 결과들을 볼 수 있었다.
- 27 m로 하였다. 벽체는 두께 20 mm 아크릴 판을 사용하였다. 각각의 바닥판과 벽체 부재는 시험동 슬래브와 벽체간의 고정단 경계조건을 재현하기 위해 5 cm 간격의 볼트 체결방식으로 일체화될 수 있도록 하였다.
- Table 2는 슬래브 재료의 물성을 나타내고 있다. 사용된 재료로는 축소모형 가용재료로 활용할 수 있는 재료로서 아크릴(plexiglas) 10 mm 및 20 mm, MDF 15 mm 그리고 베크라이트 20 mm의 4종류를 검토하였다. 바닥충격음 전달에 중요한 영향을 미치는 phase velocity(CL) 및 굽힘 강성(bending stiffness) 측면에서 콘크리트와 가장 유사한 재료로는 베크라이트로 나타났다.
- 각각의 바닥판과 벽체 부재는 시험동 슬래브와 벽체간의 고정단 경계조건을 재현하기 위해 5 cm 간격의 볼트 체결방식으로 일체화될 수 있도록 하였다. 슬래브는 10 mm~20 mm 두께의 판재로 제작되었으며 상부 온돌 마감층은 동일 재질의 10 mm 판재를 슬래브 위에 적층하여 사용하였다. 축소모형은 Fig.
- 실험실은 바닥면적 4.6 m×5.1 m(23.5 m2)의 장방형 슬래브와 200 mm 두께의 전단 내력벽체로 구성되어 있으며 벽체와 슬래브의 연결부위는 고정단의 경계조건을 갖는다.
- 따라서 이 연구에서는 기존 축소모형 측정방법의 한계를 극복하고자 구조물 전체(시료 및 슬래브)를 상사법칙에 따라 축소하고 벽식구조의 경계조건을 모사하여 축소모형 바닥구조의 차음성능을 평가하였다. 우선 축소모형 제작 대상 및 평가방법을 설정하였고 콘크리트를 대체할 수 있는 슬래브 재료를 선정하였다. 그리고 뜬 바닥구조와 같은 다층 바닥 구조에서 보 전달함수법을 적용하여 얻은 저감재 물성에 따른 저주파수 대역의 중량충격음 특성을 살펴보았다.
- 65 m이다. 이 구조물은 벽식구조의 철근콘크리트로 되어 있으며 구조재로 사용된 철근 콘크리트는 압축강도 20.5 MPa, 밀도 2400 kg/m3의 물성을 갖도록 설계되었다.
- 이 축소모형을 활용한 실험에서는 단층의 저감재가 사용되는 경우(single layer)와 복층으로 구성된 저감재가 사용되는 경우(double layers)의 다층 바닥구조를 대상으로 20 mm 두께의 베크라이트 슬래브 위에 저감재를 적층한 다음 다시 10 mm 두께의 베크라이트 판를 올려놓는 형태로 시험체를 설치하여 저감재 물성별 충격 진동 및 소음 측정결과를 분석하였다. 저감재로서 고려된 재료는 층간소음 저감재로 사용되는 EPDM, EPS, EVA, PE-foam 그리고 점탄성 제진재(VED)를 사용하였다.
- 축소모형 바닥판의 크기는 0.46 m×0.51 m로 하였으며 수음실의 천장고는 0.27 m로 하였다.
데이터처리
- 축소모형을 통한 고체음 평가의 재현을 위해서 각 구조에 따른 방사효율(radiation efficiency)을 LMS sysnoise 프로그램을 활용하여 계산하였다. 방사효율(σ)은 식 (3)~(4)에 의해 계산되는 input power(Wi)와 output power(Wo)간의 비로 표현된다.
이론/모형
- 5 Hz 간격) 및 방사소음(LiFmax)을 측정하였다. 방사소음의 평가주파수 대역은 KS 2801-2의 방법에 따라 63~500 Hz를 대상으로 하였다.
성능/효과
- 계산에 활용된 바닥 슬래브의 물성은 Table 2의 값을 적용하였으며 판의 경계조건은 실제 모달 테스트 결과를 바탕으로 설정하였다(9). 2개 모델에 대해 계산된 방사효율을 비교한 결과, 대응하는 주파수 대역의 방사효율 양상이 서로 유사함을 확인할 수 있었다.
- 8은 다층 바닥구조에 다양한 저감재를 적용했을 때, 모사 가진원으로 바닥판 중앙부를 가진하여 수음실 천장에서 측정한 주파수 대역별 진동레벨을 나타내고 있다. Bakelite 맨슬래브와 비교하여 모든 다층 바닥구조에서 125 Hz 이상 주파수 대역의 방사면 진동속도가 절반 이하로 감소하였다. 반면, 63 Hz 이하의 대역에서는 PE-foam을 제외하고 대부분의 저감재를 사용한 구조에서 진동이 맨슬래브에 비해 증가하는 것으로 나타났다.
- 따라서 충격력 모달 특성을 모사하기 위하여 중공 구를 사용하였으며 유사한 주파수 특성을 나타내기 위하여 낙하 높이에 따른 충격력 특성을 비교하였다. Fig. 3과 같이 모사 가진원을 15 cm 높이에서 자유낙하할때, 충격력의 시간 영역에서의 가진 특성, 즉 초반에 충격력이 급격히 증가하다가 천천히 감소하는 특성이 임팩트볼과 유사하게 나타났으며 충격력의 주파수 특성도 평가 대역에서 옥타브 밴드별로 4 dB이내로 서로 유사하게 나타났다.
- (2) 이 연구에서는 콘크리트 슬래브를 재현할 수 있는 재료로는 베크라이트를 선정하였다. 그리고 이를 이용하여 다양한 저감재를 사용한 다층 바닥구조에 대해서도 저감재의 탄성계수 및 손실계수에 따른 주파수 대역별 저감특성이 실제 구조물에서의 경향과 유사하게 나타나는 결과들을 볼 수 있었다.
- 따라서 완충재와 제진재를 복합적으로 적용했을 때(단일수치값 49 dB), 추가적인 저감효과는 나타나지 않았다. 다만 저차의 공진주파수 대역에서는 손실계수가 큰 VED를 적용함으로써 충격음 레벨을 다소 저감하는 역할을 하는 것을 확인할 수 있었다.
- 단층 및 복층 저감재를 사용한 구조에 대한 실험 결과에서 모두 기존 결과(11)와 같이 동탄성계수가 작은 구조에서 중량충격음이 저감되는 결과들이 나타났으며 이 실험결과에서도 단일수치값(Li,Fmax,AW, KS F 2863-2)으로 보았을 때, 탄성계수가 작은 EPS 및 PE-foam은 49 dB, EVA 52 dB, EPDM 54 dB 그리고 VED는 55 dB로 탄성계수 감소에 따라 맨슬래브 대비 최대 8 dB 감소하는 것으로 나타났다. 특히 뱅머신에 비해 125 Hz에서의 음압레벨이 단일수치값을 결정하는 데 중요한 역할을 하는 임팩트볼 측정평가라는 측면에서 탄성계수 감소에 따른 중량충격음 저감효과가 더욱 뚜렷하게 나타났다.
- 따라서 기존 축소시편 실험방법에서 예측이 어려운 125 Hz 이하의 저주파수 대역에 대해 축소모형을 활용하여 상대적인 충격음 특성평가가 가능할 수 있음을 확인하였다. 보다 정확한 저감구조 충격음 성능 평가를 위해서는 주파수 대역별 탄성계수 및 손실계수에 대한 측정결과가 있어야 한다.
- 2가지 저감재를 적층한 저감구조의 경우에서도 이전 연구들과 같이 저감층이 2개의 스프링이 직렬로 연결된 구조로 해석될 수 있으므로 낮은 동탄성계수를 가지는 PE-foam의 탄성계수가 지배적인 역할을 하게 되는 결과들을 볼 수 있었다. 따라서 완충재와 제진재를 복합적으로 적용했을 때(단일수치값 49 dB), 추가적인 저감효과는 나타나지 않았다. 다만 저차의 공진주파수 대역에서는 손실계수가 큰 VED를 적용함으로써 충격음 레벨을 다소 저감하는 역할을 하는 것을 확인할 수 있었다.
- 9 dB이내로 나타났다. 따라서 저주파수 대역의 차음성능 평가에 있어 벽식구조 콘크리트에서의 충격음 주파수 특성이 베크라이트를 사용한 축소모형을 통해 유사하게 재현될 수 있음을 확인할 수 있었다.
- 사용된 재료로는 축소모형 가용재료로 활용할 수 있는 재료로서 아크릴(plexiglas) 10 mm 및 20 mm, MDF 15 mm 그리고 베크라이트 20 mm의 4종류를 검토하였다. 바닥충격음 전달에 중요한 영향을 미치는 phase velocity(CL) 및 굽힘 강성(bending stiffness) 측면에서 콘크리트와 가장 유사한 재료로는 베크라이트로 나타났다.
- 모사 가진원으로 슬래브 중앙부를 가진했을 때, 슬래브 천장 중앙(소음 방사면)에서 측정한 진동속도(surface velocity)를 비교하여 각 슬래브간 차이를 살펴보았다. 바닥충격음에 큰 영향을 미치는 슬래브의 1차 고유진동수는 아크릴 10 mm, MDF 15 mm, 아크릴 20 mm, 베크라이트 20 mm의 순으로 높았으며 각 11 Hz, 17.5 Hz, 20 Hz, 26.5 Hz로 나타났다. 비교대상이 되는 콘크리트 210 mm 두께의 실험동 측정결과에서는 32 Hz로 베크라이트가 콘크리트 슬래브와 가장 유사한 것으로 나타났다.
- Bakelite 맨슬래브와 비교하여 모든 다층 바닥구조에서 125 Hz 이상 주파수 대역의 방사면 진동속도가 절반 이하로 감소하였다. 반면, 63 Hz 이하의 대역에서는 PE-foam을 제외하고 대부분의 저감재를 사용한 구조에서 진동이 맨슬래브에 비해 증가하는 것으로 나타났다.
- 5 Hz에서 가장 높은 레벨을 나타냈다. 베크라이트의 경우, 다른 구조에 비해 63 Hz에서 레벨이 낮았으며 31.5 Hz에서 가장 높은 음압레벨이 나타났으며 125 Hz에서도 높은 레벨을 갖는 것으로 나타났다. 이러한 특성은 실제 콘크리트 슬래브에서의 충격음 레벨특성과 유사하였다.
- 5 Hz로 나타났다. 비교대상이 되는 콘크리트 210 mm 두께의 실험동 측정결과에서는 32 Hz로 베크라이트가 콘크리트 슬래브와 가장 유사한 것으로 나타났다. Fig.
- 1에서 5의 순서로 증가한다. 손실계수 또한 No. 1에서부터 순서대로 증가하여 PE-foam이 가장 작 았으며 VED가 가장 큰 값을 가졌다. 위의 조건을 바탕으로 이 연구에서는 저감층 동특성에 의한 충격 진동 및 소음 특성을 살펴보았다.
- 5는 모사 가진원으로 슬래브 중앙부를 가진했을 때, 수음실 중앙부 바닥으로부터 120 mm 높이에서 측정한 충격음 레벨을 나타내고 있다. 아크릴 10 mm와 MDF의 경우에는 63 Hz에서 가장 높은 레벨이 나타났으며 높은 강성을 가지는 아크릴 20 mm, 베크라이트의 경우에는 31.5 Hz에서 가장 높은 레벨을 나타냈다. 베크라이트의 경우, 다른 구조에 비해 63 Hz에서 레벨이 낮았으며 31.
- 9는 진동 측정과 동일한 상태에서 측정한 수음실 중앙부의 대역별 최대 음압레벨을 나타낸다. 진동 측정결과와 유사한 결과를 보였으며 PE-foam을 제외한 경우, 63 Hz에서 VED를 사용한 구조가 가장 낮은 음압레벨을 보였다. 그러나 125 Hz 이상의 대역에서는 저감효과가 다른 구조에 비해 미미한 것으로 나타났다.
- , KS F 2863-2)으로 보았을 때, 탄성계수가 작은 EPS 및 PE-foam은 49 dB, EVA 52 dB, EPDM 54 dB 그리고 VED는 55 dB로 탄성계수 감소에 따라 맨슬래브 대비 최대 8 dB 감소하는 것으로 나타났다. 특히 뱅머신에 비해 125 Hz에서의 음압레벨이 단일수치값을 결정하는 데 중요한 역할을 하는 임팩트볼 측정평가라는 측면에서 탄성계수 감소에 따른 중량충격음 저감효과가 더욱 뚜렷하게 나타났다.
- 복층으로 되어 있는 저감재의 경우에는 충격음 레벨 특성이 탄성계수가 낮은 PE-foam과 유사하게 나타났다. 한편, PE-foam 구조에 VED를 추가로 적용함으로써 31.5 Hz에서는 3 dB의 저감효과가 나타났다.
후속연구
- 따라서 기존 축소시편 실험방법에서 예측이 어려운 125 Hz 이하의 저주파수 대역에 대해 축소모형을 활용하여 상대적인 충격음 특성평가가 가능할 수 있음을 확인하였다. 보다 정확한 저감구조 충격음 성능 평가를 위해서는 주파수 대역별 탄성계수 및 손실계수에 대한 측정결과가 있어야 한다. 특히, 점탄성 재료와 같이 손실계수는 주파수 대역에 따른 탄성계수 차이가 크기 때문에 주파수 대역별 물성결과가 있을 때 정확한 결과해석이 가능하다.
- 특히, 점탄성 재료와 같이 손실계수는 주파수 대역에 따른 탄성계수 차이가 크기 때문에 주파수 대역별 물성결과가 있을 때 정확한 결과해석이 가능하다. 향후 이러한 고려사항들을 반영할 때, 축소모형 측정방법을 바닥구조의 충격음 차단성능 연구에 활용될 수 있을 것으로 생각된다.
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