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문제 정의
- 이러한 마감 구조의 재료 특성을 이용하면 콘크리트 슬래브 상부에 마감층을 단순 시공하는 것만으로 전체 바닥구조의 휨강성과 단위 면적당 질량을 동시에 증가시킬 수 있다. 본 연구에서는 바닥 상부구조와 콘크리트 슬래브가 일체된 바닥구조의 두 가지 기대효과, 1) 100 mm 정도의 슬래브 두께 증가 효과와 2) 상부구조 공진에 의한 2차 발생음 제거 효과에 의하여 63 Hz 대역의 저주파 바닥충격음 저감 성능이 향상될 수 있음을 검증하고자 하였다.
- 뜬바닥 구조가 저주파대역에서 좋지 않은 바닥충격음 차단성능을 나타내는 요인은 바닥 상부구조의 공진에 의한 2차 발생음과 콘크리트 슬래브를 가진하는 충격력 스펙트럼의 변화 때문이다(1). 이 연구에서는 이러한 공진을 줄임으로써 저주파 바닥충격음 차단성능을 높일 수 있는 방법으로 바닥 상부구조와 콘크리트 슬래브가 일체화된 바닥구조 시스템을 제안하였다. 콘크리트 슬래브와 경량기포콘크리트, 마감몰탈(온돌축열층) 등의 상부구조가 하나로 연결된 일체형 구조에 의하여 100 mm 정도의 슬래브 두께 증가 효과와 함께 상부구조 공진에 의한 저주파 바닥충격음 증폭 억제 및 저감 효과를 기대할 수 있다.
제안 방법
- 임펄스 가진법을 사용하여 1 ~ 25번 가진에 대해 1번과 13번에서의 가속도 주파수응답함수를 계측하였다. 1번과 13번 측정위치의 마감몰탈 상부와 콘크리트 슬래브 하부에 가속도계를 설치하여 바닥 구성층의 일체 거동 여부를 확인하였다.
- 바닥 상부구조 시공 전∙후의 바닥구조에 대해 중량충격음(고무공), 가속도 응답(고무공), 가속도 및 음압 주파수응답함수, 그리고 25개 측정지점에 대한 진동모드분석 실험을 수행하였다. 바닥 상부구조 일체형 바닥구조를 대상으로 4.
- 바닥 상부구조 시공 전∙후의 바닥구조에 대해 중량충격음(고무공), 가속도 응답(고무공), 가속도 및 음압 주파수응답함수, 그리고 25개 측정지점에 대한 진동모드분석 실험을 수행하였다. 바닥 상부구조 일체형 바닥구조를 대상으로 4.5 mm PVC 바닥 마감재에 대한 경량충격음 저감량을 계측하였다. 뱅머신에 대한 중량충격음은 측정되지 않았지만 충격력-바닥진동-음압 관계의 주파수 선형 특성을 이용하여 바닥 상부구조 시공 전∙후의 뱅머신에 대한 중량충격음을 음압 주파수응답함수와 뱅머신의 충격력 스펙트럼을 이용하여 예측하였다(8).
- 수진점은 수음점과 동일한 위치이며 가속도계는 콘크리트 슬래브 하부에 설치하였다. 바닥충격음과 가속도 응답은 측정장비의 입력 채널수 제한으로 동일한 가진 행위를 2번 반복하여 계측하였다.
- 5 mm PVC 바닥 마감재에 대한 경량충격음 저감량을 계측하였다. 뱅머신에 대한 중량충격음은 측정되지 않았지만 충격력-바닥진동-음압 관계의 주파수 선형 특성을 이용하여 바닥 상부구조 시공 전∙후의 뱅머신에 대한 중량충격음을 음압 주파수응답함수와 뱅머신의 충격력 스펙트럼을 이용하여 예측하였다(8). 맨바닥콘크리트 슬래브와 일체형 바닥구조에서 실험된 조건을 요약하여 Table 1에 나타내었다.
- 문대호(9)의 연구에 의하면 충격력-음압의 관계가 선형인 구조-음향 시스템에서는 다양한 충격원에 대한 충격력 스펙트럼과 음압 주파수응답함수를 이용하여 수음실에서의 음압을 예측할 수 있었다. 이 연구에서는 뱅머신 중량충격원에 대한 바닥충격음은 측정되지 않았지만 바닥충격음 측정 시 모든 바닥구조에 대해 4개 수음점과 5개 가진점에 대한 음압 주파수응답함수를 측정하였으며, 뱅머신 충격력 스펙트럼을 이용하여 뱅머신에 대한 중량충격음을 예측할 수 있다.
- 뜬바닥 구조는 콘크리트 슬래브와 바닥상부구조의 공진과 콘크리트 슬래브로 전달되는 충격력 변화로 인해 63 Hz 대역의 저주파 영역에서는 중량바닥 충격음을 효과적으로 저감시키지 못하는 문제를 갖고 있다. 이 연구에서는 이러한 문제에 대한 대안으로 콘크리트 슬래브와 경량기포콘크리트, 마감몰탈 등의 상부구조가 하나로 연결된 일체형 구조를 제안하고, 슬래브 두께 증가 효과와 상부구조 공진의 제어를 통하여 이 바닥슬래브 일체형 바닥구조의 63 Hz 대역 바닥충격음 저감효과를 검증하였다.
- 현행 공동주택의 바닥구조 시스템으로 가장 많이 사용되고 있는 뜬바닥 구조의 63 Hz 주파수 대역 중량충격음 저감성능에 대한 한계를 극복하기 위해 콘크리트 슬래브와 바닥 상부구조가 일체화된 바닥구조 시스템을 제안하고 이를 실험을 통해 검증하였다.
대상 데이터
- 1은 실험에 사용된 바닥구조의 단면도를 나타낸 그림이다. 바닥구조는 콘크리트 슬래브(두께 150 mm, 180 mm), 경량기포 콘크리트 70 mm, 그리고 마감 몰탈 40 mm로 구성된다. 바닥 구성층은 경량기포 콘크리트와 마감몰탈의 습식시공을 통해 일체화 되었으며 바닥 상부구조와 콘크리트 벽은 절연되지 않았다.
- 2에 나타내었다. 수음실과 음원실의 실의 크기는 5.0 mm × 4.5mm × 2.7 m(안목치수)로 동일하며, 구조형식은 벽식구조로 벽체 두께는 150 mm이다. 콘크리트 슬래브 두께는 150 mm, 180 mm 두 가지 조건에 대해 실험되었다.
- 7 m(안목치수)로 동일하며, 구조형식은 벽식구조로 벽체 두께는 150 mm이다. 콘크리트 슬래브 두께는 150 mm, 180 mm 두 가지 조건에 대해 실험되었다.
데이터처리
- 18, Brüel & Kjær)를 이용하여 1/3 옥타브밴드와 FFT 주파수 분석하였다
- FFT 분석은 트리거를 사용하여 계측된 5개의 유효한 신호에 대해서만 선형 스펙트럼 평균하여 800 Hz까지 1 Hz 단위로 분석하였다.
이론/모형
- 3에 나타내었다. 임펄스 가진법을 사용하여 1 ~ 25번 가진에 대해 1번과 13번에서의 가속도 주파수응답함수를 계측하였다. 1번과 13번 측정위치의 마감몰탈 상부와 콘크리트 슬래브 하부에 가속도계를 설치하여 바닥 구성층의 일체 거동 여부를 확인하였다.
- 중량충격음 및 경량충격음은 KS F 2810과 2863을 따라 1/3 옥타브밴드 주파수 분석한 결과를 이용하여 바닥충격음 레벨(Li,Fmax, Ln)과 바닥충격음 차단 성능 단일 수치 평가량(Li,Fmax,AW, Ln,AW)을 계산하였다.
성능/효과
- 마감몰탈과 경량기포 콘크리트를 콘크리트 슬래브 상부에 습식 시공하여 적층한 바닥구조는 Figs. 4, 10에서 맨바닥 콘크리트 슬래브에 비해 진동응답과 바닥충격음 모두 저감되는 것으로 나타났다. 실험조건은 다르지만 기존 연구에서 뜬바닥 구조에서는 63 Hz 이하 저주파 대역 바닥충격음이 맨바닥 콘크리트 슬래브에 비해 더 증가된 것으로 나타났다(1,2,3).
- 또한 일체형 바닥구조는 바닥상부구조가 콘크리트 슬래브와 일체화되면서 슬래브의 휨강성이 증가되는 효과뿐만 아니라 문대호(1)의 연구에서 나타난 뜬바닥 구조의 마감몰탈과 완충재로 인해 저주파 충격력이 증가되는 현상이 발생되지 않아 저주파 바닥충격음 저감에 더욱 효과적이었다.
- 뜬바닥 구조는 콘크리트 슬래브와 바닥상부구조의 공진과 콘크리트 슬래브로 전달되는 충격력 변화로 인해 63 Hz 대역의 저주파 영역에서는 중량바닥 충격음을 효과적으로 저감시키지 못하는 문제를 갖고 있다. 이 연구에서는 이러한 문제에 대한 대안으로 콘크리트 슬래브와 경량기포콘크리트, 마감몰탈 등의 상부구조가 하나로 연결된 일체형 구조를 제안하고, 슬래브 두께 증가 효과와 상부구조 공진의 제어를 통하여 이 바닥슬래브 일체형 바닥구조의 63 Hz 대역 바닥충격음 저감효과를 검증하였다.
- 바닥 마감 일체형 바닥구조는 딱딱한 충격원에 대한 충격을 그대로 하부 콘크리트 슬래브로 전달하기 때문에 경량충격음에 매우 취약한 구조이다. 하지만 이런 딱딱한 충격원에 대한 바닥충격음은 바닥 마감재를 이용하여 충격원의 충격력 특성을 변화시켜 고주파대역의 바닥충격음을 효과적으로 저감시킬 수 있다(10).
- 슬래브두께가 얇은 공동주택 리모델링 시 콘크리트 슬래브를 보강하기 위한 방법의 하나로 일체형 바닥구조를 사용할 수 있으며, 공동주택의 수직부재의 내력이 허용하는 한계에서 마감몰탈 또는 콘크리트 슬래브를 콘크리트 슬래브 상부에 추가 시공하는 것만으로도 슬래브 두께를 증가시켜 바닥충격음을 저감시킬 수 있다.
- 시공된 바닥 마감구조는 마감몰탈 40 mm + 경량 기포콘크리트 70 mm로 시공 두께는 110 mm증가되고 단위면적당 질량은 115 kg 증가되었다. 서로 다른 재료를 적층하여 일체화된 바닥구조의 유효두께 증가를 검토하기 위해 슬래브의 네 변이 단순지지된 것으로 가정하고 1차 모드 고유진동수를 실험결과와 동일하게하기 위한 고유진동수 보정 계수 α를 도입하면, 150 mm 맨바닥 콘크리트 슬래브 조건은 식 (2)에서 α = 1.
- 실험된 바닥 마감 일체형 바닥구조는 현행 바닥 구조인 완충재를 시공하는 공정만 빠진 바닥구조이기 때문에 시공성이 우수하며 경제적이다. 완충재를 사용한 뜬바닥 구조보다는 250 Hz 이상의 바닥충격음 저감에 불리하지만 거주자의 보행이나 뛰는 행위에 의한 바닥충격소음이 125 Hz 이하 저주파 대역이기 때문에 이러한 저주파 소음을 저감시킬 수 있는 바닥구조라는 점에서 연구적 의의를 갖는다.
- 4, 10에서 맨바닥 콘크리트 슬래브에 비해 진동응답과 바닥충격음 모두 저감되는 것으로 나타났다. 실험조건은 다르지만 기존 연구에서 뜬바닥 구조에서는 63 Hz 이하 저주파 대역 바닥충격음이 맨바닥 콘크리트 슬래브에 비해 더 증가된 것으로 나타났다(1,2,3). 이 연구에서 뜬바닥 구조 시공 후 단일수치평가량 변화는 동일하거나(1) 3 dB ~ 4 dB 증가되어 나타났다(3).
- 실험된 바닥 마감 일체형 바닥구조는 현행 바닥 구조인 완충재를 시공하는 공정만 빠진 바닥구조이기 때문에 시공성이 우수하며 경제적이다. 완충재를 사용한 뜬바닥 구조보다는 250 Hz 이상의 바닥충격음 저감에 불리하지만 거주자의 보행이나 뛰는 행위에 의한 바닥충격소음이 125 Hz 이하 저주파 대역이기 때문에 이러한 저주파 소음을 저감시킬 수 있는 바닥구조라는 점에서 연구적 의의를 갖는다.
- 실험조건은 다르지만 기존 연구에서 뜬바닥 구조에서는 63 Hz 이하 저주파 대역 바닥충격음이 맨바닥 콘크리트 슬래브에 비해 더 증가된 것으로 나타났다(1,2,3). 이 연구에서 뜬바닥 구조 시공 후 단일수치평가량 변화는 동일하거나(1) 3 dB ~ 4 dB 증가되어 나타났다(3).
- 하지만 이런 딱딱한 충격원에 대한 바닥충격음은 바닥 마감재를 이용하여 충격원의 충격력 특성을 변화시켜 고주파대역의 바닥충격음을 효과적으로 저감시킬 수 있다(10). 이 연구에서 사용된 4.5 mm PVC 바닥 마감재는 500 Hz 이상의 바닥충격음을 저감시킬 수 있는 것으로 나타났으며, 경량충격음 단일 수치 평가량(Ln,AW)은 5 dB ~ 7 dB 저감되었다.
- 3일 경우 고유진동수 23 Hz로 실험결과와 동일하다. 이 조건에서 적층된 상부구조를 통해 일체화된 바닥구조의 유효두께 증가는 약 46 mm로 나타났다.
- 6, 7에서 일체형 바닥구조의 마감몰탈 들뜸 현상은 실의 모서리 부분에서 발생되었다. 이러한 마감몰탈 들뜸은 100 Hz 이하 저차 모드 응답에 큰 영향을 주지 않았으며, 이 주파수 영역에서는 마감몰탈과 콘크리트 슬래브가 일체 거동하여 바닥구조의 휨 강성이 증가되었다. 또한 마감몰탈 들뜸이 있어도 100 Hz이상 주파수에서의 콘크리트 슬래브의 진동 응답과 바닥충격음은 맨바닥 콘크리트 슬래브 조건보다 저감되었으며, 이 영향은 콘크리트 슬래브의 중앙부분이 마감몰탈과 일체거동하여 고차모드의 진동응답도 저감되었기 때문이다.
- 현행 바닥 마감 구성층으로 사용되는 경량기포 콘크리트 70 mm와 마감모르타르 40 mm를 콘크리트 슬래브 상부에 단순 시공하여 전체 바닥구조의 휨 강성과 단위 면적당 질량을 동시에 증대 시킬 수 있었다. 이러한 바닥구조 동특성 변화로 바닥구조의 진동응답과 중량충격음을 저감 시킬 수 있었다.
- 이러한 실험결과들에서 저주파 바닥충격음 저감은 바닥구조의 질량 증가보다는 휨강성 증가가 더욱 효과적임을 의미한다. 뜬바닥 구조와 실험된 일체형 바닥구조의 상부 마감구조의 단위면적당 질량은 각각 100 kg, 115 kg으로 유사하다.
- 무한 평판(infinite plate)의 고유진동수는 식 (2)와 같이 판의 두께 h3에 비례하고 단위면적당 질량에 반비례 한다(11). 일체형 바닥구조의 고유진동수가 증가는 바닥구조의 유효 두께가 증가되었음을 의미하며, 150 mm 콘크리트 슬래브에 대해 (1,1) 진동모드의 고유진동수는 23 Hz에서 30 Hz로 7 Hz 증가되었다.
- 이 연구결과는 수음실의 위치(거실, 안방), 평형 등의 조건이 반영되어있지 않았다. 충격원에 따른 바닥충격음의 주파수 특성은 125 Hz에서 태핑머신 6.8 dB 저감, 뱅머신 6.2 dB 저감, 고무공 8.8 dB 저감된 것으로 나타났으며, 그 이상 주파수에서는 이보다 바닥충격음 저감 레벨이 더욱 증가하였다. 반면 63 Hz의 저주파 대역에서의 중량충격음은 뱅머신 2.
- 현행 바닥 마감 구성층으로 사용되는 경량기포 콘크리트 70 mm와 마감모르타르 40 mm를 콘크리트 슬래브 상부에 단순 시공하여 전체 바닥구조의 휨 강성과 단위 면적당 질량을 동시에 증대 시킬 수 있었다. 이러한 바닥구조 동특성 변화로 바닥구조의 진동응답과 중량충격음을 저감 시킬 수 있었다.
후속연구
- 하지만 실험된 바닥구조는 과거 바닥충격음 인증을 위한 표준실험동에서 실험되었기 때문에 실제 공동주택의 평면형태가 다르다. 따라서 일체형 바닥구조의 저주파 대역 바닥충격음 저감 효과에 대해서는 다양한 평형과 다양한 슬래브 두께 조건의 공동주택들을 대상으로 실험 검증될 필요가 있다.
- (1,2) 모드형상이 실의 중앙점을 기준으로 완벽한 대칭형태로 나타나지 않기 때문이다. 출입문 설치를 위한 날개벽과 창호 설치를 위한 상하부 비구조벽(시멘트 벽돌)이 저차 모드의 응답에 큰 영향을 주지 못하는 것으로 판단될 수 있으며, 이러한 비구조벽 설치를 통한 바닥진동응답 특성 변화는 진동모드 형상과 진동응답 크기에 영향을 줄 수 있기 때문에 향후 정량적인 분석이 필요할 것으로 판단된다.
- 이러한 실생활 충격력이 고무공 충격원과 유사한 주파수 특성을 갖는 점을 고려해보면, 125 Hz 이상의 바닥충격소음은 완충재를 사용한 뜬바닥 구조를 통해 저감시킬 수 있지만 63 Hz 이하 저주파 소음은 기존 연구결과처럼 현행 바닥구조 시스템을 통해서는 저감시키기 어려운 실정이다. 층간 소음 분쟁의 원인이 주로 저주파 바닥충격소음 이라는 점을 고려하면 현행 공동주택의 바닥구조로 사용되는 뜬바닥 구조의 단점을 개선할 수 있는 새로운 기술 개발이 필요하며, 이러한 기술은 근본적으로 저주파 대역의 바닥충격소음을 발생시키는 저주파 대역의 바닥진동응답을 저감시킬 수 있어야 한다.
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