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문제 정의
- 이 연구에서는 총 490일간 장기 하중을 받는 바닥완충재의 장기처짐 실험 결과를 분석하였으며, 선행 연구(Kim and Lee, 2014)에 의해 수행된 160일간의 장기처짐 실험에 이어 추가적으로 330일을 진행하였다. 따라서 이 연구에서는 추가적인 장기처짐 실험을 통해 개선된 바닥완충재의 장기처짐거동 평가를 하였다.
- 바닥완충재 처짐 실험을 통해 장기간 하중을 받는 바닥완충재의 처짐 변화를 알아보고자 하였다. Table 1에 실험체명, 가력하중, 완충재의 재질 및 밀도, 바닥형상, 두께, 탄성계수에 대하여 정리하였다.
- 이 연구에서는 250 N과 500 N의 하중 재하와 8종 완충재에 대해 완충재의 장기 특성을 검토하였다. 그러나 다양한 하중 조건과 재질의 완충재를 이용한 추가 실험을 통해 선형회귀식의 기울기와 재질과의 상관관계에 대해 더 정확히 규명할 필요가 있다.
- 이 연구에서는 선행 연구(Kim and Lee, 2014)에 의해 수행된 실험결과와 추가적인 실험을 통해 장기간 하중을 받은 바닥완충재의 장기처짐을 평가하고자 하였다. 또한, 실험값과 ISO 20392(2007)의 장기처짐 계산법에 따른 처짐을 비교분석하여 ISO 20392의 장기처짐 평가의 적절성을 판단하였다.
- 이 연구에서는 층간소음을 억제하기 위하여 사용되는 바닥완충재의 장기처짐 예측에 관한 연구를 하였다. 연구방법으로 490일간의 장기처짐의 경향을 분석하고, 이를 바탕으로 ISO 20392의 장기 압축 크리프 계산법에 의한 예측식과 선형회귀식을 각각 작성하였다.
제안 방법
- 3.2.1절의 ISO 20392에 의한 분석과 3.2.2절의 선형회귀 분석을 통해 작성한 예측식을 바탕으로 처짐을 예측하고, 이를 실제 처짐과 비교하여 예측식의 장기처짐 평가의 적절성을 평가하였다.
- Fig. 2과 같이 150 mm x 150 mm의 8종 완충재 위에 250 N, 500 N 두 종류의 하중을 가력하여 바닥완충재의 처짐 변화를 관측하였다. 하중판 상부에 다이얼게이지를 설치하여 가력시간에 따라 변화하는 완충재의 처짐량을 측정하였다.
- 1절의 완충재의 장기처짐 실험 결과에 의하면, 초기 200일까지는 처짐이 증가하지만 이후 약 290일 동안은 처짐이 증가하지 않는 것으로 나타났다. 따라서 처짐 수렴시점 기준으로 두 예측식을 작성하였으며, 최종적으로 두 예측식에 의한 처짐과 실제 처짐을 비교하여 처짐 예측의 적절성을 판단하였다.
- 연구방법으로 490일간의 장기처짐의 경향을 분석하고, 이를 바탕으로 ISO 20392의 장기 압축 크리프 계산법에 의한 예측식과 선형회귀식을 각각 작성하였다. 또한, ISO 20392와 선형회귀분석의 결과를 실제 처짐과의 비교를 통해 장기처짐 평가에 대한 두 예측식의 적절성을 판단하였다. 장기처짐 평가에 관한 연구 결론을 정리하면 다음과 같다.
- 또한, 3종류(12~15 kg/m³, 24~25 kg/m³, 59 kg/m³)의 밀도, 3종류(평판형, 골판형, 엠보싱형)의 하부형상 등을 고려하여 실험체를 선정하였다. 바닥완충재의 크기는 뜬바닥 구조에서 냉장고 다리 혹은 그랜드 피아노 다리 한 개의 무게만큼 집중하중을 받을 때, 바닥완충재에 하중이 고르게 분포될 수 있도록 150 mm x 150 mm로 설계하였다. 바닥완충재의 두께는 현재 대다수 건설사에 납품되고 건설현장에사용되는 30 mm로 선정하였다.
- 이 연구에서는 층간소음을 억제하기 위하여 사용되는 바닥완충재의 장기처짐 예측에 관한 연구를 하였다. 연구방법으로 490일간의 장기처짐의 경향을 분석하고, 이를 바탕으로 ISO 20392의 장기 압축 크리프 계산법에 의한 예측식과 선형회귀식을 각각 작성하였다. 또한, ISO 20392와 선형회귀분석의 결과를 실제 처짐과의 비교를 통해 장기처짐 평가에 대한 두 예측식의 적절성을 판단하였다.
- 공동주택에 사용되는 바닥완충재는 대부분 비탄성영역을 가지고 있으며 장기하중을 받을 경우에 급격한 침하가 발생한다. 이 연구에서는 총 490일간 장기 하중을 받는 바닥완충재의 장기처짐 실험 결과를 분석하였으며, 선행 연구(Kim and Lee, 2014)에 의해 수행된 160일간의 장기처짐 실험에 이어 추가적으로 330일을 진행하였다. 따라서 이 연구에서는 추가적인 장기처짐 실험을 통해 개선된 바닥완충재의 장기처짐거동 평가를 하였다.
- ISO 20392에는 압축 크리프로 인한 단열재(완충재)의 장기 변형 값을 계산하기 위한 추정법이 명시되어 있다. 이 연구에서는 현재 우리나라에서 가장 널리 사용되는 8종 완충재의 장기처짐 실험 결과를 ISO 20392에 따른 처짐 예측식과 실험값의 추세를 이용한 선형회귀식을 이용하여 예측하였다. 3.
- 하중판 상부에 다이얼게이지를 설치하여 가력시간에 따라 변화하는 완충재의 처짐량을 측정하였다. 하중가력 초기에는 1분, 10분, 30분, 1시간, 3시간, 5시간, 10시간, 24시간 후에 처짐을 측정하였으며, 이후 일주일간은 하루 단위, 그 이후에는 10일 단위로 측정을 하였다.
- 2과 같이 150 mm x 150 mm의 8종 완충재 위에 250 N, 500 N 두 종류의 하중을 가력하여 바닥완충재의 처짐 변화를 관측하였다. 하중판 상부에 다이얼게이지를 설치하여 가력시간에 따라 변화하는 완충재의 처짐량을 측정하였다. 하중가력 초기에는 1분, 10분, 30분, 1시간, 3시간, 5시간, 10시간, 24시간 후에 처짐을 측정하였으며, 이후 일주일간은 하루 단위, 그 이후에는 10일 단위로 측정을 하였다.
대상 데이터
- 선형회귀 분석에서는 장기 하중을 받는 바닥완충재 처짐이 선형적으로 증가하는 특성을 바탕으로 간편한 처짐 선형회귀식 작성이 가능하였다. ISO 20392에 의한 완충재의 장기처짐평가와 같이 7일부터 처짐 수렴시점까지 데이터를 활용하였으며, Table 5에 실험체별로 선형회귀식을 정리하여 나타내었다. 선형회귀식의 기울기는 장기처짐의 변화 정도를 나타내며, 이는 완충재의 재질과 관계가 있는 것으로 판단된다.
- 또한, 3종류(12~15 kg/m³, 24~25 kg/m³, 59 kg/m³)의 밀도, 3종류(평판형, 골판형, 엠보싱형)의 하부형상 등을 고려하여 실험체를 선정하였다.
- 바닥완충재의 두께는 현재 대다수 건설사에 납품되고 건설현장에사용되는 30 mm로 선정하였다. 또한, 바닥완충재 상부에 동일한 분포의 하중을 가력하기 위해 지름 150 mm의 원형 하중 판을 사용하였다. 처짐 측정 기구로는 M사의 2052S 다이얼게이지를 사용하였으며, 게이지를 이용하여 소수 둘째자리까지의 처짐을 측정하였다.
- 바닥완충재의 크기는 뜬바닥 구조에서 냉장고 다리 혹은 그랜드 피아노 다리 한 개의 무게만큼 집중하중을 받을 때, 바닥완충재에 하중이 고르게 분포될 수 있도록 150 mm x 150 mm로 설계하였다. 바닥완충재의 두께는 현재 대다수 건설사에 납품되고 건설현장에사용되는 30 mm로 선정하였다. 또한, 바닥완충재 상부에 동일한 분포의 하중을 가력하기 위해 지름 150 mm의 원형 하중 판을 사용하였다.
- Table 1에 실험체명, 가력하중, 완충재의 재질 및 밀도, 바닥형상, 두께, 탄성계수에 대하여 정리하였다. 본 실험에서는 250 N, 500 N 두 종류의 하중을 사용하였다. 250 N과 500 N은 각각 가정에서 생길 수 있는 최대 하중으로, 이는 2도어 냉장고 다리 한 개 무게와 그랜드 피아노 다리 한 개 무게에 근거하여 산출되었다.
- 250 N과 500 N은 각각 가정에서 생길 수 있는 최대 하중으로, 이는 2도어 냉장고 다리 한 개 무게와 그랜드 피아노 다리 한 개 무게에 근거하여 산출되었다. 실험에 사용된 바닥완충재는 현재 우리나라에서 가장 널리 사용되고 있는 제품으로 총 8종류이며, EPS, EPS2, PE, EVA 4종류의 재질을 사용하였다. 또한, 3종류(12~15 kg/m³, 24~25 kg/m³, 59 kg/m³)의 밀도, 3종류(평판형, 골판형, 엠보싱형)의 하부형상 등을 고려하여 실험체를 선정하였다.
- 또한, 바닥완충재 상부에 동일한 분포의 하중을 가력하기 위해 지름 150 mm의 원형 하중 판을 사용하였다. 처짐 측정 기구로는 M사의 2052S 다이얼게이지를 사용하였으며, 게이지를 이용하여 소수 둘째자리까지의 처짐을 측정하였다.
데이터처리
- 이 연구에서는 선행 연구(Kim and Lee, 2014)에 의해 수행된 실험결과와 추가적인 실험을 통해 장기간 하중을 받은 바닥완충재의 장기처짐을 평가하고자 하였다. 또한, 실험값과 ISO 20392(2007)의 장기처짐 계산법에 따른 처짐을 비교분석하여 ISO 20392의 장기처짐 평가의 적절성을 판단하였다. 이 연구에서 수행한 바닥완충재의 장기 거동 평가 실험은 장기간 하중을 받는 바닥완충재의 처짐 예측방법 마련에 도움이 될 것으로 판단된다.
이론/모형
- ISO 20392에 의한 완충재의 장기처짐 추정법은 Findley 방정식(Findley, 1944)을 기반으로 하며, 최소 90일 이상 처짐을 측정하여 장기처짐을 예측한다.
성능/효과
- 1) 완충재의 장기처짐은 PE-EPS2-EPS재질 순으로 크게 나타났으며, 재질에 따른 장기처짐의 영향은 선형회귀식의 기울기와 관련이 있었다. 또한, 완충재의 재질이 밀도보다 크게 장기처짐에 영향을 미쳤다.
- 2) 하중 가력 200일 이후 완충재의 장기처짐량이 일정한 값으로 수렴하였다. 단, DM3-250N과 DM3-500N는 각각 160일과 100일 이후 처짐량이 수렴하였다.
- 3) 처짐 수렴시점까지의 ISO 20392와 선형회귀 분석에 의한 장기 처짐 평가는 처짐량이 10 mm 이하의 경우 두 분석 방법 모두 오차 0.4 mm 이하로 실제 처짐과 유사하게 나타났다. 처짐 수렴시점 전의 장기처짐은 250 N과 500 N의 하중재하에서 오차 0.
- 이 연구에서는 현재 우리나라에서 가장 널리 사용되는 8종 완충재의 장기처짐 실험 결과를 ISO 20392에 따른 처짐 예측식과 실험값의 추세를 이용한 선형회귀식을 이용하여 예측하였다. 3.1절의 완충재의 장기처짐 실험 결과에 의하면, 초기 200일까지는 처짐이 증가하지만 이후 약 290일 동안은 처짐이 증가하지 않는 것으로 나타났다. 따라서 처짐 수렴시점 기준으로 두 예측식을 작성하였으며, 최종적으로 두 예측식에 의한 처짐과 실제 처짐을 비교하여 처짐 예측의 적절성을 판단하였다.
- 선형회귀식의 기울기는 장기처짐의 변화 정도를 나타내며, 이는 완충재의 재질과 관계가 있는 것으로 판단된다. 3.1절의 장기처짐 결과에 의하면, 장기처짐은 PE-EPS2-EPS 순으로 크게 발생하였다. Table 5를 보면, 마찬가지로 선형회귀식의 기울기가 PE-EPS2-EPS 순으로 크게 나타났다.
- 4종류의 완충재 재질(EPS, EPS2, PE, EVA)과 3종류의 밀도(12~15 kg/m³, 24~25 kg/m³, 59 kg/m³), 3종류의 바닥 형상(평판형, 골판형, 엠보싱형), 2종류의 가력하중 크기(250 N,500 N)에 따라 완충재의 처짐량이 다르게 나타났다.
- 5) 처짐의 경향이 선형적으로 나타나는 완충재는 선형회귀분석이 유리, 처짐의 경향이 log와 같은 비선형으로 나타나는 완충재는 ISO 20392에 의한 분석이 유리할 것으로 판단된다.
- 재질과 밀도가 동일한 완충재에 대하여 바닥형상에 따른처짐의 증가량을 비교하였을 때, 평판형보다 골판형의 완충재가 처짐이 더 증가하였다. DM1(평판형)과 DM2(골판형)를 보면, DM2의 처짐 증가량이 1 mm(250 N 하중 재하 기준)이상 크게 나타났다. DM8의 엠보싱형일 경우, DM8의 밀도인 59 kg/m³과 유사한 밀도를 가진 실험체가 없어 엠보싱형의 바닥형상이 완충재의 장기처짐에 미치는 영향을 분석하기에는 어려움이 있었다.
- DM2(EPS, 12 kg/m³)와 DM5(EPS2, 25 kg/m³)를 보면, DM5의 밀도가 2배 이상 크지만, 처짐 증가량은 4 mm(250 N 하중 재하 기준)이상 더 컸다.
- 기존 연구에 의하면 바닥완충재의 동탄성계수는 장기처짐과 밀접한 관련이 있었으며, 장기처짐이 증가함에 따라 동탄성계수도 증가하는 것으로 나타났다(Kim and Lee, 2014). 또한, 바닥완충재의 밀도가 증가할 경우에 상부 하중에 대한 저항능력 및 내구성이 증가하지만 완충효과는 감소되었다. 이러한 연구 결과는 뜬바닥 구조시스템에 사용되는 바닥완충재의 동탄성계수가 완충재의 처짐 및 밀도에 영향을 받음을 나타내며, 처짐으로 인한 밀도 증가는 동탄성계수의 증가를 유발한다는 것을 알 수 있다.
- Table 5를 보면, 마찬가지로 선형회귀식의 기울기가 PE-EPS2-EPS 순으로 크게 나타났다. 또한, 선형회귀식의 기울기는 밀도와 낮은 관계성을 보이며, 이러한 결과는 3.1절의 결과와 같이 완충재의 밀도보다 재질이 처짐에 영향을 크게 미치는 것과 연관이 있었다. 모든 실험체의회귀식 결정계수는 0.
- 또한, 실험결과를 통하여 완충재의 처짐이 재질, 밀도, 바닥 형상, 가력하중 크기에 의한 복합적인 영향을 받는 것을 알 수 있었다. 4종류의 완충재 재질(EPS, EPS2, PE, EVA)과 3종류의 밀도(12~15 kg/m³, 24~25 kg/m³, 59 kg/m³), 3종류의 바닥 형상(평판형, 골판형, 엠보싱형), 2종류의 가력하중 크기(250 N,500 N)에 따라 완충재의 처짐량이 다르게 나타났다.
- 1) 완충재의 장기처짐은 PE-EPS2-EPS재질 순으로 크게 나타났으며, 재질에 따른 장기처짐의 영향은 선형회귀식의 기울기와 관련이 있었다. 또한, 완충재의 재질이 밀도보다 크게 장기처짐에 영향을 미쳤다.
- Table 4는 ISO 20392에 따라 7일부터 실험체별 처짐 수렴 시점까지의 데이터를 활용한 완충재의 장기처짐 추세식을 보여주고 있다. 모든 실험체들에 대한 ISO 20392예측식의 결정계수는 0.90이상으로 높게 나타났으며, 이러한 결과는 완충재의 장기처짐에 대한 예측의 적절함을 보여주고 있다.
- 밀도와 바닥형상이 동일한 완충재에 대하여 재질에 따른 처짐 증가량을 비교 하였을 때, PE-EPS2-EPS 순으로 처짐 증가량이 컸다. Table 3의 DM3(PE)과 DM1, 2(EPS)를 보면, DM3의 처짐 증가량이 확연이 크게 나타났다.
- 실제 처짐과 ISO 20392에 따른 처짐의 최대값을 비교하면 하중가력 250 N일 때 0.11~0.40 mm의 차이가 났으며, 500 N일 때 0.21~0.25 mm의 차이를 보였다. 단, DM3-250N과 DM3-500N의 경우, 각각 0.
- 실제 처짐과 선형회귀 분석에 따른 처짐의 최대값을 비교하면 하중가력 250 N일 때 0.06~0.13 mm의 차이가 났으며, 500 N일 때 0.06~0.11 mm의 차이를 보였다. 단, DM3-250N과 DM3-500N의 경우, 각각 1.
- 이러한 결과를 통해 선형회귀 분석에 따른 처짐이 ISO20392에 따른 처짐보다 실제 처짐과 오차가 적음을 알 수 있다. 그러나 DM3의 경우, ISO 20392에 따른 처짐과 실제 처짐과의 오차가 더 적게 나타났다.
- 또한, 바닥완충재의 밀도가 증가할 경우에 상부 하중에 대한 저항능력 및 내구성이 증가하지만 완충효과는 감소되었다. 이러한 연구 결과는 뜬바닥 구조시스템에 사용되는 바닥완충재의 동탄성계수가 완충재의 처짐 및 밀도에 영향을 받음을 나타내며, 처짐으로 인한 밀도 증가는 동탄성계수의 증가를 유발한다는 것을 알 수 있다. 반대로 밀도의 감소는 동탄성계수의 감소를 나타내며, 바닥충격음 차단 효과를 증대시킨다(Housing and Urban Research Institute, 2005).
- 처짐이 발생하지 않은 DM4-250N, DM4-500N, DM7-250N, DM7- 500N은 분석에서 제외하였다. 장기처짐 수렴시점에대해 간단히 정리하면, DM3-250N과 DM3-500N은 각각 160일, 100일부터 처짐이 일정하기 시작하였으며, DM3을 제외한 나머지 실험체들은 대략 200일부터 처짐이 일정하게 수렴하였다(Table 2).
- 재질과 밀도가 동일한 완충재에 대하여 바닥형상에 따른처짐의 증가량을 비교하였을 때, 평판형보다 골판형의 완충재가 처짐이 더 증가하였다. DM1(평판형)과 DM2(골판형)를 보면, DM2의 처짐 증가량이 1 mm(250 N 하중 재하 기준)이상 크게 나타났다.
- 4 mm 이하로 실제 처짐과 유사하게 나타났다. 처짐 수렴시점 전의 장기처짐은 250 N과 500 N의 하중재하에서 오차 0.4 mm 이하의 평가가 가능하며(DM3 제외), ISO 20392와 선형회귀분석 모두 완충재의 장기처짐예측에 적절한 것으로 판단된다.
후속연구
- 이 연구에서는 250 N과 500 N의 하중 재하와 8종 완충재에 대해 완충재의 장기 특성을 검토하였다. 그러나 다양한 하중 조건과 재질의 완충재를 이용한 추가 실험을 통해 선형회귀식의 기울기와 재질과의 상관관계에 대해 더 정확히 규명할 필요가 있다. 또한, 다양한 하중과 재질의 완충재에 대한 처짐의 수렴성에 대해서도 추가적인 검토가 필요하다고 판단이 된다.
- 그러나 다양한 하중 조건과 재질의 완충재를 이용한 추가 실험을 통해 선형회귀식의 기울기와 재질과의 상관관계에 대해 더 정확히 규명할 필요가 있다. 또한, 다양한 하중과 재질의 완충재에 대한 처짐의 수렴성에 대해서도 추가적인 검토가 필요하다고 판단이 된다.
- 또한, 실험값과 ISO 20392(2007)의 장기처짐 계산법에 따른 처짐을 비교분석하여 ISO 20392의 장기처짐 평가의 적절성을 판단하였다. 이 연구에서 수행한 바닥완충재의 장기 거동 평가 실험은 장기간 하중을 받는 바닥완충재의 처짐 예측방법 마련에 도움이 될 것으로 판단된다.
- 따라서, 처짐 수렴시점에 따라 처짐 곡선의 형태의 변화를 결정할 수 있을 것으로 판단된다. 하지만 다양한 완충재들에 대하여 추가적인 실험을 통해 처짐 수렴시점과 곡선 형태의 변화의 관계에 대해 규명할 필요가 있다.
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