공동주택의 바닥충격음 영향요인 분석

Abstract

공동주택 세대간 분쟁의 주요 원인으로 지적되는 저주파 바닥충격소음(중량충격음)에 영향을 주는 다양한 영향요소에 대해 분석하였다. 그리고 이 영향요소 분석을 통해 공동주택의 저주파 바닥충격소음을 저감시키기 위한 방안을 제시하였다. 바닥충격음의 신호적인 특성에 대해 살펴보고 현행 공동주택의 바닥충격음 측정기준과 문제점을분석하였다. FFT 분석과 옥타브 밴드패스 필터 분석에 대한 신호처리 방법과 평균화 방법에 대한 기술적인 내용을 검토하고 주파수 분석방법과 평균화 방법 차이에 따른 바닥충격음 레벨 변화에 대해 분석하였다. FFT 분석과 옥타브 분석은 주파수 분석방법이 근본적으로 다르기 때문에 1/1 옥타브로 환산된 바닥충격음 레벨은 차이가 발생되었다. 옥타브 필터 분석을 이용한 최대 음압레벨은 트리거 기능을 이용하여 유효 신호만 추출하여 FFT 분석한 ESD 스펙트럼과 유사한 주파수 특성을 나타내었으며, 1/1 옥타브에서 비교하였을 때 FFT 분석결과는 각 중심주파수에서 평균 5dB 편차를 나타내었다. 주파수 응답함수를 이용하여 맨바닥 콘크리트 슬래브와 뜬바닥 구조에 대한 콘크리트 슬래브 가속도 응답과 바닥충격음의 주파수 특성을 분석하였다. 뜬바닥 구조 사용으로 80 Hz 이하 저주파대역 콘크리트 슬래브 진동응답과 바닥충격음이 증폭되었으며, 그 이상 주파수에서는 저감되었다. 뜬바닥 구조는 완충재와 마감몰탈의 공진에 의해 52 Hz에서 바닥진동응답이 증폭되는 현상이 발견되었으며, 증폭된 바닥진동에 의해 수음실 음향모드에 의한 바닥충격음 증폭도 더욱 증가하였다. 주파수 응답함수를 이용하여 고무공과 뱅머신 가진에 대한 맨바닥 콘크리트 슬래브 및 뜬바닥구조의 바닥진동응답과 바닥충격음을 예측하고 실험결과와 비교하였다. 맨바닥 콘크리트 슬래브 조건에서는 비교적 정확히 예측하였지만 뜬바닥구조에서는 고주파 대역에서 예측결과가 실험결과보다 낮게 나타났다. 표준 중량충격원과 성인 보행에 대한 충격력 특성과 바닥충격음 특성에 대해 분석하였다. 표준 중량충격원과 성인 보행에 대한 충격력 파형과 스펙트럼은 다른 특성으로 나타났으며, 특히 100 Hz 이상의 보행충격력은 고무공 또는 뱅머신보다 매우 작은 충격력 레벨을 나타내었다. 보행 충격력은 70-80 Hz 영역에서 고무공과 유사한 충격력 레벨을 나타내었고 63 Hz 대역의 바닥충격음은 고무공보다 크게 나타났다. 큰 걸음 또는 달리기 등의 행위로 발 뒤꿈치 임펄스 충격파형에 대한 충격지연시간이 감소되고 가진 되는 스펙트럼의 주파수 대역은 증가되었다. 이로 인해 표준 중량 충격원보다 70-100 Hz에서 높은 충격력 크기를 나타내었다. 바닥 마감재와 매트에 대한 태핑머신과 고무공의 충격력 변화 특성과 바닥충격음 저감특성을 분석하였다. 충격력 측정장치를 이용하여 바닥마감재 하부로 전달되는 충격력을 계측한 결과, 바닥마감재 하부로 전달되는 충격력과 바닥충격음은 주파수 특성이 매우 유사하게 나타났다. 바닥 마감재가 소프트 할수록 고주파 대역의 충격력과 바닥충격음 저감이 우수하게 나타났다. 단일 수치 평가량에 대해 바닥마감재는 경량충격음을 약 10dB 저감시켰지만 중량충격음은 저감되지 않았다. 바닥매트는 매트 종류에 관계없이 경량충격음 단일수치평가량을 약 40dB 저감시켰으며, 중량충격음은 최대 12dB까지 저감되었다. 바닥마감재를 투과하여 하부로 전달되는 바닥마감재 저감성능 평가에 있어 수음실 및 구조체의 환경적 영향이 배제되기 때문에 바닥마감재 고유의 특성으로 사용될 수 있다. 음향모드에 의한 저주파 바닥충격음 증폭현상에 대해 이론 및 실험 연구를 통해 분석하였다. 모드 밀도가 낮은 100 Hz 이하 저주파 대역에서 바닥충격음은 수음점 위치에 따라 바닥충격음 레벨이 크게 변하였다. 현행 1.2m의 수음점 위치는 약 60-70 Hz의 수직방향 음향모드의 노달 포인트에 위치하여 63 Hz 충격음을 낮게 평가하는 것으로 분석되었다. 공간 특성에 따라 바닥충격음에 영향을 미치는 음향모드 기여도가 다르기 때문에 현행 측정기준은 수음실의 공간 특성을 반영한 대표값을 제시하지 못하였다. 음향모드에 의한 바닥충격음의 공간특성을 배제하기 위해 음향모드 응답이 최대로 발생되는 수음실 코너 하부 수음점이 중량충격음 측정을 위한 추가 수음점으로 사용될 필요가 있다. 바닥충격음 표준실험동에서 슬래브 두께와 가진점 및 수음점 위치 따른 바닥 진동과 음압 응답 특성을 분석하였다. 슬래브 두께 증가에 따라 바닥판의 고유진동는 증가되고 진동응답 크기 및 바닥충격음은 저감되었다. 슬래브 두께 증가에 따른 슬래브 고유진동수 증가로 저주파 대역에서 바닥충격음 레벨이 증가되는 현상이 발생되기도 하였다. 25개 바닥 그리드에서 계측된 평균 가속도 주파수 응답 크기는 중앙 가진점이 단부 가진점 보다 10-40 Hz 높게 나타나고 40-200 Hz에서는 낮게 나타났다. 하지만 수음실 평균 음압레벨은 전 주파수 대역에서 중앙 가진점이 단부 가진점 보다 높게 나타났다. 시공중인 공동주택의 1개 방에 달대가 없는 천장구조와 달대가 있는 일반 나무틀 천장구조를 시공하고 표준 경량충격원과 중량충격원(고무공)에 대한 천장구조 진동과 바닥충격음을 계측하고 분석하였다. 콘크리트 슬래브의 진동이 달대를 통해 천장구조로 전달되면서 천장구조의 저주파 진동응답이 증폭되었고 저주파 대역 바닥충격음도 천장구조의 영향으로 증폭되었다. 달대가 없는 천장구조는 일반 천장구조에 비해 저주파 대역 바닥충격음 증폭이 없지만 저감도 나타나지 않았으며, 125 Hz 이상 대역에서 바닥충격음은 일반 천장구조보다 높게 나타났다. 바닥충격음 실험실과 공동주택 시공현장에서 다양한 완충재에 대해 바닥진동과 바닥충격음 저감특성을 분석하였다. 실험실에서는 완충재의 동탄성계수가 낮을수록 경량 및 중량충격음이 저감되었지만 공동주택 시공현장에서 낮은 동탄성 계수의 완충재는 저주파 대역 바닥충격음을 증폭시켜 실험실과는 다른 결과를 나타내었다. 완충재를 사용한 뜬바닥구조는 마감몰탈과 완충재의 공진에 의해 특정 주파수에서 바닥 진동응답이 증폭되었으며, 완충재의 동탄성계수가 낮을수록 공진주파수는 낮게 나타났다. 또한 마감몰탈과 완충재를 투과하여 하부로 전달되는 임펄스 충격력은 충격력 역해석 분석결과 저주파 충격력을 증폭시켰으며, 이에 따라 저주파 진동 응답 및 바닥충격음도 증폭되었다. 뜬바닥 구조에서 완충재 하부로 전달되는 충격력을 시스템 역해석 방법을 이용하여 계측할 수 있으며, 계측된 역해석 충격력 스펙트럼은 보완 연구를 통해 공동주택 구조체 동특성 및 음향특성을 고려한 최적의 완충재를 선택할 수 있는 기준으로 활용될 수 있다. 유한요소 수치해석을 이용하여 맨바닥 콘크리트 슬래브에 대한 공동주택 거실의 바닥충격음 예측모델을 개발하였다. 실험결과와 예측결과는 1/3 옥타브 바닥충격음 레벨의 주파수 특성이 유사하였으며, 1/1 옥타브 바닥충격음 레벨은 0.6-2.9dB 오차를 보였다. 단일 수치평가량은 계측결과보다 1dB 높게 나타났다. 수치해석 모델을 이용하여 실험된 벽식구조 공동주택 평면에 무량판 구조시스템을 적용하고 기둥위치에 따른 바닥충격음 발생 특성을 분석하였다. 무량판 구조는 벽식구조 공동주택에 비해 63 Hz 대역의 바닥진동 및 바닥충격음 저감 성능이 우수하였으며, 기둥위치에 따른 거실의 바닥 진동특성 변화는 바닥충격음 변화에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다 .작은 평형과 큰 평형 공동주택에 슬래브 두께를 180, 210, 240mm로 적용한 수치해석 모델을 만들고 슬래브 두께에 따른 구조체 진동 및 바닥 충격음 저감 성능을 분석하였다. 작은 평형은 큰 평형에 비해 슬래브 두께 증가에 따라 바닥충격음 저감성능이 우수하게 나타났으며, 큰 평형 공동주택은 슬래브 두께 증가 대비 바닥충격음 저감성능이 높지 못하였다. 완충재를 사용한 뜬바닥구조의 저주파 바닥충격음 저감에 대한 기술적인 한계를 극복하기 위해 마감몰탈과 콘크리트 슬래브를 경량기포 콘크리트를 이용하여 일체화시킨 바닥구조를 개발하였다. 일체형 바닥구조는 슬래브의 휨 강성 증가 효과와 단위면적당 질량 증가로 고유진동수는 증가되고 진동응답 크기는 감소되었다. 전 주파수 대역에서 중량충격음 레벨이 저감 되었으며, 특히 63 Hz의 바닥충격음은 최대 6dB까지 저감되었다. 일체형 바닥구조는 경량충격음에 취약할 수 있지만 바닥마감재를 이용하여 경량충격음을 저감시킬 수 있다. 개발된 바닥구조에 PVC 재질 바닥바닥마감 적용하였을 때 500 Hz 이상 주파수의 바닥충격음이 효과적으로 저감되었으며, 역A특성 단일수치평가량은 5-7dB 저감된 59dB를 나타내었다.