서 론
측정방법
실험실 측정방법
현장 측정방법
실험 설정
현장측정 실험실 조건
시료
바닥판 조건에 따른 동탄성계수 측정결과
하중판 종류에 따른 동탄성계수 측정결과
토 의
바닥판 조건에 따른 동탄성계수
하중판 조건에 따른 동탄성계수
하중 재하시간에 따른 동탄성계수
동탄성계수 측정시 환경조건 영향
결 론
서 론
국내 주거형태의 가장 일반적인 형태인 공동주택은 좁은 대지에 세대수를 늘려 대지 활용도를 높이고 인구밀도가 높은 도심지의 주거비용을 저감하기 위해 보편화 되어, 현재도 꾸준히 증가추세에 있다1). 공동주택은 세대간 바닥과 벽을 공유하고 있는 특성상, 단독 주택과 달리 구조체를 통해 전달되는 고체 전달음에 특히 취약한 주거형태라 할 수 있다. 대표적 고체 전달음인 바닥충격음은 상부층 주거에서 발생된 바닥면의 진동이 하부층 주거의 천장까지 전달되어 공기 전달음으로 방사되는 소리이며, 공동주택 거주자의 소음에 의한 민원 중 대부분을 차지하고 있다. 이러한 바닥충격음 저감을 위한 방안으로 2000년대 초반부터 공동주택의 바닥 슬래브 두께 기준과 바닥 단열재의 성능 기준을 강화하여 바닥 완충재를 사용하도록 법제화하였다2). 사업계획 승인 대상인 공동주택의 바닥구조는 관련법에 의한 바닥충격음 기준을 만족하거나, 관련법에 의해 인정받은 등급의 완충재를 사용하도록 하였다. 현실적으로 공동주택 준공 후 전체 세대의 바닥충격음 기준 만족 여부를 확인하기 어려운 한계점이 있어, 일부 세대에 대해서만 성능을 확인하거나, 성능등급 기준을 만족하는 것으로 인정받은 완충재를 시공하도록 하여 바닥충격음 저감 성능을 확보하고자 하였다.
대부분의 시공 현장에서 바닥충격음 차단 성능 인정구조를 시공하고 있으나, 실제 시공 후 측정결과 바닥충격음 기준 만족율이 높지 않은 것으로 조사되고 있다. 이는 인정시험이 진행되는 실험실 조건과 실제 시공되는 현장 조건의 차이가 원인이 되며, 또한 완충재 및 경량기포 콘크리트, 마감 모르타르가 동일하게 사용됨을 보장하지 못하기 때문으로 사료 된다. 특히 완충재의 경우 플라스틱 비드를 발포시켜 생산한 Expanded Poly-styrene(이하 EPS)제품이 완충재 시장의 대부분을 차지하고 있다. 이런 생산 과정의 특성상 물성의 균질성과 안정성을 장담하기 어려운 문제가 있다. 바닥 완충재의 동탄성계수는 바닥충격음 저감 성능과 깊은 관련이 있으며, 실제 현장에 시공되는 완충재의 정확한 물성을 파악이 가능해야 바닥충격음 성능을 확보할 수 있을 것이다.
현재 공동주택 시공 현장에 반입되는 완충재의 품질검사는 현장에서 샘플링이 이루어진 후 시험기관에서 물성을 확인하거나, 제조 공장에서 동일 스펙으로 생산된 제품을 시험기관에서 시험하는 과정으로 이루어지고 있다. 그러나 실제 현장에 반입되고 시공된 완충재의 물성을 직접 확인할 수 있다면, 시공 후 바닥충격음 성능을 예측할 수 있고3) 맨바닥 상태의 바닥충격음 성능과 비교하여 최적의 바닥충격음 저감 구조를 시공할 수 있을 것이다.
본 연구에서는 현장에 반입된 완충재의 동탄성계수를 직접 측정할 수 있는 방법에 대해 검토하여, 현장 반입 완충재의 품질 관리를 가능하게 하고자 하였다. 실험실 조건의 측정결과와 현장 슬래브 상부에 완충재 시공 후 동탄성계수를 측정하는 방법을 모사하여 측정결과를 비교하였으며, 상부 경량기포 콘크리트 및 마감 모르타르 시공 후 측정에 대해 검토하기 위해 사전 제작한 시멘트 모르타르 하중판을 이용하여 동탄성계수를 측정하여 비교하였다.
측정방법
실험실 측정방법4)5)
바닥충격음 저감용 완충재의 동탄성계수는 KS F 2868(거주공간 뜬바닥용 완충재의 동탄성계수 측정방법)에 따라 측정하였다. Figure 1과 같이 정반 위에 200 mm × 200 mm 이상의 시료를 놓고, 200 mm × 200 mm 크기, 면밀도 약 200 kg/m2의 금속재 하중판을 얹어 시험을 준비한 후, 펄스 가진 장치인 임팩트 해머로 하중판 중앙점을 가진하고 이때, 중앙점 인근에 진동 픽업 장치인 가속도계를 이용하여 진동파형을 기록하였다. 기록된 결과를 FFT 주파수 분석하여 진동계의 공진주파수(고유주파수)를 측정하였다. 그리고 식 (1)을 이용하여 완충재의 동탄성계수를 산출하였다.
| $$s'_t=(2\pi f_r)^2m'_t$$ | (1) |
여기에서 s´t : 시험편의 단위 면적당 겉보기 동탄성계수(MN/m3)
fr : 계획된 실험에서 공진주파수(Hz)
m´t : 하중판의 면밀도(kg/m2)
현장 측정방법
완충재의 동탄성계수를 현장에서 측정하는 방법을 모사하기 위해 Figure 2와 같이 콘크리트 슬래브 위에서 완충재를 시공한 후 실험실 측정방법과 같은 구성으로 동탄성계수를 측정하였다. 또한 완충재 상부에 경량기포 콘크리트 및 마감 모르타르 시공 후 완충재의 동탄성계수를 확인하는 방법을 모사하기 위해 Figure 3과 같이 시멘트 모르타르 하중판을 제작하여 동탄성계수 측정을 진행하여 실험실 측정 결과 및 현장 실험실 측정방법 결과와 비교하였다. 시멘트 모르타르 하중판은 경량기포 콘크리트와 마감 모르타르의 하중을 대체하고 시험시간을 최소화 하기 위해 3,000 mm × 4,000 mm 크기, 약 50 mm 두께로 사전 제작하여 완충재 상부에 재하하고 측정을 진행하였다. 이때 바닥 콘크리트 슬래브 자체의 고유진동에 의한 영향을 확인하기 위해 맨바닥 상태의 공진주파수를 사전에 확인하였다.
실험 설정
현장측정 실험실 조건
현장 측정방법을 모사하기 위한 실험 장소는 Figure 4와 같이 측벽과 바닥은 철근 콘크리트 250 mm 두께로 구성되었으며, 한쪽 벽은 석고보드로 구성된 건식 경량벽체이다. 상부 210 mm 두께의 콘크리트 슬래브에 완충재를 시공한 후 동탄성계수를 측정하였다. 배경소음 및 배경진동이 없는 야간에 측정을 진행하였으며, 배경소음은 약 20 dB (A) 이하이며 슬래브의 공진주파수를 측정하여 완충재 동탄성계수 측정 시 공진주파수와 비교하여 슬래브 자체 진동에 의한 영향을 확인하였다.
시료
공동주택 바닥충격음 완충재 인정구조 중에서 가장 많은 비중을 차지하고 있는 EPS 완충재를 시료로 선택하였다6). EPS 완충재는 비드를 고온에서 발포하여 블록을 생산하고 이를 압축 이완하는 과정을 반복하여 동탄성계수를 설계하고 두께에 맞게 절단하는 방법으로 제작된다. 발포 제품의 특성상 시료의 균질성이 높지 않아 생산 시점 및 생산 과정에서 시료의 물성 차이가 발생할 수 있으므로, 생산된 1개의 블록에서 샘플링 가공된 완충재를 측정에 사용하여, 시료의 균질성 저하로 인한 영향을 최소화 하고자 하였다. 측정에 사용된 완충재는 동탄성계수 약 15 MN/m3로 하고, 두께는 약 20 mm로 제작하였으며, Table 1과 같이 실험 조건을 설정하여 동탄성계수 측정결과를 비교하고자 하였다.
Table 1. List of Dynamic Stiffness Measurement Conditions
바닥판 조건에 따른 동탄성계수 측정결과
완충재의 동탄성계수 측정 시 실험실과 현장의 바닥판 조건에 따른 측정결과, Table 2와 같이 콘크리트 슬래브 상부에서 금속재 하중판을 이용하여 측정한 동탄성계수는 모서리와 중앙점에서 각각 15.8 MN/m3, 14.0 MN/m3로 나타났으며, 실험실 정반에서 측정한 동탄성계수는 15.5 MN/m3, 15.7 MN/m3로 나타났다.
Table 2. Resonance Frequency and Dynamic Stiffness Results as Base Plate Conditions
하중판 종류에 따른 동탄성계수 측정결과
콘크리트 슬래브 위에 완충재를 설치하고 KSF 2868에 따른 금속 하중판과 시멘트 모르타르 하중판을 거치하여 동일한 측정점에서 동탄성계수를 측정한 결과, Table 3과 같이 시멘트 모르타르 하중판을 이용한 측정결과는 모서리와 중앙점에서 10.6 MN/m3, 10.3 MN/m3로 나타났고, 금속재 하중판을 이용한 측정결과는 각각 15.8 MN/m3, 14.0 MN/m3로 나타났다.
Table 3. Resonance Frequency and Dynamic Stiffness Results as Load Plate Types (1)
토 의
바닥판 조건에 따른 동탄성계수
완충재의 동탄성계수 측정 시 바닥판의 영향을 확인하기 위해, 콘크리트 슬래브 위에 완충재 설치 후 금속재 하중판으로 측정하고 측정지점 시료를 샘플링하여 실험실 정반에서 측정한 결과를 비교하였다. Table 2 및 Figure 5와 같이 모서리 지점에서 바닥판에 따른 공진 주파수 및 동탄성계수의 차이는 거의 나타나지 않았다. 중앙점의 시험결과는 Table 2 및 Figure 6과 같이 바닥판의 조건에 따라 동탄성계수 1.8 MN/m3 정도의 차이를 나타냈다. 이는 동탄성계수 측정 시 바닥판과 시료, 하중판 사이의 일체화 또는 틈새 유무에 따른 영향으로 판단된다. 완충재와 바닥판 사이의 이물질에 의한 틈새 등은 요철형 완충재와 같은 효과로 동탄성계수가 낮게 측정되는 원인이 될 수 있다. 따라서 바닥충격음 완충재 현장 설치 시 슬래브 상부의 청결 상태가 동탄성계수 뿐만 아니라 바닥충격음 성능에도 영향을 줄 수 있을 것으로 사료되며, 측정 방법으로 다수의 지점에서 동탄성계수를 측정하여 가장 높은 값을 대푯값으로 하는 방안을 고려할 수 있다.
하중판 조건에 따른 동탄성계수
현장 측정 조건인 콘크리트 슬래브 상부에서 하중판에 따른 동탄성계수 측정결과를 비교하였다. Table 3과 같이 시멘트 모르타르 하중판을 이용한 측정결과가 금속재 하중판을 이용한 측정결과에 비해서 모서리에서는 5.2 MN/m3, 중앙점에서는 3.7 MN/m3 낮게 측정되었다. Figure 7 및 Figure 8과 같이 측정된 공진 주파수는 비슷하게 측정되었으나, 시멘트 모르타르와 금속재 하중판의 면밀도에 의해 동탄성계수가 낮게 평가되었다.
KS F 2868 시험 방법에서는 완충재의 동탄성계수 측정 시 면밀도 200 kg/m2의 금속재 하중판을 이용하도록 하고 있다. 그러나 실제 현장 시공시 완충재 상부에 가해지는 하중은 경량기포 콘크리트, 마감 모르타르에 기본 가구 및 거주자의 생활 하중을 고려해도 150 kg/m2 정도이며, 200 kg/m2를 넘는 경우는 극히 드물다고 할 수 있다. 면밀도 150 kg/m2의 금속재 하중판을 제작하여 대상 완충재의 동탄성계수를 측정한 결과, Table 4와 같이 면밀도 200 kg/m2 하중판을 사용할 경우에 비해 더 낮은 동탄성계수값이 측정되었다.
Table 4. Resonance Frequency and Dynamic Stiffness Results as Load Plate Types (2)
현장에서 시멘트 모르타르 하중판을 이용하여 동탄성계수 측정을 위해서는 하중판 면밀도에 의한 동탄성계수 변화 추이를 확인하여, 200 kg/m2의 금속재 하중판을 이용한 실험실 측정 결과값을 추정할 수 있는 보정치 또는 산출식을 도출할 필요가 있다.
하중 재하시간에 따른 동탄성계수
완충재의 동탄성 계수는 하중 재하에 따라 지속적으로 증가하는 경향을 나타낸다. 본 연구에서는 측정 시간을 줄이기 위해 단시간 하중 재하 후 측정을 진행하였으며, 추가 실험을 통해 하중 재해 시간에 따른 보정치를 도출해 내는 추가 연구가 필요할 것으로 사료 된다.
동탄성계수 측정시 환경조건 영향
공진주파수 측정을 통해 동탄성계수를 확인하는 실험은 배경 진동의 영향을 많이 받으므로 현장에서 측정에 많은 제약이 있을 수 있다. 따라서 작업 중지 시간 등을 활용하는 등 측정 환경 조성에 대한 방안 마련이 필요할 것으로 사료 된다. 또한, 콘크리트 슬래브의 평탄도 및 청결 상태에 따라서 동탄성계수 측정 결과에 영향이 클 것으로 예상되며, 이에 대한 대안도 향후 완충재의 동탄성계수 현장 측정방법 마련 시 검토되어야 할 것이다.
결 론
본 연구에서는 공동주택의 바닥충격음 저감을 위해 뜬바닥 구조에 사용되는 완충재의 동탄성계수를 시공 현장에서 직접 측정할 수 있는 방법을 도출하기 위한 기초 연구로써 콘크리트 슬래브 위에서 동탄성계수를 측정하여 실험실 측정결과와 비교하였다.
측정결과, 완충재 설치 후 금속 하중판을 이용한 동탄성계수 측정 결과는 시료를 샘플링하여 실험실 정반 위에서 측정한 동탄성계수와 크게 차이나지 않았으며, 슬래브 자체의 고유 진동에 의한 실험에 영향은 없는 것으로 확인 되었다. 따라서 실험실 뿐만 아니라 공동주택 시공 현장에서도 완충재의 동탄성계수의 측정이 가능함을 확인하였다.
또한, 완충재 상부 경량기포 콘크리트 및 마감 모르타르 시공 후의 완충재 동탄성계수를 확인하기 위한 방안으로 완충재 상부층을 하중판으로 하여 동탄성계수를 측정하는 방안을 검토한 결과, 시멘트 모르타르를 이용한 측정 결과가 더 낮게 나타났으며, 이는 하중판의 면밀도 차이에 의한 것으로 사료된다.
향후 현장 측정 시 하중판 면밀도 및 재하 시간에 의한 동탄성계수 변화를 확인하여, 동탄성계수 실험실 결과를 도출할 수 있는 보정치 및 산출식을 마련할 필요가 있으며, 슬래브 상부 표면의 평탄도 및 청결 상태 등에 의한 영향도를 확인하고, 완충재 동탄성계수 현장 측정 방법을 마련하기 위한 추가 연구가 필요하다.
