서 론

건설 산업은 근면하고 우수한 노동력을 바탕으로 우리나라 경제발전을 이끌어 왔다. 그러나 노동 집약적이고 현장 의존적인 건설 생산 체계는 인력의 고령화와 4차 산업혁명의 물결 속에서 그 구조적 변화가 필요하다.

건설 산업에 첨단 기술의 융합․적용을 위하여 국토교통부에서 ‘건설 생산성 혁신 및 안전성 강화를 위한 스마트 건설기술 로드맵’을 수립하고, 정부와 관련 기관 및 기업에서 연구 개발을 진행하고 있다. 이에 드론을 이용한 측량 및 홈IoT 기술 등 건설 산업 각 분야에서 첨단기술 도입이 시작되었으며, 스마트 시공 분야에서는 생산성 향상과 안전사고 저감을 기대하며 건설장비 자동화와 현장 인력 작업을 최소화하는 기술 개발에 힘쓰고 있다.

공장 제작하여 현장 조립하는 공정으로 이루어지는 모듈러 건축은 4차 산업혁명에 보조 맞출 수 있는 대표적 스마트 건설기술이다. 모듈러 건축은 구조적 안전성 및 품질에 대한 실증은 마무리 단계에 있으나, 거주자들의 주거 품질, 특히 바닥 진동에 대한 사용성 검토는 아직 미비한 상황이다.

본 연구에서는 도심지에 위치한 주거용 모듈러 건축에 대한 진동 사용성 평가를 수행하였다. 끼움식과 적층식 두 가지 형식으로 이루어진 모듈러 공동주택을 대상으로 진동원을 특정하고, 진동을 측정 분석하여 특정한 진동원에 대하여 발생 가능한 진동 수준을 평가하였다.

모듈러 주택 개요

모듈러 주택의 구조 형식

모듈러 주택의 구조 형식으로는 개개 모듈을 쌓아올리는 적층식과 골조 구조체에 박스형 모듈을 끼워넣는 끼움식 구조가 있다. 적층식 구조의 경우 개별 모듈의 구조 형식에 따라 라멘식과 벽식으로 세분된다.

우리나라에서는 모듈러 건축의 적용이 다소 늦은 편으로 단독주택이나 소규모 건축물에만 적용되어 왔다. 최근 모듈러 공법의 기술 및 현장 적용성에 가속이 붙어 일부 지역에 소규모 모듈러 공동주택 건설되어 사용 중이며, 나아가 중고층 공동 주택의 실증 단계에 접어들었다. 현재 국내에 건설된 모듈러 공동주택은 Figure 1의 (a)와 같은 적층식(Stacked) 구조와 (b)의 끼움식(Infilled) 구조를 구조형식으로 사용하였다.

Figure. 1.

uctural system of modular house

대상 건물의 개요

본 연구에서는 라멘형 적층식 구조와 끼움식 구조가 모두 적용된 모듈러 공동주택을 대상으로 주요 진동원에 대한 진동 사용성 평가를 수행하였다. 대상 건물은 6층 규모의 소형 공동주택으로 2 층부터 6 층까지 총 40 세대를 구성한다. 한 층에는 8 세대씩 코어를 중심으로 양쪽에 4세대씩 배치되었다. Figure 2은 8 세대로 이루어진 층 구성도로, 하나의 복도 모듈(A)에 개별 세대 모듈(B)과 각 세대의 발코니 모듈(C) 4쌍이 접합된다. Figure 2에서 하나의 복도 모듈에 접합되는 세대 모듈은 코어 양쪽으로 서로 다른 구조 형식을 사용하여 한쪽은 라멘형 적층식 구조가, 다른 한쪽은 끼움식 구조가 적용되었다.

Figure 2

Floor plan of the subject modular house of this study

Figure 2에서 ‘B’로 표기된 단위 세대 모듈의 평면은 욕실 외 침실과 주방이 하나의 공간인 1실형과 욕실 외 하나의 공간인 거실과 주방, 그리고 분리된 침실 1개 구성의 두 가지 유형이 있다. 라멘형 적층식 구조의 전체 20 세대와 끼움식 구조의 6층 4 세대는 1실형 평면 유형이고, 2 층부터 5 층까지 끼움식 구조 16 세대의 평면은 분리된 침실 1개가 있는 구성이다. 각 구조의 단위세대 모듈의 크기 및 평면 구성을 Table 1에 정리하였다.

Table 1.

Overview of the subject modular house

	Stacked structure	Infilled structure
Unit plan type	Studio apartment	Studio apartment	One-bedroom apartment
Size of household module [㎜×㎜]	3,200×6,140	3,200×6,140	3,200×9,410
Floor area of household module [㎡]	19.648	19.648	30.112
Corresponding story	2F~6F	6F	2F~5F
Unit plan

진동 평가 기준

진동이 미치는 영향을 평가할 때 평가 기준을 선정하는 첫 번째 조건은 수진대상이다. 건물의 사용성 관점에서 진동을 평가하는 경우 구조 안전성에 영향을 미치지 않는 구조 및 비구조 요소의 결함이 사용성 평가 항목에 포함될 수 있다. 그러나 본 연구의 목적은 모듈러 공동주택의 ‘안락하고 편안한 거주성’의 평가이므로 수진 대상을 건물 사용자, 즉 거주자로 한정하였다.

거주자가 수진대상인 경우 진동이 미치는 영향을 평가하는 기준은 독일의 DIN 4150-2 (1986), 캐나다의 CSA (1989), 일본 건축학회의 거주성능 평가 기준인 AIJ (1991) 및 국제규격 ISO 2631-2 (1989)이 대표적이다. 일부 개정이 된 기준도 있지만, 관련 연구 및 규정에 여전히 이들 기준 내용이 인용되어 활용되고 있다. 특히 ISO 2631-2 (1989)는 국내 규격 KS B 0710-2 (2006)에서 번역하여 소개한 바 있으며, 현재 건물의 진동 사용성 평가 규격인 ISO 10137 (2007)에서도 ISO 2631-2 (1989)을 인용하고 있음을 명시하고 있다. 따라서 본 연구에서는 국내 규격에 소개된 바 있는 ISO 2631-2 (1989)의 기준을 담고 있는 ISO 10137 (2007)을 평가 기준을 선정하였다.

ISO 10137 (2007)에서는 1 Hz ~ 80 Hz 범위의 건물 진동에 대하여 건물 용도와 시간대에 따라 인체 진동 인지 기본 곡선에 계수를 곱한 평가 기준선을 제시하고 있다. 진동 평가 기준선은 수평방향(x, y) 및 수직방향(z)으로 구분되며, 수평방향(x,y)의 경우 2 Hz 이하에서, 수직방향(z축)의 경우 4 Hz~8 Hz 대역에서 가장 낮은 진동 수준을 나타낸다. ISO 10137 (2007)에서 제시하고 있는 진동 인지 기본 곡선과 기본 곡선에 1.4와 2의 계수를 적용한 밤과 낮 시간대의 주거용 건물에 대한 평가 기준선은 Figure 3과 같다.

Figure 3.

Evaluation curves for building vibration (ISO 10137, 2007)

진동원 특정

외부 환경 조사

건물 내에서 거주자가 인지하는 진동은 건물 내부 진동원에 의해 직접 발생하는 진동과 건물 외부의 다양한 진동원에 의해 발생한 진동이 지반과 공기를 매개로 전달되는 진동이 있다. 외부 진동원으로는 인근 공사장에서 이루어지는 발파, 중장비 및 기타 공사 작업과 철도, 도로 교통 등이 있다. 진동 평가에 앞서 대상 건물에 영향을 미치는 진동원을 특정하기 위하여 주변 환경을 조사하였다.

대상 건물은 건물에 인접하는 철도나 지하철로가 없는 도심에 위치하고 있다. 또한 영향을 미칠 수 있는 거리에 진행 중인 공사 작업이 없다. 대상 건물 주변의 도로 상황은 Figure 4에 나타낸 바와 같다. 건물 북측면이 ‘Road 1’에 면하고, 동쪽면에 이웃한 건물 옆으로 ‘Road 2’가 비교적 근거리에 위치한다. 따라서 대상 건물에 전달되는 외부 발생 진동은 주로 인접 도로를 주행하는 차량을 진동원으로 특정할 수 있다.

Figure 4.

Survey on the external environment : surrounding road

대상 건물은 도심 주거지에 위치하여 승용차, 1톤 트럭 및 승합차의 통행이 빈번하고, 대형 버스도 간간히 주행한다. 대상 건물 건너편에 학교가 있어 ‘Road 2’에서는 차량 주행 속도 제한이 있다.

진동원 선정

대상 건물 외부 환경 조사 결과 외부 진동원으로는 도로 교통으로 한정할 수 있다. 건물 내부에서는 기계실, 엘리베이터, 세탁기, 거주자의 거동 및 기타 전자 기기 등 각 세대의 모든 일상 생활 활동이 진동원이 된다.

선행 연구에서 대상 건물과 유사한 평면 규모의 라멘형 적층식 모듈러 주택에 대하여 거주자를 대상으로 진동 인지에 대한 설문조사를 실시하고 건물 내․외의 다양한 진동원에 대한 진동 수준을 측정 평가한 바 있다. 그 결과, 거주자가 주로 인지하면서 가장 높은 수준을 나타내는 진동은 인접 도로를 주행하는 차량이 원인이었다(Lee et al., 2019).

본 연구에서는 완공 후 사용 전 단계에서 대상 건물의 진동 사용성 평가를 수행한다. 따라서 선행연구 결과와 대상 건물에 대한 환경 조사 결과를 바탕으로 인접도로의 차량주행을 주요 진동원으로 특정하였다.

거주자 입주 이후 사용 중에는 보행 시 뒤꿈치의 충격으로 발생하는 진동이 중량 충격음으로 공동주택에서 이웃 간 불편을 초래할 수 있으며, 구조체를 따라 전달되어 아래층에 직접 영향을 미칠 수 있다. 따라서 교통 진동에 거주자의 거동을 진동원으로 추가하여 뒤꿈치 충격에 의한 진동 및 위층 보행 시 아래층에 전달되는 진동 수준을 평가하였다.

대상 건물에 대한 바닥 진동 측정

측정방법

건물에 미치는 진동에 대하여 거주자가 수진대상인 경우 실내 바닥에서 인체로 전해지는 진동 수준을 평가한다. 따라서 Figure 5에 표시한 바와 같이 세대 모듈 바닥 중앙에 수직(z축) 수평(x, y축) 진동을 동시 측정할 수 있는 3축 가속도를 설치하여 바닥으로 전달되는 진동 응답을 수집하였다.

Figure 5.

Accelerometer and camera setting

주 진동원으로 특정한 교통 진동은 2층~6층 각 층에서 끼움식 구조와 라멘형 적층식 구조 1 세대씩, 총 10 세대에 대하여 각 세대 당 10분간 연속 측정하였다. 측정 시간 동안 차량 통행 상황을 파악하기 위하여 해당 세대 창문에 외부 도로를 향하도록 카메라를 설치하여 기록하였다.

추가로 진동원으로 고려한 거주자의 거동은 뒤꿈치 충격과 연속 보행의 두 가지 형태로 고려하였다. 뒤꿈치 충격은 보행 시 뒤꿈치 충격에 대한 진동수준과 바닥의 탁월 진동수를 파악하기 위하여 각 구조 형식의 대표 세대에서 바닥 중앙 가속도계에서 약 500 mm 떨어진 지점에서 가력한 뒤꿈치 충격 1회에 대한 진동응답을 기록하였다. 연속 보행의 경우 거주자의 거동으로 층간 전달되는 진동수준 파악을 위하여 끼움식 구조와 라멘형 적층식 구조에 대하여 5층 대표 세대의 바닥 중앙에 가속도계를 설치하고, 수직 이웃한 6층 세대에서 1인 보행으로 발생한 진동이 아래층에 전달되는 진동 수준을 측정하였다. 보행 하중은 보행자의 연령, 몸무게, 보행의 빠르기 정도 및 보행자의 평소 습관 등의 영향을 받는다. 본 연구에서는 대상 건물이 청년 또는 고령자를 위한 소형 주택이라는 특성을 반영하여 약 65 kg 몸무게의 성인 남자를 보행하중 가진원으로 선정하였다. 또, 일상 생활 중 이웃 세대에 전달되어 불쾌함을 유발시키기 쉬운 상황을 고려하여 약 2 분 동안 2~3 Hz의 불규칙하면서 다소 빠른 걸음 패턴으로 세대 모듈 내부를 보행하는 방법으로 가력하였다.

측정장비

도로 교통 진동과 층간 전달되는 보행하중에 대한 대상 모듈러 주택의 진동 수준 측정에 사용한 장비는 수직(z), 수평(x, y) 진동을 동시에 측정할 수 있는 3축 가속도계와 SINUS사의 진동 수집기와 분석 프로그램이다. Table 2에 측정 장비의 종류와 상세를 정리하였다.

측정 결과

뒤꿈치 충격 진동 평가

Figure 6은 라멘형 적층식 구조와 끼움식 구조 모듈의 1회 뒤꿈치 충격에 대한 응답이고, 측정 세대 모듈의 탁월진동수를 파악하기 위하여 Figure 6의 응답파형을 FFT 변환한 결과는 Figure 7에 나타내었다. Figure 7(a)는 적층형 구조 형식의 모듈 세대 바닥의 진동수 응답으로 수직방향 진동에 대하여 탁월진동수가 11 Hz와 19 Hz에서 드러나고 있으나, 28 Hz 부근까지 유사한 수준의 응답을 나타내며, 67 Hz 대역도 다소 영향을 미치고 있다. 끼움식 구조 형식 모듈 바닥의 진동수 응답은 Figure 7(b)로 적층식 모듈과 달리 17 Hz와 57 Hz 대역에서 두드러지는 거동을 나타낸다.

Figure 6.

Floor vibration response due to heel drop

Figure 7.

Frequency response due to heel drop

Figure 8은 Figure 6의 뒤꿈치 충격 응답을 1/3진동수 대역의 rms 가속도 값으로 나타내어 ISO 10137 (2007) 평가 기준선과 비교한 그림이다. Figure 8(b)에서 끼움식 구조 형식의 모듈 세대는 Figure 7(b)에 나타난 바와 같이 탁월진동수 대역, 20 Hz와 60 Hz 부근에서 가속도 응답이 증폭되고, 적층식 구조 형식의 모듈 세대는 Figure 8(a)에 나타난 바와 같이 탁월진동수가 포함된 10 Hz~40 Hz 영역에서 유사한 수준의 가속도 수준을 나타낸다. 적층식과 끼움식 모두 뒤꿈치 충격에 대하여 가속도 수준이 ISO 10137 (2007) 평가 기준선을 초과하므로 뒤꿈치 충격으로 인한 바닥진동을 인지할 가능성이 있다. 그러나 1~2인 구성 세대가 입주하는 대상 건물의 특성을 고려할 때 뒤꿈치 충격 진동 문제가 거주성능 저하로 이어질 가능성은 낮다.

Figure 8.

Floor vibration level due to heel drop

보행하중 층간 전달 진동

대상 건물의 끼움식 구조와 라멘형 적층식 구조의 모듈에서 각각 수직으로 이웃한 대표 세대를 대상으로 위층에서 성인 남자의 보행으로 아래층 세대 바닥에 전달되는 진동 응답은 Figure 9와 같다. 2 Hz~3 Hz의 불규칙한 보행을 모사한 만큼 보행 시 균등하지 않은 크기의 뒤꿈치 충격 하중이 가해진 것으로 나타났다.

Figure 9.

Floor vibration response due to walking on upper floor

Figure 10은 보행에 대한 아래층 진동응답을 진동수 대역에서 분석하여 rms 가속도로 나타낸 것으로 Figure 7의 탁월진동수 대역에서 수직방향 진동이 증폭되어 영향을 미치고 있으며, 약 2 분간 연속 보행에 대한 평균 진동 수준은 ISO 10137 (2007)의 기본 곡선을 초과하지 않는 것으로 평가되었다.

Figure 10.

Floor vibration level due to walking on upper floor

도로 교통(차량 주행) 진동 평가

Figure 11은 세대 모듈에서 10분 동안 측정한 외부에서 전달된 바닥 진동응답을 나타낸다. Figure 11의 각 응답 그래프에 표기된 진동원은 Figure 4의 ‘Road 1’ 또는 ‘Road 2’ 중 한 도로만 특정 차량이 주행하는 상황이 명확한 경우와 비행기 및 헬리콥터가 지나가면서 영향을 미치는 경우 해당 진동원을 나타낸 것이다. 카메라로 녹화한 도로 상황 비디오 판독 결과 ‘Road 1’과 ‘Road 2’를 통과하며 대상 건물에 진동을 발생시키는 차량은 사전 환경조사 결과와 같이 주로 승용차, 승합차 및 1톤 트럭이며, 간간히 대형 버스나 비행기 및 헬리콥터가 영향을 미치는 것으로 나타났다.

Figure 11.

Floor vibration response due to traffic (in time domain)

10분 동안 측정한 교통 진동에 대한 가속도 응답을 ISO 10137 (2007) 평가 기준선과 비교하기 위하여 1/3진동수 대역으로 분석한 rms 가속도 응답을 Figure 12에 나타내었다. 슬래브 강성이 큰 면내 방향으로 전달되는 수평방향(x, y)에 비하여 수직방향(z)에서 특정 진동수 영역에서 진동 수준이 증폭되는 현상이 두드러진다. 진동이 증폭되는 진동수 영역은 10 Hz~20 Hz 대역으로 이는 Figure 7에 나타난 첫 번째 탁월진동수의 영향으로 판단된다. ISO 10137 (2007)에서 고려하는 건물 진동 영역(80 Hz이하)에서 10분 동안 대상 건물에 전달되는 교통 진동은 수평 수직 방향 모두 기준선 이하수준으로 평가되었다.

Figure 12.

Floor vibration response due to traffic (1/3 octave band frequency analysis)

Figure 11에서 최대 진동 수준을 나타내는 하나의 이벤트에 대하여 진동수 영역으로 분석하고, 이를 이용하여 모듈러 구조 형식과 세대 층 높이에 따라 수직방향에서 증폭되는 진동수 영역과 진동 가속도(rms) 수준을 비교하여 Figure 13에 나타내었다. ISO 10137 (2007) 평가 기준선은 8 Hz 이하에서 가장 낮은 수준을 제시하고 있는데, 이는 8 Hz 이하에서 인체가 진동에 민감하기 때문이다. Figure 13에 음영으로 표기한 바와 같이 대상 건물의 진동수준은 인체 민감 진동수 영역을 벗어난 8 Hz~20 Hz의 진동수 범위, 특히 10 Hz, 12.5 Hz, 16 Hz, 20 H 대역에서 응답이 증폭되는 것으로 나타났다. 최대 진동 수준은 라멘형 적층식 구조의 세대 모듈에서는 중심진동수 12.5 Hz 대역에서 0.25 cm/s², 끼움식 구조의 세대 모듈의 경우 중심진동수 16 Hz 대역에서 0.32 cm/s²로 인체 민감 진동수 대역인 8 Hz 이하의 기본 곡선 기준치인 0.5 cm/s² 이하이다.

Figure 13.

Evaluation of floor vibration due to traffic using ISO curve

결 론

본 연구에서는 끼움식과 라멘형 적층식의 두 가지 구조 형식이 적용된 소규모 모듈러 공동주택에 대하여 완공 후 사용 개시 전 진동에 대한 사용성을 평가하였다. 대상 건물은 단위 세대 모듈은 1실형(Studio)과 거실 및 주방과 분리된 침실 1개형의 두 가지 평면 유형으로 구성되며 바닥 면적이 전자는 19.65 ㎡, 후자는 30.11 ㎡인 소형 주택이다. 대상 건물 주변에 진동이 발생하는 공사장이나 철도 등의 시설물이 없어 인접 도로를 주행하는 차량에 의한 진동을 주요 진동원으로 특정하였다. 건물내 진동원으로는 거주자의 거동을 고려하여 뒤꿈치 충격에 대한 바닥 진동과 연속보행으로 인한 층간 전달 진동을 평가하였다.

뒤꿈치 충격 응답 분석 결과 대상 모듈러 공동주택 바닥의 탁월진동수는 적층식 구조의 경우 11 Hz, 19 Hz이고, 끼움식 구조의 경우는 17 Hz, 57 Hz 대역으로 나타났다. 도로 교통과 거주자의 보행으로 각 세대로 전달된 진동은 대상 모듈 바닥의 첫 번째 탁월진동수 영향으로 10 Hz~20 Hz에서 수직방향으로 증폭되며, 평균 진동 수준 및 최대 진동 수준은 ISO 10137 (2007)의 기본곡선 수준 이하로 평가되었다. 대상 건물과 유사한 규모로 건설되는 모듈러 공동주택에서 도로 교통 방진 대책이 필요한 경우10 Hz~20 Hz 대역에서 방진 대책을 마련하면 효과적으로 진동을 저감시킬 수 있을 것으로 판단된다.