서 론

우리나라 국민 대다수가 거주하고 있는 공동주택에서는 바닥충격음, 경계벽전달소음, 급배수 소음 등 다양한 소음원이 존재한다. 공동주택에서의 소음으로 인한 입주자간의 갈등은 살인 및 방화사건 등의 사회적 문제로 발전됨에 따라 정온한 주거환경에 대한 요구는 점점 높아지고 있는 상황이다. 이에 따라, 정부에서는 주택건설기준 등에서의 법적규제를 통해 공동주택의 차음성능 향상을 유도하고 있다. 국내 공동주택의 보편적인 구조방식인 벽식구조는 경계벽을 일정 두께의 철근콘크리트로 시공하여 실간 차음성능은 최소 법적기준을 만족하고 있으나, 취약한 바닥충격음 차단성능과 공간의 가변성 등의 문제로 최근 무량판 및 라멘구조의 대체구조방식이 시도되고 있다. 그러나, 무량판 및 라멘구조는 기존 벽식구조의 내력벽체 대신 건식 경량벽체를 활용하고 있어 경계벽의 충분한 차음성능의 확보가 필요하다.

한편, 최근 국내에서도 지진발생이 빈번해짐에 따라 건축구조물에 대한 내진성능 확보가 중요시 되고 있다. 이에 따라, 무량판 및 라멘구조의 공동주택의 경우 내력벽을 갖는 벽식구조의 내진성능에 상응하는 구조시스템을 확보하여야 한다. 이러한 무량판 및 라멘구조의 내진성능의 보강은 경계벽으로 활용되는 건식 벽체의 성능 보강으로 실현 가능하며, 최근 카고메(Kagome) 트러스 구조를 활용한 제진성능 보강용 벽체 개발이 진행되었다(황재승 등, 2013; 허무원 등 2015 ). 이러한 카고메 트러스 구조의 제진장치로서의 유효성은 전단이력거동, 에너지 흡수능력, 피로에 대한 구조 안전성 등이 재료실험을 통하여 검증된 바 있다(황재승 등 2013; 허무원 등 2015).

벽체의 면밀도에 의해 차음성능이 결정되는 단일벽체와 다르게 이중벽체의 차음성능은 표면재의 면밀도 뿐만 아니라, 심재 및 연결재의 종류 및 고정방법 등에 의해 관련한 강성에 의해서도 크게 결정된다. 이러한 이중벽체의 강성은 이중벽 사이의 공기층 두께, 심재로 활용되는 흡음재의 밀도 및 두께, 스터드의 재질 및 형상 등에 의해 결정 되어진다( Novak, 1992; Narang, 1993; Uris,1999). 국내의 경우 석고보드 및 스틸스터드를 활용한 다양한 건식벽체의 차음 영향요소를 조사하여 이중스터드, 흡음재 및 레지리언트 채널 등의 사용이 차음성능 향상에 크게 영향을 미치는 것으로 조사되었다(김경우 등 2002; 이태강 등 2005). 또한, 표면재로 사용되는 석고보드 이외의 재질로서 시멘트 보드, 시멘트패널의 표면재의 사용효과 및 이중스터드(표면재: 석고보드)를 활용하고 심재로 인공경량골재 압출성형 패널 활용한 삼중 경량벽체의 차음성능이 조사되었다(오양기 등 2007). 그 들의 결과에 의하면, 시멘트 보드 또는 시멘트패널을 표면재로 활용한 단일스터드 경량 벽체의 경우 R_w 52 dB~53 dB수준을 나타냈으나 압출성형판을 심재(표면재: 석고보드)로 활용한 삼중 경량벽체의 경우 R_w 49 dB수준으로 비교적 낮은 차음성능을 나타내었다. 이와 같이 삼중 벽체는 심재를 기준으로 2개의 공기층이 형성됨으로 공기층에 의한 2개의 공진주파수가 생성된다(Long, 2014). 이러한 특성으로 삼중벽체의 경우 특정 공진 주파수를 경계로 이중벽체보다 성능이 저하된다. 이성찬과 전진용(2014)은 석고보드를 활용한 건식벽체의 스터드의 진동특성 연구들 통해 스터드의 두께 및 간격에 따라 차음성능이 6 dB 개선됨을 밝혔다. 또한 저주파 차음성능을 개선하기 위한 진동절연 탄성채널의 연구(김경호 & 전진용, 2017)에서는 단일스터드에 개발된 탄성채널을 부착할 시 이중스터드 벽체보다 차음성능이 5 dB 향상됨을 밝힌 바가 있다.

본 연구에서는 건축구조 측면에서의 제진성능이 확보된 카고메 트러스 패널을 활용한 벽체 시스템의 차음성능 특성을 조사하였다. 우선, 축소시편(샘플)을 이용해 카고메 트러스 패널을 구성하는 표면재, 충전재의 차음성능 특성을 장방형 차음성능 실험실에서 조사하였다. 이후, 1차 실험에서 최고의 차음성능을 보유한 시료를 full-scale로 제작하여 잔향실에 차음성능을 수행하였다. 또한, 잔향실 실험결과의 검증을 위해 차음성능 해석 프로그램을 이용하여 해당 시료 등에 대한 차음성능 해석을 실시하였다.

카고메 트러스 구조의 특성

카고메 트러스 구조는 기계, 조선, 항공분야에서 경량구조 적용 목적으로 샌드위치 패널의 심재에 사용되고 있다. 트러스 형태를 구성하는 부재가 한 개의 절점에 모이지 않고 서로 어긋나면서 일종의 눈을 형성하는 형태를 가지고 있다. 이에 따라 절점에 접합되는 부재수 및 부재길이가 작아 접합이 용이하고 경량화가 가능하면서 강도 및 좌굴 등의 구조적 특성도 우수하다. Figure 1과 같이 3차원으로 조립된 구조체 상, 하부에 표면재를 부착하게 되고 이를 통해 전단변형을 유발하여 에너지 소산을 유도하는 것이 카고메 트러스 댐퍼이다. 이러한 카고메 트러스 구조의 제진장치로서의 유효성은 이전연구(황재승 등 2013; 허무원 등 2015)에서 검증된 바 있다.

Figure 1. Two and three dimensional figures of Kagome truss structure (from p.8 in ref.3)

축소시편의 차음성능 실험

축소시편

카고메 트러스 패널(이하 카고메 패널)은 기본적으로 표면재+카고메트러스+충전재로 구성된다. 표면재와 충전재의 차음성능 영향정도를 조사하기 위해 Table 1과 같이 다양한 표면재와 충전재로 구성된 카고메 패널의 축소시편을 제작하였다. 표면재로는 철판(1.6 mm), 합판(5 mm)과 석고보드(9.5 mm)를 사용하였으며, 충전재로는 우레탄폼, 기포콘크리트, 경량콘크리트를 사용하였다. 축소시편의 면적은 1m² (1 m×1 m), 두께는 100 mm로 하였다. 축소시편의 제작은 Figure 2와 같이 우선 카고메 트러스의 1면을 제외한 5면을 덮을 표면재를 제작, 카고메 트러스를 삽입한 후 카고메 트러스에 충전재를 충진한 후 마지막 1면을 표면재로 덮는 순서로 진행되었다. 표면재간의 고정은 철판의 경우 용접을 하였으며, 합판과 석고보드의 경우 타카를 이용하였다. 표면재와 카고메트러스와의 고정연결은 하지 않은 것으로 하였다.

Figure 2. Production of Kagome truss panel sample

Table 1. Materials of each part for Kagome truss panel sample

실험방법

카고메 패널의 축소시편을 대상으로 Figure 3과 같이 장방형 차음성능 실험에서 차음성능 실험을 진행하였다. 차음성능 실험은 KS F 10140-2 (2016) (건물 부재의 차음 성능 실험실 측정방법, 제2부: 공기 전달음 차단성능 측정방법) 준하여 진행하였다. 시료는 기 제작된 샘플(면적: 1m²)을 음원실과 수음실의 경계벽(면적: 10 m²)의 중앙에 설치하고 나머지 주변 경계벽 부분에는 축소시편의 예상 차음성능보다 충분히 차음성능(R_w 71 dB)이 높은 재료를 이용하여 시공하였으며 기준벽과의 틈새를 고밀도의 실링재로 채웠다. KS F ISO 10140-2 (2016)에 의하면 축소시편의 차음성능이 주변 벽체의 차음성능보다 15 dB 이상 작으면 측면전달음의 영향은 무시 할 수 있다. 장방형 실험실의 체적은 수음실과 음원실의 체적은 각각 51.5 m³과 56.7 m³ 이었다. 차음성능 측정은 음원실에서 무지향성 음원을 가진 한 후 음원실과 수음실 각각 5개 지점에서 수음을 하고 투과손실 값을 계산하는 것으로 진행하였다. 수음실의 음장보정을 위해 KS F 2864 (2017) (실내공간의 잔향시간과 음향변수 측정방법)에 준하여 잔향시간을 측정하였다.

Figure 3. Sound isolation measurement of Kagome truss panel sample in rectangular laboratory

실험결과

카고메 패널 축소시편의 차음성능은 100~5k Hz 대역의 투과손실 값을 분석하였으며, KS F 2862 (건물 및 건물 부재의 공기 전달음 차단 성능 평가 방법)에 따라 단일평가지수(R_w)를 계산하였다.

Figure 4는 충전재가 없이 3종류의 표면재와 카고메 트러스로 구성된 축소시편의 1/3 옥타브밴드별 투과손실 값과 단일평가지수(R_w) 값을 나타내고 있다. 우선, 차음성능의 단일평가지수(R_w)의 경우 철판 표면재가 R_w 44 dB로 가장 큰 값을 나타냈으며, 다음으로 석고보드가 R_w 38 dB, 합판이 R_w 33 dB인 것으로 나타났다. 이는 각 표면재의 면밀도 차이에 의해 차음성능의 차이가 발생한 것으로 판단된다. 주파수 특성을 살펴보면, 철판구조의 경우 100 Hz 대역을 제외하고 전주파수 대역에서 다른 재료보다 높은 투과손실 값을 나타냈으며, 단일벽체에서 발생하는 고주파대역에서의 일치효과와 저주파대역의 공진에 의한 투과손실 저하가 없는 것으로 나타났다. 반면, 합판 및 석고보드의 경우 고주파 및 저주파 대역에서 현저한 투과손실 저하가 발생한 것으로 나타났다.

Figure 4. Sound transmission loss for each surface material of Kagome truss panel sample without filling material

Figure 5는 기포콘크리트를 충전재로 한 각 표면재별 축소시편의 투과손실 값과 단일평가지수(R_w) 값을 나타내고 있다. 차음성능 단일평가지수는 석고보드와 철판이 R_w 46 dB와 R_w 45 dB로 유사한 수준이었으며, 합판의 경우 R_w 41 dB로 나타나 기포콘크리트로 카고메트러스를 충진함에 따라 1 dB ~ 8 dB의 차음성능이 향상되었음을 알 수 있다. 차음성능의 주파수특성을 살펴보면, 250Hz 이하 대역에서는 세 종류의 표면재가 거의 유사한 성능을 나타냈지만, 250 Hz를 상회하는 주파수 대역에서는 표면재간 큰 차이를 발생하였다. 충전재 유무에 따른 주파수특성을 비교하여 보았을 때, 우선 합판과 석고보드의 경우 충전재가 충진되었을 때 전 주파수대역에서 최대 10 dB 이상의 차음성능이 향상되어 고주파와 저주파대역에서의 현저한 투과손실 저하의 현상이 발생하지 않았다. 반면, 철판의 경우 일부 저주파대역과 중주파대역에는 다소 차음성능이 향상되었으나 중주파수 대역인 500~1k Hz 대역에서 오히려 차음성능이 떨어지는 것으로 나타났다. 이는 기포콘크리트로 구성된 단일벽체의 일반적인 차음성능 특성을 보여주고 있다.

Figure 5. Sound transmission loss for each surface material of Kagome truss panel sample with aerated concrete (AC) as filling material

Figure 6은 철판을 표면재로 한 카고메 패널 축소시편의 충전재 종류에 따른 투과손실의 주파수특성과 단일평가지수(R_w) 값을 나타내고 있다. 단일평가지수(R_w) 기준으로 우레탄폼을 충전재로 사용했을 경우 R_w 48 dB로 가장 높은 차음성능을 나타냈으며, 경량콘크리트와 기포콘크리트 충전재의 경우 R_w 46 dB와 R_w 45 dB의 차음성능을 나타내어 충전재를 추가함에 따라 1 dB ~ 3 dB의 차음성능이 향상되는 것으로 나타났다. 3개 충전재의 차음성능의 주파수특성을 비교해 보면, 우레탄폼 시편의 경우 315 Hz 이상 대역에서 가장 높은 투과손실 값을 나타내고 있으며 특히 315 ~800 Hz 대역에서 다른 재료에 비해 5 dB ~ 8 dB의 높은 투과손실 값을 보여주고 있다. 충전재 유무에 따른 결과를 살펴보면, 우레탄폼을 충진하였을 경우 200 Hz 이상 대역에서 약 2 dB ~ 7 dB 높은 차음성능을 나타내었다.

Figure 6. Sound transmission loss for each filling material of Kagome truss panel sample with steel plate as surface material; AC: Aerated Concrete, LC: Light-weight Concrete, UF: Urethane Foam

실물 시편의 차음성능 실험

실물 시편

카고메 패널을 활용한 실물시편은 Figure 7과 같이 카고메 패널 100 mm(철판1.6 mm+카고메트러스+우레탄폼 충진)을 심재로 활용하고 일정 공기층의 간격을 두고 양면을 C-stud를 이용하여 석고보드로 최종 마감한 3중 벽체구조이다. 벽체 시스템 구성을 위해 우선, 카고메 패널 양면으로 10mm의 공기층을 두고 50 mm의 C-stud를 450 mm 간격으로 세운 후 양면에 12.5 mm 석고보드 2장을 부착하는 구조이다(Figure 8 참조). 이 때, 카고메 패널과 양쪽의 석고보드사이에는 글라스울(50 mm)으로 채웠다. 상기 제안된 카고메 패널 벽체시스템은 3중 벽체 구조로서 카고메 패널의 기본적인 차음성능과 더불어 양면에 설치되는 석고보드에 의해 특정 주파수 이상대역에서 차음성능 향상을 기대할 수 있으며(Long, 2014), 또한 글라스울 추가에 따른 카고메 패널과 석고보드 사이 공기층에서의 공명현상 방지 효과 및 카고메 패널과 C-stud을 분리시킴으로서의 성능향상을 기대하였다.

Figure 7. Horizontal section of wall system using the Kagome truss panel

실험방법

카고메 패널 벽체시스템의 최종 차음성능뿐만 아니라 카고메 패널 벽체시스템의 구성요소 설치에 따른 차음성능을 확인하기 위하여 시료 시공단계에 따라 총 4회의 차음성능 실험을 진행하였다. 차음성능 실험은 KS F 10140-2 (건물 부재의 차음 성능 실험실 측정방법 제2부: 공기 전달음 차단성능 측정방법)에 따라 Figure 8에 따라 잔향실(용적:음원실 179 m³, 수음실 171 m³)에서 시료(면적: 가로×세로=3.9×2.4=9.4 m²)를 설치한 후 측정을 실시하였다. 차음성능 측정은 Table 2와 같이 카고메 패널 벽체시스템의 구성요소 설치단계에 따라 A.카고메 패널 단독, B.카고메 패널+석고보드(한면), C.카고메 패널+석고보드 양면(글라스울 한면 포함), D.카고메 패널 석고보드 양면(글라스울 양면 포함) 총 4단계로 차음성능을 측정하였다. 음원은 핑크노이즈로 하였으며 음원실에서 벽체 모서리 방향으로 재생한 후 음원실과 수음실 각각 5개의 마이크로폰을 이용하여 측정하였다. 차음성능은 단일평가지수(R_w) 평가대상 주파수대역인 100 Hz ~ 3.15k Hz와 추가적으로 5 kHz대역까지 투과손실을 측정하는 것으로 수행되었다. 수음실의 흡음력 보정을 위해 KS F 2864 (실내공간의 잔향시간과 음향변수 측정방법)에 따라 해당 주파수대역을 대상으로 잔향시간을 측정하였다. 잔향시간 측정은 무지향성 스피커를 이용하여 핑크노이즈를 재생 한 후 단속법을 이용하여 총 5지점에서 측정을 실시하였다.

Figure 8. Installation (left) and sound isolation measurement (right) of wall system using the Kagome truss panel

Table 2. Materials for wall system using Kagome truss panel; GB: Gypsum Board, GW: Glass Wool

실험결과

카고메 패널 벽체시스템의 차음성능은 100~5,000 Hz 대역의 투과손실 값을 분석하였으며, KS F 2862 (건물 및 건물 부재의 공기 전달음 차단 성능 평가 방법)에 따라 단일평가지수(R_w)를 계산하였다. Figure 9는 카고메 패널 벽체시스템 각 시료단계별 차음성능의 주파수특성과 단일평가지수(R_w) 값을 나타내고 있다. 우선, 차음성능의 단일평가지수(R_w) 경우 카고메 패널 단독의 경우(A구조) R_w 44 dB의 성능을 나타냈으며, 한 면에 스터드와 석고보드(2겹)를 부착 할 경우(B구조)에는 5 dB이 향상된 R_w 49 dB의 성능을 나타내었다. 카고메패널+석고보드(2겹)+글라스울(한면) 시료인 C구조의 경우 R_w 58 dB의 차음성능을 나타내었고 최종 시료인 C구조에 한면에 추가로 글라스울 설치한 D구조의 경우에도 R_w 58 dB의 차음성능을 나타냈다.

Figure 9. Sound transmission loss for wall systems with Kagome truss panel; GB: Gypsum Board, GW: Glass Wool

차음성능 주파수특성을 살펴보면 카고메 패널 단독의 경우(A구조), 주파수 증가에 따른 차음성능 증가라는 단일벽체의 전형적인 특성을 보이고 있으나 고주파대역에서 일치효과 영역은 나타나지 않았다. 한 면에 석고보드를 추가 설치하였을 경우(B구조)에는 160 Hz 이하 저주파대역을 제외하고 약 5 dB ~ 10 dB의 차음성능 상승효과가 나타났다. 양면의 석고보드(한 면 글라스울 포함)를 추가 설치 할 경우(C구조) 100Hz 대역을 제외하고 전 주파수 대역에서 카고메 패널 단독시료 대비 약 9 dB ~ 22 dB의 차음성능 개선이 나타났다. C구조에서 추가로 한 면에 글라스울을 설차하였을 경우(D구조), 카고메 패널 단독시료 대비 모든 주파수대역에서 약 8 dB ~ 17 dB의 차음성능이 개선되었다. 다만, D구조의 경우 일부 주파수대역(630, 800, 2k Hz)에서 차음성능이 C구조대비 성능이 다소 떨어지는 것으로 나타났다. 이는 스터드와 석고보드의 결합을 위하여 사용한 나사못에 의한 결합된 강성의 차이(시공편차)에 의한 것으로 사료된다.

토 의

카고메 트러스 패널의 표면재 및 충전재의 효과

카고메 트러스 패널 샘플의 차음성능 실험결과, 카고메 트러스를 감싸는 세 종류(철판, 합판, 석고보드)의 표면재 중 면밀도가 가장 큰 철판이 다른 재료보다 6 dB ~ 11 dB (R_w기준) 성능이 우수한 것으로 나타났다. 또한, 카고메 트러스 패널 내부에 기포콘크리트를 충진했을 경우, 재료별 성능 향상 정도는 상이하여 합판의 경우 8 dB (R_w기준)로 가장 컸으며, 반면 철판의 경우는 1 dB의 성능 향상만 나타났다. 기포콘크리트 충진에 따른 차음성능 주파수특성을 살펴보면, 합판과 석고보드의 경우 전 주파수대역에서 차음성능 향상되었으나, 철판의 경우 중주파대역에서 오히려 차음성능이 떨어지는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 동일 충전재라 할 지라도 패널을 구성하는 표면재 종류에 따라 차음성능의 개선효과는 달라 질 수 있음을 보여준다. 동일 표면재(스틸)일 경우 충전재 종류(기포콘크리트, 경량콘크리트, 우레탄폼)에 따른 차음성능 실험 결과, 우레판폼을 충진했을 경우200 Hz 이상 대역에서 차음성능이 개선되어 R_w기준 4 dB 의 가장 높은 성능 개선효과를 나타냈다. 기포콘크리트와 경량콘크리트의 경우 중주파대역에서 성능 개선효과가 없는 것으로 나타났다. 또한, 기포콘크리트와 경량콘크리트가 충전되었을 경우는 표면재 없이 동일한 재료로 구성된 단일 벽체의 차음성능 특성과 유사하게 나타내었다. 이는 표면재+충전재의 효과보다는 충전재로 사용된 재료의 특성이 전체 차음성능의 영향을 미친 것으로 사료된다. 상기 결과를 종합하였을 때, 표면재는 면밀도가 높은 재료가 성능이 우수하며, 충전재의 효과는 표면재와 충전재의 종류에 따라 교호작용이 있으므로 다양한 구조에 대한 차음성능 검토가 필요할 것으로 판단된다.

카고메 패널을 활용한 3중 벽체의 차음성능 특성

카고메 트러스 패널의 차음성능 개선을 위해 양쪽의 석고보드(공기층, 스터드, 글래스울 포함)를 부착한 3중 벽체시스템 실물시편의 차음성능 실험결과, 카고메 트러스 패널을 단독으로 설치했을 경우 대비 14 dB (R_w 기준)의 성능향상을 나타냈으나, 최종 차음성능은 R_w 기준으로 58 dB에 머물러 국내 차음성능 기준(벽체의 차음구조 인정 및 관리기준)으로 1등급(R_w +C: 63 dB) 미만인 것으로 나타났다. Figure 9에 보여지는 것과 같이 카고메 패널 기본구조(A구조)에 한면 석고보드(B구조)와 석고보드(양면)+글래스울(한면)을 추가(C구조) 함에 따라 순차적으로 R_w 기준 5 dB와 9 dB의 차음성능이 향상된 것으로 나타났으나, 이후 추가로 글라스울을 양면에 설치한 구조(D구조)의 경우 저주파대역의 성능 향상은 있었으나, 오히려 일부 주파수대역(630, 800, 2k Hz)에서 성능이 악화되어 C구조 대비 최종적인 차음성능(R_w 기준) 개선효과는 없는 것으로 나타났다.

상기 실험결과의 고찰을 위해 차음성능 전산해석 소프트웨어인 INSUL (ver. 8.0)을 이용해 실물시편과 동일한 사양의 벽체 시스템의 차음성능을 예측하였다. 우선, 카고메 패널을 구성하는 카고메 트러스의 입력 물성치가 명확치 않아 다른 재료의 물성치를 변경하여 실물실험 결과를 바탕으로 차음성능의 주파수 특성과 단일평가지수(R_w)를 동일케 하는 피팅(fitting)작업을 실시하였다. 이후, 카고메 패널 벽체를 구성하는 공기층, 글라스울, 스터드, 석고보드는 INSUL 프로그램에서 제공하는 재료를 이용하였다. 또한, 3중벽체는 일반적으로 활용되는 2중 벽체(양면 석고보드) 사이에 심재를 추가함으로 구성되는데, 이 때 심재 추가에 따른 차음성능의 효과를 검토하기 위해 2중 벽체의 전산해석도 추가하였다. Figure 10은 실물시편으로 차음성능 실험에 활용된 동일 카고메 패널 단독(A구조) 및 벽체시스템(3중벽체, A~D구조)과 카고메 패널이 없는 벽체시스템(2중벽체, E구조)의 전산해석 결과를 나타내고 있다. 해석결과, 카고메 패널 기본구조(A구조)에 한면 석고보드(B구조)와 석고보드(양면)+글래스울(한면)을 추가(C구조) 함에 따라 순차적으로 R_w 기준 9 dB와 8 dB의 차음성능이 향상된 것으로 나타나 실물 실험 결과와 유사한 경향을 나타내었다. 다만, 주파수특성을 보았을 때, 실물 실험의 경우 모든 주파수 대역에서 차음성능이 증가하였는데, 해석의 경우는 대부분의 주파수 대역에서 성능 개선 있었으나 100 Hz 대역의 성능저하와 3.15 kHz 대역에서의 뚜렷한 일치효과가 나타났다. C구조 한 면에 글라스울을 추가한 D구조의 차음성능 해석 결과, 실물실험과 동일하게 250Hz 이하 저주파대역에서 차음성능 개선효과가 나타났다. 다만, 실물실험에서는 일부 주파수대역(630, 800, 2k Hz)에서 성능이 악화되어 최종 R_w 기준 차음성능은 개선되지 않았으나, 해석에서는 해당 주파수대역에서 성능 저하가 발견되지 않아 최종적으로 R_w 기준 3 dB의 차음성능이 향상되었다. 해석결과를 바탕으로 실물실험 결과를 고찰해 보자면, 글라스울 추가에 따른 일부 주파수대역(630, 800, 2k Hz)의 성능악화는 실험실에서의 실험 시료의 설치 오류 등에 따른 구조적 문제에 기인한 것으로 사료된다. Figure 10은 또한 카고메 패널이 심재로 활용된 3중벽체(C구조)와 심재가 없는 2중벽체(E구조)의 차음성능 해석결과를 나타내고 있다. 해석결과, 3중 벽체는 2중벽체 보다 주로 400~2k Hz 대역에서 차음성능이 떨어져 R_w 기준으로 3 dB의 차음성능이 낮은 젓으로 나타났다. 다만, 일치효과영역에서의 차음성능은 두 벽체간 차이는 없는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 3중 벽체의 경우 심재가 추가됨에 따라 표면재와 심재 사이의 공기층이 2개가 형성되어 전체 벽체의 차음성능에 영향을 미치는 것으로 사료된다. 향후, 2중벽의 차음성능을 향상시키기 위한 3중벽체의 개발 시에는 공기층에 대한 세밀한 검토가 필요할 것이다.

Figure 10. Computational analysis result of sound transmission loss for wall systems with and without Kagome truss panel; GB: Gypsum Board, GW: Glass Wool

결 론

본 연구에서는 건축물 제진성능 보강을 위해 고안된 카고메 트러스 패널을 활용한 벽체시스템의 차음특성을 샘플과 실물 시편을 이용하여 조사하였다. 축소시편을 이용하여 카고메 패널을 구성하는 표면재와 충전재의 차음성능 검토결과, 표면재로 철판을 충전재로는 우레탄폼을 사용한 구조가 차음성능 단일평가지수로 R_w 48의 가장 높은 성능을 나타냈다. 또한, 축소시편의 실험결과, 카고메 트러스를 감싸는 표면재의 면밀도가 높을수록 차음성능이 우수하였으며, 충전재의 효과는 표면재와 충전재의 종류에 따라 상이하게 나타나 차음성능에 대한 두 재료의 교호작용에 대한 검토가 필요할 것으로 판단된다.

카고메 패널 단독구조와 카고메 패널 양면으로 석고보드와 글라스울을 추가한 3중 벽체를 대상으로 full-scale 시료를 이용하여 잔향실에서 차음성능을 측정한 결과, 카고메 패널 단독구조의 차음성능은 R_w 44 dB로 나타나 축소 시편의 차음성능(R_w 48 dB) 보다 다소 낮은 결과를 나타냈다. 카고메 패널의 차음성능을 개선하기 위해 양쪽에 석고보드와 글라스울을 추가함으로써 차음성능이 카고메 패널 단독시료 대비 5 dB ~ 14 dB (R_w 기준)이 향상되었으며, 최종 시료의 경우(카고메패널+석고보드+글라스울) 차음성능이 R_w 58 dB인 것으로 나타났다. 또한, 석고보드와 글라스울 추가에 따라 R_w 기준으로 각각 약 5 dB의 차음성능이 향상되었으며, 글라스울의 경우 저주파대역에서도 차음성능 개선효과가 있는 것으로 나타났다.

추가로 수행한 차음성능 해석과 실험 결과를 비교하였을 때 최종 시료의 경우, 실험에서 일부 주파수대역(630, 800, 2k Hz)에서 차음성능이 낮게 나타난 반면, 해석에서는 유사한 수준으로 나타나 최종 벽체 시스템의 구조적 개선을 통해 개선 방안을 강구한다면 보다 향상된 차음성능 확보가 가능할 것으로 사료된다. 또한, 2중벽체와 3중벽체의 차음성능 해석결과, 중고주파대역에서 3중벽체의 차음성능이 2중벽체 보다 낮게 나타났으며 이는 3중벽체에서 추가로 형성된 공기층에 의한 영향인 것으로 사료됨으로 향후 3중 벽체의 개발 시에는 2개의 공기층에 대한 제어가 중요할 것으로 판단된다.