분리된 천정의 설치를 통한 목구조 바닥의 내화성능 및 충격음 차단성능 향상
박 주 생†, 김 세 종, 이 상 준
국립산림과학원 재료공학과
Improvement of Fire Resistance and Impact Sound Insulation Performance for Timber Framed Floor by Installation of Isolated Ceiling
Joo-Saeng Park
†, Se-Jong Kim, Sang-Joon Lee
Department of Forest Products, Korea Forest Research Institute, Seoul 130-712, Korea
Abstract: Fire resistance and impact sound insulation tests were performed for a floor assembly, of which stiffness was reinforced by shortening the span of floor joists by installing glulam beam additionally in the middle or one thirds of the original span, and which an additional ceiling component was installed apart from floor structure. By applying the isolated ceiling, tim- ber framed floor showed 1 hour of fire resistance even in case that dead load was increased by considering cement mortar layer for radiant floor heating. Insulation performance against light and heavy impact sound was improved significantly by applying the sound absorbing layer of big mass and high elasticity in addition to the stiffness improvement and isolated ceiling.
Keywords: timber framed floor, fire resistance, impact sound insulation, isolated ceiling, floor stiffness, sound absorbing layer, heavy impact sound
1. 서 론
1
공동주택을 포함한 다층의 건축물에 있어서 바 닥구조의 내화성능은 최근 논란이 되고 있는 충격 음 차단성능의 확보와 함께 고려되어야 한다. 일반 적인 목조건축물에서 바닥구조는 바닥장선과 바닥 덮개의 기본적인 구조에 천정측에 방화석고보드를 설치하여 내화성능을 확보하게 된다. 그러나 이러 한 장선구조의 목조바닥은 충격음, 특히 중량충격 음 차단성능에 있어서 매우 취약한 것으로 많은 연구결과에서 제시되고 있다(Wakefield 1999).
국내의 건축법규에 의하면, 공동주택 등 특정한
2013년 9월 27일 접수; 2013년 10월 17일 수정; 2013년 10월 17일 게재확정
†교신저자 : 박 주 생 ([email protected])
용도와 규모의 건축물에 있어서 주요구조부는 내 화구조로 하도록 규정하고 있는데, 일반적인 주택 의 규모인 4층 이하의 건축물을 예로 들자면 바닥 구조가 최소 1시간의 내화성능을 만족하여야만 한 다(Table 1).
또한, 국내의 주택법규에서는 공동주택의 인접한 층 사이의 바닥은 충격음 차단성능에 있어서 가볍 고 딱딱한 충격원에 의해 발생되는 경량충격음의 경우 58 dB, 무겁고 부드러운 충격원에 의해 발생 되는 중량충격음에 대해서는 50 dB을 넘지 않아야 한다(Table 2). 일반적으로 바닥구조의 충격음 차 단성능은 거주자의 주거만족도와 관련이 있고 구 조의 형태에 대해서는 고려하고 있지 않은 상태인 데, 이러한 국내의 규정은 특히 중량충격음 차단성 능에 대해서 목조 바닥의 경우 다소 완화된 규정
Floor 1
Roof 0.5
Table 2. Rating standard of insulation performance against floor impact sound for apartment building in Korea Rating Reverse a weighted normalized floor impact sound
pressure level against light impact sound (dB)
Reverse a weight floor impact sound pressure level against heavy impact sound (dB)
No. 1 L’n,AW ≤ 43 L’i,Fmax,AW ≤ 40
No. 2 43 < L’n,AW ≤ 48 40 < L’i,Fmax,AW ≤ 43
No. 3 48 < L’n,AW ≤ 53 43 < L’i,Fmax,AW ≤ 47
No. 4 53 < L’n,AW ≤ 58 47 < L’i,Fmax,AW ≤ 50
을 적용하는 국외의 기준(일본의 경우 55∼60 dB)을 고려하면 매우 엄격한 것으로 인식되고 있다. 바닥 구조의 중량충격음 차단성능에 영향하는 주요 요소 로는 바닥구조의 강성과 흡음층, 그리고 내림천정과 같은 추가요소의 활용을 들 수 있다.
목조건축물에 적용되는 일반적인 장선구조의 바 닥은 경량충격음에 대해서는 바닥구조 상부에 설치 되는 바닥마감재와 소음채널의 설치 등 여러 가지 향상방안이 제시되어 규정을 만족하는데 큰 어려 움이 없는 것으로 알려져 있지만(Buchanan 2002), 중량충격음에 대한 차단성능은 그리 좋지 못한 것 으로 알려져 있고, 국내의 주택건설기준 등에 관한 규정에 제시된 50 dB 이하를 만족하는 목조 바닥은 아직 제시된 바 없다. 이러한 측면에서 현재의 규 정을 만족하는 목조 바닥의 설계와 시공기술에 대 한 준비가 반드시 필요하며, 이와 함께 목조건축물 에 대한 충격음 차단성능에 대한 합리적인 기준의 제공도 요구되어진다.
본 연구에서는 현재까지 장선구조의 목조바닥에 서 중량충격음 차단성능 향상에 기여하는 것으로 보고되고 있는(Park 2012) 바닥강성의 보강과 분
리된 내림천정을 추가 적용하고, 이를 내화성능 측 면에서 이중 내화층으로 활용한 목구조 바닥을 설 계, 제작하여 내화성능과 충격음 차단성능 평가를 수행하였다.
2. 재료 및 방법 2.1. 재료
본 연구에서 내화성능 및 충격음 차단성능 평가 에 사용된 바닥구조는 기본적으로 단면치수가 180
× 360 mm인 구조성능 등급 10S30B의 국산낙엽 송 집성재로 구성되는 골조에 국산낙엽송 소재 장 선이 바닥과 천정에 적용된 구조로서, 내화성능 시 험용 바닥은 중앙부에 집성재 보(180 × 240 mm) 1개를, 충격음 차단성능 시험용 바닥은 1/3과 2/3 지점에 내화시험에서와 동일한 규격의 집성재 보 를 2개 추가하여 바닥 전체의 강성을 보강하였고, 내림 천정을 추가하여 이중의 내화층이 형성되도 록 하였다. 바닥장선(낙엽송 소재, 38 × 184 mm) 은 400 mm 간격으로, 천정 장선(낙엽송 소재, 38
× 89 mm)은 600 mm 간격으로 설치하였다. 장선
Fig. 1. Constitution of timber framed floor for fire resistance and impact sound insulation tests.
Table 3. Manufacturing process of timber framed floor
Type of specimen Basic frame Floor joist Floor sheathing Floor gypsumboard Ceiling joist and gypsumboard
For fire resistance test
For impact sound insulation test
의 위에는 18.3 mm 두께의 구조용 OSB를 바닥덮 개로 사용하였으며, 충격음 차단성능 평가를 위한 바닥에는 추가적으로 흡음을 위한 20 mm 두께의 방진고무매트와 50 mm 두께의 콘크리트 토핑을 추가하였다. 내화성능 평가에서의 설계하중은 바닥 난방을 위해 설치되는 콘크리트 몰탈층이 중량충 격음 차단성능의 향상에 기여하는 것으로 판단하 여, 50 mm 두께의 콘크리트 토핑의 추가에 따른 사하중 증가를 고려하였다. 내화성능 시험에서 화 염에 노출되게 되는 천정 마감에는 15 mm 두께의 방화석고보드를 천정장선 하부에 설치하도록 하였 고, 이중 내화층 확보를 위해 12.5 mm 두께의 방화 석고보드를 바닥 장선 하부에 추가로 설치하도록 설계하고 제작하였다. Fig. 1에 내화성능 및 충격음 차단성능 시험에 사용된 목조 바닥의 개략적인 구 성을 제시하였고, Table 3에는 목조 바닥 구조체 의 제작과정을 나타내었다.
2.2. 시험방법
제작된 목조 바닥 구조체의 내화성능 시험은 KS F 2257-5 (건축부재의 내화시험 방법-수평내역 구획부재의 성능조건)에 준하여 수행하였고, 바닥 충격음 차단성능 시험은 KS F 2810-1/2 (바닥충 격음 차단산성능 현장 측정방법-제2부 : 표준 경량 /중량 충격원에 의한 방법)에 따라 수행하였다. 바 닥 구조체의 규격은 내화 시험체의 경우 3 × 6 m 이고, 충격음 시험은 3 × 4.2 m로서 가열로와 충 격음 실험실의 규격을 고려하여 설치하였다.
내화성능 시험 도중 바닥구조체에 재하될 하중은 콘크리트 토핑 추가에 따른 고정하중(1 kN/m2)을 일반적인 주택 거실바닥에 적용되는 활하중(2 kN/m2)에 더하여 3 kN/m2으로 산정하였고 여기 에 바닥면적을 곱하여 총 48.84 kN의 하중을 균등 하게 분포하도록 하였다.
화염 노출 시간동안 바닥 구조체 내부의 온도변 화를 측정하기 위해 Fig. 3과 같이 노출면 천정에
Fig. 2. Test set-up for fire resistance (left) and Impact sound insulation (right).
Fig. 3. Location of temperature measurement in timber framed floor during fire test.
Fig. 4. Light (left) and heavy (right) Impact sound source.
부착된 방화석고보드 바로 안쪽, 구조용 집성재의 50 mm 내부, 바닥 장선에 부착된 방화석고보드의 노출면쪽 표면과 비노출면 표면 등 4개 부위에 열 전대를 설치하였다.
충격음 차단성능 시험은 Fig. 4에 나타낸 바와 같이 경량충격원으로 태핑머신과 중량충격원으로 뱅머신을 사용하였고, 측정된 결과는 KS F 2863-1/2
(건물 및 건물부재의 바닥충격음 차단성능 평가방 법 - 제1/2부 : 표준 경량/중량 충격원에 대한 차 단성능)에 따라 단일수치 평가량으로 산출하였다.
시험은 바닥의 상부에 흡음층으로 방진고무매트 (20 mm)와 콘크리트 토핑(50 mm)을 적용한 경우 와 적용하지 않은 경우에 대해 각각 수행되었다.
Fig. 5. Temperature change within timber framed floor during fire test.
Fig. 6. Deflection of glulam beam reinforced in the middle of floor during fire test.
Fig. 7. Cross-section of glulam beam installed in the middle of floor before and after fire test.
3. 결과 및 고찰
3.1. 내화성능
1시간의 표준화염 노출 동안 바닥 구조체 내부 의 부위별 온도변화 결과를 살펴보면, 노출면 방화 석고보드(15 mm)는 약 20분 경과 이후 성능이 저하 되어 천정장선의 연소가 시작된 것으로 판단된다 (Fig. 5). 약 45분 경과 이후에는 바닥장선 하부에 부착된 방화석고보드도 성능이 저하되어 바닥장선 도 탄화가 시작된 것으로 보인다. 그러나 전체 구 조체는 1시간의 내화실험 동안 주요 구조인 집성 재 보에 의해 구조적 안전성이 유지된 것으로 판 명되었다.
하중이 재하되면서 1시간 동안 표준화염에 노출 된 바닥 구조체의 중앙부에서 측정한 최대 변위는 약 7 mm 이하로서 구조적으로 문제가 발생하지 않았다(Fig. 6). 이로써 실험된 바닥 구조체는 1시간 의 내화성능을 만족하는 것으로 검증되었다.
또한, 내화시험 전후의 바닥 구조체 중앙부에 보강하여 설치한 집성재 보의 단면을 살펴보았을 때, 1시간의 표준화염 노출로 최대 40 mm 정도의 탄화가 발생하였으며(Fig. 7), 이는 기존 문헌에서 분당 탄화시간으로 제시하는 0.6∼0.7 mm/분으로 계산한 결과와 거의 동일한 결과를 보였다(White 1992).
3.2. 충격음 차단성능
바닥구조의 상부에서 표준 경량충격원과 중량충 격원을 이용하여 바닥의 중앙부를 포함하여 균일 하게 5지점에서 충격음을 발생시키고, 잔향실에서 마이크로폰으로 음압레벨을 측정하여 충격음 차단 성능의 단일수치평가량을 산출하였다.
경량충격음의 경우, 다음의 Fig. 8에 제시된 바 와 같이 흡음층으로 방진고무매트와 콘크리트 토 핑을 추가하지 않았을 때 66 dB의 바닥충격음 레 벨을 보였고, 추가하였을 경우에는 49 dB의 결과 를 나타내었다. 여기서, 흡음층을 추가한 경우의 값인 49 dB은 앞서 제시한 국내 건축법규에서 규 정하고 있는 공동주택 바닥충격음 차단성능의 최
Fig. 8. Comparison of insulation performance against light impact sound between floors without (left) and with (right) sound-absorbing layer.
Fig. 9. Comparison of insulation performance against heavy impact sound between floors without (left) and with (right) sound-absorbing layer.
소한의 기준인 58 dB을 여유있게 만족하는 등급기 준의 3등급에 해당하는 값으로서 공동주택에 적용 이 가능한 충분한 수준의 성능으로 여겨진다.
중량충격음에 있어서의 결과는 아래의 Fig. 9와 같다. 흡음층을 적용하지 않았을 때 59 dB로서 국내 건축법규 기준을 만족하지 못했지만 흡음층을 적 용한 경우는 50 dB로서 국내 건축법규에서 제시하
고 있는 최소한의 기준과 동일한 값으로서 만족하는 결과를 보였다. 여기서, 흡음층이 적용되지 않은 경우의 값도 기존의 연구결과 보다는 상당히 향상 된 수준으로 판단되며, 이는 바닥강성의 보강과 내 림천정의 적용이 63 Hz 또는 125 Hz의 저주파수 대역에서 음압레벨을 상당한 수준으로 낮춤으로서 전체적인 중량충격음 차단성능의 향상을 유도하였
다고 보인다. 그리고 흡음층이 적용된 경우에는 무 거운 콘크리트 토핑층과 탄성이 뛰어난 방진고무 매트층을 연속하여 배치하여 추가적으로 저주파수 대역 뿐만아니라 250 Hz와 500 Hz의 상대적으로 고주파수 대역에서도 음압레벨을 저하시켜 전반적 으로 중량충격음에 대한 차단성능을 향상시킬 수 있었던 것으로 사료된다.
4. 결 론
강성을 보강하고 분리된 내림천정을 적용한 목조 바닥의 내화성능과 여기에 흡음층을 추가적으로 적용하여 바닥충격음 차단성능을 평가한 본 연구 의 결론은 다음과 같다.
1) 바닥구조와 분리된 내림천정의 적용으로 이 중의 내화층을 형성함으로써 바닥난방을 위한 몰 탈층을 고려하여 증가된 고정하중을 재하한 경우 에도 1시간의 내화성능을 확보하는데 지장이 없었다.
2) 강성의 증가와 내림천정, 그리고 큰 매스와 고탄성 흡음층의 적용으로 그동안 장선구조의 목조 바닥에 있어 큰 걸림돌이 되어온 중량충격음 차단 성능에 대한 국내 건축법규 기준을 만족하는 목조 바닥을 실현할 수 있었다.
3) 건축법에서의 1시간 내화성능과 주택법에서 의 50 dB의 중량충격음 차단성능을 갖는 목조 바 닥의 구성이 가능해짐으로써 향후 목조 공동주택 등 다층의 목조건축 보급에 필요한 설계의 기초자 료로 활용이 가능할 것으로 여겨진다.
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