1. 개요
□ 연구목적
○ 요즘 매스컴을 통해 층간소음으로 인한 사건들을 자주 접할 수 있다.
평소 흔히 발생할 수 있는 가정집에서 아이들이 뛰어노는 소리, 청소 기나 세탁기를 돌리는 소리, 가구 옮기는 소리 같은 사소하다고 생각 했던 층간소음이 현대사회에 들어서는 층간소음으로 인해 서로 친하 게 지내야 할 이웃들끼리 불편을 겪고 삭막하게 지내는 경우가 많아지 고 심지어 이웃을 살인하는 사건들이 벌어지는 등 사람의 목숨을 빼앗아 갈 정도로 이웃 간의 갈등이 심화되고 있다. 우리나라의 대부 분의 주거형태는 구조적으로 세대 간의 벽과 천장, 바닥 등을 공유하 고 있어 세대 간의 소음, 진동의 문제가 발생할 수 있다. 특히 윗층에서 발생하는 소음에 대한 지적율은 매우 높았으며 바닥 충격음계의 층간 소음이 주요 피해요인으로 나타나있다. 층간소음의 요인인 바닥충격 음에 대한 차음성능을 개선하기 위한 노력들이 최근 들어 산업계에서 활발히 진행되고 있고, 층간소음을 해결을 위해 소음분쟁조정위원회 가 생기기도하며 소음을 조금이나마 줄이기 위해 바닥매트를 깔기도 한다. 하지만 바닥충격음이 효과적으로 줄여지진 않는다. 바닥충격음 차음성능의 효과는 건물의 구조형식, 바닥슬래브의 두께 및 구성, 마감재의 종류, 주변의 보나 벽에 의한 지지조건 등 여러 가지 요소들 에 의하여 복합적인 영향을 받으며, 각각의 경계조건에 대한 시공방법 과 사용재료에 따라 바닥충격음이 차음성능이 차이를 보인다. 또한 바닥충격음 계통의 충격력이 바닥을 타격할 때 충격에너지가 마감몰 탈, 단열완충층, 바닥슬래브로 전달되어 직하층의 천장에 의해 방사 는 음과 벽체에 의해 방사되는 음이 복합적으로 문제를 야기시키고 있으나 벽체에 대한 저감대책보다는 천장면과 바닥에 저감대책을 하는 경우가 대부분이다. 이러한 바닥충격음을 저감하기 위한 근본적 인 해결방안은 충격원을 제거하는 것이지만 현실적으로 어려움이 있기 때문에 전달경로 상에서 전달에너지를 줄이는 방안이 필요하다.
또한 구조 역할을 담당하는 콘크리트 슬라브의 강성을 높이고 두께를 늘리는 것이 가장 효과적인 방법으로 알려져 있지만 현재 시공되는 두께보다 슬라브의 두께를 늘리는 것은 비경제적이라 시공되지 않는 다. 결과적으로 바닥충격음에 대한 차음성능 뿐만 아니라 공기전파음 에 대한 차음성능을 동시에 개선할 수 있는 차음재 구조가 이어져야한 다. 그래서 이번 연구를 통해 이러한 문제를 해결하고자 층간소음의 여러 문제점과 피해정도, 해결방안에 대해 기사를 통해 수집한 자료와 관련 논문들을 바탕으로 먼저 층간구조의 종류와 특성 등 층간소음을 줄여줄 수 있는 방법들에 대해 조사한 다음 가장 효과적인 방법을 연구하여 가장 소음을 줄여줄 수 있을 것이라 생각하는 모형을 제안하 고 제작하여 실험을 통해 그 효과를 검증해 보고자 한다.
□ 연구범위
○ 건축 분야 중에 소음에 관련된 연구를 진행하였으며, 실제 건축물을 만들지 못하기 때문에 축소하여, 고등학생이 할 수 있는 범위인 기존 의 바닥구조를 토대로 하여 새로운 층간구조물을 제안하고, 그 구조 의 실재 성능에 대하여 실험을 통하여 확인하고자 한다.
2. 연구 수행 내용
□ 이론적 배경 및 선행 연구
○ 층간소음
바닥충격음 이란 물체의 낙하나 이동시 또는 사람의 보행 시 바닥에 가하여지는 충격에 바닥구조가 진동함으로서 발생되는 음으로, 이 때 발생하는 고체음은 적은 감쇠로 여러 경로로 전달되어 건물의 표면을 진동시킴으로서 직접 방사되는 공기음처럼 인식된다.
○ 바닥충격음의 발생에 관계되는 요인은 “충격원, 바닥구조, 하부 공간”의 3가지이다.
그림1. 고체음의 전달경로
그림2. 바닥충격음 발생 모델
위에서 볼 수 있듯이 충격원과 관계되는 요소는 충격에너지에 영 향을 미치는 질량 및 속도에 의한 운동량, 충격력의 파형에 관계 되는 질량, 충격점에서 본 스프링상수, 저항계수 등이 있다.
○ [공동주택 층간소음의 이해와 대책]
바닥충격음 계통의 고체음은 층격력이 바닥음 타격할 때 충격에 너지가 단열완충층, 바닥슬래브로 전달되어 직하층의 천장에 의
해 방사는 음과 벽체에 의해 방사되는 음이 복합적으로 문제를 야기시키고 있으나, 벽체에 대한 저감대책 보다는 천장면과 바 닥에 저감대책을 하는 경우가 대부분이다. 이러한 바닥 충격음 을 저감하기 위한 근본적인 해결방안은 물론 충격원을 제거하는 것은 현실적으로 어려움이 있기 때문에 전달경로 상에서 전달에 너지를 줄이는 방안이 필요하며, 이러한 방법으로 연성의 완충 재를 이용한 뜬바닥구조가 많이 시공되고 있다. 또한 천장면과 슬라브 바닥에 저감대책을 강구하는 경우도 있다. 그럼 국내의 연구 자료를 통해 뜬바닥구조와 바닥마감재와 천장내의 저감 효 과에 대해서 알아보겠다.
그림3. 일반적인 바닥 구조(기존) 그림4. 최근의 바닥구조
바닥마감재는 두께 20mm 전후의 발포염화비닐계 직판지와 종 이 장판을 주로 사용하고 있으며, 중대형 아파트에서는 5~10mm 의 목재 마루판을 사용한다. 단열, 완충지는 온돌구조에서 바닥하 부로의 열손실이나 바닥충격을 막기 위해 경량기포 콘크리트, 발 포폴리스티렌폼(스티로폼), 자갈 등을 사용하여 통상50~90mm두 께로 시공한다. 슬래브는 건물구조체를 형성하고 있는 부위로 120~180mm의 철조 콘크리트로 이루어진다. 천장구조는 슬래브 하부를 석고보드 9.5mm등으로 마감한다. 근래에 시공되는 공동 주택의 온돌바닥 구조는 바닥슬래브는 120~180mm로 시공하고 있으며 조립식구조(PC구조, 공업화 주택)인 경우는 150mm이상 으로 시공되고 있다. 완충층의 구조는 바닥슬래브는 경량기초콘
크리트 사이에 스티로폼을 부가한 3단계의 구조가 설계도면에 많 이 반영되었다.
○ 공통주택의 바닥슬래브 두께에 따른 바닥충격음 소음성능에 관한 연구
바닥슬래브 두께별 차음성능 비교
밑에 그림은 측정결과 구한 차음지수를 바닥슬래브 두께별로 비교 하여 나타낸 것이다. 그림에서 알 수 있듯이, 전반적으로 바닥슬래 브 면적이 넓어짐에도 불구하고 슬래브의 두께가 두꺼울수록 차음 성능이 향상되는 것으로 나타났다. 즉, 바닥슬래브의 면적보다는 바닥슬래브의 두께가 바닥충격음 차음성능에 더 영향을 미치는 것 으로 사료되며, 측정결과 바닥슬래브의 두께가 145mm이상인 경 우에 차음성능 면에서 유리한 것으로 나타났다.
그림 5. 바닥슬래브 두께별 차음성능
○ [현장실험을 통한 바닥충격음 저감재의 성능평가 및 공동주택 의 바닥충격음 저감방안]
바닥충격음에 대한 이론고찰 및 성능기준 - 슬래브조건 변화에 따른 바닥충격음의 변화
(1) 슬래브두께 변화에 따른 바닥충격음 레벨의 변화
슬래브 두께 변화는 차음등급에 큰 영향을 미치고 있으며, (표 1)은 중량충격시 슬래브 두께와 면적에 따른 차음등급의 개략 치를 보인 것으로 슬래브 두께와 면밀도를 높이면 충격에 의해 발생된 진동진폭을 감쇠시켜 발생음을 저하시킬 수 있을 뿐만 아니라, 슬래브의 강성이 증가하여 충격점 유효질량이 증가 하기 때문에 저감효과를 얻을 수 있다. 또한 슬래브 면적이 작 아질수록 수음실의 공간이 작아져 충격음 레벨이 낮아지기 때 문에 효과적인 차음등급을 나타낸다.
(2) 슬래브 면적변화에 따른 바닥충격음 레벨의 변화
슬래브 면적은 바닥충격음 레벨에 대해 방사면으로 작용하기 때문에, 그 변화는 대수적이다. 일반적으로 슬래브 면적이 클수 록 잔향시간이 길어져서 아래층의 음압이 상승하기 때문에 동 일한 두께의 슬래브에서 면적이 10~40m²까지 증가하면 차음 등급은 2등급 정도 저하된다.
(3) 슬래브 주변 지지조건에 따른 바닥 충격음 레벨변화
현행 국내에서 시공되고 있는 공동주택은 시공성과 경제성 때 문에 강성이 높은 옹벽을 많이 시공하고 있으며, 고층화됨에 따라 내진설계상 외부와 맞닿은 벽은 큰 보로 지지되게 만들기 때문에, 작은 보 혹은 구속 상태가 전혀 없는 칸막이 벽 등에 비해 타이어에 의한 중량충격음 가진시 임피던스가 증가하여 차음등급에 미치는 영향이 작은 보에 비해 더욱 크다. 따라서 동일한 두께와 면적의 슬래브에서 주변의 큰 보로 지지된 경우 는 다른 지지조건에 비해 차음등급이 3등급 이상 우수하다.
(4) 천장구조의 유무에 의한 바닥충격음의 변화
국내 공동주택의 경우 천장구조를 분류하면 천장구조가 없는 것과 목조반자틀+석고보드로 대별되나 일본경우는 공기층을 충 분히 하고, 천장의 면밀도를 크게 하여 방진 지지함으로써 바
닥충격음을 저감시키는 2중 천장을 많이 사용하고 있다.
○ 국토해양부에서는 아파트 층간소음 저감을 위해 아파트 바닥구 조 기준을 마련하여 ‘05.7월부터 새로이 모든 아파트에 표준바 닥 또는 인정바닥구조 시공을 의무화하도록 했다. 국토해양부 고시 제2009-1217호 ‘공동주택 바닥충격음 차단구조 인정 및 관리기준’에 명시된 표준바닥구조라 함은 주택건설기준 제14조 제3항의 규정에 따라 국토해양부장관이 정하여 고시한 바닥구조 를 말하는데 층간소음 성능과 관계없이 바닥 두께를 일정 이상 (벽식 210mm, 무량판 180mm, 기둥식(라멘조) 150mm)으로 시공하는 바닥구조를 말하며, 인정바닥은 슬라브 두께와 관계없 이, 실험실에서 측정한 바닥충격음이 일정기준 이하 (경량충격 음 58dB, 중량충격음 50dB)를 충족하는 바닥구조를 의미한다.
○ 음은 전달경로에 따라서 고체를 타고 전달하는 고체 전파음과 공간을 통해 전달되는 공기 전파음으로 나뉘는데 층간소음이란 고체 전파음이 공간에서 공기 전파음으로 바뀌는 것이다.
○ 층간구조 종류 1. 벽식구조
수직하중과 횡력을 전단벽이 부담하는 구조를 말하는데, 이는 기둥 없이 내력벽을 통해 힘을 전달하는 구조로 가장 일반적인 구조물의 형태이다.
2. 혼합구조
“벽식구조”에서 벽체의 일부분을 기둥으로 바꾸거나 부분적으 로 보를 활용하는 구조를 말한다.
3. 라멘구조
바닥, 보, 기둥을 통해 힘을 전달하는 구조로서, 이중골조방식
과 멘트골조방식으로 구분할 수 있으며, “이중골조방식”이라 함은 횡력의 25% 이상을 부담하는 모멘트 연성골조가 전단벽 이나 가새골조와 조합되어 있는 골조방식을 말하고, “모멘트골 조방식”이라 함은 수직하중과 횡력을 보와 기둥으로 구성한 라 멘골조가 부담하는 방식을 말한다.
4. 무량판구조
수직재의 기둥에 연결되어 하중을 지탱하고 있는 수평구조 부 재인 보(beam)가 없이 기둥과 슬래브(slab)로 구성된다. 건축구 조를 건물에 작용하는 힘에 저항하는 방식으로 구분할 때, 축 하중에 의한 구조방식 중의 하나이다. 기존 아파트가 내력벽과 기둥ㆍ바닥의 슬래브 등을 통해 하중을 지탱하는 반면, 무량판 구조는 건물의 기둥이 하중을 지탱하기 때문에 내부 벽면의 변 형과 해체 등에서 자유로울 수 있다.
□ 연구주제의 선정
○ 주제에 대해 선정하기 위해 토의를 한 끝에 당시 뉴스도 많이 나오고,
가장 실생활 속에서 불편하다고 느낀 층간소음에 대해 연구하기로 하였다.○ 최초의 계획에서는 층간소음을 학교를 대상으로 교실 하나를 비우고 바닥에 최초에 고안했던 구조를 설치하여 소음을 측정해 보려 하였으 나, 교수님과의 자문을 통해 소음이 바닥뿐만이 아니라 벽을 통해서 도 이동하며, 정확한 실험을 위해서는 오랜 기간과, 최소 1천만 원 이상의 비용이 소요된다는 자문을 받아 협의 끝에 주제를 변경하기로 결정하였다.
○ 2번째는 1m X 1m X 1m의 아크릴모형으로 집을 제작하여 축소 실험 으로 바꾸기로 결정 후에 교수님께 자문을 구해본 결과 이 방법도 예상이상의 예산이 소요될 것이라는 자문을 받아 다시 주제에 대한 협의를 하였다.
○ 3번째는 가격 대비를 고려하여 차음효과를 가진 물질을 찾아서 교실 전체를 둘러쌓는 것에 대하여 하자는 의견이 나와서 관련 논문을 찾고, 공부를 한 후에 교수님께 자문을 구한 결과 가격의 문제도 문제 지만 시공을 하는데 있어서 학교의 설계도면을 가지고 실제 하중을 견딜 수 있는지 먼저 확인해야 하며, 시공은 그 이후에 문제이며, 설치 후에 다시 철거 할 것을 고려한다면, 예산이 턱없이 부족할 것이 라는 자문을 받아 주제의 변경을 위한 협의를 실시하였다.
○ 4번째는 실재로 실험을 실시하는 것은 현실적으로 예산 적으로 무리 가 따르며, 이론적으로 차음이 되는 좋은 아이디어를 찾은 후에, 수학 적으로 차음이 되는 모델을 만들어 보고, 그것을 1m X 1m 짜리 샘플 을 제작하여 실험을 해본 후에, 건설사 분들에게 직접 우리가 만든 구조를 제안하여 만약 그분들이 보기에도 매력적인 제품이라면 건설 사 분들이 직접 실험해 보는 방식을 해보는 것은 어떻겠느냐는 의견 이 나와서 추진하던 중에, 생각보다 고려해야할 사항이 고등학생의 범위를 벗어나는 사항들이 많아 학생들이 할 수 있는 수준으로 주제 를 재조정하기로 결정하였다.
○ STEAM R&E 중간보고 결과 컨설팅으로서 학생들이 연구하기 어려운 주제이므로 변경하는 것은 어떻겠느냐는 자문을 받고, 건설관련 서적 과 실재 건설하는 분들을 찾아다니며 얻은 결론으로, 의외로 건축자 제에 따른 소음의 연구가 부족하며, 관련 연구도 없는 것에 착안하여, 확실하게 알고 있는 내구도는 높이면서 공기층을 많이 넣을 수 있는 구조를 제안해보기로 하였다. 그러한 구조를 만들기 위해 자연 속에 서 내구도가 높은 구조로 널리 알려져 있는 벌집구조에서 영감을 받아 주제를 재설정하여, 연구하기로 하였다.
□ 연구 방법
○ 층간소음의 문제점과 피해정도, 해결방안에 대해 기사를 통해 수집한 자료와 관련논문들을 바탕으로 먼저 층간구조의 종류와 특성 등 층간 소음을 줄여 줄 수 있는 방법들에 대해 조사한다.
○ 건축에 관련된 국가기관 사이트나, 실제 건설업체에 전화 및 방문을 통하여 자료들을 수집하며, 가장 효율적인 탐구 방법을 모색한다.
○ 층간소음을 줄여줄 수 있을 것이라 생각하는 모형을 이론적 배경을 통해 검토 후 제안하고 직접 제작하여 실험을 통해 그 효과를 검증해 본다.
○ 문제 해결을 위해 제안하는 구조물인 벌집모양 구조물이 얼마나 층간 소음을 줄여줄 있는지 실험하기 위해 콘크리트 사이에 벌집모양 구조 를 집어넣은 구조물과 벌집모양 구조물과 같은 재질의 재료로 콘크리 트 사이를 채워넣은 구조물에 동일한 경량충격음과 중량충격음의 충격을 주어 두 구조물의 데시벨을 측정하여 결과값을 비교한다.
□ 연구 활동 및 과정
○ 가설 설정
건축을 함에 있어서, 공기층이 많으면 많을수록 소음이 차단되는 효과 가 큰 것을 알 수 있었다. 하지만 공기층이 많아지면 내구도가 그만큼 약해지기 때문에 콘크리트 사이에 공기층을 늘려주며 내구도가 높아 질 수 있도록 벌집모양의 구조물을 콘크리트 사이에 넣어 준다면 경량충격음과 중량충격음을 줄여주는데 효과가 있을 것이다.
○ 실험과정
1. 콘크리트(50cm X 50cm X 20cm) 구조물 2개 사이에 아크릴판 (50cm X 50cm X 14cm)(그림 6)을 넣은 구조물 한 세트와 같은 두께의 콘크리트 2개 사이에 앞의 아크릴판과 같은 넓이만큼 벌집 구조(그림 7) 구조물(직경 10cm 육각형 아크릴판을 벌집 구조로 배열)을 사이에 넣은 한 세트를 준비(그림8)한다.
그림 6. 아크릴판 그림 7. 육각형 아크릴판 벌집 구조
그림 8. 실험 구조물 세트 그림 9. 스티로폼 실험 구조물 세트 2. 직경40mm인 1kg 쇠구슬과 15파운드(6.8kg) 볼링공, 50cm자, 테이블 과 같은 크기의 스티로폼, 데시벨 측정기를 준비한다.
3. 스티로폼으로 감싸지 않은 책상위에 두 구조물을 올려놓고 두 구조 물에 각각 50cm 높이에서 쇠구슬과 볼링공을 각각 5회씩 떨어트려 책상아래에서 데시벨 측정기로 데시벨을 측정한다.
4. 스티로폼으로 감싼 책상 위(그림9)에 두 구조물을 올려놓은 후 같은 높이에서 실험과 측정을 5회씩 수행한다.
5. 실험 결과의 데이터를 분석한다.
○ 제한점
1. 실험을 할 때 주변 소음은 없다고 가정한다. (실제 주변 소음은 50dB이었다.)
2. 구조물을 지탱하던 책상의 두께와 구조물에 충격을 가했을 때 책상 에서 발생하는 울림은 무시한다.
3. 정확한 실험을 위해서는 소음의 전달이 바닥 뿐만이 아니라 벽이나 창을 통해서도 전달이 되지만, 오직 바닥을 통해서 전해지는 소음만 을 대상으로 실험한다.
4. 소리는 오직 바닥을 통해서만 전달된다고 가정한다.
3. 연구 결과 및 시사점
□ 연구 결과
스티로폼 없는 실험(그림6) 결과
쇠구슬
순수 아크릴판 벌집 구조물 아크릴판 횟수 측정값(dB) 횟수 측정값(dB)
1회 74 1회 74
2회 75 2회 74
3회 74 3회 73
4회 74 4회 73
5회 74 5회 72
평균값 74.20 평균값 73.20
볼링공
순수 아크릴판 벌집 구조물 아크릴판 횟수 측정값(dB) 횟수 측정값(dB)
1회 100 1회 95
2회 99 2회 95
3회 99 3회 96
4회 99 4회 97
5회 100 5회 96
평균값 99.40 평균값 95.80 스티로폼 설치 후 실험(그림7) 결과
쇠구슬
순수 아크릴판 벌집 구조물 아크릴판 횟수 측정값(dB) 횟수 측정값(dB)
1회 72 1회 70
2회 74 2회 71
3회 73 3회 70
4회 75 4회 70
5회 73 5회 69
평균값 73.40 평균값 70.00
볼링공
순수 아크릴판 벌집 구조물 아크릴판 횟수 측정값(dB) 횟수 측정값(dB)
1회 99 1회 95
2회 98 2회 95
3회 100 3회 97
4회 98 4회 96
5회 98 5회 95
평균값 98.60 평균값 95.60
실험결과를 보면 데시벨의 평균 측정값을 통해 콘크리트 사이에 아크릴판 으로만 공간을 채웠을 때 보다 아크릴판을 육각형모양으로 자르고 그 가운 데 동그란 구멍을 만들어 공기층을 확보한 벌집모양 구조를 콘크리트 사이 에 넣었을 때, 경량충격음(쇠구슬)에는 1~3데시벨, 중량충격음(볼링공)의 경우 3데시벨 전 후의 소음 감소 효과를 얻을 수 있었다. 즉, 평균 1~4dB 정도 데시벨이 줄어든 결과 값을 얻을 수 있다. 이 결과 구조물 사이에 벌집모양 구조물이 경량충격음과 중량충격음을 줄여주는 데 효과가 있다 는 것을 알 수 있다. 또한, 충격을 주는 물체가 무거워 질수록 소리를 줄여주 는 효과가 상승하는 것을 확인할 수 있었다.
□ 시사점
○ 효과
연구 활동을 통해 소리가 전달되는 방식의 기본적인 원리와 각각의 바닥구조를 선택하는 이유를 알게 되었으며, 소음을 줄이기 위해 건설 사들이 어떠한 노력을 하는지 알 수 있게 되었다. 하지만 의외로 각 건축자제에 따라 줄어드는 소음의 양이라던가 두께에 따라 어느 정도 의 효과가 있는지 같은 연구가 진행되지 않았음을 알게 되었다. 이를 통해 후에 건축 관련 전공을 가지게 된다면, 이를 연구해 보는 것도 좋은 주제가 될 것이라고 생각하게 되었다.
○ 개선점
벌집모양 구조를 만들 때 육각형 모양 안을 동그란 모양 대신 작은 육각형 모양으로 구멍을 내었다면 좀 더 많은 공기층이 확보되어 소음을 좀 더 효과적으로 줄여 줄 수 있을 것이다.
4. 홍보 및 사후 활용
○ 이번 연구 결과를 건축계열 대학 및 건설회사, 공공기관 등에서 사용
한다면 더 발전시켜서 더 효율적인 새로운 바닥구조를 제시할 수 있으리라 기대된다.
○ 후속 연구로 같은 구조를 다양한 재료들을 사용하여 실험보다 좋은 효과를 얻을 수 있는 것을 찾아, 실재 건축에 표준모델로서 사용될 수 있으리라 기대된다.
○ 기존의 아파트에서도 리모델링을 통한 바닥제를 교체함으로서 차음 효과가 향상되는 유사한 효과를 볼 수 있는 연구가 진행 될 것으로 기대된다.
5. 참고문헌
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2. 김수영, 손장열, 조창근, 김명준, 공통주택의 바닥슬래브 두께 에 따른 바닥충격음 소음성능에 관한연구, 1995
3. 홍천화, 배상환, 박선효, 현장실험을 통한 바닥충격음 저감재 의 성능평가 및 공동주택의 바닥충격음 저감방안, 2003
4. 이창호, 공동주택 층간소음의 현황과 개선 과제 : 주택의 건설 기준과 관리방안을 중심으로, 국회입법조사처, 2013
5. 임유경, 공동주택 층간소음 문제 개선 정책 과제, 건축도시공간 연구소, 2013
6. 이창호, 공동주택 층간소음의 문제점과 향후 과제, 한국감정원 부동산연구원, 2013
