수치해석기법을 이용한 벽식구조 공동주택의 바닥 충격 진동 해석 및 설계 최적화

Abstract

소음 및 진동 환경에 대한 소비자 인식이 증대되면서 특히 공동주택의 바닥충격음이 사회적으로 크게 이슈화되고 있다. 바닥충격음 중 비교적 가벼운 물체에 의해 발생되는 경량충격음은 중고주파 성분이 지배적인 특징을 가지며 그 저감 방안이 다양하게 마련되고 있으나, 무거운 가진원에 의해 20msec의 긴 시간동안 충격이 가해지는 중량충격음은 250Hz 이하의 저주파 성분의 소음으로 그 저감 방안이 쉽지 않아 대책 마련에 어려움이 있는 실정이다. 중량충격음에 대한 일반적인 해결 방안으로 슬래브 두께를 증가시키는 고강성 공법이나 완충재의 제진 성능을 향상시킨 완충제진재 등을 활용한 뜬바닥 공법에 대한 활발한 실험적 연구가 진행 중에 있으며 어느 정도 현장 적용이 가능한 가시적인 결과들이 나오고 있는 형편이다. 최근에는 실제 공동주택과 유사한 조건의 시험동을 건설하여 다양한 물성의 재료와 경계조건, 슬래브 특성 등에 대한 실험적 연구가 활발한 편이다. 그러나 현재까지는 바닥충격진동 및 바닥충격음 저감을 위한 바닥 구조를 도출함에 있어 주로 현장이나 시험동 시공 등 실험적 방법에 의해 진행되어 보다 많은 설계인자에 대한 검증 작업에 한계가 있다. 또한 개선방법에서도 시행착오적으로 이루어져 성능개선을 위한 최적 설계의 관점에서 큰 걸림돌이 되고 있다. 최근 최적설계 알고리즘이 유한요소법을 이용한 구조해석에 성공적으로 적용되면서 대형 구조물의 동적 및 정적 해석 등과 같은 여러 가지 다양한 기계, 자동차 및 항공분야에 폭넓게 활용되고 있다. 유한요소해석을 통해 건축 구조물, 특히 중량 바닥충격음과 관련된 콘크리트 슬래브에 대한 진동 해석이 국내에서 시도되고 있으나, 이들 구조물 내 설계 인자에 대한 최적화 관점에 대한 연구는 다소 미흡한 상황이다. 또한 보다 계획적이고 효율적인 실험을 위해 실험계획법이 자주 활용되고 있는데 이는 최소의 실험횟수에서 최대의 정보를 얻을 수 있는 것이라고 정의할 수 있으며 실험계획법의 일종인 다구찌법 등이 활발히 전개되고 있다. 따라서 본 연구에서는 중량 바닥충격음을 저감하기 위해 바닥 구조의 진동특성을 분석함에 있어 유한요소법과 경계요소법을 이용하여 최적 설계 관점에서 접근하고자 한다. 이를 위해 먼저 바닥 구조의 복잡한 형상을 합리적이면서도 단순화된 유한 요소 모델을 구축하였으며, 실제 가진원과 동일한 크기의 가진력을 고려하여 유한 요소 해석을 실시하여 바닥 구조의 진동 특성 즉 경계영역에서의 진동 응답을 구하였으며 실험계획법 및 다구찌법을 이용하여 진동저감을 위한 최적 인자를 선정하여 경계요소법을 통해 수음실에서의 바닥충격음을 예측하고자 한다.

본 논문은 제 1 장의 서론, 제 2 장 ∼ 제 5 장의 본론 및 제 6 장의 결론으로 구성되어 있으며 제 2 장 ∼ 제 5 장에서는 바닥 충격음의 종류 및 평가, 진동 및 소음 특성, 유한요소법 및 경계요소법을 이용한 해석 모델 구축 및 실험적 검증 그리고 설계 최적화 등의 내용을 포함하고 있다.

본 연구에서 도출된 결론을 요약하면 다음과 같다.

1)중량충격음의 주요 원인 분석을 위해 중량충격원에 의한 진동 및 소음 실험을 통해 주파수 분석을 실시하였으며 이를 통해 중량충격음의 주요 특성으로 200Hz 이하의 저주파 성분이 지배적인 것으로 나타났으며 이는 가진원인 중량충격원의 충격 주파수 특성과 비교적 일치하였다. 즉, 중량충격원의 충격력 시간 파형 특성은 20msec 이내의 단봉형의 임펄스 특성과 유사한 저주파 대역에서 높은 소음 특성을 보여 주는 것이다. 또한 이러한 저주파 대역에서의 소음 주파수 피크 성분은 바닥 슬래브의 구조적 진동 즉, 고유진동수의 영향으로 특정 주파수에서 높은 에너지 특성을 가지는 고체전달음으로 분석되었다.

2)공동주택의 바닥충격음과 바닥충격진동사이의 상관관계를 실험적으로 분석하였다. 즉, 뱅머신과 임팩트볼을 이용하여 가진원의 높이와 공기압 등을 가변하여 다양하게 가진하여 이로 인한 바닥 구조의 진동 및 수음실에서의 소음을 분석한 결과, 충격 형태에 관계없이 바닥 구조의 진동과 수음실에서의 소음사이에는 결정계수 0.995의 높은 선형적인 상관성이 있음을 확인하였다. 이러한 분석 결과를 통해 바닥충격음을 저감하기 위해서는 바닥 구조의 진동을 저감시킬 수 있는 구조를 근본적으로 도출해야 함을 알 수 있었다.

3)바닥충격음 저감을 위해 많이 사용되는 완충재 유무에 따른 바닥 구조의 동특성 및 진동, 소음 간의 관계를 규명하였다. 완충재를 적용할 경우 경량충격음은 저감되는 반면, 중량충격음은 오히려 증가되는 경향을 보였는데 이는 완충재를 적용할 경우 뜬바닥 구조의 고유진동수가 낮아져 중량충격원의 가진 주파수와의 공진특성이 더 증가하였기 때문인 것으로 분석되었다. 따라서 뜬바닥 구조를 적용할 경우 바닥 구조의 동특성 파악이 반드시 필요하며 동시에 중량충격음을 저감할 수 있는 바닥 구조의 설계가 수반되어야 한다.

4)바닥충격진동 해석을 위한 효율적인 유한 요소 모델을 구축하였다. 이를 위해 아파트 30평형 및 40평형대 2개 형상에 대해 다양한 유한 요소 모델을 고려하여 실험과 비교하였으며 약 12% 오차범위 내에 해석 효율성이 높은 2차원 해석모델을 도출하였다. 또한 이러한 해석 모델에 대해 실제 충격력을 고려한 과도해석을 수행하엿으며 실험과 비교한 결과 가속도 피크값에서 약 2% 오차범위 내에서 비교적 잘 일치함을 확인하여 해석모델의 타당성을 검증할 수 있었다. 검증된 유한 요소 해석모델을 활용하여 다양한 설계인자에 따른 진동특성을 분석할 수 있었다.

5)유한요소해석을 통해 계산된 경계면에서의 진동속도를 활용하여 실내에서의 충격음을 예측하였으며 그 결과, 실내 음향모드의 영향으로 125Hz 및 250Hz에서 실험치와의 다소 차이를 보였으나 그 외 주파수 영역에서는 비교적 잘 일치하였다.

6)도출된 유한 요소 모델에 실험계획법을 활용하여 바닥 구조의 형상에 따른 주효과를 분석하여 주요 인자를 선정하였으며, 최적화기법중 하나인 다구찌법을 이용하여 인자별 최적화를 수행하였다. 바닥 구조의 형상에 대해 최적 설계한 결과, 진동가속도 피크는 약 41% 저감되었으며, 수음실의 바닥충격음은 약 3.0dB 저감되었다.