Research Article

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. 30 December 2019. 473-480
https://doi.org/10.22696/jkiaebs.20190040

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 사전조사

  •   거주자 대상 설문 조사

  • 측정개요

  •   대상세대

  •   측정장비

  •   측정방법

  • 측정 결과

  •   진동 기준

  •   측정결과

  •   바닥진동 평가

  • 해석 연구

  •   모드해석 결과

  • 결 론

서 론

주거난 해결을 위한 새로운 주택 건축 공법으로 모듈러 공법을 시도하고 있다. 모듈러는 공장 제작된 모듈을 현장에서 조립하는 건축공법으로 아직 국내에는 시행 초기 단계이나 이미 해외에서는 활성화 되어 있는 방법이다. 특히 강재 시스템의 모듈러는 구조적 안전성을 확보하면서 공사기간을 단축시키기 때문에 인건비 및 간접비의 절감을 기대할 수 있다. 그 외에도 현장시공 공정 및 공기가 최소화되어 주거지역에서 인근 주민의 불편을 최소화할 수 있으며, 규격화 표준화된 자재로 원가절감은 물론 일정기간 사용 후 해체 조립하여 재사용할 수 있으므로 폐기물 최소화로 인한 친환경 건축을 실현할 수 있다.

모듈러 주택은 이미 해외에서 활성화된 만큼 내진설계와 내화구조를 충족하는 등 구조안전성 뿐만 아니라 규격화 표준화 자재로 안정된 수준의 주택 품질을 유지할 수 있다. 그러나 모듈러 주택의 사용성 문제에 대한 인식은 아직 부족하다. 특히 모듈러 공법으로 공동주택을 형성하는 경우 세대간 불화를 유발하거나 주거 품질을 저하시킬 수 있는 바닥진동 문제에 대한 검토가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 강재를 사용한 적층식 모듈러 주택의 바닥진동에 대하여 주요 진동원과 동특성을 파악하고 주요 진동원으로 발생하는 바닥진동에 대한 사용성 평가를 수행하고자 한다.

사전조사

거주자 대상 설문 조사

진동측정에 앞서 대상 모듈러 공동주택 거주자를 대상으로 진동인지에 대한 사전 설문 조사를 실시하였다. 설문에 응답한 30세대 중 13세대에서 건물 내외부 진동원으로 발생하는 진동을 인지하고 있었다. 진동을 인지하는 세대에서 외부 차량 운행과 엘리베이터 및 다른 세대에서 작동하는 세탁기를 진동원으로 추정하고 있었고, 원인을 추정하기 어렵다는 응답도 있었다. 진동을 인지한다고 응답한 13세대의 거주자가 추정한 진동원을 Table 1에 정리하였다.

Table 1. Survey on modular house occupant's perception of floor vibration

Vibration source Number of respondents Perception probability (%)
Vehicle 4 13.3
Elevator 1 3
Washing machine 2 6.7
Kitchen ventilator 1 3
Unknown cause 6 20

측정개요

대상세대

본 연구 대상인 모듈러 공동주택의 단위세대 평면은 Figure 1과 같다. 현관, 침실, 주방으로 구성되는 라멘형 모듈에 발코니와 복도의 라멘형 모듈이 접합되어 한 세대의 단위평면을 구성한다.

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Figure 1.

Unit plan of the subject modular house of this study

Table 1의 사전 설문조사 결과를 바탕으로 차량주행, 엘리베이터 운행, 세탁기 작동을 진동원으로 선정하고, 각 진동원에 대하여 진동을 인지한다는 응답자 중 측정이 가능한 총 4개 세대와 복도에서 측정하였다.

측정장비

건물 내외부에서 발생한 진동을 측정에 사용한 장비는 수직(z), 수평(x, y) 진동과 환경소음의 총 4개 채널을 동시에 측정할 수 있는 SINUS사의 진동 기록 및 분석기와 프로그램, 그리고 3축 가속도계이다. 측정장비의 종류 및 상세는 Table 2와 같으며, Figure 2에 세팅 사진을 나타내었다. 건물진동 특성을 고려하여 측정 진동수 범위의 상한치는 200 Hz로 설정하였다.

Table 2. Vibration measurement equipment

Device Model Specification
Note book -
Measuring instrument Apollo light (SINUS) Data input : 4 channel Frequency range : up to 20 kHz
Vibration analysis software SAMURAI Multichannel analysis function with octave and FFT analyzer
Accelerometer 8762A (Kistler) Range : ± 5 g, 0.5 ~ 6,000 Hz Sensitivity : 1000 pC/g

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Figure 2.

Measurement equipment setting for vibration test

측정방법

수직(z축) 수평(x, y축) 진동을 동시 측정할 수 있는 3축 가속도계를 Figure 1에 표시한 침실 중앙 위치에 설치하였다(Lee and Han, 2004; Lee, 2016). 가속도계 설치 시 공동주택 관리 지침을 고려하여 Figure 2의 (a)와 같이 바닥면 또는 바닥 마감 훼손 우려가 있는 경우 (b)와 같이 충분한 중량의 철판을 깔고 철판 위에 가속도계를 단단히 고정시켰다.

각 진동원에 대한 대표 진동을 측정할 수 있도록 진동을 유발하는 차량 주행과 엘리베이터 운행 및 세탁기 작동 정보를 사전 조사로 수집하고, 이를 바탕으로 측정 계획을 세웠다. 차량 주행의 경우 출근 시간대, 오전, 오후, 퇴근 시간대로 구분하여 각 15분 이상 측정하고, 진동원이 세탁기인 경우 수직으로 이웃한 상부층 세대에서 세탁기가 작동하는 동안 하부 세대 침실 바닥 중앙에서 진동을 측정하였다. 엘리베이터의 경우 해당 층에 도착, 출발, 통과의 각 상황에 대하여 시험운행하며 발생하는 진동을 측정하였다.

측정 결과

진동 기준

국내에는 환경소음진동 및 공동주택 층간소음에 대한 규정은 있으나 현재까지 바닥진동에 대한 사용성 평가 기준이 마련되어 있지 않으며, KS B 0710-2(2006)에서 ISO 2631-2(1986)를 번역하여 한국산업규격으로 참고하고 있다. KS B 0710-2에서 소개하는 ISO 2631-2의 내용은 2007년 ISO 10137 (2007)로 개정 수록 되었다. ISO 10137에서는 1에서 80 Hz 사이의 지속진동 및 충격진동이 인체에 미치는 영향을 평가하고 있다.

진동의 인체에 대한 영향의 평가는 진동수, 가속도, 노출시간, 진동의 방향을 변수로 고려하여 평가하며, 유효 가속도의 평가는 노출시간 T에 대한 r.m.s (root-mean-square)값으로 한다(ISO 10137, 2007; Lee and Han, 2014). 진동의 방향은 진동을 받는 사람의 인체를 기준으로 x,y,z,축으로 구분하며, 사람이 민감한 진동수대역은 수직방향(z축)의 경우 4 Hz에서 8 Hz, 수평방향(x,y축)의 경우 2 Hz 이하이다.

ISO 10137은 진동 속도나 가속도에 대하여 인체에 미치는 영향을 기본곡선에 Table 3의 진동 종류, 장소, 시간에 따른 가중 보정치를 곱한 진동 한계를 Figure 3와 같이 제시하고 있다.

Table 3. Multiplying factors to sepcify saristactory magnitudes of building vibration with respect to human response (ISO 10137, 2007)

Place Time Continuous vibration and intermittent vibration Impulsive vibration
Critical working area Day 1 1
Night 1 1
Residential Day 2 ~ 4 30 ~ 90
Night 1.4 1.4 ~ 20
Quiet office Day 2 60 ~ 128
Night 2 60 ~ 128
Gemera; office Day 4 60 ~ 128
Night 4 60 ~ 128
Workshops Day 8 90 ~ 128
Night 8 90 ~ 128

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Figure 3.

Evaluation curves for building vibration

측정결과

차량 주행, 세탁기 작동 및 엘리베이터 운행에 대한 바닥진동 측정 결과를 Figure 4 ~ Figure 7에 나타내었다. Figure 5 ~ Figure 7은 Figure 4와 같은 가속도-시간 데이터를 1/3진동수 대역으로 분석하여 나타낸 것으로 차량 주행이 진동원인 경우 Figure 5에서 보이는 바와 같이 중심주파수 12.5 Hz 대역의 영향이 두드러지게 나타났다. 차량 주행 시 발생하는 바닥진동의 최대 크기는 수직방향에서 1.082 cm/s2이고, 수평방향으로 0.858 cm/s2이다. 이는 대형차량이 여러 대 동시에 지나가거나 신호대기 후 출발 시 발생하며, 대형차량이 동시에 경적을 울리며 지나갈 때는 4 Hz 이하 진동수 대역에서 진동이 증폭되기도 하였다.

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Figure 4.

Floor vibration due to vehicle (acceleration-time data)

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Figure 5.

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

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Figure 6.

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

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Figure 7.

Floor vibration due to washing machine (1/3 octave band frequency analysis)

진동원이 세탁기 작동인 경우, 진동 측정 시 세탁기 작동 시간 동안 인접 도로를 주행하는 차량 통제가 불가하여 차량 주행의 영향이 일부 포함되었다. 외부 차량 주행의 영향을 제외하고 세탁기 작동만 영향을 미치는 바닥진동은 중심주파수 12.5 Hz, 25 Hz 및 50 Hz 대역에서 유의미한 진동이 발생하며, 특히 탈수 동작에서 중심주파수 25 Hz 대역에서 진폭이 증폭되는 현상이 나타났다.

엘리베이터 운행으로 발생하는 바닥진동은 10 Hz ~ 30 Hz 사이의 광대역 진동수 대역에서 영향을 미친다. 외부 차량 주행의 영향이 없는 구간에 대한 분석 결과 특히 25 Hz 대에서 진동 진폭이 증대되는 현상을 보였다.

라멘형 적층식 모듈러 공동주택에서 차량 주행, 세탁기 작동 및 엘리베이터 운행으로 발생하는 바닥진동 측정 결과를 진동원별 지배진동수 대역의 중심진동수와 방향별 최대가속도수준으로 Table 4에 정리하였다.

Table 4. Test result

Vibration source Dominant frequency [Hz] Peak acceleration [cm/s2]
z-axis x, y-axis
Vehicle 12.5 1.082 0.858
Elevator 25 0.051 0.015
Washing machine 25 0.061 0.034

바닥진동 평가

Figure 5 ~ Figure 7 및 Table 4에서 대상 모듈러 주택에 영향을 미치는 주 진동원은 차량 주행임을 알 수 있으며, 이는 Table 1의 사전 설문 조사 결과 거주자의 추정 결과와 일치한다. 차량 주행으로 발생하는 바닥진동의 수준을 평가하기 위하여 Figure 5를 Figure 3의 ISO 10137 평가 기준과 비교하였다. Figure 8에서 차량 주행으로 발생하는 바닥진동 수준은 ISO 10137 기본곡선의 138%에 해당하나 주거지역 권장가중계수를 적용한 경우 낮시간대 허용값의 62%, 밤시간대 허용값의 99%로 기준선 이하 수준이다.

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Figure 8.

Evaluation of floor vibration due to vehicle for modular house to ISO curve

해석 연구

모드해석 결과

국내 라멘형 적층식 모듈러 주택의 동특성을 파악하기 위해서 유한요소 해석을 추가하였다. 단위 세대에 대한 모드해석 결과 모듈러 주택 단위세대에서 침실 바닥진동에 영향을 미치는 모드의 진동수 및 모드형상은 Figure 9와 같다. 단위세대 바닥의 1차 및2차 모드의 진동수가 6.8 Hz와 12.7 Hz이고 3차와 4차 모드의 진동수가 20.3 Hz 및 25.2 Hz로 Table 4의 차량 주행이 바닥의 1 ~ 2차 모드에 영향을 미치고, 세탁기 작동 및 엘리베이터 운행은 3 ~ 4차 모드에서 영향을 미치는 것으로 분석된다.

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Figure 9.

Modal analysis result

대상 모듈러 주택은 추정 진동원에 대한 진동측정・평가 결과 ISO 10137 주거 기준 이하를 보이고 있으나 1차 진동수가 수직진동에 대한 인체 민감도가 높은 4 ~ 8 Hz 범위에 있으므로 바닥진동에 대한 사용성 문제가 발생할 가능성이 있는 것으로 판단된다.

결 론

본 연구에서는 진동측정과 모드해석을 이용하여 국내 새로이 시도하고 있는 적층식 모듈러 공동주택을 사용성, 특히 바닥진동에 대한 사용성 측면에서 검토하였다.

우선 거주자를 대상으로 설문 조사를 실시하여 대상 모듈러 주택에서 바닥진동 인지 여부와 주요 진동원을 파악하였다. 설문 조사 결과 일부 세대에서 진동을 인지하고 있었고, 외부 차량 주행과 이웃 세대에서 작동하는 세탁기 및 엘리베이터 운행을 진동원으로 추정하고 있었다.

대상 모듈러 주택 침실 중앙에서 설문 조사 결과로 특정된 진동원이 유발시키는 바닥 진동을 측정한 결과 외부 차량 주행이 주 진동요인으로 판단되며, 이는 거주자의 추정 결과와도 일치한다. 차량 주행에 의한 바닥진동은 수직방향 최대가속도가 1.082 cm/s2으로 ISO 10137 기본곡선은 상회하지만 주거지역에 대한 기준 곡선은 만족하는 수준이다.

단위 세대 모듈에 대한 모드해석 결과 바닥진동에 영향을 미치는 모드형상은 1~4차 모드로 1차 모드 진동수는 6.8 Hz, 2 ~ 4차 모드 진동수는 각 12.7 Hz, 20.3 Hz, 25.2 Hz 이다.

바닥진동 측정 결과에서 외부차량 주행은 1/3 옥타브밴드 대역의 중심진동수 12.5Hz 대역에서 지배적 거동을 보이는데, 이는 단위세대 모듈 바닥의 1 ~ 2차 모드에 영향을 미치기 때문으로 판단된다. 한편, 세탁기 및 엘리베이터 운행은 10 ~ 30 Hz 사이의 광대역 진동수 대역에서 바닥진동에 영향을 미치며, 특히 25 Hz 대에서 진동 진폭이 증대되는 현상을 보이는데, 이는 세탁기 작동 및 엘리베이터 운행이 단위세대 바닥의 3 ~ 4차 모드 거동에 주로 영향을 미치기 때문인 것으로 판단된다.

대상 모듈러 주택은 추정 진동원에 대한 진동측정・평가 결과 ISO 10137 주거 기준 이하를 보이고 있으나 1차 진동수가 수직진동에 대한 인체 민감도가 높은 4 ~ 8 Hz 범위에 있고, 주 진동원으로 추정되는 외부 차량 주행 시 1 ~ 2차 진동모드에 영향을 미치므로 바닥진동에 대한 사용성 문제가 발생할 가능성이 있는 것으로 판단된다.

Acknowledgements

본 연구는 2019년도 국토교통과학기술진흥원 국토교통기술촉진사업 “모듈러 실증사업 POE를 통한 성능 경제성 향상 방안연구” 연구비 지원에 의한 결과의 일부임. 과제번호:19CTAP-C142670-02.

References

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Lee, M.J., Han, S.W. (2014). Investigation for the Characters of Human Perception Level according to Acceleration Value Parameters. Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, 24(9), 731-740.
10.5050/KSNVE.2014.24.9.731
3
Lee. M.J. (2016). Vibration Test to Figure out the Characteristics of Floor Vibration and Floor Impact Noise in Apartment building. Proceeding of Architectural Institute of Korea, 36(1), 309-310.
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6
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