Research Article

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. 30 December 2023. 400-410
https://doi.org/10.22696/jkiaebs.20230034

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 연구방법

  •   실험범위

  •   측정방법 및 실험장비

  •   분석방식

  • 측정 결과

  •   시공법에 따른 차음성능

  •   차음성능-기밀성능간 관계

  • 논 의

  • 결 론

서 론

2020년 인구주택 총조사에 따르면 국내 전체 주거의 약 78.7%가 아파트, 연립주택, 다세대 주택 등의 공동주택 형태로 구성되어 있다. 이러한 주택 구조는 건물의 벽, 복도, 계단 및 기타 시설을 세대 간에 공동으로 사용하게 되므로 층간 및 세대 간 소음에 재실자가 노출되기 쉬운 상황이다. 이러한 소음문제 중 층간소음은 「공동주택 층간소음의 범위와 기준에 관한 규칙」과 같은 법규가 명시되어 있지만, 세대 간 경계벽에서 발생하는 소음과 관련된 논의는 미흡한 실정으로 재실자의 부주의를 원인으로 보는 경향이 있다(Hwain, 2017). 그럼에도 공동주택 125세대 대상으로 자체적으로 시행한 설문조사 결과에 따르면 재실 공간에서 느끼는 소음원 중 층간소음과 복합소음을 제외한 실내·외 공기전달소음이 40%에 달함을 파악할 수 있다(Figure 1).

이와 함께 공동주택 소음저감을 위한 대책은 활발히 논의되고 있으나, 이 중 경계벽과 관련된 소음저감방안의 논의는 찾아보기 힘든 실정이다. Kim (2020)은 기존 완충재를 활용한 뜬바닥 공법의 시공·비용 한계를 극복하기 위해 스파이럴 트랩형 흡음재, 마이크로타공형 흡음재, 멤브레인형 흡음재를 통한 저주파 천장 흡음재 기술을 개발한 바 있다. Chung (2023)은 소수선 공법을 통해 기존 공동주택의 층간소음 저감을 위해 바닥 마감재 개선 및 상부 층간 소음매트를 활용한 바닥충격음 성능개선 연구를 수행하고 있다. Nam et al. (2022)은 공동주택 층간소음 저감 위해 능동소음제어 데이터 수집 시스템을 활용하여 층간소음 슬래브 진동 및 실내 소음을 계측하였으며, 능동제어를 통해 저주파 영역에서 6 dB 이상의 소음저감을 확인하였다. Choi et al. (2018)은 공동주택 바닥충격음 문제 해결을 위해 4가지 완충재를 건조상태에 따라 물성 평가를 비교한 바 있다.

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Figure 1.

Indoor Noise Source Survey Results

한편, 공기전달소음과 건축물 기밀성능 간의 연관성이 있음이 밝혀지고 있으나, 아직까지 세대 간 경계벽의 기밀성능을 저감시키는 요소별로 차음성능 변화를 평가한 연구는 찾아보기 힘들다. 건축물에서 기밀성능은 건물 내·외부간 공기가 누출되거나 유입되지 않는 것을 의미하며, 기밀성능과 관련하여 Shin et al. (2010)Hong et al. (2013)은 배관, 전기, 설비요소가 기밀성능에 끼치는 기여도를 파악하는 연구를 수행하였다. 이러한 연구는 공간의 기밀성능 예측 및 기밀성능 향상을 위한 시공디테일 개발 등의 연구로 이어질 수 있다는 점에서 중요성을 가지고 있다. 공기가 전달경로인 소음 또한 기밀성능 개선을 통해 함께 향상되지만, 현재까지는 창호 외 기밀저감요소(배관, 설비, 벽체 매입요소 등)에 대한 평가로 확장되지 않고 있다. Lee et al. (2014)은 창호의 기밀성능과 차음성능 간의 관계를 창틀재질별로 확인하였으며, 그중 한식 창호의 목조창에서 기밀성능과 차음성능 간의 연관성을 확인하였다. Park and Kim (2015)은 창호에 기밀 자재를 통한 소수선 공법만으로도 기밀성능이 2등급 향상되고 차음성능이 2 ~ 10 dB 향상됨을 확인하였다. Park et al. (2013)은 공동주택에서 창호의 밀봉여부에 따른 차음성능변화를 측정을 통해 두 성능은 역관계에 있음을 확인하였으나, 실외 기상조건의 영향이 고려되지 않아 추가연구가 필요하다는 한계를 가지고 있다. Varshney et al. (2013)는 건축자재에 임의의 구멍을 뚫어 기밀성능과 차음성능이 4차 곡선형태로 연관됨을 확인하였으나, 실제 건축물 요소를 측정하지 않은 한계가 있다.

따라서 본 연구에서는 세대 간 경계벽에서 확인되는 배관 2종과 벽체 매입요소 3종을 선정하고, 요소별 시공법에 따른 기밀 및 차음성능을 측정하여 그 관계성을 파악하고자 하였다. 이를 위해 단열재를 시험판으로 선정하여 배관 및 벽체 매입요소를 모사할 수 있도록 하였으며, 일반시공과 기밀시공에 따른 시험판의 기밀성능과 차음성능을 측정하여 상관관계를 통계적으로 분석하고자 하였다.

연구방법

실험범위

연구 수행에 앞서, 단열재를 시험판으로 선정하여 총 5개의 배관 및 벽체 매입요소를 시공하였으며 Figure 2과 같이 음원실과 수음실을 구성하고 배관 및 벽체 매입요소별 일반시공과 기밀시공을 수행하였다. 단열재는 건축물의 외벽과 함께 세대 간 벽에서도 차음성능 및 시공성을 위해 널리 사용되고 있으므로(Park, 2006), EPS 1종 4호 100T단열재를 세대 간 벽체 면을 대신할 수 있는 시험판으로 선정하였다. 시험판 위치는 단열재판의 기밀성능 저감이 가장 적게 발생하도록 단열재 재단 및 이음이 최소화 되는 장소를 물색하였으며, 결론적으로 단열재판 온장(900·1,800 mm)과 크기가 흡사한 내벽 문(900·2,100 mm) 이 시험위치로 선정되었다. 시험위치에 단열재판을 끼워 넣은 뒤 차음성능과 기밀성능을 최대한 확보하기 위해 모서리를 연질폼으로 보강하였다. 이후 시험판에 일반적인 주거공간에서 Table 1과 같이 기밀시공이 미흡하다 판단되는 배관(함석배관, 단열배관)과 벽체 매입요소(스위치 2구, 스위치 4구, 분전반)를 적용하였으며, 일반시공과 기밀시공이 모사되었다. 여기서 일반시공은 배관 및 벽체 매입요소의 크기에 맞춰 열선절단기로 단열재 시험판을 재단하고, 그 위치에 배관 및 벽체 매입요소를 올려둔 것을 의미한다. 반면, 기밀시공은 연질폼으로 시험판과 배관 및 벽체 매입요소 간의 틈새가 없도록 주변을 모두 메운 것을 의미한다. 이때 연질폼은 Tiger사의 수성연질폼이 사용되었으며, 폼건을 활용하여 시험판-배관 및 벽체 매입요소 간의 안쪽 틈새부터 폼이 채워져 시험판 바깥까지 부풀어 오를 정도로 충분히 뿜칠 하였다. 기밀시공의 차음 및 기밀성능 측정은 뿜칠 후 연질폼의 겉면이 굳을 때까지 10분간 대기 후 수행되었다.

Table 1.

Frequently observed construction photos featuring piping, switches, panel board

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(a) Pipe (b) Switch (c) Panel Board

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Figure 2.

Test environment diagrams and photos

측정방법 및 실험장비

차음성능 측정은 KS F 2235 현장평가기법 중 부재법을 기반으로 수행되었다. 음원실의 스피커와 EPS 단열재 시험판 사이 간격은 5 m, 수음실과 음원실에 위치하는 마이크로폰은 단열재와 1 m로 설정하였으며, 이는 Figure 2에서 확인할 수 있다. 스피커는 Solid-Acoustics사의 12면체 무지향성 스피커 SA-355SN가 사용되었고, Pro-main사의 MP 50B앰프에 연결하여 소음을 구현하였다. 수음실와 음원실의 마이크로폰은 모두 1/1옥타브 및 1/3옥타브 분석이 가능한 TES사의 1358C 모델이 사용되었다. 분석을 위해 수집된 음압데이터는 음원이 재생된 뒤 1분 30초간 측정 후 평균값이 로깅(logging)되도록 기기를 설정하였다. 장비들의 자세한 성능은 Table 2에서 확인할 수 있다.

또한, 시험판만의 기밀성능 변화값을 분석하기 위해 블로어도어(BlowerDoor)팬을 활용한 창호기밀시험을 변형하였다. 기밀성능을 측정하는 첫 번째 절차로 단열재 시험판 위에 비닐을 테이프로 빈틈없이 부착하였으며, 비닐 중앙에 열선풍속계의 공기투과면적부분과 흡사한 크기의 15 Ф 오리피스(orifice)를 만들어 누기풍속 배출을 유도하였다. 이후 블로어도어팬을 통해 실에 감압이 발생하도록 설정하고, 이때 오리피스를 통해 빠져나오는 풍속을 1분 30초간 측정하여 평균값을 도출하였다. 기밀성능은 누기풍량을 분석목적에 맞게 체적 혹은 길이로 나누는 값이다. ISO 9972로 대표되는 공간기밀성능 측정은 누기풍량을 공간의 체적으로 나눈 값을, KS F 2292와 같은 창호기밀성능 측정은 누기풍량을 창호면적으로 나눈 값을 기밀성능값으로 표기하고 있다. 즉 누기풍량을 측정하는 것이 기밀성능 측정의 목적이라 할 수 있으며, 누기풍량[㎥/h]은 누기면적[㎡]·풍속[m/s]로 측정된다. 이에 본 실험에서는 비닐의 누기면적인 오리피스의 면적이 일정하므로, 풍속변화률을 기밀성능변화률로 대체 가능하다 판단된다.

Table 2.

Specification of experimental equipment

Measurement Type Manufacturer Model Specification
Sound insulation
performance
Speaker Solid
-Acoustics
SA-355SN - Sensitivity : 83 dB
- Maximum out put : 95 cB
- Outside dimension : W170·D170·H170 (mm)
Amplifier Pro-main MP 50B - Output Power : 80 W
- Signal to Noise Ratio :95 dB(A)
- Frequency Response : 20 Hz ~ 20KHz
Microphone TES 1358C - Measurement range
: 25 dB ~ 130 dB
: 1/1 and 3/1 Octave band
- Resolution : 0.1 dB
Airtightness Thermal Mass Flow
Meter
Testo 405i - Measurement range
: Temperature : -20℃ ~ 60℃
: Wind speed : 0 m/s ~ 30 m/s
- Resolution
: Temperature : 0.1℃
: Wind speed : 0.01 m/s
BlowerDoor Fan Minneapolos Standard - Capacity : 19 ~ 7,200 ㎥/h @ 50 Pa
- Measuring accuracy
: With open fan, rings A – C (flow rate approx.80 –
7.200 m³/h) ± 4% of the reading

분석방식

시공법에 따른 차음성능

1/3 옥타브밴드 주파수별 음원실-수음실간 음압저감률을 산정하여, 배관 및 벽체 매입요소의 시공법에 따른 차음성능을 평가하였다. 일반적인 차음성능 시험이 90 dB이상의 음압을 가짐에 비해(Cha et al., 2003; Ryu et al., 2017), Figure 3에서 볼 수 있듯이 장비의 한계로 주파수별 음원실의 음압이 70 dB이하로 유지되었다. 이에 투과손실(transmission loss [TL])값을 통한 결과 분석 시 입사 음압이 높은 차수에서 TL값이 높게 나올 가능성이 크다 판단하였다. 이에 본 연구에서는 음압저감률을 사용하여 입사음압 차이가 있더라도 시험차수간 상호비교가 가능하도록 분석하고자 하였다. 음원실-수음실간 음압저감률(sound pressure reduction rate of sound source room and receiving room [SRR])은 ‘1-수음실음압/음원실음압’로 설정하였으며, 주파수별로 계산을 수행하였다.

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Figure 3.

Sound pressure measured by frequency in both the source room and receiving room under all condition

차음성능-기밀성능 간 관계

기밀시공에 따른 음압저감률차와 풍속저감률값 간의 관계를 피어슨상관계수(Pearson correlation coefficient [PCC])를 통해 분석하여, 기밀성능과 가장 밀접한 주파수를 도출하고자 하였다. 기밀시공에 따른 음압저감률차는 ‘(일반시공시 SRR) - (기밀시공시 SRR) [%p]’ 을 의미하며, 주파수별로 계산되었다. 기밀시공에 따른 풍속저감률은 ‘1-(기밀시공 시 풍속)/(일반시공 시 풍속)’을 의미한다. PCC는 요소 간의 선형적 관계를 파악하는데 사용되는 통계기법으로, 다음 식 (1)을 통해 계산된다.

(1)
PCC=(xi-x¯)(yi-y¯)(xi-x¯)2(yi-y¯)2

여기서 x와 y는 각각 기밀시공에 따른 음압저감률차와 풍속저감률을 나타낸다. i는 데이터 집합 수로, 본 연구에서는 함석배관, 단열배관, 스위치 2구, 스위치 4구, 분전반 총 5의 값을 갖는다. PCC의 결과 값은 -1과 1 사이의 값을 가지며, 1에 가까울수록 양의 선형 관계가 강하고, -1에 가까울수록 음의 선형 관계가 강함을 의미한다. 계산식에 의해 본 연구에서 도출된 주파수별 PPC값은 1에 가까울수록 차음성능향상과 함께 기밀성능 향상이 일어나는 것을 의미하며, -1에 가까울수록 차음성능 저감과 기밀성능 향상의 관계가 있는 주파수로 평가할 수 있다. PCC는 모든 주파수별로 계산하여 총 28개의 값을 도출하였으며, 이를 통해 각 주파수와 풍속저감률간의 선형관계 순위를 파악하고자 하였다.

측정 결과

시공법에 따른 차음성능

Figure 4에서 배관 및 벽체 매입요소 및 시공법에 따른 SSR을 확인할 수 있으며, 저주파수 영역에서 차이가 상대적으로 크게 발생하는 것을 확인할 수 있다. 배관요소와 벽체 매입요소별 분석내용은 다음과 같다.

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Figure 4.

SSR according to noise reduction factors and construction methods

배관요소

모든 배관에서 기밀시공 전 25 Hz의 저주파소음은 오히려 수음실에서 크게 들렸으며, 기밀시공 후 소음 차단율이 향상되었음을 확인할 수 있다. 함석배관의 일반시공 SSR은 25 Hz에서 –93%로 가장 낮고, 최고 수치는 63 Hz에서 50%로 나타났으며, 기밀시공 후에는 25 Hz에서 –25%, 63 Hz는 53%으로 차음성능이 동시에 향상되었음을 확인할 수 있다. 또한, 주파수별 평균 SSR값은 26.37%에서 28.00%으로 1.63%p 향상되었다. 단열배관도 마찬가지로 일반시공 SSR은 25 Hz에서 –44%로 가장 낮고 최고 수치는 63 Hz에서 53%로 나타났다. 기밀시공 후에는 25 Hz에서 50%, 63 Hz는 47%으로 향상되었으며, 주파수 평균 SSR값은 26.86%에서 28.53%로 1.67%향상됨을 확인하였다. 이를 통해 기밀시공 시 향상되는 차음성능은 두 배관에서 흡사하다 판단되며, 함석배관보다는 단열배관을 사용하는 기밀시공이 저주파소음 측면에서 유리할 것으로 판단된다.

벽체 매입요소

스위치의 경우 기밀시공으로 인해 오히려 25 Hz 차단률이 낮아졌으며, 분전반은 배관요소와 흡사한 차음성능 개선 양상을 띠었다. 스위치 2, 4구의 일반시공 SSR은 25 Hz에서 –5%, - 8%로 가장 낮고, 최고 수치는 63 Hz에서 52%, 57%로 나타났으다. 기밀시공 후에는 25 Hz에서 –60%, –73%, 63 Hz는 50%, 51%으로 일반시공 대비 차음성능이 동시에 저하되었음을 확인할 수 있었다. 주파수별 평균 SSR값은 2구가 28.17%에서 27.75%로 0.14%p 저감, 4구가 29.13%에서 25.39%로 3.73% 저감되었다. 반면, 주파수 중 500 Hz 이상의 평균 SSR값은 2구가 0.45%p, 4구가 2.05%p 향상되어, 중고주파 부분에서의 차음성능 향상은 이루어졌음이 확인되었다.

분전함은 일반시공 SSR이 25 Hz에서 –172%로 가장 낮고 최고 수치는 63 Hz에서 54%로 나타났으며, 기밀시공 후에는 25 Hz에서 -39%로 향상, 63 Hz는 52%로 저감되었으나, 주파수 평균 SSR값은 24.20%에서 27.31%로 3.11%향상됨을 확인하였다.

차음성능-기밀성능간 관계

Table 3를 통해 차음성능과 기밀성능간의 관계를 파악하기 위해서는 음압평균값이 아닌 주파수별 분석이 필요함을 알 수 있다. 기밀시공에 따른 주파수 전체의 음압저감률 차와 풍속저감률값 간의 증감추이가 맞지않을뿐더러, 변화폭 또한 관계가 크지않아 PPC = 0.489로 평가되었다.

Table 3.

Airtightness·sound pressure average value, and increase/decrease trend by test case

Type Pressure of
space [Pa]
Construction Wind Speed [m/s] Average of SSR for All Frequency
Tin Pipe 35 General 7.20 26.37%
Airtight 6.45 28.00%
- 1-(6.45/7.2) = 10.42% 26.37 – 28.00 = -1.63%
Insulated Pipe 20 General 7.78 26.86%
Airtight 5.38 28.53%
- 1-(5.38/7.75) = 30.85% 26.86 – 28.53 = -1.67%
2-Prong Switch 25 General 7.36 28.17%
Airtight 2.23 27.75%
- 1-(2.23/7.36) = 69.70% 28.17 – 27.75 = 0.41%
4-Prong Switch 20 General 7.49 29.13%
Airtight 2.19 25.39%
- 1-(2.19/7.49) = 70.76% 29.13 – 25.39 = 3.73%
Panel Board 20 General 7.72 24.20%
Airtight 2.88 27.31%
- 1-(2.88/7.72) = 62.69% 24.20 – 27.31 = -3.11%

Note. SSR: sound pressure reduction rate of sound source room and receiving room

한편, 기밀시공에 따른 주파수별 음압저감률차와 풍속저감률값간의 PPC값을 Figure 5에서 확인할 수 있으며, 중·고주파영역대의 차음성능은 기밀성능과 관계성이 짙고, 저주파와 중·고주파 각각이 기밀성능에 끼치는 영향은 상반됨을 확인할 수 있다. 총 28개의 주파수 중 PCC 절대값이 큰 1 ~ 5 순위는 315 Hz ~ 2,000 Hz에 위치하는 400 Hz, 1,250 Hz, 315 Hz, 1,600 Hz, 2,000 Hz순으로 평가되었다. 이 순위에서 PCC값은 모두 음수로, 해당 주파수대역에서는 차음성능이 저감될수록 기밀성능값이 향상됨을 의미한다. 반면, 20 Hz ~ 200 Hz의 저주파음역에서는 PCC가 양수값으로 나타나 차음성능과 기밀성능의 향상이 동일하게 발생되었음을 의미하지만, 그 순위가 중·고주파보다는 낮음을 볼 수 있다. 종합적으로, 공기전달소음의 차음성능을 통한 기밀성능 분석 및 예측에는 315 Hz ~ 2,000 Hz의 중고주파 영역을 활용하는 것이 바람직하며, 기밀성능 향상시공법은 200 Hz 이하의 저주파소음 저감에 도움이 될 것으로 판단된다.

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Figure 5.

PCC value between SSR difference by frequency and wind speed reduction rate

논 의

본 논문에서는 EPS단열재를 시험판으로 하여 배관 및 벽체 매입요소의 일반시공과 기밀시공을 모사하였으며, 음원실과 수음실에서 1/3옥타브 주파수별 음압을 측정하고 배경판의 기밀성능을 풍속값으로 측정하였다. 한편, 재실공간의 벽은 실험대상으로 삼은 EPS단열재 시험판보다 크고, 배관 및 벽체 매입요소가 복합적으로 적용되어있는 실정이다. 또한, 음원실의 음압한계가 70 dB로 소음평가 시 사용되는 음원보다 상대적으로 작고, 특히나 저주파 음역대에서는 그 한계가 두드러지므로 결과값 해석 시 주의가 필요하다. 이에 추후 연구로써 실제 재실공간을 대상으로 배관 및 벽체 매입요소의 종류와 개수를 파악한 뒤 차음성능을 측정하는 후속연구가 필요하다 판단된다.

결 론

본 연구는 배관 및 벽체 매입요소 5개를 활용하여, 일반·기밀 시공법에 따른 차음성능 변화와 차음성능-기밀성능 간 관계를 1/3옥타브 주파수별 분석을 통해 설명하였다.

시공법에 따른 분석을 통해 500 Hz 이하 저음역 주파수에서 일반시공과 기밀시공으로 인한 차음성능 차이가 큰 것을 확인하였으며, 25 Hz와 63 Hz에서 SSR의 최고값과 최소값이 모든 배관 및 벽체 매입요소적용에서 공통적으로 나타남을 볼 수 있었다. 5개 중 3개 요소(함석배관, 단열배관, 분전함)는 기밀시공을 통해 차음성능이 향상되었으나, 스위치 2구 및 4구의 경우 이와 반대로 기밀시공으로 인해 차음성능이 저감된 결과가 나타났다. 이에 배관 및 벽체매입요소별로 기밀시공법을 달리 적용되는 것이 필요하며, 이를 통한 기밀 및 차음성능의 동시향상을 달성할 수 있는 부위별 디테일개발이 필요할 것으로 판단된다.

차음성능-기밀성능 간의 관계 분석에서는 기밀성능을 통해 200 Hz 이하의 저주파 차음성능은 기밀성능과 정비례하는 관계에 있으며, 315 Hz ~ 2,000 Hz의 중고주파 영역은 차음성능은 기밀성능이 반비례하는 특징이 있으나 비례정도가 높음을 도출하였다. 이를 통해 중·고주파 영역은 기밀성능의 분석 및 예측에 활용가능할 것으로 평가되었다.

Acknowledgements

본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원의 지원으로 수행되었음(과제번호 RS-2022-00144050).

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