공동주택 현장 측정 데이터 기반 중량충격음 차단성능 편차 분석

1. 서 론

건축물의 음향성능은 실내 생활환경과 거주자의 만족도에 직접적인 영향을 미친다^(1,2). 특히 바닥충격음은 공동주택의 대표적인 소음원으로 거주자 간 갈등을 유발하는 주요 요인으로 지적되어왔다^(3,4). 이에 다양한 국가에서 바닥충격음 차단성능 향상을 위한 음향 분류체계를 도입 및 개정하고 있다. 국내에서는 대다수가 공동주택에서 생활하는 주거특성을 반영하여 상대적으로 엄격한 성능기준 및 규제를 적용하고 있다. 최근에는 준공 이후 현장에서 바닥충격음 차단성능을 측정하여 등급을 판정하는 ‘바닥충격음 차단성능 사후확인제도’(이하 사후확인제도)가 시행되면서 관리체계가 더욱 강화되었다. 그러나 대다수의 국내 공동주택 구조형식인 벽식구조는 고밀도 주거에 유리하지만, 바닥슬래브 및 벽체를 통한 구조전달음에는 취약한 특성을 가진다^(5,6). 이에 동일한 설계요소를 적용한 단일 단지 내에서도 세대별로 상이한 민원이 빈번히 발생하고 있다. 이는 실제 현장에서 발생하는 바닥충격음 차단성능 편차를 일관되게 통제하기 어렵다는 점을 보여준다.

국내 공동주택의 바닥구조는 바닥난방을 고려한 습식구조에 시공 특성상 동적 강성(dynamic stiffness), 면적당 질량(mass per area) 등에 물성치를 모든 세대에서 동일하게 확보하기는 현실적으로 어렵다. 이로 인해 동일 설계를 적용하더라도 세대 간 성능 편차가 나타나며⁽⁷⁾, 특히 바닥충격음 차단성능에서는 저주파수 대역에서 발생하는 편차로 인해 상대적으로 경량충격음보다 중량충격음에서 뚜렷하게 나타난다. 아울러 구조적 조건과 재료 특성 및 시공 상태, 실내 환경 요소 및 측정 장비 등에 따라 측정 결과값의 편차가 나타나는 특성이 있다^(8~14).

최근 연구결과에 따르면, 동일한 바닥구조를 적용한 공동주택 내에서도 차단성능 편차가 크게 나타난다는 결과들이 보고되었다. Shin et al.은 동일 건물 내에서 중량충격음 차단성능을 평가하였고, 공간적인 요인에 따라 성능 편차가 발생한다는 결과를 제시하였다⁽¹⁵⁾. 또한 Lee et al.은 실험실 실험을 통해 평가된 바닥구조에 대한 바닥충격음 차단성능이 현장 평가 시 낮아질 수 있음을 지적하였다⁽¹⁶⁾. 이러한 바닥충격음 차단성능 편차와 차이는 거주자에게 신뢰성 저하와 만족도 저해로 이어질 수 있다. 그러나 현재까지의 연구에서는 단일 단지 및 소규모 표본을 대상으로 수행된 연구들이 대다수임에 실태 파악에 한계가 있을 것으로 판단된다^(5~16). 이에 현장에서 나타나는 중량충격음 차단성능의 편차는 사후확인제도에 따른 기준만족 여부 평가와 거주자들에 실생활에 영향을 미칠 수 있는 요인임에 따라 실태에 대한 명확한 인지가 필요할 것으로 판단된다.

따라서, 이 연구에서는 공동주택 현장에서의 중량충격음 차단성능 편차와 편차에 따른 영향에 대해 분석하였다. 이를 위해 준공 시점에 공동주택 7개 단지, 총 199세대를 대상으로 현장 중량충격음 차단성능 측정을 수행하였다. 고무공 충격원을 이용해 중량충격음 레벨을 정량적으로 측정하고, 이를 바탕으로 실제 현장에서 나타나는 중량충격음 차단성능 편차실태와 경향을 분석하였다.

2. 연구 방법

2.1 연구 개요 및 측정 대상 공동주택 현장

이 연구에서는 이전 선행연구들의 범위를 확장하여^(5~16) 현장의 중량충격음 차단성능의 편차 실태와 영향을 검토하고자 하였다. 특히 사후확인제도의 특성을 고려하여 설계 단계의 요인이 아닌, 시공 완료단계인 준공 시점에서 파악 가능한 공간적인 요인을 변수로 설정하였다. 구체적으로 바닥충격음 차단성능을 측정하는 준공 시점에 파악할 수 있는 공간적인 요인은 평면 크기, 층수, 세대 위치를 변수로 설정하였으며, 이에 따른 바닥충격음 차단성능의 단일수치평가량을 종속변수로 설정하여 분석을 수행하였다. 아울러 공동주택 현장에서의 바닥충격음 차단성능 편차가 실제 검사 판정 결과에 미치는 영향을 정량적으로 평가하였다. 이에 바닥충격음 차단성능 검사에 활용되고 있는 바닥충격음 차단성능 검사 매뉴얼을 기반으로 영향을 분석하였다⁽¹⁷⁾.

이에, 이 연구에서는 실험적 관점으로 준공 시점 공동주택 현장 7개 단지, 총 199세대를 섭외하여 중량충격음 차단성능을 측정하고 성능 편차에 대하여 중점적으로 분석하였다. Table 1을 통해 측정을 수행한 대상 공동주택에 대한 상세 내용을 정리하여 나타내었다. 측정 대상 공동주택 현장은 현행 기준인 사후확인제도 대상 현장에 포함되지 않는다. 그러나 공동주택 현장의 중량충격음 차단성능 수준과 편차를 파악하기 위해 선정하여 측정하였다. 각 단지에서 측정세대의 선정은 현장 여건을 고려하여 단지별 약 10세대 ~ 30세대를 선정하였다. Fig. 1과 같이 바닥구조는 콘크리트 슬래브 210 mm 위에 완충재 30 mm(EPS, EVA), 경량 콘크리트 40 mm, 마감 모르타르 40 mm로 구성된 뜬바닥구조에서 측정을 수행하였다. 이는 모든 단지에 공통 적용된 바닥구조이지만, 시공 시점 및 관리 상태와 현장 여건 등은 단지와 세대별로 상이하였다. 소형 평면조건인 G 현장은 평천장 구조, 이외의 현장에서는 우물천장 구조로 시공된 조건에서 구성되었다. 준공 시점이기에 바닥마감재, 방화문 등의 세대 마감이 진행된 조건에서 측정을 수행하였다.

Table 1

Overview of measurement sites and buildings

Fig. 1

Cross-sectional view of the floor structure at the measurement site (resilient material; site A ~ site C: EVA, site D ~ site G: EPS)

3. 결 과

3.1 공동주택 현장별 중량충격음 차단성능

준공 시점 공동주택 7개 단지(site A ~ site G), 총 199세대에서 수행한 중량충격음 차단성능 측정결과를 분석하여 단지별 성능수준과 동일 단지 내 세대 간 편차를 비교하였다. 각 단지의 중량충격음 차단성능을 단일수치평가량 기준으로 분석한 평균값, 표준편차, 최대·최소값 및 변동계수(coefficient of variation, CV)를 Table 2에 나타내었다. Fig. 2는 각 단지 내 측정 세대들의 평균 주파수대역별 최대 바닥충격음 레벨과 표준편차, A-가중 최대 바닥충격음 레벨을 나타낸 것이다.

Table 2

Statistics and coefficient of variation (CV) of single-number quantity by site [unit: dB, %]

Fig. 2

Heavy-weight floor impact sound insulation performance by measurement site

Table 2와 같이, 측정된 전체 단지의 평균 중량충격음 차단성능은 47.6 dB ~ 50.4 dB 범위로 나타났다. 동일한 바닥구조 설계를 적용한 단지 내에서도 최소 약 3.1 dB 이상의 중량충격음 차단성능 차이(△Max-Min)가 확인되었고, E 단지에서 측정된 중량충격음 차단성능은 최소 43.6 dB에서 최대 51.9 dB로 분석되어 8.3 dB의 가장 큰 편차가 나타나는 것으로 분석되었다. 단지별 차단성능 표준편차는 0.8 dB ~ 2.2 dB 범위에 분포하였고, 단지 내부의 성능 변동성을 나타내는 변동계수는 E 단지(CV = 4.3 %)와 F 단지(CV = 3.8 %)에서 상대적으로 큰 값이 나타나 세대 간 성능 편차가 크게 분포하고 있음을 확인할 수 있었다. 반면 G 단지(CV = 1.5 %)는 변동계수가 가장 낮아, 세대 간 성능편차가 작고 상대적으로 일정한 수준의 성능이 나타나는 것으로 분석되었다. 그러나 전체적으로 각 단지에서 약 3.1 dB ~ 8.3 dB의 성능 편차가 관찰되어, 동일한 설계를 적용하더라도 시공 상태나 세대 조건에 따른 성능 변동성이 존재함을 확인할 수 있었다. 이러한 경향은 Fig. 2의 주파수대역별 결과에서도 일관되게 나타났다. 상대적으로 단지별 400 Hz 이상 주파수대역에서 편차가 높게 평가되었으나, 이러한 편차는 현장의 측정환경에 따라 발생한 배경소음에 영향일 것으로 판단된다. 그러나 중량충격음의 충격력 특성이 지배적인 저주파수 대역에서도 편차가 나타나는 것으로 분석되었으며, 특히 E 현장에서는 160 Hz 이하 주파수대역에서 큰 편차가 확인되었다. 또한 이외 현장에서도 동일한 설계를 적용하였음에도 불구하고 세대 간 주파수대역별 편차가 발생하는 것으로 분석되었다.

3.2 공간적 요인별 중량충격음 차단성능 편차

공간적 요인에 따른 단지별 중량충격음 차단성능 편차를 확인하기 위해 측정을 수행한 각 단지 내에 평면조건, 층수, 세대 위치를 공간적 요인으로 구분하여 분석하였다. Table 3에서는 설정한 공간적 요인에 따른 분산의 동질성을 다각도로 검증하기 위해 Levene’s test와 Bartlett’s test를 활용하여 각 요인별 그룹 간 분산의 동질성 여부를 통계적으로 검정하였다. 두 검정 모두 p-value가 0.05 미만인 경우를 유의 수준으로 판단하였으며, 해당 요인에 따른 분산 차이가 통계적으로 유의미한지를 평가하였다.

Table 3

Levene’s and Bartlett’s tests for homogeneity of variance by site and spatial factor

각 단지 내 공간적 요인별 중량충격음 차단성능 분산 동질성을 분석한 결과, 대다수 단지에서 p-value가 0.05 이상으로 분석되어 공간적 요인에 따른 분산 차이가 통계적으로 유의하지 않은 것으로 확인되었다. 특히 F 단지는 Table 2와 같이 상대적으로 높은 표준편차 및 중량충격음 차단성능 차이(△Max-Min)가 확인되었지만, 분산 동질성 검정의 p-value는 0.05 이상으로 분석되었다. 이는 각 단지 내에서 발생하는 중량충격음 차단성능의 편차가 특정 공간적 요인에 편중되지 않고 측정된 세대에서 유사한 수준으로 분포하고 있음을 의미한다. 그러나 일부 단지에서는 특정 요인에 따른 유의한 차이가 있는 것으로 분석되었다. C 단지와 E 단지에서는 층수에 따른 Levene’s test의 p-value가 각각 0.02, 0.00으로 나타나 성능 분산이 통계적으로 유의한 수준의 차이를 보이는 것으로 분석되었다. B단지의 경우 평면조건에 대한 Bartlett’s test에서 p-value가 0.01로 분석되어 유의한 수준의 차이가 나타나는 것으로 분석되었다. 이와 같이 대다수 단지에서 공간적 요인에 따른 분산의 동질성이 확인된 결과는, 중량충격음 차단성능의 편차가 특정 공간적 요인에 편중되지 않고 단지 전반에 걸쳐 확률적으로 고르게 분포하고 있음을 나타내는 결과로 판단된다. 그러나 일부 단지에서 확인된 통계적 유의성은 선행 연구들의 결과와 마찬가지로 공간적 요인이 변수가 되어 성능편차를 높게 할 잠재적 요인이 될 수 있을 것으로 사료된다⁽¹⁵⁾.

3.3 중량충격음 차단성능 편차에 대한 영향

선행연구와 앞선 분석을 통해 동일한 바닥구조를 적용한 세대 간에도 중량충격음 차단성능에 편차가 존재함을 확인하였다. 공동주택 현장에서 발생하는 중량충격음 차단성능 편차는 사후확인제도에 따른 실제 성능검사 결과에 직접적인 영향을 있을 것으로 판단된다. 이에 준공 시점 현장의 측정 데이터를 기반으로 중량충격음 차단성능 편차가 성능검사 결과에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다. 이를 위해 준공 현장 7개 단지, 총 199세대의 중량충격음 측정결과를 하나의 단지로 가정한 후, 사후확인제도에 따른 성능검사 검증 절차를 수행하였다. 분석에 앞서 전체 단지의 중량충격음 차단성능측정결과에 대한 정규성 검정을 수행하였고, Fig. 3과 같이 측정을 수행한 7개 단지의 총 199세대에 중량충격음 차단성능 분포는 정규분포의 형태를 띄고 있었다. 아울러 Table 4와 같이 정규성 검정(Shapiro-Wilk 및 Kolmogorov-Smirnov) 결과에서도 정규성을 만족하는 것으로 분석되어, 성능검사 기반의 표본 추출을 수행하였다. 성능검사를 위한 표본 추출은 부트스트랩 분석을 활용하여 수행하였으며, 현행 공동주택 바닥충격음 성능검사업무 매뉴얼에 의거한 2 %와 추가로 5 %를 선정하여 추출된 평균값을 계산하였다⁽¹⁷⁾. Fig. 4와 Fig. 5는 각각 전체 199세대 중 임의로 2 %, 5 %를 추출하여 평균값 산출하는 과정을 1000회 반복 수행하여 얻은 표본 평균의 분포를 나타낸 것이다.

Fig. 3

Distribution of single-number quantity in the measured apartments units

Table 4

Results of normality tests for the dataset

Fig. 4

Evaluation via random sampling of 2 % of measured apartments units

Fig. 5

Evaluation via random sampling of 5 % of measured apartments units

분석 결과, 전체 199세대의 중량충격음 차단성능 산술 평균값은 48.9 dB(단일수치평가량 기준 49 dB)로 기준을 만족하는 수준이었으나, Fig. 4와 같이 임의로 2 % 추출된 표본의 평균값은 최소 47.3 dB에서 최대 50.6 dB까지 넓은 범위에서 다양하게 나타났다. 이로 인해 성능검사 기준인 49 dB를 만족하는 비율은 약 49.2 %에 불과하였으며, 나머지 50.8 %는 기준을 초과하는 것으로 분석되었다. 임의로 5 % 추출한 표본의 평균값은 나타낸 Fig. 5에서는 최소 47.5 dB에서 최대 50.1 dB의 범위로 분포하였다. 전체 비율 중 64.4 %는 성능검사 기준인 49 dB를 만족하는 것으로 확인되었고, 나머지 35.6 %는 기준을 초과하는 것으로 분석되었다. 이러한 결과는 단지 전체의 평균 성능이 기준치 이내일지라도, 세대 간 성능 편차로 인한 표본 추출 결과에 따라 실질적인 기준만족 여부가 달라질 수 있는 불확실성이 있다고 판단된다. 따라서 세대 간 중량충격음 차단성능의 편차가 클 경우, 현장의 평균 성능이 기준을 만족하더라도 개별 샘플링 결과에 의해 단지 전체의 성능검사 결과가 기준 불만족으로 평가될 여지가 있을 것으로 사료된다.

4. 토 의

이 연구에서는 국내 공동주택 중량충격음 차단성능 현장 데이터를 기반으로 성능 편차와 편차에 대한 영향을 분석하였다. 동일한 설계요소를 적용한 공동주택 현장 내에서도 측정결과에서 최소 3.1 dB, 최대 8.3 dB에 중량충격음 차단성능 차이(△Max-Min), 즉 세대 간 편차가 존재하는 것으로 분석되었다. 측정된 데이터의 한계로 인해 편차 원인을 명확하게 규정하기는 어렵지만, 설계 및 구조, 시공 여건과 재료 등 다양한 요인에 의해 발생된 미세한 차이에 의해 최종적으로 도출된 결과로 판단된다. 또한, 일부 단지에서는 층수나 평면형태와 같은 공간적 요인에 따라 성능 분산이 통계적으로 유의미하게 달라졌다. 이러한 결과는 선행연구에서 제시한 공간적인 요인에 따라 유사성이 존재한다는 결과와 같이 동일 설계조건이라도 수평적·수직적 위치에 따라 구조적 경로, 하중 분포, 슬래브 지지 조건이 달라질 수 있으며⁽¹⁵⁾, 이러한 차이가 전체적인 공동주택 단지의 중량충격음 차단성능 편차에 영향을 줄 수 있음을 보여준다. 그러나 편차 원인을 확인하지 못한 이유와 마찬가지로, 준공 시점 현장의 측정 여건을 고려하여 확보된 한정된 표본의 측정 데이터이므로 공간적 요인에 따른 중량충격음 차단성능 특성과 분산 동질성 검정에 명확한 인과관계 파악이 어렵다는 한계가 존재하였다. 따라서 변수 간 영향요인을 제어한 후속 연구를 통해 공간적 요인과 바닥충격음 차단성능의 상관관계를 분석하는 연구가 필요할 것으로 판단된다.

한편, 세대 간 성능 편차가 사후확인제도에 미치는 영향을 분석한 결과, 이 연구의 측정결과와 같이 전체 세대 평균 바닥충격음 차단성능(48.9 dB)이 기준을 충족하더라도 표본 추출 기반 성능검사에서는 부적합 판정이 발생할 수 있음이 확인되었다. 이는 현재의 평균값 중심의 평가방식이 단지 내 편차 및 변동성을 충분히 반영하지 못하며, 표본 크기와 추출 방식에 따라 평가 결과가 달라질 수 있는 구조적 한계를 내포하고 있음을 의미한다. 따라서 성능평가의 대표성과 신뢰성을 확보하기 위해서는 평균값뿐 아니라 세대 간 성능 분포와 편차를 함께 고려하는 평가체계 확보가 필요하다고 판단된다.

이 연구의 결과는 신축 공동주택 현장에서의 전체 세대 평균적인 중량충격음 차단성능을 향상시키는 것만큼 세대 간 성능 편차 관리에 중요성을 보여준다고 판단된다. 이는 설계 단계의 구조적 안정성 확보뿐만이 아니라, 시공 단계에서 바닥슬래브 평활도와 표면 정밀도 확보, 완충층에 대한 시공 및 물성관리, 자재의 일관성 확보 등에 요소가 실질적인 관리요인임을 시사한다고 사료된다^(11,14). 아울러, 준공 시점에 성능평가가 아닌 시공 단계별 성능 확인을 통한 영향요인 파악이 필요할 것으로 보인다. 이에 향후 연구에서는 설계와 시공 과정에서 성능편차를 유발하는 구체적 요인을 분석하고, 이를 개선하기 위한 데이터 기반의 설계와 시공 표준을 마련하는 것이 중요하다고 판단된다.

5. 결 론

이 연구는 국내의 준공 시점 공동주택 현장에서 수행한 중량충격음 차단성능 데이터를 분석하여 단지별 성능수준과 세대 간 편차를 분석하였다.

이 연구의 결과는 선행연구들의 결과와 마찬가지로 동일 단지 내에서도 중량충격음 차단성능 편차가 발생한다는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 편차는 설계, 시공, 및 현장 조건의 복합적 영향에 의해 나타날 수 있는 결과로 판단된다. 또한 일부 단지에서는 층수나 평면조건과 같은 공간적 요인에 따라 통계적으로 유의미하게 달라지는 것으로 나타났다. 이는 구조적 설계와 시공 품질 외에도 다양한 공간적 특성이 성능에 복합적으로 작용한다는 점을 보여주는 결과로 판단된다. 이러한 세대 간 성능 편차가 실제 사후확인제도의 평가 결과에 미치는 영향을 분석한 결과에서는 평균 성능이 기준을 만족하더라도 표본 추출에 의거한 성능검사에서는 성능 편차에 의해 부적합 판정에 여지가 존재하는 것으로 분석되었다. 이러한 결과는 성능 편차를 줄이기 위한 설계 및 시공 품질 관리의 중요성을 강조하며, 제도적 신뢰성 확보와 거주자의 정온한 주거환경 조성을 위해서는 성능 편차를 감소시킬 필요가 있음을 시사한다.

이 연구에서는 단지별 표본이 부족함에 따른 한계가 존재하였으나 세대 간 편차 수준 및 편차에 따른 제도적 성능평가 결과의 영향을 정량적으로 제시했다는 점에서 의의가 있다. 향후 연구에서는 현장 성능데이터의 표본을 확대하거나 전체 세대의 중량충격음 차단성능 데이터를 통해 성능 편차에 대한 구체적 요인을 규명하고, 공동주택의 바닥충격음 성능평가를 보다 신뢰성 있게 수행할 수 있는 정량적 근거를 구축할 필요가 있을 것으로 판단된다.

Acknowledgments

이 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원의 지원(과제번호 RS-2022-00144050)으로 수행되었습니다.

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