공동주택 신축 사업에 대해 바닥충격음 표준시험동에서 인정받은 바닥구조 단면을 사용하는 사전인정제도가 2004년부터 적용되고 있었으나, 현장 성능이 표준시험동에서 인정받은 성능과 차이가 있음이 2019년 4월 감사원 감사⁽¹⁾에서 지적되었다. 이에 따른 후속 조치로 국토교통부는 사전인정제도를 보완하는 사후성능 확인제도를 도입하였다.

기존에 시행되던 주택법 및 「공동주택 바닥충격음 차단구조 인정 및 관리기준(국토교통부고시 제2013-889호)」에서는 준공 후 바닥충격음 차단성능 평가가 법적인 의무사항은 아니었으며 지자체에서 요구하는 바닥충격음 차단성능 평가를 위해 공인측정기관(KOLAS)에서 성능평가를 수행하고 그 결과를 지자체에 제출, 승인받는 절차로 이루어져 왔다. 감사원에서는 이와 같은 제도에서 공동주택 바닥충격음 차단구조의 안정적 성능 확보에 어려움이 있다고 판단하였다.

이러한 이유로 2022년 8월 4일 개정된 주택법 및 「공동주택 바닥충격음 차단구조 인정 및 검사기준(국토교통부고시 제2022-868호)」에서는 성능검사기관을 지정하여 사용검사 전에 현장의 바닥충격음 차단성능을 평가하고 그 결과를 사용검사권자에게 제출하여 성능 미달 시 사업주체에게 보완 시공, 손해배상 등의 조치를 권고할 수 있도록 하였다.

이와 같은 제도의 변화와 함께 과거에 비해 공동주택의 외부소음 차단성능도 전반적으로 향상되어 공동주택 거주자들의 기대치 역시 높은 수준으로 변화하였다. 이에 바닥충격음 차단성능의 향상과 안정적 확보를 위해 설계 단계부터 시공, 검사 단계까지 보다 면밀히 검토해야 할 필요성이 대두되었다.

일반적으로 공동주택에서는 바닥충격음 차단성능 확보를 위해 완충재 상부에 마감모르타르를 시공하는 뜬바닥 공법을 적용하고 있다. 이 뜬바닥 구조는 마감모르타르 상부에서 발생하는 충격력 및 진동 응답을 최소화하는 역할을 하고 있으나 다수의 연구에서 예상치 못한 중량충격음 증폭 현상이 발생되고 있음을 확인하였다.

김경우 등⁽²⁾에 따르면 뜬바닥 구조에서 완충재의 동탄성계수가 낮을수록 중량충격음 저감량이 더 큰 것이 확인되었고, 송국곤 등⁽³⁾의 연구에서도 고무공 충격원을 이용한 바닥충격음 차단성능 평가 시 완충재의 동탄성계수가 낮을수록 바닥충격음 레벨이 낮아지는 것을 확인하였으나, 63 Hz 주파수 대역에서는 오히려 레벨이 증가하여 125 Hz 이상의 주파수 대역과는 상반되는 경향성이 나타났고 이는 완충재에 의한 뜬바닥의 고유진동수가 63 Hz 대역의 중량충격음 증폭 현상을 유발한 것으로 판단된다고 분석하였다.

공동주택 뜬바닥 구조의 중량충격음 증폭 현상과 관련하여 이원학 등⁽⁴⁾은 완충재가 63 Hz 대역의 바닥충격음 레벨을 증가시킬 수 있으므로 이를 방지하기 위해 맨슬래브의 공진주파수를 확인하여 증폭 현상을 피할 수 있는 맞춤형 완충재 설계가 필요하다고 하였다.

김주형 등⁽⁵⁾은 80 Hz 이상의 주파수 대역에서 동탄성계수가 증가할수록 바닥충격음 레벨도 증가하는 경향이 나타난다고 하였으며, 80 Hz 이하 주파수 대역에서는 완충재에 의한 공진 현상으로 완충재의 종류에 따라 증폭되는 주파수 위치가 다르게 나타나는 것을 확인하였다.

이와 같이 충격력과 진동 응답 최소화를 위해 사용되고 있는 뜬바닥 구조에서 중량충격원 가진 시 저주파 대역에서 예상치 못한 증폭 현상이 발생하였다. 이를 사전에 확인하고 방지하기 위해서는 공동주택 평면 및 구조별 완충재 선정을 위한 바닥충격음 사전 예측 프로세스가 필요하다.

문대호 등⁽⁶⁾의 연구에 따르면 중량충격음은 충격원의 충격력 주파수 특성으로 인해 100 Hz 이하 저주파 영역에 에너지가 집중되어 유한요소해석법(finite element analysis method, FEA)이 예측에 적절하다고 하였다. 해당 연구에서 외부 가진에 대한 콘크리트 구조물의 진동 응답을 계산하고 구조모델과 음향모델의 경계면에서의 표면 속도, 임피던스를 이용하여 파동방정식을 만족하는 음압 응답을 계산하는 방법으로 중량충격음 예측을 수행하였다^(7,8). 또한 김태민 등⁽⁹⁾의 연구에서는 유한요소해석법을 활용하여 맨슬래브의 바닥충격음 예측 정확도를 고무공 가진 시 0.5 dB 이내의 편차로 도출되는 것을 확인하였다.

이 연구에서는 신축 공동주택 현장을 대상으로 뜬바닥 시공 시 저주파 대역 중량충격음 증폭 현상을 방지하기 위한 해석적 프로세스 수립을 위해 상용 유한요소 해석프로그램을 활용하여 뜬바닥 구조에 대한 해석 정합성 검토를 실시하였다. 이를 위해 완충재 동탄성계수 측정 시 사용되는 방법을 해석 프로그램 상에 구현하였으며, 여기서 도출된 진동 응답 결과와 완충재의 고유진동수를 활용하여 뜬바닥 구조 해석 정합성을 확인하였다. 도출된 정합성 검토 결과를 바탕으로 특정 평면의 뜬바닥 구조에 대한 최적 완충구조 설정 연구를 수행하였다.

이 연구에서는 신축 공동주택 현장을 대상으로 뜬바닥 시공 시 저주파 대역 중량충격음 증폭 현상을 방지하기 위한 해석적 프로세스 수립을 위해 상용 유한요소 해석프로그램을 활용하여 뜬바닥 구조에 대한 해석 정합성 검토를 실시하였다. 이를 위해 완충재 동탄성계수 측정 시 사용되는 방법을 해석 프로그램 상에 구현하였으며, 여기서 도출된 진동 응답 결과와 완충재의 고유진동수를 활용하여 뜬바닥 구조 해석 정합성을 확인하였다. 정합성 검토 결과를 바탕으로 특정 평면의 뜬바닥 구조에 대한 최적 완충구조 설정 연구를 수행하였으며 주요 연구결과는 아래와 같다.

해석 대상 평면에 완충재가 설치된 뜬바닥구조에 대해 정합성 검토를 실시하였으며 A-가중 최대 바닥 바닥충격음 레벨(L_iA,Fmax) 평가 결과, 측정결과와 해석결과의 차이는 0.5 dB~1.1 dB로 나타났다.

바닥충격음 차단성능 최적 뜬바닥 구조 설계를 위해 완충재의 동탄성계수에 따른 A-가중 최대 바닥 바닥충격음 레벨(L_iA,Fmax)을 확인하였으며 해석 대상 평면에서는 완충재 동탄성계수 9.7 mN/m³을 사용한 구조가 바닥충격음 차단성능이 가장 높게 평가되는 것으로 나타났다. 이와 같이 구조 형식과 평면이 결정된 상태에서 완충 바닥구조 해석을 통해 최적의 바닥충격음 차단성능을 갖는 단면을 상대 비교하여 설계에 반영할 수 있을 것이다.

이 연구에서는 상용 유한요소 해석프로그램을 이용하여 특정 평면 및 구조 형식의 공동주택에서 바닥충격음 차단성능을 최적으로 발현할 수 있는 뜬바닥 단면 결정 과정에 대한 방법을 고찰하였다. 이 연구결과를 통해 뜬바닥 구조 해석 프로세스가 정립된다면, 공동주택 설계 단계에서 평면 및 구조 형식에 따른 중량충격음 저주파 대역 증폭 현상을 방지할 수 있는 최적 뜬바닥 구조 선정 및 완충재 동탄성계수 범위 설정이 가능할 것으로 기대된다.

다만, 이 연구의 해석 프로그램에 입력되는 재료 물성에 대해 정합성 검증 대상 현장에 적용된 설계값을 반영하였으나, 예측 정확도를 높이기 위해서는 입력 물성에 대한 기초 실험 데이터가 다수 필요할 것으로 판단된다.