1. 서 론

산업발전과 인구증가에 따라 대중교통수단의 발달과 더불어 도심 내 운송수단으로 지하철의 비중이 날로 증가하고 있다. 이로 인한 진동과 구조소음이 새로운 환경문제로 대두되고 있고 지하철에 인접한 건축 구조물에 지속적인 진동으로 인한 균열 및 침하로 인한 구조체 안전에 문제가 발생할 수 있다. 한번 시공 시 장기간의 사용수명을 가지는 건축 구조물에 반영구적으로 사용될 수 있는 방진매트를 이용한 Floating Floor System은 비교적 짧은 기간 동안 시공이 가능하고 우수한 진동 절연특성으로 건축구조물 방진과 더불어 지하철 및 철도 진동으로 인한 구조물 내구성의 안전을 해결할 수 있는 대안으로 제시되고 있다. 본 연구에서는 방진매트의 적용 전후의 모델링을 통한 수치해석을 하고 소음/진동 측정기로 측정값을 비교 분석하여 다른 구조물의 방진 및 안전 대책 사례로 적용하고자 한다.

2. 이론적 배경

2.1 소음의 개요

현행 소음진동규제법에는 소음이란 "기계, 기구, 시설 및 기타물체의 사용으로 인하여 발생하는 강한소리"로 정의되어 있다. 소리는 파동의 성질을 지니고 주변 매질로 전파되고 공기 등의 유체 매질에서는 파동의 진행방향과 매질입자의 운동방향이 동일하다. 따라서 음파는 종파이며 압축파 또는 소밀파라고도 불린다. 음의 크기의 표현에서 음압레벨은 일반적으로 음의 크기를 나타내는 것으로써, dB(데시벨)로 표현하는 것이 보편화 되어 있다. 음압레벨은 다음과 같이 정의된다.

SPL=20*log(Pe/Po)[dB]

Where, P_e : 음압진폭실효값(Pa)

P_o : 기준음압(가청역치, 2×10^-5Pa)

즉, 음압레벨은 해당 음의 음압 진폭이 사람이 들을 수 있는 최소 한계치의 몇 배인가를 구하여 이를 대수(Logarithm)로 하여 20을 곱한 것이다. 사람이 느끼는 음압레벨 차는 3dB에서 겨우 식별하고, 5dB에서는 확실히 느끼고, 10dB에서는 2배 크기로 느끼게 된다.

2.2 지하철 진동의 개요

지하철의 소음, 진동 문제는 승객의 안락한 여행뿐만 아니라 지하철 주변에서 발생할 수 있는 다양한 소음, 진동 문제를 사전에 예방한다는 차원에서 중요하다. 특히, 진동 문제는 직접적인 건물의 피해뿐만 아니라 2차적인 소음 문제를 야기하는 고체음(ground borne noise)의 원인이 되고 있기 때문에 이에 대한 현상 파악과 예측 및 방지 기술의 확보는 민원을 최소화하고 경제적인 효과를 극대화할 수 있다. 지하터널에서 발생하는 진동문제는 건물기초에 직접 또는 지반을 매개체로 전파하여 주변의 건물, 정밀기계류, 인체 등에 영향을 미치는 것이다. 진동 대책은 진동원의 특성, 진동예측 및 진동 허용 규제치를 통해서 진동 저감량을 산정하고 이에 필요한 진동저감 대책을 마련하게 된다. 진동저감의 기본대책으로는 진동원 자체의 발생을 억제하는 방법과 전파경로대책 등으로 분류할 수 있다. 이러한 진동 문제의 해결방법 중 어떤 방법을 선택하느냐 하는 것은 진동원이나 수진점의 종류, 발생된 진동의 특성, 진동 규제치, 시공성, 경제성 등 여러 가지 요인에 대한 분석을 통해 가장 합리적인 저감방안을 강구해야 한다.

2.3 소음평가기준

실내 소음 권장 기준[ASHRAE, 미국 냉동 공조 협회]에서 지하철에 대한 기준은 따로 마련되어있지 않으며 미국 냉동 공조 협회에서 제안한 [Figure 1]의 ASHRAE 실내소음 권장 기준에서 대상 건물의 용도 및 실용도의 특성상 Office Building_ Open-plan areas Offices, 45dB (A)를 소음 기준으로 적용하였다.

2.4 진동평가기준

ISO에서 제안한 진동기준은 다음 [Figure 2]와 같으며, ISO 2631-2에서 제안한 기준 중 대상 건물의 용도 및 실용도의 특성상 사무실 2gal line(0.02m/s2)을 기준으로 적용하였다.

3. Mat 적용과 측정결과

3.1 Vibration-Proof Mat

충격흡수 발포체 소재인 HSBR(Hydrogenated SBR)과 EVA(Ethylene vinyl acetate)를 블렌딩하여 발포시킨 고분자공중합체로 일반적인 발포체에 비해 적정한 탄성과 내부점성효과에 의해 외부 가진력 및 충격하중에 대해 댐핑특성이 우수하여 짧은시간에 정적상태로 전환시킬 수 있는 장점이 있다. <Table 1>과 같이 비중에 따라 압축하중에 대한 동적범위 조절이 가능하고 압축변형에 대한 내구수명이 우수하여 집중하중 및 분포하중을 받는 구조물의 Floating Floor용 방진시스템 및 지하철진동 차단용 방진재로 적합한 소재이다[1][2][3].

3.2 측정지점

연면적 30,822.23m2의 서울시 중구에 건설되는 오피스 빌딩 신축 현장은 지하 7층~지상 22층 규모로 근린생활시설 및 업무시설로 구성이 되어있다. 지하철 2호선 운행구간은 신축현장 6m로 인접하여, 건물로의 진동전달로 인한 영향으로 진동 및 진동에 의한 구조소음 영향이 발생할 것으로 판단된다. 측정장비로는 Rion사의 [Figure 3] 및 [Figure 4]의 Sound Level Meter와 Vibration Level Meter를 사용하여 지하 2층에서 지상 2층 구간을 측정하였다.

본 현장은 설계 단계에서 인접한 지하철 노선에 의한 소음/진동 발생 영향을 사전에 인지하여 방음/방진 대책을 수립하였다. 대책 적용 구간은 다음 [Figure 5] 및 [Figure 6]과 같이 지하철에 인접한 측벽과 연결통로 바닥구간에 방진매트 25t를 적용하여 소음/진동 저감 효과를 얻고자 하였다.

3.3 측정전 수치해석

방진매트 적용 전･후 수치해석은 FEM프로그램인 NX-Nast ran ver8.5를 이용하였으며 도면과 업무시설의 기초자료를 토대로 적용하였다. [Figure 7]과 같이 지하 2층에서 지상 2층의 소음/진동 저감량을 모델링하였다.

모델링 수치해석을 <Table 2>와 같이 정리해본 결과 진동/소음 해석치가 평가기준을 만족하는 것으로 나왔다.

3.4 측정결과 비교

지하철 운행시 빈도수 및 탑승인원에 따른 가진력을 고려하여, 가장 높을 것이라 예측되는 퇴근시간대역(18:00~19:00)에 업무시설의 지하 2층에서 지상 2층까지 소음/진동을 측정하였다. 지상 1층, [Figure 8]의 소음측정 결과 배경소음을 측정한 후 지하철 운행시 대상소음을 측정하였으며 16Hz에서 16kHz 각 주파수별 합산소음이 41.1dB(A)로 규제기준인 45.0dB(A)를 만족하였으며 지하 2층, [Figure 8]의 진동측정 결과 주파수별 최고점이 45.3dB(V)로 0.5gal line에 속하며 규제기준인 2gal line을 만족하였다. 이와 같이 [Figure 8]에서 [Figure 15]의 진동/소음 측정 결과가 규제기준을 만족하였다.

측정 전 수치해석 결과와 측정결과를 <Table 3>과 같이 정리하였다. 측정전 수치해석보다 더 낮은 소음/진동 측정치가 나왔으나 해석 특성상 가혹조건으로 모델링을 하여 나온 결과로 판단되었으며 경향성이 일치함을 확인하였다.

4. 결 론

본 연구를 통해 지하철 인근 업무시설에 방진매트의 적용 결과 소음/진동이 저감되었음을 확인하였다. 미국 냉동 공조 협회에서 제안한 ASHRAE 실내소음 권장 기준에서 대상 건물의 용도 및 실용도의 특성상 Office Building_ Open-plan areas Offices, 45dB(A)를 만족하였으며 진동 권장 기준인 ISO 2631-2에서 제안한 기준 중 대상 건물의 용도 및 실용도의 특성상 사무실 2gal line (0.02m/s2)의 기준도 만족하였다. 소음/잔동 저감은 구조체 내구수명을 향상시켜 안전성을 가져올 것으로 판단된다. 향후 연구에서는 본 연구의 기초자료를 기반으로 철도 인근 지역 및 진동이 많이 발생하는 제조설비의 방진매트 적용 후 구조물의 수치해석 및 측정치를 통해 방진 대책 사례의 기준을 세우고자 한다.