KR20220017339A - 바닥충격음 저감용 공명형 흡음구조를 갖는 동조 질량 댐퍼 구조 - Google Patents

바닥충격음 저감용 공명형 흡음구조를 갖는 동조 질량 댐퍼 구조 Download PDF

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Abstract

구조물의 슬래브 하부에 동조 질량 댐퍼를 설치하여 바닥충격음을 차단함에 있어, 특히 중량충격음으로 인한 바닥 슬래브의 진동을 억제함과 동시에 슬래브에서 방사되는 소음을 저감시킬 수 있는 구조가 개시된다. 본 발명은 구조물의 슬래브 하부에 설치되고, 질량체, 강성체 및 감쇠기(damper)를 포함하는 동조 질량 댐퍼 구조로서, 상기 질량체 중 일부는 상판 및 하판을 포함하는 케이싱을 형성하되, 상기 상판은 타공 홀이 형성되고, 상기 하판 상에 흡음재가 구비되고, 상기 상판 및 상기 흡음재 사이에 공기층이 형성되어 공명형 흡음구조를 이루는 바닥충격음 저감용 공명형 흡음구조를 갖는 동조 질량 댐퍼 구조를 제공한다.

Description

바닥충격음 저감용 공명형 흡음구조를 갖는 동조 질량 댐퍼 구조{Tuned mass damper structure having sound absorbing structure for reducing floor impact sound}
본 발명은 동조 질량 댐퍼 구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 구조물의 슬래브 하부에 설치되는 동조 질량 댐퍼 구조에 관한 것이다.
근래 공동주택의 층간소음은 사회적 문제가 되고 있다. 종래의 공동주택에서의　층간소음　저감 방식은 바닥의 슬래브와 마감재 사이에　완충재를 삽입하거나, 슬래브와 천장 사이에 흡음재를 설치하여 소음 전달을 차단하는 것이 대부분이다. 그러나 완충재나 흡음재의 설치에 의해 아래 층으로의 소음을 차단하는 종래 방식에서는 소음 전달의 저감 효과가 미미한 문제가 있었다.
공동주택에서 문제가 되는 소음으로는 물건을 떨어뜨리는 소리와 같은 고주파대역의 경량충격음과 어린이들이 뛰는 소리와 같은 저주파대역의 중량충격음이 있다. 이 중 경량충격음은 종래　층간소음　완충재나 흡음재의 설치에 의해 어느 정도 차단 효과는 있으나, 중량충격음의 경우는 바닥판의 진동에 의하여 발생함에 따라 종래의　층간소음　완충재나 흡음재로는 차단 효과를 볼 수 없다.
한편, 중량충격음 등의 바닥충격음은 도 1에 나타낸 바와 같이, 진동과 소음의 두 가지 형태로 에너지가 전달되어 인접 세대에서 소음으로 방사되는데, 종래 구조물의 진동 억제를 위한 설치물로서 도 2에 나타낸 바와 같이, 교량 하부에 동조 질량 댐퍼를 설치한 사례가 있으며, 이를 공동주택의 슬래브에 적용할 수 있으나, 동조 질량 댐퍼의 설치만으로 중량충격음에 의한 진동과 소음을 충분히 차단하는 데에는 한계가 있다.
[선행 특허문헌]
1. 한국 등록특허 제0691518호(2007.02.28. 등록)
[선행 비특허문헌]
1. https://www.mageba-group.com/kr/ko/1026/Industry/Vibrationdamping/ Tuned-mass-dampers/Detail.htm
2. http://www.deicon.com/tuned-mass-dampers
3. Takeshi Nakai, Haruhiko Kurino, Tomoki Yaguchi and Naoki Kano, “Control effect of large tuned mass damper used for seismic retrofitting of existing high-rise building”, Japan Architectural Review, vol.2, no.3, pp.269-286, July 2019.
4. A. J. Roffel, R. Lourenco, S. Narasimhan and S. Yarusevych, “Adaptive
Compensation for Detuning in Pendulum Tuned Mass Dampers”, Journal of Structural Engineering, Volume 137, Issue 2, February 2011.
따라서, 본 발명은 상기 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 구조물의 슬래브 하부에 동조 질량 댐퍼를 설치하여 바닥충격음을 차단함에 있어, 특히 중량충격음으로 인한 바닥 슬래브의 진동을 억제함과 동시에 슬래브에서 방사되는 소음을 저감시킬 수 있는 구조를 제시하고자 한다.
상기 문제를 해결하기 위하여 본 발명은, 구조물의 슬래브 하부에 설치되고, 질량체, 강성체 및 감쇠기(damper)를 포함하는 동조 질량 댐퍼 구조로서, 상기 질량체 중 일부는 상판 및 하판을 포함하는 케이싱을 형성하되, 상기 상판은 타공 홀이 형성되고, 상기 하판 상에 흡음재가 구비되고, 상기 상판 및 상기 흡음재 사이에 공기층이 형성되어 공명형 흡음구조를 이루는 바닥충격음 저감용 공명형 흡음구조를 갖는 동조 질량 댐퍼 구조를 제공한다.
또한 상기 동조 질량 댐퍼는 상기 슬래브의 공진주파수에 의거하여 상기 질량체의 질량(m), 상기 강성체의 스프링상수(k) 및 상기 감쇠기의 감쇠계수(c)가 설정되는 것을 특징으로 하는 바닥충격음 저감용 공명형 흡음구조를 갖는 동조 질량 댐퍼 구조를 제공한다.
또한 상기 공명형 흡음구조의 설계인자는 하기 수학식 1에 따라 설정되는 것을 특징으로 하는 바닥충격음 저감용 공명형 흡음구조를 갖는 동조 질량 댐퍼 구조를 제공한다.
[수학식 1]
Figure pat00001
수학식 1에서, f는 공명주파수, c는 음속, p는 개구율, D는 공기층 두께, T는 유효 두께, t는 상판 두께 및 d는 타공 홀의 직경이다.
또한 상기 동조 질량 댐퍼 구조는 상기 슬래브와 천장 마감재 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 바닥충격음 저감용 공명형 흡음구조를 갖는 동조 질량 댐퍼 구조를 제공한다.
본 발명은 구조물의 슬래브 하부에 동조 질량 댐퍼를 설치하여 바닥충격음을 차단함에 있어, 동조 질량 댐퍼의 질량체를 구성하는 요소 중 일부를 타공 홀이 형성된 강판을 적용하고, 하판 상에 흡음재를 설치, 공기층이 구비되도록 하였다.
이러한 본 발명에 따르면, 동조 질량 댐퍼의 일부 구조를 변형하여 공명형 흡음구조를 병행할 수 있는 새로운 구조를 제시함으로써, 특히 중량충격음으로 인한 바닥 슬래브의 진동을 억제함과 동시에 슬래브에서 방사되는 소음을 저감시켜 층간소음을 보다 완벽히 차단할 수 있는 바닥충격음 저감용 공명형 흡음구조를 갖는 동조 질량 댐퍼 구조를 제공할 수 있다.
도 1은 공동주택에서 중량충격음에 의해 진동과 소음의 형태로 에너지가 전달되는 모습을 나타낸 모식도,
도 2는 종래 구조물의 진동 억제를 위해 설치되는 동조 질량 댐퍼를 나타낸 도면(a)(비특허문헌 1 참조) 및 설치 사진(b)(비특허문헌 2 참조).
도 3 및 도 4는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 바닥충격음 저감용 공명형 흡음구조를 갖는 동조 질량 댐퍼 구조를 나타낸 사시도 및 분해 사시도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 바닥충격음 저감용 공명형 흡음구조를 갖는 동조 질량 댐퍼 구조가 슬래브 및 천장 사이에 설치된 모습을 나타낸 도면,
도 6은 동조 질량 댐퍼의 개념을 설명하는 모식도(비특허문헌 3 참조),
도 7은 동조 질량 댐퍼 설치 유무에 따른 구조물의 고유진동수 진폭 변화를 예시적으로 설명하는 그래프(비특허문헌 4 참조),
도 8은 헬름홀츠 공명기의 개념을 설명하는 모식도,
도 9는 본 발명에서의 공명형 흡음구조에서 설계인자를 설명하기 위한 모식도.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였고, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 부여하였으며, 본 발명의 세부구성 방향은 도면을 기준으로 하여 설명한다. 또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
도 3 및 도 4는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 바닥충격음 저감용 공명형 흡음구조를 갖는 동조 질량 댐퍼 구조를 나타낸 사시도 및 분해 사시도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 바닥충격음 저감용 공명형 흡음구조를 갖는 동조 질량 댐퍼 구조가 슬래브 및 천장 사이에 설치된 모습을 나타낸 도면이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 바닥충격음 저감용 공명형 흡음구조를 갖는 동조 질량 댐퍼 구조(100)는 구조물의 슬래브(S) 하부에 설치되고, 질량체(110), 강성체(120) 및 감쇠기(damper)(130)를 포함하는 동조 질량 댐퍼 구조(100)로서, 상기 질량체(110) 중 일부는 상판(111) 및 하판(112)을 포함하는 케이싱을 형성하되, 상기 상판(111)은 타공 홀(111a)이 형성되고, 상기 하판(112) 상에 흡음재(113)가 구비되고, 상기 상판(111) 및 상기 흡음재(113) 사이에 공기층(114)이 형성되어 공명형 흡음구조를 이루고 있다.
본 발명에서 동조 질량 댐퍼(Tuned Mass Damper, TMD)(100)는 제진장치의 일종으로, ‘제진’이란 구조물의 내부나 외부에서 구조물의 진동에 대응한 제어력을 가하여 구조물의 진동을 저감시키거나 구조물의 강성이나 감쇠 등을 변화시켜 구조물을 제어하는 것을 말한다. 제진장치의 종류로는 점탄성 감쇠기, 점성유체 감쇠기, 항복형 감쇠기, 동조감쇠기, 능동형 감쇠기 등이 있는데 본 발명에서의 동조 질량 댐퍼(100)는 동조감쇠기 형태의 제진장치 중 질량을 이용하는 방식으로서, 구조물의 동적 안정성을 위하여 외부하중에서 구조물에 전달된 에너지를 대신 흡수함으로써 진동을 감소시키는 원리를 가진다. 즉, 구조물이 가지는 진동에너지의 양을 인위적인 제진장치에 의하여 흡수, 분산시킴으로써 진동의 크기를 감소시키고, 층간 상대변위 및 최상층의 가속도를 줄임으로써 구조물의 제진성능을 향상시키는 기계장치이다.
동조 질량 댐퍼를 사용한 제진의 대상은 일반적으로 단위 건축물 전체 또는 교량이나, 본 발명에서는 공동주택 단위 세대의 바닥(또는 천장) 슬래브(S)를 제진의 대상으로 하는 소형 동조 질량 댐퍼(100)를 제시한다.
상기 동조 질량 댐퍼(100)를 구성하는 요소는 질량체(110), 강성체(120) 및 감쇠기(130)이다. 상기 질량체(110)는 상기 강성체(120) 및 감쇠기(130)를 제외한, 동조 질량 댐퍼(100)에 질량을 부여하는 중량물이고, 다만 본 발명에서는 후술하는 흡음재(113) 역시 질량체(110)의 일부를 구성하는 것으로 본다. 또한 상기 강성체(120)는 질량체(110)와 질량체(110)를 연결하는 요소로서 일반적으로 방진스프링(120)이 채용되고, 상기 감쇠기(130)는 슬래브(S)와 질랑체(110) 사이의 상대변위로 에너지를 소산시키는 완충장치 역할을 한다. 다만, 본 발명에서 상기 질량체(110), 강성체(120) 및 감쇠기(130)는 후술하는 질량(m), 스프링상수(k) 및 감쇠계수(c)를 만족하는 것이라면 그 종류, 재질 등에 특별히 한정되는 것은 아니다.
도 6은 동조 질량 댐퍼의 개념을 설명하는 모식도이고, 도 7은 동조 질량 댐퍼 설치 유무에 따른 구조물의 고유진동수 진폭 변화를 예시적으로 설명하는 그래프이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명에서 동조 질량 댐퍼(100)는 슬래브(S)의 공진주파수 대역을 회피하기 위해 설치되며, 따라서 동조 질량 댐퍼(100)의 설계인자는 슬래브(S)의 공진주파수에 의거한다. 즉, 본 발명의 일 예에 따르면 동조 질량 댐퍼(100)는 상기 슬래브(S)의 공진주파수에 의거하여 상기 질량체(110)의 질량(m), 상기 강성체(120)의 스프링상수(k) 및 상기 감쇠기(130)의 감쇠계수(c)가 설정될 수 있다.
예컨대, 공동주택 단위 세대의 평면 형태 및 면적에 따라 상이할 수 있으나, 슬래브(S)의 고유진동수(공진주파수)가 10 Hz일 경우라면, 사용되는 감쇠기(130)의 감쇠계수를 감안하여 공진주파수가 10 Hz 수준이 되도록 상판(111), 하판(112), 흡음재(113) 등 질량체(110)를 구성하는 요소의 질량과, 스프링(120)을 조절함으로써, 동조 질량 댐퍼(100)를 설치하지 않을 경우 대비 슬래브(S) 고유진동수 진폭을 현저히 감소시킬 수 있다.
본 발명에서는 슬래브(S)에서 방사되는 소음을 억제하기 위하여 동조 질량 댐퍼(100)의 일부 구조를 변형하여 공명형 흡음구조를 병행할 수 있는 구조가 개시된다.
즉, 본 발명에 따른 동조 질량 댐퍼 구조(100)는 질량체(110) 중 일부가 상판(111) 및 하판(112)을 포함하는 케이싱 형태로 구성될 수 있으며, 상기 상판(111)은 타공 홀(111a)이 형성되고, 상기 하판(112) 상에 흡음재(113)가 구비되고, 상기 상판(111) 및 상기 흡음재(113) 사이에 공기층(114)이 형성되어 공명형 흡음구조를 이루게 된다.
상기 케이싱 형태는 예컨대, 상판(111) 및 하판(112) 둘레를 따라 4개의 측판(115)이 형성되고 케이싱 내부에 흡음재(113)가 구비됨으로써 이루어질 수 있고, 이때, 어느 한 쌍의 마주보는 측판(150)에 연설된 하부 지지판(116) 상에 각각 강성체(120) 및 감쇠기(130)가 구비되고, 상기 강성체(120) 및 감쇠기(130)는 상부 지지판(117)을 매개로 고정될 수 있다.
상기 흡음재(113)는 공명형 흡음구조에서 채용될 수 있는 소재라면 특별히 한정되는 것은 아니며, 예컨대, 글라스울 소재의 흡음재가 사용될 수 있다.
본 발명에서 공명형 흡음구조는 헬름홀츠 공명기(Helmholtz resonator) 원리가 채용된 것으로, 본 발명에서는 상기 상판(111)에 일정 간격으로 형성된 타공 홀(111a)과 공기층(114)으로 구성되어 헬름홀츠 공명기(도 9에서 점선 표시 참조)가 반복하여 배열된 형태로 볼 수 있다.
도 8에서 헬름홀츠 공명기의 개념을 모식도를 통해 나타내고 있으며, 헬름홀츠 공명기는 좁고 긴 관을 가진 통의 형태로, 설계인자는 관의 길이(L), 관의 단면적(A) 및 통의 부피(V)이며, 관이 길고 좁고 통의 부피가 클수록 낮은 주파수에서 공명 현상이 일어난다. 이때, 관에서 공명 현상이 일어나며 공기 입자의 진동이 최대가 되어 음 에너지가 소산됨으로써 흡음이 이루어진다. 도 8에서 'C'는 음속을 나타낸다.
이러한 헬름홀츠 공명기가 반복하여 배열된 본 발명에서의 공명형 흡음구조에서 설계인자를 설명하기 위한 모식도를 도 9에 나타내었다.
도 9를 참조하면, 본 발명에서 상기 공명형 흡음구조의 설계인자는 하기 수학식 1에 따라 설정될 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00002
수학식 1에서, f는 공명주파수, c는 음속, p는 개구율, D는 공기층 두께, T는 유효 두께, t는 상판 두께 및 d는 타공 홀의 직경이다.
즉, 본 발명에서 공명형 흡음구조의 설계인자는 타공 홀(111a)의 직경(d), 타공 홀(111a)의 간격(s), 상판(111) 두께(t) 및 공기층(114) 두께(D)이며, 목표하는 흡음주파수를 공명주파수(f)로 두고 설계할 수 있다.
따라서, 본 발명에서 공명형 흡음구조의 흡음 성능 및 목표 주파수는 타공 홀(111a)의 직경과 간격, 그리고 상판(111) 부재 및 내부 공간(공기층 및 흡음재)의 두께에 따라 좌우된다.
이와 같이, 본 발명에서는 동조 질량 댐퍼(100)의 일부 구조를 변형하여 공명형 흡음구조를 병행할 수 있는 새로운 구조를 제시함으로써, 특히 중량충격음으로 인한 바닥 슬래브(S)의 진동을 억제함과 동시에 슬래브(S)에서 방사되는 소음을 저감시켜 층간소음을 보다 완벽히 차단할 수 있는 구조를 제공하게 된다.
본 발명에서 동조 질량 댐퍼 구조(100)가 채용되는 제진의 대상은 공동주택 단위 세대의 바닥(또는 천장) 슬래브(S)로서, 본 발명에 따른 동조 질량 댐퍼 구조(100)는 상기 슬래브(S)와 천장 마감재(C) 사이에 설치되는 것이 적합하다.
예컨대, 상기 동조 질량 댐퍼 구조(100)는 공동주택 거실의 우물천장(C)과 슬래브(S) 사이의 협소한 공간에 설치될 수 있으며, 이를 위해 상판(111), 하판(112) 및 상판(111)과 하판(112) 사이의 내부 공간을 포함한 전체 두께가 얇은 박판 구조가 적용될 수 있다. 이때, 우물천장(C) 상에 설치 시 등기구(도 5, 'F' 참조), 전선(도 5, 'L' 참조), 천장 마감재용 프레임 등의 설치를 위해 상판(111), 하판(112) 및 흡음재(113)의 중앙부에 관통부(118)가 형성될 수 있다. 또한 상기 동조 질량 댐퍼 구조(100)를 슬래브(S)에 고정시키기 위해 예컨대, 상기 하부 지지판(116), 상기 방진스프링(120) 내측 및 상기 상부 지지판(117)을 연통하는 행거볼트(B)를 이용하여 슬래브(S)에 고정되도록 할 수 있다.
이상으로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참고하여 상세하게 설명하였다. 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 범위는 상기 발명의 설명보다는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미, 범위 및 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 동조 질량 댐퍼 (구조) 110 : 질량체
111 : 상판 111a : 타공 홀
112 : 하판 113 : 흡음재
114 : 공기층 115 : 측판
116 : 하부 지지판 117 : 상부 지지판
118 : 관통부 120 : 강성체, 방진스프링
130 : 감쇠기 S : 슬래브
C ; 천장

Claims (4)

  1. 구조물의 슬래브 하부에 설치되고, 질량체, 강성체 및 감쇠기(damper)를 포함하는 동조 질량 댐퍼 구조로서,
    상기 질량체 중 일부는 상판 및 하판을 포함하는 케이싱을 형성하되, 상기 상판은 타공 홀이 형성되고, 상기 하판 상에 흡음재가 구비되고, 상기 상판 및 상기 흡음재 사이에 공기층이 형성되어 공명형 흡음구조를 이루는 바닥충격음 저감용 공명형 흡음구조를 갖는 동조 질량 댐퍼 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 동조 질량 댐퍼는 상기 슬래브의 공진주파수에 의거하여 상기 질량체의 질량(m), 상기 강성체의 스프링상수(k) 및 상기 감쇠기의 감쇠계수(c)가 설정되는 것을 특징으로 하는 바닥충격음 저감용 공명형 흡음구조를 갖는 동조 질량 댐퍼 구조.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 공명형 흡음구조의 설계인자는 하기 수학식 1에 따라 설정되는 것을 특징으로 하는 바닥충격음 저감용 공명형 흡음구조를 갖는 동조 질량 댐퍼 구조:
    [수학식 1]
    Figure pat00003

    수학식 1에서, f는 공명주파수, c는 음속, p는 개구율, D는 공기층 두께, T는 유효 두께, t는 상판 두께 및 d는 타공 홀의 직경이다.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 동조 질량 댐퍼 구조는 상기 슬래브와 천장 마감재 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 바닥충격음 저감용 공명형 흡음구조를 갖는 동조 질량 댐퍼 구조.
KR1020200097695A 2020-08-04 2020-08-04 바닥충격음 저감용 공명형 흡음구조를 갖는 동조 질량 댐퍼 구조 KR102506696B1 (ko)

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JPH09111910A (ja) * 1995-10-23 1997-04-28 Kobe Steel Ltd 吸音性制振形材
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