[논문 리뷰] Clay metaBrick-based motif to enhance thermal and acoustic insulation

Brahim Lemkalli, Saad Bensallam외 5명|arXiv (Cornell University)|2023. 10. 08.

Acoustic Wave Phenomena ResearchEngineering인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 슬롯이 있는 빈 코어 내부에 헬름홀츠 공명기를 통합한 클레이 메타브릭을 제안하여 열 및 음향 단열 성능을 동시에 향상시킨다. 유한요소 시뮬레이션과 실험적 검증을 통해 메타브릭은 표준 클레이 브릭 대비 소음 전달 감소가 최대 20 dB이며, 열저항도 8% 향상되었으며, 구조적 수정으로 원래 브릭 대비 33% 감소했음에도 불구하고 건축 기준을 충족하는 압축 강도를 유지한다.

ABSTRACT

Acoustic metamaterials have gained popularity as promising materials for enhancing noise reduction. Here, we explore the use of metamaterials, based on Helmholtz resonators (HRs), to enhance the performance of standard clay hollow brick. By incorporating HRs in the upper and lower hollows, we transform the standard brick into metaBrick, which is essentially designed based on metamaterial principles. We evaluate the acoustic and thermal performance of walls constructed with clay metaBricks, focusing on sound transmission loss and heat resistance. Both the finite element method and experimental analysis were employed to highlight the performance of metaBricks compared to standard clay bricks. Results show that metaBricks significantly enhance acoustic and thermal insulation, achieving an attenuation of $20$ \si{dB} across a broad frequency range from $500$ to $2500$ \si{Hz} and an $8$\% increase in thermal resistance. However, compressive strength is reduced by $33$\%, though it remains above the standard requirements for building materials. These findings indicate that metaBrick is a promising building material, offering improved sound and thermal insulation.

연구 동기 및 목표

• 기후 변화와 도시 소음 polution에 대응해 에너지 효율적이고 소음을 줄이는 건축 자재에 대한 수요 증가에 대응하기 위해.
• 표준 빈 클레이 브릭이 동시에 효과적인 열 및 음향 단열 성능을 제공하는 데에 한계가 있음을 극복하기 위해.
• 헬름홀츠 공명기를 활용해 음파와 열 전달를 제어하는 메타물질 기반의 다기능 브릭 설계를 개발하기 위해.
• 메타브릭의 성능을 수치 시뮬레이션과 실물 벽의 실험적 측정을 통해 검증하기 위해.
• 하중 지지 응용 분야에 적합한지 확인하기 위해 산업 기준에 따라 압축 강도를 시험하여 구조적 타당성을 확보하기 위해.

제안 방법

• 빈 코어의 상단과 하단에 슬롯을 형성하여 헬름홀츠 공명기를 만드는 클레이 메타브릭을 설계하여, 공명을 통한 음향 및 열의 감쇠를 가능하게 한다.
• 메타브릭의 음향 전달 손실과 열저항을 수치적으로 시뮬레이션하고 분석하기 위해 유한요소법(FEM)을 사용한다.
• 메타브릭으로 구성된 실물 크기의 벽을 구축하고, 소음 전달, 열저항, 기계적 압축 성능에 대한 실험적 측정을 수행한다.
• 메타브릭 벽과 표준 빈 클레이 브릭 벽 간의 음향, 열, 기계적 성능을 비교한다.
• 메타브릭과 표준 브릭 각각 4개의 시편에 대해 축압 강도를 측정하고 MPa 단위로 비교한다.
• 메타물질의 개념을 적용하여 기존 클레이 브릭을 구조적 무결성을 훼손하지 않으면서 단열 성능을 향상시킨 다기능 건축 부재로 전환한다.

Figure 1: Schematics of the Clay hollow meta Bricks. (a) Wall made of clay meta Bricks and mortar. (b) Clay hollow meta brick.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 클레이 브릭에 헬름홀츠 공명기를 통합함으로써 음향 및 열 단열 성능을 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 표준 빈 클레이 브릭에 비해 메타브릭 설계는 소음 전달 손실과 열저항 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ3 구조적 수정(슬롯)은 표준 브릭에 비해 메타브릭의 압축 강도에 얼마나 영향을 미치는가?
• RQ4 수치 예측된 음향 및 열 성능이 실물 크기의 벽 구성에서 실험적으로 검증될 수 있는가?
• RQ5 메타브릭의 압축 강도는 하중 지지 응용 분야에서 실용적으로 사용하기에 충분한가?

주요 결과

• 메타브릭은 200 Hz에서 3.5 kHz의 주파수 범위에서 최대 20 dB의 소음 전달 손실을 기록하여 표준 클레이 브릭보다 뚜렷이 뛰어난 성능을 보였다.
• 메타브릭 벽의 열저항은 표준 브릭 벽 대비 8% 향상되어 열 단열 성능 향상이 확인되었다.
• 메타브릭의 평균 압축 강도는 12.75 MPa로, 표준 기준인 7.5 MPa를 충족하며, 표준 브릭의 19.37 MPa 대비 33% 감소한 상태에서도 여전히 충분한 강도를 확보했다.
• 수치 시뮬레이션과 실험 결과 간의 높은 일치도는 메타브릭 성능 예측에 있어 유한요소 모델링 방법의 정확성을 검증했다.
• 슬롯의 존재로 인해 압축 강도가 약 7 MPa 감소했지만, 그 결과로도 여전히 구조적 응용에 적합한 강도를 확보했다.
• 메타브릭 설계는 지속 가능한 건축에서 열과 음향 단열 요구를 동시에 충족시킬 수 있는 실현 가능한 다기능 건축 자재의 길을 제시한다.

Figure 2: Sound Transmission. (a) Numerical model. (b) Transmission curves for the two types of bricks: the meta Brick portrayed in the red curve and the standard brick represented by the black curve.