목조 건축물 내화구조 기술현황
내화구조는 건축물의 화재시 재실자가 대피할 수 있는 피난시간을 확보하고 일정시간 동안 건물의 붕괴를 막기 위한 것으로서 화재저항성능을 가진 주요 건축부재 또는 구조시스템을 말한다. 건축물의 화재안전을 확보하는 방법은 크게 사양적 설계방법(prescriptive design)과 성능적 설계방법(performance based design)으로 구분할 수 있다. 국내에서는 거의 사양적 설계방법에 의존하고 있는데 목조건축에 대해서는 사양적 기준마저도 미흡한 형편이다. 현재 성능적 설계방법에 대한 연구가 학계 및 국책연구소 위주로 진행되고 있으나 아직 실용화 단계에는 못 미치고 있다.
현대 건축의 복합화, 다양화, 대형화 추세와 새로운 소재 및 시공기술의 발전은 사양적 설계만으로는 해결하기 곤란한 여러 문제점에 직면하게 되며, 이의 극복을 위해서는 다양한 조건에 적합한 합리적 답안을 제공할 수 있는 성능설계의 도입과 실행이 필수적이라 하겠다.
최근 국내에는 전 세계적인 에너지 위기와 함께 정부의 저탄소 녹생성장 정책과 맞물려 전통한옥을 비롯한 친환경 목조건축의 활성화에 대한 기대가 어느 때보다도 활발하다. 그러나 목조건축과 관련한 국내의 기술적 제도적 기반은 아직 취약한 편이며, 특히 화재안전과 관련한 분야는 거의 전무한 형편이다.
2. 주요내용
○ 목조 내화구조 설계기준
내화구조의 설계는 건축물 화재시 일정시간 동안 피난시간의 확보, 소방활동의 안전성 확보, 건축물 내의 화재 확산 방지 및 구조적 붕괴 방지를 목적으로 한다. 이를 위해 각국에서는 건축물의 요소 별 내화안전기준을 규정하고 건축물의 용도와 규모별로 요구 내화시간을 정하고 있다.
내화설계에 있어 사양적 방법은 표준화재조건에서 보, 기둥, 벽, 지붕 등의 개별 건축요소 별로 성능이 확인된 부재 또는 시스템에 대해 선택적으로 사용하는 방법이다. 이에 비해 성능적 방법은 자연화재 상태에서의 실내 화재하중과, 환기조건, 소화설비 작동 유무, 재실인원 및 피난시간 등의 복합적인 화재확산 영향요인을 감안한 예측기법을 사용한다. 사양적 방법은 직접선택의 용이성과 설계가 간편하다는 장점이 있는 반면 비경제적이면서 다양한 공간의 특성을 반영하지 못한다는 단점이 있다 반면 . 성능적설계법은 방대한 재료정보의 확보와 복잡한 설계과정을 거쳐야 하지만 공간의 형태와 규모에 관계없이 합리적 설계수단을 제공한다는 장점을 갖는다.
영국을 비롯한 유럽국가들과 북미, 일본, 호주, 뉴질랜드 등의 경우 종래의 사양적방법과 성능적방법을 병용하고 있으나, 아직 국내에는 거의 사양적 설계방법에 의존하고 있다.
○ 해외 목구조 화재안전설계
목재는 화재에 노출되었을 때 일정 온도 이상 상승하게 되면 연소하게 된다. 목재의 단면 b × d가 화재에 노출되어 잔존단면 bf × df로 줄어들었을 때 노출 면의 탄화 깊이는 다음과 같다.
c = t 식 (1)
여기서 c = 탄화 깊이(㎜), = 탄화속도(㎜/min), t = 시간(min)
그림1. 에서 보는 바와 같이 이 때 잔존단면은 다음과 같이 구해질 수 있다.
bf = b-2c
df = d-c (3면가열) 식 (2)
df = d-2c (4면가열)
유럽의 목구조설계기준(Eurocode 5)에서 제시하고 있는 목재의 탄화깊이 모델은 식(1)과 같으며, 탄화속도 는 탄화 깊이와 시간과의 관계에서 얻어진다. 한편 목재 단면 코너부분의 탄화는 일반 면보다 약 10%정도 더 발생하기 때문에 목 구조 화재설계 시에는 이를 고려한 가상의 탄화 깊이를 적용하기도 한다. 표2는 Eurocode 5(EC5, 1994)에서 권장하는 목재의 탄화속도 기준 값이다.
표2. 목재의 탄화속도
미국 Wood Handbook의 기준은 White가 제시한 비선형 모델식을 따른다.
= 2.58n/t0.187 식 (3)
여기서 n = 측정 탄화속도(1시간 가열 시 0.635㎜/min),
t = 시간(min)
시간 t(min)에서의 탄화두께 설계값 c(㎜)는 다음과 같다.
c =t = 2.58 n t0.813 식 (4)
식(3)은 단면 코너의 곡률을 고려한 것으로서 일반 면 측정탄화속도의 약 20%정도를 더 가중한 것이다. White의 모델 식은 1시간까지는 탄화 깊이-시간의 1차 함수 직선과의 차이가 그리 크지 않으나, 2시간 이후부터는 탄화속도가 줄어드는 것으로 나타난다. 몇몇 수종에 대해서는 ASTM E 119 표준화재조건 실험에서 경험적으로 얻어진 간단한 예측식이 이용되기도 한다.
뉴질랜드의 경우 목재 두께 90㎜ 이상이면 탄화층 아랫부분은 화재의 영향이 없는 것으로 간주하고 있으며, Radiata pine 집성목에 대한 밀도-탄화속도의 관계 실험결과로부터 목재의 탄화속도를 0.65㎜/min로 규정하고 있다.
이상과 같이 각국은 목재의 탄화속도에 대한 사양적 기준 또는 모델식을 통한 예측방법을 사용하고 있으며, 이를 통해 산출된 화재 노출 후의 유효단면 정보와 목재의 강도, 탄성계수 등의 물리적 특성, 복합시스템에 사용되는 자재의 열 전달특성, 접합부처리에 관한 사항 등 다양한 인자를 포함한 목구조내화설계를 실시하고 있다.
3. 결론
화재안전과 관련하여 목조건축물에 대한 국내의 기술기준은 아직 초보적인 단계에 있다. 최근의 사회, 경제적 여건의 변화와 환경문제에 대한 공감 및 인식의 일반화는 전통건축에 대한 관심으로 이어지고 있고 저에너지형 친환경건축으로서 목조건축의 활성화방안이 활발하게 논의되고 있다.
목조건축의 규모가 커지고 집단적 형태의 공급이 늘어난다고 했을 때 그 기술적 토대에 있어 화재안전기술은 중요한 위치에 있다. 목재가 갖는 재료적 특성을 감안한 기술기준의 일반화 또는 표준화는 관련 산업의 성장을 위한 필수조건이 된다. 한편 성능적 설계방법의 도입과 실행은 새로운 디자인과 공법의 적용을 가능하게 한다. 따라서 내화설계를 비롯한 화재안전설계에 있어 다양한 표준의 정립과 성능적기법의 조화를 달성하기 위한 다각적 차원의 연구와 제도적 보완이 필요하다.
출처 :
1. 공업화 목조건축 국제학술심포지엄-“국내 목조 내화구조 현황 및 향후 발전방향”, 여인환외 2인, 2009년
2. EN 1995-1 Eurocode 5-Design of timber structures Part1-2 General rules-Structural fire design, 2004
3. Robert H. White & Mark A. Dietenberger, 'Wood Handbook-Wood as an engineering material'-Chapter 17. Fire Safety, Forest Products Laboratory, U.S.D.A Forest Service, 1999,
Source : CODIL
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