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기사입력 : 2003.09.16 11:14
구조용 집성재와 경골목구조의 내화 성능
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일반인들은 목재에 대해 ‘나무는 탄다’는 인식 때문에 목조주택은 화재에 취약하며 매우 위험하다는 생각을 가지고 있다. 우리나라의 건축법에서도 목구조를 내화구조로 인정하지 않고 있기 때문에 내화구조가 요구되는 경우에는 목구조 건축이 제한을 받고 있는 실정이다. 이러한 인식의 바탕은 모든 구조를 그 구조를 구성하는 재료의 가연성 및 불연성이라는 개념으로 파악하고 있는 고정관념에서 비롯된다고 할 수 있다. 이러한 고정관념은 일반인들이 목조주택에 대하여 가지고 있는 생각과 크게 다르지 않으며 이는 지금까지 오랜 동안 우리가 길들여져 온 사회의 통념이라고 볼 수 있을 것이다.
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세계적인 추세는 구조의 내화 성능을 말 그대로 화재 아래서의 성능을 기준으로 결정하는 방향으로 나아가고 있다. 성능 중심의 기준 또는 법규(performance-based regulation)를 제정하고자 하는 경향은 내화성능뿐만 아니라 구조성능 분야에서도 나타나고 있다.
성능 중심의 법규 제정은 이 지구상의 유한한 재료를 보다 효율적이고 완전하게 이용하여 재료를 절약하고 더 나아가서 지구환경 보존까지 생각하는 한 단계 더 진전된 사고방식이라고 할 수 있을 것이다.
성능 중심의 법규
과거에 재료에 대한 측정이나 시험시설이 미비하고 새로운 재료 및 구조에 대한 연구의 바탕도 마련되지 않은 사회 환경 하에서는 나열식의 법규가 필연적이었을지 몰라도 초현대식 시험시설이 갖추어지고 다양한 연구 기반이 조성되어 있고 재료의 효율적 시용과 지구환경 보호가 인류 생존 및 번영의 최고가치가 된 현대 사회에서는 이러한 나열식의 법규가 연구의 창의성 발현과 새로운 재료 및 공법의 개발에 가장 큰 걸림돌이 되고 있다.
따라서 선진국들은 앞다투어 나열식 법규를 성능 중심의 법규로 전환하기 위한 연구를 진행하여 이미 상당 부분 앞서가고 있는 실정이다.
우리나라도 21세기의 산업 경쟁력을 갖추기 위해서는 각종 제한 사항을 나열하여 자율성 및 창의성을 제한하는 법규를 성능 중심의 법규로 전환하여 합리적이고 효율적으로 한정된 자원을 이용할 수 있도록 지원하는 법적인 체제를 갖추어야 할 것이다.
내화성 측면에서 성능 중심의 법규란 법에서 정하는 내화성능을 나타내는 한 어떠한 재료나 공법이라도 사용이 가능하도록 허용하는 것을 의미한다.
다시 말하면 사용하는 재료가 가연성인지 또는 불연성인지가 중요한 것이 아니고 화재가 발생하였을 때 내부 거주자의 안전과 재산 보호를 위하여 요구되는 성능을 어떻게 만족시킬 것인가 하는 점을 중요시하는 것이다.
따라서 성능 중심의 법규를 확정하기 위해서는 여러 가지 건축물이나 구조물에서 안전을 확보하기 위하여 요구되는 수준을 어떻게 설정할 것인가에 대한 연구가 우선적으로 수행되어야 한다.
내화성능 측면에서 최근에는 컴퓨터를 이용하여 화재 위험 및 화재에 의한 피해 발생의 정도에 대한 시뮬레이션 연구가 활발히 진행되고 있으며 이를 통하여 각 건축물에서의 요구되는 내화성능 기준을 설정하고 있다.
건축물에 있어서 요구되는 최소한의 내화성능은 건물의 등급 및 용도, 그리고 인명의 안전에 대한 영향 등을 고려하여 결정된다. 이러한 결정에서 화재에 대한 보호는 다음의 세 가지 영역에서 요구되고 있다
① 화재 발생 시에 구조 안전성
② 화염 전파의 방지
③ 안전한 대피 대책의 강구
화재가 발생하였을 때의 구조 안전성은 구조체에 부여되는 내화성능 등급으로 표현된다. 대부분의 법규에서는 내화성능 등급을 건축물의 주거제한, 크기 및 형태 등과 관련하여 규정하고 있다. 목조건축에서도 이 내화성능 등급이 구조설계에서의 선택을 좌우하는 가장 중요한 요인이 되고 있다.
목재가 비록 가연성의 재료이기는 하지만 그 아름다움과 강인함으로 인하여 인류 역사상 건축재료로 가장 많은 양이 사용되어 왔고 앞으로도 건축재료로서의 목재의 사용은 계속적으로 증가될 것이다.
선진국의 관련 법규
선진국의 건축법규에서도 한 때는 목재의 가연성으로 인하여 내화구조가 요구되는 건축물에서의 목재 사용을 엄격하게 제한하던 시절이 있었다. 당시에 내화구조로는 불연성의 재료만을 인정하였지만 불연성 재료가 화재 안전성을 반드시 보장해 주는 것은 아니었다.
예를 들어서 보호되지 않은 철구조물은 열을 받으면 그 열이 금방 전체 구조물로 전달되고 온도가 상승함에 따라서 급격하게 강도가 감소하여 건축물 전체의 불안정성이 증가하게 된다. 북미지역에서의 시험에 따르면 보호되지 않은 경량 철골 장선 구조는 화재 하에서 10분을 견디지 못하지만 경골 목재 장선 구조는 동일한 화재 조건 하에서 15분 이상을 견디는 것으로 나타났다.
철근콘크리트 구조도 화재 하에서 쉽게 붕괴되지는 않지만 고온에 노출되는 경우에 콘크리트의 균열과 철근의 변형으로 구조적 안정성에 손상을 입게 된다. 따라서 어떠한 구조재료도 화재 하에서 100% 안전한 것은 없으며 여러 가지 공법 및 설계를 통하여 선택된 건축재료가 화재에 의하여 초래될 수 있는 위험요소 속에서 구조 안전성을 확보하여 거주자 및 소방요원을 보호할 수 있도록 사용되어야 할 것이다.
목재도 여러 가지 방법들을 통하여 이러한 요건을 만족시킬 수 있도록 사용될 수 있으며 선진국의 건축법규에서는 이러한 목재의 특징을 인정하고 있다. 북미지역에서는 경골목구조(Wood-Frame) 및 중목구조(Heavy- Timber) 건축의 내화성능을 인정하고 있으며 미국에서는 여기에 추가로 불연성 벽-목재장선 구조의 내화성능도 인정하고 있다.
경골목구조는 공칭 2인치(50mm) 두께의 목재 골조 위에 석고보드를 붙여서 내화성능을 향상시킨 구조로서 주거용 및 상업용 건물의 건축에 사용될 수 있다. 경골목구조에서는 사용되는 재료의 선택 및 조합을 통하여 45분에서 2시간의 내화성능까지 나타낼 수 있으며 특정 구조의 벽체 및 바닥에 대한 내화성능은 시험을 통하여 결정된다.
따라서 북미지역의 모든 건축법규에서는 경골목구조를 거의 모든 주거용 및 상업용 건축물의 건축에 허용하고 있다. 중목구조는 목재 자체로서 화재에 대한 저항력이 뛰어난 큰 치수의 목재를 사용하여 이루어지는 구조이다.
목재는 단열성능이 뛰어나며 불에 타서 탄화된 표면층이 단열성능을 나타내어 내부의 건전목재 부위를 외부의 화재로부터 보호하는 역할을 수행한다. 목재의 탄화속도는 수종과 비중에 따라서 차이가 있지만 일반적으로 0.5∼0.8mm/min를 나타내며 큰 치수의 목재가 심한 화재에 노출되었을 때 내부의 건전부위는 약 10∼15%의 강도 감소만을 나타낸다.
북미지역의 대부분의 건축법규에서는 큰 치수의 목재를 사용하여 내화성능을 부여하는 중목구조를 허용하고 있으며 제재목이나 집성부재는 모두 최소 치수를 규정한 법규의 기준에 적합한 것으로 인정받고 있다.
미국화재보호협회(National Fire Protection Association)에서 500건의 화재에 대하여 조사한 바에 따르면 화재의 원인이 표 1과 같이 나타났다. 위의 표에서 보면 화재 사고의 거의 대부분은 구조체 내에서가 아니라 주택 내에서 시작됨을 알 수 있다.
이는 바로 주택 내에서의 부주의가 화재 발생의 주원인이며 따라서 화재에 대한 주의요령을 올바로 알고 이를 지키는 것이 화재방지를 위하여 가장 중요한 일임을 알 수 있다. 여기에 추가로 내화성능을 고려한 설계가 이루어진다면 목구조도 화재안전이 확보된 구조로서 다른 구조의 건축물들과 동일하게 인정을 받을 수 있게 될 것이다.
경골목구조의 내화성능
경골목구조는 두께 공칭 50mm(실제 38mm)의 비교적 얇은 목재가 사용되기 때문에 목재 자체의 화재에 대한 저항능력으로 구조적인 안전성을 확보하기가 힘들기 때문에 목재 골조의 내부에 석고보드를 설치하여 화재에 대한 저항능력을 보충하고 있다.
내화성능의 측면에서 보면 골조부재와 석고보드 이외에 골조 사이 사이에 들어가는 유리섬유 단열재도 화염이 골조부재에 접근하는 것을 차단하여 구조부재의 연소를 방지 또는 지연시키는 중요한 기능을 갖는다.
따라서 경골목조주택에서는 골조부재, 석고보드 그리고 유리섬유 단열재의 3가지 요소가 적절히 조합을 이루어 필요한 내화성능을 나타내게 된다. 이들 요소의 조합을 적절하게 만들어나가는 것은 건축물을 완성해 나아가는 시공기술이라고 볼 수 있다.
자재와 시공기술이 이상적으로 조화를 이루면 만약의 경우에 화재가 발생하더라도 주택 거주자의 생명을 안전하게 보호할 수 있는 화재안전성을 확보할 수 있게 될 것이다.
경골목구조에서는 주택 내의 한 공간에서 발생한 화재가 다른 공간으로 번지는 것을 방지하기 위하여 골조부재의 사이사이에 약 2.4m 간격으로 화염막이(fire stop)를 설치된다. 일반적으로는 경골목구조의 수직 및 수평 골조부재들이 화염막이의 역할을 대신 나타내지만 필요한 경우에는 순수한 화염막이의 역할을 위한 부재를 설치하기도 한다.
건축물의 내화성능 요건
건축물 중에서 단독주택의 경우에는 특별히 요구되는 내화성능 조건이 법규에 정하여져 있지 않다. 그러나 공동주택 또는 3층 이상의 주택의 경우에 건축물의 각 부위별로 요구되는 내화성능(안)은 <표 2>와 같다.
<표 2>의 내화성능 요건은 화재 시에 공동주택 내에 거주하는 사람들의 안전을 확보할 수 있는 최소한의 필요 성능으로서 현재 건설교통부 고시인 목구조설계기준 개정(안)에 수록되어 있다.
일반적으로 목재는 350℃ 이상의 고열에 노출되어야 목재 조직이 분해되기 시작하고 목재조직의 분해에 의하여 발생하는 가스에 불길이 점화되어 목재가 불에 타기 시작하는 것이다. 목재가 고온에 의하여 불에 타면 목재의 주성분인 C, H, O 중에서 H와 O는 물(H2O)로 증발되고 C만 남게 된다.
타고남은 목재가 검게 보이는 것은 바로 남아있는 탄소의 색이 검게 보이기 때문이다. 탄소층은 그 자체가 단열성능이 높기 때문에 열이 내부의 건전한 목재로 전달되는 것을 차단하는 기능을 갖는다.
경골목구조에서는 골조부재의 치수가 작기 때문에 먼저 열이 구조체 내의 골조부재에 전달되는 것을 최대한 지연시켜야 한다. 골조부재의 온도가 350℃ 이상에 도달하지 않으면 목재의 탄화가 시작되지 않기 때문에 가능하면 오랜 시간 동안 골조부재의 온도를 350℃ 이하로 유지할 수 있도록 화재 발생 초기에 석고보드가 보호기능을 나타내게 된다.
그러나 일반적으로 화염의 온도가 1000℃ 정도에 이르는 고온 하에서 석고보드는 약 30분 정도 버틸 수 있으며 그 이후에는 골조부재로 화염이 전파되어 골조부재의 탄화가 시작된다.
이 때 골조부재 사이에 유리섬유 단열재가 제대로 채워져 있으면 화염이 골조부재의 측면으로부터 접근하는 것을 차단하여 골조부재가 화재에 대하여 견디는 시간을 증가시켜 주게 된다.
구조에서 석고보드의 단열성능이 전체적인 구조의 내화성능에 가장 중요한 요소이다. 따라서 석고보드를 올바르게 시공하여야 구조 전체의 내화성능을 보장받을 수 있으며 화재안전성을 확보할 수 있게 될 것이다.
일반적으로 석고보드를 설치할 때에 벽에서는 석고보드용 못을 사용하고 천장에는 나사못을 사용하게 된다. 석고보드에 열이 가해지면 석고보드의 넓은 면은 열에 대한 저항능력을 나타내지만 못이나 나사못 등의 쇠 부분이 열에 약하여 쉽게 열이 전달되고 철물 주변의 목재가 타게 되며 못의 열로 인하여 못 주변의 석고보드에 열화가 발생하여 빨리 약해지기 때문에 석고보드가 떨어져 나가게 된다.
따라서 석고보드가 내화성능을 나타내는 시간 동안에 석고보드가 골조부재에 붙어있는 상태로 유지될 수 있도록 못이나 나사못을 잘 사용하여야 할 것이다.
구조용 집성재의 내화성능
구조용 집성재의 장점
구조용 집성재는 경골목구조에서도 헤더 또는 큰보 등과 같이 하중이 많이 작용하는 부위에 사용되기도 하지만 주된 용도는 중목구조 건축용 재료이다.
중목구조는 큰 치수의 목재를 기둥 또는 보로 사용하여 건물의 전체적인 하중을 지지하는 건축물로서 소재(solid wood)는 큰 치수로 구하기가 쉽지 않고 건조가 어려우며 사용 중에 건조 결함이 많이 발생하기 때문에 구조용 집성재를 일반적으로 많이 사용하고 있다.
구조용 집성재는 층재 하나 하나를 건조한 후에 접착한 제품이기 때문에 이미 실내 조건에 적합하도록 건조되어 있고 접착층의 수를 늘리면 원하는 치수를 마음대로 생산할 수 있기 때문에 치수의 제한을 받지 않으며 소재에서 나타나는 목재의 결점을 제거 또는 분산시킴으로써 소재보다 강한 구조적 특성을 지니고 외형에서 목재의 아름다움을 그대로 느낄 수 있기 때문에 점차 그 사용량이 늘어나고 있는 추세이다.
집성재는 비교적 치수가 작은 원목에서 제재한 목재를 이용하여 큰 단면 치수의 제품을 생산할 수 있기 때문에 귀중한 목재 자원의 효율적인 이용과 지구환경 보호라는 측면에서도 매우 바람직한 재료이다.
구조용 집성재는 층재의 품질, 층재의 배치, 접착제의 종류 및 접착공정 등에 따라서 품질 및 강도등급이 결정되며 이러한 준비 공정의 조합에 의하여 원하는 등급의 제품을 생산할 수 있기 때문에 품질의 임의 조절이 가능한 공학목재로 분류된다.
지구상에서 한정된 천연자원을 효율적으로 활용하고 낮은 강도 등급의 원목에서 높은 강도 등급의 제품을 생산하며 작은 치수의 목재에서 큰 치수의 제품을 생산할 수 있으며 외부 하중에 대한 저항력이 강하고 화재에 대해서도 강한 저항력을 나타내며 구조용 부재가 내장의 효과까지 겸할 수 있기 때문에 경제성이 우수한 점 등 수많은 장점들로 인하여 구조용 집성재의 수요는 점차 증가하고 있다.
주거용 주택, 상업용 건물, 체육관, 수영장, 스케이트장, 집회장, 숙박시설, 공장 등의 거의 모든 용도의 건축물에 사용되고 있으며 교량, 부두시설, 데크, 저장시설 등의 용도에도 다양하게 사용되고 있다.
구조용 집성재는 구조용 재료로서 강도뿐만 아니라 화재 상황에서도 높은 온도에 대하여 우수한 저항능력을 나타내어 화재 안전성을 보장하는 구조용 재료로 인정받고 있다. 큰 화재의 현장에서 구조용 집성재 부재는 화재 후에도 제 자리를 지키고 있고 그 위에 철제 보들이 축 처진 채로 걸쳐져 있는 것을 볼 수 있다.
구조용 집성재 건물에 화재가 발생하면 많은 경우에 집성부재 표면의 그을린 부위를 긁어내고 새로 도장하여 그대로 구조용재로 다시 사용할 수 있게 된다.
그 만큼 구조용 집성재는 화재로 인한 손실이나 결함의 발생이 적다는 사실을 의미하는 것이다. 이러한 점에서는 화재에 의하여 타지는 않지만 열에 의하여 강도 손실 및 변형이 심하게 발생하는 철골조나 철근콘크리트 구조보다도 오히려 구조용 집성재 구조가 더욱 유리하다고 할 수 있다.
앞으로의 사회에서는 건축물의 불연성보다는 화재안전이라는 개념이 보다 폭넓게 적용되리라고 생각한다. 화재안전이란 화재가 발생하였을 때 건축물의 실내에 거주하는 사람의 안전을 확보해 줄 수 있는 대피시설 및 구조적 안전성을 포함하는 개념이다.
건축물의 구조용 재료 측면에서 보면 구조적 안전성과 깊은 관계를 맺고 있으며 화재 하에서 건축물의 구조용 재료들은 실내의 거주자들이 대피하고 소방요원들이 화재를 진압하는 동안 건물의 붕괴를 방지할 수 있는 능력을 보유하여야 한다.
구조용 재료의 화재안정성에는 재료의 불연성, 열에 의한 강도 손실 및 변형 등의 요소들이 관련되어 있다. 구조용 집성재는 불연성의 측면에서는 불연성의 철이나 콘크리트 등의 재료에 비하여 불리하지만 탄화속도가 느리고 내부로의 열전도율이 낮기 때문에 목재 표면의 가연성은 그렇게 큰 단점이 되지는 않는다.
오히려 열에 의한 강도 손실 및 변형의 측면에서 보면 구조용 집성재는 다른 재료들에 비하여 매우 유리한 성질을 지니고 있다.
구조용 집성재의 표면은 불에 타지만 표면 탄화층과 목재 자체의 열전도율이 낮기 때문에 내부는 그대로 평시의 온도를 유지할 수 있으며 열로 인한 강도의 손실도 미미한 수준에 그치게 된다.
시간이 지나면서 표면의 탄화층이 증가하게 되면 탄화에 의하여 손실된 면적만큼의 강도 감소는 나타나지만 내부의 탄화되지 않은 부분은 초기의 강도를 거의 그대로 유지하고 있다.
따라서 구조용 집성재에서는 목재의 탄화속도를 고려하여 구조적으로 필요한 치수에 탄화치수를 더하여 구조부재의 치수를 결정함으로써 건축물의 화재안전을 확보하게 된다. 목재는 열에 의하여 팽장이나 변형이 거의 나타나지 않으며 목재의 변형이나 결점 발생의 가장 큰 요인은 수분과의 관계이다.
구조용 집성재는 제조과정에서 함수율 12% 내외로 건조된 목재를 사용하여 제조되기 때문에 화재 시에 열에 의한 수분의 변동이 거의 없으며 따라서 변형의 발생 가능성도 매우 낮다고 할 수 있다.
이에 비하여 철이나 콘크리트 등은 열팽창으로 인한 과도한 변형에 의하여 건축물 전체의 구조적인 안전성을 확보하기가 어려워지며 화재 후에 해당 재료를 다시 사용할 수 없게 만드는 요인이 되고 있다.
따라서 구조용 재료로서의 강도 특성과 사용 중의 화재안전이라는 두가지 측면을 모두 고려한다면 구조용 집성재만큼 유리한 재료는 아직까지 없다고 할 수 있다.
구조용 집성재의 탄화속도
구조용 집성재는 화재 하에서 표면 탄화층과 목재 자체의 낮은 열전도율에 기초하여 내화성능을 확보하게 된다. 구조용 집성재 기둥이나 보의 경우에 건축물에서 구조부재의 배치에 따라서 4면 또는 3면으로부터 화재의 영향을 받게 되며 각각의 경우에 <그림 1> 또는 <그림 2>와 같은 형태로 탄화가 진행된다.
<그림 1> 및 <그림 2>에서 표면의 탄화층은 강도가 모두 손실되었으며 그 내부의 얇은 층은 강도가 일부 손실되었으나 내부의 대부분은 건전상태로서 원래의 강도를 유지하는 것으로 볼 수 있다.
따라서 구조용 집성재 건축물에서는 구조용재가 일정 시간 탄화 후에도 남은 부분의 강도적인 성질이 구조물의 하중을 지지하기에 충분하도록 설계함으로써 화재 안전성을 확보할 수 있게 된다.
구조용 집성재에서 원래의 단면은 직사각형이지만 화재에 노출 후 짧은 시간 내에 모서리 부분이 둥글게 타들어 간다. 이러한 현상은 모서리 부분이 양쪽 방향에서 화재로 인한 높은 온도의 영향을 받아서 빠르게 탄화되기 때문이다.
표면의 탄화층과 내부의 목재 사이에는 분명한 구분이 되며 목재가 탄화되기 시작하는 온도는 약 300℃ 정도이다. 탄화층 내부의 목재부분은 탄화층으로부터 약 35mm 정도의 깊이까지 가열되며 그 내부는 초기의 목재 온도와 동일하게 유지되는 것으로 알려져 있다.
일반적으로 구조용 집성부재의 경우에는 원래의 치수에서 탄화깊이를 고려하여 감소된 치수를 기준으로 구조설계가 이루어진다. 여기에 안전계수를 고려하여 설계하중의 크기를 더 감소시키게 되므로 실제로 구조부재는 원래 치수에 해당하는 전체적인 강도성능의 일부분에 해당하는 하중만을 받게 된다.
따라서 탄화에 의하여 감소된 집성부재의 단면이 작용하는 하중을 지지할 수 없는 정도가 될 때까지는 화재 하에서도 건축물에 작용하는 하중을 안전하게 지지할 수 있게 된다. 휨하중을 지지하는 부재의 경우에는 탄화에 의하여 감소된 단면 때문에 부재의 단면계수가 감소되며 이로 인하여 동일 휨모멘트 조건에서 휨응력이 증가되고 이 값이 재료의 휨강도를 초과하면 파괴가 발생한다.
섬유방향 인장응력을 받는 부재는 감소된 단면으로 인하여 인장응력이 증가되고 이 값이 재료의 인장강도를 초과하면 파괴가 일어난다. 섬유방향 압축응력을 받는 기둥의 경우에는 단면의 치수 변화에 의하여 변하는 기둥의 세장비(Le/D)에 따라서 파괴형태가 결정된다.
짧은 기둥(Le/D ≤ 0)의 경우에는 감소된 단면으로 인한 압축응력의 증가가 재료의 압축강도를 초과하는 경우에 압축파괴가 발생한다. 긴 기둥(K < Le/D ≤ 50)의 경우에는 단면 감소에 따른 단면2차모멘트 또는 관성모멘트(I)의 감소에 의하여 임계좌굴강도가 초과되는 경우에 파괴가 발생한다.
그러므로 구조용 집성재 건축물의 내화설계를 위해서는 집성재의 탄화속도를 올바로 알아야 한다. 각 나라들마다 별도의 구조부재에 대한 내화성능 시험방법을 규정하고 있으며 이 규정에 따라서 시험을 실시하고 일정 시간 가열한 후에 남은 단면을 측정하여 탄화속도를 측정하게 된다.
지금까지의 내화성능 시험에 의하면 목재를 가열하고 30분 이내에는 목재 내의 수분이 증발하는 단계로서 탄화속도는 수분의 영향을 많이 받아서 일정하지 않은 경향을 보이고 있으며 가열 후 90분이 넘으면 탄화속도가 증가하는 경향을 보이기 때문에 비교적 탄화속도가 균일하게 나타나는 가열 후 30분 ∼ 90분의 범위 내에서 탄화속도를 측정하게 된다. 각 나라들의 내화시험 관련 표준들은 다음과 같다:
KS F 2257-1. 건축구조부재의 내화시험 방법-일반 요구사항.
한국표준협회. 1999.
KS F 2257-6. 건축구조부재의 내화시험 방법-보의 성능 기준.
한국표준협회. 1999.
JIS A 1304. 건축구조부분의 내화시험방법. 일본표준협회. 1994.
ASTM E-119. Standard test methods for fire tests of Building
construction and materials. ASTM. 1988.
ISO 834 Fire-resistance tests: Elements of building construction.
ISO. 1975.
BS5268 Part 4. Fire resistance of timber structures. BS. 1978.
AS/NZS 1530.4 Fire-resistance test of elements of building construction.
AS/NZS. 1990.
위의 표준에 의하여 시험을 실시하여 각 나라마다 목재 또는 집성재의 평균탄화속도를 정하여 구조설계에 적용하고 있다. 미국이나 캐나다에서는 1.42in/hr (0.60mm/min)의 탄화속도를 적용하고 있으며 영국과 호주에서는 서부적삼나무(western red cedar)는 0.833mm/min, 비중 0.65 이상의 활엽수는 0.5mm/min 그리고 기타 수종은 0.667mm/min의 탄화속도를 적용하고 있다.
뉴질랜드는 0.65mm/min, 스웨덴은 0.6mm/min, 핀란드는 목재의 경우에는 0.79mm/min 그리고 집성재의 경우에는 0.6mm/min, 러시아는 0.79mm/min, 독일은 0.79mm/min, 그리고 프랑스는 0.6mm/min의 탄화속도를 적용하고 있다.
일본에서는 수종과 가공방법 등에 따라서 수종별로 차이가 나지만 일반적으로 0.6∼0.7mm/min의 탄화속도를 적용하고 있다.
그 동안 세계적으로 많은 실험들이 있었지만 시험조건과 시험장치 그리고 재료의 상태 등의 차이로 인하여 동일 수종의 경우에도 시험자에 따라서 약간씩의 차이는 나지만 일반적으로 0.6mm/min 내외의 탄화속도를 나타내는 것으로 인정되고 있다.
접합부의 내화설계
집성재 구조에서 화재에 가장 취약한 부분은 부재와 기초 사이의 철물접합부 또는 부재와 부재 사이의 철물접합부이다. 1시간 내화 건축물에서는 구조용 집성부재 자체뿐만 아니라 이들 접합부도 1시간의 내화성능을 지녀야 한다.
그러나 철물은 화재에 매우 약하기 때문에 철물이 외부에 노출되는 구조로는 1시간 내화성능을 나타낼 수 없기 때문에 철물이 외부에 노출되지 않도록 목재 부재 내부에 숨겨야 한다. 이러한 접합부의 예는 <그림 6, 7, 8, 9, 10 및 11>과 같다.
결론
구조용 집성재는 구조용재이면서 동시에 마감재료로서의 뛰어난 장식성을 지니고 있으며 내화성능의 측면에서도 매우 유리한 재료이다.
제한된 천연자원을 활용하여 점차 늘어나는 지구상의 사람들을 위한 재료를 제공하고 또한 지구 환경을 보존하여 후손들에게 지구를 살만한 땅으로 물려주어야 하는 책임을 지고있는 앞으로의 사회에서는 점차 목재 자원의 중요성이 강조될 것이다.
유한한 자원을 효율적으로 사용한다는 측면에서도 구조용 집성재는 매우 우수하며 앞으로 그 용도가 더욱 확대되어 갈 것으로 생각한다.
우리나라에서는 아직까지 구조용 집성재의 사용 경험이 풍부하지 못하고 현재 구조용 집성재 건물의 실례가 많지 않기 때문에 사용을 망설이는 경우가 많지만 앞으로 이에 대한 수요는 필연적으로 점차 증가할 것이다.
왜냐하면 구조용 집성재와 같이 우수한 내화성능과 구조적 성능 그리고 장식적인 아름다움을 동시에 지닌 재료는 우리 주변에서 없기 때문이다.田
글 장상식(한국목조건축협회 회장 02-554-0611)
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일반인들은 목재에 대해 ‘나무는 탄다’는 인식 때문에 목조주택은 화재에 취약하며 매우 위험하다는 생각을 가지고 있다. 우리나라의 건축법에서도 목구조를 내화구조로 인정하지 않고 있기 때문에 내화구조가 요구되는 경우에는 목구조 건축이 제한을 받고 있는 실정이다. 이러한 인식의 바탕은 모든 구조를 그 구조를 구성하는 재료의 가연성 및 불연성이라는 개념으로 파악하고 있는 고정관념에서 비롯된다고 할 수 있다. 이러한 고정관념은 일반인들이 목조주택에 대하여 가지고 있는 생각과 크게 다르지 않으며 이는 지금까지 오랜 동안 우리가 길들여져 온 사회의 통념이라고 볼 수 있을 것이다.
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세계적인 추세는 구조의 내화 성능을 말 그대로 화재 아래서의 성능을 기준으로 결정하는 방향으로 나아가고 있다. 성능 중심의 기준 또는 법규(performance-based regulation)를 제정하고자 하는 경향은 내화성능뿐만 아니라 구조성능 분야에서도 나타나고 있다.
성능 중심의 법규 제정은 이 지구상의 유한한 재료를 보다 효율적이고 완전하게 이용하여 재료를 절약하고 더 나아가서 지구환경 보존까지 생각하는 한 단계 더 진전된 사고방식이라고 할 수 있을 것이다.
성능 중심의 법규
과거에 재료에 대한 측정이나 시험시설이 미비하고 새로운 재료 및 구조에 대한 연구의 바탕도 마련되지 않은 사회 환경 하에서는 나열식의 법규가 필연적이었을지 몰라도 초현대식 시험시설이 갖추어지고 다양한 연구 기반이 조성되어 있고 재료의 효율적 시용과 지구환경 보호가 인류 생존 및 번영의 최고가치가 된 현대 사회에서는 이러한 나열식의 법규가 연구의 창의성 발현과 새로운 재료 및 공법의 개발에 가장 큰 걸림돌이 되고 있다.
따라서 선진국들은 앞다투어 나열식 법규를 성능 중심의 법규로 전환하기 위한 연구를 진행하여 이미 상당 부분 앞서가고 있는 실정이다.
우리나라도 21세기의 산업 경쟁력을 갖추기 위해서는 각종 제한 사항을 나열하여 자율성 및 창의성을 제한하는 법규를 성능 중심의 법규로 전환하여 합리적이고 효율적으로 한정된 자원을 이용할 수 있도록 지원하는 법적인 체제를 갖추어야 할 것이다.
내화성 측면에서 성능 중심의 법규란 법에서 정하는 내화성능을 나타내는 한 어떠한 재료나 공법이라도 사용이 가능하도록 허용하는 것을 의미한다.
다시 말하면 사용하는 재료가 가연성인지 또는 불연성인지가 중요한 것이 아니고 화재가 발생하였을 때 내부 거주자의 안전과 재산 보호를 위하여 요구되는 성능을 어떻게 만족시킬 것인가 하는 점을 중요시하는 것이다.
따라서 성능 중심의 법규를 확정하기 위해서는 여러 가지 건축물이나 구조물에서 안전을 확보하기 위하여 요구되는 수준을 어떻게 설정할 것인가에 대한 연구가 우선적으로 수행되어야 한다.
내화성능 측면에서 최근에는 컴퓨터를 이용하여 화재 위험 및 화재에 의한 피해 발생의 정도에 대한 시뮬레이션 연구가 활발히 진행되고 있으며 이를 통하여 각 건축물에서의 요구되는 내화성능 기준을 설정하고 있다.
건축물에 있어서 요구되는 최소한의 내화성능은 건물의 등급 및 용도, 그리고 인명의 안전에 대한 영향 등을 고려하여 결정된다. 이러한 결정에서 화재에 대한 보호는 다음의 세 가지 영역에서 요구되고 있다
① 화재 발생 시에 구조 안전성
② 화염 전파의 방지
③ 안전한 대피 대책의 강구
화재가 발생하였을 때의 구조 안전성은 구조체에 부여되는 내화성능 등급으로 표현된다. 대부분의 법규에서는 내화성능 등급을 건축물의 주거제한, 크기 및 형태 등과 관련하여 규정하고 있다. 목조건축에서도 이 내화성능 등급이 구조설계에서의 선택을 좌우하는 가장 중요한 요인이 되고 있다.
목재가 비록 가연성의 재료이기는 하지만 그 아름다움과 강인함으로 인하여 인류 역사상 건축재료로 가장 많은 양이 사용되어 왔고 앞으로도 건축재료로서의 목재의 사용은 계속적으로 증가될 것이다.
선진국의 관련 법규
선진국의 건축법규에서도 한 때는 목재의 가연성으로 인하여 내화구조가 요구되는 건축물에서의 목재 사용을 엄격하게 제한하던 시절이 있었다. 당시에 내화구조로는 불연성의 재료만을 인정하였지만 불연성 재료가 화재 안전성을 반드시 보장해 주는 것은 아니었다.
예를 들어서 보호되지 않은 철구조물은 열을 받으면 그 열이 금방 전체 구조물로 전달되고 온도가 상승함에 따라서 급격하게 강도가 감소하여 건축물 전체의 불안정성이 증가하게 된다. 북미지역에서의 시험에 따르면 보호되지 않은 경량 철골 장선 구조는 화재 하에서 10분을 견디지 못하지만 경골 목재 장선 구조는 동일한 화재 조건 하에서 15분 이상을 견디는 것으로 나타났다.
철근콘크리트 구조도 화재 하에서 쉽게 붕괴되지는 않지만 고온에 노출되는 경우에 콘크리트의 균열과 철근의 변형으로 구조적 안정성에 손상을 입게 된다. 따라서 어떠한 구조재료도 화재 하에서 100% 안전한 것은 없으며 여러 가지 공법 및 설계를 통하여 선택된 건축재료가 화재에 의하여 초래될 수 있는 위험요소 속에서 구조 안전성을 확보하여 거주자 및 소방요원을 보호할 수 있도록 사용되어야 할 것이다.
목재도 여러 가지 방법들을 통하여 이러한 요건을 만족시킬 수 있도록 사용될 수 있으며 선진국의 건축법규에서는 이러한 목재의 특징을 인정하고 있다. 북미지역에서는 경골목구조(Wood-Frame) 및 중목구조(Heavy- Timber) 건축의 내화성능을 인정하고 있으며 미국에서는 여기에 추가로 불연성 벽-목재장선 구조의 내화성능도 인정하고 있다.
경골목구조는 공칭 2인치(50mm) 두께의 목재 골조 위에 석고보드를 붙여서 내화성능을 향상시킨 구조로서 주거용 및 상업용 건물의 건축에 사용될 수 있다. 경골목구조에서는 사용되는 재료의 선택 및 조합을 통하여 45분에서 2시간의 내화성능까지 나타낼 수 있으며 특정 구조의 벽체 및 바닥에 대한 내화성능은 시험을 통하여 결정된다.
따라서 북미지역의 모든 건축법규에서는 경골목구조를 거의 모든 주거용 및 상업용 건축물의 건축에 허용하고 있다. 중목구조는 목재 자체로서 화재에 대한 저항력이 뛰어난 큰 치수의 목재를 사용하여 이루어지는 구조이다.
목재는 단열성능이 뛰어나며 불에 타서 탄화된 표면층이 단열성능을 나타내어 내부의 건전목재 부위를 외부의 화재로부터 보호하는 역할을 수행한다. 목재의 탄화속도는 수종과 비중에 따라서 차이가 있지만 일반적으로 0.5∼0.8mm/min를 나타내며 큰 치수의 목재가 심한 화재에 노출되었을 때 내부의 건전부위는 약 10∼15%의 강도 감소만을 나타낸다.
북미지역의 대부분의 건축법규에서는 큰 치수의 목재를 사용하여 내화성능을 부여하는 중목구조를 허용하고 있으며 제재목이나 집성부재는 모두 최소 치수를 규정한 법규의 기준에 적합한 것으로 인정받고 있다.
미국화재보호협회(National Fire Protection Association)에서 500건의 화재에 대하여 조사한 바에 따르면 화재의 원인이 표 1과 같이 나타났다. 위의 표에서 보면 화재 사고의 거의 대부분은 구조체 내에서가 아니라 주택 내에서 시작됨을 알 수 있다.
이는 바로 주택 내에서의 부주의가 화재 발생의 주원인이며 따라서 화재에 대한 주의요령을 올바로 알고 이를 지키는 것이 화재방지를 위하여 가장 중요한 일임을 알 수 있다. 여기에 추가로 내화성능을 고려한 설계가 이루어진다면 목구조도 화재안전이 확보된 구조로서 다른 구조의 건축물들과 동일하게 인정을 받을 수 있게 될 것이다.
경골목구조의 내화성능
경골목구조는 두께 공칭 50mm(실제 38mm)의 비교적 얇은 목재가 사용되기 때문에 목재 자체의 화재에 대한 저항능력으로 구조적인 안전성을 확보하기가 힘들기 때문에 목재 골조의 내부에 석고보드를 설치하여 화재에 대한 저항능력을 보충하고 있다.
내화성능의 측면에서 보면 골조부재와 석고보드 이외에 골조 사이 사이에 들어가는 유리섬유 단열재도 화염이 골조부재에 접근하는 것을 차단하여 구조부재의 연소를 방지 또는 지연시키는 중요한 기능을 갖는다.
따라서 경골목조주택에서는 골조부재, 석고보드 그리고 유리섬유 단열재의 3가지 요소가 적절히 조합을 이루어 필요한 내화성능을 나타내게 된다. 이들 요소의 조합을 적절하게 만들어나가는 것은 건축물을 완성해 나아가는 시공기술이라고 볼 수 있다.
자재와 시공기술이 이상적으로 조화를 이루면 만약의 경우에 화재가 발생하더라도 주택 거주자의 생명을 안전하게 보호할 수 있는 화재안전성을 확보할 수 있게 될 것이다.
경골목구조에서는 주택 내의 한 공간에서 발생한 화재가 다른 공간으로 번지는 것을 방지하기 위하여 골조부재의 사이사이에 약 2.4m 간격으로 화염막이(fire stop)를 설치된다. 일반적으로는 경골목구조의 수직 및 수평 골조부재들이 화염막이의 역할을 대신 나타내지만 필요한 경우에는 순수한 화염막이의 역할을 위한 부재를 설치하기도 한다.
건축물의 내화성능 요건
건축물 중에서 단독주택의 경우에는 특별히 요구되는 내화성능 조건이 법규에 정하여져 있지 않다. 그러나 공동주택 또는 3층 이상의 주택의 경우에 건축물의 각 부위별로 요구되는 내화성능(안)은 <표 2>와 같다.
<표 2>의 내화성능 요건은 화재 시에 공동주택 내에 거주하는 사람들의 안전을 확보할 수 있는 최소한의 필요 성능으로서 현재 건설교통부 고시인 목구조설계기준 개정(안)에 수록되어 있다.
일반적으로 목재는 350℃ 이상의 고열에 노출되어야 목재 조직이 분해되기 시작하고 목재조직의 분해에 의하여 발생하는 가스에 불길이 점화되어 목재가 불에 타기 시작하는 것이다. 목재가 고온에 의하여 불에 타면 목재의 주성분인 C, H, O 중에서 H와 O는 물(H2O)로 증발되고 C만 남게 된다.
타고남은 목재가 검게 보이는 것은 바로 남아있는 탄소의 색이 검게 보이기 때문이다. 탄소층은 그 자체가 단열성능이 높기 때문에 열이 내부의 건전한 목재로 전달되는 것을 차단하는 기능을 갖는다.
경골목구조에서는 골조부재의 치수가 작기 때문에 먼저 열이 구조체 내의 골조부재에 전달되는 것을 최대한 지연시켜야 한다. 골조부재의 온도가 350℃ 이상에 도달하지 않으면 목재의 탄화가 시작되지 않기 때문에 가능하면 오랜 시간 동안 골조부재의 온도를 350℃ 이하로 유지할 수 있도록 화재 발생 초기에 석고보드가 보호기능을 나타내게 된다.
그러나 일반적으로 화염의 온도가 1000℃ 정도에 이르는 고온 하에서 석고보드는 약 30분 정도 버틸 수 있으며 그 이후에는 골조부재로 화염이 전파되어 골조부재의 탄화가 시작된다.
이 때 골조부재 사이에 유리섬유 단열재가 제대로 채워져 있으면 화염이 골조부재의 측면으로부터 접근하는 것을 차단하여 골조부재가 화재에 대하여 견디는 시간을 증가시켜 주게 된다.
구조에서 석고보드의 단열성능이 전체적인 구조의 내화성능에 가장 중요한 요소이다. 따라서 석고보드를 올바르게 시공하여야 구조 전체의 내화성능을 보장받을 수 있으며 화재안전성을 확보할 수 있게 될 것이다.
일반적으로 석고보드를 설치할 때에 벽에서는 석고보드용 못을 사용하고 천장에는 나사못을 사용하게 된다. 석고보드에 열이 가해지면 석고보드의 넓은 면은 열에 대한 저항능력을 나타내지만 못이나 나사못 등의 쇠 부분이 열에 약하여 쉽게 열이 전달되고 철물 주변의 목재가 타게 되며 못의 열로 인하여 못 주변의 석고보드에 열화가 발생하여 빨리 약해지기 때문에 석고보드가 떨어져 나가게 된다.
따라서 석고보드가 내화성능을 나타내는 시간 동안에 석고보드가 골조부재에 붙어있는 상태로 유지될 수 있도록 못이나 나사못을 잘 사용하여야 할 것이다.
구조용 집성재의 내화성능
구조용 집성재의 장점
구조용 집성재는 경골목구조에서도 헤더 또는 큰보 등과 같이 하중이 많이 작용하는 부위에 사용되기도 하지만 주된 용도는 중목구조 건축용 재료이다.
중목구조는 큰 치수의 목재를 기둥 또는 보로 사용하여 건물의 전체적인 하중을 지지하는 건축물로서 소재(solid wood)는 큰 치수로 구하기가 쉽지 않고 건조가 어려우며 사용 중에 건조 결함이 많이 발생하기 때문에 구조용 집성재를 일반적으로 많이 사용하고 있다.
구조용 집성재는 층재 하나 하나를 건조한 후에 접착한 제품이기 때문에 이미 실내 조건에 적합하도록 건조되어 있고 접착층의 수를 늘리면 원하는 치수를 마음대로 생산할 수 있기 때문에 치수의 제한을 받지 않으며 소재에서 나타나는 목재의 결점을 제거 또는 분산시킴으로써 소재보다 강한 구조적 특성을 지니고 외형에서 목재의 아름다움을 그대로 느낄 수 있기 때문에 점차 그 사용량이 늘어나고 있는 추세이다.
집성재는 비교적 치수가 작은 원목에서 제재한 목재를 이용하여 큰 단면 치수의 제품을 생산할 수 있기 때문에 귀중한 목재 자원의 효율적인 이용과 지구환경 보호라는 측면에서도 매우 바람직한 재료이다.
구조용 집성재는 층재의 품질, 층재의 배치, 접착제의 종류 및 접착공정 등에 따라서 품질 및 강도등급이 결정되며 이러한 준비 공정의 조합에 의하여 원하는 등급의 제품을 생산할 수 있기 때문에 품질의 임의 조절이 가능한 공학목재로 분류된다.
지구상에서 한정된 천연자원을 효율적으로 활용하고 낮은 강도 등급의 원목에서 높은 강도 등급의 제품을 생산하며 작은 치수의 목재에서 큰 치수의 제품을 생산할 수 있으며 외부 하중에 대한 저항력이 강하고 화재에 대해서도 강한 저항력을 나타내며 구조용 부재가 내장의 효과까지 겸할 수 있기 때문에 경제성이 우수한 점 등 수많은 장점들로 인하여 구조용 집성재의 수요는 점차 증가하고 있다.
주거용 주택, 상업용 건물, 체육관, 수영장, 스케이트장, 집회장, 숙박시설, 공장 등의 거의 모든 용도의 건축물에 사용되고 있으며 교량, 부두시설, 데크, 저장시설 등의 용도에도 다양하게 사용되고 있다.
구조용 집성재는 구조용 재료로서 강도뿐만 아니라 화재 상황에서도 높은 온도에 대하여 우수한 저항능력을 나타내어 화재 안전성을 보장하는 구조용 재료로 인정받고 있다. 큰 화재의 현장에서 구조용 집성재 부재는 화재 후에도 제 자리를 지키고 있고 그 위에 철제 보들이 축 처진 채로 걸쳐져 있는 것을 볼 수 있다.
구조용 집성재 건물에 화재가 발생하면 많은 경우에 집성부재 표면의 그을린 부위를 긁어내고 새로 도장하여 그대로 구조용재로 다시 사용할 수 있게 된다.
그 만큼 구조용 집성재는 화재로 인한 손실이나 결함의 발생이 적다는 사실을 의미하는 것이다. 이러한 점에서는 화재에 의하여 타지는 않지만 열에 의하여 강도 손실 및 변형이 심하게 발생하는 철골조나 철근콘크리트 구조보다도 오히려 구조용 집성재 구조가 더욱 유리하다고 할 수 있다.
앞으로의 사회에서는 건축물의 불연성보다는 화재안전이라는 개념이 보다 폭넓게 적용되리라고 생각한다. 화재안전이란 화재가 발생하였을 때 건축물의 실내에 거주하는 사람의 안전을 확보해 줄 수 있는 대피시설 및 구조적 안전성을 포함하는 개념이다.
건축물의 구조용 재료 측면에서 보면 구조적 안전성과 깊은 관계를 맺고 있으며 화재 하에서 건축물의 구조용 재료들은 실내의 거주자들이 대피하고 소방요원들이 화재를 진압하는 동안 건물의 붕괴를 방지할 수 있는 능력을 보유하여야 한다.
구조용 재료의 화재안정성에는 재료의 불연성, 열에 의한 강도 손실 및 변형 등의 요소들이 관련되어 있다. 구조용 집성재는 불연성의 측면에서는 불연성의 철이나 콘크리트 등의 재료에 비하여 불리하지만 탄화속도가 느리고 내부로의 열전도율이 낮기 때문에 목재 표면의 가연성은 그렇게 큰 단점이 되지는 않는다.
오히려 열에 의한 강도 손실 및 변형의 측면에서 보면 구조용 집성재는 다른 재료들에 비하여 매우 유리한 성질을 지니고 있다.
구조용 집성재의 표면은 불에 타지만 표면 탄화층과 목재 자체의 열전도율이 낮기 때문에 내부는 그대로 평시의 온도를 유지할 수 있으며 열로 인한 강도의 손실도 미미한 수준에 그치게 된다.
시간이 지나면서 표면의 탄화층이 증가하게 되면 탄화에 의하여 손실된 면적만큼의 강도 감소는 나타나지만 내부의 탄화되지 않은 부분은 초기의 강도를 거의 그대로 유지하고 있다.
따라서 구조용 집성재에서는 목재의 탄화속도를 고려하여 구조적으로 필요한 치수에 탄화치수를 더하여 구조부재의 치수를 결정함으로써 건축물의 화재안전을 확보하게 된다. 목재는 열에 의하여 팽장이나 변형이 거의 나타나지 않으며 목재의 변형이나 결점 발생의 가장 큰 요인은 수분과의 관계이다.
구조용 집성재는 제조과정에서 함수율 12% 내외로 건조된 목재를 사용하여 제조되기 때문에 화재 시에 열에 의한 수분의 변동이 거의 없으며 따라서 변형의 발생 가능성도 매우 낮다고 할 수 있다.
이에 비하여 철이나 콘크리트 등은 열팽창으로 인한 과도한 변형에 의하여 건축물 전체의 구조적인 안전성을 확보하기가 어려워지며 화재 후에 해당 재료를 다시 사용할 수 없게 만드는 요인이 되고 있다.
따라서 구조용 재료로서의 강도 특성과 사용 중의 화재안전이라는 두가지 측면을 모두 고려한다면 구조용 집성재만큼 유리한 재료는 아직까지 없다고 할 수 있다.
구조용 집성재의 탄화속도
구조용 집성재는 화재 하에서 표면 탄화층과 목재 자체의 낮은 열전도율에 기초하여 내화성능을 확보하게 된다. 구조용 집성재 기둥이나 보의 경우에 건축물에서 구조부재의 배치에 따라서 4면 또는 3면으로부터 화재의 영향을 받게 되며 각각의 경우에 <그림 1> 또는 <그림 2>와 같은 형태로 탄화가 진행된다.
<그림 1> 및 <그림 2>에서 표면의 탄화층은 강도가 모두 손실되었으며 그 내부의 얇은 층은 강도가 일부 손실되었으나 내부의 대부분은 건전상태로서 원래의 강도를 유지하는 것으로 볼 수 있다.
따라서 구조용 집성재 건축물에서는 구조용재가 일정 시간 탄화 후에도 남은 부분의 강도적인 성질이 구조물의 하중을 지지하기에 충분하도록 설계함으로써 화재 안전성을 확보할 수 있게 된다.
구조용 집성재에서 원래의 단면은 직사각형이지만 화재에 노출 후 짧은 시간 내에 모서리 부분이 둥글게 타들어 간다. 이러한 현상은 모서리 부분이 양쪽 방향에서 화재로 인한 높은 온도의 영향을 받아서 빠르게 탄화되기 때문이다.
표면의 탄화층과 내부의 목재 사이에는 분명한 구분이 되며 목재가 탄화되기 시작하는 온도는 약 300℃ 정도이다. 탄화층 내부의 목재부분은 탄화층으로부터 약 35mm 정도의 깊이까지 가열되며 그 내부는 초기의 목재 온도와 동일하게 유지되는 것으로 알려져 있다.
일반적으로 구조용 집성부재의 경우에는 원래의 치수에서 탄화깊이를 고려하여 감소된 치수를 기준으로 구조설계가 이루어진다. 여기에 안전계수를 고려하여 설계하중의 크기를 더 감소시키게 되므로 실제로 구조부재는 원래 치수에 해당하는 전체적인 강도성능의 일부분에 해당하는 하중만을 받게 된다.
따라서 탄화에 의하여 감소된 집성부재의 단면이 작용하는 하중을 지지할 수 없는 정도가 될 때까지는 화재 하에서도 건축물에 작용하는 하중을 안전하게 지지할 수 있게 된다. 휨하중을 지지하는 부재의 경우에는 탄화에 의하여 감소된 단면 때문에 부재의 단면계수가 감소되며 이로 인하여 동일 휨모멘트 조건에서 휨응력이 증가되고 이 값이 재료의 휨강도를 초과하면 파괴가 발생한다.
섬유방향 인장응력을 받는 부재는 감소된 단면으로 인하여 인장응력이 증가되고 이 값이 재료의 인장강도를 초과하면 파괴가 일어난다. 섬유방향 압축응력을 받는 기둥의 경우에는 단면의 치수 변화에 의하여 변하는 기둥의 세장비(Le/D)에 따라서 파괴형태가 결정된다.
짧은 기둥(Le/D ≤ 0)의 경우에는 감소된 단면으로 인한 압축응력의 증가가 재료의 압축강도를 초과하는 경우에 압축파괴가 발생한다. 긴 기둥(K < Le/D ≤ 50)의 경우에는 단면 감소에 따른 단면2차모멘트 또는 관성모멘트(I)의 감소에 의하여 임계좌굴강도가 초과되는 경우에 파괴가 발생한다.
그러므로 구조용 집성재 건축물의 내화설계를 위해서는 집성재의 탄화속도를 올바로 알아야 한다. 각 나라들마다 별도의 구조부재에 대한 내화성능 시험방법을 규정하고 있으며 이 규정에 따라서 시험을 실시하고 일정 시간 가열한 후에 남은 단면을 측정하여 탄화속도를 측정하게 된다.
지금까지의 내화성능 시험에 의하면 목재를 가열하고 30분 이내에는 목재 내의 수분이 증발하는 단계로서 탄화속도는 수분의 영향을 많이 받아서 일정하지 않은 경향을 보이고 있으며 가열 후 90분이 넘으면 탄화속도가 증가하는 경향을 보이기 때문에 비교적 탄화속도가 균일하게 나타나는 가열 후 30분 ∼ 90분의 범위 내에서 탄화속도를 측정하게 된다. 각 나라들의 내화시험 관련 표준들은 다음과 같다:
KS F 2257-1. 건축구조부재의 내화시험 방법-일반 요구사항.
한국표준협회. 1999.
KS F 2257-6. 건축구조부재의 내화시험 방법-보의 성능 기준.
한국표준협회. 1999.
JIS A 1304. 건축구조부분의 내화시험방법. 일본표준협회. 1994.
ASTM E-119. Standard test methods for fire tests of Building
construction and materials. ASTM. 1988.
ISO 834 Fire-resistance tests: Elements of building construction.
ISO. 1975.
BS5268 Part 4. Fire resistance of timber structures. BS. 1978.
AS/NZS 1530.4 Fire-resistance test of elements of building construction.
AS/NZS. 1990.
위의 표준에 의하여 시험을 실시하여 각 나라마다 목재 또는 집성재의 평균탄화속도를 정하여 구조설계에 적용하고 있다. 미국이나 캐나다에서는 1.42in/hr (0.60mm/min)의 탄화속도를 적용하고 있으며 영국과 호주에서는 서부적삼나무(western red cedar)는 0.833mm/min, 비중 0.65 이상의 활엽수는 0.5mm/min 그리고 기타 수종은 0.667mm/min의 탄화속도를 적용하고 있다.
뉴질랜드는 0.65mm/min, 스웨덴은 0.6mm/min, 핀란드는 목재의 경우에는 0.79mm/min 그리고 집성재의 경우에는 0.6mm/min, 러시아는 0.79mm/min, 독일은 0.79mm/min, 그리고 프랑스는 0.6mm/min의 탄화속도를 적용하고 있다.
일본에서는 수종과 가공방법 등에 따라서 수종별로 차이가 나지만 일반적으로 0.6∼0.7mm/min의 탄화속도를 적용하고 있다.
그 동안 세계적으로 많은 실험들이 있었지만 시험조건과 시험장치 그리고 재료의 상태 등의 차이로 인하여 동일 수종의 경우에도 시험자에 따라서 약간씩의 차이는 나지만 일반적으로 0.6mm/min 내외의 탄화속도를 나타내는 것으로 인정되고 있다.
접합부의 내화설계
집성재 구조에서 화재에 가장 취약한 부분은 부재와 기초 사이의 철물접합부 또는 부재와 부재 사이의 철물접합부이다. 1시간 내화 건축물에서는 구조용 집성부재 자체뿐만 아니라 이들 접합부도 1시간의 내화성능을 지녀야 한다.
그러나 철물은 화재에 매우 약하기 때문에 철물이 외부에 노출되는 구조로는 1시간 내화성능을 나타낼 수 없기 때문에 철물이 외부에 노출되지 않도록 목재 부재 내부에 숨겨야 한다. 이러한 접합부의 예는 <그림 6, 7, 8, 9, 10 및 11>과 같다.
결론
구조용 집성재는 구조용재이면서 동시에 마감재료로서의 뛰어난 장식성을 지니고 있으며 내화성능의 측면에서도 매우 유리한 재료이다.
제한된 천연자원을 활용하여 점차 늘어나는 지구상의 사람들을 위한 재료를 제공하고 또한 지구 환경을 보존하여 후손들에게 지구를 살만한 땅으로 물려주어야 하는 책임을 지고있는 앞으로의 사회에서는 점차 목재 자원의 중요성이 강조될 것이다.
유한한 자원을 효율적으로 사용한다는 측면에서도 구조용 집성재는 매우 우수하며 앞으로 그 용도가 더욱 확대되어 갈 것으로 생각한다.
우리나라에서는 아직까지 구조용 집성재의 사용 경험이 풍부하지 못하고 현재 구조용 집성재 건물의 실례가 많지 않기 때문에 사용을 망설이는 경우가 많지만 앞으로 이에 대한 수요는 필연적으로 점차 증가할 것이다.
왜냐하면 구조용 집성재와 같이 우수한 내화성능과 구조적 성능 그리고 장식적인 아름다움을 동시에 지닌 재료는 우리 주변에서 없기 때문이다.田
글 장상식(한국목조건축협회 회장 02-554-0611)
