1. 서 론
정부가 발표한 2050년 탄소중립 시나리오에 따르면, 건물 부문의 탄소 배출량은 우리나라 총배출량의 24.6% (2018년 기준, 간접 배출량 포함시)를 차지하고 있으며, 탄소중립사회 실현을 위해서 2030년까지 2018년 탄소배출량(52.1백만 톤) 대비 32.8% (17.1백만 톤) 줄이고, 2050년에는 88.1% (4.6백만 톤) 감축을 목표로 설정하고 있다. 건물 부문의 탈탄소화를 위해서는 탄소배출 건자재의 사용을 최소화시켜야 한다. Fig. 1과 같이, 현대 건축물에 주로 사용되는 건자재인 강재와 콘크리트는 생산과정에서 다량의 화석연료가 사용되어 대량의 이산화탄소가 배출한다. 반면에 목재는 생산과정뿐만 아니라 건축물 사용기간에서 1톤당 약 1,700 kg 이산화탄소를 흡수하고 저장한다.
Fig. 1
Why Wood is Important to Achieve Decarbonization in Construction (Data from 2050 Carbon Neutrality Scenarios)
이러한 목재의 장점을 활용하여 기후변화에 대응하려는 움직임이 전세계적으로 일어나고 있다. 2009년 캐나다 목재우선법을 시작으로 2010년 일본의 공공건축물 목재 이용촉진법, 2017년 미국의 목재혁신법 2021년 프랑스 지속가능성법 등 선진국에서는 목조 건축물 활성화를 위해 다양한 인센티브 정책을 실시하고 있다. 선진국보다 늦은 행보지만, 국내에서도 산림청이 국토교통부와 협의하여 공공건축물을 중심으로 국산목재를 활용한 목조건축의 생태계 구축에 필요한 법률제정에 많은 노력을 기울이고 있는 실정이다.
2024년에는 기존 목조건축물의 고층화⋅대형화에 필요한 법제도 및 요소기술 개발하기 위해 한국건설기술연구원을 중심으로 구성된 ‘중고층 목구조 연구단’이 출범하였다. 주로 저층의 단독주택에만 국한되던 목재의 활용처를 중고층 건축물로 확대가 가능하게 한 원동력은 매스팀버(Mass timber) 시스템이다.
CLT (Cross laminated timber), NLT (Nail laminatedtimber), DLT (Dowel laminated timber), GLT (Glue laminated timber) 등 제조방식에 따라 다양한 구조용 집성재를 활용하는 매스팀버는 원목에 비해 변형과 수축이 작고 물성이 비교적 일정하여 중고층 건축물 구조용 자재로 적합하다. 그러나, 목재가 가지고 있는 비등방성 재질, 취성파괴, 가연성 등은 지진과 화재로부터 건축물의 구조안전성 확보에 부정적 영향을 끼친다. 따라서, 국산목재 건자재화 및 중고층 목조건축 활성화를 위해서는 국산목재 부재의 내진 및 내화성능을 규명하는 연구가 필요하다.
Yeo et al. (2011)는 북미산 목재를 대상으로 목재의 사이즈와 섬유방향에 따른 목재의 탄화특성을 조사하였다. Choi et al. (2024)는 국산 낙엽송을 사용하여 제조된 Glulam 기둥 실험체를 대상으로 2시간 재하가열실험을 수행하여 목재의 탄화특성을 조사하였다. Li et al. (2024)는 중국에서 건축 구조용으로로 가장 많이 사용되는 목재 6종을 대상으로 Glulam 기둥을 제작하고 비재하가열 실험을 수행하여 내화성능을 평가하였으며, 화재후 잔존단면을 대상으로 구조성능 실험을 수행하여 목재 내화설계법(탄화법)의 타당성을 검증하였다.
이에 본 연구에서는 목조건축용 구조재로 가장 많이 활용되고 있는 낙엽송, 삼나무, 소나무 등으로 제작된 기둥을 비재하가열 실험을 수행하여 목재 수종별 탄화특성을 비교하였고, 목재부재 내화성능 향상에 대한 기존 철골구조에 사용되는 내화보드의 적용범위를 검토하기 위해 방화석고보드, MGO보드, CRC보드 등이 부착된 목재기둥 내화실험을 추가적으로 수행하여 구조체 단면 최소화를 위한 최적 내화설계방법(탄화법, 캡슐화) 도출에 필요한 기초자료를 제공하고자 한다.
2. 국내외 목조부재 내화구조 현황
국내 건축법 제50조 및 건축법시행령 56조에서는 화재시 건축물의 갑작스러운 붕괴로 인한 인명과 재산의 피해를 최소화하기 위해 일정 규모 이상의 건축물의 주요구조부와 지붕은 내화구조로 의무적으로 시공해야 하며, 건축물의 형태와 용도에 따라 건축물의 피난·방화구조 등의 기준에 관한 규칙 별표1에서 요구하는 내화성능 기준을 충족시켜야 한다. 이 연구에서는 목표로 하는 13층 사무실 목조건축의 주요 구조부재별 내화성능시간은 Fig. 2와 같다.
현재 국내에서는 건축물의 피난·방화구조 등의 기준에 관한 규칙 제3조 8호에 의거하여 시험을 통해 인정받은 제품 4층이하 목조건축의 보와 기둥에 적용하기 위해 1시간 내화성능을 받은 것이 대부분이며, 2019년에 준공된 한그린 목조관은 국내 최초로 5층 이상 건축물에 요구되는 2시간 내화성능을 현장인정(내화구조 인정 및 관리기준 제10조) 절차를 통해 인정받았다는 점에서 큰 의미가 있다. 인정받은 목재 내화구조는 건축물의 심미성을 향상시키기 위해 별도의 내화피복없이 목재의 탄화법을 사용하여 내화구조를 달성하였다. 건축법에 따라 13층 사무실 목조건축물의 주요구조부는 3시간 이상 내화성능을 확보해야 하며, 현재국내에서는 관련 기술개발 연구와 다양한 해법에 관한 논의가 진행중에 있다.
미국 건축법 IBC (International Building Code)에서는 Table 1과 같이 매스팀버 건축에 해당하는 Type IV를 대상으로 건축물의 규모에 따라 3가지로 분류하여 요구내화성능을 정의한다. 9층 이하 건축물에 해당하는 Type IV-C는 목재의 캡슐화가 없이 탄화법으로 내화설계가 가능하여 목재의 자연적인 아름다움을 보여주는 것이 가능하나, 12층 이상의 목조건축물(Type IV-A & B)은 Fig. 3과 같이, 목재가 외부로 노출될 시, 가연물로 작용되어 화재성장에 큰 영향을 미치기 때문에 불연재료와의 캡슐화를 의무적으로 해야한다.
3. 내화성능 실험계획
3.1 실험체 계획
구조용 목재 수종별 탄화특성 및 내화보드 시공 유무에 따른 목재기둥의 내화성능 평가·비교를 위해 Table 2와 같이 6개의 실험체를 계획하였다. 구조용 집성재 제조에 사용 가능한 국산 수종인 소나무(Red fine), 삼나무(Cedar), 낙엽송(Larch)을 선정하였고, 내화보드는 건자재 시장에서 일반적으로 많이 사용되는 두께로 구성하여 방화석고보드 15T (Gypsum board) 3장, MGO보드 10T 3장, CRC보드 12T 3장 등 두께가 서로 상이한 내화보드를 기둥 외면에 부착하여 실험체를 제작하였다. 스크류는 실험체 폭(400 mm) 양단 2개소, 길이(900 mm) 3개소 균등 배분점에 배치하여 각 보드 레이어 별 6개의 스크류를 설치하였다. 모서리 부분 스크류는 보드 모서리 끝부분으로부터 최소 50 mm 안쪽에 설치하였고 레이어 간 스크류 간섭이 없도록 20 mm 이상의 간격을 두었다.
Table 2
Concerning Landslides Status in Domestic and Overseas
대형 건축물의 구조부재용 집성재 사각단면 기둥의 내화시험은 KS F 1611-3 (2023) 규정에 따라서 시험체를 제작하고 KS F 2257-1 (2019) 및 KS F 2257-7 (2019)에 명시된 절차에 의거하여 표준화재조건(ISO 834-1: 1999, 1999)에서 4면 노출된 기둥부재의 실험결과를 바탕으로 내화성능을 평가한다. 30분과 1시간 내화성능 발휘가 가능한 기둥부재의 표준단면은 KS F 1611-3 (2023)에 규정되어 있지만, 3시간 내화의 경우 표준단면이 제시되어 있지 않다.
이 연구에서 기둥 실험체 제작에 사용된 목재의 수종 밀도, 함수율, 내화보드 종류, 단면의 실측치수 등을 Table 2에 정리하였다. 목재의 함수율은 단면을 3분할하여, 총 12번 측정한 값의 평균으로 정의하였다. 목재기둥 한 면당 3시간 내화에 필요한 탄화층 135 mm를 가정하여 내화실험체의 단면크기는 □ - 400 × 400으로 선정하였고, 하중을 필요로 하지 않는 비재하시험 여건을 고려하여 실험체의 길이는 900 mm로 설정하였다. 집성재를 제조에 사용된 라미나(Lamina)의 크기는 24 × 60 × 900 (가로 × 세로 × 길이, mm)이며, 집성재 제조 후 실험체 사이즈에 맞도록 제단하였다. 실험 전 실험체의 함수율은 KS F 3021 (2022)의 품질기준 15% 이하를 만족시키는 것으로 확인되었다.
3.2 내화실험 계획
목재의 탄화속도 및 깊이를 추정하기 위해 드릴비트를 사용하여 구멍을 천공한 후 K-type의 시즈열전대(Sheathed thermocouples)를 Fig. 4와 같이 설치하였다. 실험 중에 발생할 수 있는 측정오차를 최소화하기 위해, 목분을 사용하여 천공된 구멍과 열전대 사이 빈공간을 채웠으며, 화염에 의한 열전대 파손 및 전도열 영향을 최소화하기 위해 세라크울 단열재로 열전대를 덮었다. 3500 × 2000 × 900 (길이 × 너비 × 높이, mm) 내부 공간을 갖춘 가스 구동방식의 다목적 수평가열로를 사용하여 가열실험을 수행하였다(Fig. 5(a) 참조). 실험 중 가열로 화염으로부터 발생하는 직접 입사열을 최대한 배제하고 대류로 인한 열전달 메카니즘 구현하기 위해 실험체와 가열로 버너 사이에 ALC 블록을 설치하였으며, 목재기둥 실험체 연소로 인해 미칠 수 있는 영향여인을 최소화하기 위해 Fig. 5(b)와 같이 실험체 사이에 약 600 mm 거리를 이격해서 배치하였다. 내화실험은 KS F 2257-1 (2019)에 따라 Fig. 6(a)와 같이 표준화재곡선(검정색 실선)을 사용하여 3시간 가열하였다. 실험하는 동안 가열로 내부에 설치된 열전대로부터 측정된 평균온도(붉은색과 파란색 점선)는 표준화재곡선과 비교시 내화시험에 규정된 허용온차 범위 이내로 유사한 경향을 보였다(Fig. 6(b) 참조).
4. 내화성능 실험결과
4.1 목재수종별 탄화특성
목재의 탄화특성은 밀도, 함수량, 리그닌(Lignin) 함유량 등에 따라 다르기 떄문에 국내·외 목구조 설계기준에서는 목재수종별 탄화속도 추정식을 제시하고 있다. KS F 1611-3에서는 낙엽송류과 소나무류로 제작된 구조용 집성재의 평균탄화속도를 각각 0.60, 0.65 mm/min로 제시하고 있으며, 이 연구에서 사용한 목재(밀도 290 kg/m3 이상의 GLT)에 대한 유럽 목구조 설계기준(EN 1995-1-2, 2004)에서 제시하는 유효탄화속도는 0.7 mm/min이다.
Fig. 7은 목재표면으로부터 30, 60, 90, 120, 150 mm 깊이에서 측정된 시간-온도 그래프이다. 일반적으로 목재의 밀도가 증가할수록 탄화속도는 낮아진다.유사한 경향을 삼나무와 낙엽송의 실험결과 비교를 통해 확인할 수 있었다. 실험체 중 가장 치밀한 목재 조직을 가지고 있는 낙엽송은 삼나무에 비해 온도상승 속도가 낮은 것으로 나타났다. 100 °C~150 °C 온도 영역에서는 목재 내부 수분이 증발하면 주변의 열을 소산시켜 온도상승을 억제한다. 이러한 수분증발 효과는 밀도가 상대적으로 낮은 삼나무의 시간-온도 그래프에서 뚜렷하게 관측되었다.
Lv et al. (2021)의 연구에 따르면 목재는 200 °C~300 °C 구간에서 열분해층이 형성되며, 탄화층 형성이 시작되는 온도를 정확하게 측정하는 것은 기술적으로 매우 어려운일이다. Janssens and White (1994)과 White and Schaffer (2007)은 실험을 통해 탄화층 형성온도를 각각 288 °C와 360 °C로 제시한 반면에, Xu et al. (2018)는 3차원 열전달해석 결과를 바탕으로 280 °C를 권장하였다. 이 연구에서는 Fig. 7과 같이, 목재 깊이를 300 °C 도달 소요시간으로 나누어 목재의 탄화속도를 산정하였다. 유럽(EN 1995-1-2, 2004)기준과 열전대 측정데이터로부터 산정된 탄화속도를 Fig. 7(f)와 같이 비교하였다. 내화시간 120분까지는 오차범위 20% 이내로 설계기준과 유사한 속도를 보였지만, 120분 이후에는, 탄화깊이 120~150 mm 구간에서 탄화층(300 °C)에 도달에 필요한 소요시간이 비정상적으로 짧아 기준식보다 상당히 높은 값을 나타낸 것으로 확인되었다. 이러한 결과의 원인은 장시간 화재에 노출되면서 열전대가 손상되어측정에 오차가 발생한 것으로 판단되지만 3시간 내화 가열조건에 대응하는 실험 부재의 크기와 설치조건 및 열전대 설치방식 등 다양한 요인이 복합적으로 작용된데 기인한 것으로 판단된다. 따라서, 목재의 탄화특성을 정량적으로 평가하기 위해서는 보다 많은 실험데이터가 뒷받침되어야 할 것으로 판단된다.
4.2 내화보드 차열성능
부착된 내화보드와 목재 접촉면으로부터 0, 30, 60 mm 깊이에 설치한 열전대로부터 측정된 시간-온도 곡선을 Fig. 8에 나타내었다. 3시간 표준화재에 노출 후, 내화보드가 시공된 모든 목재기둥은 구조설계 단면 □ - 130 × 130 이상의 단면을 확보하는 것으로 나타났다. 내화보드 설치를 통해 향상된 내화시간을 분석하기 위해 열전대 측정 깊이별 탄화층 형성에 소요된 시간을 Table 3에 정리하였다. 30 mm 깊이에서 무피복 실험체 C3는 탄화층이 형성되는데 약 53분이 소요된 반면에, 방화석고보드 15 T, CRC보드 12 T, MgO보드 10 T가 부착된 실험체들은 각각 148분, 88분, 110분이 소요되어 내화보드는 최대 95분의 내화성능 향상에 기여하는 것으로 나타났다.
Table 3
Comparison of Time to Start Charring at Different Depths
| Specimen | 0 mm | 30 mm | |
|---|---|---|---|
| Time to start charring | Time to start charring | Delayed time | |
| C3 | 0 | 53 | - |
| C4 | 99 | 148 | 95 |
| C5 | 39 | 88 | 35 |
| C6 | 77 | 110 | 57 |
이 연구에서는 사용된 내화보드는 현재 국내건축자재 시장에서 판매되는 기성품으로, 규격이 한정되어 동일한 두께를 갖는 내화보드가 부착된 실험체 제작이 불가능하였다. 내화보드의 차열성능은 두께와 열적특성에 지배되는만큼, 객관적인 내화성능 평가를 위해서는 유한요소 해석연구가 필요하다. 2.2절에서 언급한바와 같이, 미국 목구조설계기준 IBC-2021에서는 중고층 목구조물에 사용되는 주요구조부재는 캡슐화를 활용해서 내화성능을 확보해야 하며, IBC Section 722.7에서는 3시간 이상의 내화성능이 요구되는 주요구조부는 최소 2시간의 내화성능을 목재의 탄화없이 불연재료의 차열성능을 통해서 확보해야 한다. 방화보드 15 T가 3장 부착된 C4의 실험체의 목재탄화 형성 소요시간은 약 99분이며, IBC 기준에 부합하는 내화설계를 위해서는 방화석고보드 15 T 1장 추가설치가 필요할 것으로 추정된다.
5. 결 론
국내 중고층 목조건축물 활성화를 위해서는 주요구조부의 3시간 내화성능 확보기술 개발이 선제적으로 이루어져야 하며, 이 연구에서는 국산목재 수종과 내화보드 부착 유무에 따른 CLT 기둥의 내화성능을 규명하고자, □ - 400 × 400 × 900 (가로 × 세로 × 길이, mm) 규격의 실험체를 제작하여 4면 노출가열 실험을 수행하였다. 목재수종별 탄화특성과 CLT 기둥 내화성능에 대한 내화보드의 기여도를 조사하기 위해 목재 깊이별 시간-온도 등을 분석하였고, 그 결과를 요약하면 아래와 같다.
(1) 표준화재에 4면 노출된 3시간 기둥 내화시험 결과를 바탕으로 목재 수종별 탄화특성을 분석한 결과, 목재기둥 실험체의 탄화는 목재의 밀도에 지배되는 것으로 나타났다. 치밀한 조직을 갖은 낙엽송의 탄화속도가 가장 낮았으며, 비교적 가벼운 삼나무의 탄화속도가 가장 빠른 것으로 나타났다.
(2) 소나무, 삼나무, 낙엽송 집성재를 사용하여 제작된 무피복 실험체 C-1, C-2, C-3의 탄화속도는 유럽기준과 비교시, 2시간까지는 오차범위 20% 이내로 비교적 유사한 경향을 나타냈다.
(3) 내화보드가 부착된 기둥실험체 모두 목표 구조단면을 확보하였으며, 목재의 잔존단면 크기는 방화석고 보드 15 T > MgO 보드 10 T > CRC 보드 12 T 인 것으로 나타났다.
(4) 목재 깊이 30 mm를 기준으로 무피복 실험체 C-3는 약 53분 시점에서 탄화층이 형성되는 반면에, 내화보드가 부착된 실험체 C-4, C-5, C-6는 각각 148분, 88분, 110분이 소요되어 내화보드는 최대 95분의 내화성능 향상에 기여하는 것으로 나타났다.
(5) 미국 목구조 설계기준 IBC-2021의 캡슐화를 통한 최소 내화성능확보기준 2시간을 충족시키기 위해서 실험체 C4는 방화석고보드 15 T 1장 추가설치가 필요할 것으로 판단된다.
(6) 이 연구는 비교적 작은 크기(□ - 400 × 400 × 900)의 GLT 실험체를 대상으로 최대 3시간의 표준내화가열조건에 노출한 실험 결과이며, 열전대 설치, 측정과정에서 관찰된 제반 여건 및 내화성 보드의 종류/두께산정, 부착방식 등 실험 및 성능에 미치는 다양한 영향요인을 감안해 추가적인 실험/해석적 연구로 보완할 필요가 있다.
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