국산재활용 한국형 목구조물혁신기술 연구 3세부는 중고층목구조물의 화재안전 확보를 위한 내화설계 및 요소기술 개발을 목표로 한다. 이를 위해 13층 규모 중고층목구조물에서 적용 가능한 내화구조기술을 개발하고 성능기반 내화설계기준을 마련해 국내목조건축의 안전성과 실용성을 강화하는 데 중점을 두고 있다.
특히 최대 3시간 내화성능을 확보하기 위한 물리화학적 처리기술과 구조체 구성 대안개발을 핵심연구과제로 설정하고 있으며 연구는 △한국건설기술연구원 △벽산 △한국강구조학회가 협력해 진행하고 있다.
여인환 한국건설기술연구원 화재안전연구소 선임연구원을 만나 중고층목구조물 화재안전 확보를 위한 내화설계 및 요소기술 필요성 및 향후 적용방안에 대해 이야기를 나눴다.
3세부는 중고층 목구조건축 화재안전 대응기술을 개발하는 연구과제로 중고층 목조건축을 실현하기 위해 반드시 필요한 내화구조기술을 개발하고 내화성능 데이터베이스를 구축하며 성능기반 내화설계기준을 마련하는 것을 목표로 한다. 중고층 목조건축은 일반적인 저층 목조건축과 달리 화재안전성이 더욱 중요하게 요구되므로 기존연구에서 다루지 못했던 높은 내화성능을 확보하는 것이 필수적이다.
■ 3세부 연구목표와 연구내용은
이번 연구목표는 13층 규모 중고층 목구조건축물에서 화재안전을 확보하기 위한 내화설계 및 요소기술을 개발하는 것이다. 이를 위해 연구에서는 목조건축에서 사용되는 주요 구조부재인 △기둥 △보 △바닥판 △비내력벽 등과 같은 구획부재에 대해 최대 3시간 동안 내화성능을 유지할 수 있도록 목재의 물리화학적 처리방법을 연구하며 이를 적용한 구조체 구성 대안을 제시하고자 한다.
또한 현재 국내에서는 성능기반 목조건축 내화설계방법론이 부족한 상황이므로 이에 대한 연구를 진행하여 실무에서 활용할 수 있도록 설계방법론을 정립하는 것도 연구의 중요한 목표 중 하나이다.
■ 기존 연구와 차별점은
목구조건축물에서 3시간의 내화성능을 확보하기 위해서는 화재 시 목재의 탄화속도를 최대한 억제할 수 있는 물리화학적 처리가 필요하다. 물리적 처리방법은 불연성피복재를 적용해 목재부재를 외부로부터 보호하는 방식이며 화학적 처리방법은 내화성이 강화된 약제를 목재 내부에 침투시켜 화재 발생 시 탄화속도를 낮추는 방식이다.
현재까지 국내외 연구에서는 1~2시간 수준의 내화성능을 확보하는 기술만 개발돼 왔으며 3시간 이상 내화성능을 보장하는 기술은 아직 제시된 바가 없다. 본 연구에서는 기존의 물리적 또는 화학적 처리방법만을 적용하는 것이 아니라 두 가지 기술을 조합한 하이브리드 내화처리 방안을 새롭게 도입해 내화성능을 극대화하고자 한다.
■ 내화성능 DB와 성능기반 설계기술은
이번 연구에서는 내화성능 데이터베이스를 구축하기 위해 세 가지 방식의 내화처리 기법을 정리하며 이를 실험적으로 검증하고자 한다. 첫 번째 방식은 목재부재를 불연성보드로 피복해 외부의 열로부터 보호하는 물리적 내화처리 방법이며 두 번째 방식은 목재내부에 내화성이 강화된 약제를 주입해 탄화속도를 줄이는 화학적 내화처리 방법이다. 세 번째 방식은 앞선 두 가지 방법을 결합한 하이브리드 방식으로 목재의 내화성능을 극대화하는 기술이다.
성능기반 설계기술은 기존의 경험적 내화설계 방식에서 벗어나 화재발생 시 목구조건축물이 실제로 견딜 수 있는 내화성능을 정량적으로 평가하며 이를 설계에 반영하는 기술을 의미한다. 기존 내화설계 방식은 일정한 두께의 보호층을 적용하는 방식이 일반적이었으나 본 연구에서는 화재발생 시 목구조물이 받는 열의 영향을 실험적으로 측정하며 이를 바탕으로 구조적 안전성을 유지할 수 있는 최적의 설계방법을 도출하고자 한다. 이를 통해 중고층목조건축물의 화재안전성을 보다 객관적으로 평가하고 실무에서 활용할 수 있도록 성능기반 설계기준을 마련할 계획이다.
■ 연차별 개발계획은
1차연도에는 주요 구조부재 물리적 내화성능을 확보하는 기술을 개발하고 내화약제기반 기술을 연구하며 목구조 접합부 화재영향을 분석하는 작업을 진행한다.
2차연도에는 벽구획부재 내화성능을 확보하는 기술을 개발하고 중고층목조건축물에 맞춘 화재안전기술을 연구하며 고기능성 내화약제를 개발하는 데 집중할 계획이다.
3차연도에는 바닥구획부재 내화성능을 확보하고 목구조물 내화설계기준안을 제안하며 실제 적용이 가능한 고기능성 내화약제를 개발할 예정이다.
■ 내화용 약제기반 기술의 원리는
내화용약제는 화재저항성을 갖추기 위해 내열성이 우수한 수지에 난연제 및 무기물을 첨가하는 방식으로 개발된다. 기존에 개발된 내화재는 대부분 난연 또는 준불연 수준에 머물러 있어 일정시간 동안만 화재확산을 억제하는 데 초점이 맞춰져 있다.
그러나 이번 연구에서 개발하는 내화약제는 화재발생 시 목재내부까지 탄화속도를 낮춰 구조적 안전성을 보다 장기간 유지할 수 있도록 설계된다. 이를 위해 약제 주‧부원료를 최적화하고 수종별 적용특성을 연구해 다양한 목구조물에 실용적으로 적용할 수 있도록 연구를 진행하고 있다.
■ 국내 목구조 건축산업에서 예상되는 변화는
이번 연구에서 제안하는 목구조물 내화설계기준안은 최종적으로 KDS(한국건축구조기준)에 반영될 예정이다. 이를 통해 목구조건축물의 설계 및 시공 시 내화성능을 보다 체계적으로 반영할 수 있는 기반이 마련될 것이며 중고층목조건축물의 실용화를 촉진하는 중요한 계기가 될 것으로 예상된다.
■ 현재까지 연구개발 성과는
이번 연구에서는 공학목재 중목구조 기둥부재의 3시간 탄화속도 데이터베이스를 구축했으며 내화보드를 적용한 물리적 내화처리기술을 개발했다. 또한 목구조 접합부의 형식별 화재 영향을 분석했으며 내열수지를 기반으로 한 3종의 무기첨가제 배합약제의 화재거동을 실험적으로 검증했다.
이번 연구는 13층 규모 목구조건축을 실현하기 위해 다양한 요소기술을 개발하고 있지만 향후 보다 고층의 목구조건축을 가능하게 하기 위해서는 추가적인 연구가 필요하다. 국토부와 산림청이 공동으로 다부처 연구개발 과제를 추진해 고층 및 대경간 구조, 다양한 용도의 목구조건축물 설계를 위한 기술 개발이 지속적으로 이뤄져야 할 것이다.
