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불에 강한 목조건축
124 2022 June 글+사진. 심국보(국립산림과학원 목재공학연구과장) 불에 강한 목조건축 산림정보 Ⅴ Work 나무는 불에 타는 재료다. 그럼 목조건축에서 화재가 발생할 경우, 건물 내 인명을 안전하게 보호할 수 있을 까? 답은 “그렇다”이다. 목조건축은 화재에 안전한 건 축이다. 목구조든, 콘크리트구조든, 철골구조든 화재는 건축물 내부의 커튼이나 소파 등 가연성(可燃性) 재료에서 시작 된다. 화재 발생 시 대부분의 인명피해는 화재 초기 가연 성 재료가 타면서 방출하는 유독가스와 연기에 의한 중 독 또는 질식으로 발생한다. 이러한 화재의 피해를 줄이 는 가장 좋은 방법은 물론 화재의 예방이다. 혹시라도 화 재가 발생하였다면 조기 발견과 조기 진화로 그 피해를 줄일 수 있다. 그러나 큰 화재로 진행되었을 때 건축물은 인명피해를 줄일 수 있는 성능을 충족하여야 한다. 구성 부재 용 도 벽 보 ㆍ 기둥 바닥 지붕 ㆍ 지 붕 틀 외벽 내벽 내 력 벽 비내력벽 내 력 벽 비내력벽 용도구분 용도규모 층수/최고높이 (m) 연소 우려가 있는 부분 연소 우려가 없는 부분 간 막 이 벽 승강기ㆍ 계단실의 수직벽 일반 시설 제1종 근린생활시설, 제2종 근린생활시설, 문화 및 집회시설, 종교시설, 판매시설, 운수시설, 교 육연구시설, 노유자시설, 수련시설, 운동시설, 업무시설, 위락시설, 자동차 관련 시설(정비공 장 제외), 동물 및 식물 관련 시설, 교정 및 군사 시설, 방송통신시설, 발전시설, 묘지 관련 시설, 관광 휴게시설, 장례시설 12/50 초과 3 1 0.5 3 2 2 3 2 1 이하 2 1 0.5 2 1.5 1.5 2 2 0.5 4/20 이하 1 1 0.5 1 1 1 1 1 0.5 주거 시설 단독주택, 공동주택, 숙박시설, 의료시설 12/50 초과 2 1 0.5 2 2 2 3 2 1 이하 2 1 0.5 2 1 1 2 2 0.5 4/20 이하 1 1 0.5 1 1 1 1 1 0.5 산업 시설 공장, 창고시설, 위험물 저장 및 처리시설, 자동 차 관련 시설 중 정비공장, 자연순환 관련 시설 12/50 초과 2 1.5 0.5 2 1.5 1.5 3 2 1 이하 2 1 0.5 2 1 1 2 2 0.5 4/20 이하 1 1 0.5 1 1 1 1 1 0.5 (단위: 시간) <표 1> 내화구조의 성능 기준 *건축물의 피난·방화구조 등의 기준에 관련 규칙(국토교통부령 제1123호) 125www.sanrimji.com 건축물의 내화성능 건축물의 화재에 대한 안전성은 내화(耐火)성능으로 평가한다. 내화성능은 화재가 발생하였을 때 인명을 보 호할 수 있는 성능을 말한다. 내화성능은 불에 잘 타지 않는 난연(難燃)재료, 불에 타지 않는 불연(不燃)재료와 이에 준하는 준불연재료와 같이 재료의 특성에 대한 기 준과는 다르다. 내화구조는 건축물에 화재가 발생했을 때 인명의 안전 한 피난시간을 확보하고, 소방과 구조활동이 가능하도 록 안전성을 확보하며, 화재 확대를 방지하고, 인접 건 물의 화재피해를 방지하여야 한다. 우리나라에서도 건 축물의 용도와 규모에 따라 내화구조의 성능 기준을 다 음 <표 1>과 같이 명시하고 있다. 규칙에서 지정한 내 화시간은 반드시 만족시켜야 하는 의무사항이다. 목재의 연소특성 목재는 불에 타기 전 여러 과정을 거친다. 목재 온도가 100℃에 도달하면 내부의 수분이 끓어 증발한다. 이 상 태에서 열에너지가 계속 공급되면 내부 수분이 모두 증 발할 때까지 100℃를 유지하던 목질부 온도가 상승하 기 시작하여 약 260℃에 도달하면서 탄화가 시작된다. 목재 온도가 더 증가하면 나무의 열분해로 휘발성 가 스가 발생하며, 약 400℃ 이상에 이르면 휘발성 가스에 불이 붙는다. 탄화된 목재의 탄소 성분이 공기 중의 산 소와 결합하여 열과 빛을 내고 일산화탄소를 발생시킨 다. 이 현상을 목재의 연소라고 한다. 이처럼 목재의 연소를 위해서는 많은 열에너지가 공급 되어야 하며, 목재의 탄화, 열분해 및 착화가 진행될 때 까지 높은 온도가 계속 유지되어야 한다. 단면이 큰 목 재일수록 더 많은 에너지가 필요하여 연소의 시작이 쉽 지 않다. 목재는 불이 붙는 재료이지만, 열전달 속도는 매우 낮 다. 표면의 착화 온도가 상대적으로 낮은 목재는 화재 가 발생하면 표면에 형성되는 탄화층이 내부로의 열전 달을 늦추어 탄화의 빠른 진행을 막는다. 즉 목재의 외 부는 탄화된 숯이 존재하나 내부는 건전한 목재 부분이 그대로 남아 있게 된다. 탄화되지 않은 건전한 목재 부 분이 건축물의 하중을 지지하는 역할을 한다. 구조용 집성재의 평균 탄화속도(KSF 1611-3)는 수종에 따라 차이가 있다. 낙엽송류는 0.60㎜/min이며, 소나무 류는 0.65㎜/min이다. 탄화속도를 기준으로 계산하면 1 시간 내화성능을 만족하기 위한 탄화두께는 36~39㎜이 다. 탄화층의 두께를 정확하게 예측할 수 있는 목재는 구조물의 하중을 지지하는 필수 단면을 확보하도록 설 계할 수 있어 화재에 안전한 구조이다. 목조건축의 내화성능 화재가 발생한 구조물의 붕괴는 고열에 노출된 구 조재료의 강도손실이 주요 원인이다. 목재의 열전도 율은 0.5~1.5W/(mK)이다. 철은 315W/(mK)으로 목 재의 630~210배, 알루미늄은 5,400W/(mK)으로 10,800~3,600배, 콘크리트는 11~16W/(mK)으로 32~7배 가 크다. 화재 조건에서 고온에 의한 강도손실은 목재에 비해 다른 건축재료가 매우 큼을 알 수 있다. 목재는 온도가 38℃ 상승할 때 약 4% 정도의 강도 감소 율을 보인다. 특히 구조재료 주변의 온도가 약 450℃일 때 목재는 표면에서 발화가 시작되지만, 철은 강도의 50% 정도가 감소하여 구조물 붕괴위험에 노출된다. 화 재가 발생하였을 경우 아무 처리 하지 않은 목재와 철 재가 750℃의 온도에 노출된다면 목재는 80% 이상의 강도를 유지하고 있어 안전하게 구조물을 지지할 수 있 는 반면, 철재는 단 10분 만에 약 50%로 강도가 급격히 감소하여 구조물의 안전을 보장할 수 없다. 이 때문에 철재의 경우 내화피복 등으로 재료가 고온에 2시간 내화시험 후 건전한 목재 부분이 남아 있는 국산 낙엽송 구조용 집성재의 단면목재의 탄화층 ©Wood Handbook, USDA 탄화층 탄화 경계 열분해층 열분해 경계 정상 목재 126 2022 June 직접 노출되지 않도록 처리하기는 하나, 외부충격으로 내화피복이 손 상되면 재료의 어느 한 부분이라도 고온에 노출되게 되고, 높은 열전도 율로 철재의 온도가 높아지면서 구조체의 하중지지능력이 급격히 감소 하게 된다. 2001년 발생한 9·11테러에서 고온으로부터 완전하게 보호받지 못한 철 구조물의 급격한 강도손실로 뉴욕의 세계무역센터가 붕괴(56분, 102 분)하였다는 분석이 있었다. 반면, 2008년 우리나라의 국보이자 대표적 인 목조건축인 숭례문에 화재가 발생했을 때, 화재에 의한 목구조 부재 의 하중지지 능력 감소가 완만하게 진행되어 붕괴에 이르기까지 약 5 시간이 소요되었다. 목조건축이 화재에 약하다는 오해를 불식하는 좋 은 예라고 할 수 있다. 화재에 노출된 목재와 철재의 하중지지 능력을 보여주는 적절한 예로, 철제 H 형 보와 목재 보를 사용한 건축물의 화 재 발생 이후 장면이 종종 소개된다. 표 면은 탄화되었으나 내부는 건전한 목재 보에 고온으로 인해 본래의 강도 특성 을 잃은 채 휘어진 H형 철재 보가 기대 어 있는 장면은 목재와 철재의 화재에 대한 안전성을 잘 보여주는 사진이다. 우리나라에서는 목조건축의 구조안전 성과 화재안전성을 인정하여 2020년 높이제한이 폐지되었다. 목조건축의 높 이제한 폐지에 크게 기여한 국립산림과 학원의 ᄒᆞᆫ그린목조관(영주)은 국내 최 초로 2시간 내화성능을 인정받은 5층 목조건축물이다. 현재 국내에서는 5층 이상 12층 이하의 건축물은 2시간의 내 화성능을 보유해야 한다. 한국건설기술 연구원 화재안전연구소에서 재하(載荷) 량과 변형량, 탄화두께와 비노출면의 표 면온도까지, 화재 시 구조부재에서 발생 할 수 있는 모든 변수를 조사하였다. 그 결과 국산 낙엽송 CLT 구조 3종(내력벽 체 2종, 바닥체 1종), 국산 낙엽송 집성 재 구조 2종(보 1개, 기둥 1개)과 장선 바 닥구조 2종에 대해 2시간 내화성능을 인정받았다. 국산 낙엽송 CLT 바닥체는 30㎜ 층재 5매(총 150㎜)에 방화석고보드(15㎜) 2 매로 구성하였다. 재하하중은 지간거리 3.6m에 21톤의 분포하중을 부여하였다. 세계무역센터의 9·11테러 피해 좌 ©firstpost, 우 ©NewsScientist 숭례문 화재 피해 좌 ©세계일보, 우 ©서울신문 화재 후의 목재 보와 휘어진 H형 철제 보 화재에 의한 목재와 철골의 강도손실 비교 127www.sanrimji.com 가열 온도는 표준화재시험조건을 적용하였다. 표준시 간-온도 조건은 가열 시작 후 30분 내에 약 1,000℃까 지 온도가 상승한다. 고온에 노출된 2시간 동안 CLT 바 닥체 중앙부의 처짐을 측정한 결과, 최대 처짐량 51.2㎜ 로 판정 기준인 216㎜보다 작은 처짐량을 나타내어 안 전하게 2시간 내화성능기준을 통과하였다. 재하시험 후 측정한 CLT의 탄화두께는 57㎜로 방화석고보드와 함 께 우수한 성능을 나타내었다. 구조용 집성재와 목재의 예측가능한 화재특성에 따라 한국건설기술연구원에서는 2020년 KS F 3021에서 인 정한 수종군 A(낙엽송류)에 속하는 수종으로 제조한 구 조용 집성재의 2시간 내화구조 표준을 인정하게 되었 다. 따라서 2시간 내화성능이 인정된 구조용 집성재 기 둥과 보를 사용하여 12층까지 목조건축이 가능하게 되 었다. 목조건축물의 내화설계 단면이 큰 목재를 구조부재로 사용하는 목조건축의 내 화성능은 탄화두께를 반영하여 설계한다. 구조설계로 산정한 부재 단면에 요구하는 내화시간만큼의 탄화두 께를 추가하여 내화성능을 만족하는 부재치수를 결정 한다. 1시간 내화성능은 화재노출이 가능한 방향으로 약 40㎜ 치수를 증가하고, 2시간 내화성능은 약 80㎜ 증가하여 설계한다. 내화설계에서 고려하는 건축물의 하중은 돌발하중을 제외한 고정하중만을 고려하므로, 탄화두께를 포함한 구조부재의 단면치수는 돌발하중을 포함한 구조부재의 단면치수보다 엄청나게 증가하지는 않는다. 목구조 부재로만 내화성능을 충족하지 못하거나 단면 이 급격하게 증가할 경우, 부재의 외부를 내화성능이 우수한 재료로 보강할 수 있다. 가장 널리 사용되는 보 강재료는 방화석고보드이다. 미국과 일본은 두께 12㎜ 이상의 석고보드 1겹, 두께 9㎜ 이상의 석고보드 2겹 또 는 두께 7㎜ 이상의 석고보드 1겹에 두께 8㎜ 이상의 회 반죽(plaster)을 바른 구조를 1시간 이상의 내화구조로 인정한다. 이러한 구조는 석고보드 안쪽의 목재 골조부 분이 탄화온도인 약 260℃에 도달하기까지의 시간을 지연시킴에 따라 내화성능을 만족시킨다. 우리나라에 서는 12.5㎜ 방화석고보드 2겹 이상을 부가한 경우 1시 간 내화구조로 인정한다(KS F 1611-1). 시험 전 시험 후(2시간 경과) 탄화두께 측정 30㎜ 30㎜ 15㎜ 150㎜ 180㎜ 구성 시험조건 결과 3,000 x 4,300 x 180㎜ 3,600㎜ 21톤 400 9,000
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봄의 숲에서 존중을 배워나가고 행복을 알아가는 아이들
120 2022 June 봄의 숲을 찾은 우리 아이들은 무엇에 가장 관심을 갖게 될까? 아이들은 숲에서 꼬물꼬물한 애벌레와 곤충을 만나면 놀이동산에서 동물들에게 보내는 눈빛과는 비교할 수 없을 만큼 눈빛을 반짝인다. 이렇게 아이들이 봄의 숲에 지대한 흥미와 관심을 보이는 만큼, 숲에 들어갈 때 아이들과의 약속은 필 수이다. “곤충을 함부로 만지거나 발로 밟지 않아요”라고 선서하는 것이다. 그런 뒤 숲 입구에서 동그랗 게 원을 그려 숲에 인사를 건네고, 수영장에서 하듯이 몸풀기 체조를 끝내고 나서야 숲속으로 향한다. 글+사진. 인지선(청강문화산업대학교 유아교육학과 외래교수) 봄의 숲에서 존중을 배워나가고 행복을 알아가는 아이들 산림정보 Ⅳ Work 121www.sanrimji.com 숲에도 ‘시기’가 있다. 4월부터 본격적으로 활동을 시작 하는 곤충들은 5~6월에 이르러서는 그야말로 숲 곳곳 에서 아이들을 유혹한다. 실제로 곤충의 변화를 보고 안 다는 것은 완전변태, 불완전변태를 책으로 배우는 것과 는 접근 방식부터 다르다. 아이들은 털이 있는 애벌레 는 자신의 몸을 보호하기 위해 독이 있다는 사실 등을 알게 되면서 좀 더 안전하게 곤충들과 교감하게 된다. 이렇듯 곤충의 이야기를 선생님께 듣고, 이들이 어떻게 자라는지를 함께 살펴보고 오감으로 느껴본다면, 처음 경험해보는 그 느낌은 소중한 생명에 대한 존중감으로 자라나 아마 평생을 함께하게 될 것이다. 애벌레를 만나는 순간, 아이들의 첫 반응은? 환호성과 놀람이다. 그리고 살기 위해 보호색을 띠고 있는 곤충들 을 각자 찾아내기 위해 두 눈을 동그랗게 뜨고 여기저 기를 열심히 살핀다. “선생님, 저 찾았어요!”라는 한 아 이의 외침은 다른 아이들에게 부러움과 흥분을 이끌어 낸다. 곤충이 수십만 종이나 되다 보니 애벌레의 종류 역시 셀 수 없이 많다. 회양목명나방애벌레, 개나리잎벌 애벌레, 무당벌레애벌레등은 나뭇잎마다 붙어 변신을 준비하고 있다. 우리 아이들은 나뭇가지에 숨어 있는 자벌레도 용케 잘 찾아낸다. 아이들은 잡아먹히지 않기 위해 애벌레들이 보호색을 가진다는 것을 자연스럽게 알게 된다. 아이 하 나가 “선생님, 그럼 사람도 보호색을 가져야 살 수 있 는 거예요?”라고 묻자 다른 아이가 “우리도 숲에 올 때 는 눈에 띄지 않게 초록색 옷을 입어야 될 것 같아요”라 고 덧붙인다. 이럴 때는 어른의 긴 설명이 필요 없다. 아 이들은 유치원에 돌아가 ‘보호색’이라는 단어를 가지고 고민하고 얘기하고 책으로도 찾아볼 것이다. 살아가는 방법을 자연스럽게 숲에서 깨우쳐나가는 것이다. 이렇 게 아이들은 애벌레는 애벌레의 살아가는 방식이 있고, 사람은 사람의 살아가는 방식이 있음을 깨달으면서 서 로 살아가는 방법이 다르다는 것을 알아간다. 숲에서 아이들과 함께하는 동안 선생님들은 느낀다. 원 에서는 산만한 말썽꾸러기들이 숲에 나가면 곤충도 제 일 먼저 찾고, 가장 먼저 새소리의 주인공을 알아내며, 다양한 놀이를 하면서 에너지를 발산한다는 것을. 호기 심 많은 아이들은 숲에서 자신의 에너지를 마음껏 발산 하고 한층 더 성장한다. 이런 아이들의 모습이 원에 돌아 와서는 또 다른 궁금증과 연결되어, 곤충 박사, 꽃 박사, 그리고 놀이를 만들어내는 창조자의 모습으로 변한다. 아이들은 곤충들을 그냥 지나치지 않고 이름을 붙여준 다. “너는 느리니깐 느림보, 너는 빨리 움직이니깐 날쌘 이, 너는 꼬물이, 예쁜이, 그리고 너는 나를 닮았으니깐 나의 이름 환준이 중에서 ‘환’ 자를 붙여서 ‘환하게 웃는 01 숲에서 만나는 모든 생물들을 오감으로 느끼며 교감하는 아이들 02 자신을 지키기 위해 보호색을 만든다는 것을 스스로 깨달아가는 아이들 01 02 122 2022 June 눈으로 보면서 저 조그만 것들이 어떻게 올챙이가 되고 개구리가 되는지 배웠다. 오랜 가뭄으로 물이 말라가는 것을 보고 아이들은 “비가 빨리 와야겠어. 이러다가 개구리가 다 죽겠어”라며 환경에 대해서도 걱정을 했다. 이렇게 직접 경험한 아이들은 ‘탄소중립’에 대해 어려운 말로 가르쳐주지 않아도 자연스레 그에 대해 눈뜨게 된다. 애벌레’야”라고 명명한다. 또 자연물로 애벌 레를 표현하면서 즐거워한다. 지천의 돌멩이, 나뭇가지, 솔방울, 꽃잎 등은 아이들의 창의 적인 표현을 도와주는 훌륭한 미술재료로 재 탄생된다. 애벌레에 빠져든 아이들은 나뭇잎만이 아니 라 땅 위에서도 애벌레를 만나게 되며 각자 흩어져서 자유롭게 자연을 느낀다. 숲에서는 열심히 지켜보고 바라보면 무엇이든 계속 나 타난다. 스스로 판단하고 행동하게 두면 아 이들은 무언가를 계속 발견하고 더 집중하고 빠져들 뿐 아니라 거기에서 또 다른 놀이와 배움을 찾아나가면서 더욱 뿌듯해한다. 처음 애벌레를 보여줬을 때 경악하던 아이 들, 몸을 움찔하던 아이들도 조금만 지나면 “용기 내볼래요” 하면서 애벌레를 손에 올려 놓고 교감한다. 시간이 좀 더 걸릴 뿐, 기다 려주면 아이들은 스스로 천천히 사귀어간다. 이러한 경험들은 또한 성취감으로도 이어진 다. 자신이 무엇인가를 할 수 있다는 자율성 과 스스로 할 수 있는 주도성 위, 그것을 해냈 을 때 얻는 성취감은 유아기의 중요한 발달 과업이다. 이 성취감이 어른이 될 때까지 맞 닥뜨리는 수많은 문제 상황에서 해결의 핵심 열쇠가 된다. 숲을 돌아다니다 보면 아이들은 또 다른 세 계, 수중생태계을 만나게 된다. 우리는 아주 보기 어려운 개구리와 개구리알을 만났다. 개구리의 멋진 모습에 우리 아이들은 계속 “안녕! 개구리야”를 외쳤고, 개구리알을 직접 03 04 05 03, 04 애벌레를 숲에 있는 다양한 자연물을 이용해 표현하는 아이들 05 숲에서의 다양한 생물들과 천천히 사귀어가며 성취감을 느끼는 아이들 숲은 우리에게 많은 선물을 준다. 그늘도 주고, 산소도 주고, 열매 도 주며, 다양한 놀이도 할 수 있는 터전 또한 되어준다. 따뜻한 햇 살과 함께 나무가 뿜어내는 산소가 풍부한 숲에서 놀면 아이들의 에너지는 더 넘쳐난다. “애들아, 이렇게 많은 선물을 받았는데, 우 리가 숲에게 줄 수 있는 선물은 뭐가 있을까?”라고 물었더니 “‘숲 아, 사랑해, 고마워!’라고 말해줘요” “‘너는 진정한 나의 친구야’라 고 얘기해줘요” 등등의 대답을 한다. 숲에 고마운 마음을 돌려주 기 위해, 나무에 손을 대고 “정말 고마워!”라고 아이들은 마음을 한가득 담아 진지하게 나무에게 인사를 한다. 우리 아이들은 숲에서 끊임없이 흥밋거리를 발견하고, 좋아한다고 표현한다. 자꾸 들여다 보면 관심이 생기고 관심이 생기다 보면 그 것을 좋아하게 되는 것이다. 아이들은 숲에서 그러한 관심과 애정을 어떻게 표현하고 지켜 야 하는지를 알아간다. 숲에서 행복을 만끽하 고 또 그 행복 속에서 버텨낼 수 있는 의지가 생겨난다면, 우리 아이들은 건강하게 성장할 것이다. 06 07 08 09 06, 07 물가에서 개구리와 알을 관찰하는 아이들 08, 09 나무에게 고맙다고 인사하는 아이들 123www.sanrimji.com
