A Study on Characteristics of Roof 'Jucsim' Structure Combustion Real Scale Fire Test on Wooden Structure Heritage Building

목조 건축 문화재 적심부 실물화재 실험을 통한 연소 특성 연구

A Study on Characteristics of Roof ‘Jucsim’ Structure Combustion Real Scale Fire Test on Wooden Structure Heritage Building

노삼규·함은규

^†

Sam-Kew Roh · Eun-Gu Ham

^†

광운대학교건축학부

(2009. 12. 22.

접수

/2010. 2. 12.

채택

)

요 약

본연구에서는목조한옥구조적심부실물화재실험을통하여목조건축문화재지붕상부구조내부의연 소특성을분석하였다

.

^{실험체는숭례문지붕내부구조의특성을고려하여제작하였으며}

,

^{기와를제외한}

강회

,

^보토

,

^적심

,

^{개판순으로구성하고위치별로열측정장치를설치하였다}

.

^{첫번째실험은목조건축}

문화재의적심지붕구조를가지는경우연소및화재성상을알아보았다

.

두번째실험은화염이직접 접촉하는서까래와천정개판상·하부에방염도료를도색하여방염도료내화성능을알아보았다

.

세번 째실험은적심부와개판사이에방염천을넣어적심부및강회층에화염전파에어떤영향을미치는지 알아보았다

.

^{그결과목조한옥구조지붕의적심부화재전파는외부화염의제거후에도내부에장시간}

에걸쳐연기와화염이계속진행함을보였다

.

또한

,

방염도료의경우내열효과를보였으며

,

방염천의경 우화염전파온도를

100

^o

C

이하로유지할때적심부로부터화염전파차단효과를보였다

.

ABSTRACT

The combustion characteristics of roof ‘Jucsim’ structure was analysed using real scale fire test on wooden structure heritage building. the fire test model was made to consider roof timberling internal structure for a Sunglemun. Structure of test body layed lime, soil, ‘Jucsin’ and ceiling board excepting roof tile to find heat propagation process by setting thermocouples. The first test to find fire growth and heat propagation process in the part of ceiling. The second test organized to find the efficiency of fire proof paint between ceiling board and inside of Jucsim structure. The third test try to get the performance level of fire proof fabric with the same manner. The result showed from the test proof the heavy smoke exposure with limited effect of fire proof paint however, reliable fire resistance effect showed in case of fire proof fabric.

Key words :

Combustion characteristics, Fire test, Wooden structure heritage building, Jucsim

1. 서 론

국내 전통 사찰

,

^궁

,

^{민가 등 유형문화재는 대부분}

건축구조가 목조건축물로서주요구조부가 나무등가 연재료로서연소성이높기때문에화재저항성에대하 여매우취약한구조로되어있다

.

특히

,

국내목조문화 재는 오랜 세월이 경과되어 건조된 상태에 있으므로 작은 화원에의하여 착화될수있는 가능성이높으며 착화 후에는매우빠른 속도로화재성장과 화염이전

파되기 때문에기존의 소극적 소화방식으로는진압에 어려운특성도가지고 있다

.

또한최근의문화재 방화 사고는 가연성 물질을 이용

,

^{화염의 전파가 급속하게}

이루어져진화가어려운것이현실이다

.

특히

,

목조문 화재건축물의경우지붕구조에많은중점을두고있 어구조적으로가연물이구조체상부에배치되는현상 이나타난다

.

^{따라서 바닥이나 기둥에서 시작한 불이}

부력에의해서외벽을타고천정으로올라가서연소하 는형태를 이루는것이일반적인형태이다

.

^이번숭례

문화재사고또한지붕에 많은구조체를가진

2

층의 우진각지붕이었으며 화재로인한 피해역시

1

^층의경

†

E-mail: [email protected]

우약

10%

정도물리적붕괴를이루었지만연소에의 한피해는비교적경미한상태로

2

^{층피해와는 대조를}

이룬다

.

당시에 출동한 소방대에의해 기둥과 천장에 노출된화재는초기에진압했으나

,

^{지붕내부에침윤전}

파된화염은결과적으로구조체의붕괴를초래했다

.

따 라서 천장부를 포함한지붕내부 구조에전파되는화 염의 특성을파악하고이에대응할 수있는내화구조 와내화재료의성능을실험을통해알아보았다

.

본논 문은목조문화재의화재시화염확대를방지하고피해 를최소화하기 위하여 목조건축물지붕구조체 실물화 재 실험을 통하여 적심부 연소특성을 살펴보고

,

아울 러방염도료와 방염천등의방염재료를 적용시화재 성상을 알아보았다

.

실험범위는첫째

,

목조건축문화재 의적심지붕구조를가지는경우

,

둘째

,

여기에방염도 료를적용한경우

,

셋째

,

방염도료대신개판과적심부 사이에 방염천을설치한 경우에대하여 연소및화재 성상을 비교실험하였습니다

.

2. 목조건축물 연소특성 분석

관련연구에따르면목재류의경우화재가시작되는 점화로부터

500

^o

C

가될때까지의성장단계시간을측정 한결과일반화재의경우

168

초

,

방화화재의경우에는

5

초로나타났다

.

특히일반화재의경우에는점화후약

250

초까지는서서히연소가진행되었으며

, 250

초이후 부터 가연물 전체가 연소하는특성을 보였다

.

그러나 방화화재의 경우에는초기연소단계에서실험체 상부

온도가

834

^o

C

까지급격하게상승하는것으로나타났으 며

,

^{이와같은연소특성은소파및의류실험체와는달}

리목재류상부에방사된액체가연물

(

신너

)

이실험체 에스며들지 못하고목재류 표면에 묻은상태로 남아 있다가동시에연소가진행되는관계로온도가급격히 상승한것으로 나타났다

.

³⁾

일반적으로목조건축물은순간적으로최성기에도달 해서

,

최고온도까지급구배로상승하는연소특성을보

인다

. Figure 1

에 따르면 최성기에달하는

10

분 내에

최고약

1,100

^o

C

까지상승하는것으로 나타났다

.

반면

에목조건축가아닌 내화구조의표준가열곡선을 살펴 보면

,

기밀성이높기때문에 비교적 낮은

800

^o

C

정도 의온도에서화재계속시간이평균수시간으로장시간 연소하게 된다

.

따라서 목조건축물의 출화 시급격한 연소

(

延燒

)

확대가이루어지는것으로 나타났다

.

¹⁰⁾

3. 숭례문 화재의 위험성 분석

목조건축문화재의 경우

,

일반적인 목조건축물과 비 슷한양상을 보이지만숭례문화재로 보아대형 한옥 의목조건축의화재특성을 적심부의화염전파와 화염 의확산및소방대응의한계를확인하였다

.

지난

2008

년

2

월

11

일새벽숭례문화재사고당시외부화재진 압은이루어졌으나

,

지붕내에속하는적심아래쪽에 자귓밥

(

대팻밥

)

이 가득하여작은 불씨가 연소와 훈소 를반복하면서지붕위에서 화재를 전파하였다고 추이 하고있다

.

당시외부에서는불꽃을볼수는없었고단

Figure 1.

Comparison of fire growth curve.

지 연소되는 연기만이 시야에 보일 뿐이었다

.

^화재원

인의유형에따라초기연소의확산속도가다소다르 지만숭례문화재의 경우다음과 같은특징을보인다

.

인화성물질을이용한방화로초기에방화물질자체 가연소하여천정부에순간적으로이르러불길이개판 과 서까래 사이의 틈에 스며들어 적심층에 자귓밥을 태워 장시간

(

^약

2

시간

)

연기를 방출하는 상황으로발 전하여 화재성기에 이르러불꽃을 천장부와주포사이 로확산시켜서까래가무너지며지붕상부가붕괴되는 현상으로발전된상태이다

.

목재의 종류에따라다소 차이가있으나 가장보편 적인 목자재로서 적송의 경우

460~435

^o

C

에서 발화하

며

,

느티나무의 경우

426

^o

C

에서발화한다

.

단

,

부재의 크기

,

^화면

,

^{주포부분과천정하부의상간판의구조및}

화염지속시간과 발열량이 지붕구조내부로의 화염전파 에미치는 역할에대하여는 보다더구체적인실험에 의한데이터분석이 요구된다

.

화재취약성은 숭례문방화

(2008

년

)

사건당시의상

황을식

(1)

과식

(2)

을이용하여산정한결과화염의높

이는약

10.3m

에이르는 것으로나타났다

.

(1) Q:

열량

, D:

직경

Q = m

''

× A ×

∆

Hc (2)

m

''

:

질량연소율

, A:

기화면적

, Hc:

유효연소열

신나의조성은매우다양하며대표적조성물인

Toluene

(70~100%

^함유

)

^{으로계산을 가정}

m

''

= 0.07kg/m

²

s,

∆

Hc = 44,000kJ/kg Q = 0.07kg/m

²

s × 44,000kJ/kg × A(m

²

)

A

는정확한계산식이없으며

, SFPE

계산식을적용

,

유출량

< 95

l

A/V = 1.4m

²

/

l로계산

6

l가정시표면적

은

8.4m

²로산정하였다

(

비구속된표면적가정

).

Q = 0.07kg/m

²

s × 44,000kJ/kg × 8.4m

²

= 25,872kW Lf = 0.235(25,872kW)

^2/5−

1.02(3.27m) = 10.34818m

문루 내부의 연소에 의한 구조체의 붕괴를 전제로 볼때

,

숭례문건축구조에서사용된 부재의크기를살 펴보면 먼저 기둥 최대지름이

586mm

에 이르며

, 1

층

대보의 경우

467 × 524mm, 2

층대보의 경우도

367 ×

448mm,

종보

302 × 404mm,

서까래

180 × 200mm

이르

는것으로 나타났다

.*

따라서 일반전통 한옥의

3 × 4

칸구조의 전통한옥과는사용되는부재의굵기나 크 기가큰차이를보이고있다

.

일반적으로목재의 연소를상정할 때표면으로부터 내부로의 탄화가진행

,

연소약

20

분이상이 되면

,

표 면의탄화부분이일종의단열재형태로되어내부로의 열의전파를차단하여탄화진행이급격히 느려진다

.

약

20

분의연소에 의하면탄화부분의깊이는

15.9mm

정도로진행된다

.

⁷⁾

숭례문에사용되는부재의크기및두께를고려하여 만약설치된살수설비등이고장나거나소방대의도

Lf = 0.235Q

^｀25--- −

1.02D

Figure 2.

Fire propagation in column and ceiling.

Figure 3.

Roof structure of wood structure heritage building.

*

숭례문설치도면

,

문화재청

착이다소지연되더라도목구조가붕괴되지않을정도 로목재중심부의건재함이구조체의역할을할수있

을것으로 판단된다

.

단숭례문 사례와 같이약

700~

800

^o

C

^{의 화염과 가열된 연기층이 천정부의 서까래와}

개판 사이의 틈으로 전파되어 천장부 적심층의 부재 부분이탄화가진행될경우서까래이음새가연소되어 공기유입이비교적원활한서까래와부연층으로화염 이전파되어기와와 강회의무게를 견디지 못하고붕 괴될가능성이높다

.

4. 실험 모델 및 방법

본연구에서는적심부의화재성상을파악하기위하 여목조건축 문화재의천장부를 재현하여각시나리 오에 따라실험을 진행하였다

.

실험체는 가로

4m,

세 로

3m

로실제지붕구조를토대로실물스케일로제작 하였으며사용목재는육송을 사용하였다

.

실험

1.

적심부화재 전파실험

서까래 하부

30cm

아래에화원을 설치하였으며

,

화

원을통한개판하부에접하는 온도는

600

^o

C

가되도록 설정하였다

.

이는시너를이용한실제방화시지붕에 접하는 화염의온도를가정한것이다

.

화염및온도의

전파를 확인하기 위하여

K-type

의열전대를개판하부

와상부

,

강회층 하부에각

16

개씩총

48

개를 설치하 였으며

,

온도는

1

초단위로측정되도록하였다

.

실험방

법은개판하부에설치된열전대중심부

30cm

아래에

화원을설치하여개판하부의온도가

600

^o

C

가될때까 지약

23

분가량가열한 후화염을 제거하였다

.

Figure 4

는목조건축문화재천장부를재현한 실험

체로서 기와를 제외한 강회

,

^보토

,

^적심부

,

^{개판 순으}

로 구성하였으며 화원은 열관리를 위한 가스버너

*

를

사용하고

K-type

^{열전대를개판하부}

,

^개판상부

,

^강회

층하부의위치에설치하여화재전파과정을알아보았다

.

실험

2.

방염도료화재 전파실험

Figure 5

는방염도료화재전파실험을위한실험체

로서크기는 가로

4m,

세로

3m

로가운데

2m

되는 지

점을 구획하여한 부분만 방염도료를 도색하였다

.

^방

염도료는인산염화합물을기초로한목조건축물용방 염제를사용하였다

.

^{사용된방염제의특징은친환경수}

성투명 방화액으로서연소시연기발생이적고 인체 에무해한 화재방지용액체로서표면에 도막을 입히 는과정이 침투성액상도료로단청 도장된목조건축물 에사용할수있는것으로알려져있다

.

실험

3.

방염천화재전파실험

Figure 6

는방염천화재전파실험을위한단면구성

도로서 실험체의 크기는가로

2m,

세로

3m

로적심부

와개판사이에 방염천을넣어화염이 직접접촉하는 개판의 연소가적심부 및강회층에어떤영향을 주는 지알아 볼수있도록 구성하였다

.

실험에 사용된 방 염천은탄소섬유및실리카섬유시트를기초로한방 염천을사용하였다

.

방염천으로사용된실리카섬유의 특징은석면대용품으로연속사용온도

1,200

^o

C,

순간

사용온도

1,800

^o

C

까지견딜수있는내열섬유로용융

Figure 4.

Construction of fire test model.

*

링구버너

1

열

2

구발열량

24,000kcal/m

²

, 12,000kcal/kg

점은 약

3,100

^o

C

로알려져 있다

.

또한내약품성이 좋 으며 전기절연성이뛰어나고 고온스팀및방수성과 수분흡수성도우수하고공기중에서안정적인것으로 평가받고있다

.

5. 실험결과

Figure 7

^{은 실험}

1.

^{적심부 화재전파 실험결과}

,

^화

원의 제거후개판상부에서온도가 천천히올라가는 것을볼수있으며

,

^약

45

^{분후개판상부의온도가급}

속도록상승하였다

.

이는

23

분후개판상부에서 훈소

가 진행되다 약

45

분후 연소에 의한 화염이 전파된 것으로 알수있다

.

^{개판 상부의 화염전파에따라 개}

판하부에서도온도가상승하였다

.

약

60

분후물에의 한화재진압을 한결과 개판상

,

^{하부의 온도는 내려}

가는경향을보였으나화재진압을멈추면다시온도가 상승하였다

.

^{따라서목조문화재의적심부의경우일반}

적인건축물의화재와는다른 연소특성을보였다

.

Figure 8

은실험

2.

방염도료화재전파실험결과로

서

4

차례의실험에서 유사한온도경향을나타냈으며

, 3

^{차례실험까지는개판하부의온도를}

700~800

^o

C

^까지

상승하였으며

,

개판상부의 온도는

400~500

^o

C

까지상 Figure 5.

Construction of fire test model by anti-flame paint.

Figure 6.

Construction of fire test by anti-flame fabric.

승하였으나

, 4

번째실험에서는개판상

,

하부의온도는

600

^{이상 나타냈다}

.

^{그러나 강회층 하부에는 온도변화}

를나타내지않았다

. 3

차의실험까지는개판하부에화

염을접하여도개판상부에 온도는 상승하지만화염이 전파되지 않았지만

, 4

^{번째 시험에서는 개판상부에 화}

염이전파되는것을알수있다

.

따라서방염도료는초 Figure 7.

Temperature profile during the combustion time of roof ‘Jucsim’ structure.

Figure 8.

Temperature profile during the combustion time for anti-flame paint.

Figure 9.

Photograph of fire propagation test by anti-flame paint.

기화염의전파를차단하는효과를나타내지만온도가 상승되는것을알수있으며

,

장시간화염노출시화

염전파를막지못하는것으로나타났다

. Figure 9

^는방

염천화재전파실험진행과정을 보여주고 있다

.

Figure 10

^은실험

3.

^{방염천화재전파실험진행과}

정을나타내는 사진으로서첫번째

,

방염도료화재전 파실험 보다는 연기발생량이 현저히적은 것을보여

주고 있다

.

또한

Figure 11

에서나타나듯이 화염과직

접 접촉하는 개판 하단부는약

1

^{분 이내에}

600

^o

C

^이

상으로 온도가 상승하는것으로 나타났다

.

지붕 내부 의 개판 상부에 설치된 센서에

100

^o

C

가 전달되는 시 간은약

8~9

분

,

목조인화점인약

250

^o

C

까지는 약

25

분

,

특히 적송의 발화온도 약

450

^o

C

에 도달하기까지 약

29

분이소요되는것으로 나타났으며그위에설치

한방염천상부의센서는약

20~25

분후에

80

^o

C

에도

달한 후화원이 제거될 때까지같은 온도로유지하는

것으로나타났다

.

6. 결 론

본논문은목조문화재의화재시화염확대를방지하 고피해를 최소화하기위하여 목조건축물지붕구조체 실물화재 실험을통하여적심부연소특성을살펴보고

,

아울러 방염도료와 방염천 등의 방염재료를 적용 시 화재성상을알아보았다

.

^{실험범위는첫째}

,

^{일반목조건}

축문화재의적심 지붕구조를가지는 경우

,

둘째

,

여기 에방염도료를적용한경우

,

^셋째

,

^{방염도료대신개판}

과적심부 사이에방염천을 설치한 경우에대하여 연 소및화재성상을비교실험하여다음과같은연구결 론을얻었다

.

첫째

,

목조건축문화재의 적심부 화재전파는 일반 적인건축물과는 다른화재성상을 보이며외부 화염 Figure 11.

Temperature profile during the combustion time for anti-flame fabric.

Figure 10.

Photograph of fire propagation test by anti-flame fabric.

의진압후에도내부에서는화재가계속진행함을보였다

.

둘째

,

^{방염도료화재전파실험에서는동일한 화원으}

로실험한 결과방염도료도색부분 내화성능은개판 하부 화염온도의

50~60%

^정도인

400~500

^o

C

에서 약

10~15

분간유지한후방염내화성능이급격히떨어지는

것으로나타났다

.

따라서방염도료를사용하지않은곳 보다상대적으로화염전파가지연되는것을확인할수 있었으나실제로목조건축문화재에적용하기위해서 는방염도료가목조문화재의미치는화학적성질규명 등의추가연구가 필요할것으로 판단된다

.

셋째

,

방염천의 경우 개판 하부가 약

700~800

^o

C

의

높은 온도에도불구하고 강회하부층은

80

^o

C,

적심층

으로 화염이 옮아 붙을때까지 약

20~25

분 정도시

간이 소요되는 것으로 보아 화염 전파를 지연시키는 것으로 나타났다

.

향후목조문화재적심층 화재성상및연소 특성을 바탕으로기존 소방설비와방염도료등의 적용방법과 설계방안에대한후속연구를 수행할예정입니다

.

감사의 글

본논문은

2008

년도광운대학교학술연구비지원사

업과 차세대 핵심소방안전기술개발사업으로 수행되었 으며

,

이에감사드립니다

.

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