[논문]목조 건축 문화재 적심부 실물화재 실험을 통한 연소 특성 연구

노삼규; 함은규

문제 정의

당시에 출동한 소방대에 의해 기둥과 천장에 노출된 화재는 초기에 진압했으나, 지붕내부에 침윤 전파된 화염은 결과적으로 구조체의 붕괴를 초래했다. 따라서 천장부를 포함한 지붕 내부 구조에 전파되는 화염의 특성을 파악하고 이에 대응할 수 있는 내화구조와 내화재료의 성능을 실험을 통해 알아보았다. 본 논문은 목조문화재의 화재 시 화염확대를 방지하고 피해를 최소화하기 위하여 목조건축물 지붕구조체 실물화재 실험을 통하여 적심부 연소특성을 살펴보고, 아울러 방염도료와 방염천 등의 방염재료를 적용 시 화재성상을 알아보았다.
따라서 천장부를 포함한 지붕 내부 구조에 전파되는 화염의 특성을 파악하고 이에 대응할 수 있는 내화구조와 내화재료의 성능을 실험을 통해 알아보았다. 본 논문은 목조문화재의 화재 시 화염확대를 방지하고 피해를 최소화하기 위하여 목조건축물 지붕구조체 실물화재 실험을 통하여 적심부 연소특성을 살펴보고, 아울러 방염도료와 방염천 등의 방염재료를 적용 시 화재성상을 알아보았다. 실험범위는 첫째, 목조건축문화재의 적심 지붕구조를 가지는 경우, 둘째, 여기에 방염도료를 적용한 경우, 셋째, 방염도료 대신 개판과 적심부 사이에 방염천을 설치한 경우에 대하여 연소 및 화재성상을 비교 실험하였습니다.
따라서 천장부를 포함한 지붕 내부 구조에 전파되는 화염의 특성을 파악하고 이에 대응할 수 있는 내화구조와 내화재료의 성능을 실험을 통해 알아보았다. 본 논문은 목조문화재의 화재 시 화염확대를 방지하고 피해를 최소화하기 위하여 목조건축물 지붕구조체 실물화재 실험을 통하여 적심부 연소특성을 살펴보고, 아울러 방염도료와 방염천 등의 방염재료를 적용 시 화재성상을 알아보았다. 실험범위는 첫째, 목조건축문화재의 적심 지붕구조를 가지는 경우, 둘째, 여기에 방염도료를 적용한 경우, 셋째, 방염도료 대신 개판과 적심부 사이에 방염천을 설치한 경우에 대하여 연소 및 화재성상을 비교 실험하였습니다.
본 연구에서는 적심부의 화재 성상을 파악하기 위하여 목조 건축 문화재의 천장부를 재현하여 각 시나리오에 따라 실험을 진행하였다. 실험체는 가로 4m, 세로 3m로 실제 지붕구조를 토대로 실물 스케일로 제작하였으며 사용목재는 육송을 사용하였다.

가설 설정

서까래 하부 30cm 아래에 화원을 설치하였으며, 화원을 통한 개판하부에 접하는 온도는 600℃가 되도록 설정하였다. 이는 시너를 이용한 실제 방화 시 지붕에 접하는 화염의 온도를 가정한 것이다. 화염 및 온도의 전파를 확인하기 위하여 K-type의 열전대를 개판하부와 상부, 강회층 하부에 각 16개씩 총 48개를 설치하였으며, 온도는 1초 단위로 측정되도록 하였다.

제안 방법

Figure 4는 목조 건축 문화재 천장부를 재현한 실험체로서 기와를 제외한 강회, 보토, 적심부, 개판 순으로 구성하였으며 화원은 열관리를 위한 가스버너*를 사용하고 K-type 열전대를 개판 하부, 개판 상부, 강회층 하부의 위치에 설치하여 화재 전파 과정을 알아보았다.
목조건축문화재의 경우, 일반적인 목조건축물과 비슷한 양상을 보이지만 숭례문 화재로 보아 대형 한옥의 목조건축의 화재특성을 적심부의 화염전파와 화염의 확산 및 소방대응의 한계를 확인하였다. 지난 2008년 2월 11일 새벽 숭례문 화재사고 당시 외부 화재 진압은 이루어 졌으나, 지붕 내에 속하는 적심 아래쪽에 자귓밥(대팻밥)이 가득하여 작은 불씨가 연소와 훈소를 반복하면서 지붕위에서 화재를 전파하였다고 추이하고 있다.
화염 및 온도의 전파를 확인하기 위하여 K-type의 열전대를 개판하부와 상부, 강회층 하부에 각 16개씩 총 48개를 설치하였으며, 온도는 1초 단위로 측정되도록 하였다. 실험방법은 개판 하부에 설치된 열전대 중심부 30cm 아래에 화원을 설치하여 개판하부의 온도가 600℃가 될 때 까지 약 23분가량 가열한 후 화염을 제거하였다.
본 논문은 목조문화재의 화재 시 화염확대를 방지하고 피해를 최소화하기 위하여 목조건축물 지붕구조체 실물화재 실험을 통하여 적심부 연소특성을 살펴보고, 아울러 방염도료와 방염천 등의 방염재료를 적용 시 화재성상을 알아보았다. 실험범위는 첫째, 목조건축문화재의 적심 지붕구조를 가지는 경우, 둘째, 여기에 방염도료를 적용한 경우, 셋째, 방염도료 대신 개판과 적심부 사이에 방염천을 설치한 경우에 대하여 연소 및 화재성상을 비교 실험하였습니다.
본 논문은 목조문화재의 화재 시 화염확대를 방지하고 피해를 최소화하기 위하여 목조건축물 지붕구조체실물화재 실험을 통하여 적심부 연소특성을 살펴보고, 아울러 방염도료와 방염천 등의 방염재료를 적용 시 화재성상을 알아보았다. 실험범위는 첫째, 일반 목조건축문화재의 적심 지붕구조를 가지는 경우, 둘째, 여기에 방염도료를 적용한 경우, 셋째, 방염도료 대신 개판과 적심부 사이에 방염천을 설치한 경우에 대하여 연소 및 화재성상을 비교 실험하여 다음과 같은 연구 결론을 얻었다.
이는 시너를 이용한 실제 방화 시 지붕에 접하는 화염의 온도를 가정한 것이다. 화염 및 온도의 전파를 확인하기 위하여 K-type의 열전대를 개판하부와 상부, 강회층 하부에 각 16개씩 총 48개를 설치하였으며, 온도는 1초 단위로 측정되도록 하였다. 실험방법은 개판 하부에 설치된 열전대 중심부 30cm 아래에 화원을 설치하여 개판하부의 온도가 600℃가 될 때 까지 약 23분가량 가열한 후 화염을 제거하였다.

대상 데이터

Figure 5는 방염도료 화재 전파 실험을 위한 실험체로서 크기는 가로 4m, 세로 3m로 가운데 2m되는 지점을 구획하여 한 부분만 방염도료를 도색하였다. 방염도료는 인산염화합물을 기초로 한 목조 건축물용 방염제를 사용하였다. 사용된 방염제의 특징은 친환경 수성투명 방화 액으로서 연소 시 연기발생이 적고 인체에 무해한 화재 방지용 액체로서 표면에 도막을 입히는 과정이 침투성액상도료로 단청 도장된 목조건축물에 사용할 수 있는 것으로 알려져 있다.
Figure 6는 방염천 화재 전파 실험을 위한 단면구성도로서 실험체의 크기는 가로 2m, 세로 3m로 적심부와 개판 사이에 방염천을 넣어 화염이 직접 접촉하는 개판의 연소가 적심부 및 강회층에 어떤 영향을 주는지 알아 볼 수 있도록 구성하였다. 실험에 사용된 방염천은 탄소 섬유 및 실리카 섬유시트를 기초로 한 방염천을 사용하였다. 방염천으로 사용된 실리카 섬유의 특징은 석면 대용품으로 연속 사용온도 1,200℃, 순간 사용온도 1,800℃까지 견딜 수 있는 내열 섬유로 용융점은 약 3,100℃로 알려져 있다.
본 연구에서는 적심부의 화재 성상을 파악하기 위하여 목조 건축 문화재의 천장부를 재현하여 각 시나리오에 따라 실험을 진행하였다. 실험체는 가로 4m, 세로 3m로 실제 지붕구조를 토대로 실물 스케일로 제작하였으며 사용목재는 육송을 사용하였다.

성능/효과

둘째, 방염도료 화재 전파실험에서는 동일한 화원으로 실험한 결과 방염도료 도색 부분 내화성능은 개판하부 화염온도의 50~60% 정도인 400~500℃에서 약 10~15분간 유지한 후 방염내화성능이 급격히 떨어지는 것으로 나타났다. 따라서 방염도료를 사용하지 않은 곳보다 상대적으로 화염전파가 지연되는 것을 확인할 수 있었으나 실제로 목조 건축 문화재에 적용하기 위해서는 방염도료가 목조문화재의 미치는 화학적 성질 규명 등의 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.
3차의 실험까지는 개판 하부에 화염을 접하여도 개판상부에 온도는 상승하지만 화염이 전파되지 않았지만, 4번째 시험에서는 개판상부에 화염이 전파되는 것을 알 수 있다. 따라서 방염도료는 초기 화염의 전파를 차단하는 효과를 나타내지만 온도가 상승되는 것을 알 수 있으며, 장시간 화염 노출 시 화염전파를 막지 못하는 것으로 나타났다. Figure 9는 방염천 화재 전파 실험 진행 과정을 보여주고 있다.
방염천으로 사용된 실리카 섬유의 특징은 석면 대용품으로 연속 사용온도 1,200℃, 순간 사용온도 1,800℃까지 견딜 수 있는 내열 섬유로 용융점은 약 3,100℃로 알려져 있다. 또한 내약품성이 좋으며 전기 절연성이 뛰어나고 고온 스팀 및 방수성과 수분 흡수성도 우수하고 공기 중에서 안정적인 것으로 평가받고 있다.
Figure 8은 실험 2. 방염도료 화재 전파 실험 결과로서 4차례의 실험에서 유사한 온도 경향을 나타냈으며, 3차례 실험까지는 개판 하부의 온도를 700~800℃까지상승하였으며, 개판 상부의 온도는 400~500℃까지 상승하였으나, 4번째 실험에서는 개판 상, 하부의 온도는 600이상 나타냈다. 그러나 강회층 하부에는 온도변화를 나타내지 않았다.
Figure 10은 실험 3. 방염천 화재 전파 실험 진행 과정을 나타내는 사진으로서 첫 번째, 방염도료 화재 전파실험 보다는 연기 발생량이 현저히 적은 것을 보여주고 있다. 또한 Figure 11에서 나타나듯이 화염과 직접 접촉하는 개판 하단부는 약 1분 이내에 600℃ 이상으로 온도가 상승하는 것으로 나타났다.
셋째, 방염천의 경우 개판 하부가 약 700~800℃의 높은 온도에도 불구하고 강회 하부층은 80℃, 적심층으로 화염이 옮아 붙을 때 까지 약 20~25분 정도 시간이 소요되는 것으로 보아 화염 전파를 지연시키는 것으로 나타났다.
개판 상부의 화염전파에 따라 개판하부에서도 온도가 상승하였다. 약 60분 후 물에 의한 화재진압을 한 결과 개판 상, 하부의 온도는 내려가는 경향을 보였으나 화재진압을 멈추면 다시 온도가 상승하였다. 따라서 목조문화재의 적심부의 경우 일반적인 건축물의 화재와는 다른 연소 특성을 보였다.
Figure 7은 실험 1. 적심부 화재 전파 실험결과, 화원의 제거 후 개판 상부에서 온도가 천천히 올라가는 것을 볼 수 있으며, 약 45분 후 개판 상부의 온도가 급속도록 상승하였다. 이는 23분 후 개판 상부에서 훈소가 진행되다 약 45분 후 연소에 의한 화염이 전파된 것으로 알 수 있다.
또한 Figure 11에서 나타나듯이 화염과 직접 접촉하는 개판 하단부는 약 1분 이내에 600℃ 이상으로 온도가 상승하는 것으로 나타났다. 지붕 내부의 개판 상부에 설치된 센서에 100℃가 전달되는 시간은 약 8~9분, 목조 인화점인 약 250℃까지는 약 25분, 특히 적송의 발화온도 약 450℃에 도달하기까지 약 29분이 소요되는 것으로 나타났으며 그 위에 설치한 방염천 상부의 센서는 약 20~25분 후에 80℃에 도달한 후 화원이 제거될 때까지 같은 온도로 유지하는 것으로 나타났다.
첫째, 목조 건축문화재의 적심부 화재 전파는 일반적인 건축물과는 다른 화재 성상을 보이며 외부 화염의 진압 후에도 내부에서는 화재가 계속 진행함을 보였다.
관련 연구에 따르면 목재류의 경우 화재가 시작되는 점화로부터 500℃가 될 때까지의 성장단계시간을 측정한 결과 일반화재의 경우 168초, 방화화재의 경우에는 5초로 나타났다. 특히 일반화재의 경우에는 점화 후 약 250초까지는 서서히 연소가 진행되었으며, 250초 이후부터 가연물 전체가 연소하는 특성을 보였다. 그러나 방화화재의 경우에는 초기연소 단계에서 실험체 상부온도가 834℃까지 급격하게 상승하는 것으로 나타났으며, 이와 같은 연소특성은 소파 및 의류 실험체와는 달리 목재류 상부에 방사된 액체 가연물(신너)이 실험체에 스며들지 못하고 목재류 표면에 묻은 상태로 남아있다가 동시에 연소가 진행되는 관계로 온도가 급격히 상승한 것으로 나타났다.

후속연구

목재의 종류에 따라 다소 차이가 있으나 가장 보편적인 목자재로서 적송의 경우 460~435℃에서 발화하며, 느티나무의 경우 426℃에서 발화한다. 단, 부재의 크기, 화면, 주포 부분과 천정하부의 상간판의 구조 및 화염지속시간과 발열량이 지붕구조내부로의 화염전파에 미치는 역할에 대하여는 보다 더 구체적인 실험에 의한 데이터 분석이 요구된다.
둘째, 방염도료 화재 전파실험에서는 동일한 화원으로 실험한 결과 방염도료 도색 부분 내화성능은 개판하부 화염온도의 50~60% 정도인 400~500℃에서 약 10~15분간 유지한 후 방염내화성능이 급격히 떨어지는 것으로 나타났다. 따라서 방염도료를 사용하지 않은 곳보다 상대적으로 화염전파가 지연되는 것을 확인할 수 있었으나 실제로 목조 건축 문화재에 적용하기 위해서는 방염도료가 목조문화재의 미치는 화학적 성질 규명 등의 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.
향후 목조문화재 적심층 화재 성상 및 연소 특성을 바탕으로 기존 소방설비와 방염도료 등의 적용방법과 설계방안에 대한 후속 연구를 수행할 예정입니다.

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