이 연구에서는 목구조 건축의 화재안전 성능설계기법 개발에 선행하여 목재의 연소특성 자료를 확보하고자 목재의 탄화속도를 측정하였다. $400{\times}400$ mm 단면 북미산 미송을 대상으로 목재 두께와 목리방향에 따른 가열실험결과를 요약하면 다음과 같다. 1) 동일단면에서 목재의 두께가 늘어날수록 탄화속도는 점차 감소하는 것으로 나타났다. 일정 두께 이상의 탄화층은 단열층의 역할을 하여 목재연소를 지연시키는 것으로 판단된다. 2) 목재 두께(20, 40, 80, 120 mm)를 달리하면서 최대 l 시간까지 표준화재에 노출시켜 목재 깊이 (10, 20, 30, 40 mm)별 탄화속도를 비교해본 결과 화재노출면으로부터 30mm 깊이까지는 탄화 속도가 증가하나 40mm에서는 탄화속도가 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 단열층으로서 역할을 할 수 있는 탄화층의 최소두께는 적어도 30mm 이상인 것으로 판단된다. 3) 목재 가열면이 목리방향(방사단면)인 경우보다 목리직각방향(횡단면)인 경우 탄화속도가 더 높은 것으로 나타났다. 이는 화재에 노출되면서 목재조직의 수축으로 인한 갈라짐과 터짐 등으로 인해 생긴 틈새로 목재 내부로의 열 유입이 더 잘 일어나기 때문으로 판단된다.
이 연구에서는 목구조 건축의 화재안전 성능설계기법 개발에 선행하여 목재의 연소특성 자료를 확보하고자 목재의 탄화속도를 측정하였다. $400{\times}400$ mm 단면 북미산 미송을 대상으로 목재 두께와 목리방향에 따른 가열실험결과를 요약하면 다음과 같다. 1) 동일단면에서 목재의 두께가 늘어날수록 탄화속도는 점차 감소하는 것으로 나타났다. 일정 두께 이상의 탄화층은 단열층의 역할을 하여 목재연소를 지연시키는 것으로 판단된다. 2) 목재 두께(20, 40, 80, 120 mm)를 달리하면서 최대 l 시간까지 표준화재에 노출시켜 목재 깊이 (10, 20, 30, 40 mm)별 탄화속도를 비교해본 결과 화재노출면으로부터 30mm 깊이까지는 탄화 속도가 증가하나 40mm에서는 탄화속도가 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 단열층으로서 역할을 할 수 있는 탄화층의 최소두께는 적어도 30mm 이상인 것으로 판단된다. 3) 목재 가열면이 목리방향(방사단면)인 경우보다 목리직각방향(횡단면)인 경우 탄화속도가 더 높은 것으로 나타났다. 이는 화재에 노출되면서 목재조직의 수축으로 인한 갈라짐과 터짐 등으로 인해 생긴 틈새로 목재 내부로의 열 유입이 더 잘 일어나기 때문으로 판단된다.
In this study, we have measured the charring rate of solid sawn timber as a preceding step for develop performance based fire safety design method of wood framed building structures. The follows are the summary of fire test results carried out with $400{\times}400$ mm cross-section Dougla...
In this study, we have measured the charring rate of solid sawn timber as a preceding step for develop performance based fire safety design method of wood framed building structures. The follows are the summary of fire test results carried out with $400{\times}400$ mm cross-section Douglas-fir in varied of thickness and grain directions. I) When the timber thickness increase under same dimension, the charring rate decreases gradually. It is seemed the charring layer up on a thickness roles as a insulation, gives combustion delaying time to specimen. 2) The charring rates measured at different depths (10, 20, 30, 40 mm) in timber which varying thickness (20, 40, 80, 120 mm) when exposed maximum 1 hour standard fire increase by 30 mm depth, but decrease at 40 mm. It is seemed the minimum charr layer should be 30 mm for having role of insulation. 3) The charring rate of cross section surface (direction of perpendicular to grain) was more high than that of grain direction. It can be explained by the cracks and gaps from greater charr contraction made more heat flux incident into timber.
In this study, we have measured the charring rate of solid sawn timber as a preceding step for develop performance based fire safety design method of wood framed building structures. The follows are the summary of fire test results carried out with $400{\times}400$ mm cross-section Douglas-fir in varied of thickness and grain directions. I) When the timber thickness increase under same dimension, the charring rate decreases gradually. It is seemed the charring layer up on a thickness roles as a insulation, gives combustion delaying time to specimen. 2) The charring rates measured at different depths (10, 20, 30, 40 mm) in timber which varying thickness (20, 40, 80, 120 mm) when exposed maximum 1 hour standard fire increase by 30 mm depth, but decrease at 40 mm. It is seemed the minimum charr layer should be 30 mm for having role of insulation. 3) The charring rate of cross section surface (direction of perpendicular to grain) was more high than that of grain direction. It can be explained by the cracks and gaps from greater charr contraction made more heat flux incident into timber.
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문제 정의
이러한 사회적 관점에 변화와 대조적으로 목조건축물의 화재안전성에 대한 정책수립 및 연구현황은 미흡한 수준이다. 본 연구에서는 주요 목재부재의 화재 안전성 확보를 위한 성능설계기법 개발에 선행되어야 하는 목재의 연소특성 자료를 확보하고자 400 X 400 mm 단면의 목재의 탄화속도를 측정하였다. 북미산 미송 목재의 두께(20, 40, 80, 120 mm)와 목리방향에 따른 실험결과 연소특성을 요약하면 다음과 같다.
이 연구에서는 구조용 목재로 많이 사용되는 북미산 미송을 대상으로 목재의 크기와 섬유방향을 변수로 한 탄화특성을 비교하였다. 구조용으로 많이 사용되는 침엽수는 2005년 이후부터 수입량이 크게 증가하여 2010년도에는 전체 수입목재의 83.
이에 본 연구에서는 화재에 노출된 목재의 두께에 따른 탄화속도를 측정하고 목재의 연소특성을 고찰하였다. 실험체는 400(W)x400mm(L) 크기의 목재를 목재의 두께와 화재노출면 목리방향을 실험변수로 하여 일방향 비재하 화재실험을 실시하였다(Table 1).
가설 설정
° 한편 목재의 탄화가 진행되는 과정에서 탄화층 부근이 수축하게 되며 목재의 단면은 원래보다 줄어들게 되는데 단면수축 과정에서 발생한 틈을 통해 가연성 가스가 목재 표면으로 이동하면서 연소가 더욱 가속된다. 7)따라서 목재의 단면이 작은 경우 탄화속도도 증가하게 된다.
제안 방법
탄화속도를 측정하기 위해 Figure 2(a)와 같이 실험체의 가열 반대면 쪽에 가열면으로부터 10mm 깊이별로 K-Type의 시즈열전대 (sheathed thermocouple)를 설치하여 시간에 따른 목재의 내부온도를 측정하였다. 실험체 두께별 열전대 측정위치는 Table 3과 같다.
내화실험은 Figure 3과 같이 소규모 실험체의 일면 가열이 가능하도록 제작된 다목적 소형가열로에서 실시하였다. 이 가열로는 다양한 화재시나리오 구현을 위해 화재강도 조정이 가능하고, 최대 135"C 내의 다양한 화재조건을 구현할 수 있다.
실험 중 실험체 주변부 연소와 이로 인한 간섭을 최소화하기 위해서 실험체의 가열면을 제외한 나머지 면들을 고온용 섬유내화재로 단열처리 하였다(Figure 2
대상 데이터
이에 본 연구에서는 화재에 노출된 목재의 두께에 따른 탄화속도를 측정하고 목재의 연소특성을 고찰하였다. 실험체는 400(W)x400mm(L) 크기의 목재를 목재의 두께와 화재노출면 목리방향을 실험변수로 하여 일방향 비재하 화재실험을 실시하였다(Table 1). 화재실험에 앞서 실험목재의 함수율을 측정한 결과 평균 약 11 % 의 함수율을 보이는 것으로 나타났다.
이론/모형
가열로의 온도 오차범위 및 시험환경 등은 KS F 2257-1 의 요구사항에 적합하도록 하였다. Figure 4는 실험체 설치 및 실험 중 목재연소장면이다.
목재의 탄화속도를 측정하기 위해 사용된 시간-가열온도 곡선은 KS F 2257-1(건축부재의 내화시험 방법-일반요구사항)'에 따라 식(1)과 같이 산정하였으며 국내 목구조 내화성능 기준에 규정되어 있는 60분 가열실험을 실시하였다.
성능/효과
미국 Wood Handbook의 약식계산법에 의한 북미산 미송의 탄화속도가 0.625 mm/min인 것과 비교했을 때 40 mm 깊이에서 300。(2에 도달한 시간을 기준으로 탄화속도를 살펴보면 목재두께 80 mm와 120mm에서 각각 0.89 mm/min와 0.75 mm/min(이상 횡단면), 0.74 mm/min와 0.61 mm/min(이상 방사단면)로 나타났다. 방사 단면의 경우 미국의 기준과 비교해 80 mm와 120 mm 목재에서 각각 118.
가장 가까운 10 mm 지점에서는 100。(2에서의 온도상승 지연효과가 거의 없었으며, 120 mm 두께 목재에서만 약 5분간 온도상승이 지연되는 것을 볼 수 있다.
1) 목재의 두께가 늘어날수록 화재노출면으로부터 동일 깊이에서의 탄화속도가 감소하였으며, 목재의 두께가 탄화속도에 영향을 미치는 직접적 요인인 것으로 나타났다. 목재 두께의 증가와 탄화속도 간의 상관성에 대해서는 보다 많은 실험을 통해 규명될 수 있을 것으로 생각된다.
2) 방사단면의 경우 미국의 약식 기준과 비교해 두께 80 mm와 120 mm에서 각각 118.4 %와 97.6 % 수준의 탄화속도를 보여 목재의 두께가 두꺼울수록 탄화속도가 줄어드는 것을 확인하였다.
2c재두께 40 mm, 80 mm에서 3~5분, 목재두께 120 mm에서 7분 정도 온도상승 지연효과가 관찰되었고, 30mm 깊이에서는 10~15분 내외, 40 mm 깊이에서는 약 15분 정도 온도상승이 지연되었다. 전반적으로 목재의 깊이가 깊어질수록, 각 측정 깊이별로 목재의 두께가 두꺼울수록 100P에서의 내부온도 상승 지연시간이 늘어나는 것으로 관찰되었다.
3) 목재 두께별(20, 40, 80, 120 mm)로 1시간까지 화재에 노출시켜 목재 깊이(10, 20, 30, 40 mm)에 따른 탄화속도를 비교해 본 결과 화재 노출면으로부터 30 mm 깊이까지는 탄화속도가 증가하나 40mm 이상에서는 탄화속도가 감소하는 것으로 나타났다. 일정 두께 이상의 탄화층은 단열층의 역할을 하여 목재 연소를 지연시키는 역할을 하는데, 표준화재에 1시간 노출된 경우 단열층으로서 역할을 할 수 있는 탄화층의 최소두께는 적어도 30mm 이상인 것으로 판단된다.
4) 목재 가열면이 목리방향(방사단면)인 경우보다 목리 직각 방향(횡단면)인 경우 탄화속도가 더 높은 것으로 나타났다. 이는 화재에 노출되면서 목재조직의 수축으로 인한 갈라짐과 터짐 등으로 인해 생긴 틈새로 열이 목재 내부로 유입되기 때문인 것으로 판단된다.
목재 깊이별 탄화속도를 보면 전반적으로 화재 노출면으로부터 30 mm까지는 탄화속도가 증가하다가 40 mm 부터는 탄화속도가 감소하는 것으로 나타났다. 목재의 단면이 커질수록 탄화속도는 점차 감소하는 것으로 판단되는데 이는 탄화층이 연소에 필요한 충분한 산소를 포함하고 있지 않아 활발한 연소가 진행되지 않고 일정 두께 이상의 단열층을 형성하게 되며, 결국 일정 시간 동안 목재의 탄화를 지연시키는 역할을 하는 것으로 판단된다.
방사단면 대비 횡단면 가열시의 탄화속도는 40 mm 깊이 에서 120.3 %(두께 80 mm)와 123.0 %(두께 120 mm)로 높은 것으로 관찰되었다. Figure 7(a)에서는 방사 단면 측정깊이 20 mm에서 탄화속도가 낮게 측정되었는데 이는 측정지점 부위에 밀도가 높은 옹이 등이 있어 영향을 미친 것으로 추정된다.
6% 수준의 탄화속도를 보이고 있다. 이로써 동일수종에서 목재의 두께가 두꺼울수록 탄화속도가 줄어드는 것을 알 수 있다.
사료된다. 이상의 결과를 통해 목재의 두께는 탄화속도에 직접적인 영향을 미치는 요인으로 작용함을 알 수 있다.
전반적으로 목재의 깊이가 깊어질수록, 각 측정 깊이별로 목재의 두께가 두꺼울수록 100P에서의 내부온도 상승 지연시간이 늘어나는 것으로 관찰되었다.
한편 목리방향에 따른 부재의 탄화속도를 살펴보면 횡단면 목재의 탄화속도가 방사단면 보다 높은 것으로 나타났다. 방사단면 대비 횡단면 가열시의 탄화속도는 40 mm 깊이 에서 120.
실험체는 400(W)x400mm(L) 크기의 목재를 목재의 두께와 화재노출면 목리방향을 실험변수로 하여 일방향 비재하 화재실험을 실시하였다(Table 1). 화재실험에 앞서 실험목재의 함수율을 측정한 결과 평균 약 11 % 의 함수율을 보이는 것으로 나타났다. 실험에 사용된 북
후속연구
6 %를 차지하고 있으며, 이중 전나무, 가문비나무, 미송의 수입량은 전체 침엽수 의약 12% 비중을 차지하고 있다., 제재목의 탄화특성 자료는 국내 목구조건축의 내화구조 표준 및 성능설계수립을 위한 기초자료로 활용할 수 있을 것으로 사료된다.
화재거동을 보인다. 따라서 중요한 수종(樹種)의 탄화속도측정 결과를 수집하면 내화구조 표준화를 위한 자료로 활용 가능하며, 성능적 내화설계를 위한 자료로도 활용할 수 있다. 국내의 내화설계기술개발은 강구조, 콘크리트구조를 위주로 줄곧 전개되어왔으며, 관련 데이터베이스의 구축과 제도운영의 실현이 조만간 이루어 질 것으로 보고 있는 반면 목구조건축에 대해서는 거의 연구된 바가 없는 실정이다.
(a)에서 (c)의 그래프는 목재 두께가 두꺼울수록 탄화속도가 줄어드는 것을 관찰할 수 있다. 목재 두께와 탄화속도와의 상관성에 대해서는 보다 많은 실험을 통해 규명 가능할 것으로 사료된다.
목재 두께의 증가와 탄화속도 간의 상관성에 대해서는 보다 많은 실험을 통해 규명될 수 있을 것으로 생각된다.
앞으로 목조건축이 더욱 활성화 됨에 따라 보다 다양한 용도와 규모로 확대되어 갈 것으로 보이며, 이를 위해서는 지금까지 제대로 조명되지 못했던 관련 제도개선과 기술개발이 필요하다고 사료된다. 이러한 점에서 목구조 내화표준 수립, 접합부 성능 요소기술 개발, 내화설계기술개발이 요구되며, 처마/외벽부위의 방화구조 성능 확보, 목재의 난연화 등의 기술개발도 필요하다고 하겠다.
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http://www.kict.re.kr.
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