목구조 내화성능

왜 배우는가: 목구조는 목재의 연소 특성 때문에 주요구조부의 내화성능을 어떻게 확보하는지가 건축구조 설계와 소방 협의에서 반복해서 다뤄진다. 기술사 시험에서도 내화성능기준과 방화설계 고려사항이 함께 출제되어, 개념 정의와 기준 체계를 정확히 잡아 두어야 한다.

출제 이력: 제123회 3교시 1번, 제117회 1교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의는 다음과 같다.

목구조 내화성능이란 기둥·보·바닥·벽 등 주요구조부가 화재에 일정 시간 견디며 하중 지지 능력과 화염 차단 능력을 유지하는 성능을 말한다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 내화구조: 화재에 견딜 수 있는 성능을 가진 구조로서 국토교통부령 기준에 적합한 구조(건축법 시행령 제2조 제7호)
• 주요구조부: 내력벽, 기둥, 바닥, 보, 지붕틀 및 주계단(건축법 제2조 제1항 제7호, 다만 사이 기둥·최하층 바닥·작은 보·차양·옥외 계단 등 구조상 중요하지 않은 부분은 제외)
• 내화시간: 표준 가열시험에서 내화성능이 보장되는 시간
• 방화구조: 화염의 확산을 막을 수 있는 성능을 가진 구조(건축법 시행령 제2조 제8호)
• 불연재료·준불연재료·난연재료: 불에 타지 않는 정도에 따라 구분하는 재료 등급
• 방화구획: 연면적이 큰 건축물을 내화구조의 바닥·벽과 방화문 등으로 나누는 것
• 목재 탄화(炭化): 목재 표면이 연소하며 형성되는 탄화층이 내부 연소를 늦추는 현상
• 방화벽: 대규모 건축물을 구획하는 내화 성능의 벽

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면 목구조 내화성능은 "불이 나도 건물이 일정 시간 무너지지 않고, 불이 옆 공간으로 번지지 않게 막는 능력"이다. 목재는 가연성 재료이므로 이 능력을 별도 설계로 보강해야 한다.

정식 정의는 건축법 체계에서 내화구조를 기준으로 본다. 건축법 시행령 제2조 제7호는 내화구조를 "화재에 견딜 수 있는 성능을 가진 구조로서 국토교통부령으로 정하는 기준에 적합한 구조"로 정의한다. 기준의 세부 내용은 국토교통부령과 고시에 있다.

주요구조부는 건축물의 뼈대를 이루는 요소다. 건축법 제2조 제1항 제7호는 내력벽, 기둥, 바닥, 보, 지붕틀, 주계단을 주요구조부로 정하고, 사이 기둥·최하층 바닥·작은 보·차양·옥외 계단 등은 구조상 중요하지 않은 부분으로 제외한다. 목구조에서 내화성능을 따지는 대상은 이 주요구조부 범위다.

내화시간은 표준 가열시험 조건에서 구조가 성능을 유지하는 시간을 뜻한다. 가열곡선, 하중 조건, 판정 기준(강도 상실, 온도 상승 한계, 화염 관통)이 함께 정해진다. 내화시간은 부재 단면과 피복 두께에 따라 달라진다.

방화구조는 내화구조보다 낮은 수준의 성능이다. 화염의 확산을 막는 것이 목적이며, 목조 외벽에 두께 2.5㎝ 이상의 모르타르나 회반죽 같은 불연재료를 피복하는 방식이 대표적이다.

불연재료는 화열에 용융되거나 적열될 수 있지만 연소 현상을 일으키지 않는 재료다. 콘크리트, 점토제품, 석면판, 금속재, 유리, 회반죽 등이 해당한다. 준불연재료는 불연재료 다음 수준의 방화 성능을 갖는 재료이며, 난연재료는 불에 잘 타지 않는 재료다.

목재는 연소하면서 표면에 탄화층을 만든다. 이 탄화층은 열 전달을 줄이고 내부 단면의 강도 저하 속도를 늦춘다. 따라서 목구조의 내화설계는 단면을 키우거나 피복재로 감싸서 탄화 속도와 강도 저하를 관리하는 방식으로 접근한다.

3. 등장 배경과 필요성

목재는 가볍고 시공이 빠르며 재생 가능한 재료라서 중·고층 건축과 대공간 건축에 다시 쓰이고 있다. 그러나 가연성 재료이므로 화재 안전 성능을 근거 있게 확보하지 않으면 사용이 제한된다.

건축법은 용도와 규모에 따라 주요구조부와 지붕을 내화구조로 하도록 정한다(건축법 제50조 제1항, 시행령 제56조 제1항). 목구조 건축물은 층수와 연면적 기준이 일반 건축물보다 엄격하게 적용되는 경우가 있어, 구조 안전 확인 대상이 되는 범위가 넓어진다. 예를 들어 목구조 건축물은 층수가 3층 이상이거나 연면적이 500㎡ 이상이면 구조 안전 확인 서류를 제출하도록 정해져 있다(건축법 시행령 제32조 제2항 제1호·제2호, 창고·축사·작물 재배사는 제외한다).

연면적 1천㎡ 이상인 목조 건축물은 방화구조 또는 불연재료로 해야 한다는 규정도 있다(건축법 시행령 제57조 제3항). 이 요구는 목조 건물이 대규모로 지어질 때 화재가 전체 건물로 번지는 것을 막으려는 목적이다.

목구조의 내화성능은 시공 편의와 재료 장점을 살리면서 법정 안전 수준을 맞추기 위해 필요하다. 설계자는 주요구조부 범위, 용도별 내화구조 대상, 방화구획의 위치와 면적을 함께 검토해야 한다. 이 세 가지를 한 흐름으로 설명할 수 있으면 방화설계 문항에 대응할 수 있다.

목구조의 내화 설계는 목재의 가연성을 전제로 하여 주요구조부 성능과 방화구획을 함께 확보하는 것이다.

4. 구성요소·원리·절차

목구조 내화성능은 화재 시 주요구조부인 기둥·보·바닥·지붕틀·주계단이 일정 시간 동안 하중을 지지하고 화염 확산을 막는 능력이다. 목재는 가열되면 표면이 탄화되고, 탄화층이 내부를 보호하는 탄화속도(char rate)에 따라 단면이 줄어든다. 따라서 목구조의 내화설계는 단면 치수 확보, 석고보드 등 피복재 설치, 접합부 보호를 함께 고려한다.

구성요소별 역할은 다음과 같다.

표 해설: 기둥·보는 단면이 얇아지면 내력이 급격히 떨어지므로 탄화 여유 두께를 더해 설계한다. 바닥과 지붕틀은 화염이 상층으로 번지지 않도록 피복으로 막는다. 접합부 철물은 열전도가 빨라 먼저 약해지므로 목재로 덮어 보호한다.

목구조 내화설계의 기본 절차는 다음과 같다.

• 건축물의 용도·규모로 내화구조 대상과 요구 내화시간을 정한다.
• 주요구조부별 요구 성능과 부재 단면을 정한다.
• 탄화 여유 두께 또는 석고보드 등 피복재를 더해 단면을 확정한다.
• 접합부와 관통부를 보호하고 방화구획과 연결한다.
• 시험 성적서 또는 설계 계산으로 내화성능을 확인한다.

목구조의 내화 성능 확보는 단면 크기 한 가지로 이루어지지 않는다. 탄화 여유 두께와 피복재를 함께 써서 내화시간을 맞춘다.

목재는 탄화층이 내부를 보호하므로 단면 치수에 탄화 여유를 더해 내화성능을 확보한다

도식(구성도):

5. 관련 법령·기준·표준

목구조 내화성능은 「건축법」과 「건축법 시행령」이 정한 내화구조 기준을 따른다. 건축법 시행령 제56조제1항은 내화구조로 해야 하는 건축물의 용도와 규모를 정한다. 제1항 단서는 연면적 50㎡ 이하인 단층의 부속건축물로서 외벽과 처마 밑면을 방화구조로 한 것을 예외로 둔다. 시행령 제56조제2항은 막구조 건축물에 한해 주요구조부에만 내화구조를 적용하도록 허용한다.

목구조 건축물의 구조안전 확인 대상은 「건축법 시행령」 제32조제2항에 따른다. 목구조 건축물은 기둥과 보가 목재이고 층수가 3층 이상이거나 연면적이 500㎡ 이상이면 설계자의 구조 안전 확인 서류를 제출해야 한다(창고, 축사, 작물 재배사는 제외한다).

소방·화재 관련 설계는 「소방시설 설치 및 관리에 관한 법률」과 화재안전기준(NFPC·NFTC)을 함께 본다. 목구조 방화설계의 세부 기준은 KDS 41 33 09에 정리된다.