Reliability of Mass Timber Buildings in Fire: A performance-based design method and its application to office buildings

나무가 현대 도시의 스카이라인에 조용하지만 강력하게 복귀하고 있습니다. 수십 년 동안 건설 업계는 불에 타지 않는 재료인 철강과 콘크리트를 선호했으며, 나무는 더 작은 구조물에만 국한되어 사용되었습니다. 그러나 오늘날 엔지니어들은 고층 건물을 지탱할 수 있을 만큼 강한 보와 벽을 만들기 위해 단단한 나무 패널을 겹쳐 만든 재료인 매스 팀버(mass timber)를 점점 더 많이 활용하고 있습니다. 이러한 변화는 건설 과정에서 탄소를 배출하는 대신 탄소를 저장하는 나무의 특성을 이용해 건설의 탄소 발자국을 낮추려는 욕구에 의해 추진되고 있습니다. 하지만 근본적인 질문은 여전히 남아 있습니다. 만약 나무로 만든 건물이 화재가 발생하면 어떻게 반응할 것인가 하는 점입니다. 열을 받으면 약해지는 철강과 달리, 나무는 예측 가능한 방식으로 타며 표면에 탄화층(charred layer)을 형성하여 내부 핵심부를 단열함으로써 구조물이 오랫동안 버틸 수 있게 해줍니다. 안전 규제 기관의 과제는 실내의 공기에 노출된 나무를 정확히 어느 정도까지 허용해야 내부의 사람들과 인접한 건물들의 안전을 해치지 않을지 결정하는 것입니다.

프랑스, 캐나다, 스웨덴의 연구진은 이러한 질문을 해결하기 위해 이 목조 구조물의 화재 안전성을 계산하는 새로운 방법을 개발했습니다. 모든 나무를 내화성 석고로 덮어야 한다고 요구하는 경직된 일률적 규칙에 의존하는 대신, 그들은 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 수천 가지의 서로 다른 화재 시나리오를 모델링했습니다. 그들은 화재를 단일 사건이 아니라, 방 안에 있는 가구와 종이의 양, 창문의 크기, 소방대의 도착 속도, 그리고 나무가 얼마나 노출되어 있는지 혹은 덮여 있는지와 같은 많은 변수에 따라 달라지는 무작위적인 발생 사건으로 취급했습니다. 이 시뮬레이션을 반복해서 실행함으로써, 그들은 건물이 붕괴하거나 외부로 불길이 번지지 않고 살아남을 통계적 가능성을 계산할 수 있었습니다. 그들의 연구는 미학적인 노출 목재에 대한 욕구와 안전 사이의 균형이 가장 치열하게 논의되는 유형인 사무실 건물을 구체적으로 다룹니다.

연구진은 방 안의 화재 물리 현상을 모방하는 디지털 도구를 구축했습니다. 그들은 먼저 화재가 예측 불가능하다는 점을 인정했습니다. 시뮬레이션에서 그들은 연료의 양, 방의 크기, 소방대 도착 시간을 변화시켰습니다. 또한 매스 팀버의 독특한 거동도 고려했습니다. 나무가 탈 때 탄화층이 형성되며, 이 탄화층은 방패 역할을 합니다. 그러나 나무가 석고와 같은 보호판으로 덮여 있는 경우, 열로 인해 보호판이 떨어져 나가면 그 보호 기능이 실패할 수 있습니다. 연구팀은 이를 세밀하게 추적하여, 보호층이 언제 실패할 수 있는지, 그리고 노출된 나무가 화재 강도에 얼마나 기여하게 될지를 계산했습니다. 또한 화재가 너무 커지기 전에 제어할 수 있는 스프링클러의 역할과, 화재가 뜨겁고 격렬해질수록 진압 능력이 저하되는 소방대의 역할도 포함했습니다.

이 방법의 테스트를 위해 연구팀은 표준적인 사무실 구획에 적용했습니다. 그들은 각 시나리오에 대해 15,000번의 개별 시뮬레이션을 실행하여, 컴퓨터가 건물의 수명 동안 해당 방에서 발생할 수 있는 15,000가지의 서로 다른 화재를 상상하도록 했습니다. 그들은 엄격한 안전 목표를 설정했습니다: 건물이 실패할 확률은 공공 안전을 위해 허용되는 특정 임계값보다 낮아야 합니다. 이 임계값은 사람들이 모이는 건물에 대해 유럽 전역에서 사용되는 안전 수준에 해당합니다. 그들은 건물이 화재 중에 버텨야 하는 시간인 60분, 90분, 120분의 세 가지 서로 다른 구조적 내화 수준을 테스트했습니다. 각 수준에 대해, 그들은 스프링클러 유무와 함께 벽면 면적의 30%에서 90%까지 다양한 노출 목재 비율을 테스트했습니다.

결과는 설계자들에게 명확한 길을 제시했습니다. 60분의 내화성이 필요한 건물의 경우, 시뮬레이션 결과 스프링클러가 없더라도 벽면의 30%를 노출된 나무로 두는 것이 안전한 것으로 나타났습니다. 스프링클러를 추가하면 이 비율을 60%까지 높일 수 있었습니다. 90분의 내화성이 필요한 건물의 경우, 안전한 노출 목서 한계치는 스프링클러가 없을 때는 60%, 있을 때는 75%로 높아졌습니다. 가장 복잡한 사례는 초고층 건물에 해당하는 120분 요구 조건이었습니다. 여기서 연구진은 스프링클러가 있다면 벽면의 75%를 노출하는 것이 안전하다는 것을 발견했습니다. 스프링클러가 없다면 화재가 건물 외부로 번질 위험이 우려되었지만, 스프링키러가 있으면 시스템이 안전 목표를 유지했습니다.

이 연구의 중요한 발견은, 계산된 한계 내에서 노출된 나무의 양을 유지한다면 인접 건물이나 건물 측면으로 화재가 번질 위험은 일반적으로 낮다는 것이었습니다. 가장 높은 건물에 대한 시뮬레이션에서, 창문을 통해 방사되는 열이 간혹 인근 구조물에 불을 붙일 수 있는 수준에 도달하기도 했으나, 이는 화재가 매우 크고 스프링클러가 제어에 실패하는 극단적이고 드문 시나리오에서만 발생했습니다. 연구진이 고층 건물을 고려한 보다 현실적인 거리인 15미터로 조정했을 때, 위험은 수용 가능한 수준으로 떨어졌습니다. 이는 모든 나무를 덮도록 요구하는 현재의 엄격한 규칙들이 필요 이상으로 보수적일 수 있음을 시사합니다. 이 연구는 적절한 스프링클러 조합과 계산된 노출 목재의 양이 있다면, 고층 목조 건물이 전통적인 구조물과 동일한 높은 안전 기준을 충족할 수 있음을 보여줍니다.

연구진은 자신들의 작업이 모든 시나리오에 대한 물리적 화재 실험이 아닌 컴퓨터 모델에 기반하고 있다는 점을 주의 깊게 언급했습니다. 그들은 전 세계에서 수행된 54건의 실제 화재 실험을 통해 도구를 검증했으며, 컴퓨터 예측은 실제 결과와 밀접하게 일치했으며 종종 예방적인 차원에서 더 보수적인 결과를 냈습니다. 이는 결과에 대한 신뢰를 주지만, 동시에 향후 개선이 필요한 영역도 식별했습니다. 예를 들어, 보호판의 거동과 화재 냉각 단계에서 열이 나무를 통해 이동하는 방식에 대해 더욱 정밀하게 모델링할 수 있다고 언급했습니다. 또한 미래의 규칙은 풍속이나 건물 내 화재의 특정 위치와 같이 소방대가 개입하는 속도에 영향을 줄 수 있는 요소들을 고려해야 한다고 제안했습니다.

궁극적으로 이 연구는 나무 건축에 대한 더 유연한 접근 방식에 대한 과학적 토대를 제공합니다. 이는 안전이 재료를 숨기는 것을 의미하는 것이 아니라, 스트레스 상황에서 재료가 어떻게 행동하는지를 이해하는 것임을 입증합니다. 확률론적 방법을 사용함으로써, 엔지니어들은 이제 아름답고 지속 가능한 나무를 더 많이 노출하면서도 구조가 실패하지 않고 화재가 번지지 않음을 보장하며 건물을 설계할 수 있습니다. 이 연구는 사무실 건물의 경우, 스프링클러와 같은 능동적인 안전 조치가 마련되어 있고 이 새로운 방식에 의해 계산된 특정 한계를 따른다면, 목재 벽과 천장의 상당 부분을 노출하는 것이 가능하다는 것을 보여줍니다. 이는 건축가들이 공공을 보호하는 엄격한 안전 기준을 희생하지 않으면서도, 더 따뜻하고 자연스러운 느낌을 주는 공간을 만들 수 있는 문을 열어줍니다.