조립식 건축물의 건축 자재로 사용되는 샌드위치 패널은 지난 2019년 경북 구미 국가 1공단, 2021년 덕평 물류센터, 2022년 아산 귀뚜라미 보일러 화재 사고 등을 통해 조립식 건축물의 화재 발생에 대한 심각성을 부각시켰다. 조립식 건축방식은 크게 구조적 부분인 골조 시스템과 재료적 부분인 건물 구성재 시스템으로 나뉘어 발전해나가는 중이며, 특히 90년대 이후 단일 부재보다는 둘 이상의 구조 부재를 결합한 복합 기술에 대한 개발이 활발하게 진행되고 있다(1). 현재 조립식 주택은 기존에 습식 공법인 콘크리트나 조적조 주택과는 달리 목재 패널, 컬러강판 패널 등을 이용하여 건축물을 짓는 건식 공법과 최근에 등장한 경량기포콘크리트(autoclaved lightweight concrete, ALC)를 이용한 건축법 등이 있다(2). 조립식 건축물은 도입 초기 공장, 창고 등의 용도로 지어졌으나, 간편한 시공 및 인건비 절약, 뛰어난 단열 성능 등의 이점을 바탕으로 주택용 및 소형 창고, 숙소용의 건물까지 그 용도가 증가하는 추세에 놓여있다. 하지만 조립식 건축물로 지어진 대부분의 공장 및 물류창고 등은 가연물이 상대적으로 많이 집하되어 있고, 조립식 패널의 내부는 스티로폼 및 경질우레탄폼(polyurethane foam, PUR) 등 가연성 내장재를 사용하고 있어, 화재 시 강판 패널의 붕괴와 함께 내부의 가연성 내장재의 연소로 인해 발생된 가연성 가스가 순식간에 다량 방출되면서 연기폭발과 같이 건물 전체로 화염이 확산되고, 다량의 유독 가스를 발생시켜 커다란 인명 및 재산 피해를 가져온다. 또한, 일반 건축물 화재에 비해 조립식 건축물은 재산 피해가 약 36% 정도 높고, 화재 진압 시간 또한 5 min 59 s 더 소요된다는 문제가 지적되고 있다(3). 이에 따라 2021년 3월 16일 개정된 ｢건축법｣ 제52조에 따르면 건축물 내부 마감 재료의 성능을 강화하고, ‘건축물 마감재료 난연성능 및 화재 확산 방지구조 기준’을 통해 마감재료의 난연성능 시험방법 및 성능기준, 화재 확산 방지구조 기준을 개정하였으나, 개정 전 지어진 오랜 건축물들에는 적용이 불가능 하다는 단점 또한 피할 수 없다. 소방청 국가화재정보시스템 화재통계(4)에 따르면 조립식 건축물 중 샌드위치 패널 구조의 화재 발생 건수와 재산 피해 액수를 살펴보면 2017년 3,782건, 2018년 3,650건, 2019년 3,307건, 2020년 3,303건 2021년 3,112건으로, 년 평균 약 3,500건의 화재가 발생하였으나, 재산 피해액은 2017년 1,954억원, 2018년 1,883억원, 2019년 2,214억원, 2020년 2,473억원, 2021년 2,408억원으로 나타나고 있다. 2021년 건물구조별 화재 건수와 피해액을 비교해보면 슬라브 건물구조의 화재건수는 14,341건, 재산피해액은 6,578억원으로 가장 높은 피해액으로 보여주고 있지만, 건당 피해액은 4,587만원, 샌드위치패널 화재건수는 3,112건, 재산피해액은 2,408억원으로 건당 피해액이 7,739만원으로 화재건수 당 피해액이 전체 화재 중 가장 높은 비중을 차지하는 것을 알 수 있다. 약 500억 원의 재산피해가 발생한 경북 구미 국가 1공단 화재, 약 1,380억 원의 재산피해가 발생한 안성 냉장창고 화재가 대표적인 사례이다. 또한, 조립식 건축물의 화재 특성상 화재 확대가 빠르고 소화가 어렵기 때문에 건물 구조물이 붕괴되거나 전소하였을 경우, 강판 패널과 같이 현장에 있는 잔존물의 화재패턴을 육안에 의존한 감식만으로는 강한 수열부위를 예측하거나 찾기 어려운 경우가 대부분이다. 이에 따라 화재 시 수열을 받은 강판의 화재패턴만을 보고 발화지점을 추정하는 것이 아닌 강판의 수열온도를 현장에서 과학적으로 측정하여 화재 시 구획공간 등 화재실의 온도상승 및 가장 수열을 많이 받은 부위를 예측함으로써 발화지점을 한정해 가며, 화재조사의 기법을 향상시킬 수 있는 방법이 필요하다.

현재 ｢소방기본법｣ 시행규칙 및 소방청 훈령에 있는 화재조사에 관한 주요 사항을 ｢소방의 화재조사에 관한 법률(2022년 6월 9일 시행)｣로 정함으로써 소방관서장의 화재조사 권한을 명확히 하고, 화재조사의 방법 및 절차, 결과를 화재 예방 대책에 환류하는 조치 등을 담아 독자적인 법률로 제정하여 과학적이고 전문적인 화재조사 체계를 구축하고 있다(5). 이에 따라 화재감식 현장에서 이전의 육안과 경험에만 의존한 화재조사 기법이 아닌 새로운 화재조사 기법이나 첨단 장비를 이용한 과학적 분석을 통한 접근방법에 대한 연구가 필요한 실정이다.

휴대용 XRF 장비는 X-선 형광 분석기법(X-ray fluorescence analysis, XRF)을 이용한 것으로 시료에 X-선을 조사한 후 방출되는 X-선을 검출기가 빠르게 에너지 스펙트럼을 측정하여 신속하게 다양한 물질의 원소 조성을 확인할 수 있는 분석장비로 이동 및 휴대가 간편하여 화재조사 현장에서 화재감식의 정밀성을 향상 시킬 수 있는 장비로 활용될 수 있다(6). 이러한 XRF를 이용한 화재관련 연구들을 보게 되면 Shim 등(7,8)은 X-선 분석을 이용한 난연 expanded polystyrene (EPS) 샌드위치 패널의 화재성능평가 방법 및 X-선 분석법을 이용한 내화도료의 화재안전성 평가 방법, Kim과 Lee(9)는 X-선 형광분석기를 이용한 현장 방염검사방법에 관한 연구를 진행하였지만, 화재조사와 관련된 연구는 아니었다. 화재조사와 관련된 XRF의 연구를 분석해보면 Park은 XRF 금속분석기를 활용한 철재구조물 발화지점 추정에 관한 연구를 진행하여 샌드위치 패널 화재의 연소패턴을 XRF를 활용해 발화지점을 찾는 연구를 진행하였지만, 단일 패널 소재에 국한되어 있고, 강판의 수열온도에 따른 세부적인 분석 등이 진행되지 않았다. Kim 등(6)은 energy dispersive X-ray fluorescence (ED-XRF)를 이용한 저온창고의 방화화재 조사기법에 대한 연구를 진행하여, 방화에 사용되는 인화성 액체의 종류에 따른 강판의 성분변화 분석을 진행하였지만, 인화성 액체의 종류보다는 물질별 발열량에 의해 나온 결과로 다양한 강판의 종류 및 수열온도에 따른 세부적인 분석 등이 진행되지 않았다.

따라서 본 논문은 휴대용 XRF를 이용하여 건축에 가장 많이 사용되는 4종류의 강판을 시료로 선정하여 화염인가 후 비주수와 주수 후로 구분하여 수열온도에 따른 탄화패턴 분석 및 금속 원소의 성분변화를 측정하여 정량⋅정성적 분석을 통해 수열온도를 예측할 수 있는 과학적인 화재조사기법을 도출하고자 한다.

본 논문은 조립식 건물의 전소 및 붕괴로 인해 훼손된 현장에서 기존 화재조사기법으로는 화재원인을 찿기 어렵기 때문에 휴대용 XRF 비파괴 검사 장비를 이용해 조립식 패널과 같은 철골 구조에서의 강판들의 성분변화를 통해 화재원인 및 발화점을 예측할 수 있는 화재조사기법을 분석하고자 실험을 진행하였고, 다음과 같은 결론을 도출하였다.

주수 후 산화한 강판과 비주수 후 산화한 강판의 시료를 비교 하였을 때 주수로 인한 급격한 산화로 Fe의 성분비율의 차이가 발생하였지만, 수열온도 100 °C에서 900 °C 구간까지 상승함에 따라 강판의 종류에 상관없이 Zn의 경우 수열온도 500 °C 이상부터 성분비의 감소 비율이 크게 나타났고, Al의 경우 수열온도 600 °C 이상부터 성분비의 감소비율이 크게 나타면서, 상대적으로 높은 녹는점을 가지는 Fe의 성분비가 Zn과 Al의 감소비율에 따라 증가하는 것으로 나타나 수열온도별 구성 원소의 성분비 변화를 통해 강판의 수열온도를 예측할 수 있는 가능성을 확인하였다.

이와 같이 동일 강판의 경우라고 해도 주수여부 및 산화기간 등에 따라 강판 성분비의 차이가 발생하기 때문에 화재조사 시 강판의 탄화패턴을 통해서만 조사하는 것이 아닌 주수여부 및 산화기간 등 다양한 강판 소재 및 조건 등에서 수열온도에 따른 성분비 측정을 통해 빅데이터를 지속적으로 확보한다면, 추후 휴대용 XRF를 이용한 화재조사기법은 가장 강한 수열부위의 예측을 통해 발화지점을 한정하고 화재공간 상의 수열온도 예측 등을 통해 화재조사의 정밀도 및 화재원인 규명률 등을 더욱 높일 수 있는 장비로 충분히 활용될 수 있을 것으로 생각된다.