施 工 管 理 大 韓 土 木 學 會 論 文 集
第31卷 第6D 號·2011年 11月 pp. 811~818
굴삭기 안전 관리를 위한 인양작업에 관한 기초연구
The Fundamental Research on Lifting-Work for Excavator Safety Management
이용수*
Lee, Yongsu
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Abstract
Though an excavator is classified as an equipment utilizing a shovel in earthworks, it has been frequently used in lifting work. In this view, lifting capacity is classified as the main functions of the excavator. Thus, its accurate functions need to be provided. However, in domestic conditions, the necessity for the functions of lifting capacity are not perceived. This study shows 1) Many researches about lifting-work of excavators abroad are used as basic data necessary for domestic introduction.
2) For domestic excavators without the information of lifting-work, methodologies of lifting-work available are suggested and reviewed. 3)Lifting zones are divided into safety and caution lifting zones. The information on lifting capacity and lifting zones will be able to used as objective and substantive bases to operational planning and safety management.
Keywords : excavator, lifting capacity, lifting zone, safety management, tipping load
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요 지
굴삭기는 삽날(shovel)을 이용해서 토공작업을 하는 장비로 분류되어 있으나, 실질적으로는 굴착을 한 후 물체를 인양하여 옮기는 작업에 이용되고 있다. 이러한 관점에서 인양력은 굴삭기의 주요성능으로 분류될 필요가 있으며, 정확한 성능을 제공 할 필요가 있다. 하지만 국내 현실은 아직 이러한 요구를 충족시켜 주지 못하고 있다. 본 연구에서는 1) 외국의 굴삭기 인 양력에 대한 조사를 실시하여 국내 도입을 위한 기초자료로 활용하고자 하였다. 2) 인양력에 대한 정보 없이 국내에서 사용 중인 굴삭기에 적용할 수 있는 인양력 산정방법을 제안하고 이를 검증해 보았다. 3) 인양 가능한 구간을 인양안전구간과 인 양주의구간으로 나누어 제공할 것을 제안하였다. 본 연구에서 제시한 굴삭기의 인양력 정보와 인양구간에 관한 정보는 작업 계획 및 안전관리업무에 객관적이고 실질적인 기저정보로서 활용될 수 있을 것이다.
핵심용어 : 굴삭기, 인양능력, 인양구간, 안전관리, 전도하중
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1. 서 론 1.1 연구의 배경
토목공사에서 물량, 시간, 비용 등에 대한 요구가 높아지 면서 이를 충족시키는 하나의 방법으로 건설장비의 다양화 추세가 소형화, 대형화, 세분화, 통합화와 신형장비 개발 및 구형장비의 개선 등 여러 가지 형태로 나타나고 있다. 기존 장비의 활용성을 넓히기 위해 다양한 부가장비들도 개발되 어 제공되고 있으며, 주 용도와는 다른 작업에 사용되는 장 비들도 있다. 국내 작업종류별 건설기계선정기준(표준품셈 2010)에 의하면 굴삭기는 굴삭과 적재 작업을 위한 장비이 나, 현장에서는 자연스럽게 인양작업에 사용되고 있다. 가설 공사 자재운반 및 고정에서 부터 조경공사 식재, 호안용 시 멘트 블록, 배수관, 석재 및 기타 자재운반 등 공사초기부터 현장정리 작업 등이 여기에 해당된다. 즉, 인력 인양과 운반 에는 무리가 있고, 크레인을 설치하여 작업하기에는 비효율
적이라고 시공회사가 판단한 작업이다. 굴삭된 토량을 적재 하기 위해서는 들어올리는 작업이 필수적이다. 간과하기 쉽 지만 토량적재작업에도 인양작업이 포함되어 있음을 알 수 있다. 그러나 국내에는 굴삭기 인양작업에 대한 기준이 없 다. 이는 국내 기계화시공 적용기준에 “인양작업”이라는 항 목이 존재하지 않기 때문이다.
국내 “기계화시공적용기준”에서는 다음과 같이 굴삭기 규 격을 분류하고 있다. 소규모(0.4), 중규모(0.7), 대규모(1.0이 상). 기계경비도 버킷크기에 따라 내용시간, 연간표준가동시 간, 상각비율, 정비비율, 연간관리비율 등이 결정된다. 한편, 덤프트럭이나 불도우저는 적재량이 아닌 장비총중량으로 작 업규모를 분류하고 손료도 산정해 주고 있어서 대조를 이루 고 있다. 굴삭기는 총중량이 아닌 버킷크기에 의해서만 품이 결정되고 있는데 이는 인양력이나 전도하중 같은 개념이 아 직 국내기준에는 포함되어 있지 않기 때문이기도 하다.
인양을 위치높이 변화라는 운반개념으로 볼 때, 국내 “작
*정회원·광주대학교 공과대학 토목공학과 부교수 (E-mail : [email protected])
업종류별 건설기계선정기준”(표준품셈 2010)에 정의된 운반 개념이 “인부, 지게, 트롤리, 경편궤도, 대차에 의한 품셈”만 인정하고 있기 때문에 적용대상으로 보기에는 무리가 있다.
한편 관부설 및 접합 작업에는 크레인을 이용한 품셈만 제 공되고 있다. 이는 굴삭기가 인양작업에 실질적으로 사용되 고 있는 현실을 반영하지 않은 결과라고 할 수 있다.
기준이 없는 작업계획과 실행은 현실을 사각지대에 방치한 것과 같기 때문에 이에 대한 연구가 필요한 실정이다.
1.2 기존 문헌 조사 및 분석
2000년 이후에 발표된 건설장비의 안전관리를 위한 국내 논문은 많지 않은 편이다. 강창희 외(2002)는 건설 중기계의 안전관리 실태를 작업적 측면, 관리적 측면, 인적인 측면으 로 구별하여 안전관리 실태를 조사하였다. 작업적 측면의 안 전관리 실태를 조사하면서 버킷굴삭기 조사항목에 “중량물 운반”과 “와이어로프의 상태점검”등을 포함시켰는데, 이는 당시에도 굴삭기를 이용한 인양작업이 안전관리의 중요테마 로 다루어질 정도로 문제가 있었음을 보여준다. 서종민 외 (2007)는 1993~2007년 사이에 한국산업안전공단에 보고된 건설업재해사례를 통해 굴삭기 안전사고 원인을 분석하였다.
재해형태와 주요원인을 분석하여 제시하였는데, 재해형태 분 석결과는 협착·감김, 낙하·비례, 충돌·접촉, 전도·전복 의 순서로 나타났다. 재해 주요원인으로는 건설기계 작업반 경내에 근로자 출입(34.9%)이 가장 많았고 그 다음으로는 주용도 이외의 용도로 사용(21.7%), 작업시작 전 점검불량 (20.8%), 작업계획 미 작성(11.3%), 작업지휘자 및 유도자 미 배치(11.3%) 등의 순서로 나타났다. 특히 “주용도 이외 의 용도”를 설명하는 세부내용으로 “H-형강 인양 중 낙하, 백호우로 물건 운반 중 낙하”를 제시해, 굴삭기를 사용한 인 양·운반 작업에 주의를 요구하였다. 이경석 외(2005)도 1998~2004년 사이에 건설기계정보지가 제공한 건설기계별 사고사례를 통계 처리하여, 그 결과를 기초로 건설기계에 의 한 재해형태 및 원인과 대응 방안을 수립하여 제시하였다.
상기 연구들은 굴삭기를 대상으로 실시한 재해 유형 및 원 인을 분석한 연구로서의 의미를 갖지만, 인양작업을 주용도 이외의 작업으로 분류하여 사고의 중요성을 통계적 수치로 만 파악하였을 뿐 인양과 관련된 체계적인 안전관리 방법을 제시하지는 못하였다.
김선국 외(2008)는 건축공사에 이용되는 크레인 사고원인 의 약 20%를 차지하는 와이어로프 파단과 샤크의 러그이탈 에 관한 안정성 검토 방안을 제시하였다. 와이어로프 파단과 샤크의 러그 이탈에 대한 계산식 검토방법은 굴삭기를 이용 한 인양작업에도 적용 가능한 부분으로 판단된다.
한편, 외국의 경우, 굴삭기의 인양능력에 대해 규정한 ISO 10567(2007), 토공기계에 일반적으로 요구되는 유럽연합기술 규정을 독일 DIN에 반영한 DIN EN 474-1(2010), 유압식 굴삭기의 안전에 관한 DIN EN 474-5(2007) 등의 규정이 존재하고 있는 것으로 조사되었다.
굴삭기관련 국내 연구동향을 살펴 본 결과, 건설기계에 대 한 포괄적인 사례조사를 통해 재해유형이나 원인분석 연구 는 진행되고 있으나, 안전사고 비율 같은 통계적 수치분석이 주를 이루고 있었고, 인양과 관련된 안전관리를 체계적으로
접근한 연구는 없음을 알게 되었다. 한편, 외국의 경우 굴삭 기의 인양능력에 대한 규정과 이를 관리하고자 하는 규정들 이 최근 활발히 도입되고 있음을 알게 되었다.
1.3 연구의 범위와 범위 제한
굴삭기의 인양작업에 대한 국내 규정은 없는 현실이지만, 본 연구에서는 규정도입보다 현재 국내에서 인양작업에 이 용되는 굴삭기의 인양 안정성을 확보하는 안전관리 방법에 주목하였다. 이를 위해 기존 굴삭기에서 인양력을 판단할 수 있는 정보의 종류와 이의 활용 방법을 중심으로 연구를 진 행하였다. 연구의 최종목표로 볼 수 있는 “기존 건설기계의 인양력 산정기준 보완과 굴삭기 인양작업에 대한 적용기준 수립”에 도달하기 까지는 선결과제가 존재하기 때문에 추후 연구를 통해 해결하고자 한다. 특히, 굴삭기 인양작업과 관 련된 품셈이나 적용기준, 인양력 산정 상세기준 수립 등은 별도의 연구가 필요한 부분이다.
2. 굴삭기 인양에 관한 기초정보 조사
2010년 현재, 전국에 등록된 건설기계 수는 366,686대이고, 등록대수로는 지게차(120,074대), 굴삭기(115,296대), 덤프트 럭(53486대)의 순서이다. 굴삭기는 총 건설기계의 31.4%에 이르고 있으며, 영업용으로 등록된 수는 지게차(22,098대), 굴삭기(85,420대), 덤프트럭(48,349대) 순으로 굴삭기가 가장 높은 비율을 차지하고 있다.
2.1 국내 규정
국내에서 “건설기계”라 함은 건설공사에 사용할 수 있는 기계로서 대통령령이 정하는 것을 말한다. 건설기계에 관한 국내 규정은 건설기계관리법(2007), 건설기계 안전기준에 관 한 규칙(2008), 건설기계관리업무처리지침(2008), 건설공사 표준품셈(2010) 등이 있다.
2.2 용어 정리
건설기계관리법에서는 굴삭기의 범위를 “무한궤도 또는 타 이어식으로 굴삭장치를 가진 자체중량 1톤 이상인 것”으로 규정하였다. 한편, 기중기의 범위는 “무한궤도 또는 타이어 식으로 강재의 지주 및 선회장치를 가진 것. 다만, 궤도(레 일)식인 것을 제외한다”고 규정하였다. 즉, 건설기계관리법에 의하면 “굴삭장치”와 “강재의 지주 및 선회장치”에 따라 굴 삭기와 기중기가 구별된다.
굴삭기의 인양능력과 이의 전도안전성을 확인하기 위해서 는 관련 정보가 필요하다. 본 연구에서는 상부차체의 중량, 하부차체의 중량, 표준 붐대의 중량, 표준 암의 중량, 추가 장착이나 변경 가능한 붐 대와 암의 길이 및 중량을 인양능 력을 결정하는 주요 요소로 보고, 인양개념을 중심으로 정리 해 보았다.
2.2.1 상부 차체중량 정보(kg)
작업유압을 생산해내는 엔진과 작업자를 위한 운전 공간, 붐과 본체의 연결지점, 카운트 웨이트를 추가 장착할 수 있 는 위치가 굴삭기의 상부차체이다. 카운트 웨이트는 본체안
전중량을 증가시켜 굴삭작업의 안전성을 향상시키는 외에도 인양능력 변화에 영향을 주기 때문에 관련정보로 제공되어 야 한다.
2.2.2 하부 차체중량 정보(kg)
크롤러나 타이어 등 이동을 위한 동력전달과 접지압 같은 장비 안전성을 담당하는 부분이 하부차체이다. 작업능력 향 상을 위해 크롤러크기 및 무게변경 등이 이루어지고 있는데, 크롤러 슈폭이 커지면 본체중량이 증가할 뿐만 아니라 무게 중심축에서 전도점까지의 거리가 늘어나게 된다. 이는 결과 적으로 인양능력 향상으로 나타나게 되는데 표 1은 슈 폭의 변화에 의한 인양능력 변화를 보여준다.
2.2.3 표준 붐 중량정보(kg)
1990년대에는 붐대가 상부 붐대와 하부 붐대로 나누어 구 성되어 있었으나, 이후 구조적으로 강화된 일체형 붐대가 출 현하였고, 최근에는 일체형 붐대가 시장의 대부분을 차지하 고 있다. 붐은 본래 굴삭기 본체중량과의 상관관계를 고려하 여 최적화된 작업을 할 수 있도록 설계되는데, 대부분의 업 체가 옵션 선택이 가능하도록 다양한 제품들을 제공하고 있 다. 붐대의 무게는 전도하중으로도 작용하며, 인양능력에 직 접적으로 영향을 준다.
2.2.4 표준 암 중량정보(kg)
암은 붐대와 버킷사이의 연결부분이다. 작업의 효율적 수 행을 위해 다양한 옵션의 암(숏암, 강화암, 롱암 등)이 제공 되고 있다. 장비에 따라서는 4가지 이상의 암교체가 가능한 모델도 있다. 암 길이 변화에 의한 인양능력 변화는 표 2와 같다. 표 2는 인양거리 6.00m에서 암길이 3200mm와 2650 mm를 사용했을 경우, 인양고 0m에서 2650mm암이 40kg을 더 인양할 수 있음을 보여준다. 또한, 인양거리가 길 경우 짧은 암을 사용했을 때 더 큰 인양력을 제공받을 수 있음을 보여준다.
2.2.5 토출압 정보(1 bar = 105N/m2)
주행 토출압의 경우 굴삭기의 정격출력이나 등판능력 등을
나타내는 토르크 때문에 중요시 되어 왔으나, 작업 토출압의 경우 상대적으로 그 중요성이 간과되어 온 면이 있다. 작업 토출압은 붐대와 암을 움직이는데 사용되는 유압으로, 붐대 와 암 옆에 설치된 실린더를 통해 전달된다. 일반적으로 굴 삭기의 작업 토출압은 300~320bar 정도를 기준으로 하고 있으며 토출압이 높을 경우 더 높은 굴삭력과 전단저항력을 얻을 수 있다고 한다. 특히, 붐대와 암 실린더를 통해 제공 되는 토출압은, 상대적으로 전도사고가 발생할 수 있는 가능 성이 높은 최대인양구간에서 인양능력 제한에 결정적 요소 로 작용할 수도 있기 때문에, 역학적 관점에서 전도모멘트와 안정모멘트를 비교하는 것처럼 검토 할 필요가 있다고 사료 된다.
2.3 굴삭기 인양과 안전 개념
굴삭기는 인양고리에 와이어로프나 기타 보조재 등을 연결 하여 물체를 인양하게 되는데, 물체를 인양할 수 있는 힘과 인양하중간의 평형관계가 무너지면 부품손상 및 변형을 일 으킬 수 있고, 최악의 경우 굴삭기가 전복될 수 있기 때문 에 전도하중(Tipping Load)은 주의해서 살펴야 할 영향인자 에 해당된다.
ISO 10567에 의하면 전도하중을 계산하는데 사용되는 중요 요소 가운데 하나는 굴삭기의 무게 중심에서 인양 위치까지 의 거리이다. 이 가운데 인양거리(LPR: lift-point radius)는 굴삭기의 회전축(AR: axis of rotation)에서부터 인양고리 (LP: lift point)까지의 거리이고, 인양높이(LPH: lift-point height))는 굴삭장비가 놓여 있는 바닥면에서부터 인양고리까 지의 수직거리이다(그림 1). 인양하려는 하중의 무게중심에 작용하는 힘이 장비 뒷부분의 바퀴를 들어 올리려고 할 때 의 상태를 장비의 전도안정성 한계에 도달한 것으로 보고 있다.
굴삭기 인양 작업범위는 기존 굴삭작업범위에서 버킷길이 정도를 수직과 수평으로 이동한 영역이 되며, 근거리의 경우 붐대와 암이 이루는 각도에 의해 인양이 불가능한 지역도 존재한다. 붐대를 최대한 위로 올린 상태에서 암을 연직방향 으로 향하게 할 때, 굴삭기 중심축에서 인양고리가 있는 지 점까지의 인양거리(LPR)를 인양이 가능한 최소이격거리로 볼 표 1. 슈 폭의 변화에 의한 인양능력 변화(측면인양, 무게단위 kg, 저자편집, 출처 Caterpillar사)
인양거리 (m) 4.5 6.0 7.5
슈폭 (mm) 800 600 차이 800 600 차이 800 600 차이
인양고 (m)
1.5 10530 9230 1300 6970 6160 810 5060 4470 590
0 10190 8900 1290 6730 5930 800 4920 4340 580
-1.5 10120 8830 1290 6630 5830 800 4860 4280 580
-3.0 10200 8920 1280 6660 5860 800 4920 4340 580
표 2. 암 길이변화에 의한 인양능력 변화(측면인양, 무게단위 kg, 저자편집, 출처 Caterpillar사)
인양거리 (m) 4.5 6.0 7.5
암 길이 (mm) 3200 2650 차이 3200 2650 차이 3200 2650 차이
인양고 (m)
1.5 10630 10530 100 6980 6970 10 5030 5060 ∇30
0 10160 10190 ∇30 6690 6730 ∇40 4860 4920 ∇60
-1.5 9990 10120 ∇130 6540 6630 ∇90 4760 4860 ∇100
-3.0 10010 10200 ∇190 6520 6660 ∇140 4770 4920 ∇150
수 있다. 전도하중을 계산할 때 붐대와 상부차체가 연결된 회전축(AR)은, 안정모멘트의 무게중심점이다. 하부차체와 상 부차체의 위치관계도 인양능력 산정에서 고려해야 할 사항 이다. 전면전도선(FTL: front tipping line)과 후면전도선 (RTL: rear tipping line)은 장비 접지압 계산을 할 때 하부 차체가 지표면에 닿는 경계면이 지나가는 위치이고, 측면전 도선(STL: side tipping line)은 슈폭의 1/2지점을 지나가는 위치에 있다. 상부차체가 크롤러의 진행방향과 평행한 위치 에서 인양을 할 때(전면인양)의 회전축(AR)에서 전면 전도선 (FTL)까지의 거리는, 옆으로 회전해서 인양을 할 때(측면인 양)의 회전축(AR)에서 측면전도선(STL)까지의 거리와 차이 가 있다. 결과적으로, 회전축에서 전도선까지의 거리차이는 인양능력의 차이로 나타난다.
3. 건설장비에서의 인양하중 특성
ISO 10567에서는 유압식 굴삭기의 인양능력을 테스트하는 방법을 규정하고 있다. 테스트는 동하중과 사하중을 대상으 로 하며, 그 결과를 기록 정리하여 일정한 수직과 수평간격 (0.5m, 1.0m, 1.5m 또는 2.0m)으로 구분하여 제공할 것을 권장하고 있다. 인양능력 계산방법이 아닌 테스트 방법을 규 정한 이유는 유압식 굴삭기의 인양력이 구조형식, 토출압, 사
용부품의 허용응력 한계 등 많은 요소에 의해 변화되어질 수 있기 때문에 최종 제품이 제공할 수 있는 결과만을 주목 한 결과로 판단된다. 한편, 현재 사용중에 있는 굴삭기의 인 양 안정성을 판단해보기 위해서는 인양력 판정에 사용할 수 있는 수식이 필요하다. 본 장에서는 장비중량과 인양하중간 의 상관관계를 살펴보고, 인양기의 인양능력 산정공식을 기 초로, 굴삭기 인양능력을 간단히 검증해 볼 수 있는 산정수 식을 제안하였다.
3.1 장비중량과 인양하중
건설현장에서 “자체중량이 많이 나가는 장비가 무거운 물 체를 인양하는데 상대적으로 유리하다”라는 인식은 일반적으 로 통용된다. 이는 장비중량과 전도하중간의 상관비율에 대 한 믿음을 대변한다. 굴삭기보다 붐대가 짧아 작업반경이 제 한적이고, 구조형식이 굴삭기에 비해 간단해 보이는 휠로더 를 대상으로 제작사와 모델을 무작위로 선정해 장비중량과 전도하중간의 상관비율을 구해 보면 표 3과 같다.
비율계산 결과, 장비중량과 전도하중간의 상관관계가 0.52~0.92 사이에 분포하여 의미있는 통계적 결과를 찾을 수 없었다. 이 계산결과는 휠로더가 굴삭기에 비해 붐대가 짧아 작업반경이 제한적이고, 구조적으로 단순화 된 붐 형태를 가 지고 있기 때문에 간단히 장비중량과 전도하중간의 함수관 계를 찾고자 했던 접근방법이 적절하지 못했음을 보여주고 있다. 또한, 장비중량과 전도하중 사이에 획일적으로 적용할 수 있는 단순규칙이 존재하지 않음을 보여준다. 즉, 전도하 중을 계산하기 위해서는 장비의 구조역학적 특성도 장비중 량만큼 중요한 영향인자로 고려되어야 한다.
3.2 인양기의 인양능력 산정
하중 인양만을 목적으로 하는 대표적 장비로 크레인을 들 수 있다(그림 2). 인양크레인, 타워크레인, 트럭 크레인, 크롤 러식 크레인 등의 공칭 인양력은 제작회사에 따라 다르며, 보통 회전중심에서 3.5~4.5m 떨어져 있는 하중을 인양하는 능력으로 표시하고 있다. 크롤러 크레인은 전도하중의 75%, outrigger를 고정시킨 트럭크레인은 85%를 안전인양력으로 한다(권기태, 2002).
인양크레인의 인양력 결정을 위한 중요 변수에는 평형추 (counter weight)를 포함한 크레인 중량(We), 회전축에서 전 도하중지점까지의 거리(f), 크레인의 무게중심과 회전축간의 그림 1. 인양거리와 높이(원본: 두산굴삭기, 그래픽부분 저자 변용)
표 3. 장비중량과 전도중량 비율 (휠로더)
모델명 장비중량
(TON) 전도하중
(TON) 전도하중/
장비중량
CAT 966G 25 16 0.64
Komatsu WA470 23 18.5 0.8043
CAT 962H 20 12 0.6
CAT 962G 19 10 0.5263
VOLVO L120D 18 13 0.7222
CAT IT28G 12 10 0.8333
VOLVO L60E 11.5 8.5 0.7391
CAT 908 6 4.4 0.7333
CAT 907 5.8 4 0.6896
BOBCAT AL440 5.7 2.75 0.6896
CAT 906 5.1 3.5 0.6862
KRAMER ALLRAD 850 4.5 3.2 0.7111
BOBCAT T300 4.36 4.0 0.9174
BOBCAT 753 2.3 1.2 0.5217
BOBCAT 463 1.3 0.7 0.5217
그림 2. 크레인 인양하중결정을 위한 개념도(권기태, 2002)
거리(s), 인양반경(rm) 등이 포함된다. 크레인의 안전인양하중 (Lm) 결정에는 다음과 같은 공식이 사용된다.
(1)
3.3 굴삭기의 인양능력 산정
굴삭기 인양능력 계산을 위해 필요한 변수를 f: 회전축에 서 전도하중 지점까지의 거리(m), We: 굴삭기 본체 중량 (Kg), rm: 인양반경(m), Wb: 암, 붐대, 버킷 등 인양보조도 구와 어태치먼트가 포함된 중량(Kg), bm: Wb 무게중심까지 의 거리라고 할 때, 인양능력(Lm)을 산정하기 위해 필요한 기본 계산식은 다음과 같이 유도할 수 있다(그림 3 참조).
ISO 10567 규정에 의해 Lm과 Wb로 인해 발생하는 전도 모멘트(MT)는 안정모멘트(MS)의 75%를 넘지 않아야 한다.
이 때, MS로 작용하는 힘은 We와 전도점까지의 거리(f)를 곱한 값이 되며, MT로 작용하는 힘은 Lm과 Wb로부터 전도 점까지의 거리라고 할 수 있다. 이를 정리하면 식 (2)와 식 (3)이 얻어진다.
(2) (3) 식 (4)를 통해 굴삭기 작업과 관련된 전도안전성 문제점을 제시해 볼 수 있다. 굴삭기 버킷으로 작업할 수 있는 무게 (F)는 거리(a)에 반비례하고 안정모멘트(MS)에 비례한다. 이 는 굴삭기 안전관리 측면에서, 버킷크기(중량) 및 버킷에 담 긴 토질중량의 합(F) 한계를 결정하는 검토가 굴삭작업의 전 도안정성 검토로 이루어져야 함을 의미한다. 굴삭기의 안정 모멘트는 자체중량과 전도점까지의 거리에 따라 결정되지만, 암, 붐, 버킷, 작업중량(인양하중이나 굴삭중량)으로 인한 모 멘트는 각 무게중심점까지의 거리가 유동적인 변수가 된다 (식 (5)).
(4)
(5) 굴삭기의 안전한 인양하중 결정을 위해 ISO 10567에 제
시된 내용을 정리하여 제시해보면 다음과 같다.
-실제 인양하중은 전도하중의 75%를 넘어설 수 없다.
-실제 인양하중은 사용장비가 제공하는 유압용량의 87%
를 넘어설 수 없다.
-실제인양하중은 인양에 사용된 부품의 재료역학적 허용 응력 한계를 넘어설 수 없다.
4. 굴삭기 인양능력 검토
본 장에서는 앞에서 제안한 굴삭기의 인양능력 산정수식을 사용하여 인양력을 계산하였다. 계산결과를 장비생산업체에 서 ISO 10567 규정에 따라 제시한 테스트 결과와 비교하여 계산식을 검증해 보았다.
표 4는 굴삭기 인양력계산을 위해 필요한 정보를 나타낸 것이다.
장비 총중량은 본체와, 암, 붐, 버킷 외에도 평형추무게, 연료 등 모든 중량이 포함된 무게이다. 붐 및 암 길이에 따 라 최대 인양거리는 제한된다. 총중량에서 붐, 암, 버킷을 제외한 무게를 안정모멘트 계산을 위한 중량으로 가정하였 고, 전도모멘트계산은 버킷을 탈착한 상태를 기본으로 하였 다. 붐과 암에 의한 전도모멘트는 인양거리의 중간지점에 작 용한다고 보았으며, 굴삭기의 회전축(AR)에서부터 전도선까 지의 거리를 제외하고 계산하였다(식 (3) 및 그림 3 참조).
인양력은 안정모멘트에서 전도모멘트를 뺀 모멘트를 인양거 리로 나누어 구하였다.
표 5는 식 (3)을 사용해 계산한 결과를 보여준다. 계산결 과 구해진 “인양력”은 최대인양력이기 때문에 75% 수준으 로 조정하였다(표 5에 “75% 인양력”으로 표시). 그림 4는 장비생산업체에서 인양력과 관련하여 제공하고 있는 정보의 일부분을 제시한 것이다. 장비생산업체에서 제공하는 인양력 은 구조역학적인 부분과 유압력에 의한 부분을 함께 고려하 여 실질적인 인양력 테스트를 한 후 결정된 값이다.
그림 4에 제시된 표의 가로축은 인양거리(LPR)를 나타내 며, 세로축은 인양고(LPH)를 나타낸다. 윗 줄 가로축의 인 양거리 아래에 놓여있는 두 개의 그림은 각각 전면인양과 측면인양을 의미한다. 인양거리가 3.0m와 4.5m의 경우 인양 력을 나타내는 숫자 왼쪽에 별표(*)표시가 되어 있는 것을 볼 수 있는데, 이는 구조역학적 결과에 의한 인양능력보다는 토출압 같은 유압력에 의해 결정된 인양력을 의미한다.
동일 LPR을 기준으로 LPH를 변형시켰을 때 나타나는 인 양력의 차이는 LPH를 기준으로 LPR을 변형시켰을 때 보다 Lm 0.75 s f( +)We
rm–f ---
=
MT
∑ =0.75∑MS
Lm 0.75 W× e×f W– b×(bm–f) rm–f
---
⎝ ⎠
⎛ ⎞
=
F Ms ---a
<
Ms Fi×ai
i 1= n
∑
>
그림 3. 굴삭기 인양력 계산 변수(원본 두산굴삭기, 그래픽부분 저 자 변용)
표 4. 인양력 계산을 위한 정보의 종류
종류 단위 종류 단위
총중량 Kg 붐, 암, 버킷무게 Kg
붐무게 Kg 붐, 암 무게 Kg
암무게 Kg 붐, 암 중심거리 m
버킷무게 Kg 붐, 암 모멘트 Kg ·m
붐길이 m 총안정모멘트 Kg ·m
암길이 m 여유 안정모멘트 Kg ·m
전도거리 m 인양력 Kg
작다. 이는 인양능력을 결정하는 데 있어서 LPR의 영향력이 LPH보다 크다는 것을 의미한다. 한편, 식 (3)을 이용해 얻 은 인양력 계산결과와 장비생산업체에서 제공하는 인양력 정 보를 비교하기 위해서는 유사한 기준의 값이 필요하다. 본 연구에서는 장비생산업체에서 제공한 인양력정보를 LPR을 기준으로 평균하여 식 (3)의 계산결과와 비교하는 방법을 취 하였고, 그 결과는 “비교결과”로 표 5에 제시하였다. “업체 ISO평균인양력”은 LPH에 따라 인양력에 편차가 존재하지 만, 비교결과 인양거리 4.5m에서 약 95%, 인양거리 6m에 서 약 88%, 인양거리 7.5m에서 약 83% 수준의 값을 얻을 수 있었으며, 이는 식(3)에 의해 얻어진 결과가 장비생산업 체에서 제공한 결과 이내에 존재해 있기 때문에 적용에 큰 어려움이 없음을 나타낸다. 식 (3)을 CAT, Liebherr 등 여 러 생산업체의 다양한 굴삭기에 대해 적용하여 검증해 본 결과, 대부분의 전면 및 측면 인양력 산정에서 수용 가능한
범위 안에 존재하는 값을 얻을 수 있었다. 이는 업체에서 제공한 인양력을 넘지 않은 수준이면서 근접한 결과를 의미 한다. 단, 일부 전면 인양력 산정에서 붐-암 모멘트의 작용 점이 1) 전도점 안에 존재하거나 2) 하부차체 길이의 끝선 근처에 있을 경우, 구조역학적 계산결과로서의 한계값을 보 여 주었다. 이는 장비생산업체에서도 숫자 왼쪽에 별표(*)를 해 표시한 영역이기도 하며, 근접인양의 경우, 식 (3)에 의 한 인양력 계산외에도 토출압 계산이나 실린더 유압력 계산 같은 기계공학적 접근이 필요함을 나타낸다. ISO에서는 토 출압의 87%까지를 인양하중산정에 사용할 수 있는 최대유 압용량으로 규정하고 있다. 이를 간단히 정리하면, 식 (3)을 이용하여 굴삭기의 인양력을 계산할 경우 “최소이격거리”가 필요하며, 최소이격거리로는 1) 하부차체보다 길어야 하고, 2) 붐-암 중심거리에서 전도점까지의 거리를 뺀 길이가 최소 0.5m 이상 확보할 것을 제안한다. 검증을 위해 다양한 모델 들을 선정하여 실시한 계산 결과에서, 대형장비를 제외하고 표 5. 굴삭기 인양력 계산결과 (전면인양)
종류 R250 LC - 7A
총중량 (Kg) 25200 25200 25200
붐무게 (Kg) 2280 2280 2280
암무게 (Kg) 1450 1450 1450
버킷무게 (Kg) 910 910 910
붐,암,버킷무게 (Kg) 4640 4640 4640
붐,암무게 (Kg) 3730 3730 3730
안정무게 (Kg) 20560 20560 20560
전면전도거리 (m) 1.915 1.915 1.915
안정모멘트 (Kg ·m) 39372.4 39372.4 39372.4
인양거리 (m) 4.5 6 7.5
붐,암중심거리 (m) 2.25 3 3.75
인양거리-전도거리 (m) 2.585 4.085 5.585 붐, 암 중심-전도 (m) 0.335 1.085 1.835 붐, 암 모멘트 (Kg ·m) 1249.55 4047.05 6844.55 여유안정모멘트 (Kg ·m) 38122.85 35325.35 32527.85 인양력 (Kg) 14747.8 8647.6 5824.2 75% 인양력 (Kg) 11060.8 6485.7 4368.1 업체ISO평균인양력(Kg ·m) 11650 7400 5300 업체평균최대인양력(Kg ·m) 15494.5 9842 7049 비교결과 (75%/ISO) 94.94238 87.64435 82.41714
그림 4. 장비생산업체의 인양력 정보 사례(Caterpillar사)
그림 5. 전면 및 측면 인양력계산결과 비교(모델 Liebherr 장비총 중량 24000Kg)
그림 6. 전면 및 측면 인양력 계산결과 비교(모델 Hyundai 장비 총중량 25300Kg)
그림 7. 전면 및 측면 인양력 계산결과 비교(모델 CAT 장비총중
는 인양거리(LPR) 4.5m부터 큰 오차 없이 식 (3)의 결과를 적용할 수 있었다.
그림 8은 EXCEL을 사용한, 여러 회사의 모델들에 대한 인양력 계산을 보여준다. 그 가운데 3가지 모델을 선정하여 그림 5부터 그림 7까지 전면 및 측면 인양력을 ISO규정에 의해 구해진 인양력과 비교하여 도표로 제시하였다. 실선으 로 표시된 “업체ISO평균인양력”은 전면 인양력을 나타내며, 점선으로 표시된 “업체ISO평균인양력”은 측면 인양력을 의 미한다. “75%인양력”은 수식 (3)을 통해 얻은 결과로서, 표 5에서 설명한 내용과 동일하다.
5. 인양 안전관리구간 제안
본 장에서는 인양력에 대한 정확한 정보 없이 현재 사용 중에 있는 굴삭기, 즉, 기존굴삭기에 대한 안전관리구간을 제 안 해 보고자 한다.
식 (3)에 의한 인양력 계산은 ISO 10567 규정에 의한 인양력 테스트를 실시하기 어려운 굴삭기(국내에서 사용중에 있는 굴삭기)의 인양력 산정에 적용할 수 있을 것으로 판단 된다. 다만, 근접인양과 최대인양지점에서의 인양력 결정은 토출압에 의한 영향이 크기 때문에 계산결과를 그대로 적용 하기에는 문제가 있다. 토출압에 의한 인양능력 제한에서 자 유롭기 위해서는, 근접인양과 최대인양구간에서의 작업을 피 해야 한다. 그림 4의 도표는 최고 16,780Kg의 인양력(LPR 4.5m, LPH 0m)을 제공할 수 있는 굴삭기도 최저 5,530Kg (LPR 9.0m, LPH 3.0m)의 인양력만을 제공할 수 있음을 사례로 보여주고 있다. 인양구간변화에 따라 변화하는 굴삭 기의 인양능력은, 이를 구분해서 정보로 제공할 필요가 있다 고 판단된다. 인양작업구간 분류의 또 다른 목적은 작업안정 성을 관리자가 쉽게 알 수 있게 하는 데 있다. 즉, 최대 인 양능력을 발휘할 수 있는 구간 내에서 작업을 하고 있는지를 관리자가 손쉽게 판단할 수 있는 자료를 제공하는 것이다.
그림 5와 그림 6에 제시된 굴삭기는 24,000~25,000t 규 모의 굴삭기로 서로 다른 생산업체에서 만들어진 것이다. 두 장비는 약 12,000Kg정도의 최대 전면인양력과 8,000Kg정도 의 최대 측면인양력을 제공하고 있으며, 인양거리 증감에 따
라 유사한 기울기로 인양력이 변화되는 특성(전면인양력 약 5,000Kg, 측면인양력 약 4,000Kg)을 보여준다(업체ISO평균 인양력 기준). 위의 사례에서 최대인양력과 최소인양력 간에 는 대략 50% 이상의 차이가 존재하며, 그림 7의 사례에서 도 유사한 결과를 확인할 수 있다.
본 연구에서는 따라서 그 중간 값인 75%를 기준으로 구 간을 구분하여 “인양안전구간”과 “인양주의구간”으로 구분하 여 안전관리에 사용할 것을 제안해 보고자 한다. 인양안전구 간과 인양주의구간은 인양력의 변화를 이분법적으로 표시하 기 위해 임의적으로 설정한 지표이다. 즉, 표준설비 된 굴삭 기의 인양력을 ISo규정에 의해 계산하여
- 75% 이상을 제공할 수 있는 구간을 인양 안전구간으로 표현한다.
- 75% 미만을 제공할 수 있는 구간은 인양 주의구간으로 표현한다.
-전면인양력과 측면인양력을 구분하여 인양구간정보를 제 공한다.
문제는 국내에서 현재 사용중인 굴삭기에 사용할 수 있는 ISO기준의 인양력 정보가 없다는 것이다. 인양력에 대한 정 보가 없는 굴삭기 인양력의 75%와 50%를 결정하기 위해, 본 연구에서는 다음과 같은 방법을 사용하였다.
동급중량의 유사굴삭기를 대상으로 외국에서 관련된 굴삭 기정보를 수집하여 이를 인양구간별 인양능력으로 분류하여 정리하였다. 각각의 굴삭기에 대해서는 최대인양력과 최대인 양력 대비 인양거리(LPR)별 인양력 비율을 구하였다. 수집 한 동급 유사굴삭기군에 대해서는 최대인양력과 구간별 인 양력 비율을 비교하였다. 위의 활동을 통해 얻어진 정보는 평균정보가 된다. 여기에 식 (3)에 의해 얻어진 인양력을 비 교하면, 동급 굴삭기에 대한 평균정보와 특정 굴삭기를 비교 한 값을 통해 목적한 근사수치를 얻을 수 있다.
그림 9와 그림 10은 이러한 과정을 통해 얻어진 결과를 가지고, 측면인양과 전면인양에서 제공할 수 있는 최대인양 력을 기준으로 인양안전구간과 인양주의구간을 예시 한 것 이다.
이분법적이기는 하지만, 인양주의구간과 인양안전구간을 최 그림 8. Excel을 사용한 굴삭기 인양력 계산(일부)
대인양력과 함께 제공함으로서, 각 굴삭기 최대인양력을 필 요로 하는 작업을 할 때, 이를 효율적으로 관리할 수 있게 된다. 도로를 횡단하는 배수관의 최소크기인 1000mm 콘크 리트 흄관의 무게는 약 2ton 정도 이다. 선택한 굴삭기의 최대인양력과 인양구간 정보를 사용하면, 대상물을 안전하게 작업할 수 있는 관련 위치(자재위치, 인양위치, 작업장 내 안전거리 등)까지 결정할 수 있다. 부득이한 사정으로 인양 주의구간에서 작업을 하게 될 경우, 인양안전구간에서 작업 하는 것과는 차별화 된 안전관리가 필요하다. 즉, 현장관리 자가 굴삭기의 인양상태를 눈으로 확인하는 것만으로도 현 재 진행중인 작업에 대한 안전관리와 추가대책 수립여부를 판단할 수 있는 정보를 갖게 되는 것이다.
6. 연구의 한계점과 전망
본 연구에서는 인양력에 대한 정보가 전혀 존재하지 않는 굴삭기에서의 인양력 산정방법을 제안하고 이를 ISO기준과 관련하여 검증해 보았다. 또한, 위치와 구간에 따라 변화되 는 굴삭기의 인양능력을 구별할 수 있도록 인양구간을 “인 양안전구간”과 “인양주의구간”으로 구분하여 최대 인양력과 함께 제공하는 방법을 제안하였다. 본 연구를 통해 조사한 외국의 굴삭기 인양력에 대한 자료는 국내 도입을 위한 기 초자료로 활용할 수 있으며, 굴삭기의 인양력 정보와 인양구 간에 관한 정보는 작업계획 및 안전관리업무에 객관적이고 실질적인 기저정보로서 활용될 수 있을 것이다.
현재, 국내 건설장비 시장에서 굴삭기 인양력과 관련된 정 보를 제공하는 업체가 없다는 현실은 굴삭기 인양작업에 대 한 정확한 이해부족과 무관심을 보여준다. 버킷크기에만 종 속되어 있는 현재의 품셈은, 경제적인 이익을 중요시하는 영 업용 굴삭기에 장착 가능한 가장 큰 버킷을 달도록 유도하
고 있는 셈이다. 2010년 기준, 총 등록 굴삭기의 74%가 영 업용으로 신고 되어 있는 상황이다. 이러한 영업용의 과다한 비중은 전도하중이나 인양력 같은 안전개념이 도입된다고 가 정하더라도, 현장적용을 위해서는 품셈의 변화가 필수조건 임을 의미한다.
인양능력 산정을 위해 필요한 많은 정보들 가운데(표 4 참조) 다른 모든 변수가 고정값을 갖고, 하나의 변수만 변화 하게 될 때 나타나는 계산결과는 유추 가능한 범위 안에 존 재할 수 있지만, 두 개 이상 변수가 변화할 때에는 그 결과 를 유추하기 어렵거나, 전혀 다른 결과로 나타날 수도 있다.
국내에서 판매중인 굴삭기 제원에는 버킷, 붐과 암에 대한 길이정보와는 달리 무게정보를 제공하지 않는 경우가 많았 다. 굴삭기에 포함되는 부품과 사양에 대한 보다 상세한 정 보 제공이 업계에 요구된다.
굴삭기 인양작업과 관련된 품셈이나 적용기준, 유압력을 고 려한 인양력 산정 상세기준 수립 등은 연구가 필요한 부분 이다.
감사의 글
이 연구는 2011년도 광주대학교 대학 연구비의 지원을 받 아 수행되었음.
참고문헌
강창희 외(2002) 건설 중기계 운영상의 안전관리 실태 및 개선 방안 – 크레인, 지게차, 버킷굴삭기, 승강기, 펌프카를 중심 으로 -, 2002년도 학술발표회 논문집, 한국건설관리학회, pp.
397-400.
국동훈 외(2007) 재해사례를 통해 알아본 크레인 안전사고 분석, 2007년도 학술발표회 논문집, 한국건설관리학회, pp. 439- 440.
권기태(2002) 건설기계와 시공, 동명사.
김선국 외(2008) 이동식 크레인의 슬링·러그 선정 및 안정성 검토 연구, 한국건설관리학회 논문집, 한국건설관리학회, 제9 권, 제6호, pp. 164-174.
대한건설정보(2010) 건설공사 표준품셈 2010.
서종민 외(2007) 중대재해사례를 통한 굴삭기 안전사고 원인분 석, 2007년도 학술발표회 논문집, 한국건설관리학회, pp.
450-454.
이경석 외(2005) 건설기계의 시공안전기준(지침) 제정에 관한 연 구, 연구보고서, 한국건설기술연구원.
Caterpillar (1992) Caterpillar Performance Handbook, Edition 23, Deutsche Ausgabe, 1992.
DIN EN 474-1 (2010) Earth-moving machinery - Safety - Part 1:
General requirements, Deutsches Institut fur Normung.
DIN EN 474-5 (2007) Earth-moving machinery - Safety - Part 5:
Requirements for hydraulic excavators, Deutsches Institut fur Normung.
ISO 10567 (2007) Earth-moving machinery - Hydraulic excava- tors - Lift capacity, ISO.
Gralla. M. (2007) Baubetrieb II, Skript zur Vorlesung, University Dortmund.
Liebherr (1992) Technische Handbuch, Ausgabe 1992.
(접수일: 2011.5.11/심사일: 2011.6.21/심사완료일: 2011.10.19) 그림 9. 측면인양구간(최대 측면인양력 6.4ton 기준)
그림 10. 전면인양구간(최대 전면인양력 8ton 기준)
