크레인 종류와 특성

왜 배우는가: 크레인은 건설과 플랜트, 항만에서 중량물을 옮기는 핵심 장비이므로 장비 선정의 기준을 세울 때 가장 먼저 이해해야 하는 개념이다. 시험에서는 고정식과 이동식을 나누는 분류 문제와 종류별 특성을 묻는 논술 문제로 반복해 출제되었다.

출제 이력: 제137회 3교시 3번, 제129회 2교시 3번, 제98회 3교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

크레인은 동력을 이용해 무거운 하중을 달아 올리고 수평 방향으로 옮기는 양중 기계이다.

답안 첫 줄에는 위 정의를 쓰고, 이어서 아래 키워드를 각각 설명할 수 있어야 한다. 키워드는 용어 풀이와 답안 구성 모두에서 같은 표기로 쓴다.

• 양중: 하중을 들어 올리고 원하는 위치로 옮기는 작업 전체를 가리킨다.
• 붐: 하중을 매다는 긴 팔 구조이며, 길이와 각도에 따라 작업 반경이 정해진다.
• 정격하중: 작업 반경과 붐 각도 조건에서 안전하게 들 수 있도록 정한 최대 하중이다.
• 고정식 크레인: 기초나 구조물에 고정되어 한 자리에서 작동하는 크레인이다.
• 이동식 크레인: 바퀴나 궤도 위에 탑재되어 현장과 현장 사이를 옮겨 다닐 수 있는 크레인이다.
• 타워크레인: 수직 마스트 위에 붐을 얹어 고층 건축에 쓰는 고정식 크레인이다.
• 크롤러 크레인: 궤도 차대에 붐을 장착하여 연약한 지반에서도 안정적으로 작업하는 이동식 크레인이다.

분류의 관계는 다음과 같다. 크레인은 이동성에 따라 고정식과 이동식으로 나뉘고, 고정식 가운데 고층 건축용 구조가 타워크레인이며, 이동식 가운데 궤도 차대를 쓰는 것이 크롤러 크레인이다. 따라서 분류의 기준은 이동성과 구조 두 가지이며, 이 두 기준을 함께 말해야 종류별 특성을 정확히 설명할 수 있다.

2. 개념 풀이

크레인은 와이어로프나 체인 같은 달기구로 하중을 권상하고, 붐의 기복과 상부 회전체의 선회 및 주행 운동을 조합하여 하중을 원하는 위치에 옮기는 기계이다. 기중기와 같은 말로 쓰이며, 산업안전보건법령은 이를 양중기의 한 종류로 분류한다. 따라서 크레인을 설명할 때는 하중을 들어 올리는 기능과 옮기는 기능을 함께 제시해야 한다.

크레인의 기본 구성은 하부 주행체, 상부 선회체, 붐, 운전실, 훅으로 나뉜다. 타워크레인은 콘크리트 기초 위에 마스트를 세우고, 마스트 위의 선회 장치가 긴 붐(작업 팔)과 짧은 평형 붐(카운터 붐)을 회전시키는 형태이다. 이동식 크레인은 같은 원리를 바퀴나 궤도 차대 위에 옮겨 놓은 것이다. 구성 요소의 세부 명칭과 역할은 4절에서 다룬다.

크레인의 원리는 지렛대와 모멘트의 평형에 근거한다. 하중이 만드는 전도모멘트가 차체 자중과 평형추가 만드는 안정모멘트보다 커지면 크레인은 넘어진다. 붐이 길어지고 작업 반경이 커지면 같은 하중에서도 전도모멘트가 커지므로, 정격하중은 반경이 커질수록 작아진다. 이 관계가 제조사가 붐 길이와 반경별 정격하중표를 만드는 근거이다.

크레인 안정의 핵심 조건은 전도모멘트가 안정모멘트보다 작아야 한다는 것이다.

이 조건을 설명하는 데 필요한 용어는 다음과 같다.

• 선회: 상부 회전체가 중심축을 기준으로 회전하는 운동이며, 하중을 수평 방향으로 옮기는 기본 동작이다.
• 기복: 붐의 각도를 바꾸어 작업 반경을 조절하는 동작이다.
• 작업 반경: 선회 중심에서 훅 중심까지의 수평 거리이며, 정격하중을 결정하는 변수이다.
• 권상: 권양 드럼에 와이어로프를 감아 하중을 수직으로 들어 올리는 동작이다.

이동식 크레인은 같은 안정 조건을 다른 방법으로 해결한다. 트럭 장착식이나 바퀴식 크레인은 아웃리거를 펼쳐 지지 폭을 넓히고, 크롤러 크레인은 아웃리거 없이 넓은 궤도로 무게를 분산한다. 궤도는 넓은 면적에 하중을 나누어 연약한 땅에서도 바퀴보다 가라앉음이 적다. 두 방식 모두 전도모멘트를 줄이는 것이 목적이라는 점에서 같은 원리이다.

정격하중은 붐 길이와 작업 반경뿐 아니라 지지 지반과 아웃리거 설치 상태에 따라서도 달라진다. 따라서 설치 전에 지반 상태를 점검하는 절차가 정격하중 관리의 출발점이 된다.

3. 등장 배경과 필요성

크레인은 기계장치 가운데 가장 먼저 고안된 것으로 알려져 있다. 초기에는 사람의 힘이나 가축의 힘에 의존하여 돌과 목재 같은 중량물을 다루었다. 약 5,000년 전 고대 이집트에서 피라미드를 만들 당시 중량물 운반용으로 사용되었다. 이후 크레인의 동력원은 19세기 중엽 이후 증기기관과 전력으로 옮겨 가면서 대형화되고 빨라졌다. 내연기관과 유압 기술이 도입되면서 크레인은 트럭과 궤도 차대에 실려 현장을 옮겨 다니는 장비로 바뀌었다.

현대 건설에서 크레인이 필요한 이유는 사람이 직접 다룰 수 없는 중량 자재를 정확한 위치에 설치해야 하기 때문이다. 고층 건축물의 골조와 철골 부재, 대형 설비 기기의 설치는 높이와 양중 능력을 함께 갖춘 장비 없이는 수행하기 어렵다. 그래서 타워크레인은 고층 건축 공사에 쓰이는 대표적인 장비이다. 고정식 크레인은 항만, 운송, 건설, 창고 등에서 널리 쓰이며, 재료의 적재 방식을 제한하기 어려운 대형 야드에서는 이동식 크레인보다 고정식 크레인이 효과적이다.

크레인은 중량과 높이 때문에 한 번 사고가 나면 피해가 크므로, 산업안전보건법은 크레인을 양중기로 분류하여 관리한다. 양중기의 종류는 크레인(호이스트 포함), 이동식 크레인, 리프트, 곤돌라, 승강기이다. 크레인의 방호장치는 권과방지장치, 과부하방지장치, 비상정지장치, 제동장치이다.