건설기계 설계 구비조건

왜 배우는가: 건설기계는 가혹한 현장에서 고장 없이 작동해야 하므로 설계 구비조건을 정확히 답안에 옮겨 쓸 수 있어야 한다. 이 개념은 강도, 피로, 안전율을 다루는 구조 설계의 출발점이라서 여러 교시에서 반복해 출제되었다.

출제 이력: 제113회 1교시 4번, 제111회 1교시 1번, 제108회 4교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

건설기계 설계 구비조건은 가혹한 현장에서 안전하게 작업하도록 내구성·안전성·정비성·신뢰성·적응성을 확보하는 설계상의 요건이다.

건설기계는 토사, 암석, 콘크리트를 다루는 공사 현장에서 충격과 진동이 큰 하중을 받으며 난폭하게 사용되는 경우가 많다. 따라서 설계 단계에서 기계의 기능과 함께 여러 조건을 고루 만족시켜야 하며, 그 조건들을 구비조건이라고 한다. 구비조건은 개별 기계에만 적용되는 것이 아니라 건설기계 전반에 공통으로 적용되는 설계 기준이다. 답안에 쓰는 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 내구성: 반복 하중과 마모가 누적되어도 설계 수명 동안 파손 없이 기능을 유지하는 성질이다.
• 안전성: 운전자와 주변 작업자에게 사고를 일으키지 않도록 설계된 성질이다.
• 정비성: 점검, 조정, 부품 교환을 짧은 시간에 할 수 있는 설계 특성이다.
• 신뢰성: 규정된 조건에서 의도한 기간 동안 규정 기능을 수행하는 확률이다.
• 적응성: 기후, 지반, 공사 종류가 달라도 기계 구조와 성능을 맞춰 쓸 수 있는 성질이다.
• 이동성: 공사 현장이 자주 바뀌므로 다른 현장으로 쉽게 옮겨 쓸 수 있는 성질이다.

2. 개념 풀이

건설기계관리법은 건설기계를 건설공사에 사용할 수 있는 기계로서 대통령령이 정하는 것으로 규정한다. 건설기계 설계 구비조건은 이 기계가 토사 운반, 굴착, 정지, 적재, 포장 같은 공사 작업을 수행하는 과정에서 요구되는 성질을 설계 단계에서 미리 갖추도록 정한 조건의 총칭이다. 기계 성능이 높아도 현장 조건을 견디지 못하면 공사에 쓸 수 없으므로, 구비조건은 성능 조건과 함께 설계의 출발점이 된다.

건설기계는 인력으로 할 수 없는 작업을 수행하므로 자동차나 공작기계보다 훨씬 가혹한 조건에서 작동한다. 이 때문에 충격과 진동 같은 큰 하중이 반복되는 것을 전제로 설계해야 한다. 건설기계 설계는 충격과 진동이 반복되는 가혹 조건을 전제로 내구성과 안전성을 우선 확보해야 한다. 반복 하중은 피로와 마모를 누적시켜 파손을 만들고, 파손은 작업자의 사고로 이어지므로 이 두 요구가 가장 먼저 설계 조건이 된다. 정비성, 신뢰성, 적응성은 이 두 요구를 바탕으로 현장 운영의 편의를 더한 조건이다.

구비조건은 가동률 같은 목표 수치만 정해서는 충분하지 않다. 설계 실패 분석과 시제품 시험 결과에서 신뢰성 요구사항을 도출하고, 그것을 시스템과 부품의 요구사항 명세에 포함해야 한다. 요구사항이 명확해야 설계자가 신뢰성이 낮은 구조를 처음부터 택하지 않도록 제약할 수 있다.

강도는 재료에 부하를 걸었을 때 파단에 이르기까지의 변형 저항을 나타내는 총칭이다. 정적 하중에 대한 정적강도와 반복 하중에 대한 피로강도로 나뉘며, 내구성은 특히 피로강도와 관련된다. 따라서 설계자는 사용 중에 파괴나 기능을 해치는 변형이 생기지 않도록 필요한 강도를 갖는 형상과 재료를 결정해야 한다. 열도 재료의 경도, 강도, 저항을 바꾸는 요인이므로 설계에서 열적 특성을 함께 고려해야 한다.

다음 네 용어는 개념을 설명할 때 반드시 쓰는 핵심 용어이다.

• 내구성: 피로와 마모가 누적되어도 설계 수명 동안 파손 없이 기능을 유지하는 성질이다. 충격을 많이 받는 버킷이나 블레이드 같은 부위는 고장력강과 내마모합금을 써서 이 성질을 확보한다.
• 신뢰성: 계, 기기 또는 부품이 규정된 조건에서 의도한 기간 동안 규정 기능을 수행할 확률이다. 설계 기준을 신뢰도 수치에 맞추어 갑작스러운 고장이 생기지 않도록 한다.
• 정비성: 현장에서 고장이 나면 공사가 멈추므로 점검과 부품 교환이 쉬운 구조를 말한다. 정비 접근성과 표준 부품 사용이 설계에서 함께 검토된다.
• 적응성: 도로, 하천, 항만, 철도, 플랜트 등 공사별 특성에 맞추어 구조와 성능을 달리하는 성질이다. 모든 현장에 같은 구조를 적용하지 않는다는 뜻이다.

3. 등장 배경과 필요성

건설기계는 19세기 산업혁명과 함께 동력이 발명된 이래 기계공업의 발전에 따라 발달하였다. 산업혁명 이전에는 인력, 우마력, 풍력, 수력이 건설공사의 동력이었으나, 증기기관이 실용화되면서 증기동력을 이용한 항타기, 셔블, 트랙터, 로드롤러가 차례로 등장하였다. 이 변화로 종전의 건설공사 시공법이 크게 바뀌었다.

제2차 세계대전 이후에는 강하고 제어가 쉬운 유압 계통 기술이 발전하여 작업장치의 조작에 유압이 널리 쓰였다. 그 결과 대형, 고능률 기계와 기동성이 높은 기계가 속속 출현하였고, 공사 기간이 단축되고 공사의 내용이 크게 향상되었다. 기계가 커지고 빨라질수록 설계에서 고려할 요건도 많아졌다.