천장 크레인 거더

왜 배우는가: 천장 크레인 거더는 공장·창고의 중량물 이동을 담당하는 구조부재로, 크레인 하중이 반복 재하되므로 설계에서 휨·전단뿐 아니라 피로와 처짐, 수평하중 검토가 함께 요구된다. 기술사 시험에서는 크레인 휠 하중, 충격계수, 기둥 축력 산정 문제로 반복 출제되므로 개념과 하중 전달 경로를 먼저 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제138회 1교시 3번, 제100회 3교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

천장 크레인 거더(Crane Girder)는 천장 크레인의 트롤리·호이스트 하중을 주행 레일을 통해 지지하고, 그 하중을 기둥으로 전달하는 주행 보(Runway Girder)다.

천장 크레인 거더는 크레인의 주행 레일을 지지하며 양중 하중과 자중을 기둥에 전달하는 보 부재다.

핵심 키워드

• 천장 크레인(Overhead Crane)
• 크레인 거더(Crane Girder)
• 휠 하중(Wheel Load)
• 충격계수(Impact Factor)
• 횡하중(Lateral Load)
• 피로 설계(Fatigue Design)
• 레일 간격(Rail Span)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 공장 천장에 가로로 걸쳐진 큰 보 위를 크레인이 달려가며 무거운 물건을 드는 장치의 발판 보다. 천장 크레인은 두 개의 평행 레일 위를 주행하는 구조로, 호이스트가 이동식 브리지를 따라 횡행하며 물건을 권상한다.

정식 정의는 다음과 같다. 크레인 거더는 천장 크레인의 주행 레일을 지지하는 보로, 보통 I형 또는 상자형 단면으로 만들어 자체 중량을 줄이고 휨·비틀림·수평하중에 입체적으로 저항하도록 설계한다. 천장 크레인은 권상, 횡행, 주행의 3가지 직선 운동을 하며, 새들(이동 대차)이 거더의 양 끝을 지탱하면서 천장 부근 레일 위를 주행한다.

핵심 용어를 정리한다.

트롤리(Trolley)는 거더 위를 횡행하는 대차로, 훅 등 인양 용구가 활차 장치를 통해 연결된다. 휠 하중(Wheel Load)은 크레인 거더 상부 플랜지에 놓인 바퀴 하나가 거더에 전달하는 연직 반력이다. 이 값이 거더 휨모멘트와 기둥 축력을 결정한다.

주행 방향 하중(Longitudinal Load)은 크레인이 레일을 따라 가속·감속할 때 생기는 수평력이다. 횡방향 하중(Lateral Load)은 트롤리 이동과 사행(Skew) 주행으로 생기며, 상부 플랜지의 수평 휨과 기둥의 수평 변위에 영향을 준다.

3. 등장 배경과 필요성

산업 공장은 중량 설비와 대형 부품을 옮기는 일이 잦아서 바닥 면을 점유하지 않는 수평 운반 수단이 필요했다. 천장에 레일을 걸고 크레인을 매달면 바닥 공간을 비우면서 넓은 범위를 커버할 수 있다. 이 때문에 천장 크레인은 가장 일반적이고 광범위하게 쓰이는 크레인 형식이 되었다.

구조 측면에서는 크레인이 수많은 반복 하중을 주는 점이 문제가 된다. 일반 보와 달리 하중이 한 점에서 이동하면서 반복 재하되므로, 정하중 검토만으로는 부족하고 피로(Fatigue) 검토가 필요하다. 또 충격과 횡하중이 동시에 작용하므로, 거더를 단순 휨 부재로만 설계하면 상부 플랜지의 국부 응력과 기둥의 수평 변위를 놓치게 된다.

따라서 크레인 거더 설계는 다음 세 가지를 함께 다룬다. 첫째, 크레인 용량과 자중으로 휠 반력을 산정한다. 둘째, 충격계수를 적용해 동적 효과를 반영한다. 셋째, 기둥과 레일 연결부로 하중을 전달하는 경로를 확인한다. 이 세 단계가 이후 설계 절차의 기본 틀이다.

개념 설명을 위한 도식

4. 구성요소·원리·절차

천장 크레인 거더(Crane Girder)는 천장 크레인의 레일을 받치는 주행 보다. 크레인 휠이 거더 상부 플랜지 위를 굴러 이동하므로, 거더는 휠 하중에 의한 휨과 전단, 그리고 플랜지 국부 응력을 함께 받는다. 설계에서는 정하중에 충격과 횡하중을 더해 최대 휠 반력을 구하고, 이를 기준으로 휨·전단·피로를 검토한다.

거더의 주요 구성요소는 다음과 같다.

원리는 휠 반력이 거더 상부 플랜지에 집중하재 작용하는 점에 있다. 집중하중은 웨브 상단에 국부 압축 응력을 만들고, 반복 주행은 용접부와 플랜지 연단에 피로 응력을 준다. 그러므로 크레인 거더는 정적 휨 강도만이 아니라 반복하중에 대한 피로 검토가 필수다. 충격계수는 주행 중 동적 효과를 정하중에 곱해 반영한다.

거더 설계 절차는 다음과 같다.

• 크레인 사양(정격하중, 트롤리·크레인 자중, 레일 간격, 차륜 간격)을 입력한다.
• 최대 휠 반력을 산정한다. 최대 반력은 트롤리를 가장 가까운 거더 단부 쪽에 놓은 위치에서 구한다.
• 충격계수와 횡하중을 반영해 설계 하중을 만든다.
• 거더의 최대 휨모멘트와 전단력을 구한다.
• 단면 강도(휨·전단·국부 압축)를 검토하고 처짐을 확인한다.
• 반복 횟수와 응력 범위로 피로 수명을 검토한다.
• 기둥과 기초에 전달되는 축력을 산정한다.

차륜 반력 산정의 기본식은 다음과 같다.

$R_{max}=\frac{(W+W_t)}{n}\cdot\left(1+\frac{L_b}{a}\right)+\frac{W_g}{2n}$

여기서 R_{max}는 최대 휠 반력(kN), W는 양중하중(kN), W_t는 트롤리 무게(kN), W_g는 크레인 자중(kN), n은 편측 차륜 수, L_b는 최소 후크 근접거리(mm), a는 차륜 간격(mm)이다. 이 식은 교재에서 널리 쓰는 형태이며, 실제 설계는 적용 기준의 식을 따른다.

도식 구성은 다음과 같다.

5. 관련 법령·기준·표준

천장 크레인 거더의 설계는 건축구조 설계기준과 크레인 제작·설계 표준을 함께 따른다. 국내에서는 건축구조기준(KDS)의 하중 규정과 강구조 설계기준을 기본으로 쓰고, 크레인 관련 세부는 국제·북미 표준을 참조한다. 아래 표는 본 절에서 쓰는 기준 항목과 값이다.

표의 충격계수 값은 설계 실무에서 널리 쓰는 값이며, 국내 적용은 해당 하중기준의 최신 조문을 따른다. 크레인 자중과 정격하중을 합산하는 방식은 하중 종류에 따라 다르므로 조합 규정을 함께 본다.

국제 표준은 번호와 명칭까지 기재했다. 국내 기준은 현행 명칭으로 쓰며, 개정 연혁은 설계기준 발행 시점을 기준으로 확인한다. 북미 표준은 CMAA 계열이 주로 쓰이며, 이 표준은 거더 형식과 사용 등급에 따라 적용 범위가 나뉜다.

거더의 피로 검토는 응력 범위와 반복 횟수를 곱해 누적 손상을 보는 방식이다. 주행 횟수가 많을수록 용접부 상세의 피로 등급이 중요해지므로, 설계 단계에서 상세 범주를 명확히 정한다.

6. 유형과 비교

천장 크레인은 트롤리(호이스트 장치를 싣는 대차)의 설치 방식에 따라 트롤리식과 호이스트식으로 나뉜다. 두 형식은 권상·횡행·주행의 3가지 직선 운동을 공통으로 하며, 호이스트를 어디에 두는지가 거더와 주행 하중 전달 방식을 바꾼다.

트롤리식은 호이스트가 거더 위에 놓여 양중 높이 확보에 유리하다. 반면 거더에 가하는 집중하중이 상부 플랜지 레일 위치에 걸리므로, 플랜지 국부 휨과 웨브 좌굴 검토가 중요하다. 호이스트식은 설치가 간단하고 거더 상부 공간을 비울 수 있으나, 하부 여유 높이가 부족하면 적용이 어렵다.

천장 크레인과 구분되는 지브 크레인(기둥이나 벽체에 설치된 지브 선단에서 양중하는 형식)은 거더 대신 지브와 기둥에 하중이 전달된다. 두 형식은 하중 경로가 달라 설계 항목도 다르다.