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타워크레인(Tower Crane)은 어떻게 키가 커지는 거예요?

STEEL Talk 34

타워크레인(Tower Crane)은 어떻게 키가 커지는 거예요?

2021/02/26

STEEL Talk에서는 STEEL(철강)은 물론 Science, Technology, Energy, Environment and Life에 대한 궁금증과 호기심을 재미있는 이야기로 풀어드립니다.

거인이라… 우뚝 서 있는 타워크레인은 건설현장의 사령관과 같으니 제법 적절한 비유 같네요. 실제로 타워 크레인 없는 고층건물은 상상도 못하죠. 타워크레인을 이야기하기 전에 먼저 아주 옛날의 건축 방식으로부터 시작해 볼게요.

이집트 북부 기자(Giza) 지역에 있는 피라미드는 세계7대 불가사의 중 하나로 꼽히는데요! 기원전 2500여 년 전, 고대 이집트인들은 2.5톤이 넘는 블록 230만개를 쌓아 올려 높이 147m, 가로·세로 230m에 달하는 거대 피라미드를 만들었다고 해요.

당시 어떠한 방법으로 석재를 운반했는지 정확히 알려지지 않았으나, 많은 학자들은 피라미드 측면에 경사로를 만들어 나무토막으로 만든 굴림대를 이용해 옮겼을 것으로 추정 합니다.

피라미드를 건설하는데 약 20년이 걸렸다고 하는데, 계산해 보면 2.5톤이 넘는 블록을 시간당 13개 이상 밤낮으로 쌓아 올렸다는 결과가 나오는데요. 외계인이 만들었다는 말이 그냥 나오는 것이 아니랍니다.

l 타워크레인이 건축 시공의 ‘게임 체인저’ 역할을 한다고요?

만약 기자 피라미드를 쌓아 올릴 때, 현재의 크레인이 있었으면 어땠을까요? 수십 톤의 건설 자재를 분당 50~80m 이상의 속도로 들어 올리는 크레인을 사용했다면, 피라미드 건설에 2~3년이 채 걸리지 않았을 겁니다.

크레인의 발명은 기원전 6세기 고대 그리스로 올라가는데, 고대 그리스인들은 기다란 나무 기둥에 도르래를 달아 무거운 대리석을 들어 올려 파르테논 신전 같은 건축물을 세웠다고 해요. 우리나라는 1794년 정조 18년에 다산 정약용이 수원성 축성을 위해 제작한 거중기(擧重機) 가 최초의 크레인으로 기록되어 있습니다.

현대 건축물은 구조 역학 기술의 발달로 초고층, 대형화 되는 추세라고 해요. 따라서 무거운 자재를 더 높이 들어올려야 하는데, 이 문제점을 해결하기 위해 발명한 건설기계장비가 바로 타워크레인 (Tower Crane)입니다.

스틸로 제작된 타워크레인은 이름 그대로 탑처럼 높은 크레인을 말하는데. 3톤 이상의 무거운 중량물을 상하·전후·좌우 어디로든 운반할 수 있어, 도심지의 아름다운 스카이라인과 랜드마크 시공을 가능케 합니다.

포스코의 건설용 프리미엄 고강도강 제품인 HSA650*이 적용된 대표적인 프로젝트로 제2롯데월드 타워, 동대구 복합환승센터, 인천공항 제2여객터미널 등이 있는데, HSA650으로 제작된 기둥과 보를 설치하기 위해 타워크레인으로 중량물을 들어올리는 계획을 선제적으로 검토했다는 공통점을 가지고 있습니다.
*HSA650(High Strength Steel for Architecture) : 650Mpa급 높은 항복강도와 내진성능을 함께 확보한 건축 구조용 강재

l 타워 크레인은 어떤 과학적 원리가 숨어있나요?

타워크레인은 크게 T(T-Tower Crane)형과 L(Luffing Crane)형으로 구분할 수 있어요. T형은 수직기둥인 타워마스트(Tower Mast)와 크레인의 수평팔인 지브(Jib)가 직각을 이루기 때문에 T자처럼 생겼으며, L형은 작업반경 내 장애물 간섭을 피하기 위해 지브를 수직으로 들어 올려 L자 모양으로 꺾을 수 있다고 합니다.

타워크레인은 정약용 거중기의 도르래 원리와 아르키메데스 지렛대의 원리를 동시에 따르고 있어요. 총 4개의 움직도르래가 장착돼 있는 트롤리 활대(Trolley Pulley)에 짐을 매달 수 있는 갈고리(Hook)를 메달아 크레인이 가지고 있는 원래 동력원의 힘보다 8배를 더 들어 올릴 수 있고, 받침점 역할을 하는 운전석을 기준으로 뒷부분의 수평팔인 카운터지브에 콘크리트로 만든 평형추를 매달아 앞의 지브와 무게 균형을 잡고 있습니다.

트롤리 할대를 받침점에 가까운 지점으로 이동시키면 더 많은 중량물을 들어 올릴 수 있다는 것을 지렛대의 원리로 알 수 있는데, 실제로 현장에서도 무거운 중량물은 받침점에 최대한 가깝게 이동시켜서 들어올립니다.

l 타워크레인은 어떻게 키가 커져요?

타워크레인이 분주하게 움직이는 건설현장을 본 적이 있을 것에요. 그러다 어느날 갑자기 타워 크레인의 키가 더 커져있는 것을 보고 불현듯 든 생각… 도대체 타워 크레인은 누가 올렸던 것일까요?

타워크레인 운전석 바로 아래는 타워크레인을 인상(Telescoping*)하기 위한 작업 공간을 제공하고, 크레인 상부를 지탱하며 유압실린더 및 가이드 레일 등이 부속되어 있는 ‘텔레스코픽 케이지(Telescopic cage)’가 있습니다.

타워크레인 인상은 텔레스코픽 케이지의 유압실린더를 이용해 가이드 레일을 따라 운전석을 3m가량 상승시켜 빈 공간을 만들고, 기둥 역할을 하는 마스트를 추가로 삽입한 후 볼트로 고정시켜요. 새 마스트 높이만큼 타워크레인의 키가 커지는 것이죠.

*텔레스코핑(Telescoping) : ‘끼워 넣다’의 뜻으로 타워크레인의 기초부가 일정한 상태에서 새로운 마스트를 추가하여 상승하는 방법.

기초가 철근콘크리트로 고정된 타워크레인은 건축물 층마다 일정간격으로 스틸 지지대 (Bracing)를 설치하면 150m 이상까지도 올릴 수도 있습니다.

인류가 만든 가장 우수한 건설 장비라는 타워크레인의 비밀… 알고 보니 오래된 역사와 많은 과학적 지식이 집약된 결정체였네요. 그리고, 이는 극한의 힘을 지탱하게 해주는 고강도 스틸 소재가 뒷받침되서 가능했다는 사실! 오늘 STEEL TALK코너로 알아 봤습니다.

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