타워 크레인이 넘어지지 않는 이유

모형이 보여 주는 것

공사장을 올려다보면 타워 크레인은 상식에 어긋나 보입니다. 가느다란 격자 탑 한쪽으로 50 m짜리 강철 팔이 뻗어 있고, 그 끝에 철근 묶음이 매달려 있는데도 넘어지지 않습니다. 크레인이 무거워서일까요? 무겁기는 합니다. 하지만 진짜 까닭은 크레인이 하루 종일 숫자 하나를 지켜보다가, 그 숫자가 한계를 넘으려 하면 움직임을 막는 데 있습니다.

모형은 흔히 쓰는 크기의 평탄형(플랫톱) 타워 크레인입니다. 콘크리트 기초 위에 격자 마디 열 개로 된 40 m 마스트가 서 있고, 그 위에 트롤리가 달린 50 m 지브와 권상 윈치·균형추 블록 여섯 개를 실은 15 m 카운터지브가 있습니다. 특정 제조사의 제원표를 옮긴 것은 아닙니다. 치수와 무게는 모두 실제와 비슷한 범위에서 계산을 따라가기 쉽게 고른 모형 값입니다. 트롤리를 움직이고, 짐 무게를 바꾸고, 균형추를 빼 보고, 크레인을 돌리고, 바람을 키우고, 클라이밍 순서를 돌려 볼 수 있습니다. 무대 구석의 계기판이 그때마다 모든 값을 다시 계산합니다.

크레인이 느끼는 것은 무게에 거리를 곱한 값입니다

장 본 봉지를 가슴에 붙여 들면 가볍게 느껴집니다. 같은 봉지를 팔을 쭉 뻗어 들면 몇 초 만에 어깨가 아파 옵니다. 무게는 그대로입니다. 바뀐 것은 무게와, 그 무게를 버텨야 하는 관절 사이의 거리입니다.

크레인도 똑같습니다. 마스트에 중요한 것은 하중 모멘트입니다. 짐의 무게에 마스트 중심에서 짐까지의 수평 거리를 곱한 값입니다. 이 거리를 크레인에서는 반경이라고 부릅니다. 모형에서 40 m의 2 t은 2 × 40 = 80 t·m(톤미터)로, 10 m의 8 t과 정확히 같습니다. 둘 다 마스트를 같은 만큼 휘게 하고 크레인을 같은 만큼 기울이려 합니다. 트롤리 위치가 후크에 건 무게만큼 중요한 것도, 무대 위 빨간 표시가 무게가 아니라 곱한 값을 보여 주는 것도 그래서입니다.

하중표 읽기

타워 크레인마다 하중표가 붙어 있고, 운전원은 이 표를 알고 있어야 합니다. 모형 크레인에는 한계가 두 가지 있습니다. 권상 장치와 와이어로프, 후크 블록은 어디서든 8 t까지만 들 수 있습니다. 구조물은 하중 모멘트 160 t·m까지만 견딥니다. 마스트 가까이에서는 앞의 한계가, 멀리 나가면 뒤의 한계가 정합니다. 두 한계는 160 ÷ 8 = 20 m에서 만납니다.

무대 구석의 곡선이 이 표를 그래프로 그린 것이고, 넘으면 안 되는 영역은 색을 칠해 두었습니다. 점은 지금 상태입니다. 짐을 단 채 트롤리를 밖으로 내면 점이 곡선 아래를 따라 미끄러지다 곡선에 닿습니다. 실제 하중표는 완전한 쌍곡선이 아닙니다. 지브가 길어질수록 지브 자신의 무게도 늘어나므로 먼 반경에서 조금 더 빨리 떨어지는 것이 보통이고, 지브 길이마다 표가 따로 있습니다. 그래도 모양은 같습니다. 마스트 가까이는 평평하다가 바깥으로 갈수록 내려갑니다.

균형추가 지브에 맞섭니다

후크에 아무것도 걸지 않아도 지브는 이미 마스트를 당기고 있습니다. 모형의 지브는 9 t이고 무게중심이 22 m 바깥에 있어서 9 × 22 = 198 t·m를 만듭니다. 반대편 카운터지브는 8 m 거리의 5 t으로 40 t·m만큼 뒤로 당깁니다. 축에서 13 m 뒤에 매단 3 t 블록 여섯 개는 6 × 3 × 13 = 234 t·m만큼 뒤로 당깁니다.

여기에 후크 블록(트롤리와 합쳐 0.6 t)까지 더하면, 트롤리를 3 m까지 당겨 둔 빈 크레인은 74.2 t·m만큼 뒤로 기웁니다. 끝에 정격 3.2 t을 달면 114 t·m만큼 앞으로 기웁니다. 마스트는 이 두 값 사이의 어느 것이든 견뎌야 합니다. 블록이 없다면 같은 짐이 한 방향으로만 348 t·m를 마스트에 겁니다.

그러니 균형추가 짐을 없애 줄 필요는 없습니다. 균형추는 작업 범위의 가운데를 옮겨 놓습니다. 많을수록 좋은 것이 아닌 까닭도 여기에 있습니다. 블록을 여섯 개 대신 여덟 개 달면 빈 크레인이 152 t·m만큼 뒤로 기울고, 이번에는 뒤쪽 안정이 문제가 됩니다. 미국의 타워 크레인 규정은 설치 책임자가 다뤄야 할 위험으로 뒤쪽 안정을 꼽고, 균형추의 양과 위치를 제조사나 등록 기술자가 정한 그대로 두라고 요구합니다. 균형추 블록 막대를 움직이면 마스트 축 모멘트의 부호가 바뀌는 것을 볼 수 있습니다.

모든 무게가 땅에 닿는 자리

타워 크레인은 마스트로 서 있는 것이 아니라 기초로 서 있습니다. 모형은 가로세로 8 m, 깊이 1.5 m인 철근 콘크리트 판을 씁니다. 1 m³에 2.4 t으로 치면 230.4 t입니다. 여기에 마스트와 윗부분, 균형추, 짐 3.2 t을 더하면 모두 298.2 t입니다.

이 무게 전부를 합력이라는 힘 하나로 볼 수 있고, 따져야 할 것은 그 합력이 기초의 어디를 지나느냐입니다. 끝에 정격하중을 달면 남는 모멘트 114 t·m가 합력을 기초 중심에서 지브 쪽으로 114 ÷ 298.2 = 0.38 m 밀어냅니다. 무대 구석의 작은 평면도가 이 점을 보여 주고, 기초 윗면에도 빨간 점으로 표시됩니다.

선이 두 개 있습니다. 하나는 기초의 가운데 1/3 구역인 점선 마름모로, 각 축을 따라 중심에서 8 ÷ 6 = 1.33 m까지입니다. 합력이 이 안에 있는 동안은 기초 바닥 전체가 땅을 누릅니다. 0.38 m일 때 앞쪽 끝 아래 압력은 5.99 t/m², 뒤쪽 끝 아래는 3.32 t/m²입니다. 다른 하나는 4 m 바깥의 기초 끝입니다. 크레인이 넘어지기 시작하는 것은 합력이 여기에 닿을 때뿐인데, 짐 3.2 t으로 그렇게 하려면 4 × 298.2 = 1,193 t·m, 정격 모멘트의 일곱 배 반 가까이가 필요합니다. 모형에서는 기초가 구르기 훨씬 전에 지브와 마스트의 강재가 설계 하중을 한참 넘어섭니다. 운전실의 한계 장치는 강재와 기초를 함께 지킵니다.

과부하 방지 장치가 90%와 100%에서 하는 일

운전원에게 암산을 맡기지는 않습니다. 타워 크레인에는 하중 모멘트 제한 장치가 있어서 후크에 걸린 짐의 무게를 재고, 트롤리가 어디 있는지 알고, 둘을 곱한 값을 하중표와 비교합니다. 미국 규정은 타워 크레인에 모멘트 과부하를 막는 장치, 지브 양 끝의 트롤리 주행 제한 장치, 후크 하중 표시 장치를 갖추라고 요구합니다. 우리나라 규칙은 크레인의 과부하방지장치 등이 제대로 작동하도록 미리 조정해 두고, 정격을 넘는 하중을 걸어 쓰지 못하게 합니다.

모형의 제한 장치는 정격의 90%에서 경보를 내고, 100%를 넘으면 운전실 지붕 등을 빨갛게 바꿉니다. 실제 장치라면 이때 상황을 나쁘게 만드는 두 동작인 권상과 트롤리 바깥쪽 이동을 막습니다. 짐을 내리거나 트롤리를 안으로 들이는 것은 모멘트를 줄이므로 할 수 있습니다. 모형에서는 숫자를 보여 드리려고 한계를 넘겨 볼 수 있게 했습니다. 40 m에 5 t을 달면 200 t·m로 정격의 125%입니다. 재생을 누르면 트롤리가 제한 장치가 멈출 자리까지 나갔다가 돌아옵니다.

마스트도 완전히 단단하지는 않습니다. 끝에 정격하중을 달면 꼭대기가 약 14 cm 움직이고 0.40° 기울며, 짐을 내리면 다시 돌아옵니다. 실제 크기로는 너무 작아 보이지 않으므로 처짐 10배로 보기 단추를 누르면 열 배로 키워 그립니다. 모형에서 과장한 것은 이것 하나뿐입니다.

바람: 15 m/s에서 멈추고 브레이크를 푸는 까닭

바람은 크레인에 세 가지로 힘을 줍니다. 마스트를 밀고, 지브 옆면을 밀고, 짐을 흔듭니다. 바람의 압력은 속도의 제곱에 비례합니다(q = ½ρv²). 10 m/s에서 62.5 Pa, 15 m/s에서 141 Pa, 30 m/s에서는 563 Pa로 10 m/s의 아홉 배입니다.

우리나라 산업안전보건기준에 관한 규칙은 순간풍속으로 두 기준을 둡니다. 순간풍속이 초당 10 m를 넘으면 타워 크레인의 설치·수리·점검·해체 작업을 멈추고, 초당 15 m를 넘으면 운전 작업을 멈춰야 합니다. 순간풍속 초당 30 m를 넘는 바람이 분 뒤에는 옥외 양중기를 쓰기 전에 각 부위를 점검해야 합니다. 미국 규정은 설치와 클라이밍 때의 풍속을 제조사가 정한 값에 맡깁니다. 크레인 꼭대기에 풍속계가 달린 것은 40 m 높이의 바람이 대개 정문 앞보다 세기 때문입니다.

그다음 크레인이 하는 일은 처음 보면 이상합니다. 운전원은 짐을 내려놓고, 트롤리를 제조사가 정한 자리에 세운 뒤, 선회 브레이크를 풉니다. 그러면 크레인이 자유롭게 돌 수 있게 되고, 바람이 바람개비처럼 지브가 바람 부는 쪽을 향할 때까지 크레인을 돌립니다. 까닭은 옆면 넓이에 있습니다. 지브는 길어서 축에서 먼 곳까지 바람을 받으므로 언제나 바람이 불어 가는 쪽으로 밀려납니다. 모형에서 30 m/s일 때 지브를 바람과 직각으로 붙잡아 두면 바람이 넘어뜨리려는 모멘트가 184 t·m, 선회 베어링을 비트는 모멘트가 470 kN·m입니다. 지브가 바람 부는 쪽을 향하면 55 t·m로 줄고 비트는 힘은 사라집니다. 영국 북아일랜드 보건안전청(HSENI)은 2014년 러핑 지브 크레인 세 대가 강풍에 무너진 뒤 경보를 내고, 사람 없이 세워 둔 크레인은 정해진 반경에서 선회가 자유로운 상태로 두라고 당부했습니다.

마스트를 한 칸씩 올리는 방법

건물을 올리는 크레인은 건물과 함께 키가 커져야 합니다. 그렇다고 다른 크레인이 필요하지는 않습니다. 선회 장치 바로 아래에 클라이밍 틀이 마스트 바깥을 감싸고 있고, 한쪽의 유압 실린더가 마스트에 붙은 돌기를 밉니다.

모형은 흔히 쓰는 순서를 따릅니다. 먼저 크레인이 4 m짜리 새 마디를 들어 클라이밍 틀의 모노레일에 올려 둡니다. 다음으로 앞뒤 균형을 맞춥니다. 후크에 2.5 t 마디 하나를 더 달고 트롤리를 76 ÷ 3.1 = 24.5 m에 두면 축의 모멘트가 0이 되므로, 실린더는 곧장 위로만 밀고 아무것도 휘지 않습니다. 선회 장치와 마스트를 잇던 볼트를 빼면 실린더가 윗부분 전체를 4 m 들어 올립니다. 새 마디가 틈으로 굴러 들어가 위아래가 볼트로 고정됩니다. 마지막으로 실린더가 줄어들며 한 칸 위의 돌기를 잡습니다. 이제 마스트는 44 m입니다. 이 과정 내내 크레인은 선회하면 안 되고, 클라이밍 막대를 움직이면 계기판에 균형 위치가 나옵니다. 우리나라 규칙은 자립고보다 높이 세운 타워 크레인을 건물 벽체에 지지하게 하는데, 높은 크레인 마스트에 일정 간격으로 고정 틀이 붙어 있는 것이 그 때문입니다.

계산 예: 4.5 t짜리 프리캐스트 패널

공사장에서 4.5 t짜리 벽체 패널을 마스트에서 30 m 떨어진 3층에 올려야 한다고 가정합니다. 실제 현장 자료가 아니라 가정한 작업입니다. 무거운 짐을 들기 전에 운전원과 인양 계획자가 늘 묻는 질문은 하나입니다. 하중표가 이 작업을 허락하는가, 그리고 한계까지 얼마나 남았는가.

권상 한계는 문제가 안 됩니다. 4.5 t은 8 t보다 작습니다. 문제는 모멘트입니다. 4.5 × 30 = 135 t·m이고 하중표 한계는 160이므로, 패널은 정격의 135 ÷ 160 = 84%를 씁니다. 30 m의 정격하중이 5.33 t이니 0.83 t이 남습니다. 제한 장치는 90%부터 경보를 내므로 조용합니다.

이번에는 질문을 뒤집어 패널을 얼마나 멀리까지 보낼 수 있는지 따져 봅니다. 한계는 160 ÷ 4.5 = 35.6 m입니다. 경보는 그보다 일찍, 0.9 × 160 ÷ 4.5 = 32.0 m에서 시작합니다. 패널을 40 m에 내려놓아야 한다면 4.5 × 40 = 180 t·m로 정격의 112.5%이고, 제한 장치가 트롤리를 거기까지 보내 주지 않습니다. 이때 계획자에게 남는 방법은 세 가지입니다. 크레인 자리를 가까이 옮기거나, 40 m에서 4 t 이하가 되게 짐을 나누거나, 더 큰 크레인을 부르는 것입니다. 한계를 올리는 것은 방법이 아닙니다.

마스트가 느끼는 것은 짐만이 아닙니다. 같은 4.5 t을 30 m에 걸면 지브, 카운터지브, 블록 여섯 개, 0.6 t짜리 후크 블록까지 합쳐 마스트 축에는 앞쪽으로 순 77 t·m가 남습니다. 합력은 기초 중심에서 77 ÷ 299.5 = 0.26 m 밀려납니다. 정격은 구조물에 대한 말이고, 기초는 전체 합을 봅니다.

한 가지 더 있습니다. 하중표의 정격하중에는 후크 블록이 들어 있지 않지만, 마스트에 걸리는 모멘트에는 들어 있습니다. 모형에서 30 m에 4.5 t을 걸어 보면 빨간 표시는 135 t·m이고, 균형추를 뺀 마스트 축 모멘트는 77 t·m입니다. 서로 다른 질문에 답하는 서로 다른 숫자입니다.

균형추 창을 옮기기

균형추는 빈 크레인과 가득 찬 크레인 사이에서 마스트가 흔들리는 폭을 바꾸지 않습니다. 그 폭이 어디에 놓이는지를 바꿉니다. 모형에서 마스트 모멘트는 트롤리 3 m의 빈 크레인에서 50 m의 3.2 t까지 움직이고, 그 폭은 블록 수와 관계없이 188.2 t·m입니다. 3 t짜리 블록 하나가 뒤로 39 t·m를 당기며 폭 전체를 그만큼 옮깁니다. 아래 값은 모형에서 그대로 나온 것이고, 크레인이 지브 쪽으로 기울 때 양수입니다.

블록 네 개면 빈 크레인은 거의 완전히 균형이 맞고, 짐을 가득 달면 앞쪽으로 192 t·m가 걸립니다. 여섯 개면 양 끝이 −74와 +114입니다. 가장 큰 값이 제일 작은 것은 일곱 개(113.2)지만 여섯 개(114)와 간신히 차이 날 뿐이어서, 모형은 일곱 개를 권하지 않습니다. 이유의 일부는 모형 밖에 있습니다. 실제 지브와 카운터지브는 정해진 균형추에 맞춰 설계되고, 뒤로 기우는 쪽에도 한계가 있으며, 균형추는 지브 길이마다 제조사가 정합니다. 이 표는 결정의 모양을 보여 줄 뿐 따라 쓸 숫자가 아닙니다.

가장 극단적인 경우의 기초를 확인합니다. 블록 여덟 개에 트롤리 3 m의 빈 크레인이면 총 301 t에 뒤쪽 순 모멘트가 152.2 t·m입니다. 합력은 중심 뒤 152.2 ÷ 301 = 0.51 m에 있고, 가운데 1/3 구역(1.33 m) 안입니다. 먼저 무너지는 것은 기초가 아닙니다. 마스트와 선회 베어링이 설계하지 않은 방향으로 하중을 받습니다.

타워 크레인의 종류

모형은 평탄형(플랫톱) 타워 크레인입니다. 수평 지브에 트롤리가 달리고, 그 뒤에 카운터지브가 있으며, 윗부분 전체가 마스트 위에서 돕니다. 위 역사에서 최초의 이동식 타워 크레인을 만든 리브헤르(Liebherr)는 제품을 고속 설치형(fast-erecting) 크레인과 상부 선회형(top-slewing) 크레인으로 나누고, 상부 선회형 안에 플랫톱, 하이톱, 중량물용, 러핑, 데릭 모델을 두었습니다.

하중 모멘트 규칙은 어느 종류든 같습니다. 달라지는 것은 반경을 만드는 방법입니다. 러핑 크레인에서 반경은 지브 길이에 수평에 대한 각도의 코사인을 곱한 값입니다. 지브가 50 m라고 가정하면 37°에서 약 40 m, 60°에서 25 m입니다. 지브를 세우면 짐이 안쪽으로 들어와 더 무거운 것을 들 수 있습니다. 모형에서 트롤리를 당길 때와 같습니다.

러핑 방식에는 그 나름의 위험이 있습니다. 2007년 1월 영국 리버풀에서 러핑 타워 크레인이 가벼운 짐을 최소 반경 가까이에서 들고 있었고, 바람은 사용 한계에 가까웠습니다. 팀 왓슨(Tim Watson)의 검토에 따르면 앞에서 분 바람이 지브를 받치면서 러핑 로프가 느슨해졌고, 지브가 뒤로 넘어지며 현장을 가로질러 작업자 한 명이 숨졌습니다. 북아일랜드 보건안전청(HSENI)은 2014년 러핑 크레인 세 대가 강풍에 무너진 일을 두고, 이런 크레인은 정해진 운전 정지 반경에 세우고 선회 브레이크를 풀어야 한다고 강조했습니다. 반경이 너무 작게 세워 두면 크레인이 자유롭게 돌지 못할 수 있고, 이 경보문은 주변 건물이나 다른 크레인이 선회를 막지 않는지도 확인하라고 합니다.

실제 하중표 읽기: Liebherr 172 EC-B 8

모형 크레인의 하중표는 깔끔한 모양 하나입니다. 20 m까지 8 t, 그 너머는 160 t·m를 반경으로 나눈 값입니다. 제조사의 하중표는 표이고, 무대에 있는 것은 Liebherr 가 공개한 플랫톱 크레인 172 EC-B 8 Litronic 데이터시트를 줄마다 그대로 옮긴 것입니다. 자료에는 지브 길이마다 한 줄이 있고, 지브 24.4 m부터 62.5 m까지 정해진 반경마다 정격하중이 적혀 있습니다. 이 값은 권상 높이 50 m까지만 맞는다는 말도 있습니다. 권상 로프가 길어지면 로프 무게가 늘고, 그 무게가 짐에서 빠지기 때문입니다.

가장 긴 62.5 m 지브로는 16.5 m까지 최대 8 t을 듭니다. 30 m에서는 4.11 t, 40 m에서는 2.90 t, 50 m에서는 2.18 t, 끝에서는 1.60 t입니다. 인쇄된 두 반경 사이는 무대에서 직선으로 잇고 「보간」이라고 표시합니다. 이 직선은 이 페이지에서 읽기 쉽게 한 것이고, 자료에서 가져온 방법은 아닙니다.

같은 자료는 균형추가 지브에 따라 달라지는 까닭도 보여 줍니다. 62.5 m 지브에는 균형추 블록 17.5 t, 50 m 지브에는 13.75 t, 40 m 지브에는 12.15 t, 30 m 지브에는 9.65 t이 필요합니다. 짧은 지브는 가볍고 크레인 앞쪽을 덜 당기므로 뒤쪽 콘크리트도 덜 필요합니다. 무대의 균형추 막대를 실제로 옮긴 모습이 이것이고, 규칙이 「되도록 많이」가 아니라 제조사가 정한 양을 그대로 요구하는 까닭입니다.

정격 모멘트가 숫자 하나가 아닌 까닭

모형에서는 20 m 너머 어디서든 짐과 반경의 곱이 160 t·m로 같습니다. 172 EC-B 8 에서는 그렇지 않습니다. 62.5 m 지브로 16.5 m의 8 t은 132 t·m, 30 m의 4.11 t은 123 t·m, 40 m의 2.90 t은 116 t·m이고, 62.5 m의 1.60 t은 100 t·m뿐입니다. 하중표 칸의 파란 선이 이렇게 줄어드는 모습을 보여 줍니다.

그 까닭 가운데 하나로 보이는 것은 지브 자체입니다. 트롤리가 멀리 나갈수록 짐이 걸리는 점 너머로 지브가 더 길게 뻗어 있고, 강재는 짐과 함께 제 무게를 더 긴 팔로 견뎌야 합니다. 트롤리와 후크 블록도 셈에 들어가고, 제조사는 넘어짐 균형만이 아니라 구조물과 마스트, 선회 링을 반경마다 확인합니다. 자료는 반경마다 어느 확인이 한계를 정하는지 밝히지 않으므로 무대도 하나를 고르지 않습니다. 그래도 결론은 분명합니다. 실제 하중표의 모서리에서 모멘트가 일정하다고 보고 곡선을 그리면, 끝에서 크레인의 정격보다 많은 짐을 약속하게 됩니다.

같은 자료의 짧은 지브도 비슷합니다. 50 m 지브로는 21.5 m까지 최대 8 t을 들고, 모서리 바로 너머 22 m에서는 7.82 t으로 8 t × 21.5 ÷ 22와 꼭 같습니다. 더 멀리 가면 값이 다시 그 일정한 모멘트에서 벗어나 50 m에서 3.05 t이 됩니다.

도감에서 최대 하중과 최대 반경의 하중만 공개된 크레인은 무대가 추정 곡선을 그립니다. 끝 하중에 최대 반경을 곱해 반경으로 나누고, 최대 하중을 넘지 않게 자릅니다. 실제 하중표는 끝 쪽에서 이보다 빨리, 마스트 쪽에서 이보다 천천히 떨어지므로, 이 곡선은 추정이라고 표시하고 숫자의 크기를 보여 주는 데만 씁니다.

플랫톱, 해머헤드, 러핑 지브를 나란히

종류 버튼은 같은 크레인의 윗부분을 세 가지로 다시 짓습니다. 모형과 같은 플랫톱 크레인은 지브 위에 아무 구조물이 없습니다. 지브와 카운터지브가 스스로 버틸 만큼 단단한 트러스입니다. 한 현장에서 여러 대의 플랫톱 크레인이 지브를 서로 가까이 위아래로 지나가게 하며 일할 수 있습니다.

해머헤드는 선회 장치 위에 캣헤드라는 짧은 탑이 있습니다. 탑 꼭대기에서 지브의 여러 점과 카운터지브 끝으로 타이 바가 내려와, 지브가 위에서 매달린 보처럼 일합니다. Liebherr 의 큰 해머헤드 계열은 EC-H 이고, 회사는 이를 하이톱이라고 부릅니다. 제품 페이지에서 1000 EC-H 50 Litronic 은 50 t을 들고 80 m 반경에서도 11 t을 들며, 1188 EC-H 40 Fibre 는 90 m까지 닿습니다.

러핑 지브 크레인에는 트롤리가 없습니다. 지브 밑동이 힌지로 붙어 있고 후크는 지브 끝에 매달리며, 지브를 세우고 눕혀 반경을 바꿉니다. 모형에서 힌지는 마스트 축에서 3 m 앞에 있고 지브 길이는 59 m라서, 수평에서 15°면 반경 60 m, 75°면 약 18.3 m입니다. Liebherr 357 HC-L 12/24 의 60 m 붐 데이터시트는 후크를 2가닥으로 걸면 18 m까지 24 t, 40 m에서 9.07 t, 60 m에서 3.20 t을 적고, 무대는 러핑 종류를 고르면 이 표를 씁니다.

차이는 크레인을 세워 둘 때 가장 큽니다. 운전을 멈춘 플랫톱이나 해머헤드는 선회 브레이크를 풀고 바람을 따라 돌며, 지브 전체가 원을 휩씁니다. 러핑 크레인은 먼저 지브를 운전 정지 각도로 세웁니다. 같은 357 HC-L 자료는 60 m 붐에 75°와 최소 반경 18.5 m를 적고, Liebherr 러핑 브로슈어는 운전 정지 반경을 195 HC-LH 의 9.6 m부터 710 HC-L 의 15.5 m까지 적습니다. 건물로 둘러싸인 도심 현장이나 크레인 여러 대가 가까이 선 현장에서는 이 작은 원이 러핑 크레인을 고르는 까닭이 될 때가 많습니다.

크레인만이 아니라 짐도 바람을 받습니다

무대의 한국 규칙은 순간풍속 15 m/s를 넘으면 운전을 멈춥니다. 다른 규칙은 선을 다른 곳에 긋습니다. 영국 건설장비임대협회(CPA)는 EN 14439 로 만든 타워 크레인이 운전 중 바람 20 m/s에 맞춰 설계되며, 영국 업계는 바람이 더 세지기 전에 크레인을 운전 정지 자세로 바꿀 시간을 남기려고 16.5 m/s, 38 mph에서 운전을 멈춘다고 설명합니다. 같은 지침은 대략 20분 만에 바람이 13 m/s에서 20 m/s로 오를 수 있다고 적습니다. 바람 칸에서 이 세 한계를 바꿔 볼 수 있습니다.

크레인의 한계에는 이미 짐에 받는 바람이 조금 들어 있습니다. CPA 가 설명하는 허용치는 짐 1톤마다 넓이 1 m² 정도입니다. 크고 가벼운 짐은 따로 더 낮은 한계를 가지며, CPA 는 무대가 그대로 따라 하는 계산 예를 듭니다. 3.6 m × 2.4 m, 1.3 t인 거푸집 판입니다. 넓이 8.64 m²에 항력 계수 1.2를 곱하면 바람 넓이 10.4 m²로, 허용치의 여덟 배입니다. 허용 풍속은 크레인 한계에 1.2 × 1.3 ÷ 10.4의 제곱근 0.39를 곱한 값입니다. 크레인 한계가 17 m/s면 6.6 m/s이고, CPA 는 이를 6.5 m/s로 적습니다. 한국의 15 m/s로는 5.8 m/s입니다. 그 풍속을 넘으면 무대는 판을 내려놓지만, 크레인은 작고 무거운 짐이라면 계속 일할 수 있습니다. 진공 흡착기는 한계를 더 낮출 수 있고, CPA 는 그 예로 8 m/s를 듭니다.

운전을 멈춘 타워 크레인도 폭풍은 견뎌야 합니다. 운전 정지 풍속에 관한 CPA 문서는 EN 14439 크레인이 유럽 지도의 기준 폭풍 풍속인 A·B 지역 24 m/s, C 지역 28 m/s, D 32 m/s, E 36 m/s에 맞춰 설계되며, 대부분 C 지역 기준으로 공급된다고 설명합니다. 폭풍 뒤에 무대의 한국 규칙은 순간풍속이 30 m/s를 넘었으면 각 부위를 점검하게 하고, CPA 지침은 바람이 한계 아래로 적어도 10분 동안 머물 때까지 크레인을 다시 운전하지 않게 합니다.

짐은 진자입니다

짐은 트롤리에서 로프로 매달려 있으므로 진자처럼 움직입니다. 흔들림이 작으면 주기는 2π에 로프 길이를 g로 나눈 값의 제곱근을 곱한 것입니다. 모형의 로프 23 m로는 9.6 s이고, 로프가 3 m 짧으면 9.0 s입니다. 주기는 짐의 무게와 상관이 없습니다.

트롤리가 빨라지면 짐은 뒤처지고, 트롤리가 멈추면 짐은 계속 흔들려 나갑니다. 무대의 트롤리는 실제처럼 부드럽게 가속하지만, 보통으로 출발하고 멈추면 흔들림이 1 m를 넘기도 합니다. 흔들림 칸에서는 트롤리를 손으로 몰 수 있습니다. 통하는 방법은 멈추는 때를 맞추는 것입니다. 트롤리가 빨라지기 시작한 지 꼭 흔들림 한 주기 뒤에 제동을 시작하면, 제동의 흔들림이 출발의 흔들림을 지워 짐이 거의 멈춘 채로 도착합니다. 검산 스크립트는 이 경우 남는 흔들림을 0.1 m 아래로, 버튼을 5 s만 누른 경우 2 m 넘게 계산합니다.

크레인 제조사는 이런 때 맞추기를 제어 장치에 넣습니다. Liebherr 는 Litronic 크레인의 보조 기능으로 풍력 모멘트 제어와 흔들림 감쇠 장치를 들고, 정밀 위치 맞춤 모드와 한 번의 권상에 한해 정격하중을 20%까지 올리는 Load Plus 기능도 함께 적습니다.

신호수와 수신호

운전실의 운전원은 짐이 내려앉을 곳을 못 볼 때가 많습니다. 땅이나 건물 위의 신호수가 짐을 보면서 무전이나 손으로 운전원에게 할 일을 알립니다. 수신호는 아무도 짐작하지 않도록 정해져 있습니다. 유럽에서는 안전 표지 지침에서 왔고, 영국의 1996년 규정이 이를 그대로 싣습니다. 시작, 정지, 작업 끝, 올려와 내려, 앞으로와 뒤로, 오른쪽과 왼쪽, 수평 거리와 수직 거리, 그리고 비상 정지입니다.

표현은 정확합니다. 올려는 오른팔을 위로 뻗고 손바닥을 앞으로 향한 채 천천히 원을 그리는 것입니다. 내려는 오른팔을 아래로 뻗고 손바닥을 안쪽으로 향한 채 천천히 원을 그리는 것입니다. 정지는 오른팔을 위로 뻗고 손바닥을 앞으로 향하는 것이고, 위험(비상 정지)은 두 팔을 위로 뻗고 손바닥을 앞으로 향하는 것입니다. 같은 글은 신호수가 크레인을 이끄는 동안 다른 일을 하지 말고, 알아보기 쉬운 표시를 달아야 한다고 적습니다. 수신호 칸은 이 설명을 카드로 쓰고, 뜻을 맞히면 무대의 크레인이 움직입니다.

도감 숫자의 출처

도감의 44개 항목은 제조사 페이지와 문서에서 왔고, 2026년 10월 27일에 확인했습니다. Liebherr 의 제품 페이지는 플랫톱 EC-B 와 하이톱 EC-H, 러핑 세 기종의 최대 하중, 최대 반경의 하중, 최대 반경, 독립 설치 최대 훅 높이를 적습니다. 러핑 브로슈어는 운전 정지 반경을 더하고, 타워 크레인 종합 브로슈어는 대형 중량물용 HC, 급속 설치형 K, 그리고 357 HC-L 을 싣습니다. Manitowoc 의 Potain 페이지는 MDT·MCT 탑리스 크레인, MR 러핑 크레인, MD 크레인에 같은 네 숫자를 적지만, 모든 Potain 항목에 훅 높이가 있지는 않습니다.

숫자는 공개된 그대로 옮겼고, 모든 면에서 서로 견줄 수 있지는 않습니다. 최대 하중은 대개 짧은 반경에서 무거운 짐용으로 로프를 걸었을 때만 나오고, 최대 반경의 하중은 가장 긴 지브의 값이며, 훅 높이는 한 가지 탑 구성의 독립 설치 값입니다. 항목마다 있는 끝 모멘트는 공개된 두 숫자를 곱한 것이라 「계산」이라고 표시합니다.

사고 기록이 보여 주는 것

타워 크레인 사고는 일어나면 크기 때문에 사람들이 세어 왔습니다. 세는 사람에 따라 숫자가 달라지고, 어느 것도 전수 조사는 아닙니다.

팀 왓슨 컨설팅은 1989년부터 2012년까지 전 세계 타워 크레인 중대 사고 130건을 모았습니다(상부 선회형과 일부 자체 설치형의 붕괴·큰 구조 손상으로, 전문지와 영국 안전보건청(HSE) 자료에서 찾았습니다). 크레인 수명의 어느 단계에서 났는지 보면 사용 중이 약 35%, 사용하지 않는 중이 11%, 설치(10%)·해체(14%)·클라이밍(17%) 중이 합쳐 41%였습니다. 원인이 밝혀진 것은 46%에 그쳤고, 저자는 정확한 자료가 한곳에 있지 않다고 적었습니다. 공개 보도에서 모은 작은 표본이어서, 사고율이 아니라 어디를 봐야 하는지를 알려 줍니다.

한국의 한 연구는 2012년 7월부터 2020년 7월까지 한국산업안전보건공단에 접수된 타워 크레인 재해 260건을 분석했습니다. 작업 종류로는 인양 작업이 45.3%, 재해 형태로는 추락이 35.8%로 가장 많았고, 원인으로는 작업 방법 불량이 38.8%로 가장 많았습니다. 2022년 7월 28일 고용노동부 보도자료에는 클라이밍 단계의 사례가 하나 나옵니다. 7월 14일 타워 크레인을 올리던 중 작업자가 텔레스코핑 케이지와 함께 떨어져 숨졌습니다.

이 기록은 모형과 맞아떨어집니다. 하중표와 제한 장치가 지켜 주는 조용한 사용 중 인양은 전체의 일부일 뿐입니다. 클라이밍, 설치, 해체는 크레인이 정해진 반경에서 균형을 잡고, 정해진 볼트가 제자리에 있고, 아무도 선회시키지 않아야 하는 작업이며, 절차가 가장 중요한 곳이 여기입니다. 모형의 클라이밍 막대가 균형 반경을 보여 주는 것도 그 때문입니다.

흔한 오해

「균형추가 무거울수록 크레인이 안전하다.」 제조사가 정한 개수까지만 그렇습니다. 그보다 많으면 위 표처럼 빈 크레인이 뒤로 기울고, 규칙은 정해진 양을 정확히 쓰라고 요구합니다.

「한계가 크레인이 넘어지는 지점이다.」 모형 기초가 넘어가기 시작하려면 1,193 t·m가 필요한데 정격 모멘트는 160 t·m입니다. 한계는 강재 구조와 연결부를 지키고 안정에 여유를 남기려는 값입니다.

「제한 장치는 무게를 잰다.」 두 숫자가 필요합니다. 후크에 걸린 짐과 트롤리 반경입니다. 같은 3 t이 30 m에서는 괜찮고, 더 긴 지브의 55 m에서는 한계를 넘습니다.

「선회가 자유로운 크레인은 풀려서 위험하다.」 아무도 운전하지 않을 때는 그것이 안전한 상태입니다. 브레이크를 풀면 크레인이 바람 부는 쪽으로 돌고, 모형에서 선회 베어링에 걸리는 비트는 힘이 470 kN·m(30 m/s 바람에 지브가 직각일 때)에서 0이 됩니다. 브레이크를 건 채 두면 지브가 바람과 직각으로 남을 수 있습니다.

「바람 기준은 평균 바람이다.」 우리나라 규칙은 순간풍속을 씁니다. 40 m 높이의 마스트 꼭대기에서는 평균 바람이 한참 낮은데도 15 m/s 돌풍이 올 수 있습니다.

「타워는 건물에 붙어 있다.」 자립 높이보다 높아질 때만 그렇고, 우리나라 규칙은 그때 벽체에 고정하라고 합니다. 그 아래에서는 기초 혼자 모든 것을 받칩니다.

화면에서 해 보기

1. 짐 무게를 4.5로 두고 트롤리 반경을 20 m에서 40 m로 밀어 보세요. 하중 모멘트는 32 m 근처에서 정격의 90%에 닿고, 35.6 m를 넘으면 운전실 등이 빨갛게 바뀝니다.
2. 트롤리 반경을 3 m, 짐 무게를 0으로 두고 균형추 블록을 8에서 0까지 줄여 보세요. 축 모멘트가 −152 t·m에서 블록 4개 근처의 0을 지나 +160 t·m까지 갑니다.
3. 트롤리 반경 50 m, 짐 무게 3.2, 순간풍속 15로 두세요. 짐이 줄에 매달려 약 2.1° 흔들립니다. 줄이 20 m라고 가정하면 옆으로 0.7 m입니다. 30 m/s에서는 8.2°, 약 2.9 m입니다.
4. 짐 무게를 0으로 두고 순간풍속 30 m/s에서 선회 각도를 90°와 0°로 돌려 보세요. 기초에 걸리는 바람 모멘트가 지브가 바람 부는 쪽일 때 55 t·m, 직각일 때 184 t·m입니다.
5. 처짐 10배로 보기를 켜고 짐 무게 0과 5 t일 때 마스트 꼭대기를 비교해 보세요.

모형이 실제보다 단순한 점

• 하중표는 min(8 t, 160 t·m ÷ r)이라는 단순한 모양입니다. 실제 표는 지브 길이와 와이어로프 거는 방법에 따라 다르고 제조사가 줍니다.
• 무게와 기초는 모형 값입니다. 실제 기초는 그 땅에 맞춰 제조사나 등록 기술자가 설계하고, 말뚝이나 건물 구조 위에 서는 크레인도 있습니다.
• 바람은 높이와 상관없이 압력 하나와 고정된 힘 계수로 계산했습니다. 설계 기준은 높이에 따라 압력을 키우고 돌풍 계수를 더합니다.
• 마스트는 기초에 고정된 탄성 보 하나로 휩니다. 기초 자체가 땅 위에서 조금 도는 것은 뺐습니다.
• 동적 효과는 뺐습니다. 권상이나 선회를 시작하고 멈출 때는 정적인 하중 위에 힘이 더해집니다.

짧은 역사

탑에 붙은 크레인은 오래되었습니다. 독일 트리어의 모젤강 가에 1413년 지어진 알터 크라넨은 안에 디딤바퀴가 든 돌 탑이고, 지붕과 지브를 포함한 내부 전체가 가운데 나무 축을 중심으로 돌았습니다. 현장을 옮겨 다니는 강철 타워 크레인은 훨씬 뒤에 나왔습니다. 1949년 한스 리브헤르가 TK 10을 만들었는데, 리브헤르는 이를 최초의 이동식 타워 크레인으로 소개합니다. 오늘날의 플랫톱 크레인도 모형처럼 마스트, 선회 장치, 지브, 카운터지브, 균형추라는 같은 짜임을 지키고 있습니다.

숫자를 확인한 방법

무대의 값은 모두 평범한 공식 묶음 하나에서 나오고, 손 계산을 다시 해 맞춰 보았습니다. 하중표의 각 줄, 지브·카운터지브·블록의 모멘트, 기초 끝을 기준으로 무게마다 팔 길이를 곱해 따로 더한 값과 합력 위치의 비교, 기초 아래 압력, 바람의 힘과 비트는 모멘트, 클라이밍 균형 위치, 그리고 마스트 처짐을 교과서 공식 M·H²/2EI, F·H³/3EI, w·H⁴/8EI와 수치 적분으로 견줘 봅니다.