아파트 건설 현장의 어벤저스 ‘타워크레인’

[아파트 속 과학] 아파트 건설공정 50% 이상에 사용

이집트 북부 기자의 피라미드는 세계 7대 불가사의 중 하나다. 기원전 2500여 년 전 고대 이집트인들은 무게 2.5톤이 넘는 돌덩이 230만 개를 쌓아올려 높이 147m, 밑변 230m에 달하는 거대 피라미드를 만들었다.

기자 피라미드의 건설에 20년이 걸렸다고 하니 단순 산술평균으로 5분에 1개꼴로 밤낮없이 돌덩이를 쌓아올렸다는 계산이 나온다. 전기차를 넘어 민간 우주여행을 꿈꾸는 최첨단기업인 일론 머스크가 올해 7월 자신의 트위터에 “피라미드는 외계인이 만든 것”이라고 적을만큼 피라미드 건설은 통상적인 과학 상식을 뛰어넘는다.

고대 그리스의 크레인과 우리나라 거중기

피라미드를 쌓기 위해 무거운 돌덩이를 들어 올려야 했던 것처럼 반만년이 지난 지금의 건설현장에서도 무거운 자재를 들어 올리는 일은 변함없이 중요한 과제가 되고 있다. 무거운 자재를 들어올리는 일을 건설 용어로 무거울 중(重)에 부양할 양(揚)을 써서 ‘양중’이라 하는데, 최근 건축물들은 갈수록 고층화, 대형화되는 추세여서 양중의 중요성이 더욱 커지고 있다.

건설 현장에서 양중에 사용되는 전문 건설기계 장비가 바로 ‘타워크레인(Tower Crane)’이다. 타워크레인은 동력을 활용하여 무거운 중량물을 수십 m 높이로 들어 올린 다음 상하·전후·좌우 어디로든 운반해 주는 기계다. 흔히 아파트 건설 현장하면 타워크레인이 곳곳에 서있는 모습을 머릿속에 그리게 되는데, 실제 타워크레인은 아파트 건설공정의 50% 이상에 사용되는 필수 장비이다.

타워크레인은 말 그대로 높은 타워의 꼭대기에 크레인을 장착한 것인데, 크레인은 기원전 6세기 고대 그리스에서 처음 발명된 것으로 알려져 있다. 고대 그리스인들은 무거운 물건을 들기 위해 기다란 나무 기둥에 도르래를 달아 학(두루미, Crane)처럼 생긴 장비를 발명했다. 그들은 크레인이라 명명된 이 장비를 사용해 무거운 대리석을 들어 올려 파르테논 신전 같은 유서 깊은 건축물을 세웠다. 이후 크레인은 로마제국과 중세 유럽에 전달돼 화려하고 웅장한 건축물을 짓기 위해 널리 사용됐다.

정약용이 발명한 거중기. 거중기는 고정도르래(파란색)와 움직도르래(녹색)를 사용해 무거운 물건을 작은 힘으로 들 수 있게 해준다. ⓒ 에듀넷

우리나라는 최초의 크레인으로 1794년 정조 18년에 다산 정약용이 수원성 축성을 위해 제작한 ‘거중기(擧重機)’가 유명하다. 거중기에는 힘의 방향을 바꿔주는 고정도르래와 힘을 절반으로 줄여주는 움직도르래가 함께 사용된다. 움직도르래는 물체에 달려있는 줄이 당겨주는 역할을 해 줄의 수만큼 반비례해 힘이 줄어든다. 즉 움직도르래 4개가 달려있는 거중기는 물체에 달려있는 8개의 줄 덕분에 80N(뉴턴, 질량 1kg의 물체에 작용해서 1㎨의 가속도를 생기게 하는 힘)으로 들어야 하는 물체를 불과 10N으로 들어 올릴 수 있게 해준다.

도르래와 지레의 원리가 동시 작용

아파트 건설 현장에서 사용되는 타워크레인은 크게 T형과 L형으로 구분할 수 있다. T형 타워크레인이 현장에서 훨씬 많이 사용되는데, 크레인의 팔인 ‘지브’가 지면과 수평을 이루기 때문에 전체적으로 T자처럼 생겼다. 반면 L형 타워크레인은 작업반경 내 장애물이 있는 좁은 공간에서 사용하기 위해서 지브를 들어 올려 L자 모양으로 꺾을 수 있다.

타워크레인에 적용된 도르래의 원리와 지레의 원리. ⓒ 에듀넷

타워크레인은 도르래의 원리와 지레의 원리가 동시에 작용한다. 건설자재를 매다는 갈고리가 달려있는 트롤리 활대에는 앞서 살펴본 거중기와 마찬가지로 총 4개의 움직도르래가 장착돼 있어, 크레인이 갖고 있는 힘의 8배까지 들어 올릴 수 있다.

아르키메데스가 발견한 지레의 원리는 받침점으로부터 가까이 있는 무거운 물체를 받침점에서 먼 곳에서 작은 힘으로 눌러 물체를 쉽게 들어 올릴 수 있는 과학 원리다. 타워크레인에는 받침점 역할을 하는 운전석과 가까운 짧은 팔인 카운터 지브에 콘크리트로 만든 무거운 평형추가 달려 있어, 물체를 들어 올려야 하는 긴 팔인 지브가 운전석에서 멀어도 무게의 균형을 이루고 있다. 이 무게 균형을 유지하기 위해서 가벼운 건축자재를 들어 올릴 때는 트롤리 활대가 운전석에서 먼 곳에 있어도 되지만, 무거운 건축자재를 들어 올릴 때는 운전석 가까이로 이동시켜야 한다.

수십 톤을 분당 50m 이상 속도로 들어 올려

아파트 건설 현장의 타워크레인은 높이가 고정된 것이 아니라 아파트 층수를 올리면서 함께 높아진다. 운전석 바로 아랫부분을 유압실린더로 3m 정도 상승시킨 후 그 공간에 기둥 역할을 하는 마스트 한 칸을 넣어 볼트로 고정시키는 방식으로 키를 높인다. 타워크레인의 하단부 기초를 철근콘크리트로 단단히 고정시킨 후 아파트 벽면에 지지대를 설치하는 방식을 사용해 100m 이상으로 높일 수 있다.

고층 아파트 건설 현장에 안개가 깔리자 군데군데 서있는 타워크레인만 보인다. ⓒ 김홍재

타워크레인이 들어 올리는 중량물의 무게와 속도는 장비 자체의 능력과 바람 등 주변 환경에 따라 달라진다. 아파트 건설 현장에서 사용되는 100톤 대형 타워크레인의 경우 수십 톤의 중량물을 분당 50~80m에 달하는 속도로 들어 올린다. 타워크레인의 갈고리에 건설자재를 매달고 원하는 위치로 이동해 푸는 시간까지 고려했을 때 한 번 작업에 보통 15분 정도 걸린다고 한다.

우리나라의 타워크레인 등록대수 2009년 2958대였지만 2019년에는 6011대로 2배 이상 증가했다. 건설 현장에서 워낙 빈번하게 사용되기 때문에 타워크레인은 인류가 고안한 가장 우수한 건설장비라 불리고 있다. 하지만 높은 타워가 쓰러졌을 때 인명피해를 포함한 대형사고가 발생할 수 있는 가장 위험한 건설장비이기도 하다.

타워크레인의 붕괴사고가 발생하는 이유는 기초부보다 지브와 카운터 지브 등 상부의 무게가 더 무거운 불안정한 구조이기 때문이다. 전문가들은 타워크레인의 양중 이동 등 작업 과정뿐만 아니라 설치와 조립과정, 해체 작업 중에도 사고 가능성은 존재한다면서 철저한 장비 관리와 안전 수칙 준수가 필요하다고 말한다.