[국내논문]수평형 타워크레인 텔레스코핑 작업의 자동화를 위한 개념 모델 및 요소기술 분석 Analysis of Conceptual Models and State-of-the-Art Technologies for the Automation of Telescoping Work in Horizontal Tower Cranes원문보기
타워크레인은 건설현장의 전체 자재인양 중 약 50%의 물량을 인양하는 양중 장비로 그 수는 빠른 속도로 증가하고 있으나, 건설현장에서의 소홀한 안전관리로 타워크레인 관련 안전사고는 매년 지속적으로 발생되고 있는 실정이다. 특히, 텔레스코핑 작업은 타워크레인 설치단계에서 텔레스코핑 케이지를 유압으로 상승시킨 후 생긴 빈 공간에 새로운 마스트를 삽입하여 요구 높이까지 상승시키는 작업으로 고소에서 다수의 작업자가 동시에 작업을 실시하여 추락 및 낙하의 위험성이 존재하는 등 타 작업에 비해 재해사례 비중이 가장 높은 것으로 분석되었다. 본 연구의 목적은 타워크레인 작업 중 특히 위험성이 높은 것으로 조사 및 분석된 텔레스코핑 작업의 안전성 및 생산성을 향상시킬 수 있는 타워크레인 텔레스코핑 자동화기술의 개념모델을 제안하고 이에 대한 안전성 측면에서의 잠재적 성능을 분석함으로써 향후 타워크레인 텔레스코핑 자동화기술 실물 제작을 위한 원천자료를 제공하는 것이다.
타워크레인은 건설현장의 전체 자재인양 중 약 50%의 물량을 인양하는 양중 장비로 그 수는 빠른 속도로 증가하고 있으나, 건설현장에서의 소홀한 안전관리로 타워크레인 관련 안전사고는 매년 지속적으로 발생되고 있는 실정이다. 특히, 텔레스코핑 작업은 타워크레인 설치단계에서 텔레스코핑 케이지를 유압으로 상승시킨 후 생긴 빈 공간에 새로운 마스트를 삽입하여 요구 높이까지 상승시키는 작업으로 고소에서 다수의 작업자가 동시에 작업을 실시하여 추락 및 낙하의 위험성이 존재하는 등 타 작업에 비해 재해사례 비중이 가장 높은 것으로 분석되었다. 본 연구의 목적은 타워크레인 작업 중 특히 위험성이 높은 것으로 조사 및 분석된 텔레스코핑 작업의 안전성 및 생산성을 향상시킬 수 있는 타워크레인 텔레스코핑 자동화기술의 개념모델을 제안하고 이에 대한 안전성 측면에서의 잠재적 성능을 분석함으로써 향후 타워크레인 텔레스코핑 자동화기술 실물 제작을 위한 원천자료를 제공하는 것이다.
The number of horizontal tower cranes, major hoisting machineries for lifting approximately 50% of entire materials in construction projects, is rapidly increasing, but a number of accidents related to the tower cranes are being continuously occurred in construction sites as well. In particular, tel...
The number of horizontal tower cranes, major hoisting machineries for lifting approximately 50% of entire materials in construction projects, is rapidly increasing, but a number of accidents related to the tower cranes are being continuously occurred in construction sites as well. In particular, telescoping works in the horizontal tower cranes have showed the greatest safety concerns such as falls and collapses. It is due to the fact that tasks inserting a new mast in the space made after raising telescoping cage by fluid pressure and ascending it to the required height in the telescoping works include a series of dangerous factors in safety aspects, and might cause very serious and unexpected accidents in construction sites. The primary objective of this research is to propose two conceptual models for automating the telescoping work in horizontal tower crane and conduct their technical feasibility analyses. In this study, a design concept, a position control system using hydraulic cylinders is suggested as a better alternative for automating the telescoping work. Its potential safety improvement rate compared to the conventional method is also analyzed and presented in this study.
The number of horizontal tower cranes, major hoisting machineries for lifting approximately 50% of entire materials in construction projects, is rapidly increasing, but a number of accidents related to the tower cranes are being continuously occurred in construction sites as well. In particular, telescoping works in the horizontal tower cranes have showed the greatest safety concerns such as falls and collapses. It is due to the fact that tasks inserting a new mast in the space made after raising telescoping cage by fluid pressure and ascending it to the required height in the telescoping works include a series of dangerous factors in safety aspects, and might cause very serious and unexpected accidents in construction sites. The primary objective of this research is to propose two conceptual models for automating the telescoping work in horizontal tower crane and conduct their technical feasibility analyses. In this study, a design concept, a position control system using hydraulic cylinders is suggested as a better alternative for automating the telescoping work. Its potential safety improvement rate compared to the conventional method is also analyzed and presented in this study.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 타워크레인 작업 중 특히 위험성이 높은 것으로 조사 및 분석된 텔레스코핑 작업의 안전성 및 생산성을 향상시킬 수 있는 타워크레인 텔레스코핑 자동화 기술의 개념모델 제안하고 이에 대한 안전성 측면에서의 잠재적 성능을 분석함으로써 향후 타워크레인 텔레스코핑 자동화 기술의 실물 제작을 위한 원천자료를 제시하고자 한다.
기존 마스트 볼트 체결 작업의 경우 1개소 설치당 3명의 작업인원이 투입되고 있으며, 1개의 토크 렌치를 옮겨 다니면서 작업을 해야 하기 때문에 소요되는 작업시간이 길어지는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 연구에서는 다음 그림 10과 같이 텔레스코핑 케이지 외각 2개소에 자동 볼트체결 시스템을 설치하여 작업 시 투입되는 작업 인원의 감소 및 작업시간의 단축이 가능하도록 고안하였다.
기존 텔레스코핑 케이지 상승 작업 시 케이지의 불균형 상태로 인한 마스트구멍의 불일치가 발생되고 있으며, 이러한 문제점은 볼트 체결작업 생산성 저하 혹은 불균형 상태에서의 무리한 유압장비 상하 움직임으로 타워크레인 붕괴사고를 유발하고 있다. 이에 본 연구에서는 조종실 하단부의 X-Y축 이동 가능한 볼트구멍 기술을 이용하여 마스트 상단부 볼트 체결 구멍의 위치를 인식하고 해당위치로 볼트구멍이 이동가능 하도록 하여 단 한번에 볼트체결작업이 가능하도록 고안하였다. 또한, 후속 작업인 자동 볼팅 체결 작업은 자동 볼팅 체결 기술을 사용하였다(그림 8).
즉, 현재 타워크레인 텔레스코핑 케이지의 경우 램과 슈의 반복적인 수축 및 확장으로 단순하게 상승하기 때문에 작업 시 발생되는 타워크레인의 불균형한 상태를 제어 할 수 없다. 이에 본 연구에서는 텔레스코핑 케이지에 유압실린더를 이용한 자세제어 기술을 이용하여 상승 작업 시 발생되는 불균형 상태를 검측 및 제어하여 마스트 구멍의 불일치 및 붕괴에 대한 문제점을 해결 가능하도록 고안하였다(그림 6). 또한, 후속 작업인 자동 볼팅 체결 작업은 자동 볼팅 체결 기술사용 하였다(그림 10).
국내 건설현장에서 자재인양을 위해 사용되고 있는 타워크레인 기종은 매우 다양하며 기종에 따라 텔레스코핑 작업 프로세스는 각기 상이한 실정이다. 이에 본 연구에서는 현장 인터뷰 결과 현재 국내 건설현장에서의 사용 비중(45%)이 가장 높은 독일 L사의 290HC 모델을 대상으로 텔레스코핑 작업의 자동화를 위한 개념모델을 제시하였으며, 이를 위한 연구의 방법은 다음과 같다.
가설 설정
먼저 주요 작업별 안전사고 노출시간은 현장 방문을 통한 실측(시간 관측) 결과를 토대로 텔레스코핑 관련 각 주요 작업의 수행을 위해 소요되는 실 작업시간(표 2)을 의미하며, 반면 주요 작업의 안전사고 발생 가능 유형별 위험 노출시간은 위 표 9에서의 주요 작업 내 안전사고 발생 가능 유형간 가중치(빈도수 혹은 발생 가능성)를 고려한 각 안전사고 발생 가능 유형별 위험 노출시간으로 정의된다. 또한 주요 작업의 안전사고 위험 노출시간의 경우, 현 시점이 장비 개발 이전 단계이며 자동화 방식에 의한 생산성 분석이 불가능하므로 재래식 방식과 자동화 방식이 동일한 것으로 가정하였다(표 10). 예를 들어 재래식 방식에 있어 ‘추가 마스트 상승을 이용한 타워 크레인 균형 잡기’ 작업의 경우 개소 당 위험노출 시간(작업시간)은 9.
제안 방법
(1) 텔레스코핑 작업의 문제점 분석 및 자동화 대상 작업 선정: 현재 텔레스코핑 작업 시 발생되고 있는 재해사례 및 문제점을 분석하고 전문가 설문 및 현장 작업 분석 결과를 바탕으로 한 Cost-Concern Matrix 분석을 토대로 텔레스코핑 자동화 기술개발을 위한 주요 대상 작업을 선정하였다.
(2) 자동화 요소기술 분석을 통한 개념모델 도출: 타워크레인 텔레스코핑 자동화 기술개발을 위해 요구되는 주요 요소기술을 분석하고, 기존 방식에 비해 작업 생산성 향상 및 안전성 확보가 가능할 수 있도록 하는 텔레스코핑 자동화 기술의 2가지 개념 모델을 제안하였다.
(3) 최적 개념모델의 선정 및 제안기술의 잠재적 성능 분석: L사 290HC 모델 텔레스코핑 작업에 경험을 지니고 있는 21명의 전문가들에 대한 설문 및 AHP 분석 결과를 바탕으로 최적의 개념 모델을 선정하고, 안전성 향상 측면에서 기존 방식 대비 제안된 타워크레인 텔레스코핑 자동화 기술의 잠재성 성능을 분석하였다.
3. 기존 타워크레인 작업의 문제점을 해결하고 노무자의 안전성을 확보할 수 있는 2가지 형태의 개념모델(유압실린더를 이용한 자세제어시스템, X-Y축 이동 가능한 볼트 구멍 시스템)을 제시하고 이에 대한 요소기술을 분석하였다. 독일 L사의 290HC 모델의 사용 경험이 있는 21명의 전문가를 대상으로 제안된 개념모델에 대한 설문조사 및 AHP 분석 결과, 유압실린더를 이용한 자세제어시스템의 개발 우선 순위(Development Preference Index; DPI)가 0.
이에 본 연구에서는 텔레스코핑 케이지에 유압실린더를 이용한 자세제어 기술을 이용하여 상승 작업 시 발생되는 불균형 상태를 검측 및 제어하여 마스트 구멍의 불일치 및 붕괴에 대한 문제점을 해결 가능하도록 고안하였다(그림 6). 또한, 후속 작업인 자동 볼팅 체결 작업은 자동 볼팅 체결 기술사용 하였다(그림 10).
이에 본 연구에서는 조종실 하단부의 X-Y축 이동 가능한 볼트구멍 기술을 이용하여 마스트 상단부 볼트 체결 구멍의 위치를 인식하고 해당위치로 볼트구멍이 이동가능 하도록 하여 단 한번에 볼트체결작업이 가능하도록 고안하였다. 또한, 후속 작업인 자동 볼팅 체결 작업은 자동 볼팅 체결 기술을 사용하였다(그림 8).
기존의 텔레스코핑 케이지 상승방식과 같이 작업을 실시한 이후 발생되는 상부 볼트구멍의 불일치 여부를 검측하고, 불일치 발생시 조종실 하단부의 볼트구멍이 해당위치로 이동함으로써 별도의 추가 작업 없이 볼트 체결작업이 용이하게 수행될 수 있다. 본 연구에서 제안한 2가지 형태의 개념모델은 텔레스코핑 케이지 상승 이후 작업인 마스트 볼트체결 작업 시 투입되는 자원투입비율을 줄이기 위해서 자동 볼트체결 기술이 공통적으로 필요하다. 자동 볼팅 체결 기술은 위치인식 및 추적 기술에서 측정된 데이터를 기반으로 해당 작업 위치로의 이동 및 자동볼트 조임이 가능한 기술이다.
일반적으로 자동화 기술의 도입이나 장비 개발을 위한 대상 작업의 선정을 위해서는 생산성, 안전성, 품질의 균일성, 경제성 등 여러 요소가 함께 고려되어야 한다. 본 연구에서는 Cost-Concern Matrix(Guo and Tucker, 1993) 분석 기법을 토대로 자동화 대상 작업의 선정 요인을 크게 비용(Cost impact) 요소와 자동화 기술 도입 요소(Concerns)로 구분하였다. 본 연구에서 비용 요소의 의미는 타워크레인 텔레스코핑 관련 11개 세부작업(표 1) 중 특정 세부작업이 타 세부작업과 비교하여 상대적으로 공사자원의 투입비율(투입 인원, 투입시간)이 큰 작업을 선정하는 과정이라 할 수 있다(표 2).
본 연구에서는 기존 텔레스코핑 주요 작업(표 1) 중 마스트 하부 및 상부 볼트 체결 작업을 하나로 통합하고 산업안전공단 재해사례 및 유압실린더를 이용한 자세제어 시스템의 요소기술 분석 결과를 토대로 모두 5개의 주요 작업에 대한 안전사고 발생 가능 유형과 각 유형별 안전사고 발생 가능 유무를 다음 표 8과 같이 분석하였으며, 재래식 방식과 자동화 방식에 있어 각 유형별 안전 사고 발생 가능 유무는 ‘있다(Y)’와 ‘없다(N)’로 평가 하였다.
본 연구에서는 문헌고찰(원영호, 2002; Kim et al., 2007) 등을 통해 11개 각 세부작업의 자동화 기술 도입 지수를 산정하기 위한 주요 고려요소를 안전성, 생산성, 품질, 장비 조작의 용이성, 작업의 편의성으로 정의하고 각각의 주요 고려요소에 대한 세부 고려요소를 도출한 후, 표 4와 같이 각 세부 작업과 주요 및 세부 고려요소간의 관련성(관련 항목 수)을 분석하여 각 세부 작업의 자동화 기술 도입 지수를 산정하였다. 자동화 기술 도입 지수의 산정은 각 작업의 상대적 비교를 통해 자동화의 필요성에 관한 우선순위를 부여하기 위한 과정이며, 각 세부 작업은 상대적 비교를 통해 최저 1점에서 최고 15점(특정 세부 작업이 표 3의 5개 주요 고려요소와 15개 세부 고려요소와 모두 관련이 있고, 특히 5개 주요 고려요소와의 관련성 정도(Severity)가 모두 High일 경우) 사이에서 각각의 점수를 부여 받게 된다.
일반적으로 자동화 기술의 도입이나 개발을 위한 주요 대상 작업을 분석하기 위해서는 작업의 안전성, 작업의 난이도, 생산성 등 여러 요소가 함께 고려되어야 하고, 이를 위해서는 기존 텔레스코핑 작업의 문제점 분석이 선행되어야 한다. 본 연구에서는 타워크레인 관련 재해사례를 중심으로 기존 타워크레인 텔레스코핑 작업의 문제점을 표 1과 같이 분석하였다. 앞서 언급된 바와 같이, 현재 한국산업안전공단에 접수된 타워크레인 관련 재해사례(1999년~2009년)는 총 58건(연 평균 5.
61%로 도출된 결과 값은 일관성(Consistency)이 있는 것으로 분석 되었다. 본 연구에서는 텔레스코핑 자동화 장비 개발 및 현장 적용을 위한 세부 고려요소를 표 6과 같이 분류하고 이를 바탕으로 제안된 개념모델이 세부 고려요소를 얼마나 충족하고 있는지(만족도)를 분석하였다. 제안된 2가지 개념 모델 모두 생산성, 안전성, 작업의 편의성과 관련된 세부 고려사항에 대해서는 동일한 만족도를 보였으나, 안전성 측면의 경우 상대적으로 ‘유압실린더를 이용한 자세제어 시스템’이 XY축 이동 가능한 볼트구멍 시스템보다 세부 고려사항에 대한 만족도가 더욱 높은 것으로 분석되었다.
앞서 언급된 텔레스코핑 작업과 관련된 11개의 세부작업의 자원 투입비율(표 2))과 자동화 기술 도입지수 산출 결과(표 4)에 근거하여 자동화 기술의 도입을 위한 주요 대상 작업을 선정하였다. 그림 4는 자원 투입 비율(Cost impact)을 X축, 자동화 지술 도입 지수(Concern index)를 Y축으로 하는 Cost-Concern Matrix를 보여준다.
본 연구를 통해 제안되는 자동화 장비가 텔레스코핑 작업을 수행하기 위해서는 텔레스코핑 케이지 상승작업 시 발생되는 불균형으로 인한 상부 볼트체결 구멍의 불일치 및 좌굴의 문제점 해결과, 이후 작업인 마스트 볼트 체결 작업 시 투입되는 노무자의 수 및 작업시간을 효율적으로 단축할 수 있는 해결방안이 필요하다. 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 2가지 형태의 텔레스코핑 자동화 장비 개념모델을 제안하였다. 먼저, 개념모델 1은 ‘유압실린더를 이용한 자세제어 시스템’이다.
프로세스 별 재해사례 분석결과, 가장 많은 재해사례를 보이고 있는 주요작업(마스트 상부볼트 체결 작업, 텔레스코핑 케이지 상승 작업)의 원인분석을 문헌 및 현장조사를 토대로 실시하였으며, 이를 바탕으로 현 텔레스코핑 작업의 문제점을 도출 하였다. 타워크레인은 상부의 자중이 크고 단면에 비해 설치 높이가 높아 텔레스코핑 케이지 상승 작업 시 케이지의 불균형 상태를 초래할 위험성이 있다.
대상 데이터
장비 개발 이전 단계에 있어 기존 재래식 방식 대비 제안 기술의 안전성 향상의 정도는 표 11에서 볼 수 있듯이, 1)주요 작업 내 안전사고 발생 가능 유형 도출 및 각 유형별 안전사고 발생가능 유무 확인, 2)주요 작업 내 안전사고 발생 가능 유형 간 가중치 산정, 3)주요 작업의 안전사고 위험 노출시간 분석 및 안전사고 발생 가능 유형별 위험 노출시간 분석, 4)주요 작업의 위험률 산정, 5)주요 작업간 위험도 가중치를 고려한 재래식 및 자동화 방식의 위험률을 순차적으로 분석함으로써 예측될 수 있다. 본 연구에 있어 제안 자동화 기술의 안전성향상 정도는 현재 타워크레인 임대 회사에 종사하고 있으며, 독일 L사의 290HC 모델의 사용 경험이 있는 21명의 전문가를 대상으로 한 설문조사 결과를 토대로 분석되었다.
본 연구에서는 Cost-Concern Matrix 분석 결과(그림 4), 타워 크레인 텔레스코핑 관련 11개의 세부 작업 중 ‘유압장치를 이용한 텔레스코핑 케이지 상승’ 및 ‘토크 렌치를 이용한 볼팅작업’이 자동화를 위한 주요 대상 작업으로 선정되었다.
본 연구에서는 제안된 2가지 텔레스코핑 자동화 장비 개념 모델 중 최적 대안을 선정하기 위해 L사 290HC 모델 텔레스코핑 작업에 경험을 지니고 있는 21명의 전문가를 대상으로 한 설문 및 AHP 분석기법을 적용하였다(이상호, 2011). AHP 기법은 정성적 분석 방법으로써 정량적으로 판단할 수 없는 가치 체계에 대한 규명을 통해 우선순위를 정하는 의사결정 방법으로 제안된 개념모델 중 최적의 개념모델을 선정할 수 있는 유용한 기법으로 판단된다.
텔레스코핑 작업에 투입되는 공사의 자원은 장비, 자재, 노무자로 구성되어 있다. 이 연구에서 비용요소는 각 세부 작업의 완료를 위해 투입된 노무자의 수와 투입시간을 분석 대상으로 하였으며 각 세부작업을 수행함에 있어 일정하게 투입되는 장비와 자재는 제외되었다. 현장 방문을 통한 텔레스코핑 작업시간 측정 및 분석결과, 마스트 5개를 넣어 타워크레인을 텔레스코핑하는 작업의 완료를 위해서는 총 6명의 노무자가 투입되고 있었으며, 실 작업시간을 산정하였을 경우 평균 텔레스코핑 1회 작업시간은 55.
이론/모형
개발 장비의 실물제작(Full-scale fabrication) 및 현장실험(Field trial) 전 기획단계에 있어 텔레스코핑 자동화 장비의 사용으로 인한 안전성 향상률을 정량적으로 예측하기 위해 본 연구에서는 이정호(2006)에 의해 제안된 재래식 방식 대비 자동화 방식의 안전성 향상률 분석 기법을 적용하였다. 장비 개발 이전 단계에 있어 기존 재래식 방식 대비 제안 기술의 안전성 향상의 정도는 표 11에서 볼 수 있듯이, 1)주요 작업 내 안전사고 발생 가능 유형 도출 및 각 유형별 안전사고 발생가능 유무 확인, 2)주요 작업 내 안전사고 발생 가능 유형 간 가중치 산정, 3)주요 작업의 안전사고 위험 노출시간 분석 및 안전사고 발생 가능 유형별 위험 노출시간 분석, 4)주요 작업의 위험률 산정, 5)주요 작업간 위험도 가중치를 고려한 재래식 및 자동화 방식의 위험률을 순차적으로 분석함으로써 예측될 수 있다.
성능/효과
1. 산업안전공단에 접수된 타워크레인 관련 재해사례(1999년~2009년) 분석 결과 ‘마스트 상부볼트 체결작업’, ‘탤레스코핑 케이지 상승 작업’이 가장 많은 재해사례를 보이고 있으며, 그 원인은 타워크레인의 상부의 큰 자중으로 텔레스코핑 케이지 상승 작업 시 불균형 현상이 초래되고 이로 인해 타워크레인의 좌굴 및 상부 볼트 구멍이 일치하지 않음으로써 작업 생산성이 저하되고 작업자의 안전성에 큰 위험이 초래되고 있는 것으로 분석되었다.
2. 현장작업 실측 및 설문조사 결과를 토대로 텔레스코핑 작업에 소요되는 자원의 투입비율(Cost impact)을 분석하고, 자동화 기술도입 지수(Concerns index)를 산출하여 CostConcern Matrix에 적용한 결과, ‘유압장치를 이용한 텔레스코핑 케이지 상승’ 작업과 ‘토크렌치를 이용한 볼팅’ 작업이 안전성 확보 및 생산성 향상 등 자동화를 통해 가시적인 효과가 기대되는 주요 자동화 대상 작업으로 선정되었다.
4. 마지막으로, 수평형 타워크레인 텔레스코핑 작업 자동화 기술의 도입에 따른 기존 재래식 방식 대비 안전성 향상률을 예측한 결과, 유압실린더를 이용한 자세제어시스템을 활용하여 텔레스코핑 작업을 수행할 경우 안전사고 발생률이 기존 방식에 비해 약 67.32% 저감될 수 있는 것으로 분석되었다.
2%(5건) 순으로 재해 사고가 발생되고 있는 것으로 분석되었다. 결론적으로 표 1의 총 6가지 주요 작업 중 특히 마스트 상부볼트 체결 작업, 텔레스코핑 케이지 상승 작업이 전체 재해사례의 68.9%로 가장 큰 비중을 차지하고 있으며, 세부 작업으로는 가이드섹션 핀 제거와 유압장치를 이용한 텔레스코핑 케이지 상승 작업에서 가장 많은 재해사례가 발생하는 것으로 조사 및 분석되었다.
기존 텔레스코핑 케이지 상승 작업 시 케이지의 불균형 상태로 인한 마스트구멍의 불일치 및 타워크레인의 붕괴 등의 위험이 매우 큰 것으로 분석 되었다. 즉, 현재 타워크레인 텔레스코핑 케이지의 경우 램과 슈의 반복적인 수축 및 확장으로 단순하게 상승하기 때문에 작업 시 발생되는 타워크레인의 불균형한 상태를 제어 할 수 없다.
또한 전문가 집단을 대상으로 한 AHP 분석 결과, 텔레스코핑 자동화 장비가 갖추어야 할 필수 조건의 합을 100%로 하였을 경우 각 필수 조건의 중요도(가중치)는 안전성 58%, 생산성 18%, 경제성 20%, 작업의 편의성이4%인 것으로(표 5). 도출되었으며, 이에 대한 응답자의 일관성 지수(CR)는 10% 미만인 7.61%로 도출된 결과 값은 일관성(Consistency)이 있는 것으로 분석 되었다. 본 연구에서는 텔레스코핑 자동화 장비 개발 및 현장 적용을 위한 세부 고려요소를 표 6과 같이 분류하고 이를 바탕으로 제안된 개념모델이 세부 고려요소를 얼마나 충족하고 있는지(만족도)를 분석하였다.
독일 L사의 290HC 모델의 사용 경험이 있는 21명의 전문가를 대상으로 제안된 개념모델에 대한 설문조사 및 AHP 분석 결과, 유압실린더를 이용한 자세제어시스템의 개발 우선 순위(Development Preference Index; DPI)가 0.77로 도출되어 수평형 타워크레인의 텔레스코핑 작업의 자동화를 위해서는 안전성, 생산성, 경제성, 작업의 편의성 측면에서 ‘유압실린더를 이용한 자세제어 시스템’이 상대적으로 X-Y축 이동 가능한 볼트 구멍 시스템에 비해 보다 적합한 대안인 것으로 분석되었다.
전문가 집단에 대한 설문 결과, 수평형 타워크레인 텔레스코핑 자동화 장비가 실용화되기 위해 갖추어야 할 필수 조건은 아래 표 5에서 볼 수 있듯이, 1)안전성, 2)생산성, 3)경제성, 4)작업의 편의성인 것으로 조사되었다. 또한 전문가 집단을 대상으로 한 AHP 분석 결과, 텔레스코핑 자동화 장비가 갖추어야 할 필수 조건의 합을 100%로 하였을 경우 각 필수 조건의 중요도(가중치)는 안전성 58%, 생산성 18%, 경제성 20%, 작업의 편의성이4%인 것으로(표 5). 도출되었으며, 이에 대한 응답자의 일관성 지수(CR)는 10% 미만인 7.
마지막으로, 표 6의 결과 및 식 (1)을 이용하여 제안된 텔레스코핑 자동화 개념모델을 바탕으로 한 개발선호지수(Development Preference Index: DPI) 도출 결과, 유압실린더를 이용한 자세제어 시스템의 DPI가 0.77(0.58x(3/5)+0.18x(2/2)+0.20x(2/2)+0.04x(2/2)), X-Y축 이동 가능한 볼트구멍 시스템의 DPI는 0.57로 수평형 타워크레인 텔레스코핑 작업의 자동화를 위해서는 ‘유압실린더를 이용한 자세 제어 시스템’이 안전성, 생산성, 경제성, 작업의 편의성 측면에서 상대적으로 보다 적합한 대안인 것으로 도출되었다(표 7).
8건의 재해가 발생되는 것으로 조사되었다. 이러한 타워크레인 관련 재해사례(58건)를 작업단계별(설치, 텔레스코핑, 작업 중, 해체)로 분류 하였을 때 텔레스코핑 작업 시 재해사례가 50%(29건)로 타 작업단계에 비해 많은 사고가 발생하는 것으로 분석되었다. 텔레스코핑 작업은 타워크레인의 설치단계에서 텔레스코핑 케이지를 유압으로 상승시킨 후 생긴 빈 공간에 새로운 마스트를 삽입하여 요구 높이까지 상승시키는 작업이다.
재래식 방식과 자동화 방식의 위험률은 각 방식에 있어 주요 작업의 안전사고 위험 노출시간과 주요 작업의 안전사고 발생 가능 유형별 위험 노출시간의 합이 동일할 경우 100%, 상이할 경우 각 방식에 있어 주요 작업의 안전사고 발생 가능 유형별 위험 노출시간을 주요 작업의 안전사고 위험 노출시간으로 나눈 결과이다. 예를 들어 자동화 방식에 있어 ‘추가 마스트 상승을 이용한 타워 크레인 균형 잡기’ 작업의 경우 개소 당 위험노출 시간(작업시간)은 9.
제안된 2가지 개념 모델 모두 생산성, 안전성, 작업의 편의성과 관련된 세부 고려사항에 대해서는 동일한 만족도를 보였으나, 안전성 측면의 경우 상대적으로 ‘유압실린더를 이용한 자세제어 시스템’이 XY축 이동 가능한 볼트구멍 시스템보다 세부 고려사항에 대한 만족도가 더욱 높은 것으로 분석되었다.
최종적으로, 제안된 재래식 방식 대비 자동화 장비의 사용으로 인한 안전사고 발생 감소율은 앞서 도출된 재래식 및 자동화 방식의 위험률(표 11의 (A), (B))에 설문조사를 통해 도출된 각 주요작업의 위험도 가중치(표 11의 (C))가 반영되어 산출되며, 표 11에서 볼 수 있듯이 재래식 방식의 위험률은 100%, 자동화 방식의 위험률은 32.68%로 산출되어 최종 사용자는 기존 재래식 방식을 제안된 ‘유압실린더를 이용한 자세제어 시스템’으로 대체할 경우 약 67.32%의 안전사고 발생 감소율을 기대할 수 있는 것으로 분석되었다.
9%(2건) 순이었다(표 1). 표 1에서 볼 수 있듯이, 이들 주요 작업단계를 다시 세부 작업단계로 나누어 보면, 가이드 섹션 핀 제거작업 31.0%(9건), 유압장치를 이용한 텔레스코핑 케이지 상승 작업 20.7%(6건), 마스트 상부 볼트 작업 17.2%(5건) 순으로 재해 사고가 발생되고 있는 것으로 분석되었다. 결론적으로 표 1의 총 6가지 주요 작업 중 특히 마스트 상부볼트 체결 작업, 텔레스코핑 케이지 상승 작업이 전체 재해사례의 68.
이 연구에서 비용요소는 각 세부 작업의 완료를 위해 투입된 노무자의 수와 투입시간을 분석 대상으로 하였으며 각 세부작업을 수행함에 있어 일정하게 투입되는 장비와 자재는 제외되었다. 현장 방문을 통한 텔레스코핑 작업시간 측정 및 분석결과, 마스트 5개를 넣어 타워크레인을 텔레스코핑하는 작업의 완료를 위해서는 총 6명의 노무자가 투입되고 있었으며, 실 작업시간을 산정하였을 경우 평균 텔레스코핑 1회 작업시간은 55.38분이 소요됨을 알 수 있다. 이러한 결과를 토대로 전체 텔레스코핑 작업완료를 위해 소요되는 각 세부 작업의 노무자 수를 산정 할 수 있으며 이 값은 노무자 투입비율에 대한 가중치로 이용될 수 있다.
후속연구
자동 볼트 체결 시스템에서의 센싱부는 상하부 마스트 볼트 체결작업위치(16개소)의 정확한 정보를 수집하는 장비이다. 본 시스템에서는 이미지 센서인 CCD camera와 1cm 이하의 오차범위와 실시간 보정을 가능토록 하는 RTK DGPS가 요구된다.
본 연구를 통해 제안되는 자동화 장비가 텔레스코핑 작업을 수행하기 위해서는 텔레스코핑 케이지 상승작업 시 발생되는 불균형으로 인한 상부 볼트체결 구멍의 불일치 및 좌굴의 문제점 해결과, 이후 작업인 마스트 볼트 체결 작업 시 투입되는 노무자의 수 및 작업시간을 효율적으로 단축할 수 있는 해결방안이 필요하다. 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 2가지 형태의 텔레스코핑 자동화 장비 개념모델을 제안하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
타워크레인은 어떠한 장비인가?
타워크레인은 건설현장의 전체 자재인양 중 약 50%의 물량을 인양하는 양중 장비로 그 수는 빠른 속도로 증가하고 있으나, 건설현장에서의 소홀한 안전관리로 타워크레인 관련 안전사고는 매년 지속적으로 발생되고 있는 실정이다. 특히, 텔레스코핑 작업은 타워크레인 설치단계에서 텔레스코핑 케이지를 유압으로 상승시킨 후 생긴 빈 공간에 새로운 마스트를 삽입하여 요구 높이까지 상승시키는 작업으로 고소에서 다수의 작업자가 동시에 작업을 실시하여 추락 및 낙하의 위험성이 존재하는 등 타 작업에 비해 재해사례 비중이 가장 높은 것으로 분석되었다.
타워크레인 관련 재해사례 중 텔레스코핑 작업은 추락 및 낙하의 위험성이 존재하는데 그 이유는 무엇인가?
텔레스코핑 작업은 타워크레인의 설치단계에서 텔레스코핑 케이지를 유압으로 상승시킨 후 생긴 빈 공간에 새로운 마스트를 삽입하여 요구 높이까지 상승시키는 작업이다. 이러한 텔레스코핑 작업은 높은 위치에서 다수의 작업자가 동시에 작업을 실시하기 때문에 추락 및 낙하의 위험성이 존재한다. 또한, 텔레스코핑 케이지 상승 작업 시 타워크레인 상부의 큰 자중으로 인해 발생되는 텔레스코핑 케이지의 불균형 현상은 핀, 볼트 체결작업자의 생산성이 저하되거나 혹은 작업방법 불량으로 안전사고를 유발시키는 원인으로 작용하고 있다(김선국, 2009).
텔레스코핑 작업은 무엇인가?
타워크레인은 건설현장의 전체 자재인양 중 약 50%의 물량을 인양하는 양중 장비로 그 수는 빠른 속도로 증가하고 있으나, 건설현장에서의 소홀한 안전관리로 타워크레인 관련 안전사고는 매년 지속적으로 발생되고 있는 실정이다. 특히, 텔레스코핑 작업은 타워크레인 설치단계에서 텔레스코핑 케이지를 유압으로 상승시킨 후 생긴 빈 공간에 새로운 마스트를 삽입하여 요구 높이까지 상승시키는 작업으로 고소에서 다수의 작업자가 동시에 작업을 실시하여 추락 및 낙하의 위험성이 존재하는 등 타 작업에 비해 재해사례 비중이 가장 높은 것으로 분석되었다. 본 연구의 목적은 타워크레인 작업 중 특히 위험성이 높은 것으로 조사 및 분석된 텔레스코핑 작업의 안전성 및 생산성을 향상시킬 수 있는 타워크레인 텔레스코핑 자동화기술의 개념모델을 제안하고 이에 대한 안전성 측면에서의 잠재적 성능을 분석함으로써 향후 타워크레인 텔레스코핑 자동화기술 실물 제작을 위한 원천자료를 제공하는 것이다.
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