조경시공·관리에 사용되는 삼각지지 이동식 사다리의 전도 안정성 확보 대책 - EN131-Part 7 규정을 적용한 국내 삼각지지 이동식 사다리를 대상으로 -

삼각지지 이동식 사다리를 포함한 이동식 사다리와 관련된 국내 기준 및 지침은 사다리의 강도, 성능 및 내구성 시험에 관한 사항들을 규정하고 있으나, 전도 안정성 평가와 관련된 규정을 제시하지 않고 있다. 이와는 다르게 미국의 ANSI-ASC A14.7과 유럽연합의 EN131-Part 7에서는 전도 안정성 평가 규정을 제시하고 있으며, 이에 필요한 수평하중 및 작업하중 등을 정의하고 있다. 본 연구에서는 ANSI-ASC A14.7과 비교하여 작업발판에서 발생하는 수평하중을 실제 작업조건과 유사하게 반영한 EN131-Part 7을 전도 안정성 평가에 사용하였다. 이 기준에서는 전도 안정성 평가에 필요한 작업하중을 750N으로 규정하였으며, 수평하중은 높이에 따라 2.5m 이하에서는 300N, 2.5m를 초과한 경우에는 외부작업에 따른 풍하중의 영향을 반영하여 450N으로 규정하였다.

EN131-Part 7에서 규정한 수평하중 및 작업하중과 전도 안정성 평가에 필요한 삼각지지 이동식 사다리의 제원인 사다리 무게(W_L), 하단 폭(B), 깊이(D) 및 사다리 높이(H)를 그림 1(a)에 도해하였다. 이 제원들을 바탕으로 현황조사를 진행한 결과, 국내 사다리 제조사 및 온라인 쇼핑몰에서 판매 중인 삼각지지 이동식 사다리는 총 294개였으며, 이중 전도 안정성 평가에 사용되는 4개 변수를 모두 제공하는 사다리는 21개뿐이었다. 나머지 273개의 사다리 중 1개 변수만 제공하는 사다리 41개, 2개 변수만 제공하는 사다리 121개, 3개 변수를 제공하는 사다리는 111개였으며, 조사 결과는 부록에 정리하였다. 본 연구에서는 3가지 변수를 제공하는 사다리 중 기하적인 조건을 이용하여 얻을 수 있는 깊이를 제외한 나머지 변수를 제공하는 108개를 대상으로 아래와 같은 조건으로 깊이를 계산하여, 총 129개의 사다리를 대상으로 전도 안정성 평가를 실시하여 결과의 신뢰도를 확보하였다. 사다리 깊이는 그림 1(b)에 제시된 바닥 지지면과 버팀대 사이 각(θ)을 유도하여, 삼각지지 이동식 사다리의 기하학적 조건을 이용한 삼각함수를 통해 도출할 수 있다. 즉, 사다리의 높이(H)와 깊이의 절반(D/2)의 비로 정의되는 tanθ(=2H/D)를 깊이에 대한 식으로 변형하여 다음과 같이 유도하였다.

본 연구에서는 사이 각(θ)을 유도하기 위해서 모든 변수를 제공하는 21개 사다리의 단수별 높이와 깊이의 관계를 삼각함수로 정의한 후, 역함수를 이용하여 바닥 지지면과 버팀대의 사이 각을 구하였다. 그리고, 그림 2와 같이 단수(x)에 따른 사이 각(θ)의 관계식을 다음과 같이 유도하였다.

Figure 2. 삼각지지 이동식 사다리의 단수와 사이각의 상관관계

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식 2의 신뢰도는 0.8956으로 높다고 간주할 수 있어 사다리 깊이 계산 시 적용이 가능할 것으로 판단된다. 이에 따라 모든 변수를 제공하는 사다리 21개와 식 2를 통해 깊이를 도출한 사다리 108개를 더하여 총 129개의 삼각지지 이동식 사다리 자료를 확보하였다. 자료조사 및 기하학적 조건을 이용하여 확보한 삼각지지 이동식 사다리의 제원은 단수별로 다양한 값을 가지며, 이를 3단씩 구분하여 표 1에 정리하였다.

또한, 사다리 제원중 높이(H)를 이용하여 전도 안정성 평가에 이용할 작업 높이(H_e)를 도출하였다. 이동식 사다리 안전작업지침에서는 사다리 최상단에서 작업을 금지하기 때문에, 작업 높이 H_e는 바닥 지지면으로부터 사다리 최상단 바로 아랫단까지의 높이로 계산해야 한다. 그런데 현황조사결과에 따르면, 사다리 제조사들은 사다리 디딤대 간격을 빗변 또는 수직 방향에 따라 각각 0.3m로 제시하고 있었으며, 해당 거리는 전도 안정성 평가에 이용되는 H_e 계산 시 그 차이가 미소할 것으로 판단된다. 이에 본 연구에서는 디딤대 사이의 수직 거리를 0.3m로 산정하였으며, H_e는 H에서 디딤대 사이의 수직 거리인 0.3m를 뺀 값으로 이용하였다.

전도모멘트 M_O는 상단 디딤대에서 작업자에 의해 유발되는 수평하중(W_H)과 작업자가 위치한 지점까지 높이(H_e)의 곱으로 정의되며, 전도가 발생할 수 있는 방향에 따라 아래의 식으로 유도하였다.

정면 방향 전도모멘트(M_O,F)는 그림 3a에 제시한 바와 같이 정면 방향 수평하중(W_H,F)과 작업높이(H_e)의 곱으로 구할 수 있으며, 후면 및 측면 방향 전도모멘트(M_O,R, M_O,S) 또한 그림 3(b), 그림 3(c)에 제시한 바와 같이 방향별 수평하중(W_H,R, W_H,S)과 H_e의 곱으로 유도된다.

Figure 3. 방향별 전도 및 저항모멘트 변수

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저항모멘트 M_R은 작업자에 의해 유발되는 작업하중(W_W) 및 사다리 무게(W_L)와 W_W과 W_L가 재하되는 지점으로부터 방향별 지지점까지 거리의 곱으로 유도할 수 있다. 해당 하중은 사다리 지지면 바닥을 기준으로 투영된 도심의 해당 위치에 재하되는 것으로 간주하였으며, 이때 W_L은 힘의 단위로 환산하여 적용하였다.

정면 방향 저항모멘트(M_R,F)는 그림 3(d)에 제시한 바와 같이 W_W과 W_W가 작용하는 지점으로부터 정면 지지점까지의 거리(D_f)의 곱과 W_L과 W_L이 재하된 지점으로부터 정면 지지점까지의 거리(D/3)의 곱을 더한 것으로 다음과 같이 유도하였다.

여기서, W_L이 재하된 지점으로부터 정면까지의 거리는 삼각지지 이동식 사다리가 투영된 하단 삼각형의 도심부터 정면까지의 거리인 D/3로 간주할 수 있다. 그리고, D_f는 깊이의 절반(D/2)에서 그림 1(b)에 제시한 사다리의 중심에서 작업자가 위치한 곳까지의 거리를 나타내는 0.15D/H를 뺀 값으로 계산할 수 있다.

후면 방향 저항모멘트(M_R,S)는 그림 3(e)에 제시한 바와 같이 W_W과 W_W이 재하되는 지점으로부터 후면 지지점까지의 거리(D_r)의 곱과 W_L와 W_L이 재하된 지점으로부터 정면 지지점까지의 거리(2D/3)의 곱을 더한 것으로 다음 식과 같이 유도된다.

여기서, W_L은 정면과 같은 위치에 재하되며, 해당 지점으로부터 후면까지의 거리를 2D/3로 간주할 수 있다. 또한, D_r는 깊이의 절반(D/2)에서 그림 1(b)에 제시한 사다리의 중심에서 작업자가 위치한 곳까지의 거리를 나타내는 0.15D/H를 더한 값으로 계산할 수 있다.

측면 방향 저항모멘트(M_R,S)는 그림 3(f)에 제시한 바와 같이 W_W과 W_L의 합에 사다리 폭(B/2)의 곱으로 다음과 같이 유도되며, 좌·우 대칭 구조를 갖는 사다리의 특성에 따라 M_R,S는 좌·우측이 동일한 크기로 산정된다.

전도 안정성 평가를 위하여 식 3~6을 이용하여 계산한 방향별 M_O 및 M_R의 상관관계를 그림 4(a)에 정리하였다. 이 그림에 따르면, 정면 방향에서는 일부 낮은 단수를 제외하고 M_R이 M_O보다 작았다. 또한, 후면 및 측면 방향의 경우 약 8단을 기준으로, 8단보다 낮은 단수에서는 후면은 M_R이 M_O보다 컸으며, 측면은 M_R과 M_O가 혼재하였다. 8단을 초과하는 단수에서는 후면과 측면 모두 M_R이 M_O보다 작았다. M_O 및 M_R의 상관관계 비교를 통하여 전도 안정성을 평가할 수 있으며, 이때, M_R이 M_O보다 크면 전도에 대해 안정, M_R이 M_O보다 작으면 전도에 대해 불안정으로 판단할 수 있다. 이에 따라 방향별로 M_R와 M_O을 비교한 결과, 정면에서는 전도에 대해 불안정하였으며, 후면 및 측면에서는 8단을 초과하는 단수에서 모두 전도에 대해 불안정하였다.

이와 함께, 도출된 M_O 및 M_R을 바탕으로 단수에 따른 방향별 안전율을 계산하여 그림 4(b)에 정리하였으며, 여기서 안전율은 M_R/M_O로 계산할 수 있다. 정면에서는 일부 낮은 단수를 제외하고 모든 단수에서 안전율이 1.0보다 낮았으며, 후면에서는 8단 이하의 단수에서는 2.3~1.1의 안전율을 확보하였으나, 측면에서는 0.7~2.4의 안전율을 확보하였다. 8단을 초과하는 단수의 경우, 후면과 측면 모두 안전율이 1.0보다 작았다. 이에 따라 방향별로 안전율에 따른 전도 안정성 평가를 진행한 결과, 정면에서는 전도에 대해 불안정하였다. 후면에서는 8단 이하에서 전도에 대해 안정하였으며, 측면에서는 8단 이하에서 일부는 전도에 대해 안정하였지만, 대부분 전도에 대해 불안정하였다. 또한, 8단을 초과하는 단수에서는 후면과 측면 모두 전도에 대해 불안정하였다.

Figure 4. EN131-Part 7을 적용한 전도 안정성 평가 범례: ● 정면 방향. ■ 후면 방향, ▲ 측면 방향

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이상과 같이 EN131-Part 7 기준을 적용하여 전도 안정성 평가를 진행한 결과가 불안정한 이유는 M_R을 지배하는 작업하중에 비하여 M_O를 지배하는 수평하중 및 높이가 상대적으로 크기 때문이다. 이를 통해, 삼각지지 이동식 사다리는 일부 낮은 단수에서 전도에 대해 안정하였으나 대부분 전도에 대해 불안정한 것을 확인하였다.

EN131-Part 7 규정에 따라 전도에 대해 불안정한 삼각지지 이동식 사다리의 전도 안정성을 확보하기 위해서는 저항모멘트의 크기를 증가시켜야 한다. 이를 위해서 저항모멘트 식 4~6을 구성하는 변수를 대상으로 전도모멘트를 초과할 수 있도록 방향 및 변수별로 식을 변경하였다.

사다리 제원 변경을 통하여 전도 안정성을 확보하는 대책은 사다리의 무게, 깊이, 폭이 과도하게 증가하여, 1인 작업이 주로 이루어지는 조경 현장에서 작업자가 이용하는데 부적합하다고 판단된다. 이와 같은 한계를 보완하기 위하여, 그림 5에 보인 바와 같이 사다리 전도방지장치인 아웃트리거를 방향별로 설치하여 전도 안정성을 확보하는 방안을 제시하였다. 아웃트리거의 설치 위치는 사다리의 버팀대 기준 0.3m 높이로 가정하였다.

Figure 5. 아웃트리거 설치를 통한 방향별 저항모멘트 추가 길이

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방향별 저항모멘트 식 4~6이 전도모멘트 식 3보다 커지도록 식을 아웃트리거 펼침 길이에 대하여 정리하였다. 방향별 전도 안정성을 확보할 수 있는 아웃트리거 펼침 길이는 아래와 같이 부등식 형태로 유도된다.

위 식을 통해 계산된 전도 안정성을 확보하는 아웃트리거 최소 펼침 길이 D_O(req), B_O(req)를 표 4에 단수별로 정리하였다. 이때, 사다리 제원 변경 대책과 마찬가지로 D_O(req)와 B_O(req) 또한 단수별로 사다리 제원이 다양하여 범위 값으로 도출되었으며, 이를 모두 포함하는 값을 해당 단수별 전도 안정성을 확보하는데 필요한 최솟값으로 제시하였다. 여기서, 앞 절에서 수행한 전도 안정성 평가에 따라 전도에 대한 안정성을 확보하고 있는 사다리들은 제외하였다. 표 4에 따르면 방향별 필요한 아웃트리거 최대 길이는 정면에서 0.01~1.63m, 후면에서 0.31~0.87m, 측면에서 0.09~1.82m로 나타났으며, 이 길이 이상이면 전도 안정성을 확보할 수 있다.

이와 같이 아웃트리거 설치를 통한 전도 안정성 확보 대책은 협소한 공간에서도 제원 변경 대책에 의한 값보다 짧은 아웃트리거 설치를 통해 전도 안정성을 확보할 수 있다고 판단된다. 두 가지 대책의 차이를 정량적으로 비교하면, 정면 소요 길이의 약 14%, 후면 소요 길이의 약 9%, 측면 소요 길이의 약 40% 정도로 전도 안정성을 확보할 수 있다. 따라서 아웃트리거 설치는 협소한 공간이나, 1인 작업이 주로 이루어지는 조경 시공·관리현장에서 사다리 제원 변경의 한계점을 극복할 수 있을 것으로 판단된다.