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고층건물의 필수품, 엘리베이터에 숨은 과학

  세계에서 가장 높은 건축물은 무엇일까요? 사실, 쉽게 대답할 수 있는 질문은 아닙니다. 높다는 의미가 해수면으로부터 건축물이 솟은 끝부분까지의 고도를 따지는 방법일 수 있고, 실제 건축물 자체의 길이를 따지는 방식일 수도 있기 때문이죠. 옥상의 안테나의 높이를 포함시켜야 할까요? 관람용으로만 건축된 타워나 탑은 어떻게 해야 하나요? 일각에서는 인간이 상주하는 건물만 포함해야 한다는 주장도 있습니다. 와이어에 의해 지탱되는 건물을 포함시켜야 하는지, 990.6m나 되지만 대부분의 몸체가 바다 속에 있는 멕시코만 석유가스 시추용 플랫폼은 고층 건출물에서 제외해야 합니까? 여러분의 생각은 어떠세요? 

  통상적으로 아랍에미리트의 부르즈칼리파 버즈두바이가 808m로 가장 높은 건물로 인정받는 가운데, 최근 634m에 이르는 도쿄스카이트리(TV전탑 송신탑)가 개장되어 다시 한 번 고층건물에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 사우디 왕가에서는 1,000m에 이르는 타워를 건설할 계획을 갖고 있다고 하니 앞으로 얼마나 높은 건물이 등장할지 놀랍기만 합니다.

634m로 꼭대기가 보이지 않을 정도로 높은 도쿄스카이트리 -2012년 5월 22일 개장일 현지 촬영

  세계 곳곳에서 초고층 건물이 등장하고 있는 가운데, 이에 빠질 수 없는 필수품이 바로 ‘엘리베이터’입니다. 지난 5월 22일 도쿄스카이트리 개방을 앞두고 비상시를 대비한 소방훈련을 실시했습니다. 13개나 되는 엘리베이터가 있었지만 꼭대기에서 지상까지 걸어서 내려온 한 소방대원은 ‘후들거리는 다리를 붙잡고 겨우 내려왔다’고 말할 정도였습니다. 엘리베이터의 발명은 고층건물의 건축에 획기적인 변화를 이끌어 냈습니다. 5층 이상 짓는 건축기술은 1800년대 초부터 있어왔지만 고층을 걸어서 올라 다닐 사람이 없어 생기지 않았기 때문입니다.
 
  엘리베이터의 가장 기본적인 장치인 도르래는 BC 273년경부터 등장했고, 나폴레옹은 자신의 왕궁에 계단 대신 수직으로 이동할 수 있는 장치를 사용했다고 합니다. 하지만 과거에 사용되던 엘리베이터는 로프가 끊어져 추락할 위험이 많아 대중화 되지 못했습니다. 그러다 1853년, 미국의 발명가인 엘리사 그레이브스 오티스(E.G.Otis)는 밧줄이 장력을 못이길 때 두 개의 철로 만든 톱니가 제어 역할을 할 수 있도록 하는 낙하방지장치를 발명하였고, 세계최초로 안전한 엘리베이터가 등장하게 되었습니다. 이후 수력이나 수압을 이용하던 형태에서 증기기관에 의한 구동방식으로 발전해 왔으며, 현대의 동력 발생 엘리베이터는 독일의 지멘스(1880년)가 처음 제작했습니다.

오티스가 발명한 엘리베이터 최초의 설계도면 /cc이미지: http://en.wikipedia.org/wiki/File:ElevatorPatentOtis1861.jpg

  우리 주변에서 쉽게 볼 수 있는 엘리베이터는 여러 과학의 원리가 숨어 있습니다. 회전력, 마찰력, 중력 등의 힘에 의해 움직이고, 이 힘을 전기로 생산하여 효율까지 높이고 있습니다. 엘리베이터가 스스로 발전기가 되는 단계까지 이른 것입니다.

  엘리베이터는 기중기와 비슷합니다. 인간은 무거운 물체를 운반하기에 편리한 바퀴를 발명했습니다. 평지에서 효율적인 바퀴는 높은 곳으로 물건을 들어 올리는 데는 그리 큰 도움이 되지 못했습니다. 그 해결책으로 물체의 운동방향을 바꿔 주면 좋겠다는 생각에 나온 것이 바로 ‘도르래’입니다. 바퀴를 높은 곳에 매달고, 여기에 줄을 연결해 무거운 물체에 연결해 당기면 훨씬 힘이 덜 든다는 사실을 알게 됐기 때문입니다. 이 도르래와 추를 이용한 것이 바로 기중기입니다. 이는 반대쪽에 무거운 평형추가 매달려 사람이 무거운 물건을 당길 때에 평형추가 내려가면서 훨씬 힘이 덜 들게 되는 원리입니다.

  3만개의 부품으로 이루어진 엘리베이터는 수십 미터에서 수백 미터를 오르내리는 교통수단이기 때문에 절대적으로 이용자의 안전이 담보되어야 합니다. 많은 사람들이 엘리베이터의 로프가 끊어지면 추락할지도 모른다는 막연한 공포심을 갖고 있는데, 오티스에 의해 개발된 엘리베이터에는 비상정지 장치와 조속기, 완충기, 제동기, 도어 인터록 등 100여개의 안전장치가 내장되어 있습니다. 

▲조속기(Governor)는 엘리베이터의 일정한 속도를 유지시켜 주는 장치로 엘리베이터 카의 속도가 기준속도의 1.3배를 초과하지 않는 범위 내에서 과속방지스위치를 작동시켜 전원을 강제로 차단하고 레일브레이크를 작동해 속도를 제어하는 중요한 안전장치입니다. 만일 이 과속방지스위치가 작동된 상태에서도 엘리베이터가 계속해 과속으로 하강하게 되면(정격속도의 1.4배 이내) 조속기 로프를 기계적으로 잡아주는 2차적인 비상정지장치가 작동하게 됩니다.

▲비상정지장치(Safety Device)는 로프가 끊어지거나 절단돼서 엘리베이터가 기준속도보다 빨라지게 되면 이를 감지해 엘리베이터를 강제로 정지시키는 장치입니다. 비상정지장치는 평상시에는 엘리베이터 레일을 따라 자연스럽게 움직이다가 일정속도 이상으로 작동하게 되면 레일을 꽉 붙잡아 속도를 제어하는 역할을 합니다.

▲제동기(Brake)는 엘리베이터 전동기의 회전을 자동적으로 제어하는 장치로, 과속 등 엘리베이터에 이상이 발생하면 공급전원을 차단하고, 브레이크 패드 등을 이용해 전동기를 강제로 멈추는 역할을 합니다.

▲도어 인터록장치(Door Interlock)는 엘리베이터 도어에 부착된 안전장치로 도어 잠금 장치와 도어스위치로 구성돼 있습니다. 엘리베이터는 이용자가 원하는 층에 정확하게 정차해야 하는데, 만일 기계적인 결함으로 엘리베이터가 자기 층에(±10mm이내) 정차하지 못할 경우 문이 열리지 못하도록 제어하는 장치를 말합니다.

▲문 닫힘 안전장치(Door Safety Device)는 엘리베이터 문이 닫히는 도중에 이용자가 출입하는 경우 문 끼임 사고나 문짝 충돌을 방지하기 위해 설치된 안전장치입니다. 일반적으로 센서 등 검출 장치로 작동되는데, 사람이 낄 경우 자동으로 문을 열게 됩니다. 만일 이 장치가 고장 나면 사람이 문에 끼어 다칠 수도 있습니다.

▲완충기(Buffer)는 엘리베이터가 이동하는 통로 바닥에 설치된 충격흡수 장치라고 생각하면 됩니다. 보통 저층 건물에는 스프링 형태로 만들어져 있고, 고층은 유압식 완충장치 형태로 설치돼 있습니다.


   이렇게 안정성이 확보된 엘리베이터는 전 세계적으로 크게 사용됩니다. 우리나라에 현대식 엘리베이터가 설치된 것은 지금으로부터 100여 년 전인 1910년 조선은행 건물입니다. 이후 1980년대 경제 호황에 힘입어 대규모 아파트와 고층건물이 많아지면서 엘리베이터도 급속히 증가해 현재는 43만대 규모로 세계 8위 수준이며, 증가율로도 중국, 인도에 이어 세계 3위(2010년 기준)입니다. 2009년에는 엘리베이터 전문 인력 양성을 위해 한국승강기대학교가 개교했고, 분당 1080미터를 이동할 수 있는 초고속형 엘리베이터도 국내기술로 개발했습니다.

  앞으로는 로프가 사라지고 벽면에 레일처럼 달린 선형 모터(liner motor)를 이용해 움직이거나 수직·수평으로 움직이는 신개념의 엘리베이터의 등장도 얼마 남지 않았습니다. 과학기술의 발전은 인간이 원하는 어느 곳이든 더 빨리, 더 높이, 더 편안하게, 더 안전하게 이동할 수 있도록 만들어 줄 것으로 보입니다.

※ 2층 버스처럼 위아래 두 개가 붙어 함께 움직이는 엘리베이터(더블덱 엘리베이터)는 해외의 초고층 빌딩에서는 사용되고 있다고 합니다. 국내에서는 '롯데 수퍼타워'와 용산국제업무지구의 랜드마크인 '트리플 원'에 설치될 예정이라고 하니 곧 볼 수 있겠죠?


 


 

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굿가이(Goodguy)

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