와이어로프

3. 종류

와이어로프는 사용 목적과 요구되는 성능에 따라 다양한 기준을 바탕으로 여러 종류로 분류된다. 주요 분류 기준으로는 스트랜드나 와이어의 꼬임 방향, 로프 전체의 구조, 사용된 재질, 그리고 주된 용도 등이 있다.

• '''꼬임 방향''': 스트랜드를 꼬는 방향(Z 꼬임 또는 S 꼬임)과 스트랜드를 구성하는 와이어의 꼬임 방향 조합에 따라 보통꼬임(regular lay^영어), 랭꼬임(Lang's lay^영어) 등으로 나뉜다. 이는 로프의 유연성, 내마모성, 형태 안정성 등에 영향을 미친다.^[12][2] (자세한 내용은 #꼬임에 따른 종류 참조)
• '''구조''': 로프를 구성하는 방식에 따라 크게 스파이럴 로프와 스트랜드 로프로 나뉜다.
• '''스파이럴 로프'''는 여러 겹의 와이어를 나선형으로 꼬아 만든 형태로, 주로 고정용으로 쓰이며 잠금 코일 구조 등을 통해 내구성과 안전성을 높일 수 있다.
• '''스트랜드 로프'''는 여러 개의 소선(와이어)을 꼬아 만든 '스트랜드' 여러 가닥을 다시 중심 코어 주위에 꼬아 만든다. 코어의 종류(섬유 코어, 독립 와이어 로프 코어(IWRC) 등)에 따라서도 특성이 달라진다.^[12] (자세한 내용은 #구조에 따른 종류 참조)
• '''재질''': 사용되는 강선의 종류, 특히 탄소 함량에 따라 강도와 연성 등이 결정된다. 일반적으로 탄소강이 주로 사용된다. (자세한 내용은 #재질에 따른 종류 참조)
• '''용도''': 사용 환경과 목적에 따라 특화된 로프가 사용된다.
• '''러닝 로프'''(Running ropes): 도르래나 드럼 위에서 움직이며 굽힘과 인장 응력을 주로 받는 로프이다. (주로 스트랜드 로프)
• '''고정 로프'''(Stationary ropes, stay ropes): 구조물을 지지하거나 고정하는 데 사용되며, 주로 정적 인장력을 견딘다. 현수교 등에 사용되는 로프는 종종 "케이블"이라고도 불린다. (주로 스파이럴 로프)
• '''트랙 로프'''(Track ropes): 케이블카나 케이블 크레인 등에서 차량의 레일 역할을 하는 로프로, 롤러 하중을 지지한다. (주로 풀 록 코일 로프)
• '''와이어로프 슬링'''(Wire rope slings): 화물을 들어 올리거나 고정하는 데 사용되는 짧은 로프로, 인장력과 굽힘 응력을 동시에 받는다. (주로 스트랜드 로프)

3. 1. 꼬임에 따른 종류

• '''랭꼬임'''(Lang's lay^영어): 로프의 꼬임 방향과 스트랜드의 꼬임 방향이 같은 경우이다. 예를 들어, 우선(오른쪽) 꼬임 스트랜드를 사용하여 우선(오른쪽)으로 꼬아 만든 로프(RHLL, Right Hand Lang Lay)가 있다. 스트랜드 내 와이어와 로프 표면의 접촉 면적이 넓어 마모에 대한 저항성이 크고 내구성과 유연성이 좋다. 그러나 로프 끝이 풀리기 쉬워 취급 시 주의가 필요하다.^[27] 이전에는 Albert's lay^영어 또는 langs lay^영어라고도 불렸다.^[13]

• '''보통꼬임'''(regular lay^영어 또는 ordinary lay^영어): 로프의 꼬임 방향과 스트랜드의 꼬임 방향이 서로 반대인 경우이다. 예를 들어, 우선(오른쪽) 꼬임 스트랜드를 사용하여 좌선(왼쪽)으로 꼬아 만든 로프(LHOL, Left Hand Ordinary Lay)가 있다. 스트랜드 내 와이어와 로프 표면의 접촉 면적이 랭꼬임보다 작아 와이어 마모는 상대적으로 빠를 수 있으나, 로프 끝이 잘 풀리지 않아 구조가 안정적이고 취급이 용이하다.^[27][2]

• '''교차 꼬임''' 스트랜드는 서로 다른 층의 와이어가 교차하는 구조이다. 현재는 거의 사용되지 않는다.
• '''평행 꼬임''' 스트랜드는 모든 와이어 층의 꼬임 길이가 동일하며, 인접한 층의 와이어들이 서로 평행하게 배열되어 선 접촉을 이룬다. 와이어 간 접촉 면적이 넓어 내구성이 뛰어나며, 대부분의 와이어로프가 이 방식을 사용한다. 평행 꼬임 스트랜드는 필러(Filler), 실(Seale), 워링턴(Warrington) 등 다양한 구조로 제작된다.

3. 2. 구조에 따른 종류

• '''열린 스파이럴 로프''': 둥근 와이어만으로 구성된다.
• '''잠금 코일 로프''': 중심부는 둥근 와이어로 이루어지지만, 바깥쪽은 특수한 형태의 프로파일 와이어를 사용하여 와이어 간의 빈틈을 줄인 구조이다. 하프 잠금(half-locked)과 풀 잠금(full-locked) 코일 로프가 있다. 잠금 코일 로프는 구조적으로 외부의 먼지나 물이 침투하는 것을 효과적으로 막아주고 내부 윤활유가 빠져나가는 것을 방지하는 장점이 있다. 또한, 외부 와이어가 끊어지더라도 그 끝 부분이 로프 밖으로 튀어나오지 않아 안전성을 높인다.

• '''교차 꼬임''': 스트랜드 내 다른 층의 와이어들이 서로 교차하며 꼬인 방식이다. 현재는 거의 사용되지 않는다.
• '''평행 꼬임''': 스트랜드 내 모든 와이어 층의 꼬임 길이가 동일하여, 서로 다른 층의 와이어들이 평행하게 놓이며 선(線) 접촉을 이룬다. 이 방식은 와이어 간 마모를 줄여 로프의 내구성을 크게 향상시킨다. 평행 꼬임 스트랜드는 한 번의 공정으로 제작 가능하며, 필러(Filler), 실(Seale), 워링턴(Warrington) 등 다양한 구조가 있다.

3. 3. 재질에 따른 종류

4. 구성

와이어 로프는 기본적으로 세 가지 주요 구성 요소로 이루어진다: 개별 강선인 와이어(Wire, 소선), 여러 가닥의 와이어를 꼬아 만든 스트랜드(Strand, 가닥), 그리고 스트랜드를 감싸는 중심부인 코어(Core, 심강)이다.

가장 작은 단위인 와이어 여러 개를 특정 패턴으로 꼬아 스트랜드를 형성한다. 이렇게 만들어진 스트랜드 여러 개를 다시 코어 주위에 나선형으로 꼬아 최종적인 와이어 로프를 완성한다. 로프의 구조와 특성은 와이어의 재질과 굵기, 스트랜드를 구성하는 와이어의 수와 배열 방식, 스트랜드의 꼬임 방향과 각도, 그리고 코어의 종류에 따라 다양하게 결정된다.

4. 1. 와이어 (Wires)

4. 2. 스트랜드 (Strands)

• 교차 꼬임: 서로 다른 층의 와이어가 교차하며 꼬이는 방식이다. 현재는 거의 사용되지 않는다.
• 평행 꼬임: 모든 와이어 층의 꼬임 길이가 동일하며, 각 층의 와이어들이 서로 평행하게 놓여 선형으로 접촉하는 방식이다. 이 방식은 와이어 간의 마찰을 줄여주며, 한 번의 공정으로 제작 가능하다. 평행 꼬임 스트랜드로 만들어진 와이어 로프는 교차 꼬임 로프보다 내구성이 훨씬 뛰어나다. 평행 꼬임 스트랜드의 대표적인 구조로는 필러(Filler), 실(Seale), 워링턴(Warrington) 등이 있다.

• 섬유 코어 (FC, Fiber Core): 사이잘삼과 같은 천연 섬유나 합성 섬유로 만들어진다.
• 천연 섬유 코어: 윤활유를 무게의 최대 15%까지 흡수할 수 있어 내부 와이어의 부식을 효과적으로 방지한다.
• 합성 섬유 코어: 천연 섬유보다 강도가 높고 균일하지만, 윤활유 흡수 능력은 떨어진다.
• 섬유 코어는 로프를 유연하고 탄력 있게 만들지만, 외부 압력에 의해 쉽게 으스러질 수 있다는 단점이 있다.
• 와이어 스트랜드 코어 (WSC, Wire Strand Core): 로프의 스트랜드와 유사한 구조의 와이어 스트랜드로 만들어진 코어이다. 주로 현수용 로프에 사용된다.
• 독립 와이어 로프 코어 (IWRC, Independent Wire Rope Core): 그 자체로 작은 와이어 로프 형태를 가진 코어이다. 모든 환경에서 가장 뛰어난 내구성을 제공하며, 강한 하중을 견뎌야 하는 로프에 주로 사용된다.^[12]

• 일반 꼬임 (Regular Lay): 외부 스트랜드의 와이어 꼬임 방향과 스트랜드 자체의 꼬임 방향이 서로 반대인 방식이다. 예를 들어, 와이어가 오른쪽(z)으로 꼬여 있다면 스트랜드는 왼쪽(S)으로 꼬인다. 이 방식은 로프 표면이 비교적 매끄럽고 취급이 용이하다.^[2]
• 랭 꼬임 (Lang's Lay): 외부 스트랜드의 와이어 꼬임 방향과 스트랜드 자체의 꼬임 방향이 동일한 방식이다. 예를 들어, 와이어와 스트랜드 모두 오른쪽(Z, z)으로 꼬인다. 이 방식은 와이어가 로프 표면에 더 길게 노출되어 마모에 대한 저항성이 우수하지만, 로프 끝이 풀리기 쉽고 회전하려는 경향이 있다. (네덜란드어 langslag^nl에서 kruisslag^nl와 반대로,^[13] 이전에는 Albert's lay 또는 langs lay라고 불렸다).

• 스파이럴 로프 (Spiral Rope): 여러 층의 와이어를 나선형으로 감아 만든 둥근 가닥 형태의 로프이다. 최소 한 겹의 와이어는 바깥 층과 반대 방향으로 감겨 있다. 특정 설계의 스파이럴 로프는 하중을 받아도 거의 회전하지 않는 비회전성을 가지도록 만들 수 있다.
• 열린 스파이럴 로프: 둥근 와이어만으로 구성된다.
• 잠금 코일 로프 (Locked Coil Rope): 둥근 와이어 중심부 위에 하나 이상의 특수한 단면(프로파일)을 가진 와이어 층을 둔 구조이다. 하프 잠금(Half-locked)과 풀 잠금(Full-locked) 형태가 있다. 이 로프는 표면이 매끄러워 먼지나 물의 침투를 효과적으로 막고 내부 윤활유의 손실을 방지한다. 또한, 외부 와이어가 끊어지더라도 그 끝이 로프 밖으로 튀어나오지 않아 안전성을 높이는 중요한 장점이 있다.
• 다중 스트랜드 로프 (Multi-Strand Rope): 코어 주위에 최소 두 개 이상의 스트랜드 층을 서로 반대 방향으로 꼬아 만든 로프이다. 이러한 구조는 로프가 하중을 받을 때 회전하려는 힘을 상쇄시켜 회전 저항성을 가진다. 스트랜드 층이 많을수록 회전 저항력이 커지며, 3개 층 구조는 거의 회전하지 않고(non-rotating), 2개 층 구조는 회전이 적다(low-rotation).^[14]

• 스파이럴형: 소선을 한 단 또는 여러 단으로 동심원상으로 꼬아 만든다.
• 스트랜디드형: 여러 개의 스트랜드를 코어 주위에 한 층 또는 여러 층으로 꼬아 만든다. 가장 일반적인 형태이다.
• 케이블 레이드 로프 (Cable Laid Rope): 스트랜디드 로프 여러 개를 다시 꼬아 더 큰 직경의 로프를 만든 형태이다.

4. 3. 코어 (Core)

5. 결함

와이어로프는 제작 과정에서의 문제나 사용 중에 발생하는 여러 요인으로 인해 결함이 생길 수 있다.^[29] 자세한 결함의 종류는 하위 문단을 참고한다.

5. 1. 결함 종류

• 제작 시 결함: 와이어로프를 만들 때부터 발생하는 문제이다. 사용된 재질, 열처리 과정, 치수, 형상 등이 기준에 맞지 않는 경우가 해당된다.
• 사용 중 결함: 와이어로프를 사용하면서 발생하는 문제들이다.
• 마모: 반복적인 마찰로 인해 와이어로프 표면이 닳는 현상이다.
• 늘어남(신장): 과도한 힘을 받거나 오랜 기간 사용하여 원래 길이보다 늘어나는 현상이다.
• 부식: 습기나 특정 화학 물질 등에 노출되어 녹이 스는 현상이다.
• 단선: 와이어로프를 구성하는 여러 가닥의 소선(素線, wire) 중 일부 또는 전부가 끊어지는 현상이다.^[29]

6. 안전

와이어 로프는 변동하는 힘, 마모, 부식, 드물게는 극한의 힘에 의해 스트레스를 받는다. 로프의 수명은 유한하며, 안전은 기준 로프 길이에서 와이어 파손, 단면 손실 및 기타 고장을 감지하기 위한 검사를 통해서만 보장될 수 있다. 따라서 위험한 상황이 발생하기 전에 와이어 로프를 교체할 수 있도록 정기적인 검사가 필수적이다. 설치 시 와이어 로프 검사를 쉽게 할 수 있도록 설계하는 것이 중요하다.

여객 운송용 리프팅 설비는 차량이 아래로 추락하는 것을 방지하기 위해 여러 방법을 조합하여 사용해야 한다. 엘리베이터는 이중의 지지 로프와 안전 장치를 갖추어야 한다. 삭도 및 광산 호이스팅 설비는 책임 있는 관리자가 영구적으로 감독해야 하며, 로프는 내부 와이어 파손을 감지할 수 있는 자력 검사 방법을 통해 검사해야 한다.

7. 대한민국 표준

한국산업표준 KS D 3514는 기계, 건설, 선박, 어업, 임업, 광업, 공중 케이블, 엘리베이터 등 다양한 분야에서 사용되는 일반용 와이어 로프에 대한 규정을 담고 있다. 와이어 로프를 구성하는 소선의 재료는 KS D 3559에서 규정한 SWRH 52부터 SWRH 82까지의 기준을 따른다.

8. 종단 처리 (Terminations)

와이어 로프의 끝부분은 가닥이 쉽게 풀리는 경향이 있어 그대로 사용하기 어렵고, 다른 설비나 장비에 직접 연결하기도 불편하다. 따라서 로프 끝이 풀리는 것을 방지하고 연결을 용이하게 하기 위해 다양한 방법으로 종단 처리를 한다.

가장 일반적인 방법 중 하나는 로프 끝을 뒤로 접어 고리(루프)를 만들고, 풀린 끝을 로프 본체에 다시 고정하는 것이다. 처리 방식에 따라 로프 본래 강도를 유지하는 비율(종단 효율)은 약 70%에서 100%까지 다양하다. 상세한 종단 처리 방식과 각각의 특징은 하위 문단에서 설명한다.

또한, 와이어 로프를 절단한 단부는 올이 풀리지 않도록 하고, 날카로운 끝 부분이 다른 물체를 손상시키지 않도록 마감 처리가 필요하다. 루프 형태로 만들 때 고리 안쪽의 마모를 방지하고 로프를 보호하기 위해 심블이라는 금속 부품을 덧대는 경우가 많다.

8. 1. 종류

9. 용도

와이어로프는 사용되는 위치에 따라 다양한 요구 사항을 충족해야 한다. 주요 용도는 다음과 같다.

• 러닝 로프(스트랜디드 로프)는 도르래와 드럼 위로 구부러지며 사용된다. 주로 굽힘 응력을 받으며, 그 다음으로 인장 응력도 함께 받는다.
• 고정 로프, 스테이 로프(스파이럴 로프, 대부분 풀-록 방식)는 인장력을 견디는 용도로 사용되어 주로 정적 및 변동 인장 응력을 받는다. 현수교 등 현수 구조물에 사용되는 로프는 종종 "케이블"이라고 불린다.
• 트랙 로프(풀 록 로프)는 공중 케이블카 및 케이블 크레인에서 캐빈이나 기타 하중을 지지하는 롤러의 레일 역할을 한다. 러닝 로프와 달리 트랙 로프는 롤러의 곡률을 따르지 않는다. 롤러의 힘에 의해 로프의 자유 굽힘 반경이 발생하는데, 이 반경은 인장력에 따라 증가하고(굽힘 응력 감소) 롤러 힘에 따라 감소한다.
• 와이어로프 슬링(스트랜디드 로프)은 다양한 종류의 물품을 묶는 데 사용된다. 이 슬링은 인장력과 함께, 특히 물품의 날카로운 모서리 부분에서 굽힘 응력을 받는다.

10. 로프 드라이브

크레인, 엘리베이터, 삭도(로프웨이) 및 광산 설비의 로프 드라이브 설계에는 기술 규정이 적용된다.^[16] 설계 시 고려되는 요소는 다음과 같다.

• 로프 교체 또는 파단 전 허용되는 작동 사이클 수
• 돈안트 힘 (특정 굽힘 직경비 ''D''/''d''에 대한 항복 인장력) - 엄격한 제한. 공칭 로프 인장력 ''S''는 돈안트 힘 ''SD''₁보다 작아야 한다.
• 로프 안전율, 로프의 파단 강도와 예상되는 최대 하중 간의 비율
• 교체 전 허용되는 끊어진 가닥의 수
• 최상의 작동 수명을 얻기 위한 특정 도르래 직경에 대한 최적의 로프 직경

• 사용된 와이어 로프의 데이터
• 로프 인장력 ''S''
• 도르래 또는 드럼의 직경 ''D''
• 작동 사이클당 단순 굽힘 ''w''_sim
• 작동 사이클당 역 굽힘 ''w''_rev
• 작동 사이클당 결합된 변동 인장 및 굽힘 ''w''_com
• 상대적인 변동 인장력 Δ''S''/''S''
• 로프 굽힘 길이 ''l''

참조

_[1] 웹사이트 Bergen Cable Technology -- Cable 101 https://www.bergenca[...] 2014-05-06
_[2] 웹사이트 FAQ {{!}} Lexco Cable http://www.lexcocabl[...] 2017-01-04
_[3] encyclopedia Wilhelm Albert http://www.britannic[...] 2014-04-09
_[4] 서적 Explorations in the History of Machines and Mechanisms https://books.google[...] Springer Publishing 2012
_[5] 웹사이트 Modern History of Wire Rope http://atlantic-cabl[...] History of the Atlantic Cable & Submarine Telegraphy (atlantic-cable.com) 2014-04-09
_[6] 웹사이트 Modern History of Wire Rope - Donald Sayenga http://www.atlantic-[...] 2010-10-27
_[7] 간행물 "Iron: An illustrated weekly journal for iron and steel"
_[8] 서적 History of Carbon County Pennsylvania: Also Containing a Separate Account of the Several Boroughs and Townships in the County with Biographical Sketches https://archive.org/[...] James J. Nungesser 1918
_[9] 웹사이트 Modern History of Wire Rope - Donald Sayenga http://www.atlantic-[...] 2010-10-27
_[10] 웹사이트 The Mechanical Transmission of Power: Endless Rope Drives by Kris De Decker, March 27, 2013 http://www.theoildru[...] 2013-07-07
_[11] 서적 A History of Industrial Power in the United States, 1730-1930, Vol. 3: The Transmission of Power https://archive.org/[...] MIT Press
_[12] 웹사이트 Wire Rope Safety Training http://www.falckprod[...] Falck Productions 2012-06-27
_[13] 문서 nl:Staalkabel
_[14] 문서 bzwxw.com http://bzwxw.com/sof[...]
_[15] 서적 Marks' Standard Handbook for Mechanical Engineers
_[16] 문서 Wire Ropes, Tension, Endurance, Reliability Springer Berlin, Heidelberg, New York 2007
_[17] 웹사이트 S9086-UU-STM-010/CH-613R3 NAVAL SHIPS' TECHNICAL MANUAL, CHAPTER 613, WIRE AND FIBER ROPE AND RIGGING https://fas.org/man/[...] 2021-06-23
_[18] 문서 Primer of Towing / George H. Reid - 3rd ed. Fig. 3-5 p30 - Cornell Maritime Press, 2004
_[19] 웹사이트 S9086-UU-STM-010/CH-613R3 NAVAL SHIPS' TECHNICAL MANUAL, CHAPTER 613, WIRE AND FIBER ROPE AND RIGGING https://fas.org/man/[...] 2021-06-23
_[20] 웹사이트 Sleeve, Swaging-Wire Rope https://quicksearch.[...] 2021-06-23
_[21] 서적 Mechanical Engineering Virtue
_[22] 웹사이트 Socketfast® Resin Compound http://www.escocorp.[...]
_[23] 웹사이트 Socket-Lock http://www.socket-lo[...]
_[24] 서적 Explorations in the History of Machines and Mechanisms https://books.google[...] Springer Publishing 2012
_[25] 웹사이트 Modern History of Wire Rope http://atlantic-cabl[...] History of the Atlantic Cable & Submarine Telegraphy (atlantic-cable.com)
_[26] 웹사이트 Modern History of Wire Rope - Donald Sayenga http://www.atlantic-[...] 2010-10-27
_[27] 저널 스트랜드와 와이어 로프의 강성해석 및 최적화 2000-05
_[28] 저널 와이어로프로 나선보강 된 철근콘크리트 기둥의 휨 거동 2008-12
_[29] 저널 크레인 와이어 로프의 실시간 원격 결함탐지 시스템 개발 2005-01