인양 기구 파손 메커니즘 분석과 산업재해 예방을 위한 안전기준 수립에 관한 연구 = A Study on the Failure Mechanism Analysis of Lifting Devices and the Establishment of Safety Standards for Industrial Accident Prevention

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This dissertation presents a comprehensive study on the structural failure mechanisms and safety evaluation of lifting devices widely used in industrial workplaces, including chain slings, lifting lugs, and jib cranes. Lifting devices are essential equipment for handling heavy loads, yet improper usage, non-standard fastening methods, aging, and insufficient maintenance often lead to failures with potentially severe consequences. Therefore, identifying the root causes of such failures and validating the adequacy of international standards are crucial tasks both academically and practically.
The research methodology combined experimental and numerical approaches. Dimensional inspection, fracture surface observation, strength and material property evaluation were carried out alongside Finite Element Analysis (FEA) to investigate the mechanical behavior under various operating conditions. This multi-faceted approach enabled the identification of failure-inducing factors such as non-standard fastening, repeated loading, localized stress concentration, and overloading. Additionally, comparisons with international standards (DIN EN, ISO, ASME, AISC) and Korean safety regulations were conducted to assess their relevance to real-world industrial practices.
For chain slings, results indicated that standard fastening methods, such as those involving master links, provide stable stress distribution and greater structural reliability, while non-standard fastening, such as direct wrapping on eyebolts, induces stress concentration and significantly increases the risk of localized damage. Furthermore, aged chains demonstrated marked strength deterioration, underscoring the importance of discard criteria and the necessity of routine inspections in long-term applications.
For lifting lugs, both analytical and numerical evaluations confirmed that high local stresses occur around the lug hole in contact with the pin. This suggested that fatigue due to repeated lifting cycles, rather than sudden overloads, was the dominant cause of failure. These findings emphasize that fatigue performance must be carefully considered in both the design and maintenance stages of lifting devices that undergo frequent operations.
For jib cranes, field-based three-dimensional modeling and simulations under various load conditions revealed that repetitive heavy lifting causes stress concentrations in specific structural members, leading to deformation and reduced fatigue life. Exceeding the design load significantly accelerated durability loss and increased the likelihood of structural failure, demonstrating the critical need to adhere to design specifications and to avoid unauthorized modifications or misuse in the field.
Overall, this dissertation demonstrates that the failure of lifting devices cannot be attributed solely to overloading but results from a complex interplay of factors, including non-standard fastening, load imbalance, fatigue accumulation, aging, and stress concentration. The findings validate the structural soundness of international standards while pointing out the necessity for more rigorous inspection protocols and enhanced maintenance practices in industrial environments. This research contributes to both academia and industry by providing an integrated framework for understanding failure mechanisms, offering valuable insights for improving design codes, and supporting the development of accident prevention strategies in lifting operations. Furthermore, by encompassing chain slings, lifting lugs, and jib cranes within a single comprehensive study, this dissertation establishes a foundation for future research directions in the field of industrial safety engineering.

목차 (Table of Contents)

• I. 서 론 1
• 1. 연구 배경 1
• 2. 인양기구 관련 연구 동향 및 선행연구 분석 4
• 1) 체인 슬링 관련 선행연구 및 고찰 4
• 2) 지브 크레인 관련 선행연구 및 고찰 10
• 3) 리프팅 러그 관련 선행연구 및 고찰 14
• 3. 연구목적 및 필요성 17
• II. 시장 동향 및 산업재해 현황 20
• 1. 기계안전 분야 시장 동향 및 정책 현황 분석 20
• 2. 산업재해의 발생 현황 및 분석 24
• 1) 산업재해 사망사고의 국내외 현황과 추이 24
• 2) 산업재해의 업종별재해유형별 통계 분석 27
• III. 인양기구의 개요 및 특성 30
• 1. 체인 슬링의 구조적 특성 및 기술적 분석 30
• 1) 체인 슬링의 개요 30
• 2) 체인 슬링의 국내외 표준 및 규격 비교 31
• 3) 체인 슬링의 주요 구성요소 및 구조적 특성 34
• 4) 체인 슬링의 분류 및 기계적 성질 38
• 5) 체인 슬링의 종류 및 주요 규격 41
• 6) 체인 슬링의 주요 제작공정 및 품질관리 42
• 7) 체인 슬링의 제작 기준 및 검사 방법 45
• 8) 체인 슬링의 사용환경 및 안전관리 기준 47
• 9) 체인 슬링의 인양 각도와 허용하중 상관관계 53
• 10) 체인 슬링의 주요 특성 및 고려 사항 55
• 2. 지브 크레인의 구조적 특성 및 기술적 분석 57
• 1) 지브 크레인의 개요 57
• 2) 지브 크레인 주요 구성요소 및 작동 원리 59
• 3) 지브 크레인의 종류 및 구조적 특성 62
• 4) 지브 크레인 국내외 규격 및 설계기준 66
• 5) 국내외 지브 크레인의 안전관리 및 검사 기준 68
• 6) 지브 크레인의 소재 특성 및 기계적 성질 71
• 7) 지브 크레인의 제작 기준 및 품질관리 73
• 3. 리프팅 러그의 구조적 특성 및 기술적 분석 75
• 1) 리프팅 러그 개요 75
• 2) 리프팅 러그의 구성요소 및 기능적 역할 77
• 3) 리프팅 러그의 국내외 주요 규격 79
• 4) 리프팅 러그의 설계 기준 80
• 5) 리프팅 러그의 주요 파손 모드 82
• 6) 리프팅 러그의 소재 특성 및 기계적 성질 84
• 7) 리프팅 러그의 사용환경 및 관리사항 86
• 8) 리프팅 러그의 안전기준 및 유의사항 88
• IV. 파손 메커니즘의 이론적 고찰 90
• 1) 취성파괴의 거동 특성 및 파단 메커니즘 92
• 2) 연성파괴의 소성변형 및 파단 과정 분석 97
• 3) 피로파괴의 발생원인 및 균열 전파 거동 103
• 4) 고온 환경에서의 크리프 파괴 특성 115
• 5) 좌굴파괴의 임계조건 및 구조적 불안정성 분석 118
• 6) 부식 환경에서의 파손 및 열화 메커니즘 121
• V. 인양 기구의 파손 메커니즘 및 구조적 거동 분석 126
• 1. 비표준 연결 체인슬링의 파손 메커니즘 분석 126
• 1) 연구 개요 126
• 2) 파손의 원인 규명 및 실험 분석 129
• (1) 체인의 파단면 분석 129
• (2) 체인슬링 치수 측정 및 형상 검토 132
• (3) 체인슬링의 파단 시험 및 내구성 평가 135
• (4) 체인 슬링의 안전계수의 검토 140
• (5) 아이볼트 사용성 및 내구성 분석 141
• (6) 파단 사고 원인의 종합검토 143
• 3) 구조해석 기반의 내구성 평가 144
• (1) 구조해석 조건 및 경계조건 설정 144
• (2) 구조해석의 유의 사항 및 주요 요건 149
• (3) 해석 모델 및 지배 방정식 150
• (4) 해석 결과 및 비교분석 155
• 4) 현장 적용을 위한 가이드라인 172
• 5) 비표준 체결 체인슬링의 파손 거동 및 구조적 특성 요약 173
• 2. 체인슬링의 구조적 거동 및 파손 원인 분석 175
• 1) 연구 개요 175
• 2) 파손 원인 분석 176
• (1) 체인 규격 및 외관 치수 검토 176
• (2) 파단면 분석 및 파단 메커니즘 검토 179
• (3) 작용 하중의 적정성 분석 180
• 3) 해석조건 및 지배 방정식 183
• (1) 해석 절차 및 경계조건 183
• (2) 해석 모델 및 지배 방정식 186
• 4) 구조해석 결과 및 체인 내구성 평가 188
• (1) 체인 인장력 분석 188
• (2) 체인 파손 해석 결과 및 원인 규명 190
• (3) 구조적 거동 평가 194
• 5) 체인 슬링의 파손 메커니즘 및 원인 규명 결과 195
• 3. 지브 크레인의 구조적 거동 및 파손원인 분석 196
• 1) 연구 개요 196
• 2) 경계조건 설정 및 해석 모델 구성 198
• (1) 작용 하중 분석 및 경계조건 설정 198
• (2) 해석 모델 및 조건 200
• 3) 구조해석 결과 및 파손원인 규명 202
• (1) 전체 구조물의 응력 및 변형 해석 결과 202
• (2) 파손 구조물의 비선형 해석 및 파손 메커니즘 평가 208
• (3) 파손 구조물의 피로 해석 수행 및 평가 211
• 4) 지브 크레인의 구조적 거동 및 피로 파손 분석 결과 215
• 4. 리프팅 러그의 파손 메커니즘 빛 구조적 안전성 평가 216
• 1) 연구 개요 216
• 2) 강도계산 및 이론적 파단 원인 분석 217
• (1) 러프팅 러그 상세 사양 및 사용 조건 217
• (2) 안전계수 평가 219
• (3) 강도계산 수행 및 파손 모드 분석 222
• 3) 구조해석 기반 안전성 평가 228
• (1) 경계조건 설정 및 해석 모델 구성 228
• (2) 응력 분포 및 변형 거동 분석 230
• 4) 리프팅 러그의 강도 및 피로 내구성 평가 결과 237
• VI. 결 론 238
• 1. 인양기구의 파손 메커니즘 및 구조안전 확보 방안 238
• 2. 인양기구 파손 분석을 통한 제도적 개선방안 및 정책 제언 240
• 참고문헌 242
• ABSTRACT 265
• 감사의 글 267