「가대」는, 기계 설비를 설치하는 토대(프레임)로, 높은 강도·안전성에 가세해 방청·내후성이 요구됩니다.
이번 내용에서는, 가대의 역할이나 용도별의 종류, 대표적인 재질등에 대해 해설합니다. 설계·제작 시에 주의해야 할 포인트나 설계자용 Q&A도 정리하고 있으므로 최적의 가대 설계·제작에 활용해 주십시오.
목차
가대의 의미・용도별 역할
가대의 정의
가대는 생산 설비 기기 등을 설치하기 위한 골조 구조의 제품입니다. 기둥과 보로 구성되는 경우가 많으며, 탑재하는 기계와 장치를 확실하게 지지하는 강도와 강성을 가지고 있습니다. 기계·장치의 성능을 최대한 발휘시키기 위해서, 가대는 안정된 설치 환경을 가져옵니다.
용도에 따라 종류 및 설계 착안점이 다릅니다. 대표적으로 「기계용 가대」 「장치용 가대」 「설비용 가대」의 3종류에 대해 역할과 특징을 살펴보도록 하겠습니다.
기계용 가대
기계용 가대는 공작 기계 등 대형·진동 기기를 안정시켜 고 정밀도 가공과 안전을 지원합니다. 높은 강도와 강성이 요구되며 두꺼운 강재나 주철, 콘크리트 등이 사용됩니다. 운전 시 진동을 흡수 및 완화하여 기계의 안정성과 가공 정밀도 유지에도 효과적입니다. 설치면은 평탄하게 마감되어 볼트 구멍 등으로 정확하게 고정할 수 있도록 설계되었습니다.
장치용 가대(로봇·반도체 장치 등)
장치용 가대는 제어반이나 서버 랙 등의 비교적 소형이며 정밀한 기기의 설치에 이용됩니다. 장치의 정밀도와 안정을 지지하며 공간 절약과 보수성도 양립합니다.
기계용 가대 정도의 강성은 불필요하지만, 장치의 중량이나 형상에 맞는 강도 설계가 요구됩니다. 소재에는 강재나 알루미늄이 사용되어 가볍고 가공하기 쉬운 것이 특징입니다. 배선 케이블이나 배관의 교체를 고려한 기능적인 연구나 장치의 효율적인 배치, 보수 점검의 용이성을 위한 구조도 채용됩니다.
설비용 가대(배관·공조·태양광 패널)
설비용 가대는 공조 기기, 펌프, 태양광 패널 등의 건물 부대 설비를 설치하기 위해 사용됩니다. 건물 설비를 장기적으로 안전하게 설치하기 위해서 가대가 필요합니다. 기기 본체의 적절한 설치뿐만 아니라 건물 구조에 하중 전달과 보호 역할도 수행합니다.
내진성과 내풍성이 중시되어 옥상이나 옥외에 설치되는 경우는 내후성·방청성이 높은 소재를 사용합니다. 점성을 고려한 레이아웃과 점검구의 배치, 설비의 중량과 설치 환경에 따른 최적의 재질(강제·스테인스제·알루미늄제 등)의 선정도 중요합니다.
가대에 사용되는 재질
스테인레스
스테인레스는 녹이 잘 슬지 않고 내열성도 우수한 특성을 가지기 때문에, 청결성이 요구되는 식품·의료 업계의 장치가대에서 자주 사용됩니다. 일반적인 오스테나이트계 스테인레스의 SUS304가 범용 재료로 알려져 있으며, 부식에 보다 강한 SUS316이나 용접성이 좋은 페라이트계의 SUS430도 가대 재료로 채택됩니다.
스테인레스 받침대는 방청 처리 없이도 높은 내식성을 발휘할 수 있기 때문에 약품을 취급하는 장치나 옥외 설비 받침대 등 녹 대책이 중요한 환경에서 유효합니다. 철강과 비교하면 재료 비용이 높은 점이나 가공 경화하기 쉬운(가공 중에 딱딱해짐) 점에 주의합시다.
스틸
스틸은 가장 일반적인 가대 재질로 자동차 분야부터 건축 분야까지 모든 구조물에 사용되는 범용 재료입니다. 기계 가대에서도 많이 사용되고 있으며 저렴하면서 높은 강도와 강성을 얻을 수 있는 점이 매력입니다.
종류로는 일반 구조용 압연강재(SS재, 예: SS400)나 용접 구조용 압연강재(SM재, 예: SM400) 등이 있으며, 필요에 따라 기계 구조용 탄소강(S45C 등)도 사용됩니다.
스틸 가대는 가공성, 용접성이 뛰어나 대형에서 정밀 프레임까지 폭넓게 대응 가능합니다. 스틸은 표면처리 없이는 녹이 쉽게 슬기 때문에 방청도장이나 도금처리를 하여 사용하는 것이 일반적입니다.
알루미늄
알루미늄은 철에 비해 가볍고 비강도(중량당 강도)가 높아 반도체 제조장치나 광학기기가대 등 중량의 절감이 요구되는 분야에서 사용되고 있습니다. 대표적인 재질로는 중간 정도의 강도로 용접성도 좋은 5000번계(A5052 등)나 압출재에 많은 6000번계(A6063 등)를 들 수 있습니다.
가공성이 좋고 복잡한 형상의 부재도 제조하기 쉬운 반면, 강도면에서는 스틸에 뒤떨어지기 때문에 동등한 강도를 내려면 단면을 크게 하는 등의 설계상의 연구가 필요합니다.
설계자가 주의해야 하는 가대 설계·제작 포인트
하중·내하중 계산과 안전율
가대에는 탑재 기기의 자중이나 운전시의 동하중, 나아가 작업자가 가하는 힘 등 다양한 하중이 가해집니다. 하중을 정확하게 견적하고 안전율을 가미하여 필요한 단면 및 판 두께를 결정합니다.
강도와 강성을 충족하는 구조로 만들면 중량물을 지탱해도 변형되지 않아 안정성을 확보할 수 있습니다. 필요에 따라 FEA(유한요소해석) 등을 이용해 응력분포와 휨량을 검증하는 것도 좋습니다.
진동·고유 진동수와 방진 설계
공작기계 등 진동을 수반하는 기기에서는, 가대측에서 진동을 흡수·격리하는 방진 대책이 불가결합니다. 가대에 무게와 강성을 부여하여 공진을 피하는 설계와 동시에 가대와 바닥 사이에 방진 고무나 스프링 댐퍼를 끼워 넣는 방법이 일반적입니다.
진동 에너지를 열로 변환하고 감쇠 시켜 기계 본체나 주위 환경에 대한 진동의 영향을 줄일 수 있습니다. 기계용 가대에는 운전 시 진동·충격을 완화하여 기계의 안정성을 확보하는 역할이 있다고 되어 있습니다.
내진·전도 방지
가대를 건물이나 기초에 고정하여 설치할 경우 지진에 대한 안전성도 고려해야 합니다. 앵커 볼트나 케미컬 앵커로 바닥면에 견고하게 고정하고, 필요에 따라 브레이스(근교)를 가대 프레임에 추가하여 수평 강성을 높입니다.
건축설비의 가대에서는 「건축설비 내진설계·시공지침」에 따라 높은 내진성이 요구됩니다. 설비용 가대에서는 구조체에 맞춘 내진성이 필수가 되기 때문에 설계 단계에서 예상되는 지진력에 대한 강도 평가를 실시해 두지 않으면 안 됩니다.
표면 처리·도장·방청
가대의 부식 대책(방청)도 빼놓을 수 없습니다. 실내 사용에서도 장기적으로는 녹이 발생할 수 있으므로 표면에 도장을 하거나 도금 처리를 하여 소재를 보호합니다. 스틸이 가대라면 표면에 아연도금을 실시하고 도장을 더하면 내식 수명을 연장할 수 있습니다.
스테인레스나 알루미늄은 소재 자체가 녹이 잘 슬지 않지만, 야외에서 사용할 때는 「녹이 잘 슬거나」 부식 환경에 주의가 필요합니다. 환경에 따른 적절한 방청 사양은 가대의 수명과 안전성 향상으로 이어집니다.
설계자가 직면하기 쉬운 과제 Q&A
가대의 강도·강성을 확보하려면 어떻게 해야 합니까?
탑재기기의 중량과 운전시 하중을 고려하여 필요한 단면치수나 판두께를 계산합니다. 정적 하중뿐만 아니라 동적 하중도 고려하여 안전율을 곱하여 설계하는 것이 중요합니다.
강도뿐만 아니라 강성도 중요하며, 두꺼운 강재나 주철 베이스로 높은 강도와 강성을 확보하는 것이 일반적입니다. 필요에 따라 보강 리브나 브레이스로 보강하여 응력 집중이나 뒤틀림을 방지합시다.
가대의 방청·표면 처리는 어떻게 선택하면 좋습니까?
최적의 표면 처리는 사용 환경과 내구 연수에 따라 달라집니다. 실내 및 습기가 적은 환경에서는 간이 도장이 적합하며, 실외 및 물, 약품이 소요되는 환경에서는 용융 아연 도금이 효과적입니다.
스테인레스제 가대는 도장처리가 없어도 녹이 잘 슬지 않으며 염해 환경에서는 SUS316의 선택이나 도장 추가가 검토됩니다. 미관과 방식성을 양립하고 싶은 경우에는 무전해 니켈 도금이나 아노다이징 처리가 효과적입니다.
진동이 문제가 되는 기기의 경우, 가대 설계로 어떤 대책을 취할 수 있습니까?
진동 대책에서는 가대의 고유 진동수를 기기의 진동수와 어긋나게 하는 것이 중요합니다. 가대를 튼튼하게 하여 고유 진동수를 올리거나 질량을 늘려 고유 진동수를 낮추는 방법이 있습니다.
무거운 발판은 진동을 흡수하지만 비용과 반송성을 고려한 설계가 필요합니다. 방진 고무나 스프링 아이솔레이터를 통해 진동의 흡수와 전파를 줄입니다.
정리
가대는, 기계나 설비를 지지하는 「숨은 공로자」입니다. 적절한 설계·제작은 장치 전체의 성능이나 안전성과 직결됩니다. 이번 내용에서는, 기계용·장치용·설비용의 가대의 용도나 특징의 차이, 주요 재질 마다의 특성에 대해 해설했습니다. 강도 계산에서 방진·내진·방청에 이르는 설계상의 포인트도 언급하고 있으므로, 설계자는 내용을 참고해, 취급하는 기기와 사용 환경에 따른 가대를 설계합시다.
