Vliv zakončení syntetických kotvících lan na jejich mechanické vlastnosti
Diplomová práce
Studijní program: N3106 – Textilní inženýrství
Studijní obor: 3106T017 – Oděvní a textilní technologie
Autor práce: Katarína Sobolová Vedoucí práce: Ing. Jana Špánková
Liberec 2016
The Influence of Synthetic Anchor Ropes Endings on Their Mechanical Attributes
Master thesis
Study programme: N3106 – Textile Engineering
Study branch: 3106T017 – Clothing and Textile Engineering
Author: Katarína Sobolová
Supervisor: Ing. Jana Špánková
Liberec 2016
6
Poďakovanie
Rada by som touto cestou poďakovala svojej vedúcej diplomovej práce pani Ing. Jane Špánkovej za jej ochotu, trpezlivosť, čas, pripomienky, odborné a cenné rady pri spracovávaní celej diplomovej práce. Taktiež by som rada poďakovala konzultantom diplomovej práce, a to pani Ing. Blanke Tomkovej, Ph.D. a pánovi Martinovi Humlovi za ich odborné rady a pomoc pri spracovávaní tejto diplomovej práce.
V neposlednej rade patrí moja vďaka rodine a priateľom, ktorí mi boli veľkou oporou počas celého štúdia.
7
Anotácia
Diplomová práca sa zaoberá vplyvom zakončení syntetických kotviacich lán na ich mechanické vlastnosti. V prvej časti sa zameriava na spôsoby kotvenia stožiarov, na výhody a nevýhody kotvenia textilnými lanami oproti štandardnému kotveniu lán oceľovými lanami. Taktiež sa zameriava aj na bezpečnosť pri kotvení textilnými lanami. Táto časť diplomovej práce sa zameriava aj na technológiu výroby splietaných lán a na materiály, ktorá sa štandardne na výrobu textilných lán používajú. Ďalšia časť je zameraná na parametre štruktúry splietaných lán, na namáhanie v ťahu textilných lán, na spôsoby zisťovania a vyhodnocovania.
Úvod experimentálnej časti je venovaný definícii experimentálneho materiálu. Ďalej je diplomová práca zameraná na vyhodnotenie základných parametrov štruktúry lán.
Posledná časť je zameraná na rozbor ťahových kriviek lán. Najskôr je sledované chovanie jednotlivých zakončení. Následne je uvedené vyhodnotenie najvhodnejšieho zakončenia pre daný typ lana z hľadiska pevnosti a modulu lana a spoja.
Kľúčové slová: kotvenie
,
splietanie, lano, zakončenie, pevnosť, ťažnosť, modul.8
Anotation
The diploma thesis deals with the ends of synthetic anchoring ropes for their mechanical properties. The first part is focused on the methods of mast anchoring, the advantages and disadvantages of anchoring by textile ropes compared to standard rope anchoring by steel ropes. It also focuses on the safety by textile ropes anchoring. This part of the diploma thesis also focuses on the technology of the production of braided ropes and the materials used for the production of textile ropes. The next part is focused on the parameters of the structure of the braided ropes, the tensile strain of the textile ropes, the methods of detection and evaluation.
The introduction of the experimental part is devoted to the definition of the experimental material. Further, the diploma thesis is focused on the evaluation of the basic parameters of the rope structure. The last part is focused on the analysis of tensile curves of ropes. First, the behaviour of individual endings is monitored. Finally the evaluation of the most suitable end for the type of rope in terms of the strength and module of the rope and the joint.
Keywords: anchoring, braiding, rope, end, breaking force, elongation, module.
9 Obsah
1 Úvod ... 11
2 Rešeršná časť ... 13
2.1 Kotvenie stožiarov ... 13
2.1.1 Oceľové laná verzus syntetické laná ... 16
2.1.2 Bezpečnosť pri kotvení syntetickými lanami ... 17
2.2 Materiály, ktoré sa používajú na výrobu lán ... 20
2.3 Technológia výroby splietaných lán ... 23
2.3.1 Základné typy štruktúr lán ... 23
2.3.2 Výroba splietaných lán ... 25
2.3.3 Základné rozdelenie splietacích strojov... 26
2.3.4 Hlavné časti splietacieho stroja ... 26
2.3.5 Dutinový splietací stroj ... 28
2.4 Parametre štruktúry splietaných lán ... 29
2.4.1 Charakteristika parametrov štruktúry splietaných lán ... 29
2.4.2 Metódy testovania parametrov štruktúry splietaných lán ... 33
2.5 Namáhanie v ťahu ... 35
2.6 Meranie pevnosti a ťažnosti lán ... 38
2.7 Štatistické spracovanie dát ... 41
3 Experimentálna časť ... 43
3.1 Definícia experimentálneho materiálu ... 43
3.1.1 Kotviace splietané syntetické laná ... 43
3.1.2 Laná bez zakončenia ... 44
3.1.3 Ukončovacie prvky ... 44
3.1.4 Kotviace splietané syntetické laná s ukončovacími prvkami ... 46
3.2 Zisťovanie základných parametrov lán ... 47
3.3 Pevnosť a ťažnosť lán ... 54
3.3.1 Návrh metodiky merania ... 55
3.3.2 Rozbor ťahových kriviek ... 63
4 Záver ... 86
Zoznam použitej literatúry ... 88
Príloha A ... 90
10
Zoznam použitých skratiek
P polyesterové lano D Dyneema® lano Z zákrut [m-1] β uhol stúpania [°]
D priemer dĺžkovej textílie [mm]
T jemnosť dĺžkovej textílie[tex]
m hmotnosť dĺžkovej textílie o dĺžke l [g]
l dĺžka dĺžkovej textílie o hmotnosti m [km]
n počet vlákien [-]
σ napätie do pretrhnutia [Pa]
F absolútna sila [N]
S plocha prierezu vzorky [mm2] Δy absolútna deformácia[mm]
l konečná dĺžka pri pretrhnutí [mm]
l0 upínacia dĺžka [mm]
ε relatívna deformácia [%]
Ep tangentový modul pružnosti [N.tex-1] H sekantový modul [N.tex-1]
A deformačná práca [J]
N rozsah súboru[-]
x aritmetický priemer[-]
µ stredná hodnota[-]
s smerodajná odchýlka [-]
H hĺbka pivotu [-]
XD dolný pivot[-]
XU horný pivot[-]
PL poloha[-]
11
1 Úvod
Štandardne sa na kotvenie stožiarov používajú oceľové laná. Existuje však lacnejšie a z hľadiska manipulácie jednoduchšie riešenie pre kotvenie stožiarov, ktorým sú textilné laná. Tieto laná obsahujú množstvo výhod, vďaka ktorým sa stali konkurenčnými prvkami pre oceľové laná. Je však na mieste uviesť, že textilné laná síce dosahujú vysokú pevnosť v ťahu, no z hľadiska bezpečnosti sa používajú v spolupráci s oceľovými lanami. Na spojenie lana so stožiarom a taktiež so zemou sa upevňujú na textilné laná zakončenia. Tieto zakončenia môžu byť rôznej konštrukcie či materiálu. Bežne sa môžeme stretnúť s rôznymi kovovými zakončeniami alebo so zakončeniami vo forme uzlu.
Táto diplomová práca je zameraná na sledovanie vplyvu vybratých zakončení na mechanické vlastnosti textilných splietaných kotviacich lán, a to predovšetkým na ich pevnosť a ťažnosť. Nakoľko však neexistuje norma, ktorá by sa venovala tejto problematike, teda meraniu rôznych typov zakončení na textilných lanách (nie len zakončeniami vo forme uzlov), bolo potrebné navrhnúť vlastný spôsob merania textilných lán s danými typmi zakončení. Po navrhnutí metodiky boli uskutočnené série meraní a navrhnutý najvhodnejší typ zakončenia pre daný typ lana. Výsledky ťahovej skúšky sú ovplyvnené štruktúrou textilných lán, preto je časť práce venovaná rozboru parametrov štruktúry daných lán.
Cieľ práce:
- Uskutočniť rešerš na témy: syntetické kotviace laná, zakončovanie kotviacich lán, ich výhody a nevýhody, poprípade ich vplyv na mechanické vlastnosti lán.
- Definovať základné parametre splietaných lán a popísať metódy ich vyhodnotenia.
- Uviesť normy, ktoré sa zaoberajú testovaním syntetických splietaných lán.
- Na základe noriem navrhnúť najvhodnejší spôsob merania syntetických splietaných lán s rôznymi typmi zakončení.
- Následne uskutočniť sériu meraní pevnosti v ťahu na vybraných vzorkách s vhodnými aj nevhodnými zakončeniami podľa navrhnutej metodiky.
12
- Porovnať pevnosti lán bez zakončení s pevnosťami lán ovplyvnenými rôznymi typmi zakončení.
- Navrhnúť najvhodnejší typ zakončenia pre daný typ lana z hľadiska pevnosti spoja.
13
2 Rešeršná časť
2.1 Kotvenie stožiarov
Kotvené stožiare sú priestorové konštrukcie, vytvorené z dlhých tuhých prútov a kotevných lán. Stavajú sa buď na spôsob kotvených portálov - viď obr. 1 alebo v tvare V, viď obr. 2. Spojenie driekov s priečnym nosníkom a so základom býva v rovine kolmej na vedenie kĺbové, spojenie driekov a priečneho nosníku v smere vedenia je pevné [1].
Obr. 1 - kotvený stožiar pre vedenie 220 kV (portálový typ) [1]
14
Obr. 2 - kotvený stožiar, (typ tvaru V) [1]
Zdroj [1] uvádza na svojich webových stránkach zjednodušený popis využitia kotvených stožiarov oproti klasickým. Pri príklade kotvenia sú použité oceľové laná.
Stabilitu stožiarového telesa zaisťujú 4 oceľové laná, ktoré sú zakotvené do pôdy zemnými kotvami, a to predpätou silou 30 až 50 kN. Zaťaženia spôsobujú u konštrukcie prevažne len osové sily, ktoré sú v dôsledku veľkých vnútorných ramien pomerne malé, čím sa v porovnaní s klasickými typmi dosahuje značnejších úspor materiálu [1].
Pri dimenzovaní základov rozhoduje centrický tlak, preto sú základy pomerne malé a dajú sa prefabrikovať. Kotvené stožiare tvaru V majú ešte jednu výhodu, a to, že na svahovom teréne nevyžadujú rôzne drieky a kotevné laná sa ľahšie prispôsobujú terénu [1].
Spotreba ocele u kotvených stožiarov pre vedenie 220 kV činí približne 19 t.km-1, z čoho plynú určité úspory oproti ostatným typom stožiarov a to 20-30 %. Úspory betónu pre základy sú ešte väčšie [1].
Kotvené stožiare majú však aj nevýhody. Sú náročnejšie na presnosť prevedenia, (náročnejšie sa stavajú, je potreba zaistiť správne predpätie a jeho udržanie), údržbu a ochranu, zaberú viac miesta a pôdy. Z týchto dôvodov sa viac hodia do oblastí s nevyužitou pôdou [1].
15
Existujú ďalšie možné druhy kotvenia stožiarov. Zvyčajne sa pracuje s kotvením do 3 alebo 4 smerov a 1 až 6 úrovňami (poschodiami) ukotvenia, pričom kotviace výšky sú na stožiare umiestnené rovnomerne (takzvaný rovnomerný model), prípadne podľa konkrétneho zadania (takzvaný užívateľský model) [2].
Obr. 3 - 1 poschodie, 3 smery [2] Obr. 4 - 2 poschodia, 3 smery [2]
Obr. 5 - poschodie, 3 smery [2] Obr. 6 - 3 poschodia, 4 smery [2]
16
Obr. 7 - n poschodí, 3 smery [2] Obr. 8 - n poschodí, 4 smery [2]
Na vyššie uvedených obrázkoch obr. 3 až obr. 8 môžeme vidieť jedny z možných spôsobov kotvenia stožiarov [2].
2.1.1 Oceľové laná verzus syntetické laná
Štandardne sa v praxi stretávame s kotvením stožiarov pomocou oceľových lán.
Naskytuje sa tu teda otázka: „Prečo vôbec kotviť syntetickými lanami, keď oceľové laná sú už stáročia overeným spôsobom?“
Zdroj [2] uvádza na svojich webových stránkach porovnanie vyššie spomenutých oceľových lán so syntetickými lanami.
Oceľové kotviace laná sú stále populárne, aj napriek tomu, že medzi ich najväčšie nevýhody patria elektrická vodivosť, veľmi náročná manipulácia, veľká hmotnosť a postupná degradácia pevnosti vďaka korózii [2].
Vývoj aj v oblasti profesionálneho nasadenia vedie k prechodu na používanie nekovových lán, nakoľko laná z umelých vlákien majú všetky potrebné vlastnosti a to:
vysokú pevnosť, zanedbateľnú ťažnosť a pružnosť, dlhú životnosť, nízku navlhavosť, minimálne polomery ohybu, možnosť viazania uzlov a taktiež odolnosť voči UV žiareniu, poveternostným vplyvom, či kyselinám a zásadám [2].
V neposlednom rade je veľkou výhodou syntetických lán ich primeraná cena, ktorá je pre bežného užívateľa jedným z najdôležitejších faktorov [2].
17
Medzi negatíva syntetických lán a v opačnom prípade pozitíva oceľových lán patrí :
- nutnosť ochrániť lano pred akýmikoľvek ostrými hranami,
- nutnosť ochrany pred trením (vyhýbanie sa vetvám, kameňom a podobne) [2].
Aj z dôvodu vyššie uvedených nedostatkov syntetických lán sa často krát v praxi stretávame so „spoluprácou“ týchto dvoch typov lán. Oceľové lana sa stávajú pomocným prvkom pri kotvení so syntetickými lanami. A to napríklad v nasledujúcich príkladoch :
- pokiaľ chceme využiť ako zemný kotevný bod napríklad kameň, skalu alebo betónový stĺpik, odporúča sa použiť slučku z oceľového lanka, ku ktorej pripojíme kotviace lano pomocou hladkého spojovacieho prvku, - pokiaľ používame pre upevnenie antén stromy, odporúča sa v mieste ohybu
cez vetvy použiť oceľové lanko a syntetické lano napínať pomocou kladky, - spodnú časť kotviacej sústavy by mal tvoriť oceľový úväzok dĺžky 2 – 4 m,
ktorý zaistí, že syntetické lano neprehryzie nejaké zviera alebo nedôjde k jeho poškodeniu ľudskou činnosťou [2].
2.1.2 Bezpečnosť pri kotvení syntetickými lanami
Pri kotvení syntetickými lanami je dôležité dbať na bezpečnosť. Kľúčovým prvkom pre bezpečnosť je zakončenie lana.
Zdroj [2] uvádza na svojich webových stránkach nasledujúce odporúčané kroky pri kotvení syntetickými lanami:
1. Kotviace lano je možné zakončiť očnicou so svorkou (permanentná inštalácia) viď obr. 9, alebo ho priviazať k predmetu, ktorý bude mať hladký povrch (bude teda bez akýchkoľvek zárezov a podobne).
18
Obr. 9 - očnica so svorkou [2]
2. Pre upevnenie lana priviazaním zdroj [2] odporúča, aby sa lano voči predmetu, ku ktorému je priviazané, nepohybovalo. To je možné zaistiť tým, že lano priviažeme vhodným uzlom ku spojovaciemu prvku – rýchlo spojke, karabíne viď obr. 10 alebo ku strmeňu, a ten potom pripevníme ku upevňovaciemu bodu.
Obr. 10 – lano uviazané ku karabíne [2]
3. Za očnicou musí vždy nasledovať svorka. Zdroj [2] odporúča duplexnú svorku - viď obr. 11 alebo deka svorku viď obr. 12. Za hlavnou svorkou, tou, ktorá je hneď za očnicou, je nutné voľný koniec lana zaistiť bezpečnostným prvkom a to druhou svorkou alebo niekoľkými slučkami, podobne ako pri kotviacom úväze. Koniec voľného lana sa ďalej pevne zabezpečí proti rozviazaniu, a to napríklad sťahovacím pásikom na káble.
Obr. 11 - duplexná svorka [2]
19
Obr. 12 – deka svorka [2]
4. Ďalšou možnosťou je použitie lisovanej svorky, tú je však praktické použiť len na jednom konci lana, pretože by inak nebolo možné upravovať dĺžku lana.
5. Pri napínaní však dochádza k zmenšovaniu priemeru lana, a tým k jeho uvoľňovaniu zo svorky. Preto je nutné svorky doťahovať pri napnutom lane.
6. Je potrebné dávať pozor na takzvané „blajchrtky“- viď obr. 13. Tieto lanové svorky, ktoré sú konštruované pre oceľové laná, môžu pri vysokom stupni utiahnutia syntetické lano prestrihnúť. Z tohto dôvodu ich zdroj [2] neodporúča ako hlavné svorky lanového zakončenia.
Obr. 13 - blajchrtka [2]
7. Zdroj [2] odporúča na zváženie takzvané klinové svorky, ktoré patria medzi drahšie svorky, ale oproti iným majú „výnimočné“ vlastnosti, ako sú napríklad šetrnosť voči lanu, samostatné uťahovanie pri napínaní lana a taktiež umožňujú pohodlnú zmenu dĺžky kotviacej sústavy [2].
Najčastejšie chyby a príčiny nehôd pri kotvení stožiarov
- Kotevný bod je príliš blízko pri päte stožiaru, a teda uhol, ktorý zviera kotviace lano a stožiar, je omnoho menší, než 45°,
- svorky nie sú utiahnuté pri napnutom lane,
20
- za svorkami nie je bezpečnostný prvok a to druhá svorka alebo uzol, - lano nie je zakončené lisovanou svorkou, ale je nevhodne priviazané, - lano prehryzie zviera alebo ho niekto poškodí [2].
2.2 Materiály, ktoré sa používajú na výrobu lán
Do 30-tych rokov sa používali prevažne prírodné vlákna , ako napríklad bavlna, a taktiež sa používali oceľové drôty [7].
Od 30-tych rokov sa začal používať prevažne nylon, nakoľko je pevnejší a odolnejší voči cyklickému namáhaniu [7].
Od 50-tych rokov na scénu prichádzajú polyestery, ktoré sú tuhšie a polyolefiny, ktoré sú ľahšie a majú tepelnú odolnosť, či odolnosť voči UV [7].
Od roku 1971 sa stal veľmi využívaným Kevlar, ktorý má extrémnu pevnosť, ale strednú odolnosť voči oderu a UV [7].
V roku 1984 sa stretávame s vláknami Dyneema®, či Spectra, ktoré majú extrémnu pevnosť, odolnosť proti oderu a mernú hmotnosť, ale nízky bod topenia [7].
Od 90-tych rokov sa stretávame s Vectranom, medzi ktorého pozitíva patria extrémna pevnosť, odolnosť proti oderu a rázu, ale nízka stálosť na svetle [7].
Medzi veľmi populárne materiály patrí napríklad aj aromatický kopolyamid Technora [7].
Požiadavky na materiál pre výrobu lán
Medzi základné požiadavky na materiál pre výrobu lán patria:
- Vysoká pevnosť a modul (ťah, krut, ohyb), - nízka deformabilita,
- nízky creep (tečenie),
- odolnosť voči pôsobeniu okolia (vlhkosť, UV, hnitie),
21 - absorpcia rázov (šokových zaťažení), - odolnosť voči oderu,
- odolnosť voči cyklickému namáhaniu, - odolnosť voči tepelnému pôsobeniu,, - pomalé starnutie,
- jednoduchá skladovateľnosť, - nízka tepelná rozťažnosť [8].
Medzinárodná norma ČSN EN ISO 9554 uvádza nasledujúce materiály:
- prírodné vlákna: konope, sisal, manila,
- chemické vlákna: polyester, polyamid, polypropylén, polyetylén, zmes polyolefínov, dvojzložkové vlákno polyester/polyolefín, polyetylén s vysokým modulom.
Nakoľko je táto diplomová práca zameraná len na laná, vyrobené z polyesteru a polyetylénu, sú uvedené nasledovne vlastnosti len týchto vlákien.
Polyesterové vlákna
Vzhľadom k svojim univerzálnym vlastnostiam zaujímajú polyesterové vlákna medzi syntetickými polymérmi dôležité postavenie [5].
Polymér sa vytvára polykondenzáciou tereftalovej kyseliny a etylénglykolu a zvlákňuje sa z taveniny [5].
Polyesterové vlákna majú tvar hodvábu a striže. Vedľa štandardných vlákien sa vyrába celá rada modifikovaných vlákien s pozmenenými vlastnosťami, so zníženou žmolkovitosťou, zrážanlivé, nezrážanlivé a ďalšie [5].
Vlastnosti polyesterových vlákien
Polyesterové vlákna majú veľkú elastickosť, značnú odolnosť voči oderu a vynikajúcu odolnosť voči pôsobeniu svetla a slnečných lúčov. Majú značný sklon ku
22
tvorbe žmolkov. Vyznačujú sa veľmi nízkou navlhlavosťou a veľkým sklonom ku vzniku elektrostatického náboja [5].
Významná je ich výborná tepelná odolnosť. Teplota mäknutia je 230 až 250 °C, teplota topenia 250 až 285 °C. Bez poškodenia znesú krátkodobé pôsobenie teploty 200 °C. Výrobky s polyesterovými vláknami je možné žehliť pri teplote do 200 °C.
Vlákna sú horľavé, tavia sa skôr než horia. Pri horení vydávajú sladkastý aromatický zápach [5].
Voči pôsobeniu kyselín sú vlákna odolné, silné zásady ich rozkladajú len na povrchu, nevnikajú dovnútra. Sú stále v bežných rozpúšťadlách, používaných pri čistení [5].
Mechanické vlastnosti polyesterových vlákien závislé na príprave sú veľmi dobré [6].
Vysoký modul pružnosti: 1300 cN/tex (tuhý omak) Pevnosť: 3.8 - 7.2 cN/dtex
Ťažnosť: 50 - 70 %
Výhody: dobré mechanické vlastnosti - odolnosť voči oderu - termoplasticita dobrá termická odolnosť (200 °C) - lepšie odolávajú slnku než PAD - rýchle schnutie a ľahká údržba [6].
Nevýhody: vysoká žmolkovitosť - nízka navlhavosť - nabíjanie elektrostatickou elektrinou - vysoká merná hmotnosť [6].
Vysoko pevné polyetylénové vlákna
Polyetylén [- CH2 -] patrí medzi najjednoduchšie polyméry neobsahujúce žiadne polárne ani iné skupiny schopné tvoriť silné medzi molekulárne väzby. Bežné polyetylénové (PE) vlákna sú mäkké a málo pevné. Pevnosť sa pohybuje okolo 0,05 GPa a modul pružnosti v ťahu okolo 2 GPa. Pri ideálnom usporiadaní makromolekúl však vychádza teoretická pevnosť 91 – 36 GPa a modul ET= 180 – 340 GPa. Princípom výroby vysoko pevných vlákien je teda zaistenie maximálneho vzájomného priblíženia polymérnych reťazcov tak, aby z pôvodne málo orientovaného
23
systému s kryštalinitou pod 60 % (kryštality so skladanými reťazcami) vznikol silne usporiadaný systém s orientáciou väčšou než 0,95 a kryštalinitou okolo 85 % (kryštality s naťaženými reťazcami). Pre zaistenie dostatočnej pevnosti je treba použiť polyetylén s extrémne vysokou molekulovou hmotnosťou (UHMW „ultra high molecular weight“).
Problém je v tom, ako takýto materiál zvlákniť a predĺžiť. Klasické tavné zvlákňovanie je komplikované tým, že vplyvom flexibility reťazcov dochádza ku tvorbe zapletením, ktoré zvyšujú viskozitu taveniny a spôsobujú problémy pri predĺžení. Jedno z možných riešení je použitie techniky orientácie v tuhej fáze, kedy prebieha vytlačovanie polyméru z trysky za súčasného predĺženia a následné viacstupňové predĺženie pri teplotách nad bodom mäknutia (nad 900 °C) [6].
Vysoko pevné PE vlákna v súčasnosti dodáva firma DSM Holandsko pod názvom Dyneema®, firma Honeywel USA pod názvom Spectra a Mitsui Japonsko ako Texmilon. Obyčajne ide o multifibrilálne hodvábie s jemnosťou jednej fibrily od 0,44 do 11 dtex. Pevnosť jednej fibrily je okolo 50 cN/dtex a modul okolo 1200 cN/dtex.
Merná hmotnosť vlákien sa pohybuje okolo 970 – 980 kg/m3. Fyzikálne a chemické vlastnosti sú zhodné s klasickým PE [6].
Dyneema®
Dyneema® je vysokopevnostný polyetylén, ktorý odoláva UV žiareniu (podobne ako polyester), má vyššiu pevnosť v uzloch a menšiu mernú hmotnosť. Laboratórne testy preukázali, že laná, ktoré sú vyrobené z vlákien DM20 zachovávajú vlastnosti materiálov Dyneema®, a to aj pri dlhodobom zaťažení vysokým ťahom. Kritické vlastnosti ako sú napríklad vysoká statická pevnosť, mimoriadna odolnosť proti opotrebovaniu a takmer nulové „tečenie“ umožňujú vyrábať lano s lepšími prevádzkovými výhodami [2].
2.3 Technológia výroby splietaných lán
2.3.1 Základné typy štruktúr lán
Základné typy štruktúr lán môžeme rozdeliť do dvoch veľkých skupín a to:
- laná s pomerne vysokým zákrutom, či splietacím uhlom,
24
- laná s nízkym zákrutom, či splietacím uhlom [8].
Základné typy štruktúr lán s pomerne vysokým zákrutom či splietacím uhlom:
Medzi tieto typy štruktúr lán patria napríklad :
1. stáčané laná:
môžu byť 3-, 4- a 6-pramenné, pri zaťažení sa lano rozkrucuje, po uvoľnení - slučkuje a priemer je približne do 120 mm [8].
2. 8-pramenné splietané laná (bez centrálnej dutiny):
lano neslučkuje, nerozkrucuje sa, jeho pevnosť a ťažnosť je porovnateľná s predchádzajúcou štruktúrou. Lano je náchylné na oder. Táto štruktúra lana ma takzvaný štvorcový prierez a priemer do 160 mm [8].
3. 8- a 12-pramenné splietané laná (s centrálnou dutinou):
sú populárne hlavne v malých rozmeroch, 6 a viac pramenné majú veľkú osovú dutinu, nebezpečenstvo zborenia do pásku, vyššiu pevnosť a nižšiu ťažnosť než predchádzajúce typy, priemer približne do 120 mm [8].
Základné typy štruktúr lán s nízkym zákrutom, či splietacím uhlom :
tieto laná sa vyznačujú vysokou pomernou pevnosťou a nízkou ťažnosťou. Používajú sa napríklad pre uväzovanie astronautov, ako hlboko-morské laná, či kotviace laná pre plávajúce olejové plošiny [8].
Medzi tieto typy štruktúr lán patria napríklad:
1. dvojmo splietané laná:
sú charakteristické rovnomerným prenosom zaťaženia , jadro - plášť , priemer približne do 240 mm [8].
25
2. laná z paralelných prameňov (priadzi, filamentov) s plášťom:
sú charakteristické dobrým prenosom zaťaženia s minimálnym pretiahnutím, a to predovšetkým ich jadro (využitie pevnosti priadze v lane až 80 – 85 %) [8].
3. Kernmantle:
tento typ lana je podobný predchádzajúcim typom lán (splietaný plášť je veľmi tenký).
Jadro sa skladá zo zosúkavaných priadzí ½ Z, ½ S zákrut, priemer 1 - 8 mm [8].
Statické laná (relatívne nízka ťažnosť), príklad použitia: záchranné práce [8].
Dynamické laná (zachytenie pádu - absorpcia energie, napríklad pri horolezectve) [8].
4. Laná typu drôt s každým prameňom oplášteným: vysoké využitie pevnosti, vysoký modul, odolnosť voči cyklickým pohybom v kladkách [8].
2.3.2 Výroba splietaných lán
Proces splietania je v jeho základnej forme založený na niekoľkých sústavách prameňov, ktoré sa vzájomne preplietajú v uhlopriečnom smere. Týmto spôsobom vznikne previazanie, ktoré je podobné tkanine. Rozdiel je však v tom, že pri procese tkania sa preväzujú dve sústavy prameňov, a to pozdĺžna a priečna viď obr. 14. Na obr. 15 je možné vidieť, že má preplietanie len jednu pozdĺžnu sústavu, ktorá sa vyskytuje práve pri splietaných výrobkoch. Pramene prechádzajú výrobkom pozdĺžne, vplyvom preplietania dochádza k ich vzájomnému previazaniu viď obr. 15. Vytvára sa tak súvislá šnúra, ktorá je usporiadaná do určitého tvaru [9].
26
Obr. 14 - tkaná štruktúra [9] Obr. 15 - splietaná štruktúra [9]
2.3.3 Základné rozdelenie splietacích strojov
1. Paličkovacie stroje: výroba čipiek.
2. Ploché splietacie stroje: výroba plochých výrobkov (prámik, sutašky).
3. Dutinové splietacie stroje: výroba dutých výrobkov (laná, dutiny, gumy) [8], [9].
2.3.4 Hlavné časti splietacieho stroja
Medzi hlavné časti splietacieho stroja patria krídlové kolesá, bežec, zberač nití a vodiče výplne.
Krídlové kolesá
Krídlové kolesá majú po obvode výrezy, do ktorých zapadajú unášacie tŕne bežcov. Počet výrezov je daný typom splietacieho stroja. Otáčavý pohyb z jedného krídlového kolesa na druhé je zaistený ozubenými kolesami, ktoré sú umiestnené v spodnej časti krídlových kolies. Na obr. 16 je vidieť, že bežec 1 je unášaný pomocou unášacieho tŕňa 2, na ktorý pôsobia krídla 4 spodných 5 a horných 6 krídlových kolies.
Správny pohyb bežca vo vodiacej dráhe je zaistený pomocou vodiča bežca 2 s obojstranným britom. Tvar vodiacej stopky umožňuje bežci prechádzať správnym smerom v dráhe hornej dosky 3. Krídlové kolesá sú vo svojej spodnej časti opatrené
27
ozubenými kolesami, ktoré zaisťujú prenos otáčavého pohybu z jedného krídlového kolesa na druhé [9].
Obr. 16 - unášanie bežcov s vodiacou dráhou nad krídlovými kolesami [9]
Bežec
Na obr. 17 je uvedený príklad prevedenia bežca. Spodná časť bežca je tvorená čapom 1, za ktorý je bežec unášaný zárezom v krídlovom kolese. Bežec je vedený príslušnej dráhe, ktorá je vytvorená v oceľovej doske, ku ktorej vodič prilieha z oboch strán spodnou 2 a hornou prírubou 3. Vlastné vedenia bežca v dráhe zaisťuje vodič 4, ktorý má tvar lodičky. Na hornej prírube je upevnený takzvaný tŕň 5, na ktorom je nasadená cievka s niťou 4, ktorej spodná príruba je opatrená rohatkou, do ktorej zapadá západka 7. Niť 8, ktorá ide z bežca ku zberači musí byť pod stálym napätím [9].
Obr. 17 - bežec splietacieho stroja [9]
28
Vysvetlivky k obr. 17: 1 - unášací čap, 2 - vodiace doštičky, 3 - vodič, 4 - západka, 5 - niťová zarážka, 6 - uvoľňovač, 7 - cievka s materiálom, 8 - základná pružina,9 - palec uvoľňovača [9].
Zberač nití
Zberač nití určuje zberný bod, čo je miesto vlastného splietania nití. Tvar zberača, jeho priemer a miesto uloženia je nastaviteľné. To umožňuje rôzne nastavenia hustoty vyrábaného tovaru. Pri dutinových a plochých strojoch leží tento bod nad stredom kruhovej vodiacej dráhy [9].
Vodiče výplne
Vodiče výplne umožňujú vedenie výplnkového materiálu. Vedenie je realizované buď vodičmi, ktoré sú upevnené na čapoch krídlových kolies alebo trubkovými vodičmi, ktoré sú umiestnené uprostred dráhy bežcov [9].
2.3.5 Dutinový splietací stroj
Dutinový splietací stroj viď obr. 18 sa skladá zo sústavy takzvaných krídlových kolies, ktoré sú poháňané bežcami v danej vodiacej dráhe. Krídlové kolesá majú usporiadanie uzavretého kruhu, ktoré je znázornené na obr. 18. Tento typ stroja musí mať minimálne štyri krídlové kolesá, takzvané kordelové stroje, ktoré patria medzi najpoužívanejšie. Na konci krídiel sú umiestnené bežce tak, aby v mieste odvaľovania nedošlo k stretnutiu dvoch bežcov. Bežce sledujú vodiacu dráhu splietacieho stroja a pohybujú sa v dvoch dráhach. Jedna polovica bežcov sa pohybuje po vonkajšom úseku dráhy a druhá polovica bežcov sa pohybuje vo vnútornom úseku dráhy. V mieste prechodu bežcov z vnútorného na vonkajší úsek dráhy dochádza ku kríženiu nití.
Tomuto kríženiu sa hovorí preväzovanie (splietanie) a vzniká väzný bod [8], [9].
29
Obr. 18 - dvojhlavý dutinový splietací stroj [9]
Stroje sa označujú zlomkom, kde čitateľ udáva počet bežcov jednej hlavy a menovateľ udáva počet hláv na stroji. Príklad: stroj 40/2 má dve samostatné hlavy a v každej hlave je 40 bežcov. Pre zakresľovanie väzieb z dutinových splietacích strojov sa musí dráha dutinového stroja rozvinúť do roviny [8].
2.4 Parametre štruktúry splietaných lán
2.4.1 Charakteristika parametrov štruktúry splietaných lán
Norma ČSN EN ISO 1968 (80 8510): Textilní lana a provaznické výrobky, stanovuje nasledujúce definície lana a jeho častí.
Lano: je textilný produkt, ktorý sa skladá z jadra, ktoré je kryté opletom. Laná sa vyrábajú z rôznych materiálov ako napríklad polyester, Kevlar a iné, pričom použitý materiál predurčuje druh a spôsob použitia [4].
Oplet: je súbor priadzí, ktoré sú spojené splietaním (napríklad 32, 40 alebo 48 priadzí) [4].
Jadro: je súbor duší (napríklad v počte 7 - 16 duší) [4].
Duša: je zosúkaná z dvoch a viac priadzí (priadze spojené stáčaním) [4].
30
Priadza: je sada multifilamentov (stočené multifilamenty) [4].
Multifilament: je sada filamentov [4].
Filament/vlákno: je najtenšia základná jednotka (nekonečné vlákno) [4].
Staplové vlákno: textilné vlákno obmedzenej dĺžky [4].
Obr. 19 až obr. 22 zobrazuje možné konštrukcie a časti splietaných lán.
Obr. 19 - konštrukcia splietaného lana 1: oplet a jadro
Obr. 20 - splietané lano a jeho časti 1
31
Obr. 21 - konštrukcia splietaného lana 2: oplet a jadro
Obr. 22 - splietané lano a jeho časti 2
Norma ČSN EN ISO 1968 (80 8510) uvádza nasledovné parametre lán, ktoré by sa mali uvádzať z hľadiska štruktúry lana.
Priemer splietaného výrobku: priemer splietaného výrobku je definovaný ako priemer kruhu opísaného okolo prierezu lana [11].
Uhol stúpania: je definovaný ako uhol medzi sklonom prameňov a osou povrazníckeho výrobku [11].
Väzba: proces splietania je v jeho základnej forme založený na niekoľkých sústavách prameňov, ktoré sa vzájomne preplietajú v uhlopriečnom smere. Týmto spôsobom vznikne previazanie, ktoré je podobné tkanine [13]. Viac viď kapitola 2.3.2.
32
Počet (prameňov, priadzí a duší): je definovaný ako počet jednotlivých prameňov, priadzí alebo duší po rozpáraní opletu a jadra lana.
Zákrut (priadze, duše): je definovaný ako počet ovinov na jednotkovú dĺžku, vlákna v skrutkoviciach a na rôznych polomeroch. Zákrut je definovaný nasledujúcim
vzťahom [19]:
𝑍 = tan 𝛽
𝜋𝐷 , (1)
kde: Z je zákrut [m-1], tan β je tangens uhlu stúpania (uhol prepočítaný na radiány), D je priemer priadze, duše.
Obr. 23 - stanovenie zákrutu [19]
Jemnosť dĺžkových textílií (priadze, duše):je definovaná ako hmotnosť priadze m [g]
na jednotku jej dĺžky l [km] (v jednotkách [tex] to sú gramy na 1 [km]) [19]. Jemnosť priadze je možné spočítať podľa nasledujúceho vzťahu [11]:
𝑇 =𝑚
𝑙, (2)
kde: T je jemnosť priadze [tex], m je hmotnosť priadze [g] a l je dĺžka priadze s hmotnosťou m [km].
Počet filamentov v multifilamente: počet filamentov v multifilamente je definovaný nasledujúcim vzťahom:
33 𝑛 =𝑇
𝑡, (3)
kde: n je počet vlákien (filamentov), T je jemnosť priadze [tex], a t je jemnosť vlákna [tex].
2.4.2 Metódy testovania parametrov štruktúry splietaných lán
Stanovenie priemeru lana
Podľa normy ČSN 80 0890 sa priemer lana [mm] meria posuvkou, s presnosťou na 0,1 mm, striedavo v horizontálnej a vertikálnej rovine, na troch rôznych miestach (6 meraní). Priemer zo zistených prierezov sa vypočíta s presnosťou na 0,001 mm a zaokrúhli sa na 0,01 mm [11].
Ďalšou možnosťou merania priemeru lana je obrazová analýza Nis-Elements.
Nis-Elements je systém od firmy Laboratory Imaging, pomocou ktorého je možné analyzovať a spracovávať farebný obraz, a to na základe matematickej morfológie.
Princíp tejto matematickej disciplíny a jej aplikácia v programe Nis-Elements je poňatie analyzovaného objektu ako množiny bodov [10].
Stanovenie uhlu stúpania lana
ČSN EN ISO 2307 (80 8627) uvádza, že pri meraní dĺžky stúpania lana sa predpínacia sila lana daná strojným zariadením nechá pôsobiť na skúšobnú vzorku, a potom je meraná dĺžka desiatich dĺžok stúpania alebo desiatich dĺžok splietania pri predpätí, ktoré je daní v tabuľke v norme. Výsledok je udávaný v milimetroch.
Ďalšou možnosťou merania priemeru lana je obrazová analýza Nis-Elements.
Používa sa rovnaký postup merania ako pri stanovení priemeru lana.
Stanovenie väzby lana
Nakoľko procesom splietania vzniká previazanie, ktoré je podobné tkanine, sa pri stanovovaní väzby lana používa ten istý proces ako pri stanovovaní väzby tkaniny.
Najčastejšie väzby, ktoré sa vyskytujú u splietaných lán sú plátnová a keprová väzba.
34
Plátnová väzba je najjednoduchšia a najhustejšie previazaná väzba v tkáčstve.
Striedku väzby tvoria dve nite osnovné a dve nite útkové. Väzba je obojstranná a na každej niti sa strieda pravidelne osnovný a útkový bod. Na obr. 24 Je znázornená plátnová väzba lana [13].
Obr. 24 - plátnová väzba [13]
Keprová väzba tvorí na tkanine šikmé riadky smerom zľava doprava alebo naopak, sprava doľava. Pravý smer riadkov sa označujem písmenom „Z“, ľavý smer
„S“, pričom stredná časť písmena vyjadruje smer riadkov. Pri rovnakej hustote osnovy a útku prebiehajú riadky v 45° uhle. Na obr. 25 je znázornená keprová väzba lana [13].
Obr. 25 - keprová väzba [13]
Stanovenie počtu (prameňov, priadzí a duší)
Najjednoduchšou metódou je páranie opletu, či jadra lana a ručné spočítanie počtu prameňov, priadzí v oplete a počtu duší a priadzí v jadre.
Stanovenie počtu zákrutov (priadze, duše)
Jednou z možností je použitie zákrutomeru. Zákrutomer je prístroj, ktorý priadzu, ktorá je upnutá v čeľustiach na nastavenej upínacej dĺžke rozkrucuje. Otáčky, ktoré sú
35
potrebné k rozkrútenie úseku priadze sú registrované na počítadle, respektíve na displeji [15].
Ďalšou možnosťou je vypočítanie zákrutu z nasledujúceho vzťahu (1).
Stanovenie jemnosti dĺžkových textílií (priadze, duše):
Na stanovenie jemnosti dĺžkových textílií sa používa gravimetrická metóda.
Vzorku lana o dĺžke 1 m rozpárame, vyberieme z lana potrebné priadze, či duše a následne zmeriame ich dĺžku a zvážime na váhe s odpovedajúcim rozsahom a s presnosťou stanovenia hmotnosti na 1 % [17]. Následne použijeme vzorec pre vypočítanie jemnosti daného vzorku, viď vzorec (2).
Stanovenie jemnosti vlákien (filamentov)
Na stanovenie jemnosti sa používa vyššie uvedený spôsob alebo sa jemnosť vlákna meria na prístroji Vibroskop 400, ktorý pracuje na princípe vynútených kmitov vlákien. Podľa frekvencie kmitania vlákna a predpätia je automaticky stanovená dĺžková hmotnosť (jemnosť) vlákna v jednotkách [dtex] [14].
Stanovenie počtu (vlákien) filamentov
Počet vlákien sa dá ručne spočítať po páraní opletu a a jadra alebo sa dá vypočítať zo vzťahu (3).
2.5 Namáhanie v ťahu
Všeobecne sú mechanické vlastnosti materiálu odozvou materiálu na mechanické pôsobenie vonkajších síl. Či už sa jedná o vlákno, priadzu, prameň alebo celé lano [16].
Behom mechanického namáhania dochádza vo vzorku ku zmene tvaru, k deformácii, ktorá je závislá na [16]:
- veľkosti zaťaženia, - rýchlosti namáhania, - dĺžke trvania.
36
Pri namáhaní v ťahu nazývame odozvu materiálu pevnosťou v ťahu. Túto vlastnosť skúšame na dynamometri, teda na prístroji pre definované namáhanie vzorkou a registrácii sily a deformácie (natiahnutia) viď obr. 26 [16].
Obr. 26 - usporiadanie skúšky na dynamometri [15]
Vzorka je upnutá do hornej čeľuste HC a do spodnej čeľuste DC. Dolná čeľusť je spojená s pohybovou skrutkou, ktorá ju svojim otáčaním sťahuje dole, čím napína vzorku alebo zdvíha, čím uvoľňuje vzorku. Napätie, respektíve sila, ktorá je naťahovaním vo vzorke vyvíjaná, je meraná meracím členom MC. Natiahnutie a jemu odpovedajúca sila je vykresľovaná do grafu, ktorý je nazývaný ťahovou alebo pracovnou krivkou [15].
Napätie: pod pojmom napätie σ [Pa] rozumieme absolútnu silu F [N] prepočítanú na plochu prierezu vzorku S [m2]. Pretože je niekedy ťažké stanoviť plochu prierezu vzorku, prepočítava sa absolútna sila F [N] na jemnosť vzorky T [N]:
𝜎 =𝐹
𝑆, (4)
kde: σ je napätie [N/m2], F je sila a S je prierez vzorky [16].
Deformácia: pri naťahovaniu vzorky dochádza k jej predlžovaniu, teda k deformovaniu. Absolútnu deformáciu vyjadrujeme v absolútnych jednotkách ako Δy [mm]. Pre prepočítanie deformácie používame nasledujúce vzťahy [16]:
Absolútna deformácia:
𝛥𝑦 = 𝑙 − 𝑙0, (5)
37
kde: 𝛥𝑦 je absolútna deformácia, l je konečná dĺžka pre natiahnutie [mm] a l0 je počiatočná (pôvodná) dĺžka vzorku [mm], ktorá je nazývaná upínacia dĺžka [16].
Relatívna deformácia:
𝜀 =𝛥𝑙
𝑙0 100, (6)
kde: 𝜀 je relatívna deformácia [%], Δl je rozdiel medzi l al0 [mm] a l0 je počiatočná dĺžka vzorky [mm] [16].
Relatívnu deformáciu do pretrhnutia nazývame ťažnosť. Deformáciu popisujeme ako vratnú - elastickú a nevratnú - plastickú. Elastické - vratné deformácie môžeme očakávať len v oblasti malých síl a deformácií, kde priebeh funkcie je lineárny [16].
Modul pružnosti: pri dĺžkových textíliách používame počiatočný tangentový modul Ep [N.tex-1] viď obr. 27. Bod P, kde tečna v počiatku opúšťa ťahovú krivku potom definujeme ako medzu pružnosti [16].
𝐸𝑃 = 𝑓𝑝
𝜀𝑝 (7)
Obr. 27 - počiatočný tangentový modul [16]
Sekantový modul: spojnica dvoch bodov na krivke. Pokiaľ takto spojíme počiatok a koniec krivky dostávam takzvanú tuhosť textílie H [N.tex-1] [16]:
𝐻 =𝐹(𝐴)
𝜀(𝐴) (8)
38
Deformačná práca: plocha pod krivkou viď obr. 28. Deformačnú prácu A [J] je možné prepočítať na mernú deformačnú prácu α [J.tex-1].
𝐴 = 𝐹 𝑑𝑙
1
0
(9)
𝛼 =𝐴
𝑇 (10)
Obr. 28 - deformačná práca [15]
2.6 Meranie pevnosti a ťažnosti lán
Na meranie pevnosti a ťažnosti lán sa používajú normy ČSN EN ISO 2307 (80 8627): Textilná lana – Stanovení určitých fyzikálnych a mechanických vlastností a ČSN EN 1891 (83 2641): Osobní ochranné prostředky pro prevenci pádů z výšky – Nízko průtažná lana s opláštěným jádrem.
Norma ČSN EN ISO 2307 špecifikuje, pre rôzne druhy lán, metódy stanovenia nasledujúcich vlastností:
- lineárna hmotnosť lana,
- dĺžka stúpania lana pri stáčaných lanách, - dĺžka splietania lana pri pletených lanách,
39 - ťažnosť lana,
- pevnosť lana.
Ťažnosť lana odpovedá nameranému zväčšeniu dĺžky lana, kde sa sila pôsobiaca na lano, zvýši z počiatočnej hodnoty (predpínacia sila lana) na hodnotu, dosiahnutú pri bodu pretrhnutia lana [17].
Pevnosť v ťahu lana je maximálne zaťaženie zaznamenané (alebo dosiahnuté) behom trhacej skúšky na skúšobnej vzorke, uskutočňované na trhacom prístroji s konštantnou rýchlosťou pohyblivej svorky [17].
Prístroje
Trhací prístroj: trhací prístroj s rozsahom postačujúcim pre predpokladanú pevnosť lana v ťahu. Môžu sa používať rôzne typy trhacích prístrojov, ako napríklad: prístroje so svornými čeľusťami, prístroje s čeľusťami kladkového typu alebo prístroje s čeľusťami a čapmi pre skúšobné vzorky lán so zapletenými slučkami [17].
Postup prípravy vzorku pred meraním pevnosti a ťažnosti lana
Klimatizovanie: všetky vzorky lana musia byť klimatizované v atmosfére s vlhkosťou menšou než 10 % po dobu aspoň 24 hodín. Vzorka lana musí byť potom uskladnená pri teplote (20 ± 5) °C a vlhkosti (65 ± 5) % po dobu najmenej 72 hodín. Skúšky musia byť vykonané pri teplote (23 ± 5) °C [18].
Vzorka: vzorky, ktoré sú vytvorené bez pred tvarovaného zakončenia musia byť zakončené na oboch koncoch slučkami uviazaním osmičkových uzlov, viď obr. 29 [18].
Upínacia dĺžka: upínacia dĺžka je stanovená ako vzdialenosť medzi koncami zakončení viď obr. 30 a jej dĺžka je stanovená na minimálne 300 mm [18].
40
Obr. 29 - osmičkový uzol [19] Obr. 30-upínacia dĺžka [19]
Cyklické namáhanie vzorky: pred testovaním k bodu pretrhnutia, je vzorka podrobená trikrát k cyklickému zaťaženiu medzi referenčným napätím, ktoré je uvedené pre každý priemer lana v danej norme (dolná medza) a 50 % nominálnej pevnosti lana (horná medza). Nominálnu pevnosť lana uvádza výrobca lana. Skúšobná rýchlosť je 250 ± 50 mm/min [17].
Postup merania
Meranie ťažnosti a pevnosti lana v ťahu - tržná pevnosť: meranie sa uskutočňuje tak, že sa predpínacia sila lana zvyšuje, dokiaľ nedôjde k pretrhnutiu lana [17].
Vyjadrenie výsledkov
Ťažnosť lana: hodnota ťažnosti 𝜀 v percentách je vyjadrená nasledujúcou rovnicou [17]:
𝜀 =(𝑙 − 𝑙0)
𝑙0 100, (11)
kde: l0 je meraná dĺžka pri predpätí lana (upínacia dĺžka) a l je nameraná dĺžka pri bode pretrhnutia [17].
Pevnosť v ťahu: pevnosť v ťahu sa udáva v newtonoch alebo ich násobku, či čiastkových jednotkách.
41
2.7 Štatistické spracovanie dát
Pri zisťovaní základných parametrov lán a pri zisťovaní pevnosti a ťažností lán bol počet skúšobných testov u každého lana ≤ 20. Z tohto dôvodu je táto kapitola zameraná na malé výbery.
Pri veľmi malých výberoch, do 20 dát, sa na vyhodnotenie dát používa analýza malých výberov. Je dôležité brať do úvahy vysokú neistotu výsledkov a veľký vplyv vybočujúcich meraní. Pre malé výbery je k dispozícii niekoľko typov odhadov, ktoré sú všeobecne menej citlivé na rozdelenie dát a robustné voči vybočujúcim meraniam [6].
Stredná hodnota (matematické očakávanie) je charakteristika polohy, je rovná populačnému a váženému priemeru [6].
Interval spoľahlivosti nám udáva že s 95% pravdepodobnosťou sa nachádza stredná hodnota v danom vypočítanom intervale [6].
Pre N = 2 , použijeme pre stanovenie intervalu spoľahlivosti nasledujúce kroky [6]:
1. Určí sa aritmetický priemer, podľa vzťahu:
𝑥 = 0,5 (𝑥1 + 𝑥2) (12)
2. 95% interval spoľahlivosti strednej hodnoty je približne rovný:
𝑥1+ 𝑥2
2 − 12,7 𝑥1− 𝑥2
2 ≤ 𝜇 ≥ 𝑥1+ 𝑥2
2 + 12,7 𝑥1− 𝑥2
2 , (13) kde: N je rozsah súboru, 𝑥 je aritmetický priemer, x1 a x2 sú namerané hodnoty a µ je stredná hodnota.
Pre N = 3 , použijeme pre stanovenie intervalu spoľahlivosti nasledujúce kroky [6]:
1. Určí sa odhad aritmetického priemeru ako 𝑥* (priemer z dvoch najbližších hodnôt).
42
2. 95% interval spoľahlivosti strednej hodnoty je približne rovný:
𝑥 ∗− 4,3 𝑠
3 ≤ 𝜇 ≥ 𝑥 ∗+ 4,3 𝑠
3 , (14)
kde: N je rozsah súboru, 𝑥* je aritmetický priemer z dvoch najbližších hodnôt, s je smerodajná odchýlka a µ je stredná hodnota.
Pre 4 < N ≤ 20 , pre tieto malé výbery je vhodný Hornov postup, ktorý vychádza z poriadkovej štatistiky (vzostupne zotriedené prvky výberu) [6].
Pri Hornovom postupe sa najskôr počítajú hĺbky pivotov a potom pivoty:
𝐻 = (𝑖𝑛𝑡 𝑁 + 1
2 )/2 (15)
𝐻 = (𝑖𝑛𝑡 𝑁 + 1
2 + 1 )/2 (16)
Z týchto dvoch hodnôt sa následne vyberie celé číslo. Pre pivoty potom platí, že dolný pivot je rovný X(D) = X(H) a horný pivot je rovný X(U)= X(N+1-H) [6].
S využitím pivotov môžeme ďalej jednoducho určiť odhady parametrov polohy a rozptýlenia a z nich následne interval spoľahlivosti strednej hodnoty [6]:
1. Poloha
𝑃𝐿 = (𝑋𝐷+ 𝑋𝑈)/2 (17)
2. Rozptýlenie
𝑅𝐿 = (𝑋𝑈− 𝑋𝐷)/2 (18)
3. 95% interval spoľahlivosti strednej hodnoty, ktorej odhad je PL, je približne rovný:
𝑃𝐿− 𝑅𝐿𝑡𝐿,0,975 𝑛 ≤ 𝜇 ≥ 𝑃𝐿+ 𝑅𝐿𝑡𝐿,0,975(𝑛) (19)
Kvantily tL,0,975 (n) pre rôzne N je možné dohľadať v štatistických tabuľkách.
43
3 Experimentálna časť
Experimentálna časť nadväzuje na rešeršnú časť, spracovanú v predchádzajúcej kapitole. Úvod experimentálnej časti je zameraný na definíciu experimentálneho materiálu. Na výhody a nevýhody rôznych zakončení, ktoré boli použité pri meraní.
Ďalej je zameraná na vyhodnotenie merania rozboru štruktúry daných lán.
Ďalšia časť je zameraná na navrhnutie metodiky pre uskutočnenie ťahových skúšok textilných lán s rôznymi typmi zakončení. V tejto časti je podaný podrobný popis návrhu metodiky.
Po navrhnutí metodiky nasleduje rozbor ťahových kriviek, spolu s fotografickou a písomnou dokumentáciou. Na záver je stanovený najvhodnejší typ zakončenia pre dané lano, a to z hľadiska pevnosti a modulu celej sústavy lano + zakončenie.
3.1 Definícia experimentálneho materiálu
3.1.1 Kotviace splietané syntetické laná
Diplomová práca je zameraná na vplyv ukončovacích prvkov na mechanické chovanie syntetických, konkrétne na polyesterových a polyetylénových splietaných lanách v ťahu. Nižšie sú uvedené základné parametre, ktoré uvádza výrobca lán.
Polyesterové laná - P
Konštrukcia: opletené lano so stáčanými jadrami.
Jadro: polyester, paralelne usporiadané stáčané jadrá.
Oplet: polyester 12 alebo 16, podľa priemeru [2].
Polyetylénové, vysokopevnostné laná (Dyneema®) - D Konštrukcia: opletené lano s pleteným jadrom.
Jadro: 100% Dyneema® DM20, pletené.
Medzi oplet: polyester stapl (len u lán od priemeru 6 mm).
Vonkajší oplet : polyester 12, 16, 24 alebo 40 (podľa priemeru) [2].
44
3.1.2 Laná bez zakončenia
Norma ČSN EN 1891 (83 2641): Osobní ochranné prostředky pro prevenci pádů z výšky - Nízko průtažná lana s opláštěným jádrem stanovuje, že vzorky, ktoré sú vytvorené bez pred tvarovaného zakončenia musia byť zakončené na oboch koncoch slučkami, uviazaním osmičkových uzlov viď obr. 31, poprípade kapitola 2.6. Laná bez zakončenia boli merané podobne ako laná so zakončením, osmičkový uzol bol upevnený na strmeň a ten bol upevnený do priečnikov trhacieho prístroja.
Obr. 31 - osmičkový uzol pre meranie lán bez zakončenia
3.1.3 Ukončovacie prvky
Pri kotvení syntetickými lanami sa používajú rôzne druhy ukončovacích prvkov.
V práci budú testované nasledujúce ukončovacie prvky:
1. Duplexná svorka bez uzlu a deka svorka bez uzlu
Obr. 32 - duplexná svorka bez uzlu Obr. 33 - deka svorka bez uzlu
45
2. Duplexná svorka s uzlom a deka svorka s uzlom
Obr. 34 - duplexná svorka s uzlom [2] Obr. 35 - deka svorka bez uzlu
Duplexná svorka viď obr. 32 a obr. 34 a deka svorka viď obr. 33 a obr. 35 sú porovnateľné. Deka svorka je lacnejšia a robí sa vo veľkostiach aj na silnejšie laná (duplexné svorky sú do max. priemeru lana 10 mm). Pri oboch typoch zakončenia sa v praxi používa ako zaistenie zakončenia napríklad kotevný uzol s dvoma závitmi viď obr. 34 a obr. 35. Tieto uzly sú dôležité ako zaistenie zakončenia vo chvíli, keď sa lano začne vyšmykovať, zvieracia schopnosť svorky sa výrazne zníži. Uzol je potom posledným, čo môže zabrániť rozpojeniu celej kotvy.
3. Vhodný uzol a lisovaná svorka
Obr. 36 - vhodný uzol Obr. 37 - lisovaná svorka
Vhodný uzol (na obr. 36 je znázornený kotevný uzol s dvoma závitmi): medzi jeho výhody patria: nízka cena, rozobrateľnosť (pokiaľ nie je extrémne utiahnutý).
Medzi jeho nevýhody patria: zníženie pevnosti pri použití malého priemeru guľatiny, okolo ktorej sa lano omotáva.
Medzi výhody lisovanej svorky (viď obr. 37) patrí cena (nakoľko patrí medzi najlacnejšie svorky), nekoroduje, nakoľko je svorka hliníková.
Medzi nevýhody patrí nerozoberateľnosť a deformácia prierezu lana.
46 4. Klinová svorka
Obr.38 - klinová svorka [2]
Medzi výhody klinovej svorky (viď obr. 38) patrí jednoduché zmenenie dĺžky napínaného lana (lano sa uvoľní zo svorky, posune a opäť „zatiahne“) a nie je potrebné žiadne uťahovanie (svorky sú samosvorné), sú k lanu najšetrnejšie. Medzi nevýhody patrí vyššia cena v porovnaní s predchádzajúcimi svorkami [2].
3.1.4 Kotviace splietané syntetické laná s ukončovacími prvkami
Materiál, ktorý bol použitý na rozbor štruktúry lán a na meranie pevnosti v ťahu znázorňuje pre polyesterové laná tab. 1 a pre Dyneema® laná tab. 2. Každá vzorka (daný priemer laná s konkrétnym zakončením) bola vyrobená v troch alebo v dvoch exemplároch).
- číslo, nachádzajúce sa pri označení P a D značí nominálny priemer lana, - sivá farba znamená, že lano s daným priemerom bolo dané s konkrétnym
typom ukončovacieho prvku.
Tab. 1 - polyesterové laná a zakončenia
Typ zakončenia P2 P3 P4 P5 P6 P8 P10 P12 Lisovaná svorka
Duplexná svorka s poist. uzlom Duplexná svorka bez poist. uzlu Deka svorka s poistným uzlom Deka svorka bez poistného uzlu Klinová svorka
Vhodný uzol
47
Tab. 2 - Dyneema® laná a zakončenia
Typ zakončenia D2 D3 D4 D5 D6 D8 D10
Lisovaná svorka
Duplexná svorka s poist. uzlom Duplexná svorka bez poist. uzlu Deka svorka s poistným uzlom Deka svorka bez poistného uzlu Klinová svorka
Vhodný uzol
Tab. 3 znázorňuje nominálne pevnosti jednotlivých typov lán a ich priemerov.
Tab. 3 - nominálne pevnosti polyesterových a Dyneema® lán
Priemer lana [mm] Nominálna pevnosť P lana [kN]
Nominálna pevnosť D lana [kN]
2 1 2,5
3 2 3,9
4 4 9
5 5 11,5
6 8,5 18,5
8 13 26
10 19 38,5
12 22 -
3.2 Zisťovanie základných parametrov lán
Výber daných metód pre stanovenie základných parametrov lán bol prispôsobený možnostiam laboratória, kde bolo meranie uskutočnené. Celé meranie prebiehalo podľa normy [11] a to s klimatizovanými vzorkami, pri teplote miestnosti 20 °C a s vlhkosťou 65 %.
48 Priemer lana
Priemer lana bol zistený pomocou obrazovej analýzy Nis-Elements viď teoretická časť, kapitola 2.4.2. Pod makroskop bola umiestená vzorka lana s dĺžkou 1 meter.
Následne bolo uskutočnených 20 meraní priemeru lana viď červené priamky na obr. 39.
Následne bola stanovená stredná hodnota a interval spoľahlivosti analýzou malých výber viď kapitola 2.7.
Obr. 39 – stanovenie priemeru lana
Uhol stúpania lana
Uhol stúpania lana bol taktiež zistený pomocou obrazovej analýzy Nis-Elements.
Pod makroskop bola umiestená vzorka lana s dĺžkou 1 meter. Následne bolo uskutočnených 20 meraní uhlu stúpania lana viď červené priamky na obr. 40. Následne bola stanovená stredná hodnota a interval spoľahlivosti analýzou malých výber viď kapitola 2.7. Rovnaký postup bol zvolený aj pri meraní uhlu stúpania jadra lana.
Obr. 40 – stanovenie uhlu stúpania lana
Výsledky nameraných priemerov lán a uhlov stúpania lán u polyesterových a Dyneema® lanách zobrazuje tab. 4.
49
Tab. 4 - výsledné hodnoty priemeru a uhlu stúpania P a D lán Nominálny
priemer P+D lana
[mm]
Nameraný priemer lana P[mm]
Nameraný priemer lana D[mm]
Nameraný uhol stúpania lana
P[°]
Nameraný uhol stúpania lana
D[°]
2 1,73<1,70; 1,75> 2,43 <2,40; 2,45> 37<35; 39> 39<36; 41>
3 2,61<2,59; 2,62> 3,18 <3,13; 3,22> 43<42; 44> 44<43; 45>
4 4,43<4,38; 4,47> 4,24 <4,18; 4,30> 42<40; 43> 40<38; 41>
5 5,35<5,29; 5,40> 5,28 <5,17; 5,38> 47 <45; 48> 43<42; 45>
6 6,36<6,29; 6,42> 6,42 <6,32; 6,51> 40<39; 41> 42<42; 43>
8 7,90<7,64; 8,15> 8,35 <8,28; 8,41> 40 <39; 42> 39<38; 40>
10 10,36<10,14; 10,57> 10,36 <10,30; 10,41> 38<37; 40> 44<43; 45>
12 12,14<11,81; 12,47> - 42<41; 43> -
Z tab. 4 je zrejmé, že skutočný priemer lán sa líši od menovitého priemeru, ktorý udávajú výrobcovia lán. Čo sa týka uhlu stúpania, pre daný menovitý priemer lana platí, že čím je menšia dĺžka stúpania, tým bude lano tvrdšie. Táto tvrdosť môže ovplyvniť odhadovanú pevnosť pri pretrhnutí lana [4].
Väzba lana
Väzby boli stanovené na základne informácii - viď kapitola 2.4.2. Na obr. 41 je znázornená keprová väzba na experimentálnom materiály, a to na polyesterovom lane s priemerom 12 mm. Tento typ väzby sa objavoval na každom skúmanom vzorku okrem jedného, a to na lane Dyneema® s priemerom 10 mm. Toto lano bolo vyrobené v plátnovej väzbe, viď obr. 42.
Obr. 41 - keprová väzba lana (P-12mm)
50
Obr. 42 - plátnová väzba lana (D-10mm)
Stanovenie počtu (prameňov, priadzí a duší)
Stanovenie vyššie spomínaných počtov bolo pomocou párania opletu a jadra lana a následného ručného spočítania počtu prameňov, priadzí v oplete a počtu duší a priadzí v jadre.
Výsledky merania počtov prameňov a priadzí v oplete lana a duší v jadre lana u polyesterových a Dyneema® lanách zobrazuje tab. 5.
Tab. 5 - výsledné hodnoty nameraných počtov prameňov a priadzí v oplete a duší v jadre Nominálny
priemer P+D lana
[mm]
Počet prameňov
v oplete lana P [-]
Počet prameňov
v oplete lana D [-]
Počet priadzí v
oplete lana P [-]
Počet priadzí v
oplete lana D [-]
Počet duší v jadre lana P [-]
Počet duší (prameňov)
v jadre lana D [-]
2 12 12 12 12 1 1
3 12 12 12 12 1 1
4 16 16 16 16 1 8
5 16 16 32 24 1 8
6 16 16 40 32 4 2
8 16 24 64 48 3 2
10 16 40 48 80 4 2
12 16 - 32 - 4 -
Z tab. 5 je zrejmé, že lano Dyneema® s priemerom 10 mm má najvyšší počet prameňov v oplete, až 40, čo súvisí aj s jeho väzbou, ktorá je plátnová a tým pádom má
51
aj najvyšší počet priadzí v oplete. Najvyšší počet duší v jadre majú lana Dyneema®
s priemerom 4 a 5 mm.
Stanovenie počtu zákrutov (priadze, duše)
Zákrut sa vyskytoval u niektorých lán len v jadre, nie v oplete. Stanovenie počtu zákrutov v jadre prebiehal nasledovne:
1. Stanovenie priemeru jadra pomocou obrazovej analýzy.
2. Stanovenie uhlu stúpania duše pomocou obrazovej analýzy.
3. Vypočítanie zákrutu podľa vzťahu viď kapitola 2.4.1 vzorec (1).
Výsledky nameraných počtov zákrutov duše u polyesterových a Dyneema®
lanách zobrazuje tab. 6.
Tab. 6 - výsledné hodnoty počtu zákrutov duší v P a D lanách
Nominálny priemer
P+D lana [mm] Zákrut duše P lana [m-1] Zákrut duše D lana [m-1]
2 Nie je Nie je
3 36 <32; 40> Nie je
4 43 <41; 45> Nie je
5 37 <34; 40> Nie je
6 51 <47; 54> 111<101; 122>
8 45 <40;49> 107 <97; 118>
10 44 <40; 47> 130 <117; 143>
12 53 <45; 60> -
Z tab. 6 je zrejmé, u polyesterových lán, okrem P2 sa vyskytoval zákrut v jadre.
Naproti nim, u lán Dyneema® sa zákrut v jadre vyskytoval iba pri troch priemeroch lán.
Najväčší počet zákrutov má Dyneema® s priemerom 10 mm. Zákrut má značný vplyv na pevnosť priadze. Priadze s väčším zákrutom sú pevnejšie v ťahu než priadze s menším zákrutom.
