Reibungsverluste am Umlenkkarabiner (1972–1980)
Dipl.-Ing. Josef Gebauer, Christa Gebauer-Kodytek

MATERIALIEN

KARABINER: STUBAI 1800, STUBAI 2200, STUBAI 5000, BONAITI 2500.

SEILE: EDELWEISS* 11 mm (neu), ein Seil der Firma Haberkorn* 11 mm (gebraucht, Sturzversuche), MAMMUT 11 mm (neu, Knotensteifigkeit k = 0,96), Reepschnur 2 mm, Schlauchband 25 mm.

* Als die Versuche mit diesen Seilen durchgeführt wurden, war keine Methode zur Messung der Seilsteifigkeit festgelegt. Daher ist es nicht möglich, einen Zahlenwert (entsprechend der Methode nach ÖNORM S 4114) der damals vorgelegenen Steifigkeit anzugeben. Sicher waren diese Seile damals wesentlich steifer als k = 1.

PULLEYS: der Firmen SALEWA, KENDLER, STUBAI (AS 1000 Kg, Bügelrolle, Karabinerrolle), des Bundesfachreferates Bergsteigen der Naturfreunde Österreich und das von ÖFAS entwickelte Pulley SG 600/3.

 

DURCHFÜHRUNG

Bei jedem Versuch wurden 5 Messungen an 5 verschiedenen Stellen des Seils durchgeführt und das Mittel der Meßwerte berechnet. Es wurden Lasten zwischen 18 und 87 kg mit einer Geschwindigkeit von etwa 1 cm/s gehoben. Diese geringe Geschwindigkeit wurde gewählt, um möglichst nahe an die Haftreibung heranzukommen, die der Erfahrung nach wesentlich größer ist als die Gleitreibung und vornehmlich für die Kameradenrettung insoferne bedeutsam ist, als sie iedesmal am Beginn der Bewegung überwunden werden muß.

 

Gemessen wurde die Kraft, die hinter der Umlenkung am Seil anzuwenden ist, um die Last zu heben. Das Verhältnis dieser Kraft zur Last nennen wir "z". Umgekehrt ergibt sich die erforderliche Kraft durch Multiplikation Last * z.

 

MESSERGEBNISSE

Nasse Seile liefern bei diesen geringen Geschwindigkeiten keine wesentlich anderen Werte. Bei größeren Geschwindigkeiten (z. B. bei Stürzen) wird dieser Einfluß möglicherweise beträchtlich, da dabei wahrscheinlich ein Schmiereffekt ähnlich dem Aquaplaning beim Autofahren auftritt. Damit wird sich eine eigene Versuchsreihe beschäftigen.

MESSWERTE (Auszug)

180° Umlenkung um Karabiner

Last

18.0 daN

36.0 daN

67.0 daN

87.0 daN

100.0 daN

Seil Edelweiß

39.1 daN

71.6 daN

131.3 daN

169.7 daN

195.0 daN

Seil Hab.       von

33.3 daN

69.1 daN

131.3 daN

169.7 daN

195.0 daN

bis

45.0 daN

76.7 daN

     

Reep 2 mm    von

22.9 daN

46.1 daN

90.5 daN

114.0 daN

131.0 daN

bis

35.3 daN

58.0 daN

97.2 daN

   

Schlauchband

36.2 daN

67.9 daN

110.8 daN

   

180° Umlenkung um Pulley (handelsüblich)

Last

18.0 daN

36.0 daN

67.0 daN

87.0 daN

100.0 daN

Seil 11 mm    von

23.4 daN

46.1 daN

90.5 daN

121.8 daN

140.0 daN

bis

32.8 daN

55.4 daN

97.2 daN

   

Reep 2 mm    von

18.4 daN

38.5 daN

77.1 daN

100.1 daN

115.0 daN

bis

24.3 daN

46.1 daN

79.1 daN

   

180° Umlenkung um Pulley SG-600/3

Last

18.0 daN

56.0 daN

67.0 daN

87.0 daN

100.0 daN

Seil 11 mm    von

20.2 daN

41.0 daN

77.7 daN

102.7 daN

118.0 daN

bis

24.7 daN

46.1 daN

79.7 daN

   

Mittelwerte von Z für Lasten über 40 daN:

Die Oberfläche fabrikneuer Stahlkarabiner (z. B. Stubai 5000) ist rauh und verursacht dadurch etwas mehr Reibung. Der Unterschied kann aber im praktischen Gebrauch vernachlässigt werden (bei Umlenkung um 180° Alukarabiner: z = 1,95, Stahlkarabiner: z = 1,98).

Die Abhängigkeit von z und η (Wirkungsgrad, Anteil der zum Heben der Last erforderlichen Arbeit an der insgesamt zu leistenden Arbeit) von der Last zeigen folgende Diagramme für die Umlenkung um 1800:

Das Absinken des Wirkungsgrades im unteren Lastbereich ist vor allem in den geringer belasteten Bereichen von Flaschenzügen mit größerer Übersetzung von Bedeutung. Darauf wird im Rahmen der Untersuchungen zum Thema "Behelfsmäßige Flaschenzüge" näher eingegangen werden. Die stärker streuenden Werte des Seils der Fa. Haberkorn sind darauf zurückzuführen, daß dieses Seil bereits sehr starken Beanspruchungen ausgesetzt war und daher stellenweise Verhärtungen aufweist.

Infolge der geringeren Reibung ist bei Pulleys die Zugkraft wesentlich kleiner als bei Karabinern, die Haltekraft hingegen erheblich größer (siehe Anhang). Allerdings ist die Abhängigkeit des Faktors z vom Umlenkwinkel nicht so ausgeprägt wie bei Karabinern. Ein Vergleich mit den an Reepschnüren gemessenen Werten zeigt, daß bei den 11-mm-Seilen die Biegearbeit einen großen Teil der Verluste ausmacht.

Umlenk-Durchmesser

 

11 mm

25 mm

40 mm

110 mm

Seil (Edelw.) 11 mm

Zs=

1.95

1.40

1.18

1.090

Reep 2 mm

Zr=

1.31

1.15

1.07

1.055

Biegeverlust (Zs - Zr)

Zb=

0.64

0.25

0.11

0.035

KARABINERROLLE

Die in den Karabiner einzuhängende lose Kunststoffrolle ist ein beachtenswerter Versuch zur Lösung des Problems der Umlenkverluste. Tatsächlich ist die Wirkung bei richtiger Handhabung beachtlich (z = 1,38, = 72 %. Allerdings besteht die Möglichkeit, die Rolle verkehrt in den Karabiner einzuhängen, womit z auf 1,58 bis 1,68 steigt und η auf 60 bis 63% sinkt (das ist aber noch immer bedeutend besser als die Umlenkung um den Karabiner selbst). Zu beachten ist auch, daß durch die lose Führung der Rolle im Karabiner Schräglagen und auch Entgleisungen des Seils vorkommen, solange das Seil nicht gespannt ist.

ANHANG I

Wenn das Seil durch mehrere Karabiner läuft, sind die Faktoren z der einzelnen Karabiner miteinander zu multiplizieren. Im Seilstück A herrscht nur die Kraft L infolge der Last. Im Seilstück B muß man zum Heben die Kraft Lxz1 aufbringen, im Seilstück C ist diese Kraft noch mit z2 zu multiplizieren - der Helfer muß am Seilstück C mit der Kraft Lxz1 xz2 ziehen. Bei einer Last von 100kg und Umlenkwinkeln von ie 450 wäre L = 100 daN, zl = z2 = 1,25, somit ist z1 x z2 = 1,5625 und L x z1 x z2 = 156,25 daN. Die vom Helfer aufzubringende Kraft ist mehr als das 1,5-fache der Last~ Wenn der Helfer nicht ziehen, sondern nur halten will, unterstützt ihn die Reibung: um das Seil nach unten zu ziehen, ist die Kraft H x z1 x z2 notwendig. Da nur das Gewicht der Last zieht, ist H x z1 x z2 = L, daher ist H = L / (z1xz2)" Im obigen Zahlenbeispiel wäre H = 64 daN.

ANHANG ll

Verluste infolge Biegesteifigkeit des Seils

Nach H. Ernst "Die Hebezeuge" findet beim Lauf eines Seils um eine Rolle folgendes statt:

Das auf die Rolle auflaufende Seiltrum setzt der Biegung Widerstand entgegen und erzeugt dadurch einen relativ großen Hebelarm (a) der Seilkraft bezüglich des Rollendrehpunkts. Auf der Rolle wird das Seil verformt, durch Überwinden der inneren Reibung ändert sich die Lage der Fäden zueinander, es ergibt sich eine bleibende Verformung, die aber nicht zwingend mit einer plastischen Verformung des Materials verbunden ist. Beim Ablaufen von der Rolle setzt das gebogene Seil dem Geradebiegen Widerstand entgegen, es schmiegt sich an die Rolle an und erzeugt einen relativ kleinen Hebelarm (b) der Seilkraft im ablaufenden Trum. Das Momentengleichgewicht um den Rollendrehpunkt ergibt: L x a = Z x b oder Z = L x a/b.