Testy na wytrzymałość osadzenia śrub lodowych

 

   Mimo, że  fundamentalną zasadą wspinaczki lodowej nadal pozostaje nie odpadanie na prowadzeniu, warto jednak wiedzieć jak naprawdę zachowują się śruby lodowe przy odpadnięciu i jak najlepiej je osadzać, aby połączenie śruba/lód było jak najbardziej wytrzymałe, a dzięki temu wspinaczka w lodzie była bardziej bezpieczna.

   Niniejszy artykuł jest próbą zebrania i opisania wyników dotychczas przeprowadzonych testów na wytrzymałość osadzenia śrub lodowych w lodzie, a nie testów zwykłej wytrzymałości materiałowej i konstrukcyjnej, które są standardowo przeprowadzane przez producentów i dokładnie opisane w odpowiednich normach UIAA.

   Z testami wytrzymałości połączenia śruby z lodem jest niemały kłopot, bowiem trudno jest o obiektywnie takie same warunki przeprowadzenia testów, a w konsekwencji ich powtarzalność i porównywalność. Przedstawię wyniki trzech testów, każdy przeprowadzony inną metodą i dający różne wyniki.

 

Testy Craiga Luebbena dla Climbing Magazine

   Pierwszymi wartymi zainteresowania testami wytrzymałości osadzenia śrub lodowych były testy wykonane pod kierunkiem Craiga Luebbena na zlecenie magazynu Climbing i tamże(11/97) w artykule pod tytułem " The cold truth - How strong is ice protection?" zamieszczono ich wyniki. Testy były przeprowadzane w naturalnych warunkach, na naturalnym lodzie w Ouray and Boulder Canyon ice, poprzez puszczanie ciężaru ok. 80kg statycznie przymocowanego liną do wkręconej śruby lodowej z różnych wysokości, co dawać miało obciążenia na punkt asekuracyjny rzędu 8-12kN. Okazało się, że średnio w 7 na 12 przypadkach śruba została wyrwana z lodu!!! Testowano przy tym wiele możliwości, wśród których były m.in. różne kąty (w górę, dół) i różne długości śruby, z których wynika, że lepiej jest wkręcać śrubę lekko od dołu ku górze i że dłuższa śruba lepiej "siedzi" od krótszej... Główną konkluzją testów było jednak to, ze jakość lodu jest zbyt zmienna i trudna do zmierzenia aby można było dokładnie określić wytrzymałość osadzenia śruby lodowej. W części krytycznej eksperymentu zaznaczono, że wiele czynników wpływających na powtarzalność testów nie została wzięta pod uwagę (jak np. temperatura i ekspozycja na słońce), w związku z tym nie należy ich brać zbyt poważnie, niemniej jednak pewne spostrzeżenia warto sprawdzić w następnych badaniach.

 

Testy Chrisa Harmstona dla Black Diamond Equipment

   Następnym znanym eksperymentem na tym polu były testy przeprowadzone pod kierownictwem Chrisa Harmstona w laboratoriach firmy Black Diamond w latach 1996 -1997. W wyniku tych testów powstała broszura pod tytułem "Myths, Cautions and Techniques of Ice Screw Placement (a summary of two years of research)". Testy były przeprowadzone w warunkach laboratoryjnych, w tym celu przygotowano próbki lodu zamrażając zwykłą wodę z kranu w specjalnych, stalowych, cylindrach w temperaturze od -5°C do -10°C w czasie ok. 72 godzin. Lód zamarzając w cylindrach powiększał swoją objętość, czasem pękał i wybrzuszał się, znacznie wystając poza końce cylindra. Jeśli lód popękał, obcinano jego końce, ponownie uzupełniano wodą i zamrażano. W ten sposób uzyskiwano "dwustronne" próbki lodu, w które wkręcano śruby własnej produkcji o różnej długości i pod różnymi kątami, a następnie poddawano testom na wytrzymałość osadzenia w "uniwersalnej maszynie testowej"(Universal Test Machine). W wyniku obciążenia zazwyczaj najpierw lód pękał w promieniu 5-8cm wokół śruby, następnie w wyniku powstałej dźwigni śruba gięła się i w końcu, albo śruba wypadała z lodu, albo urywał się uchwyt na karabinek, albo łamała się sama śruba. W tą samą próbkę lodu wkręcano następną śrubę z drugiej strony i poddawano testom (i tu autorzy testu zaznaczają, że próbka lodu była już "lekko" uszkodzona po pierwszym teście z przeciwnej strony). Po wykonaniu testów z dwóch stron próbki, powstałe ubytki w lodzie uzupełniano wodą i ponownie zamrażano do wykorzystania w następnych testach. Cykl wykorzystania jednej próbki do testów powtarzano maksymalnie 20 krotnie. Jak widać powyższy sposób przygotowywania próbek lodowych jest mało powtarzalny i zbyt niedokładny, mimo to był krokiem we właściwym kierunku nad badaniami laboratoryjnymi wytrzymałości osadzenia śrub lodowych. Teraz o wynikach samych testów.
   Na początek przetestowano wytrzymałość osadzenia śruby lodowej w zależności od jej długości. Intuicja podpowiada, że im śruba jest dłuższa, tym lepiej "siedzi" w lodzie, takie też wyniki uzyskał w testach dla magazynu Climbing Craig Luebben, aczkolwiek w badaniach Black Diamond wykazano, że w "dobrym lodzie" różnice wytrzymałości osadzeń śrub różnej długości są naprawdę niewielkie. Poniżej przedstawiono tabelę wyników testów wytrzymałości osadzeń śrub lodowych w zależności od ich długości.

Długość śruby
22cm
17cm
13cm
razem
Ilość prób
86
113
63
262
Średnia wytrzymałość w kN
22,3
21,6
19,0
21,2
Odchylenie standardowe w kN
5,8
6,4
5,7
6,1
Największa wytrzymałość w kN
40,4
37,1
36,8
40,2
Najmniejsza wytrzymałość w kN
12,2
8,8
10,6
8,8

Tabela 1. Wyniki testów wytrzymałości osadzeń śrub lodowych
w zależności od ich długości

   Śruby wykorzystane w powyższych testach były umieszczane możliwie prostopadle w stosunku do powierzchni lodu z maksymalnym odchyleniem +/-5° i jak widać z dużej rozbieżności pomiędzy największą a najmniejszą wytrzymałością, przy każdej długości śruby, mieliśmy do czynienia z bardzo różnymi próbkami lodu. Ponadto jak wynika z powyższych testów nie zawsze trzeba używać najdłuższej śruby i decyzję jakiej śruby użyć każdorazowo musimy podjąć w zależności od napotkanych warunków. Następujące czynniki należy wziąć pod uwagę przy doborze długości śruby do wkręcenia: grubość dobrego lodu pozostała po jego oczyszczeniu, poziom zmęczenia (aby wkręcić dłuższą śrubę trzeba użyć więcej siły), częstotliwość osadzania śrub na prowadzeniu(częściej-śruby mogą być krótsze, rzadziej-powinny być dłuższe). Generalnie autorzy testu radzą aby zawsze dobierać długość śruby taką, która Twoim zdaniem da Ci najwięcej komfortu psychicznego pod względem poziomu bezpieczeństwa i zmęczenia. Jeśli jesteś tuż nad ziemią lub tuż nad stanowiskiem podczas odpadnięcia generujesz większe obciążenia na punkty asekuracyjne, wtedy użyj możliwie jak najdłuższej śruby lub nawet użyj dwóch śrub, to samo tyczy się gdy nie masz pewności co do jakości lodu, w którym osadzasz śrubę.
   Następne testy przeprowadzono osadzając śruby pod różnymi kątami w stosunku do powierzchni lodu. Osadzenie śruby prostopadle w stosunku do powierzchni lodu wybrano jako odniesienie i oznaczono jako 0°, osadzenie śruby tradycyjną metodą w kierunku z góry ku dołowi(w przeciwnym kierunku niż obciążenie) oznaczono jako kąty ujemne, natomiast osadzenie śruby w kierunku od dołu ku górze (w tym samym kierunku co obciążenie) oznaczono jako kąty dodatnie (patrz rys.1).


Rys. 1. Konwencja oznacznia kątów osadzenia śrub lodowych
w testach firmy Black Diamond

   Testy wytrzymałości osadzeń śrub lodowych pod różnymi kątami przeprowadzono na śrubach różnej długości(13, 17, 22cm) produkcji Black Diamond Equipment(Tubular Ice Screw), a ich wyniki przedstawia poniższy diagram(rys. 2).


Rys. 2. Diagram przedstawiający wyniki testów na wytrzymałość osadzeń śrub lodowych
pod różnymi kątami.

   Z powyższych testów wynika, że osadzanie śrub lodowych w kierunku zgodnym z kierunkiem obciążenia jest dużo bardziej wytrzymałe niż w przeciwnym kierunku. I tak np. przy 15°; wytrzymałość osadzenia śrub zgodnie z kierunkiem obciążenia jest ponad dwukrotnie większa niż w przeciwnym kierunku!!! Niemniej należy zwrócić uwagę, że testy te zostały przeprowadzone na podobnie przygotowywanych próbkach lodu jak to było przy testach wytrzymałości śrub różnej długości, więc nie można mówić o jednakowości warunków dla każdego testu, stąd również może wynikać duża rozbieżność w wynikach. Autorzy zastrzegają również, że po pierwsze: wyniki testów dotyczą śrub ich własnej produkcji i dotyczą osadzeń w "dobrym lodzie"; po drugie: w zależności od jakości lodu(gdy lód jest popękany, płytki, miękki lub "zmurszały") właściwsze może okazać się poleganie na wytrzymałości śruby na efekt dźwigni niż na wytrzymałość osadzenia w lodzie i wtedy należy osadzić śrubę lodową w kierunku przeciwnym do obciążenia; po trzecie: jeśli istnieje możliwość, że śruba lodowa wytopi lód i wtedy samoistnie może wypaść(tak się może stać podczas wspinaczki w lodzie w słoneczny dzień o wystawie południowej i to pomimo temperatur poniżej 0°C, lub gdy pod warstwą lodu płynie woda), należy umieszczać je w kierunku przeciwnym do potencjalnego obciążenia!!! Na koniec radzą również aby z powodu zmienności warunków lodowych, wystawy(północ, południe) i temperatury osadzać asekurację w najwłaściwszy sposób dla każdej napotkanej sytuacji. Założenie, że wszystkie śruby lodowe powinny być osadzane pod jednym konkretnym kątem jest błędem i może prowadzić do poważnych zagrożeń!
   Ostatnimi przeprowadzonymi w laboratoriach Black Diamond testami były testy wytrzymałości na efekt dźwigni osadzeń śrub lodowych nie do końca wkręconych w lód i porównanie ich z wytrzymałością śrub skróconych za pomocą taśmy. Wyniki tych testów przedstawia rys.3.


Rys. 3. Wyniki testów na efekt dźwigni śruby lodowej nie do końca wkręconej w lód.

   Punkty na wykresie przedstawiają średnie wyniki testów przeprowadzonych w kilku latach bez zwracania uwagi na kąt osadzenia śruby (tzn. starano się osadzić śruby prostopadle w stosunku do lodu, co przy małych głębokościach osadzeń mogło być trudne). Na każdy punkt na wykresie przypadało ok. 10 prób. Linia przedstawiająca średnią wytrzymałość skróconej śruby lodowej, jest średnią z 4 przeprowadzonych testów na 22cm śrubie wystającej z lodu ok. 7-8cm, których wyniki wahały się od 10,5kN do 15,6kN. Wyniki sugerują, że należy śrubę skrócić, jeżeli wystaje ona z lodu co najmniej 5cm, natomiast spokojnie można wpinać karabinek bezpośrednio w uchwyt, jeśli śruba wystaje z lodu mniej niż 5cm. Średnia wytrzymałość skróconej w powyższych testach śruby wynosiła ok. 12kN. Wytrzymałość skróconej śruby lodowej gwałtownie spada przy obciążeniu ok. 6,7kN kiedy to śruba wygina się, co powoduje zsunięcie się taśmy na jej koniec, co z kolei powoduje jeszcze większy efekt dźwigni. Zerwanie następuje poprzez przecięcie taśmy na uchwycie karabinka przy obciążeniach rzędu 8,9-15,6kN. W większości przypadków taka wytrzymałość wystarczy, natomiast jeśli wspinamy się z mało dynamiczną liną(duża siła graniczna) i może wystąpić duży współczynnik odpadnięcia lepiej jest wtedy użyć krótszej śruby. Autorzy zastrzegają, że konkluzje dotyczące testów ze skróconymi śrubami mogą być błędne z powodu zbyt małej ilości wykonanych testów, a co za tym idzie dających zbyt duże odchylenie standardowe.

   W porównaniu z amatorsko przeprowadzonymi testami Craiga Luebbena dla magazynu Climbing, testy przeprowadzone pod kierunkiem Chrisa Harmstona dla firmy Black Diamond Equipment wydają się być o wiele bardziej wartościowe i sprawdzające więcej aspektów wytrzymałości osadzenia śrub lodowych. Niemniej jednak pozostawiają pewien niedosyt ze względu na ciągle zbyt małą powtarzalność przeprowadzonych testów. I pewnie z tego powodu za badania w tej dziedzinie w końcu wzięli się naukowcy.

 

Testy Warrena Bennetta i Stefano Alziatiego z MIT

   Pierwotnym motywem projektu Bennetta i Alziatiego był brak powtarzalności dotychczasowych testów wytrzymałości osadzenia śrub lodowych w warunkach laboratoryjnych. Drugim motywem było stworzenie standaryzowanych metod wytwarzania lodu w warunkach laboratoryjnych i testowania śrub lodowych lub innych akcesoriów do asekuracji w lodzie. Badania przeprowadzono w Massachusetts Institute of Technology na przełomie 2002/2003 w ramach tzw. Open Course Ware (wolny i otwarty uniwersytet dla wykładowców, studentów i samouków z całego świata).
   Na początek postanowili opracować metody produkcji dwóch różnych typów lodu (ABS1 i ABS2) oraz metodę sprawdzania próbek lodu pod kątem ich mikro-mechanicznej struktury. Typ lodu oznaczany jako ABS1 przedstawia w testach tzw. "dobry lód", typ lodu oznaczany jako ABS2 przedstawia jedną z form "złego lodu" jaką może napotkać wspinacz. Do produkcji "dobrego lodu"(ABS1) użyli podobnej metody jaką zastosował Chris Harmston w testach dla Black Diamond, jedynie zamiast stalowego cylindra użyli plastikowych i lateksowych elementów, dzięki czemu uzyskiwano lód o lepszej i łatwiejszej do powtórzenia strukturze z mniejszą ilością pęknięć, łatwiej też było wydobyć próbkę lodu z plastikowego cylindra niż z metalowego. Sam proces zamrażania próbek pozostał bez zmian, tzn. w temp od -5°C do -10°C i w czasie do 72h. Dla wyprodukowania "złego lodu"(ABS2) przetestowano 6 metod, których tu nie będę opisywał. Wystarczy, że opiszę metodę, którą w końcu wybrano jako najwłaściwszą, otóż wymieszano zwykłą wodę kranową z wodą gazowaną dwutlenkiem węgla w stosunku 3/1.
W ten sposób uzyskano próbki "dobrego" i "złego lodu", co przestawiają ryc. 1 i ryc. 2.


Ryc. 1. Próbka "dobrego" lodu(ABS1).

Ryc. 2. Próbka "złego" lodu(ABS2).

   Następnie opracowano metody na sprawdzanie identyczności próbek w ramach każdego z typów (ABS1 i ABS2), w wyniku badań wybrano testy na ściskanie i testy na uderzenie puszczonej z wysokości 1m stalową kulką o wadze 0,1kg i średnicy 65mm. Wyniki każdych z tych testów pozwalają wybrać z dziesiątek próbek w każdym typie lodu te o mniej więcej tej samej mikro-mechanicznej charakterystyce.
    Mając już możliwość wyprodukowania powtarzalnych próbek lodu każdego typu przystąpiono do testów nad wytrzymałością osadzeń śrub lodowych pod różnymi kątami w stosunku do powierzchni lodu. Nie wiem dlaczego ale pewnie były jakieś powody aby inaczej niż w testach Chrisa Harmstona oznaczyć kąty osadzenia śrub lodowych, które przedstawia rys. 4.


Rys. 4. Konwencja oznacznia kątów osadzenia śrub lodowych
w testach Benetta i Alziatiego

    Do tych testów konieczne było przygotowanie większej ilości próbek "dobrego" i "złego lodu", ponieważ z nałożenia każda próbka mogła być użyta tylko dwa razy (po jednym teście z każdej ze stron próbki). W tym celu zastosowano cylindry z PCV o średnicy 30cm, długości 40cm i grubości ścianek 15mm, do których wkładano zwykłe worki na śmieci, które przymocowywano taśmą klejącą. W ten sposób zamarzająca woda mogła bez przeszkód powiększać swoją objętość. Następnie każdą próbkę przycięto (ryc. 3) i umieszczono w maszynie testowej osadzając w niej śrubę lodową(ryc. 4). Do testowania użyto śrub Black Diamond(Tubular Ice Screw) o długości 13cm. Testy przeprowadzano w maszynie testowej z dwoma różnymi tempami obciążania(wysokim i niskim) oznaczając moment zerwania połączenia śruba/lód jako jego wytrzymałość(ryc. 5).


Ryc. 3. Przycinanie próbki lodu do testów

Ryc. 4. Umieszczenie próbki lodu w maszynie testowej

Ryc. 5. Moment zerwania połączenia lód/śruba po osiągnięciu granicznego obciążenia

   Ogółem przeprowadzono 36 prób wytrzymałości osadzenia śrub lodowych, z czego 20 przypadło na "dobry lód"(ABS1) i 16 na "zły lód"(ABS2). Wyniki wszystkich przeprowadzonych testów przedstawia Tabela 2.

Typ lodu
Tempo obciążania (cal/s)
Kąt osadzenia śruby lodowej
Wytrzymałość (N)
Średnio
Odchylenie standardowe (N)
Test 1
Test 2
Test 3
Test 4
ABS1
0,01
-30°
4822
5559
6386
8021
6197
1374
ABS1
0,01
6453
8306
-
-
7379
1310
ABS1
0,01
30°
4213
5262
6799
7355
5907
1435
ABS1
1,0
-30°
738
987
1164
1195
1021
210
ABS1
1,0
1533
2431
-
-
1982
635
ABS1
1,0
30°
5559
2626
3920
489
3149
2141
ABS2
0,01
-30°
4764
7488
4022
-
5425
1825
ABS2
0,01
10794
10319
-
-
10557
336
ABS2
0,01
30°
2911
4848
3044
-
3601
1082
ABS2
1,0
-30°
364
835
1622
-
941
635
ABS2
1,0
3017
3177
-
-
3097
113
ABS2
1,0
30°
3702
2351
1244
-
2432
1231

   To są "suche" dane, ale zapytacie: co z nich wynika? Otóż celem tych badań nie było sprawdzenie konkretnej wytrzymałości osadzenia jakiejś śruby w lodzie jeno opracowanie metod przeprowadzania takich testów w laboratoriach w sposób powtarzalny i standaryzowany. Niemniej jednak dzięki powyższym badaniom da się zauważyć pewne trendy, które mogą posłużyć jako punkty wyjściowe następnych badań. Po pierwsze: wydaje się, że jednak (generalizując) najwłaściwszym kątem dla osadzania śrub lodowych jest kąt 0°; czyli prostopadle do jego powierzchni lodu. Aczkolwiek da się zauważyć, że dla większego tempa obciążania lepiej wytrzymywały śruby osadzone od góry ku dołowi(+30°), natomiast dla mniejszego tempa obciążania lepiej wytrzymywały śruby osadzone od dołu ku górze(-30°). Po drugie: z powyższych testów wynika, że o wiele większe znaczenie od kąta osadzania śruby lodowej względem powierzchni lodu ma tempo obciążania i przy mniejszym tempie obciążania wytrzymałość osadzenia śruby lodowej jest ponad trzykrotnie większa!!! Śruby obciążane szybciej powodowały pękanie i odpadanie lodu dużymi kawałkami, natomiast te obciążane wolniej delikatniej deformowały lód pozwalając mu pochłonąć więcej energii. Z tego wynika, że jednym z ważniejszych czynników znacznie poprawiających bezpieczeństwo przy wspinaczce lodowej jest używanie jak najbardziej dynamicznej liny(z niską siłą graniczną) i stosowanie absorberów energii. Innym ciekawym spostrzeżeniem jest, że lód napowietrzony wcale nie musi słabo trzymać śruby, ponieważ bąble powietrza zapobiegają rozprzestrzenianiu się pęknięciom w lodzie i w ten sposób hamują jego deformację.

 

   Powyższy tekst powstał na podstawie następujących materiałów:

- Craig Luebben, "The Cold Truth - How Strong is Ice Protection?", Climbing Magazine, November 1997, pp. 106-115.

- Chris Harmston, "Myths, Cautions and Techniques of Ice Screw Placement (a summary of two years of research)", Internal Report, Blac Diamond Equipment, October 1997.

-Warren Bennett and Stefano Alziati, "Simulating and Testing Ice Screw Performance in the Laboratory", Final Report 16.622, Massachusetts Institute of Technology, Open Course Ware, Spring 2003.

 

© 2004 Krakus