EP1904680B1

EP1904680B1 - Hochsicherheitsseil

Info

Publication number: EP1904680B1
Application number: EP06741617A
Authority: EP
Inventors: Walter NÜESCH
Original assignee: Cortex Humbelin AG
Current assignee: Cortex Humbelin AG
Priority date: 2005-07-21
Filing date: 2006-06-01
Publication date: 2010-03-17
Anticipated expiration: 2026-06-01
Also published as: WO2007009272A1; EP1904680A1; US20080223016A1; ATE461316T1; DE502006006459D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hochsicherheitsseil, welches aus einer Mischung von Kunststoffgarnen oder von Kunststoffgarnen und Metalldrähten gefertigt ist.
Hochsicherheitsseile werden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt. Insbesondere bekannt sind heute Hochsicherheitsseile, die als Sicherheitsfangseile insbesondere zur Verbindung eines Rades eines Rennwagens mit dessen Chassis verwendet werden. Bekannt ist ein solches Sicherheitsfangseil aus der WO 03/048602 . Das genannte Seil besteht aus einem Mischgarn aus Fäden mit relativ starren Kunststofffilamenten mit einer Dehnung bis zur Bruchverlängerung von 2 bis 5% und aus relativ elastischen Kunststofffilamenten mit einer Dehnung bis zur Bruchverlängerung von 12 bis 25%. Hierbei sind die verschiedenen Kunststofffilamente zu Garnsträngen gezwirnt, wobei die Garnstränge beruhigt gezwirnt sind, während das aus diesen Garnsträngen gefertigte Seil nicht beruhigt gezwirnt ist. Ein solches Seil hat nicht nur eine hohe Reissfestigkeit, sondern zudem eine erhöhte Dehnung, wodurch eine verbesserte Energieaufnahme erzielt werden kann.
Dank der entsprechenden erhöhten Energieaufnahme durch das Seil selber wird nicht die gesamte Energie bei einer Vollbelastung direkt auf die Verankerung übertragen, die oftmals im Gesamtsystem die kritische Stelle darstellt.
Das bekannte Sicherheitsfangseil, welches im Formel 1-Rennsport zum Einsatz gelangt, darf aus Sicherheitsgründen nur einen relativ kurzen Dehnweg aufweisen um zu verhindern, dass das abgebrochene nun am Fangseil hängende Rad an das Cockpit oder den Kopf des Fahrers schlagen kann. Bei anderen Rennfahrzeugen und in anderen Anwendungen wäre jedoch ein längerer Dehnweg nicht nur akzeptabel sondern gegebenenfalls sogar erwünscht. Die Anmelderin hat entsprechend in dieser Richtung weiter geforscht und insbesondere auch nach Lösungen gesucht, die praktisch eine kundenspezifische Anpassung der Kennmerkmale zu erzeugen erlaubt.
Betrachtet man die so genannte "work-to-break-energy" Kurve eines beliebigen Materials, so hat eine solche Kurve im Prinzip die Gestalt eines spitzwinkligen Dreiecks in einem Koordinatennetz, bei dem die Kraft F auf der Abszisse und die Elastizität E auf der Ordinate aufgetragen ist. Die Reissfestigkeit des Materiales spiegelt sich in der Höhe des Dreieckes wieder und die Elastizität des Materiales ergibt die Neigung der Hypothenuse des rechtwinkligen Dreiecks wieder. Werden nun verschiedene Materialien in einem Seil verarbeitet, so bleiben normalerweise die materialspezifischen Peaks in der gesamten Hüllkurve deutlich erkennbar. Je nach der Belastung führt dies zu einem äusserst ungünstigen Reissverhalten.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Hochsicherheitsseil zu schaffen, welches durch seine spezielle Fertigung eine Glättung der "work-to-break-energy" Kurve zu erreichen vermag, womit insgesamt die aufnehmbare Energie bis zum Bruch erhöht werden soll. Diese Aufgabe löst ein Hochsicherheitsseil mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Die Erfindung betrifft auch die Verwendung eines solchen Hochsicherheitsseiles für verschiedene Anwendungen, die bis heute für Seile dieser Art nicht in Betracht kamen. Insbesondere ergibt sich die erweiterte Anwendung auch dadurch, dass die Seile aus einer Kombination von Filamenten aus einem oder mehreren Kunststoffen sowie aus Drähten aus einen oder mehreren Metallen beziehungsweise Metalllegierungen fertigbar sind.
In der Zeichnung sind verschiedene Graphiken aufgezeigt, die symbolisch den erzielbaren Effekt der Erfindung darstellen. Es zeigt:

Figur 1: ein Kraftdehnungsdiagramm für verschiedene Materialien in symbolischer Darstellung
Figur 2: ein weiteres Kraftdehnungsdiagramm eines einzigen Materials, bestehend aus Garn, aus Zwirn und aus Kord
Figur 3: zeigt ein Kraftdehnungsdiagramm eines Hochsicherheitsseiles, welches gemäss der Erfindung gestaltet ist.

Hochsicherheitsseile werden in den meisten Fällen aus einem einzigen Material gefertigt, wobei man üblicherweise von der zu erwartenden höchsten Kraftaufwendung, die auf das Seil einwirken mag, ausgeht. Lediglich aus Gründen wie Wetterbeständigkeit, UV-Beständigkeit, Temperaturbeständigkeit oder sonstigen Anforderungen spezifischer Art hat man bisher zwei oder drei verschiedene Materialien gemischt angewendet. Dabei hat man sich konsequenterweise entweder auf textile Seile aus Natur- und Kunststofffasern beschränkt oder reine Metallseile gefertigt. Seile, die gemischt aus beiderlei Fasern und Drähten bestehen, sind auf dem Markt nicht erhältlich.
Wie im Kraftdehnungsdiagramm der Figur 1 schematisch dargestellt, haben die verschiedenen Materialien, die hier mit M₁, M₂, M₃ oder M₄ bezeichnet sind, unterschiedliche Elastizitätsmodule und unterschiedliche Maximalbelastbarkeiten (load-to-break)-Kurven. Die entsprechenden Kurven stellen symbolisch mono- oder multifilare Seile ohne Verzwirnung dar. Solche Kurven haben eine mehr oder weniger steile Flanke, ein relativ kleines Maximalplateau bis zur Maximaldehnung, welche zum Bruch führt.
Die Anmelderin hat in einer grossen Serie von Untersuchungen nun festgestellt, wie diese Kurven sich ändern, wenn statt einfaches Garn in verzwirnter oder in unverzwirnter Form zu Zwirnen oder zu Kord weiter verarbeitet werden. Hierbei wurde festgestellt, dass diese Form der Weiterverarbeitung die Flanke der Steigungskurve verflachen lässt und je nach Verarbeitungsart die maximale Kraftübertragung während eines längeren Dehnungsweges aufrecht erhalten werden kann. Mit anderen Worten, die bisher spitzen Kurven, wie sie aus der Figur 1 bekannt sind, lassen sich strecken. Hierdurch verflachen sich die Kurven insofern, dass bei steigender Zunahme der Kraft auch der Dehnungsweg zunimmt, wobei dies sowohl in der Anfangsphase auftritt als auch bei der maximal anlegbaren Kraft noch zunimmt. Die Gesamtleistung, die ein solches Seil aufzunehmen vermag, ist repräsentiert durch die Fläche unterhalb der Hüllkurve.
Je nach Anwendung ist es jedoch keineswegs erwünscht, bereits bevor die maximale Kraft anliegt, eine relevante Ausdehnung zu erhalten. Die Aufgabe der Erfindung wird hierin gesehen ein Seil zu schaffen, welches bis zur Erreichung der maximal anlegbaren Kraft einen möglichst geringen Dehnungsweg hat, jedoch bei Anliegen der maximalen Kraft eine möglichst grosse Dehnung bis zum Bruch erlaubt. Hierdurch lässt sich die maximale aufnehmbare Leistung optimieren.
Aus dem Kraftdehnungsdiagramm gemäss der Figur 3 ist nun ein Beispiel gezeigt, bei dem vier verschiedene Materialien symbolisiert durch M₁ bis M₄ verarbeitet sind, wobei sämtliche Materialien sowohl in der Form als Garn beziehungsweise Drähte vorliegt, sowie auch in der Form von Zwirnen und letztlich auch in der Form von Kord. Durch das Vorliegen dieser Materialien in allen drei Verarbeitungsformen, wobei nicht zwingend jedes Material in allen drei Verarbeitungsformen vorliegen muss, obwohl dies mit Sicherheit die optimalste Gestaltung darstellt, kann eine Kurve realisiert werde, die symbolisch praktisch als Rechteck aufgezeigt werden kann.
Da die Definitionen der hier verwendeten Begriffe international nicht völlig einheitlich ist, werden nachfolgend diese Begriffe so definiert, wie sie in der vorliegenden Erfindung verstanden werden. Das kleinste Element ist ein Monofilament oder ein einzelner Draht. Hierbei wird die Feinheit des Drahtes nicht festgelegt. Unter Garn wird in der vorliegenden Erfindung ein aus mehreren Filamenten bestehendes endloses Produkt verstanden. Hierbei kann das Garn ungedreht oder gedreht sein. In analoger Weisse kann ein Garn gemäss dieser Erfindung auch aus einer Vielzahl feiner Metalldrähte bestehen. Auch diese Metalldrähte können gedreht oder ungedreht sein.
In der Erfindung wird unter Zwirn ein Produkt verstanden, welches aus zwei miteinander verwundenen Garnen besteht. Jedes Garn kann S- oder Z-gezwirnt sein. Hierbei versteht man unter der S-Zwirnung eine Linksverdrehung und unter der Z-Zwirnung eine rechtsläufige Verzwirnung.
Unter einem Kord wird in der vorliegenden Erfindung ein Produkt verstanden, bei dem mindestens drei Garne zu einem Kord verzwirnt sind. Es hat sich herausgestellt, dass vorteilhafterweise hier mit einem Kord gearbeitet wird, welches aus drei Garnen besteht, wobei mindestens ein Garn anders gewickelt ist als die beiden anderen Garne. So wird man Korde erzeugen, die beispielsweise aus zwei S-gezwirnten Garnen und einem Z-gezwirnten Garn beziehungsweise aus zwei Z-gezwirnten Garnen und einem S-gezwirnten Garn gefertigt sind.
Die einzelnen Garne variieren nicht nur in der Drehrichtung, in der sie gezwirnt sind, sondern sie unterscheiden sich auch in der Anzahl Umdrehungen pro Meter. Diese Masszahl kann in der Grössenordnung von rund 30 Umdrehungen pro Meter bis maximal 600 Umdrehungen pro Meter variieren. Während die S-Zwirnung oder die Z-Zwirnung unabhängig von der Art des Materials verwendet werden kann, ist die Variation der
Umdrehungen pro Meter von verschiedenen Faktoren abhängig, wie beispielsweise die Steifigkeit der Materialien und selbstverständlich vom zu erzielenden Effekt. Prinzipiell gilt je geringer die Zwirnung, um so niedriger ist der Dehnweg bis zum Bruch, wobei jedoch zusätzlich zu berücksichtigen ist, dass bei einer sehr hohen Zahl der Umdrehungen pro Meter zwar der Dehnweg zunimmt bis zum Bruch, dass aber die Maximalkraft bis zum Bruch sich reduziert. Letzteres gilt insbesondere bei Garnen, die vollständig aus Metall gefertigt sind bzw. für Garne, die einen Metallteil enthalten.
Wie bereits erwähnt wird in der Erfindung vorteilhafterweise von Korden ausgegangen, die aus drei Garnen bestehen. Innerhalb eines Kordes soll dabei die Variation der darin verwendeten Garne sowohl bezüglich der Eigenschaften der Materialien als auch in Bezug auf die Anzahl Umdrehungen pro Meter nicht zu stark sein. Aus der nachfolgenden Tabelle ersieht man verschiedene Korde sowie deren Zusammensetzung aus verschiedenen Garnen, wobei nur die Angaben bezüglich der Drehungen der Garne angegeben sind, nicht jedoch deren materielle Zusammensetzung.
Bezüglich der hier in rage kommenden Materialien kann man im Wesentlichen die reinen Naturfasern unberücksichtigt lassen. Neben den bekannten Karbonfasern mit einer Reissfestigkeit von 20 cN/dtex oder auch die wesentlich elastischeren m-Aramid-Fasern, welche eine Reissfestigkeit von 4.7 cN/dtex haben, kommen hier natürlich in Frage. Die erwähnten elastischen m-Aramid-Fasern lassen sich auch sehr gut kombinieren mit den relativ starren p-Aramid-Fasern, die eine Reissfestigkeit von 19 cN/dtex besitzen. Eine besonders hohe Reissfestigkeit besitzen die ganz modernen PBO-Fasern, die gar eine Reissfestigkeit von rund 37 cN/dtex haben. Seile die aus solchen hochreissfesten Fasern hergestellt werden, vermögen Zugkräfte aufzunehmen, die die üblicherweise auftretenden Kräfte oft bei Weitem übertreffen. Trotzdem sind auch solche Hochsicherheitsseile, die aus solchen hochreissfesten Materialien gefertigt sind, äusserst problematisch im Einsatz. Die geringe elastische Dehnung bis zur Bruchverlängerung von lediglich 1.5 bis maximal 3.5 % limitiert deren Verwendung. Überall dort, wo während einer relativ kurzen Zeit sehr hohe Kräfte auftreten können, müssen die Seile über die Dehnung einen Teil der Energie absorbieren können, da ansonsten die auftretenden kurzzeitigen enorm hohen. Kräfte lediglich zu einer Zerstörung der Befestigungspunkte der Seile führen. Auch dann, wenn diese Befestigungspunkte in vielen Fällen wesentlich stärker dimensioniert werden können als die Seile selber, treten die Probleme erfahrungsgemäss an den Fixierpunkten auf.
Um die Deformationsarbeit, die vom Seil geleistet werden kann, zu vergrössern, eignet sich insbesondere die Beimischung von Metalldrähten, die entweder im Garn oder im Kord integriert sein können, insbesondere durch ein so genanntes core-spinning-Verfahren, wobei der oder die Metalldrähte im Zentrum liegen, während die Kunststoffgarne darum herum laufen. Bei den hier interessierenden Metalldrähten kommen selbstverständlich diverse Stahldrähte in Frage, jedoch haben sich insbesondere auch Drähte aus Nickel oder aus einer austhentischen Nickel-Chrom-Legierung bewährt. Austhentische Nickel-Chrom-Legierungen wurden in Form von Drähten mit einem Durchmesser von unter 0.5 mm zu Zwirnen verarbeitet und diese zu einem Seil mit einem Durchmesser von 12 bis 13 mm weiter verarbeitet. Ein solches Seil mit einer Länge von rund 600 mm lässt die Uebertragung von einer Maximalkraft von 57.8 kN zu. Die work-to-break Arbeit belief sich hierbei auch 10'000 Nm.
Wesentlich ist gemäss der vorliegenden Erfindung die Tatsache, dass das Seil aus drei unterschiedlichen Anteilen bestehen muss, nämlich einerseits aus Garnen, andererseits aus Zwirnen und drittens aus Korden. Wobei gleichzeitig von jedem Materialanteil dieses Material sowohl als Garn sowohl als Zwirn und als Kord vorhanden sein soll. Nur so ist sichergestellt, dass die drei unterschiedlichen Dehnungsbereiche desselben Materials auch genutzt werden.
Erst dank der Kombination aller drei Verarbeitungsstufen wird die maximale Dehnbarkeit des Materials auch voll genutzt. Obwohl die Verarbeitung von Metalldrähten im erfindungsgemässen Hochsicherheitsseil nicht zwingend ist, haben sich solche Drähte als ausgesprochen vorteilhaft erwiesen zur Abdeckung gewisser Dehnungsbereiche. Falls das Hochsicherheitsseil Anteile an p-Aramidfasern, m-Aramidfasern oder PBO-Fasern enthält, so sollte der Anteil dieser Fasern, die eine Reissfestigkeit von über cN/dtex aufweisen, mehr aus Anteilen von Garn und Zwirn bestehen, jedoch in geringerem Mass als reine Korde.
Die Verwendung solcher erfindungsgemässer Hochsicherheitsseile ist kaum geeignet für Seile, die lediglich eine relativ stetige sehr hohe Zugkraft übertragen müssen. Jedoch überall dort, wo extrem hohe Spitzenbelastungen eines Hochsicherheitsseiles auftreten, lassen sich die erfindungsgemässen Hochsicherheitsseile einsetzen. Insbesondere haben Tests erwiesen, dass solche Sicherheitsfangseile geeignet sind zum Einsatz im Automobilrennsport zur Verbindung eines Rades mit dem Chassis des Rennwagens. Bei einer solchen Verwendung hat es sich gezeigt, dass es sinnvoll ist, das erfindungsgemässe Seil so zu gestalten, dass mehrere Windungen zu parallelen Schlaufen geformt werden, so dass an beiden Enden mindestens eine offene Schlaufe geformt ist.
Ein weiterer Einsatzbereich dieser erfindungsgemässen Seile besteht darin, dass diese genutzt werden können, um daraus Sicherheitsfangseile zu knüpfen, die entlang von Skipisten und insbesondere entlang von Rennstrecken des Alpinsportes angebracht werden können.
Hochsicherheitsseile können ihre geforderten Sicherheitsnormen nur erfüllen, wenn diese unter überschaubaren Konditionen eingesetzt werden. Entsprechend eigenen sie sich kaum zum Einsatz in mehrjährigen Steinschlagschutzverbauungen oder Lawinenschutzverbauungen. Die herrschenden Umwelteinflüsse würden über die Dauer auch ihre Wirkung am Hochsicherheitsseil zeigen. Hingegen lassen sich die erfindungsgemässen Hochsicherheitsseile vorteilhaft zu Netzen verarbeiten, die als temporäre Lawinenfangnetze dienen können. Entsprechend lassen sich solche Seile auch zu Netzen als temporäre Steinschlagschutznetze verarbeiten.

Claims

Hochsicherheitsseil, welches aus einer Mischung von Kunststoffgarnen oder von Kunststoffgarnen und Metalldrähten gefertigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Seil aus einem ersten Anteil unverzwirnter oder verzwirnter Garne oder unverzwirnter oder verzwirnter Garne und Drähte,
- einem zweiten Anteil aus Zwirn gefertigt aus Kunststoffgarnen oder' aus Kunststoffgarnen und Metalldrähten

- sowie aus einem dritten Anteil aus Kord gefertigt aus Zwirnen, die aus Kunststoffgarnen oder aus Kunststoffgarnen und Metalldrähten gefertigt sind.
Hochsicherheitsseil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Kunststoffgarnsorte in jedem Anteil vorhanden ist.
Hochsicherheitsseil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Metalldrahtsorte, falls vorhanden, in jedem Anteil vorhanden ist.
Hochsicherheitsseil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Seil mindestens ein Garn aus Fasern der Gruppe der Karbonfasern, der p-Aramid-Fasern, m-Aramid-Fasern und PBO-Fasern umfasst.
Hochsicherheitsseil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Seil Drähte aus Nickel oder aus einer austenitischen Ni-Cr-Legierung umfasst.
Hochsicherheitsseil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwirne aus je einem gleich grossen Anteil an S- und Z-gezwirnten Garnen gefertigt sind.
Hochsicherheitsseil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Garnen mit einer Reissfestigkeit von über 10 cN/dtex vorwiegend im ersten und zweiten Anteil vorkommen.
Hochsicherheitsseil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Garne eine Zwirnung von min. 30 U/m und max. 600 U/m aufweisen.
Hochsicherheitsseil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalldrähte im Coverspin-Verfahren im Garn integriert sind.
Verwendung eines Hochsicherheitsseils nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass dieses als Sicherheitsfangseil zur Verbindung eines Rades eines Rennwagens mit dessen Chassis verwendet wird.
Verwendung eines Hochsicherheitsseils nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochsicherheitsseil zu mehreren Windungen parallel geschlossener Schlaufen geformt wird, so dass an beiden Enden mindestens je eine offene Lasche geformt ist.
Verwendung eines Hochsicherheitsseiles nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass hieraus Netze geknüpft werden, die als Sicherheitsfangnetze entlang Skipisten dienen.
Verwendung eines Hochsicherheitsseiles nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Netze als temporäre Lawinenfangnetze dienen.
Verwendung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Netze als temporäre Steinschlagschutznetze dienen.