Физические принципы динамической страховки

Сказанное выше требует некоторой количественной оценки. Именно оценки, т.к. дальнейшее рассмотрение не претендует на полноту и содержит ряд допущений и упрощений. Однако оно даёт хорошее представление о величинах нагрузок, возникающих в различных звеньях страховочной цепи, подсказывает правильные решения при организации движения с нижней страховкой.

Сделаем следующие предположения:

1) падение в случае срыва происходит по отвесу, без контакта с рельефом или элементами сооружений;

2) зависимость удельного растяжения верёвки от нагрузки линейна;

3) сила торможения во время задержания постоянна;

4) имеются данные по величине рывка и относительному растяжению верёвки при испытании по стандарту УИАА (UIAA – Union of International Alpine Associations);

5) пренебрегаем поглощением энергии падения за счёт амортизации тела сорвавшегося, затягивания узлов и т.п., вклад которых важен только при «малых» падениях, что нужно иметь ввиду при оценке результатов расчетов.

На рис 3 представлена зависимость удельного растяжения веревки (т.е. растяжение 1 м веревки в %) от нагрузки. На графике обозначены особые точки – растяжение при испытаниях по стандарту УИАА, разрывное усилие в узле, где теряется 20-40% прочности веревки и разрывное усилие веревки. Представлено также линейное приближение к реальной зависимости, которое и будет использоваться в дальнейшем рассмотрении.

Рис. 3

Пусть груз весом Р кГ, закреплённый на верёвке длиной L м, падает на глубину Нм до натяжения верёвки (Рис. 4). При натяжении верёвка растянулась на l_раст, кроме того, при удержании груза было протравлено l_трав. верёвки. Таким образом, потенциальная энергия упавшего груза относительно точки зависания равна:

и она при зависании полностью переходит в кинетическую энергию, которая и компенсируется работами сил трения и растяжения верёвки.

Рис. 4

Если принять, что сила, действующая на верёвку со стороны упавшего груза, равна F кГ, то работа сил трения:

,

а работа сил растяжения верёвки с учётом предположения о линейности зависимости сила – растяжение

(пропорциональна площади треугольника на Рис.5).

Тогда уравнение компенсации энергии падения работами сил трения и растяжения будет иметь вид:

(1)

Графически процесс динамической страховки представлен на диаграмме Рис. 5. По оси ординат – сила F, а по оси абсцисс величина протравливания + растяжения верёвки. Сорвавшийся сначала падает на глубину H = 2h без нагрузки на веревку. С этого момента начинается растяжение веревки и возрастание нагрузки до величины F, после которой начинается протравливание веревки. Начало протравливания (а значит и величину F) страхующий может определять величиной усилия, прилагаемого регулирующей рукой к веревке на входе в тормозные элементы страховочной цепи. Заштрихованная площадь пропорциональна погашенной при страховке энергии.

Рис. 5

Уравнение (1) можно решить в общем виде, но проще и нагляднее рассмотреть решение при двух крайних предположениях:

- для страховки используется статическая веревка и ее растяжением можно пренебречь, т.е. компенсация энергии падения происходит только за счет работы сил трения при протравливании веревки при динамической страховке (l_раст = 0);

- для страховки используется динамическая веревка, а сама страховка статическая, т.е. без протравливания веревки (l_трав = 0), и компенсация энергии падения происходит в этом случае только за счет растяжения веревки.

Какие усилия возникают в страховочной цепи в этих случаях и возможно ли достижение допустимых значений в отдельных звеньях этой цепи?

а). Рассмотрим первый вариант. При l_раст = 0 уравнение (1) принимает вид:

(2)

Интересно решить это уравнение относительно l_трав, чтобы определить нормы протравливания веревки при нужных значениях F:

(3)

Для примера, пусть вес сорвавшегося равен 80 кГ, он является самым слабым звеном страховочной цепи и может выдержать рывок 400 кГ, а H=2h, где h – превышение точки срыва над последней точкой промежуточной страховки.

Тогда, подставив принятые значения в уравнение (3), получаем:

,

т.е. для получения величины рывка, не превышающей 400 кГ, необходимо протравить длину веревки, равную половине превышения сорвавшегося над последней точкой закрепления.

И этот запас веревки всегда должен быть в распоряжении страхующего, который заблаговременно должен информировать страхуемого о количестве оставшейся веревки с тем, чтобы последний мог заранее выбрать удобное место для организации самостраховки, приема второго в связке и подготовки к дальнейшему движению.

Следует отметить, что в рассмотренном примере слабым звеном страховочной цепи был сорвавшийся с довольно высоким значением допустимого рывка. Однако, нередки ситуации, когда имеются более слабые звенья, когда допустимые значения F значительно меньше принятого в примере.

В этом случае, следуя уравнению (3), норма протравливания увеличивается.

б) Во втором варианте l_трав = 0, и уравн. (1) принимает вид:

(4)

Интересно решить его относительно усилия F, возникающего в страховочной цепи при статической страховке, и понять, допустим ли этот вид страховки в качестве нижней.

Для решения введем некоторые подстановки.

Учитывая, что l_раст зависит от нагрузки F и длины веревки L, а также принятое предположение о линейной зависимости удельного растяжения веревки (растяжение одного метра) _раст (F) от нагрузки, можно написать:

где , а ,

т.е. является функцией угла наклона зависимости _раст от нагрузки F и является, по предположению, постоянной величиной (Рис. 3). Эту величину для каждого вида веревки можно определить из сопроводительных данных к этой веревке, в которых дается удельное растяжение веревки при испытаниях по методике УИАА ( _исп), и значение рывка при этом :

(кГ^-1)

Физически величина «В» означает удельное растяжение при нагрузке 1 кГ и она постоянна для каждого типа веревки, являясь ее характеристикой.

Введем также важное понятие фактора рывка, определяемого как отношение глубины падения к длине веревки, на которой зависает сорвавшийся:

Рис.6 поясняет смысл определения понятия «фактора рывка»:

Рис 6

Сделаем подстановку введенных определений для l_раст и K в уравнение (4) и преобразуем его:

(5),

или

(6)

Решая это квадратное уравнение, получаем выражение для оценки величины рывка:

(7)

Из уравнения (7) видно, что сила рывка определяется единственной меняющейся во время страховки величиной – изменением фактора рывка K, который при взаимной страховке меняется в пределах 0 ÷ 2. Видно также, что рывок при K = 2 не зависит от глубины падения. Физически это объясняется тем, что с увеличением глубины (а значит и энергии) падения пропорционально увеличивается длина веревки, на которой зависает груз, т.е. пропорционально с увеличением энергии падающего груза увеличивается и энергопоглощение за счет растяжения веревки.

Современные динамические веревки имеют рывки при испытаниях по методике УИИА, (К = 1, 78) в пределах 720 ÷ 820 кГ, а удельное растяжение при этом 0, 34 ÷ 0, 37. Это дает для среднего значения B величину

4, 7 × 10 ^(-4) (кГ^-1)

.

Оценка величины рывка по уравнению (7) дает значения:

при K = 2, F ≈ 910 кГ,

при K = 1, F ≈ 660 кГ,

при K = 0, 33, F ≈ 420 кГ.

Из оценок видно, что лишь при трехкратном превышении длины веревки относительно глубины падения нагрузка на сорвавшегося при статической страховке не будет превышать рекомендуемой величины (400 ÷ 450) кГ при использовании лучших динамических веревок и при этих условиях статическая страховка на динамической веревке возможна. При значениях К> 0, 3, страховка должна быть динамической.

Если в цепи страховки имеется слабое звено, имеющее малую несущую способность, страховка должна обеспечивать соответствующие величины нагрузок.

В свете сказанного выше, рассмотрим некоторые случаи организации страховки.

Рис. 7

На рисунке 7 показаны варианты самостраховки на «усах». По сути это в чистом виде статическая страховка. Когда страхуемый находится внизу, в случае срыва K ≈ 0 и рывок сопоставим с весом сорвавшегося. В средней части K ≈ 1, и рывок уже близок к предельно допустимому, а в верхней части K ≈ 2, и рывок очень опасен. Здесь надо учитывать вклад амортизации человеческого тела, обвязки, узлов и т.д., которые дают существенный вклад при «малых» срывах, например, как здесь, на самостраховках (По некоторым данным, энергопоглощение за счет амортизации тела эквивалентно ~80кГм, т.е. энергии падения тела весом 80 кГ на глубину 1 м, поэтому при самостраховке допустимы значения фактора рывка до 1).

Аналогичные ситуации могут возникнуть и при организации самостраховки на вертикальных перилах. При движении страхуемый должен следить за перемещением схватывающего устройства по перилам. Оно всегда должно находиться не ниже точки уровня закрепления на ИСС идущего. Только в этом случае фактор рывка не будет превышать допустимого значения (K< 1).

Рассмотрим варианты организации нижней страховки. Как уже говорилось, в этом виде страховки ведущий по мере передвижения организует промежуточные точки страховки. При создании точек закрепления их не всегда можно расположить по одной линии.

Например, на скальном рельефе организация промежуточных точек требует наличия трещин, выступов, которые редко располагаются в нужном порядке. На Рис. 8 представлены варианты прохождения страховочной веревки через промежуточные точки страховки. На варианте «а» веревка проходит через точки закрепления, снабженные специальными оттяжками (См. Раздел 2), спрямляющими ход веревки. На варианте «б» для страховки используется двойная веревка, ветви которой проходят через промежуточные точки страховки без перегибов.

Эти варианты организации страховочной цепи при срыве ведущего позволяют участвовать в поглощении энергии падения всей длине выданной веревки, что существенно снижает негативные последствия срыва. Кроме того, прямое прохождение веревки облегчает действия ведущего при прохождении маршрута.

На варианте «в» рис. 8 показано неправильное и опасное прохождение веревки через промежуточные точки страховки. Перегибы веревки создают трение в точках страховки. Во-первых, это значительно затрудняет работу ведущего. Трудности с протягиванием веревки создают опасную ситуацию, особенно при преодолении проблемных участков. Во-вторых, в случае срыва усилие за счет трения в местах перегиба передается только на часть выданной веревки, то есть не вся длина веревки участвует в поглощении энергии падения. Возможны случаи «глухого» рывка, когда страхующий даже не ощущает его. Здесь могут возникнуть весьма большие нагрузки на отдельные элементы страховочной цепи, а величина фактора рывка K неопределённа, но наверняка имеет завышенные значения.

Рис. 8

И, наконец, на Рис. 7 показан вариант самостраховки с помощью скользящего карабина на вертикальных металлических тросах, трубах и т. п., для которых нет быстро устанавливаемых схватывающих элементов. Такая ситуация может возникнуть на техногенных объектах, особенно при движении по пространственным металлоконструкциям. Встречается она и на природных объектах. Например, в Альпах популярны маршруты Via Ferrata, когда сложные участки оборудуются лестницами, скобами для передвижения и металлическими, обычно тросовыми, вертикальными перилами для самостраховки, закрепленными через 3-5 м.

В случае срыва в удаленном от нижней точки закрепления перил месте, падение происходит на глубину до нижней точки закрепления перил (3-4 м) плюс длина уса самостраховки (~1 м).

Фактор рывка при этом будет:

,

Это значительно превышает максимальное значение K при взаимной страховке (K_max=2). Рывок при этих условиях смертельно опасен, так как выходит за пределы всех допустимых значений.

Каков же выход из таких ситуаций? Как обезопасить себя при невозможности организовать динамическую страховку напарником?

Рассмотрим еще один вид страховки, которую можно классифицировать как динамическую. Реализация этого вида страховки достигается путем включения в цепь страховки еще одного элемента – амортизатора, представляющего собой устройство для поглощения энергии падения сорвавшегося.

По принципу действия амортизаторы подразделяются на разрушаемые (текстильные) и тормозные. Разрушаемый амортизатор представляет собой прочную ленту сложенную вдвое и прошитую специальным швом. На концах ленты - петли для присоединения амортизатора. Энергия падения тела при нагружении амортизатора расходуется на разрыв сшивок ленты. Нагрузка разрыва определяется характеристиками амортизатора (прошивного шва) и колеблется от 200 кГ до 600 кГ. Выпускаемые нашей промышленностью амортизаторы для высотных работ изготавливаются в соответствии с ГОСТом.

Многие фирмы выпускают эти изделия. Есть варианты комплектации амортизатора с «усами» самостраховки (Рис.9)

Рис. 9

Тормозные амортизаторы поглощают энергию за счёт протравливания определённого запаса верёвки через специальное тормозное устройство. Примеры таких амортизаторов представлены на Рис.10а и 10б.

Рис. 10а

Варианты использования амортизатора (Рис.10б) и возникающие при этом усилия рывка представлены в таблице.

Рис. 10б

Энергоёмкость амортизаторов зависит от количества стежков и усилия разрыва в ленточных амортизаторах, от силы трения и длины протравливаемой верёвки в тормозных амортизаторах.

Временная характеристика силы рывка для динамической верёвки изображена на рис. 11, где:

1 – кривая рывка без амортизатора,

2 – кривая рывка с амортизатором,

P – вес сорвавшегося,

F – порог разрыва (протравливания) амортизатора,

3 – пик остаточного рывка при недостаточной энергоёмкости амортизатора (например, при большом весе сорвавшегося).

Рис. 11

Естественно, что необходимо подбирать такие амортизаторы, которые имеют достаточный запас по энергоёмкости. Следует также добавить, что в случае срыва с амортизатором глубина падения увеличивается на длину распущенного амортизатора, что надо учитывать при работе.

Интересно применение амортизаторов в составе оттяжек при организации промежуточных точек страховки.

Энергия падения сорвавшегося будет скомпенсирована такой оттяжкой непосредственно в точке зависания. Пример такой оттяжки приведен на Рис 12.

Рис. 12

Амортизаторам нет альтернативы при организации самостраховки на точке закрепления или на перилах в тех случаях, когда фактор рывка может превысить 1 (K ≥ 1). Целесообразно применение амортизаторов и при взаимной страховке. Если лидер связки снабжен амортизатором, не последует неприятностей при ошибке в организации цепи страховки. Полезно при этом и использование оттяжек-амортизаторов в точках промежуточной страховки, особенно там, где они вызывают сомнения. При этом следует помнить, что в точке зависания при перегибе веревки суммарная нагрузка в 1, 5-1, 6 раза превышает нагрузку на страхуемого. Эта нагрузка, как следует из рисунка 13, складывается, с одной стороны, нагрузкой на страхуемого P, с другой стороны, нагрузкой F со стороны страхующего, которая меньше P примерно в два раза за счет потерь на трение в карабине, и суммарная нагрузка на точку закрепления R при огибании карабина веревкой под углом ~ 180º будет:

R = (1, 5 ÷ 1, 6) P

Рис. 13

Все сказанное выше относится к страховочным цепям. Однако часто веревки и другие технические средства для работы на высоте используются для перемещения по высотному объекту. По правилам безопасности для этого создаются отдельные нагружаемые транспортировочные цепи, о которых будет идти речь в следующих разделах. В этих случаях используются две разновидности цепей – ненагружаемая страховочная цепь и нагружаемая транспортировочная цепь, несущая также и функции страховки. Работа на одной транспортировочно-страховочной цепи допускается только в исключительных обстоятельствах.