Naylon Tırmanma İplerinin Performansı

(2⁴ faktoriyel deneyin sonuçları)

Scott Cutler ve Jared Lebaron
Dr. Chris Rotz’e sunulmuştur,
Brigham Young University
Aralık 9, 1992

Giriş

Naylon tırmanma ipleri sıklıkta çok uygunsuz koşullarda kullanılır. Tırmanış sırasında kullanıldıklarında iplerin içinde bulunabileceği bazı zor koşullar; kaya veya kullanılan malzeme ile aşınma, kir içinde kalma, tekraren düşmeler yaşama ve nem olarak sıralanabilir. Bu koşulların oluşturacağı herhangi bir kombinasyondan ipin durumunun muhtemelen etkilenebilme olasılığından , hangi kombinasyonların ipin gerilim gücünü en fazla etkileyeceğini anlamak akıllıca olabilir. İpler tırmanıcılar için onları yaşama bağlayan araçlardır ve bu yüzden bu koşulları anlamak yaşamla ölüm arasındaki farkı anlamak olabilir.

Bu çalışmanın amacı naylon tırmanma ipinin gerçek kullanımı simule eden belirli koşullardaki durumunu daha iyi anlayabilmektir. Bunlar; yıpranma, kir, fatique ve su’dur. Deney faktörleri örneklenen iplere bir tırmanma atmosferinde olabilecek en kötü kpşullarda uygulanmıştır. Örneğin, örneklere uygulanan yıpratma “gerçek” tırmanma ipi üzerinde görülebileceğinizin çok üzerinde bir yıpranmadır. Bir tırmanıcının aşınmış veya zarar görmüş bir ipi ne zaman değiştireceğini bildiği varsayımı ile bu koşulları normal bir tırmanma kullanımında tekrarlamanın zor olacağını söyleyebiliriz. Maliyeti azaltmak ve zaman kazanmak amacı ile, 11mm tırmanma ipleri yerine 5mm ip örnekleri kullanılmıştır. Deneyde kullanılan 5mm örnekler hiç bir zaman tırmanma için tek ip olarak kullanılamaz. Ancak 5mm ve 11mm ipler temelde aynı şekilde üretildiklerinden deneyin sonuçlarını karşılaştırılabilir koşullarda 11mm ipin durumuna uyarlayabiliriz. İpin markası ve tipi; Edelrid 5mm erişim ipi, pembe/beyaz’dır.

Burada bahsedilen faktörlerin: yıpranma, kir, fatique ve su olduğuna DİKKAT ediniz. Aynı zamanda deneyde maliyet kontolüne- 11mm yerine 5mm ip kullanıldığına DİKKAT ediniz..

Soru: : Yıpranma, kir, fatique ve su’yu ölçmekte ne yöntemler kullanılacaktır?

Naylon 6 Kullanımının arkayüzü

Naylondan üretilen ipler ve bantlar çok değişik amaçlarla kullanılmaktadır. Bunlar arasına tırmanma ipleri, sıkıştırma hatları ve emniyet araçları gelmektedir. Bu uygulamaların çoğunda ipin gücüne zarar verebilecek ve etkileyebilecek pek çok faktöre maruz kalmaktadırlar. Bu etkiler içinde su emilimi, fatique, yıpranma ve aşınma, kir gibi aşındırıcı faktörler, güneş ışını zararı ve yaşlanmayı içerir. Bu yüzden iplerin güvenli tırmanma ve emniyet hatları oluşturabilmek amacı ile bu etkilere dayanabilmeleri önemlidir.

Günümüzde Naylon 6, taşıdığı iyi mekanik özellikler nedeni ile benzeri pek çok uygulamada kullanılmaktadır. Takibeden bir kaç paragraf bu malzemenin özellikleri ile kullanımının arkayüzü üzerinde bilgiler verecektir. Naylon 6’nın üstün fiziksel, termal, ve kimyasal özellikleri ve artı fatique, yıpranma, güneş, ve mikroorganizmalara karşı dayanıklılığı vardır. Tüm organik lifler, insan yapısı olsun veya olmasınlar, ultraviole’ye maruz kaldıklarında değişik derecelerde bozuluma uğrarlar. Buna karşın ağır endüstriyel lif ürünleri daha az düzeyde bir bozulum yaşarlar. Şunu belirtmek gerekir ki, gücün ve esnemenin kritik olduğu son kullanım için bu fiberlerin güneş ışığına maruz kalmamasını sağlayacak önlemlerin alınması gerekmektedir.

Az da olsa, naylonun tırmanma ve emniyet uygulamalarında bir takım zayıflıkları vardır. Naylon 6’nın güç-gerilim özellikleri hafif bir nemden belirgin bir şekilde etkilenmez,ancak artan nem ve su emilimi ile dayanıklılığından az bir kayba uğrar. Nem içeriğinin naylon 6’nın hidrojen bağlarındaki mekanik özellikleri etkilediği bilinmektedir. Bu polariteye ve naylon 6 yapısındaki amid grupların hidrojen bağlanmasına bağlıdır. Su emilimi boyutsal değişiklikler ve güç kaybı ile sonuçlanır.

Isı pek çok malzemenin gücünün etkileyen bir başka etkidir ve naylon da bir istisna değildir. Naylonun gerilme gücü artan ısıyla belirgin olarak düşer. Naylon 6’nın, 245 derece Celcius’u geçen ısılarda gücü sıfırdır.

İp Örnekleri Hazırlanması

Deneyin 32 ayağını tamamlamak için 96 feet ip alınmıştır. Bu her bir örnek için 3 feet’e olanak vermiştir. Bu deney olabilecek en kötü ip koşullarını simule edebilecek şekilde tasarlanmıştır. Bu yüzden, ipler önce aşındırılmış, ipe kir uygulanmış, fatique ‘lenmiş, ve sonra suda ıslatılmıştır. Bu koşulların her biri ve nasıl uygulandıkları detaylı olarak tartışılacaktır.

Soru: “32 adım” olması konusundan nasıl karar verdiler?

Cevap: 2⁴ faktoriyel bir deney olarak “2” her bir faktörün 2 düzeyini ve “⁴” deney için 4 faktör olduğunu göstermektedir. 2⁴= 16 adım, her biri bir parça için iki kez, eşittir 32 toplam uygulama.

İpin Aşındırılması

Örneklerin yarısı aşındırma gerektirdiğinden (Tablo 1’e bakınız), 96 feet ipin yarısı ayrılarak tamamen aşındırılmıştır. Aşındırma iplere bir yere sabitlenmiş ağaç törpüsü içinden ipin tümünün eşit aşınmaya ulaşıncaya kadar geçirilmesi ile uygulanmıştır. Sonunda, ip oldukça zedelenmişti. Bu durum tırmanma ipinin çok keskin ve pürüzlü kaya veya malzeme üzerinde kullanılması durumunu simule etmektedir. Her şekilde, ip normal bir tırmanma ipinin dayanabileceği noktadan daha fazla aşındırılmıştır. Ve tekrar, buradaki düşünce olabilecek en kötü durumu simule edebilmektir.

İpin “Kirletilmesi”

Örneklerin yarısı kirletilmeyi gerektirdiğinden aşındırılmış iplerin yarısı ve aşındırılmamış iplerin yarısı alınmış ve bu oldukça zalim uygulamaya alınmıştır. RockCanyon toprağı iplerin hazırlanmasında kullanılmıştır. İpin iki 24 feet uzunluğu birleştirilmiş ve birlikte küçük taşlar, kum ve bayağı toprak içeren kirin içine yatırılmıştır. Bu işlem basitçe örnekler üzerinde sertt botlarla 15 dakika zıplamak şeklinde uygulanmıştır. Sonuçta, her iki örnek de eşit olarak kirli (hatta rezalet durumda) idi. Bu bir tırmanma ipinin maruz kalabilececeği aşırı kötü kullanımı simule etmektedir, ancak gerçekte genellikle tırmanıcıların çoğu iplerinin üzerine basmaktan kaçındıklarından böyle olamayacaktır.

İpe fatique uygulanması

UIAA’nın tek tırmanma ipleri için standart bir testi vardır (tek tırmanma ipi olarak kullanılan ipler, genellikle 9.8 den 11mm üzerindeki iplere kadar.) Tek bir ip 2.8 metre ip üzerinde 5 metreden 80 kglık 5 düşüşü tutmalıdır. Kurgulanan sistemin katılığından… vb nedenlerden dolayı bu çok ciddi bir düşüş oldu. Bazı ipler sadece minumum 5 düşüşü tutabildiler. 5mm örneklerle ipleri fatique’lemeyi düşünmüştük , kopma noktasına kadar ulaştırmayı değil. Bu yüzden 25 poundluk bir yük 6 feetden düşürüldü ve 6 kez tekrarlandı (Şekil 1’e bakınız). Kurulan sistem katı bir sistemdi. Düğüümlerde ve taşıma araçlarında herhangi bir gevşeklik yoktu. Bu 38¢F lık serin bir günde yapıldı. UIAA testi ipe K olarak 3920 jul uygulamaktadır. 25 poundluk bir yükün 5mm ipte 6 feetden düşürülmesi ipe 203 jul uygular. 11mm nin 5mm ile karşılaştırıldığında alanları oranı 4.84 dür. Ve enerji oranı 19,31 dir. Fark büyük gibi görünmektedir, ancak ipler test edildiğinde düşüşü tutamayacaklarmış gibi görünmüştür. Buna karşın örnekler düşünüldüğünden dha dayanıklı çıkmışlardır. İlginç bir şekilde, bazı tırmanıcılar kirli ve aşınmış bir ipi sorgulamadan kullanırlar ancak bir kaç sağlam düşüşe maruz kaldığını bildikleri ipleri kullanmakta çekingendirler. Bu yüzden 5mm iplere uygulanan fatique gerçek kullanımı simule etmeye yetecek miktarda olmalıdır. Daha önceki örneklerde, yarı oranda fatiqueli ip alınmıştır.

Şekil 1. İpe fatigue uygulamakta kullanılan ağırlık

İpi Islatma

Örneklerin hazırlanmasındaki son aşama ıslatmadır. İpin 46 feeti (daha önceki adımlarıda kullanılanların yarısı) su içinde 8 saat bekletilerek liflerin tamamen ıslanması ve kısmen doygunluğa ulaşmasına olanak sağlanmıştır.

Faktör	Yüksek Düzey	Düşük Düzey
Aşındırma	Eğe üzerinde aşındırılmış	aşınmasız
Kir	Toprakta çiğnenmiş	kirsiz
Fatigue	Ağır testler uygulanmış	ağırlıksız
Su	H20'da 8 saat bekletilmiş	susuz

Bu iki düzeyden her biri, her dört faktör için faktörler arası ilişkiler kurmak amacıyla kullanılmıştır. Aşağıda Tablo 1’de görülebileceği gibi, 32 adımdan her biri değişik bir faktör kombinasyonuna sahiptir.

Deneysel Prosedür

Tam bir 24 faktoriyel deney, mümkün olan tüm kombinasyonlardaki 4 faktör setini içeren 16 adımdan oluşur. Sonuçların kesinliğini sağlayabilmek için iki tekrar yapılmıştır. Birinci adım ipleri çekmeden önce ıslatılmış iplerdeki (ıslak ipler aşırı sudan arındırılmak için kabaca kurutulmuştur) absorbe edilmiş su yüzdesini hesaplayabilmek için ölçme ve tartma idi. Islatılması gereken ipler hala ıslak iken örneklerin tümü kopma noktasına kadar çekilmiştir. Deneyin 32 adımı da deneysel hata etkisini minimize etmek için randomize edilmiştir. Düğümlerden kaynaklanan görünmez bir değişken olasılığı yaratmamak amacı ile iplerin sonları birbirinin tamamen aynı şekilde düğümlenmiştir (Şekil 2’ye bakınız). Bağlanmış örneklerin uzunluğu loop (düğüm halkaları)ların merkezinden itibaren 12 inch idi.

Örnekler bir instron makinası ile, makina bağlantı halkalarının iplerin her bir ucundaki düğüm halkalarına geçirilmesi ile çekilmiştir. Bunu gerçekleştirebilmek için makina üzerindeki mengeler çıkarılmıştır. Bağlantı halkaları eşit çapta idiler, böylece eşit olmayan stress konsantrasyonları riski ortadan kaldırılmıştır (iperin düğümler arasındaki orta noktadan koptuğunu görmekten memnun olduk). Makina ayarları şöyle idi: Yük range’ı 5%, hız 20 in/dakika.

Örnekler halkalara yerleştirildiklerinde piston başlığı ip gergin hale gelene ve ölçü uzunluğu resetlenene… vs. kadar yavaş yavaş sıkıştırılmıştır. Daha sonra her bir örnek kopma noktasına kadar çekilmiş ve makina okumaları yapılmıştır. Maalesef veri alma birimi çekme/gerilme kayıtlarını kaydetmek için kullanılmamıştır. Her şekilde, deneyin en önemli sonucu gerilme gücüdür.

Şekil 2. Düğümleri bağlama yöntemi

Sonuçlar

Aşağıdaki Tablo 1 deneyin rastlantısal sırasını ve her bir deneysel duruma pound olarak verilen tepkiyi içermektedir

Rastlantısal Sıra	A (A)	D (B)	F (C)	S (D)	Tepki Lbs.
A		Kir		Islaklık	515
B					837
C	Abrasion	Kir			655
D	Abrasion		Fatigue		695
E			Fatigue	Islaklık	621
F	Aşınma	Kir	Fatigue	Islaklık	524
G	Aşınma	Kir	Fatigue		624
H		Kir	Fatigue		699
I	Aşınma		Fatigue		769
J	Aşınma			Islaklık	637
K			Fatigue		857
L				Islaklık	664
M		Kir			722
N	Aşınma			Islaklık	609
O		Kir	Fatigue	Islaklık	417
P	Aşınma	Kir		Islaklık	486
Q		Kir		Islaklık	520
R					831
S	Aşınma	Kir			625
T	Aşınma		Fatigue		698
U			Fatigue	Islaklık	615
V	Aşınma	Kir	Fatigue	Islaklık	520
W	Aşınma	Kir	Fatigue		620
X		Kir	Fatigue		702
Y	Aşınma				777
Z	Aşınma		Fatigue	Islaklık	640
AA			Fatigue		845
BB				Islaklık	660
CC		Kir			721
DD	Aşınma			Islaklık	600
EE		Kir	Fatigue	Islaklık	415
FF	Aşınma	Kir		Islaklık	486

Şekil 3 deneyin zaman sırasını göstermektedir. Veriler oldukça ratlantısal görünmektedir ve bu zaman sıralı varyasyonun gözardı edilebilir olduğunun olduğunun iyi bir göstergesidir.

Şekil 3. Sıralı zaman planı

Tablo 2. İstatistik Veriler

Koşullar	Rep 1	Rep 2	Std. Sap.	Ort	(Std Sap)^2
DS	515	520	2.89	516.67	8.33
	837	831	3.46	835	12
AD	655	625	17.32	645	300
AF	695	698	1.73	696	3
FS	621	615	3.46	619	12
ADFS	524	520	2.31	522.67	5.33
ADF	624	620	2.31	622.67	5.33
DF	699	702	1.73	700	3
A	769	777	4.62	771.67	21.33
AFS	637	640	1.73	638	3
F	857	845	6.93	853	48
S	664	660	2.31	662.67	5.33
D	722	721	0.58	721.67	0.33
AS	609	600	5.2	606	27
DFS	417	415	1.15	416.33	1.33
ADS	486	486	0	486	0

Tablo 2 her bir hücre için hesaplanan ortalama ve standart sapmaları göstermektedir. Standart sapmanın karesi pooled standart sapmayı hesaplamakta kullanılmıştır, ve bu deneysel değişkenliği göstermektedir. Pooled standart sapma 5.33’dür.

Şekil 4. Faktör etkileri.

Şekil 4 hesaplanan faktör etkilerinin en büyükten en küçüğe olarak sıralanmasını göstermektedir. Bu hangi faktörlerin ipler üzerinde en fazla etkiye sahip olduğunu görebilememize olanak vermektedir.

Fa=r Etkileri 180 160 t3 140 120 ioo so 60 40 10 0

Bir sonraki çizelge en önemli iki faktör etkileşimi sonuçlarını göstermektedir. Bu aşındırılmış ve ıslatılmış iplerin ikili bileşik etkileşim planıdır.

Şekil 5. İkili bileşik etkileşim planı

Sonuçların Değerlendirilmesi

Şekil 3’te deneyin çok az bir zaman varyasyonu olduğunu görmekteyiz. Bu iyi bir işarettir. Bu temel olarak, malzeme aşınması, deneysel prosedür vb.. gibi ortaya çıkabilecek görülmeyen değişkenler olmadığı anlamına gelir.

Tablo 1’den ipin beklenenin altında güç düzeylerinde kopmasına neden olan faktörlerin ne olduğunu görmek zordur. İlk bakışta değerler oldukça rastlantısal görünmektedir. Ancak, etkileri hesapladıktan sonra ipin gücü üzerinde hangi faktörlerin en fazla etkiyi yaptığı açığa çıkmaktadır. Şekil 4’ten ipleri ıslatmamızın diğer faktörlerin yanlız başına etki ettiklerinden daha fazla ipi zayıflatıcı bir etkisi olduğunu rahatça görebiliriz (faktör etki hesaplamaları appendixte görülebilir). İkinci en büyük faktör ise Kirdir. Kirli ipler temiz olanlardan daha düşük güçtedirler. En önemli ikili bileşik faktör aşınma ve ıslanmadır. Diğer ikisi, üç ve dört bileşik etki kırılma gücü konusunda daha az etkilidir. Tablo 2’den en zayıf iplerin kirli, fatiqueli ve ıslak ipler olduğunu görebiliriz. Bunlar nerdeyse bu koşulların uygulanmadığı iplerin yarı gücündedirker.

Suyun ip üzerindeki etkileri

Islatmanın iplerin en düşük güç düzeylerinde kopmalarına neden olmasının muhtemel nedenleri örneklerin silikon ve teflonla kaplanan “kuru” tipte ipler olmayışıdır. Bu uygulamalar naylonun bu kadar su absorbe etmemesine yardımcı olabilirdi. Bu nedenle standart tırmanma iplerinin çoğu sudan korunmaları için bir ön-işlemden geçmiştir. Örneklerdeki kuru ipler ortalaması .01 oz/in dir. Islak iplerin (diğer faktöer ayarlamalarını içeren) ortalaması .025 oz/in dir. Bu ağırlıkta % 253.4 bir artış demektir. Bu kadar su barındıran iplerde fiberlerin kılcal etkinliği naylonun daha zayıf olmasına neden olmaktadır.

Kirin ip üzerindeki etkileri

Kirin ipler üzerinde böylesi büyük bir etkisi olmasının nedenleri merak edilebilir. Kir temel olarak “ipinizi dıştan ve içten aşındırıp ömrünü kısaltabilecek, toprakta bulunan kaya parçacıklarından” oluşmaktadır (Rock and Ice). Örneklerin hazırlanmasında toprak bütünüyle iplere yedirilmiştir. İpin bir iç kısmı bir de kılıfı bulunmaktadır. Toprak koruyucu kılıfı geçerek iç kısmı etki etmiştir. Göze zararsız görülen parçacıkların gerçekte çok keskin ve aşındırıcı mikroskobik kenarları vardır. Kirin ipin iç kısmında ve dış kılıfta her bir life yüzey bozulmalarına neden olabilecek ve böylece her lifin öncesinden daha düşük bir güçte olmasına neden olabilecek şekillerde zarar verecek bolca zamanı vardı.

Aşınma ve ıslanmanın etkileri

İpler aşındırıldıklarında ve ıslatıldıklarında diğer ikili bileşik etkilerde olduklarından daha zayıftılar. Şekil 5 bu iki etki arasındaki etkileşimi göstermektedir. Aşındırılmamış ve kuru ipler açık bir şekilde en güçlü olanlardır. İlginç bir sonuç da, ip ıslandığında şınmış ipin bu ikisinde güçlü olanı olasıdır. Tersinin doğru olması mantıklı gibi görülebilirdi.

Öneriler

Sonuçlardan ıslak ortamlarda daha iyi bir performansı olan ipin böyle bir performansı olmayana göre açıkça daha tercih edilebilir olacağını net olarak görmekteyiz. İp üreticileri kuru işlemlere tabi tutulmuş pek çok ip seçenekleri üretmektedirler. Ancak bu işlemler ipi su-geçirmez yapmaktan çok sadece ipin hemen yaşlanmasını engellemektedir. Ek olarak, kuru işlemler özelliklerini kaybetmektedir. Bazı işlemler diğerlerine göre çok daha çabuk özellik kaybetmektedir. İpleri için endişelenmeyi bırakabilseler ve tırmanmanın keyfine varabilseler dünya tırmanıcılar için çok daha güzel bir yer olabilirdi.

.

Bir olası çözüm kevlar lifleri naylon liflerle birleştirmek olabilir. İpin iç kısmı, (naylonun %20 esnemesine karşın) kevların yanlızca % 2.2’lik esnemesi nedeni ile tamamen kevlar olamaz. Bu düşmekte olan bir tırmanıcıyı kurtarmak için gerekli “esneme”yi veremez. Ancak, (kabaca naylon liflerden 3.3 kat daha güçlü olan [DuPont]) kevlar lifler iç kısma esnemeye izin verecek şekilde eklenebilselerdi, ipler şimödiye kadar olduklarından çok daha sağlam olabilirlerdi. Aslında, su emilimi artan gerilim güçleri ile muhtemelen kaygı duyulacak bir etken olmaktan çıkacaktır. Kevlar lifleri iplerin naylon iç kısımları etrafına sarmal bir şekilde sarılıp dış kılıfla örtülürse, iç kısmın dış kılıftan sıyrılması oldukça muhtemeldir (standart iplerde bu çeşit bazı sıyrılmalar gerçekleşmektedir[Rock and Ice]) ve bu aksi vurgulanana kadar kullanılmalıdır. Bu ipin gücünü arttırabilir ancak açılım sırasında kıvrılmalar yaşanmasına neden olabilir. Muhtemel sınırlayıcı nedenler de artan maliyet ve biraz artacak lineer yoğunluk olacaktır. Bunlar daha güvenilir ve dayanıklı bir ip istemenin bedeli olabilir.

Sonuçlar

Bu deneyle sorumlu üreticilerin bulgularını teyid edebilmekteyiz. Dahası, önemli faktörleri ve de bubnların etkileşimlerini belirleyebilmekteyiz. Yoğun olarak ip kullananlar için bu değerli bir bilgidir. Belirli koşullarda ipin normal koşullardan daha büyük bir kopm tehlikesi olup olmadığını bilmek avantajlı olabilir. Bunun bir örneği, sadece kirli bir ip kullanmaktan daha kötü olabilecek, pütürlü kaya üzerinde ıslak bir ip kullanmak olabilir.

Su emiliminin gerilim gücü üzerindeki etkilerine çare olarak kevlar bağlı naylon iç kısmı olanve naylon bir kılıfla örtülmüş, suykla zayıflayan naylonun kopma tehdidini ortadan kaldırabilecek yeni bir ip tasarımı olacaktır.

Referanslar

Du Pont şirketinden, Michael T. Downes tarafından fakslanan Teknik Belgeler

Rock and Ice, Sayı 50 sayfa. 79-84

Appendix

	Aşınma	Kir	Fatigue	Su
	A	B	C	D	AB	AC	AD	BC	BD	CD	ABC	ABD	ACD	BCD	ABCD
SUM+	9965	9251	10129	8929	10470	10428	10716	10268	10192	10326	10459	10359	10609	10227	10266
SUM-	10641	11355	10477	11677	10136	10178	9890	10338	10414	10280	10147	10247	9997	10379	10340
(+)+(-)	20606	20606	20606	20606	20606	20606	20606	20606	20606	20606	20606	20606	20606	20606	20606
(+)-(-)	-676	-2104	-348	-2748	334	250	826	-70	-222	46	312	112	612	-152	-74
((+)-(-))/16	-42.25	-131.5	-21.75	-171.75	20.88	15.63	51.63	-4.38	-13.88	2.88	19.5	7	38.25	-9.5	-4.63

Tablo A. Etkilerin hesaplanması

Şekil A. Standart sapma vs. ortalama