Festigkeiten von Bandeinspannungen

Dieser Artikel wurde ursprünglich im Frühjahr 2014 innerhalb des SlackLab-Projekts veröffentlicht. Für die Wiederveröffentlichung auf der Aki Slacklines Website habe ich Aktualisierungen in geringem Umfang vorgenommen.

In diesem Artikel werden die zahlreichen Einspannmöglichkeiten einer Slackline, exemplarisch an dem sehr weit verbreiteten White Magic Band untersucht. Dieses Band habe ich seit 2006 sehr intensiv verwendet und ist seit 2008 kommerziell verfügbar. White Magic ist ein Band aus Polyesterfasern im 2-Lagen-Aufbau mit moderater Festigkeit von mind. 30 kN und relativ geringer Dehnung von 5% bei 1/3 seiner Bruchlast (d.h. 10 kN).

Inhaltsverzeichnis

1.      Erläuterung der Versuchsdurchführungen
2.      Detailerläuterungen zu den Prüfungen
2.1.   Werksprüfung der freien Einspannung
2.2.   Knoten
2.3.   Linelocker (Kettenglieder)
2.4.   Ringlocker (Ringe + Schäkel)
2.5.   Bolzenlocker
2.6.   Vernähte Schlaufe
2.7.   Bananen
2.8.   Spezielle Hochleistungsanker
2.9.   Versuche mit altem Band
3.      Zusammenfassung und Diskussion

1. Erläuterung der Versuchsdurchführungen

Auf Basis der Reißfestigkeit in freier Einspannung, welche mit jeder ausgelieferten Charge vom Hersteller geprüft wird, wurde in zahlreichen Tests seit 2009 verschiedene Einspannlösungen auf Laborprüfmaschinen untersucht. Insbesondere dem Institut für Festkörpermechanik der TU Dresden gilt besonderer Dank für das bereitstellen der Prüfmaschine. Für die Bruchtests wurde jeweils neues Band verwendet, teilweise wurde eine rot gefärbte Variante (Verve) verwendet, diese weist die gleichen Festigkeitswerte auf. Die Bruchlasteffizienzangabe in % bezieht sich immer auf den Wert von 32 kN. Die Versuche wurden alle mit geringer Geschwindigkeit gefahren. In einer gesonderten Untersuchung wurde auch sehr gebrauchtes Band getestet um eine Schlußfolgerung über das Ermüdungsverhalten und die Bruchlastreduzierung durch Gebrauch zu erzielen.

2. Detailerläuterungen zu den Prüfungen

2.1 Werksprüfung der freien Einspannung

Seitens des Bandherstellers wird mit jeder gelieferten Charge, die Bruchlast des Bandes und seine Dehnung geprüft. Es werden jeweils 3 Proben zerrissen um die Streuung zu erfassen. Im Prüfbericht werden die Werte übersichtlich dargestellt.

Zwick Walzenprobenhalter zur Bandprüfung

Geprüft wird auf einer kalibrierten Zugprüfmaschine des Herstellers Zwick. Die Einspannung wird über einen Walzenprobenhalter ausgeführt. Dieser gewährleistet, dass das Band nicht in der Einspannung reißt, sondern in seiner freien Länge. Somit kann die absolute Reißfestigkeit des Bandes erreicht werden.

Die Festigkeit des Bandes ist Teil der Produktdefinition und muss im Falle von White Magic immer größer als 30 kN sein. Da Slacklines aufgrund ihrer Fertigung bestimmten Schwankungen unterliegen, wird die Festigkeit des Bandes von vornherein etwas höher gefertigt. White Magic weisst bei allen Chargen mind. 32 kN (100%) und im Durchschnitt über 33 kN Festigkeit auf.

2.2 Knoten

Knoten bieten die einfachste Möglichkeit eine Slackline an einem Schäkel oder Karabiner zu befestigen. Gerne werden Knoten verwendet um eine Rücksicherung hinter der Haupteinspannung des Bandes zu realisieren, deshalb ist eine Kenntnis über deren Bruchlastreduzierung ebenfalls sehr wichtig. Es wurden alle für das Slacklinen relevanten Knoten untersucht. Knoten belasten das Band lokal/punktuell und asymmetrisch, deswegen ist ihre Bruchlasteffizienz im Allgemeinen gering. Im folgenden die Vorstellung:

Eine kleine Grafik stellt die Ergebnisse dar:

Eine besondere Technik unter den Knoten stellt die Bruchlasterhöhung durch das Überziehen mit äußeren Schutzschläuchen oder zusätzlichen Bandlagen dar, diese Knotentechnik ist auch als "Frost Knot" bekannt, und wurde von vielen amerikanischen Highline-Pionieren verwendet. Ich habe vor allen in den Jahren 2007 und 2008 einen zweifach überzogenen Sackstich in insgesamt 4-lagiger Knüpfung für Highlines verwendet.

2.3 Linelocker (Kettenglieder)

Als Linelocker werden umgangssprachlich Bandeinspannungen mit einzelnen Kettengliedern bezeichnet. Linelocker bieten vor allem für Einsteiger eine sehr einfach zu realisierende Befestigung und sind auch sehr schnell wieder lösbar. Allerdings hat sich durch die Tests gezeigt das normale Linelocker keine Vorteile bei der Festigkeitsausnutzung des Bandes gegenüber Knoten haben. Zudem bieten die meisten Kettenglieder scharfe Schweißnähte, welche im Gesamtkontext nicht bruchlastreduzierend wirken, aber einzelne Faserbündel beschädigen können.

2.4 Ringlocker (Ringe + Schäkel)

Einspannungen mit Hilfe von Ringen waren vor allem in den USA weit verbreitet und stellen eine Alternative mit höherer Bruchlastfestigkeit dar, vom Klemmprinzip und vom Versagensmechnismus gleicht der Ringlocker dem Bolzenlocker. Allerdings muss besonders auf die saubere und ebene Zentrierung der Ringe am Schäkel geachtet werden.

2.5 Bolzenlocker

Bolzenlocker werden mit Hilfe von glatten Stahlbolzen direkt am Schäkel realisiert und haben sich als sehr effizientes und günstiges Einspannverfahren etabliert. Das Klemmprinzip ist reibungs- und umlenkungsbasiert. Der Bruchmechanismus ist gleichmäßig über die Breite. Die Bruchlasteffizienz ist direkt vom Durchmesser des Umlenkbolzen abhängig. Allerdings werden große Durchmesser schnell unhandlich und schwer, deshalb findet dieses Prinzip vor allem mit kleineren Bolzendurchmessern als Leichtgewichtseinspannung seine Anwendung.

2.6 Vernähte Schlaufe

Eine vernähte Endschlaufe stellt wohl die einfachste Methode eine Slackline einzuspannen dar. Die Bruchlast hängt im großen Maße vom Nahtbild und dem verwendeten Garn ab. Prinzipiell wird das gespannte Band immer am Eintritt in die Naht lokal sehr stark beansprucht. Mit speziellen Nahtbildern welche einen weichen Kraftübergang ermöglichen kann mehr Bruchlasteffizienz herausgeholt werden. Moderne Bananen sind den vernähten Schlaufen jedoch bezüglich Handlingsflexibilität und Bruchlasteffizienz überlegen.

2.7 Bananen

Als Bananen werden 3-Bolzen Bandeinspanner bezeichnet. Dabei wird mittels einer selbstabklemmenden Umschlingungstechnik zwischen den beiden vorderen Bolzen eine sichere Reibungsblockierung des Bandes erreicht (Achtung: Außnahme Dyneemabänder und gummibedruckte Bänder). Der besondere Vorteil der Bananen ist das das Band mit der Hand straff gezogen werden kann, außerdem ist das Einlegen und das Entnehmen des Bandes sehr schnell und komfortabel.

Der erste Einspanner dieser Art im Slacklinesport war der Slackdog von Scott Balcom. Auf dessen Basis wurde im Jahr 2007 die "Ur-Banane" durch Junghannß/Zak gebaut, ein schweres aber sehr stabiles Stahlkonstrukt. Dieses Design wurde von Michi Aschaber 2008 aufgegriffen und unter der Wortschöpfung Banane einem größeren Publikum zugänglich und kommerziell verfügbar gemacht. Landcruising veröffentlichte im Jahr 2010 optimierte Bananen-Einspanner mit neuen Innovationen wie Schnellverriegelungsbolzen, großem Mittelumlenker und Schäkeldirekt-Anschluß. Die folgenden Bruchtests mit White Magic wurden mit verschiedenen Generationen der Landcruising Lynx und Zilla Serie gemacht. Für die Größe der Bruchlasteffizienz ist vorwiegend der Durchmesser des Mittelumlenkers verantwortlich. Ein großer Durchmesser bedeutet einen geringeren Biegeradius der äußeren Fasern, das Band kann dann gleichmäßiger belastet werden und folglich wird eine höhere Bruchkraft erreicht.

2.8 Spezielle Hochleistungsanker

Von Landcruising wurde im Frühjahr 2010 ein neuartiges Slackline-Einspannprinzip realisiert. Der sogenannte Revolve Anchor wurde besonders für das extreme Longlinen mit Dyneemabändern, aber auch sehr dicken Polyesterbändern konstruiert.

2.9 Versuche mit altem Band

Die Bruchlastreduzierung des Bandes durch wiederholtes Spannen und Entspannen, mechanischen Abrieb, UV-Bestrahlung oder Feuchteeinfluß ist eine sichere Tatsache. Die Fragestellung ist nur wie groß diese Reduzierung ist. Exemplarisch wurde ein 2 Jahre altes Stück White Magic, welches sehr oft als Longline und Waterline verwendet wurde, mit Lockman und Linelocker getestet. Das Band selber wies äußerlich keine Abnutzungspuren und Faserabrieb auf.

• im Lockman wurde bei 3 Versuchen eine durchschnittliche Bruchfestigkeit von 20 kN (63%) erreicht, die Streuung der Festigkeit der 3 Proben war sehr gering, im Gegensatz zu neuen Band mit 24 kN, stellt dies eine Reduzierung von über 4 kN (relativ bezogen 17%) dar
• im günstig gefädelten Linelocker wurden durchschnittlich 16 kN gemessen, im Gegensatz zu neuen Band mit 17 kN, stellt dies eine Reduzierung von über 1 kN (relativ bezogen 6%) dar, der Versagenmechanismus basiert hier jedoch auf Abscherung / Zug

Resultierend lässt sich schlußfolgern, dass auch bei sehr pfleghaften Gebrauch (keine äußerliche Abnutzung), und insbesondere mit hocheffizienten Einspannern mit einer deutlichen Bruchlastreduzierung von > 20% gegenüber den Werten von neuem Band zu rechnen ist. Das Ermüdungsverhalten von Polyester-Bändern muss noch in einem separaten Artikel genauer untersucht werden. 

3. Zusammenfassung und Diskussion

In folgendem Diagramm sind die relevanten Einspannlösungen für das White Magic Band noch einmal übersichtlich dargestellt.

Auswertend lassen sich folgende Aussagen formulieren:

• einfache Knoten besitzen aufgrund lokaler Spannungkonzentration und asymmetrischer Belastung nur sehr geringe Bruchlasteffizienz, besonders der einfache Sackstich sollte nicht verwendet werden
• doppelte oder durch Schutzschlauch verstärkte Knoten bewirken eine deutliche Erhöhung der Bruchlasteffizienz, der doppelte Achterknoten eignet sich für zusätzliche Rücksicherungen
• Linelocker mit Kettengliedern bieten nur eine geringe Bruchlastausnutzung und sind für Slacklines mit höheren Spannungen und hohen Sicherheitsanforderungen (Jumplines, Longlines, Highlines) nicht geeignet (Ausnahme sind verstärkte Linelocker)
• Bolzen- und Ringlocker stellen eine kostengünstige Lösung mit hoher Bruchlasteffizienz dar
• moderne Einspanner nach dem Bananen- / Slackdogprinzip sind die Einspannlösung für effizientes, komfortables und sicheres Spannen von Jumplines, Longlines und Highlines, die Bruchlasteffizienz ist im Allgemeinen proportional zum Durchmesser der mittleren Umlenkhülse
• vernähte Schlaufen erreichen im Allgemeinen nicht die Bruchlasteffizienz von Bananen mit großen Umlenkradien (> 20 mm Durchmesser)

Wie verhalten sich nun andere Slacklines, aus anderem Material oder mit höheren Festigkeiten? Hierzu lassen sich folgende Aussagen treffen (gewonnen aus der Erfahrungsbasis mit Tests von anderen Bändern):

• je elastischer die Slackline (höhere Dehnung) desto größer ist die Bruchlasteffizienz, asymmetrische Spannungsverteilungen können durch die größere Dehnung etwas abgemildert werden, folglich steigt die Bruchlast (Polyamidbänder weisen bei gleichen Einspannern generell höhere Effizienzen auf)
• umgekehrt bedeutet eine geringere Dehnung des Bandes eine Verstärkung der Asymmetrie im Band, die Bruchlastausnutzung sinkt (stark verstreckte Bänder bedürfen höherer Umlenkradien)
• die Banddicke und die Webkonstruktion sind ebenfalls von entscheidender Bedeutung für die Bruchlasteffizienz, dicke Bänder benötigen für Bolzenlocker, Ringlocker und Bananen größere Umlenkradien um ähnliche Effizienzwerte wie dünne Bänder zu erreichen

Abschließend wird auf weitere Studien von anderen Quellen verwiesen:

• Bericht des Deutschen Alpenvereins zu Knotenfestigkeiten von Reepschnüren und Bändern (2007)
• Bericht aus BergundSteigen zu Festigkeiten von Reepschnur, Band und Schlingen (2008)
• Bericht aus BergundSteigen zu Festigkeitsreduizierung von Knoten in Seilbrücken (2006)

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