Насколько это прочно?

Чтобы удовлетворить любопытство и поразвлечь своих детишек, я протестировал три различных размера стандартной водяной трубы длиной 800 мм – забитой на глубины 400 мм, 600 мм и 800 мм. Все они были вбиты под рекомендуемым углом в 15° в сторону, противоположную нагрузке и нагружены с помощью лебедки.

Тесты были повторены на ближайшей ферме (к удовольствию уток, собак и фермера) в почве, являющейся смесью песка и глины, без корней деревьев – по сути, в большом куске грязи: -)

(Крест, обозначенный «25-мм стержень», обозначает найденный мною показатель для песчаной суглинистой почвы, и поскольку тестовый стержень не изогнулся, как моя 1-дюймовая труба, я полагаю, что результат был сравнительно слабым)

Первое, что я заметил – как только труба начинает изгибаться под нагрузкой, ее сопротивление повышается и доходит до максимума при угле изгиба около 20°, по видимости, возникает эффект крюка. Причину того, что 1-дюймовая труба показала себя при испытании у меня во дворе хуже, чем ожидалось, я вижу в том, что она не изогнулась под нагрузкой, а была выдернута разом.

Вот на что стали похожи тестовые трубки после того, как были забиты на всю длину и нагружены

И вот почему коров привязывают именно так!

Выводы
Кажется, что общее недоверие к 1/2-дюймовым трубам имеет под собой основания, но в идеальных условиях для спуска или верхней страховки этого может быть достаточно.

Конечно, реальная нагрузка при спуске по веревке значительно меньше, чем о ней думают. Трение о край скалы имеет здесь гораздо более серьезный эффект. Это будет темой следующих моих исследований

Дальнейшие исследования выявили интересные факты, в некоторые из которых достаточно трудно поверить.

Трубчатые якоря
Нам не важно, гнется трубка или нет, нам нужно, чтобы она выдерживала большую нагрузку, и если это условие выполняется, то жесткость не играет роли. В реальности мои исследования показали, что чем мягче колышек, тем большую нагрузку на вырыв он выдерживает. Я уже говорил об этом ранее, но постараюсь подтвердить и далее.

Водяная труба диаметром 1 дюйм, вбитая под углом 15° на глубину 800 мм. Та же почва, что и в тесте выше, но более сухая. Нагрузка на вырыв – 940 кг, трубка изогнулась на 45°

Та же трубка диаметром 1 дюйм, со стальным прутом диаметром 20 мм внутри – вырыв произошел при нагрузке 724 кг, трубка изогнулась на 20° и прорезала почву.

Заинтригованный, я вбил несколько заостренных металлических уголков длиной 1 метр, приварив на расстоянии 80 см от края металлическое кольцо, к которому прилагал тестовую нагрузку.

Первым образцом стал уголок 25 мм с толщиной металла 3 мм.

Я начал с нагрузки 380 кг

Теперь посмотрите на результат после 670 кг.

И после 850 кг (старая петля порвалась на этом этапе)

А здесь нагрузка увеличилась до 1162 (сменил петлю на более короткую)
Пиковая нагрузка, которую выдержал этот образец, составила 1320 кг.

И теперь о самом непонятном. Обычно рекомендуемый угол вбивания кольев составляет 15-20° по направлению от прилагаемой силы (хотя от источника к источнику информация рознится). Это кажется логичным, и инстинктивно я бы так и делал. Однако найденная мной информация по этому вопросу заставила меня продолжить исследования. Колышки по большей части применяются в жизни для крепления тентов, шатров и навесов, то есть существует непосредственная связь с безопасностью. Это же золотая жила! – подумал я. Наверняка существуют промышленные стандарты и данные об испытаниях. К сожалению, результаты тестов опубликованы в весьма дорогом издании, однако необходимую информацию я нашел в рекомендациях по безопасности.

Оптимальный угол приложения нагрузки составляет 45°, при увеличении угла устойчивость к нагрузкам падает.

И хотя я не был убежден, я предпринял следующий тест:
Были установлены два колышка. Один 30-миллиметровый уголок 4 мм толщиной, был установлен под углом 45° по направлению к нагрузке, другой – 45 мм уголок толщиной 5 мм, установлен под углом 15° по направлению от нагрузки. Оба – на глубину 800 мм.

Начальная нагрузка, колышек стал гнуться при нагрузке 1180 кг.

При 1320 кг

И при 1560 кг

При этой нагрузке сдвоенная петля на другом конце порвалась. Как мы заметили по другим тестам, внешняя часть петли прорезает внутреннюю в месте приложения нагрузки. На петлях была указана максимальная нагрузка 2000 кг.

Как видно, колышек начинает гнуться.

Петля была заменена стальным тросом и я продолжил испытание. Вырыв колышка произошел при нагрузке 1974 кг.

В этот момент пошел дождь, и мне пришлось закончить с испытаниями.

Выводы
Очевидно, что трение между колышком и землей дает максимум устойчивости к вырыву, и здесь кроется причина того, что водопроводные трубы, имея более скользкую поверхность, показали себя хуже. Это также было замечено в тестах колышков, которые я прочитал. То есть логика говорит о том, что гнущиеся колышки, либо даже забитые под углом по направлению к прилагаемой силе, дадут лучшие показатели. Жесткие колышки режут собой землю и тем самым уменьшают площадь соприкосновения с грунтом и – следовательно – силу трения. Гнущиеся колышки сохраняют площадь соприкосновения и держат нагрузку лучше. Колышки, наклоненные вперед, вырезают собой значительно меньшее углубление и также сохраняют высокое сцепление с грунтом.

30-миллиметровый уголок имеет фронтальную поверхность в 1, 2 раза большую, чем 25-миллиметровый. Казалось бы, мы можем ожидать устойчивость к нагрузке, в 1, 2 раза большую, то есть 1320*1, 2=1584 кг. Но в реальности 30-миллиметровый уголок выдерживает нагрузку в 1974 кг. Если посчитать всю поверхность колышка, то соотношение между 30-мм уголком и 25-мм также составит 1, 2: 1. По видимости, соприкосновение с грунтом имела большая часть уголка, что можно видеть по фото снизу.

Сверху – 45-миллиметровый уголок толщиной 5 мм, был нагружен до 1974 кг, но так и не был вырван. При этом изогнулся даже больше, чем уголок, показанный ниже – 30 мм х 4 мм – установленный под наклоном 45° вперед и выдержавший также 1974 кг.
Следующий колышек (уголок 25 мм х 3 мм) прорезал собой грунт и вылетел при нагрузке 1320 кг.
Однодюймовая водопроводная труба, усиленная стальным стержнем, вырвалась при 724 кг.

Тесты нагрузок при срыве
Существуют тесты, моделирующие срыв второго в связке. Однако испытания, проведенные Американской ассоциацией безопасности в альпинизме, как и многими другими организациями, недостаточно характеризуют наши условия, где крепление осуществляется за перегибом, и большую роль играет трение о кромку скалы. Я пытался воссоздать необходимые условия в своей компостной яме шестиметровой глубины. Закрепил веревку в пяти метрах от края и приступил к испытаниям. Спуск по веревке дал нагрузку 74 кг (сам я вешу больше 90 кг). Падение на 2 метра нагрузило станцию на 150 кг. Дальше я пробовать перестал, потому что боялся в итоге очередного тестового срыва сломать себе ноги. К тому же в духоте ямы я пропотел и изрядно попахивал. В следующий раз найду для этого теста более подходящие условия.

На чем остановиться скалолазу?
Наш опыт показал – что бы не произошло, вырыв такого колышка вещь маловероятная. Стандарты UIAA для верхней страховки сводятся к обеспечению нагрузки в 20 kN, однако для верхних станций на скалах это даже сверх нормы. В действительности многолетний альпинистский опыт показал, что такие станции испытывают максимум вес сорвавшегося толстячка.

По моему мнению, прочность в 250 кг будет нормальной, а 500 кг – более чем достаточно. Так, полудюймовая водопроводная труба, забитая на вершине Grandmas Groove в городке Swanage (en.wikipedia.org/wiki/Swanage), уже 40 лет отлично выполняет свою функцию после бесчисленных срывов, в том числе моих!

Что можно почитать
Вы можете найти формулы для различных типов почв, глубины установки колышков, диаметров и т.п. в удобном буклете. Однако он защищен авторскими правами, и я не смог использовать эти материалы в своей статье. В будущем я постараюсь найти соглашение с автором, пока же можно ознакомиться супомянутой брошюрой