Simulation of steel wire failure in ropes courses

Some accidents happened due to failures of steel wire cables. In my opinion this is easy to prevent, because "a cable dies slowly". We do not have a sudden overload in ropes courses. One common reason for a breaking steel wire cable is cyclic bending. 

My previous experiments with cables in my cyclic bending machine were conducted in a quite unrealistic angle of about 100 degrees and more. This was done to learn about mechanism and principles.

Now it was time to test under realistic conditions. From my experience it is 45 degrees (from the horizontal). I took a 6x19 (fiber core) cable which is much less resistant than 7x19.

The complete assembly looks like this:

On the left side is 45 degrees - this is the interesting position. In the picture above it is loaded with 80 kg, in the picture below unloaded.

Lets move it ...

After 10.000 cycles there were little signs of damage:

One wire was obviously displaced.

After dismounting it looked like this:

About 6 broken wires.

But to see the damage you must bend it against the bend:

You can hear some wires snapping - about one strand.

But the whole damage is uncovered by the load test:

The breaking load is only 29 kN, which is only half of the strength of an undamaged cable.

This shows that the damage to the wires is bigger than you can see on the broken wires.

A cable where I grinded one strand has 51 kN breaking load!

By the way: The damage on the other side (135 degrees angle) was terrifying:

The braking load was only 17 kN ... we are getting closer to real loads in a ropes course.

Therefore:

1. If you see a "loose" wire next to a clamp: Open it, try to bend the cable.

2. Clamps that create a cyclic bending should be opened every 10.000 participants, like the following situation.

 

The wide angle around the tree causes 45 degrees bending if you pull on the cable.

Below it can look like this (same situation, another place):

This damage was not visible during inspection. It was discovered when they changed the cable.

Bending cables with different torque

An ongoing discussion is the influence of the torque of clamps. Earlier in this blog I found out that higher torque prevents cable connections from slipping.

Some people claim: Higher torque damages the cable. I wanted to check the effect on cyclic bending.

I took two pieces of 10 mm, 6 x 19 (fiber core) cable. 

The load was a weight of 80 kg.

I applied a torque of 9 Nm  to the first and 30 Nm to the second sample.

9 Nm is the torque stated by the Euronorm EN 13411-5, A. 30 Nm is at the yield point of the bail material.

I checked after 1000, 2000 and 3000 cycles under the clamp.

Here are the results:

 

 Higher torque creates less wire breaks.

 Interesting is that the breaking load was the same with both cables.

I tested a cable where I cut one strand (about 19 wires) with a grinder: 51 kN breaking load.

To check the change in the material I took a cable and loaded it with 1500 cycles, with 10 wires broken.

The breaking load was 29 kN.

I assume that the bending cyclic process damages a cable more than only the broken wires indicate.

Here is the overview: cyclic loaded  aganist not loaded (grinded).

 Conclusion:

The influence of torque in cyclic bending situations is low. 

(Wire breaks occur later, but breaking load is similar).

Cyclic bending should be avoided if high loads are expected.

Testing steel wire cables: How many bending cycles before they break?

 In ropes courses and Via Ferrata steel wire cables are widely used for life lines and belay cables.

In ropes courses we faced some accidents due to cable failures, in Via Ferrata we are waiting for the first accident.

One typical mechanism for failure is cyclic bending: One part of the cable is fix, the other part moves.

Here is avideo where you can see the basic principle.

Here is an example of a bending situation in a ropes course: Everytime a participant puts weigt to the lifeline it is bent in the thimble.

The angle can be even worse:

 

The wires break first inside the curve.

The damage can be seen if you know where to look and if you look carefully.

Sometimes the damage is underneath the cable clamp and not visible.

I built a machine to simulate the cyclic bending process. I made the angle very steep on one side (145 degrees), and flatter on the other side 110 degrees).

Here is the video where I describe the first test with a 6 x 19 cable, 10 mm diameter, fiber core.

 

Interesting is a closer look at the area below the bail of the clamp: I would say it is a combination of rubbing and bending.

 

 In a second test I took a 7 x 19 cable 10 mm diameter, with a steel core.

Here are tne results:

After 2000 cycles:

 If you inspect, it is important to bend the cable against the curve.

After 3000 cycles:

 

 

 After 6000 cycles: Not very much damage  from the outside visible.

 

But in the inside:

After 7000 cycles I stopped.

 

3 strands were still intact.

The damage was more than 50% of the cable.

Only for checking I inspected the other, lower angle of the cable. It did not look so bad:

But then I tried to bend it.

 Conclusion: If you see a broken wire next to a clamp, open the clamp and look under it. 

If possible, bend the cable against the curve.

It makes sense, to open randomly cable clamps in the operational inspection and look underneath.

 

 

Achtung Verwechslungsgefahr!

Es gibt Seile auf dem Markt, bei denen ich eine Gefahr sehe, dass man sie verwechselt - möglicherweise mit schwerwiegenden Folgen:

Es gibt hochfeste Seile, oft auch genannt Leinen, bei denen mit kleinen Durchmessern hohe Festigkeiten erreicht werden. Mit einem Nachteil: Die Dehnung ist so gering, dass es bei einem statischen Sturz entweder zu Verletzungen oder zum Riss kommen kann.
Unter "statischem Sturz" verstehe ich: Nur das Seil dämpft (und die Knoten), es ist kein Sicherungsgerät zwischengeschaltet (wie Mensch auf Gletscher, der umgerissen wird oder ein Halbmastwurf).

Es gibt Kletterseile, die haben so viel Dehnung,dass ein statischer Sturz ohne schwere Verletzungen aufgefangen und gedämpft wird.

Und es gibt Reepschnüre, die kaum Dehnung haben - mit einer Ausnahme: Die RAP Line II von Edelrid wirkt auf Grund der Dehnung wie ein Kletterseil.

Hier geht es um folgende Produkte, wobei schon die Namen verwechslungsanfällig sind:

RAP Line (Edelrid)
RAP Line II (Edelrid)
RAD Line (Petzl)

Verwechslungsmöglichkeiten:

Möglichkeit 1:

Die RAP Line ist aus hochfesten Fasern, hat praktisch keine Dehnung, führt bei kleinen statischen Stürzen zu Verletzungen oder zum Riss.
Die RAP Line II ist aus Polyamid, hat gute Dehnung, allerdings nur halbe Bruchlast, die bei Nässe noch weiter abfällt.

Auf der Edelrid Homepage wird das unklar gehandhabt:

 Unten, bei Gebrauchsanleitungen findet man statt der für die RAP Line, die für die RAP Line II

 Möglichkeit 2:

Verwechslung hyperstatischer Leine mit dynamischem Kletterseil:
Die hyperstatische RAP Line sieht so aus:

Im Vergleich dazu sieht ein dynamisches Kletterseil von Edelrid so aus:

Der sichtbare Unterschied liegt in weniger als 2 mm Durchmesser.


Möglichkeit 3


Es gibt die RAD Line und die RAP Line II.

Hier sieht man den Unterschied:

Ihr könnt raten, welche welche ist. 
Die eine ist aus hochfesten Fasern mit einer Knotenfestigkeit von ca. 9 kN, die andere hat eine Knotenfestigkeit von ca. 4,5 kN, also nur die Hälfte.

Kommentar:
Früher war es einfach: Es gab eine Übereinkunft, dass dynamische Seile bunt sind und statische Seile einfärbig. Auf den ersten Blick konnte man beide unterscheiden. Ein Hersteller hatte plötzlich die "brilliante" Idee, dieses System zu kippen: Er brachte ein einfärbiges dynamisches Seil heraus.
Mittlerweile haben wir einen kompletten Sauhaufen im Design, was dazu führt, dass man dynamische und halbstatische Seile optisch nicht mehr unterscheiden kann. Also gravierende Nachteile, ohne einen Vorteil.

Nun passiert das gleiche mit den hyperstatischen Seilen. Anstatt sich auf ein Design zu einigen besteht "Kraut und Ruam", auf deutsch komplettes Durcheinander - also schwere Verwechslunggefahr.

Liebe Hersteller, könnt Ihr Euch bitte auf eine einfache Regel einigen? Das kann Leben retten.

Warnung: Die EN 15567 empfiehlt eine möglicherweise gefährliche Verbindung von Seilenden

Die Euronorm für Seilendverbindungen (EN 13411, mehrere Teile) kennt nur "rückgebogene Schlaufen":

In Seilgärten haben wir einige, spezielle Anwendungen. Eine ist das Verbinden von 2 Seilenden.

Die EN 15567 für Seilgärten sieht folgendes vor:

Ich testete diese Verbindung, und zwar so, wie ich sie normalerweise vorfinde:
Die meisten Erbauer fetten nicht die Gewinde, sie ziehen auch nur 1 Mal an. Manche, aber nicht alle haben einen Drehmomentschlüssel. Das ist die Realität.

Ich bereitete daher eine Verbindung vor; ungefettet, 9 Nm, und wartete 15 Stunden. Das Drehmoment war auf 5-6 Nm gefallen. 
Im Test rutschte die Seilendverbindung bei 23 kN.



Das reicht definitiv nicht für hohe Lasten. Bei einer 800 m Zipline habe ich 28 kN gemessen.

Ich erhöhte das Drehmoment wieder auf 9 Nm. Die Last war aber nicht wirklich höher (26,7 kN):

Dann versuchte ich das gleiche mit normgerecht angebrachten Klemmen:

Gefettet, 9 Nm Drehmoment.
Der Effekt war enttäuschend: Nur 32 kN Rutschkraft.
Immer noch nicht genug für eine hohe Last.

Die einzige Möglichkeit, eine ausreichende Haltekraft zu erreichen ist, das Drehmoment zu erhöhen.
Ich schrieb darüber bereits hier, je höher das Drehmoment, desto höher die Kraft.
Ich erhöhte von 9 Nm auf 15 Nm (Rutschkraft 50 kN), auf 18 Nm (67 kN), und bei 20 Nm brach das Seil (70 kN).

Ich schrieb eine Mail ans DIN mit dem Ersuchen um Klarstellung und Übermittlung der entsprechenden Daten, vielleicht habe ich ja was falsch gemacht?

Edit: Das DIN hat mach 5 Jahren Wartezeit nicht geantwortet. Ich glaube, es antwortet nie auf irgendwelche Fragen. Sehr enttäuschend. Hier geht es immerhin um eine meiner Meinung nach gefährliche  Empfehlung seitens des DIN und möglicherweise um Menschenleben, da viele einer DIN Norm vertrauen.

Bis zur Klarstellung empfehle ich folgendes:

Verwende nicht diese in der Norm empfohlene Verbindung, wenn Du hohe Lasten einleitest (lange Ziplines, schwere Elemente, Abspannungen). 

Den geforderten Sicherheitsfaktor von 3 wirst du so ohnehin nie erreichen.
Verwende lieber diese Verbindung:

Und beachte folgende Regeln:

1. Gewinde fetten
2. So oft ds Drehmoment nachziehen, bis es konstant bleibt (3-4 Mal) 
3. Klemmen markieren und nach den ersten Lasten auf Rutschen checken.

Und eher ein höheres Drehmoment verwenden, ich empfehle 18-20 Nm beim 10 mm Seil (das doppelte wie in der Norm).

Appendix: Data

Connecting parallel cables in a ropes course

The standards for cable connections (EN 13411 series) define only "Eye-splices":

In ropes courses we have different applications, one is the connection of 2 cable ends.

Here the standard for ropes courses EN 15567 defines:

I wanted to test this application.
In a first test I did it like I see normally: 
Most of the builders do not grease the clamps. And they tighten only once. Only a minority uses a torque wrench.

So - i prepared a test piece with 9 Nm, ungreased, an let it rest for 15 hours.
The torque has dropped to 5-6 Nm.

The slipping load was 23 kN.

This is definitely not enough for a high load.

Then I retightened the clamps to 9 Nm. But the load was not really higher (26,7 kN):

So - I tried it with properly applied clamps:

Greased, tightened to 9 Nm.
The result was disappointing, again: Only 32 kN.
Still not enough for a high load.

The only way to reach a slipping force that would be appropriate is to increase the torque.
As I wrote before, the higher the torque the higher the load.
I increased from 9 Nm to 15 Nm (50 kN), to 18 Nm (67 kN), and finally to 20 Nm (70 kN), when the cable broke.

I wrote an email to the DIN (German Institute for Standardization) for clarification, to provide the data on which this recommended application is based on.

Until this is not clarified (maybe I made a mistake in my tests) I recommend:
Do not use this application (stated in the EN 15567-1) if you need high loads, like in long zip lines, heavy elements etc.

Rather use this application:

And follow the rules:

1. use grease on the screws
2. retighten as many times as necessary (maybe 3-4 times, until the torque does not change any more).
3. check for slippage (make a marking, check after the first loads and during inspection).

Use rather a higher torque than a lower. I recommend in this application 18-20 Nm.

Appendix: Data

Cable clamps slippage test

I tested the holding force of cable clamps (EN 13411-5-1) on a 10 mm cable.
The results are from an unpublished draft from Michael Katzler, who writes his thesis on this.
The "official" torque is 9 Nm. As I posted before until now I could not find the reason for this low torque, which - according to material values - should be about 15 Nm.

This is how tested it: 

The difference between not greased and greased screws is significant:

The slipping force is less than half if you do not grease.

I tested with different torque:9 Nm, 15 Nm, 18 Nm.

It is obvious: The higher the torque the higher the slipping force.
But: How high can it be?
According to the standard the material must be  minimum quality 5.8.
If you apply a torque of 35 Nm you may destroy the screw. Using 40 Nm you destroy it for sure.
Using a torque of 18 Nm is about half of the breaking load which is below the elastic limit.

Here is the comparison between greased and not greased, and different torque 
9 Nm, 15 Nm, 18 Nm.

Here are the numbers:

Conclusion:

It is important to apply grease before using cable clamps, and if not, have a higher torque.

The best results are applying 18 Nm and apply grease.