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攀岩安全系統設計 – 衝擊力、墜落係數與器械安全標準

Updated: Jun 10, 2021




本篇內容為自行閱讀材料整理撰寫,若有錯誤或不請楚的地方歡迎討論指教。


攀岩安全系統的所有環節

攀岩時使用各種器械裝備,目的是「讓攀岩者能安全的在岩壁上移動」。一般而言,先鋒墜落(leading fall)會讓攀岩者與器械在瞬間承受最大的衝擊力,因此,理論上考慮最壞的情況,攀岩安全系統的閾值,通常是以先鋒墜落的最糟狀態來評估

先鋒墜落中,整個系統吸收衝擊力的各環節包含:攀登者跟他的吊帶、繩索(rope)、固定點(bolt 或岩楔)、連接固定點與繩索的快扣(鉤環與 sling)、以及確保者跟他的確保器與吊帶。墜落的能量主要依靠主繩延展度、確保者與主繩的位移(沒錯就是動態確保)、跟攀岩者的身體來吸收。好吧那問題來了:

系統可承受最大衝擊力,到底該定多少才是合理的?


系統最脆弱的部分 —— 人體


理論上,要先考慮系統中最脆弱的部分 —— 人體

根據 1950 年代美國軍隊傘兵跟飛行員彈射的研究(test report WCLE-53–292 as well as Pilot ejection tests by Henzel in 1967, and Webb in 1964. ),人體能承受的最大衝擊力是 12 kN,超過會造成嚴重傷勢或導致死亡。因此,直接連接到人的主繩,其最大衝擊力不能超過 12 kN。

實際操作上,根據 EN892 / UIAA101 的標準,單繩(Single rope)的動態測試,採用 80 kg 的重物,在 墜落係數 1.77 的條件下做五次,可看下圖 Petzl 的繩索測試表,連接攀登者那端的繩子最大衝擊力不應超過12 kN。

Petzl 的繩索測試標準與最大衝擊力

不過,就像許教練提的,人體受到 8–10 kN 的衝擊力,基本上就很不爽了,加上日新月異的繩索製造科技,現在市面上買到的動力繩彈性與韌性都很好,多數繩子的衝擊力都在 10 kN 以下。例如 Petzl CONTACT® 9.8 mm,規格如下:墜落係數 1.77,fall 7 次,平均的衝擊力約 8.4 kN。除非你膽子超大挑戰超級恐怖的路線,或是運氣不好、技術不好、噴點、卡繩,不然要遇到 FF = 1.77 的墜落也不容易。


Petzl CONTACT® 9.8 mm Specification

先鋒確保守則和器械的共同演進

1900 年代,在尼龍繩尚未出現,大家還是用麻繩的時候,先鋒的準則是:「先鋒者不能 fall(the leader must not fall )」。1930 年代,Sierra Club 引進動態確保 —— 確保者將繩子繞在後腰製造可滑動的轉折,配合手套進行確保,守則變成:「繩子必須要滑動!(the rope must run!)」。

1953 年,Edelrid 公司發明現代攀登繩:kernmantel rope,即有外皮(sheath)保護的尼龍繩,推進整個登山攀岩界的發展。讓攀岩者可以嘗試路線可以 fall,確保者不會燃燒自己的腰跟確保手套,感恩 Edelrid !讚嘆 Edelrid!

Photo by Brook Anderson on Unsplash

從人體可承受的衝擊力去計算其他器械的安全標準

除了繩子之外,安全系統中的鉤環、sling 或 bolt 的安全標準又是怎麼訂的呢?過去,在人體能承受的衝擊力尚未有個標準,且大家也不能 fall 的時候,這些器械的強度其實也沒個標準!製造商生產出什麼產品,大家用了覺得可以,其他製造商也跟進,在製造成本與可使用性兩者平衡下,久而久之就會有個大概的強度。不過,當 12 kN 這個人體可承受衝擊力的標準出現後,這些器械的標準也就有計算的根據。

理論上,以連接主繩與固定點的鉤環來說,在完全沒有摩擦力的狀態下,墜落對鉤環造成的最大衝擊力應該是 12 kN *2 = 24 kN。加上鉤環的摩擦力,以及不同墜落係數的影響,確保者端主繩的衝擊力大約是攀爬者端的 50%~66%(參考下圖)。換言之,鉤環所承受向下衝擊力的最大值,大約是 12 kN *(1+66%) = 19.92 kN,約 20 kN。

墜落時鉤環兩側主繩的受力比例

墜落時鉤環兩側主繩的受力比例回來看 UIAA 的標準,一般的 D 型鉤環主要方向受力是 20 kN (UIAA121)!(登愣~)、繩環(Sling)是 22 kN(UIAA104)、固定點(bolt)是 25 kN (UIAA123)。大概就是這樣定的拉!(虎頭蛇尾…Orz)

各種 UIAA 的器械裝備安全標準,可以參考官網說明: UIAA SAFETY STANDARDS


好拉,要認真一點,大家還可以討論以下問題:

  1. 為什麼鉤環開口(gate)方向受力是 7 kN,gate 打開的情況下也是 7 kN?

  2. 被動岩械如 nut,你知道 UIAA 的最低標準是 2 kN 嗎?(驚嚇!)實際產品的規格以 Black Diamond 的 Stopper 為例:

[size 1-2] 2 kN (450 lbf)
[size 3] 5 kN (1124 lbf)
[size 4-5] 6 kN (1349 lbf)
[size 6-12] 10 kN (2248 lbf)

3. 主動岩械如 cam / friction anchors,UIAA 的最低標準是 5 kN 呦,Why? 4. 為什麼英國人愛用雙繩系統?


以上問題有些可以在這篇專業文章裡得到解答:


參考文獻


 

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