«Wire» har flere betydninger. miniatyr|høyre|Ståltau brukt i det tyske bergverket Zeche Zollern Ståltau, eller vaier (fra engelsk wire rope), er tau slått (tvunnet) av ståltråder. Stålet er normalt galvanisert eller rustfritt. De kan ha kjerner av fiber eller stål. Ståltau ble oppfunnet i 1830-årene i Tyskland og ble først brukt i gruveindustrien, men har siden funnet anvendelse på en rekke områder. Ståltau blir blant annet brukt i hengebroer, skråkabelbroer, kraner, heiser og taubaner, men også til utstyr på sirkus og fornøyelsesparker, samt i gruveindustri og forankring av fartøyer og oljeplattformer.
Bakgrunn
Moderne ståltau ble oppfunnet av den tyske bergingeniøren Wilhelm Albert i perioden 1831 til 1834 for bruk i gruvedrift i Harzfjellene i Clausthal, Niedersachsen i Tyskland. Ståltauet fikk raskt gjennomslag fordi det var bedre enn vanlig tauverk eller kjetting, som hadde blitt benyttet før ståltauet ble oppfunnet.Modern History of Wire Rope - Donald Sayenga
Wilhelm Alberts første ståltau besto av tre kordeller med fire ståltråder i hver. I 1840 forbedret skotten Robert Stirling Newall produktet og produksjonen av det.Iron: An illustrated weekly journal for iron and steel, Volume 63 by Sholto Percy
I siste halvdel av 1800-tallet begynte en å bruke ståltau for å distribuere mekanisk kraft, blant annet for taubaner.The Mechanical Transmission of Power: Endless Rope Drives by Kris De Decker, March 27, 2013 Ståltau kostet en tiendedel av remdrift og hadde mindre tap ved friksjon. På grunn av disse fordelene ble ståltau benyttet for å distribuere kraftved distanser opp til noen kilometer.
I USA ble ståltau etterhvert produsert av John August Roebling, noe som la grunnlaget for hans suksess med bygging av hengebroer. Roebling sto for en rekke forbedringer i konstruksjon, materiale og produksjon av ståltau.
Oppbyggingen av ståltau thumb|Eksempel på oppbygningen av et ståltau. Denne betegnes som type 6 x 19 + 1FC. thumb|a) Langslåtte ståltau b) Krysslåtte ståltau. Begge kordelene er her spunnet mot høyre, mens trådene er spunnet henholdsvis mot høyre og venstre. Et ståltau er oppbygd av individuelle tråder, sammensatt til en kordel eller part (engelsk strand). Et antall kordeler er slått (spunnet) rundt en senterkjerne til et ferdig ståltau.
Ståltauene sies å være kryss- eller langslåtte – se figuren. Krysslåtte ståltau er vanligst, da er trådene og kordelene tvinnet hver sin vei.
Diameteren blir målt utenpå kordelene, der tauet er tykkest. Diameteren kan være opp til 120 mm for ståltau til forankring av FPSOer.
Man klassifiserer ståltauet etter type og diameter. Typen tau beskrives ofte på formen a × b + c der a er tallet på kordeler i tauet, b er tallet på tråder i hver kordel og c karakteriserer kjernen. Eksempelet i figuren øverst til høyre omtales som 6 × 19 + 1FC, det vil si seks kordeler hver med 19 tråder + en fiberkjerne (FC).Hva er et ståltau? ; certex.no, 2012-02-23Andre forkortelser er blant annet NFC = naturfiberkjerne, SFC = syntetisk fiberkjerne, WC = stålkjerne, WSC = ståltråd kordellkjerne, WRC = ståltaukjerne osv. En mer fullstendig kode kan være 22-6 × 19-FC-1770-B-sZ, for et ståltau med 22 mm nominell diameter, med bruddspenning på 1770 MPa. Leddet som her har bokstaven B viser til beskyttelsesmetode.I dette tilfellet betyr B galvanisert i samsvar med klasse B i NS-EN 10264-1 og NS-EN 10264-2. Leddet som her har bokstavene sZ viser om spinningen av ståltråder er mot høyre eller venstre,Koden er s for venstreslåtte og z for høyreslåtte ståltråder. og om spinningen av kordelene er mot høyre eller venstre.Kodene er S for venstreslåtte og Z for høyreslåtte kordeler. Kodene er standardisert i ISO 17893.
Ståltrådene Ståltrådene er laget av eutektisk perlitt - en blanding av ferritt (rent jern) og sementitt (Fe3C). Trådene er normalt finkornige og lavlegerte (mye mangan og silisium). Karboninnholdet er høyt for å oppnå høy styrke, typisk 0,4–0,95 %. En bruker betegnelser på ståltrådene som for eksempel C 82 D, som betyr et midlere karboninnhold på 0,82 %. En foretrekker ofte å ha karboninnholdet på om lag 0,86 %.Klaus Feyrer: Wire ropes - tension, endurance, reliability. Second edition, Springer-Verlag, Berlin Heideberg, 2015, side 1.
Kaldtrukne perlittråder kan ha flytegrenser på flere tusen megapascal. Det gjør perlitt til et av de sterkeste konstruksjonsmaterialer vi har.Raabe, D.; Choi, P. P.; Li, Y. J.; Kostka, A.; Sauvage, X.; Lecouturier, F.; Hono, K.; Kirchheim, R.; Pippan, R.; Embury, D. (2010), Metallic composites processed via extreme deformation - Toward the limits of strength in bulk materials 35, MRS Bulletin, side 982. Maksimal strekkstyrke er funnet å være over 6000MPa. Selv om perlitt brukes i mange tekniske anvendelser, er opprinnelsen til den ekstreme styrken dårlig forstått. Kaldtrekkingen styrker perlitten ved forbedring av lamellestrukturene, gir delvis kjemisk nedbryting av sementitt, og en overgang fra krystallinsk til amorf sementitt.Li, Y.J.; Choi, P.P.; Borchers, C.; Westerkamp, S.; Goto, S.; Raabe, D.; Kirchheim, R. (2011), Atomic-scale mechanisms of deformation-induced cementite decomposition in pearlite 59, Acta Materialia, side 3965.
Høyt karboninnhold innebærer at trådene er dårlig sveisbare. For å sveises med godt resultat må en ha varmebehandling.
I patenterte prosesser som innebærer kaldpressing, varmebehandling og ny kaldpressing, blir stålet presset gjennom stadig tynnere hull slik at det til sist kommer ut i den ønskede formen, tykkelsen og lengden. Oftest produseres trådene runde, men kan ha andre former.
Trådene blir ofte galvanisert med sink for å kunne brukes i korrosivt miljø.
Trådene er lett bøyelige og strekksterke, og lar seg rette ut og bøyes på nytt en del ganger. Når den ryker etter slik bøying er det på grunn av lavsyklusutmatting.
Kordelene Kordelene er oppbygd med flere lag med tråder rundt en kjerne. Miksen av tråder (dimensjon og antall) bør være en god kombinasjon av grove tråder mot korrosjon og slitasje, og tynnere tråder for fleksibilitet. Dess tynnere enkelttrådene er, dess mykere er ståltauet. Et standard ståltau består oftest av seks til åtte kordeler. Ved å øke antall kordeler blir formen på ståltauet mer sirkulært. Det reduserer slitasjeområdet i ledehjul og skiver. Valget av tykkelsen på trådene er i stor grad styrt av om en er utsatt for utmatting eller slitasje. For å hindre utmatting er det best å ha små diametere på ståltrådene. For å hindre slitasje er det best å ha store diametere på trådene. I praksis må en gjøre et kompromiss.Balmoral Marine: Marine equipment handbook, 2007.
Kjernen Kjernen er fundamentet for kordelene, og hjelper til å holde dem på plass. Senterkjernen er gjerne av fiber eller ståltråd. En velger fiber dersom en vil spare vekt. Kan ståltauet være utsatt for knusing, høye temperaturer eller om en trenger høy strekkstyrke, bør en velge en stålkjerne.
For offshore bruk anbefales det ikke å bruke fiberkjerner.ISO 19901-7, Stationkeeping systems for floating offshore systems and mobile offshore units, punkt 11.1.2 Wire rope Klassifikasjonsselskapet DNV GL krever ved bruk av kordeler, at kjernen lages av et uavhengig ståltau (engelsk IWCR).DNV GL: Offshore Mooring Steel Wire Ropes, DNV-OS-E304, punkt 2.2.2.
Plastkappen En kan legge et beskyttende plastlag rundt ståltauet for å forebygge korrosjon. Laget vil også holde smøringen av tauet på plass og kunne redusere slitasje både internt, og redusere utvendig slitasje. Det lages av polyetylen eller polyuretan.ISO 19901-7, Stationkeeping systems for floating offshore systems and mobile offshore units, kapittel A.11.1.2 Wire rope
Plastbelegget har andre deformasjonsegenskaper enn ståltauet. Erfaring viser at når lange ståltau tøyes, kan en etter en tid få at endene av ståltauet er uten beskyttelse.
Friksjonen mellom plast og stål er mye høyere enn mellom stål og stål. Bruk av plastkapper vil derfor øke rotasjonen i ståltauet.
Oppførsel under belastninger Elastisitet og tøyninger Forlengelser og tøyninger av ståltau under belastninger beskrives ved elastisitetsmodulene (oftest betegnet med bokstaven E i analyser eller forkortelsen E-modul). Jo høyere E-modulen er, desto stivere er materialet.
E-modulen for ståltau avviker fra E-modulen til ståltrådene. Den er videre ikke-lineær, slik at en må forholde seg til flere E-moduler avhengig av strekklasten. E-modulen for ståltau med kordeler kan bare fastsettes med rimelig nøyaktighet ved målinger for den aktuelle ståltrådtypen.Klaus Feyrer: Wire ropes - tension, endurance, reliability. Second edition, Springer-Verlag, Berlin Heideberg, 2015, side 79. E-modulen endrer seg også med antall ganger lasten påføres, ved at en får en permanent deformasjon. Ståltauet blir derfor stivere ved bruk. Arbeidsdiagrammene for pålasting og avlasting er også forskjellige (hysterese). Er det viktig at lengden på ståltauet ikke øker mye, bør tauet strekkes opp gjentatte ganger før bruk.
Strekkspenninger For et ståltau i strekk vil spenningene i hver enkelt tråd være forskjellige. Spenningen i den mest belastede tråden vil være større enn den midlere spenningen i ståltauet. I tillegg til strekkspenninger vil ståltrådene få bøye- og torsjonsspenninger, og noe tverrspenninger på grunn av trykk. Spenningsforskjellene vil være: systematiske avhengig av vinklene som trådene og kordelene er spunnet i, og usystematisk fordi ståltrådene og kordelene ofte ligger løst på kjernen og ikke begynner å ta opp last før ståltauet har fått en god del strekk. Spenningene vil videre være påvirket dersom ståltauet ikke har en perfekt geometri, har indre spenninger, dersom tråder eller kordeller er løse, eller om noen tråder har spenninger utenfor det elastiske området.Klaus Feyrer: Wire ropes - tension, endurance, reliability. Second edition, Springer-Verlag, Berlin Heideberg, 2015, side 60.
En har ikke noen god metode til å beregne virkelige spenninger i hver tråd.
Strekkstyrken av et ståltau kan anslås som ca. 85 % av summen av styrkene til trådene i et ståltau med kordeller og ca. 79 % for et rotasjonsfritt ståltau.DNV GL: Offshore Mooring Steel Wire Ropes, DNV-OS-E304. Punkt 1.2.3.
Bøyespenninger Bøying av ståltau over tromler, ledehjul, skiver, i endeavslutninger med mer, vil redusere evnen til å ta opp strekk. En forsøker derfor å holde bøyingen på ståltauet så liten som mulig.
Torsjon Vridning eller rotasjon (engelsk twist) i motsatt retning av hvordan trådene eller kordelene er slått, vil kunne føre til at ståltrådene eller kordelene åpner seg. Styrken vil da bli redusert.
Når en strekker ståltau, vil det på grunn av spiralutformingen få et dreiemoment.Klaus Feyrer: Wire ropes - tension, endurance, reliability. Second edition, Springer-Verlag, Berlin Heideberg, 2015, side 105ff. Momentet er omtrent proporsjonal med strekklasten.Chaplin, C. R. "Deepwater moorings: challenges, solutions and torsion." Proceedings Second Internationaler Stuttgarter Seiltag February 2005 (2005). Dersom tauet ikke er fastholdt i endene vil det rotere. Dersom en bruker svivler vil disse ikke overføre torsjon ved små laster, men når lasten øker vil svivelen låse seg og torsjon kan overføres videre.Chaplin, C. R., G. Rebel, og I. M. L. Ridge. "Tension/torsion interactions in multicomponent mooring lines." Offshore Technology Conference. Offshore Technology Conference, 2000. Det kan unngås ved å bruke kuleledd i svivelen, men en risikerer da at en får torsjonsutmatting i ståltauet. En må da velge hva som er viktigst å unngå for den aktuelle anvendelsen.
Dersom torsjonen fra et ståltau overføres gjennom svivelen til en fiberline med lav torsjonsstivhet, vil fiberlinen svive rundt. Avhengig av fiberlinens endeavslutning kan den sende vridningen tilbake til ståltauet, men i motsatt retning. Det kan åpne opp ståltauet, og bidra til brudd.