در صنایع سنگین، حمل و نقل، معدن و عملیات بالابری، سیم بکسل (Wire Rope) به عنوان قلب تپنده سیستم‌های کششی و بالاکشی، نقشی حیاتی در انتقال نیرو و جابه‌جایی بارها ایفا می‌کند. عمر مفید، ایمنی و قابلیت اطمینان یک سیم بکسل به طور مستقیم تحت تأثیر نوع نیروهای وارد بر آن قرار دارد. اساس تحلیل‌های مهندسی و بازرسی‌های دوره‌ای، درک تمایز میان دو حالت اصلی تنش است: بارگذاری سیم بکسل به صورت استاتیکی و دینامیکی. بارگذاری استاتیکی به حالتی اطلاق می‌شود که نیروی وارد بر سیم بکسل ثابت و بدون تغییرات ناگهانی باشد، در حالی که بارگذاری دینامیکی شامل تغییرات سریع و مکرر نیرو، ارتعاشات و بارهای شوک است. این تفاوت در ماهیت نیروها، پاسخ سیم بکسل را از نظر تنش داخلی، خستگی (Fatigue) و میزان ازدیاد طول، به طور بنیادین تغییر می‌دهد. یک مهندس متخصص برای حفظ ضریب ایمنی و پیشگیری از گسیختگی‌های ناگهانی، باید با جزئیات این رفتارها آشنایی کامل داشته باشد و متناسب با نوع بارگذاری سیم بکسل، استراتژی طراحی و نگهداری را تعیین کند.
اطلاعات بیشتر: قرقره پرچم
سیم بکسل یک ساختار کامپوزیت مهندسی‌شده است که از رشته‌های فولادی پیچیده شده حول یک مغزی مرکزی تشکیل شده است. پاسخ سیم بکسل به انواع بارگذاری سیم بکسل به طور تنگاتنگی به جنس فولاد استفاده‌شده (اغلب فولادهای با کربن بالا)، روش ساخت (نحوه پیچش رشته‌ها یا Lay) و نوع مغزی آن بستگی دارد. به عنوان مثال، ساختارهایی با لایه‌های متراکم‌تر و سطح مقطع مؤثر بیشتر، مقاومت بهتری در برابر بارهای استاتیک از خود نشان می‌دهند. در مقابل، سیم بکسل‌هایی با ساختار انعطاف‌پذیرتر و مغزی فیبری (Fiber Core یا FC) به دلیل قابلیت جذب انرژی بیشتر، در برابر بارهای شوک و خستگی عملکرد مطلوب‌تری ارائه می‌دهند. تخصص در انتخاب ترکیب مناسب از لایه‌ها و مغزی (مانند مغزی فولادی مستقل یا IWRC) برای مقابله با نیروی وارده، نقطه آغازین هر تحلیل ایمنی در پروژه‌های صنعتی محسوب می‌شود.
اطلاعات بیشتر: گوشواره سیم بکسل
بارگذاری سیم بکسل به صورت استاتیکی، ساده‌ترین نوع تحلیل نیرویی است و معمولاً به باری اشاره دارد که بدون شتاب قابل توجه یا تغییرات سریع، توسط سیم بکسل نگهداری می‌شود (مانند نگهداری یک وزن ثابت توسط جرثقیل در حالت سکون یا کابل‌های مهار یک پل معلق). در این حالت، تنش‌های واردشده به سیم بکسل نسبتاً یکنواخت و پایدار هستند و تحلیل‌ها بر مبنای قوانین کلاسیک مکانیک مواد انجام می‌شود. محاسبه دقیق حد گسیختگی و اطمینان از اینکه نیروی کاری ایمن (WLL) تنها کسری کوچک و محافظه‌کارانه از این حد باشد، مهم‌ترین جنبه در این نوع بارگذاری است. اگرچه این بارگذاری ساده‌تر به نظر می‌رسد، اما محاسبات اشتباه در سطح مقطع مؤثر یا چشم‌پوشی از کاهش سطح مقطع ناشی از ساییدگی، می‌تواند به شکست سیم بکسل تحت بار استاتیک منجر شود.
نیروی کشش استاتیک، نیروی ثابتی است که بر سیم بکسل وارد می‌شود و بدون مؤلفه‌های زمانی یا شتاب‌دار است. در تحلیل این نوع بارگذاری سیم بکسل، مهندسان به مفهوم حد گسیختگی (Minimum Breaking Strength یا MBS) تکیه می‌کنند. MBS حداکثر نیرویی است که یک سیم بکسل نو و استاندارد، تحت شرایط آزمایشگاهی و قبل از رسیدن به نقطه شکست، می‌تواند تحمل کند. در طراحی صنعتی، نیروی کاری ایمن (WLL) همواره باید به مراتب کمتر از MBS باشد و این تفاوت با استفاده از ضریب ایمنی (Safety Factor) تعریف می‌شود. برای بارگذاری‌های استاتیک ساده در استانداردها معمولاً یک ضریب ایمنی حداقل ۳ یا ۴ در نظر گرفته می‌شود، به این معنی که WLL نباید بیشتر از یک‌سوم یا یک‌چهارم MBS باشد. این ضریب، حاشیه ایمنی لازم برای پوشش خطاهای جزئی محاسباتی و کاهش جزئی مقاومت در طول عمر سیم بکسل را فراهم می‌سازد.
یکی دیگر از جنبه‌های کلیدی در بارگذاری سیم بکسل استاتیک، محاسبه میزان ازدیاد طول یا کشیدگی سیم بکسل است که تحت عنوان ازدیاد طول الاستیک شناخته می‌شود. این ازدیاد طول برای کاربردهایی نظیر آسانسورها یا پل‌ها که پایداری ابعادی در آنها اهمیت دارد، بسیار حیاتی است. محاسبه این کشیدگی با استفاده از فرمول‌های مکانیک مواد که شامل طول سیم بکسل، نیروی واردشده و مدول الاستیسیته (E) مواد است، انجام می‌گیرد. با این حال، سیم بکسل به دلیل ساختار پیچیده خود، مدول الاستیسیته کمتری نسبت به فولاد ساده دارد، زیرا شامل تنش‌های داخلی پیچش و حفره‌های هوایی میان رشته‌ها است. این مدول برای سیم بکسل، که به عنوان مدول الاستیسیته مؤثر شناخته می‌شود، با افزایش بارگذاری سیم بکسل به صورت استاتیکی تا حدودی افزایش می‌یابد، اما پس از برداشته شدن بار، سیم بکسل به دلیل رفتار الاستیک، به طول اولیه خود باز می‌گردد. هرچند، بخشی از این کشیدگی نیز ممکن است از نوع پلاستیک (دائمی) باشد که در اثر نشست اولیه رشته‌ها اتفاق می‌افتد.
در مقابل بارگذاری استاتیکی، بارگذاری سیم بکسل به صورت دینامیکی پیچیده‌ترین و مخرب‌ترین نوع تنش برای سیم بکسل است. این نوع بارگذاری در عملیاتی نظیر بالابری‌های سریع، توقف‌های ناگهانی، حرکت در سرعت‌های بالا و یا سقوط‌های جزئی رخ می‌دهد. ویژگی اصلی بارهای دینامیک، وجود شتاب است که باعث می‌شود نیروی واردشده به سیم بکسل به طور ناگهانی و برای لحظه‌ای کوتاه به مراتب بیشتر از وزن واقعی بار شود. این شوک‌ها منجر به تنش‌های داخلی بسیار بالاتر و کاهش شدید عمر مفید سیم بکسل می‌شوند، حتی اگر حداکثر نیروی شوک واردشده، کمتر از حد گسیختگی استاتیک سیم بکسل باشد. تحلیل دینامیکی بر مفاهیم مدیریت انرژی شوک و پیش‌بینی عمر خستگی متمرکز است.
هنگامی که یک بار به طور ناگهانی متوقف می‌شود یا شتاب می‌گیرد، نیروی دینامیکی ایجاد می‌شود که می‌تواند چندین برابر نیروی استاتیک (وزن بار) باشد. این افزایش نیرو با استفاده از ضریب شوک (Impact Factor) محاسبه می‌شود. ضریب شوک تابعی از میزان سرعت تغییر بار، سختی سیستم (استحکام سیم بکسل و ساختار پشتیبانی) و میزان افت ناگهانی بار است. به عنوان مثال، اگر یک بار با شتاب ناگهانی برداشته شود، نیروی دینامیکی حاصل از آن می‌تواند به طور موقت به ۲ تا ۳ برابر وزن استاتیک بار افزایش یابد. این افزایش ناگهانی در بارگذاری سیم بکسل، می‌تواند باعث ایجاد موج‌های تنشی (Stress Waves) در طول سیم بکسل شود که در صورت مکرر بودن، ساختار داخلی سیم بکسل را به سرعت تضعیف می‌کند. برای این نوع عملیات، ضریب ایمنی بسیار بالاتر (اغلب ۵ به بالا) در طراحی اولیه مد نظر قرار می‌گیرد.
خستگی، مهم‌ترین و مخرب‌ترین نتیجه بارگذاری سیم بکسل دینامیکی و چرخه‌ای است. خستگی به شکست ماده در اثر تکرار تنش‌های زیر حد گسیختگی استاتیک اشاره دارد. در سیم بکسل، خستگی نه تنها ناشی از تغییرات نیروی کششی است، بلکه از خم شدن مکرر سیم بکسل بر روی قرقره‌ها و درام‌ها نیز نشأت می‌گیرد. هر بار که سیم بکسل خم و راست می‌شود، رشته‌های آن دچار تنش کششی و فشاری چرخه‌ای می‌شوند که به مرور زمان منجر به ایجاد ترک‌های میکروسکوپی شده و در نهایت، سیم بکسل حتی تحت بار استاتیک نیز دچار شکست خستگی می‌شود. مهندسان از نمودار S-N (تنش در مقابل تعداد چرخه‌ها) برای پیش‌بینی عمر مفید سیم بکسل در شرایط بارگذاری دینامیکی مشخص استفاده می‌کنند. این نمودار نشان می‌دهد که هرچه دامنه تنش چرخه‌ای کمتر باشد، تعداد چرخه‌های بیشتری تا رسیدن به شکست خستگی قابل تحمل است. مدیریت خستگی در واقع مدیریت چرخه عمر سیم بکسل است و این فرآیند، کلید تخصص در نگهداری سیستم‌های بالابری محسوب می‌شود.
