ЯЧЕИСТАЯ СТРУКТУРА

Полезная модель относится к строительству и касается элементов крепления зернистого материала для подготовки оснований дорог путем укрепления грунта, а также укрепления откосов насыпей для гидротехнических сооружений, оснований и фундаментов других строительных сооружений.
Известна ячеистая структура [1], содержащая множество круглых узлов, с выходящими из них одинаковыми полосками, расположенными вокруг этих узлов с образованием множества треугольников, которыми, в свою очередь, сформировано множество правильных шестиугольников с шестью угловыми узлами и одним центральным узлом. При этом все элементы ячеистой структуры выполнены одинаковой толщины.
Из такой ячеистой структуры изготавливают сетки, решетки, применяемые при укреплении грунтов в дорожном строительстве и при возведении оснований и фундаментов различных сооружений.
Для изготовления ячеистой структуры применяют в двух взаимно-перпендикулярных направлениях растягивание и ориентирование пластикового исходного материала с сеткой отверстий в нем.
Недостатком такой ячеистой структуры, а также изделий из нее в том, что в результате получаются конструкции большого веса, недостаточной прочности и малой полезной ширины на единицу массы. Это происходит из за того, что все их элементы выполнены одинаковой толщины, из которых полоски, для своего усиления по прочности, имеют относительно большую ширину, что и ограничивает их полезную площадь в части расположения зернистого строительного материала.
Более легка, прочна и эффективна ячеистая структура для изготовления сеток на ее основе [2]. Она принята за прототип полезной модели.
Такая ячеистая структура содержит множество утолщенных узлов овальной формы, с выходящими из них более тонкими и узкими одинаковыми полосками, расположенными вокруг этих узлов с образованием множества треугольников, которыми, в свою очередь, сформировано множество правильных шестиугольников с шестью угловыми утолщенными узлами и одним центральным утолщенным узлом.
При этом две противолежащие от центрального утолщенного узла полоски расположены параллельно одному из направлений ориентации ячеистой структуры, а остальные полоски - под одинаковыми острыми углами (±30°) к нему.
Для изготовления такой ячеистой структуры и решетки из нее применяют растягивание и двухосное ориентирование пластикового исходного материала, в котором предварительно выполнена сетка отверстий.
При этом по существу в каждом месте выхода полосок из утолщенных узлов область между каждой парой этих соседних полосок ориентирована в направлении, проходящем вокруг места разветвления, в результате чего существует непрерывная ориентация от края одной полоски, вокруг места разветвления и до края соседней полоски.
Причем растягивающее усилие прикладывают в такой степени, что ориентация полосок простирается в по существу каждое место соединения, так что в по существу каждом месте соединения место разветвления между каждой парой соседних полосок, образующих входящий угол, будет ориентировано в направлении, проходящем вокруг мест разветвления, в результате чего существует непрерывная ориентация от края одной полоски, вокруг места разветвления, и до края соседней полоски.
Полученное таким способом устройство решетки из ячеистой структуры по прототипу [2] обладает отличной сопротивляемостью растягивающим усилиям от внешних нагрузок, воздействующих на строительную конструкцию, в которой вместе с зерновым материалом сама решетка применена.
Однако существенным недостатком прототипа [2] является недостаточная гибкость ячеистой структуры, что ограничивает способность скручивания готового изделия из ячеистой структуры в компактный рулон. Это происходит из-за того, что ширина всех полосок ячеистой структуры меньше их толщины. Поэтому при попытке уменьшения начального диаметра такого скручивания начинают быстро перегибаться по середине с остаточной деформацией те узкие полоски ячеистой структуры, которые находятся в направлении скручивания. Причем вместо цилиндрической поверхности получается граненая поверхность рулона. Поэтому в одном рулоне помещается малое количество готового изделия мерной длины. Кроме того, после раскручивания такого рулона деформированные ранее узкие полоски повторно деформируются, разгибаясь и оставляя видимые места перегибов, что отрицательно сказывается в целом на их прочности при эксплуатации готового изделия из ячеистой структуры.
Другим недостатком прототипа [2] является то, что при возникновении в процессе эксплуатации изделия из ячеистой структуры неблагоприятных внешних факторов, которые вызывают усиление несущей нагрузки на нее с концентрацией ударных воздействий зернистого материала с острыми кромками (например щебня), возможен разрыв узких полосок, который, в случае такого повреждения в большинстве шестиугольников, повлечет за собой резкое ослабление несущей способности решетки и строительной конструкции в целом.
Кроме того, такая ячеистая структура и изделия на ее основе по прототипу [2] нетехнологичны в своем изготовлении при достижении упомянутой сплошной круговой ориентации вокруг мест разветвления полосок в местах их соединения в узел.
Данные обстоятельства в отношении известного устройства снижают возможности применения изделий с такой ячеистой структурой в ряде типов строительных конструкций, например, железнодорожных насыпях для эксплуатации их в период интенсивного движения тяжеловесных железнодорожных составов.
Задача изобретения состоит в повышении гибкости и прочности ячеистой структуры, в повышении способности скручивания готового изделия из ячеистой структуры в компактный рулон, в повышении технологичности изготовления ячеистой структуры и изделий на ее основе, в усилении несущей способности и в повышении универсальности применения изделий из ячеистой структуры.
Поставленная задача решается тем, что ячеистая структура, содержащая множество утолщенных узлов, с выходящими из них полосками, расположенными вокруг этих узлов с образованием множества треугольников, которыми, в свою очередь, сформировано множество шестиугольников с шестью угловыми утолщенными узлами и одним центральным утолщенным узлом, при этом две противолежащие от центрального утолщенного узла полоски расположены параллельно одному из направлений ориентации ячеистой структуры, а остальные полоски - под острыми углами к нему, имеет отличительные признаки: полоски, расположенные параллельно одному из направлений ориентации ячеистой структуры выполнены шире и тоньше остальных полосок, при этом проведенные к сторонам шестиугольников нормали через середину центрального утолщения, делят на практически равные части внутри этих шестиугольников только треугольники, основания которых образованы полосками, расположенными параллельно одному из направлений ориентации ячеистой структуры, кроме того в шестиугольниках противолежащие верхние и нижние угловые утолщенные узлы смещены друг относительно друга по горизонтали, а утолщенные узлы выполнены в виде буквы «X», направление полок которой ориентировано преимущественно в направлении полосок, расположенных под острыми углами к одному из направлений ориентации.
Выполнение полосок, расположенных параллельно одному из направлений ориентации ячеистой структуры шире и тоньше остальных полосок, позволит повысить гибкость полосок измененной ширины и ячеистой структуры в целом. Кроме того, будет также повышаться в целом опорная площадь такой структуры, что позволит усилить ее несущую способность. Еще одним преимуществом выполнения полосок, расположенных параллельно одному из направлений растягивания и ориентации ячеистой структуры шире и тоньше остальных полосок, будет являться повышение гибкости таких широких полосок и ячеистой структуры в целом в направлении сгибания изделий из ячеистой структуры при скручивании их в более компактные, чем по аналогу [1] и прототипу [2] рулоны.
Упомянутое деление геометрическими нормалями на практически равные части внутри шестиугольников ячеистой структуры только треугольников, основания которых образованы полосками, расположенными параллельно одному из направлений ориентации ячеистой структуры, направлено на неравномерное расположение элементов таких неправильных шестиугольников по площади ячеистой структуры, что увеличивает в целом ее прочность на разрыв при приложении к ней максимальных по величине усилий в направлении параллельном или под углом к широким полоскам. Т.е. устраняется эффект «домино» разрушения одинаково расположенных элементов ячеистых структур, подобных конструкции по аналогу [1] и по прототипу [2].
Смещение друг относительно друга по горизонтали противолежащих верхних и нижних угловых утолщенных узлов в шестиугольниках, предназначено для усиления упомянутого выше свойства по повышению прочности ячеистой структуры, но уже преимущественно в направлении приложения нагрузок перпендикулярно широким полоскам, которые выполнены тоньше чем остальные.
Выполнение утолщенных узлов в виде буквы «X», т.е. Х-образными - это более естественная форма повторения пересечений узких полосок в этих узлах, которую легче достичь в технологическом процессе изготовления ячеистой структуры путем растяжения в двух направлениях заготовки, чем круглую форму по аналогу [1] и овальную форму по прототипу [2]. Х-образная форма утолщенных узлов получается естественным образом без специальной доводки, как это необходимо для круглой формы по аналогу [1] и овальной формы по прототипу [2]. Х-образная форма дополнительно способствует упрочнению конструкции ячеистой структуры при приложении к ней одновременных нагрузок по перекрестным диагоналям. Кроме того, ориентация всех пар полосок в утолщенных узлах происходит в направлении по контуру их Х-образной формы, что способствует повышению концентрации сопротивляемости на разрыв для мест выхода полосок из этих утолщенных узлов, в отличие от концентрации такой сопротивляемости вокруг овальной формы утолщенных узлов по прототипу [2], где имеются «лишние» зоны ориентации не в местах выхода полосок, с ослаблением этими «лишними» зонами прочностных свойств мест выхода полосок из утолщенных узлов.
Вариантом выполнения ячеистой структуры может быть наличие отверстия в одном или нескольких утолщенных узлах.
Сущность полезной модели поясняется иллюстрациями, где на фиг.1 показан лист исходного пластического материала; на фиг.2 показан общий вид ячеистой структуры; на фиг.3 - увеличенный вид зоны расположения одного из шестиугольников ячеистой структуры; на фиг.4 укрупненный вид на узловое X-образное утолщение ячеистой структуры; на фиг.5 - фрагмент процесса скручивания в рулон ячеистой структуры; на фиг.6 - рулонное изделие из ячеистой структуры; на фиг.7 - фрагмент начала монтажа изделия по фиг.5 строительной конструкции; на фиг.8 - строительная конструкция с применением изделия на основе ячеистой структуры.
Для изготовления ячеистой структуры строительного изделия применяют пластиковый исходный материал (фиг.1) из любого пластика высокой плотности, например, из полипропилена или полиэтилена. Пластиковый исходный материал представляет собой строго расположенный в одной плоскости лист 1 экструдированного пластика, имеющего плоские параллельные поверхности. Предварительно в листе 1 пробиты сравнительно небольшие отверстия 2 с образованием массива шестиугольников 3 (условно обозначены пунктирными линиями) по существу идентичной формы и размера так, что по существу каждое отверстие 2 находится в углу каждого из трех шестиугольников 3.
Внутри, как минимум, одного шестиугольника 3 выполняют предварительно, как минимум, одно дополнительное отверстие 4 с размером, не менее размера отверстий 2 этого шестиугольника. Это делают, во-первых для повышения удобства установки инструмента, с помощью которого будут осуществлять последующее растягивание и ориентацию пластикового исходного материала под необходимыми углами в разных направлениях, и во-вторых, чтобы обеспечить в готовом изделии наличие, как минимум, одного технологического отверстия, которое располагается в утолщенном узле ячеистой структуры изделия и служит для удобства и надежности установки его в строительной конструкции.
Лист 1 из пластикового исходного материала нагревают и прикладывают к нему первое растягивающее усилие в одном из направлений, например, в направлении B, то есть в направлении, по существу параллельном направлению условных пунктирных линий, показанных на фиг.1, соединяющих крайние нижние и верхние отверстия 2 шестиугольников 3. Для этого используют, специальное приспособление (не показано), например, параллельные зажимы, как в прототипе [2], которые взаимодействуют с краевыми зонами листа 1, в том числе через дополнительное отверстие (или отверстия) 4, и затем параллельные зажимы линейно отводят в сторону друг от друга. В результате получают полуфабрикат (не показан) с растянутыми отверстиями 2, которые превращены в продолговатые овальные отверстия.
После этого полученный полуфабрикат освобождают от параллельных зажимов и укрепляют их на двух других краевых зонах листа 1, в том числе через дополнительное отверстие (или отверстия) 4. Затем растягивающее усилие в другом направлении A прикладывают к еще нагретому полуфабрикату для растягивания зон на остающихся сторонах шестиугольников 3 между соседними отверстиями 2, которые находятся на сторонах шестиугольников 3, параллельных направлению растягивания A.
В результате получают ячеистую структуру (фиг.2) с множеством полосок 5 и 6, соединенных друг с другом в утолщенных узлах 7-10, которыми образован из треугольников 11 массив шестиугольников 12. При этом полоски 6, расположенные параллельно направлению A растягивания и ориентации ячеистой структуры выполнены шире и тоньше остальных полосок 5.
Каждый шестиугольник 12 (фиг.2 и 3) состоит из центральных утолщенных узлов 7, а также из верхних, нижних и средних угловых утолщенных узлов, соответственно 8, 9 и 10. Как минимум в одном из утолщенных узлов 7-10 может оставаться дополнительное отверстие 4, которое, как упомянуто выше, может быть предварительно выполнено в листе 1 (фиг.1) пластикового исходного материала. Возможен также вариант, когда такое дополнительное отверстие 4 может быть выполнено в утолщенном узле (или нескольких узлах) 7-10 и после окончательного получения ячеистой структуры.
Причем растягивающее усилие прикладывают в такой степени, что происходит ориентация полосок 5 и 6, простирающаяся в по существу каждое место их соединения с утолщенными узлами 7-10. Причем место разветвления 13 (фиг.4) между каждой парой соседних полосок 5-6 или 5-5 ориентировано в направлении, проходящем в месте разветвления 13, в результате чего существует непрерывная ориентация от края одной полоски 5 (6) и до края соседней полоски 5 (6) в месте их разветвления 13.
Утолщенные узлы 7-10 получают Х-образной формы (фиг.4). Упомянутая ориентация всех пар полосок 5-6 и 5-5 осуществлена в направлении по контуру этой формы. Причем в шестиугольниках 12 выполнено смещение Δx (фиг.3) друг относительно друга по горизонтали противолежащих верхних и нижних угловых утолщенных узлов 8, 9. Данное смещение также характеризуется тем, что проведенные к сторонам шестиугольников 12 (фиг.3) нормали n1-n3 через середину центрального утолщенного узла 7, делят на практически равные части внутри этих шестиугольников 12 только треугольники 11, основания которых образованы полосками 6, расположенными параллельно направлению A растягивания и ориентации ячеистой структуры.
Для стабильности технологического процесса получения упомянутой выше упорядоченной структуры утолщенных узлов 7-10 в шестиугольниках 12, ими образованных, оказывают растягивающее усилие в одном из направлений A (B) не перпендикулярно к другому направлению B (A).
Ячеистой структурой формируется непрерывное полотно (не показано), которое обрезается на готовые изделия в виде сеток или решеток, в зависимости от размеров шестиугольников 12. Данные изделия для удобства хранения скручиваются (фиг.5), например в направлении Y, обретая цилиндрическую форму 14, путем сгибания ячеистой структуры вдоль ее полосок 6, которые выполнены шире и тоньше остальных полосок 5. В результате получается рулон 15 (фиг.6), снабженный этикеткой 16 и стянутый бечевкой 17, который удобно хранить и транспортировать.
Обеспечение возможности скручивания изделия из ячеистой структуры в рулон 15 и раскручивания из него путем сгиба и разгиба вдоль ее широких полосок 6, позволит формировать компактные рулонные конструкции изделий, удобные в хранении и транспортировании, со снижением занимаемой ими удельной площади складских сооружений и кузовов транспортных средств, что повышает количество таких хранимых и перевозимых изделий.
Изготовление на основе описанной выше ячеистой структуры изделий позволит придать таким изделиям все положительные свойства, присущие такой ячеистой структуре - повышенные гибкость и прочность, усиление несущей способности и универсальности применения за счет возможности использования этих изделий (решеток, сеток и др.) в строительных конструкциях, в период их интенсивной эксплуатации с приложением значительных и переменных в различных направлениях нагрузок.
После разматывания сетки или решетки из рулона 15, укладки и закрепления ее на плоскости основы строительного сооружения 18 (фиг.7), например, с помощью штырей 19 (условно показан один), размещаемых в углах треугольников 11 ячеистой структуры или в отверстии 4, на сетку или решетку насыпают зернистый материал 20, например щебень, и затем его заделывают, например, утрамбовкой в треугольниках 11 ячеистой структуры.
Строительная конструкция (фиг.8), например, насыпь 21 на слабом грунте 22 из супеси, торфа, суглинка, формируется вначале из нижней решетки 23 с описанной выше ячеистой структурой (фиг.2-4), которая укладывается и закрепляется на слабом грунте 22. Затем сверху этой решетки засыпается первый слой зернистого материала 20, например, щебень, который заделывается утрамбовкой в треугольники 11 (фиг.7) ячеистой структуры нижней решетки 23. После этого сверху первого слоя зернистого материала 20 засыпаются следующие его слои с последующей их утрамбовкой.
Далее, на утрамбованные слои зернистого материала 20 укладывается и закрепляется верхняя решетка 24 с описанной выше ячеистой структурой (фиг.2-4). На нее засыпается первый слой скального грунта 25, который заделывается утрамбовкой в треугольники 11 (фиг.7) ячеистой структуры верхней решетки 24. После этого сверху первого слоя скального грунта 25 засыпаются следующие его слои с последующей их утрамбовкой. В результате получается покрытие переходного типа. Боковины насыпи 21 укрепляются плодородным слоем почвы 26, а на покрытие переходного типа может укладываться дорожное покрытие (не показано).
Заделывание такого изделия в зернистый материал 20 строительного сооружения 18 (фиг.7) позволит повысить эффективность укрепления и эксплуатационные качества зернистого материала, а также эксплуатационные качества строительного сооружения.
Таким образом получается строительное сооружение повышенной устойчивости на слабых грунтах и повышенной прочности за счет упомянутого выше технического результата ячеистой структуры решеток 23 и 24. Описанный выше пример сооружения не ограничивает применение ячеистой структуры и изделий только в дорожном строительстве. Изделия из такой структуры могут также использоваться при возведении фундаментов, стен зданий, а также в других строительных сооружениях, где требуется усиление их несущей способности.
Источники информации:
1. Патент US 3386876 кл. B29C 55/04; B29C 55/12; B29D 28/00; D04H 13/00, приоритет 1961.06.02, опубликован 1968.06.04.
2. Патент RU 2303677, МПК E02D 17/20, E01C 3/04, конвенционный приоритет 2002.06.27, опубликован 2007.07.27 /Прототип/.