RU2845004C1

RU2845004C1 - Сборная многослойная конструкция для использования в качестве локального участка дорожного полотна

Info

Publication number: RU2845004C1
Application number: RU2024136074A
Authority: RU
Inventors: Алексей Яковлевич Белов; Артем Анварович Шамсутдинов; Денис Денисович Воробьев; Светлана Викторовна Пыхтунова; Наталья Михайловна Локотунина; Ксения Григорьевна Пивоварова
Filing date: 2024-12-03
Publication date: 2025-08-12

Abstract

Изобретение относится к области дорожного строительства и может быть использовано в качестве локального участка дорожного полотна. Технический результат - повышение жесткости конструкции, снижение нагрузок и равномерное распределение напряжений на локальном участке дорожного покрытия. Сборная многослойная конструкция для использования в качестве локального участка дорожного полотна состоит, по меньшей мере, из двух слоев самозаклинивающихся блоков, установленных на пластину - основание рамы, внутри каждого слоя блоки сопряжены друг с другом. Каждый блок имеет форму многогранника, полученного из усеченного октаэдра путем скашивания его граней на одинаковые углы α и β, где 3° ≤ α ≤ 45° и 3° ≤ β ≤ 22°, где α - угол поворота квадратных граней, β - угол поворота шестиугольных граней. Часть указанных блоков выполнена в зеркальном исполнении, а в каждом слое блоки уложены в шахматном порядке таким образом, что каждый блок повернут относительно соседнего зеркального блока на 90° как по горизонтали, так и по вертикали. Сверху пустоты конструкция заполнены эластичным материалом. Благодаря самозаклиниванию отдельных блоков, в результате сборки формируется объемная самозаклинивающая структура, позволяющая перераспределить напряжения по всему мозаичному объему конструкции и повысить ее жесткость. 5 ил.

Description

Изобретение относится к области дорожного строительства и может быть использована, например, в качестве локального участка дорожного полотна.

Известна гибридная структура из топологически самозацепленных металлических кубов с гибкой полимерной подложкой (Пиирайнен В.Ю. Топологическое самозаклинивание как принцип инженерного дизайна при строительстве морских и прибрежных сооружений/ В.Ю. Пиирайнен, Ю.З.Эстрин // Записки Горного института. 2017. Т. 226. С. 480-486.)

Недостатком структуры является недостаточная жесткость, связанная с отсутствием самозаклинивания блоков с эластичной подложкой.

Известна многослойная конструкция, состоящая, по меньшей мере, из двух слоев самозаклинивающихся блоков. При этом блоки первого ряда первого слоя выполнены в виде полукубов и установлены на пластину-основание рамы в определенном порядке, причем внутри каждого слоя блоки сопряжены друг с другом, а свободное пространство между рамой и контактирующими с ней блоками может быть заполнено частями кубов для повышения жесткости конструкции (пат. РФ №2798518, F16S 1/00, B32B3/00).

Недостатком известной конструкции является невозможность обеспечения самозаклинивания блоков в трех плоскостях.

Техническая проблема заключается в повышение жесткости конструкции, а также в снижении нагрузок и равномерном распределении напряжений на локальном участке дорожного покрытия.

Технический результат заключается в применении сборной конструкции из самозаклинивающихся в трех плоскостях блоков, обеспечивающих высокую сопротивляемость конструкции к разрушению и ее работоспособность при нагрузках в различных условиях.

Поставленная проблема решается тем, что сборная многослойная конструкция для использования в качестве локального участка дорожного полотна, состоящая, по меньшей мере, из двух слоев самозаклинивающихся блоков, в каждом из слоев блоки установлены рядами и сопряжены друг с другом, при этом ряды блоков первого слоя установлены на основание рамы в виде пластины, а блоки второго слоя установлены над первым в пустотах, образованных блоками первого слоя, согласно изменению, каждый блок имеет форму многогранника, полученного из усеченного октаэдра путем поворота его граней на одинаковые углы α и β, где 3° ≤ α ≤ 45° и 3° ≤ β ≤ 22°, где α - угол поворота квадратных граней, β - угол поворота шестиугольных граней, причем часть указанных блоков выполнена в зеркальном исполнении, а в каждом слое блоки уложены в шахматном порядке таким образом, что каждый блок повернут относительно соседнего зеркального блока на 90° как по горизонтали, так и по вертикали, сверху пустоты заполнены эластичным материалом.

Сущность заявляемой конструкции поясняется иллюстрациями, где:

- на фиг. 1 схематично представлен вид зеркальных блоков;

- на фиг. 2 а - скошенный усеченный октаэдр; б - развертка;

- на фиг. 3 схематично представлен вид 1-го слоя конструкции;

- на фиг. 4, а - схематично представлен вид сверху второго слоя конструкции; 4,б - общий вид 2-х слоев конструкции;

- на фиг. 5 а, б - схематично представлен вид построения третьего слоя.

Заявляемая конструкция представляет собой i-тое число слоев, по меньшей мере, двух, каждый из которых состоит из блоков (фиг. 1 а, б, в; 2 а, б), размещенных в металлической раме с основанием (на чертеже не показано). При этом высота боковых стенок рамки соответствует высоте уложенных слоев конструкции. Причем каждый блок имеет форму многогранника, полученного из октаэдра путем усечения всех его углов на 1/3 расстояния от центра до угла и поворота граней на угол 3° ≤ α ≤ 45° и 3° ≤ β ≤ 22

где α - угол поворота квадратных граней,

β - угол поворота шестиугольных граней, причем

.

Выполнять угол α, превышающий 45°нецелесообразно, поскольку смежные грани потеряют основную точку опоры при контакте друг с другом, следовательно, будет утеряно свойство самозаклинивания, последует разрушение.

Выполнять угол α, меньше 3° также нецелесообразно, так как трудно осуществить технологически.

Выполнять угол β более 22°также нецелесообразно, что связано с отсутствием эффекта самозаклинивания в структуре.

Выполнять угол β менее 3°также нецелесообразно, что связано со сложностью изготовления блоков и погрешностью измерения малого угла.

Заявляемая конструкция является немонолитной и имеет блочную структуру (фиг. 1 а, б, в; 2 а, б), состоящую из блоков определенной формы, ориентированных по отношению друг к другу в шахматном порядке. Благодаря «блочности» конструкции обеспечивается равномерное распределение нагрузки по всей площади поверхности, прилагаемой в процессе эксплуатации. Таким образом, существенно увеличивается ее сопротивляемость разрушению. Конструкция в данном случае не теряет работоспособности при нагрузках даже в случае разрушения части блоков.

При необходимости все пустоты конструкции могут быть заполнены эластичным материалом, например, силиконовой резиной, битумом и др.

Кроме того, благодаря образованию предлагаемой структуры, в случае выбивания в процессе работы с её поверхности части блоков - последующего образования «ямы» в структуре, последняя будет продолжать работать.

Сборку конструкции проводят следующим образом.

В предварительно изготовленную металлическую раму с основанием, в которую устанавливают, например, металлические блоки в форме скошенных усеченных октаэдров (фиг. 1, а, б, в; 2 а, б). Блоки могут быть выполнены на 3D-принтере по металлу.

Блоки первого слоя установлены следующим образом.

На основание металлической рамы установлены блоки первого слоя (фиг. 2, б, 3) по рядам и в шахматном порядке на грань 14 таким образом, чтобы с каждым блоком контактировал зеркальный ему блок (фиг. 1, а, б, в). Каждый зеркальный блок структуры повернут относительно своего соседа на 90°.

Первый ряд установлен в следующем порядке (фиг. 3).

Первый блок контактирует со вторым блоком гранями 2 и 8 соответственно, второй блок (выполнен зеркально первому) контактирует с третьим блоком гранями 11 и 5 соответственно, третий блок контактирует с четвертым блоком (выполнен зеркально третьему) гранями 2 и 8 соответственно и так далее по ряду.

Второй ряд установлен за первым. Первый и второй блоки второго ряда контактируют друг с другом гранями 11 и 5 соответственно, причем второй блок выполнен зеркально первому. Второй и третий блоки контактируют друг с другом гранями 2 и 8 соответственно. Третий и четвертый (выполнен зеркально третьему) блоки ряда контактируют друг с другом гранями 11 и 5 соответственно и так далее по ряду.

Первый блок первого ряда контактирует с первым блоком второго ряда гранями 11 и 5 соответственно. Второй блок первого ряда и второй блок второго ряда контактируют гранями 2 и 8 соответственно. Третий блок первого ряда и третий блок второго ряда контактируют друг с другом гранями 11 и 5 соответственно. Четвертый блок первого ряда контактирует с четвертым блоком второго ряда гранями 2 и 8 соответственно и так далее по ряду.

Третий ряд установлен за вторым, при этом первый и второй блоки третьего ряда контактируют друг с другом гранями 2 и 8 соответственно. Второй и третий контактируют друг с другом гранями 11 и 5 соответственно. Третий и четвертый блоки ряда контактируют друг с другом гранями 2 8 соответственно и так далее по ряду.

Первый блок второго ряда контактирует с первым блоком третьего ряда гранями 2 и 8 соответственно. Второй блок второго ряда контактирует со вторым блоком третьего ряда гранями 11 и 5 соответственно. Третий блок второго ряда контактирует с третьим блоком третьего ряда гранями 2 и 8 соответственно. Четвертый блок второго ряда контактирует с четвертым блоком третьего ряда гранями 11 и 5 соответственно.

Блоки второго слоя установлены над первым в пустотах структуры, образованных блоками первого слоя (фиг. 4 а, б). Блоки первого ряда второго слоя расположены слева направо, при этом первый блок контактирует со вторым гранями 11 и 5 соответственно, второй и третий - гранями 2 и 8 соответственно, третий и четвертый - гранями 11 и 5 соответственно и т.д. по ряду.

Второй ряд второго слоя установлен также слева направо, при этом первый блок контактирует со вторым блоком гранями 2 и 8 соответственно, второй с третьим гранями 11 и 5 соответственно, третий с четвертым - 2 и 8 соответственно и т.д. по ряду.

Первый блок второго ряда второго слоя контактирует с первым блоком первого ряда второго слоя гранями 8 и 2 соответственно. Второй блок второго ряда второго слоя контактирует со вторым блоком первого ряда второго слоя гранями 5 и 11 соответственно. Третий блок второго ряда второго слоя контактирует с третьим блоком первого ряда второго слоя гранями 8 и 2 соответственно. Четвертый блок второго ряда второго слоя контактирует с четвертым блоком первого ряда второго слоя гранями 5 и 11 соответственно.

Первый блок второго ряда второго слоя контактирует с первым блоком второго ряда первого слоя гранями 13 и 3 соответственно, со вторым блоком второго ряда первого слоя гранями 9 и 4 соответственно.

Второй блок второго ряда второго слоя контактирует со вторым блоком второго ряда первого слоя гранями 13 и 3 соответственно, а с третьим блоком второго ряда первого слоя - гранями 12 и 7 соответственно.

Третий блок второго ряда второго слоя контактирует с третьим блоком второго ряда первого слоя гранями 13 и 3 соответственно, а с четвертым блоком второго ряда первого слоя - гранями 9 и 4 соответственно

Четвертый блок второго ряда второго слоя контактирует с четвертым блоком второго ряда второго слоя гранями 13 и 3 соответственно, а с пятым блоком второго ряда первого слоя - 12 и 7 соответственно и т.д. по ряду.

Третий ряд второго слоя установлен также слева направо, при этом первый блок контактирует со вторым блоком гранями 11 и 5 соответственно, второй с третьим гранями 2 и 8 соответственно, третий с четвертым - 11 и 5 соответственно и т.д. по ряду.

Третий ряд второго слоя контактирует с гранями третьего ряда первого слоя аналогично тому, как контактируют друг с другом первый ряд второго слоя с первым рядом первого слоя.

Четвертый ряд второго слоя установлен аналогично второму ряду второго слоя и так далее: четные - аналогично второму ряду, нечетные - первому.

Третий слой установлен над первым слоем соответственно.

Дополнительно в промежутках между блоками и боковинами рамы для повышения устойчивости и надежности конструкции установлены части блоков.

Пустоты сложенной конструкции могут быть залиты отличным от материала, из которого выполнены вышеуказанные блоки.

Пример осуществления:

Блоки выполнены на 3D-принтере по металлу высотой 30 мм из стали марки Ст3.

В предварительно изготовленную металлическую раму из Ст3 с основанием установили в три слоя блоки, выполненные в форме скошенных усеченных октаэдров (фиг. 1, а, б, в; 2 а, б). Сборка конструкции осуществлялась по вышеописанной методике. Пустоты сложенной конструкции заполнили эластичным материалом в виде износостойкого полимерного покрытия, обеспечивающего водо-, химически-, атмосферостойкое, упруго-эластичное и долговечное действие.

На месте установки локального участка дорожного полотна готовые рамы устанавливают на подложку в шахматном порядке, причем размер и количество рам подбирают в зависимости от размера дорожного полотна.

К преимуществам заявляемой конструкции из самозаклинивающихся структур можно отнести:

-объемная самозаклинивающаяся структура позволяет перераспределить напряжения по всему мозаичному объему конструкции и повысить ее жесткость.

- невосприимчивость к локальным повреждениям, поскольку даже при наличии разрушенных единичных блоков, конструкция сохраняет свою целостность и не разрушается, пока не будет разрушено около 30 % блоков, так как самозаклинивающиеся блоки конструкции блокируют развитие магистральных трещин, которые не распространяются на всю конструкцию. Трещины прерываются на поверхностях раздела между соседними блоками.

Таким образом, благодаря самозаклиниванию отдельных блоков, в результате сборки формируется объемная самозаклинивающая структура, позволяющая перераспределить напряжения по всему мозаичному объему конструкции и повысить ее жесткость. Заявляемая конструкция может быть использована на локальных участках дорожного полотна, склонных к волно- и трещинообразованию, просадкам, и другим дефектам.

При разрушении (истирании) верхнего слоя и выбивании блоков из конструкции возможно возобновление покрытия путем установки недостающих блоков и вторичной заливки полимером поврежденной части покрытия.

Claims

Сборная многослойная конструкция для использования в качестве локального участка дорожного полотна, состоящая, по меньшей мере, из двух слоев самозаклинивающихся блоков, в каждом из слоев блоки установлены рядами и сопряжены друг с другом, при этом ряды блоков первого слоя установлены на основание рамы в виде пластины, а блоки второго слоя установлены над первым в пустотах, образованных блоками первого слоя, отличающаяся тем, что каждый блок имеет форму многогранника, полученного из усеченного октаэдра путем поворота его граней на одинаковые углы α и β, где 3° ≤ α ≤ 45° и 3° ≤ β ≤ 22°, где α - угол поворота квадратных граней, β - угол поворота шестиугольных граней, причем часть указанных блоков выполнена в зеркальном исполнении, а в каждом слое блоки уложены в шахматном порядке таким образом, что каждый блок повернут относительно соседнего зеркального блока на 90° как по горизонтали, так и по вертикали, сверху пустоты заполнены эластичным материалом.