Opis wzoru Przedmiotem wzoru uzytkowego jest kotwa chwytowo-przytwierdzajaca stanowiaca element sys- temu mocowania szyn do podkladów betonowych, majaca zastosowanie w budowie nawierzchni kole- jowych. W stanie techniki sa znane i powszechnie wykorzystywane kotwy chwytowo-przytwierdzajace skladajace sie w dolnej czesci z podluznego trzpienia zatapianego w betonie podkladu kolejowego, a w górnej czesci z glowicy, która po zamontowaniu znajduje sie nad powierzchnia podkladu. Kotwa jest elementem systemu przytwierdzenia szyny, do którego wpinana jest lapka sprezysta dociskajaca stope szyny do podkladu, podkladki podszynowej albo innego elementu, w zaleznosci od konstrukcji konkretnego systemu przytwierdzenia szyny. Ta funkcja kotwy determinuje czesciowo jej ksztalt. Doty- czy to zarówno dwuczesciowej zasadniczo konstrukcji (trzpien - glowica) jak i innych cech, do których naleza wykonane w glowicy po obu stronach otwory o okraglym przekroju, przeznaczone do umiesz- czenia w nich ramion lapki sprezystej, a takze zasadniczo okragly ksztalt górnej czesci glowicy, po której w trakcie montazu lapki sprezystej przesuwa sie jej ramie. Powszechnie stosowane jest tez otwarte ku górze pionowe wybranie po jednej stronie glowicy kotwy majace ksztalt litery „U", do którego wsuwa sie sworzen urzadzenia mocujacego lapke sprezysta w celu jej montazu. Mimo stosunkowo prostej budowy dostepne sa liczne publikacje opisów patentowych i opisów wzorów uzytkowych, które oprócz typowych elementów kotew dodatkowo ujawniaja rozmaite warianty i ksztalty pozostalych czesci kotwy. Z opisu polskiego wzoru uzytkowego nr 62034 pt. „Kotwa mocujaca" znana jest kotwa mocujaca szyne do podkladu betonowego zlozona z glowicy stanowiacej uchwyt lapki sprezystej i trzonu osadzo- nego w podkladzie betonowym, posiadajacego boczne wypusty, w której w dolnej czesci jednej ze scia- nek glowicy znajduje sie równolegly wystep majacy górna powierzchnie nachylona do poziomu posa- dowienia kotwy pod katem 20 – 40°, natomiast trzon posiada boczne wypusty i otwory przelotowe wply- wajace na lepsze zakotwienie opisywanego detalu w betonie. W przypadku tego wzoru uzytkowego wystep w dolnej czesci jednej ze scian glowicy jest umieszczony ponizej glowicy, tj. zostaje on zalany betonem, zas jego funkcja polega na poprawie parametrów zakotwienia. W opisie polskiego wzoru przemyslowego nr 23117 pt. „Kotwa chwytowo-przytwierdzajaca" ujaw- niona zostala kotwa w postaci przestrzennej bryly zawierajacej glowice o zarysie pólkolistym wyposa- zona w otwory boczne do mocowania lapki sprezystej oraz filar (trzpien) posiadajacy zaglebienia oraz owalna stope w dolnej czesci stanowiaca miejscowe poszerzenie filara. Po jednej stronie glowicy znaj- duje sie wybranie w ksztalcie litery „U". Inny polski wzór przemyslowy nr 20031 pt. „Kotwa chwytowo-przytwierdzajaca" opisuje kotwe posiadajaca glowice z otworami bocznymi do mocowania lapy sprezystej i czesc przytwierdzajaca (trzpien), przy czym glowica posiada po jednej stronie dwa wystepy (skrzydelka), które po zamocowaniu znajduja sie ponizej granicy przytwierdzenia, tj. sa zatapiane w betonie oraz wybranie w ksztalcie litery „U". Walcowaty filar kotwy wyposazony jest w dwie „pólki" i pionowe zebra wykonane na obwodzie filara. Górna pólka ma obrys okragly, zas dolna obrys owalny i stanowi ona stope kotwy. Dolna pólka usytuo- wana jest w linii zasadniczo równoleglej do dluzszej osi podstawy glowicy, i ma ona powierzchnie dwu- krotnie wieksza niz powierzchnia pólki okraglej. We wzorze przemyslowym nr 20833 pt. „Kotwa chwytowo-przytwierdzajaca" w jednej z odmian mowa jest o stopie w ksztalcie owalnym, majacej powierzchnie wieksza od powierzchni przekroju po- przecznego trzpienia powyzej stopy, natomiast glowica kotwy wyposazona jest w otwarta wneke o gle- bokosci polowy dlugosci bocznych otworów przeznaczonych do mocowania lapy sprezystej. Zblizony ksztalt kotwy przedstawiono w opisie polskiego wzoru przemyslowego nr 20769 pt. „Ko- twa chwytowo-przytwierdzajaca" gdzie trzpien (filar) kotwy zweza sie ku dolowi, natomiast stopa wyko- nana w dolnej czesci trzpienia majaca ksztalt owalny usytulowana jest prostopadle do osi podluznej glowicy kotwy. Podobne uksztaltowanie stopy w forme owalu, którego dluzsza os jest prostopadla do podluznej osi podstawy glowicy przedstawiono w innym opisie wzoru przemyslowego o numerze 20840 pt. „Kotwa chwytowo-przytwierdzajaca", przy czym w tym opisie przekrój filara w pierwszej z chronio- nych odmian jest zasadniczo taki sam na calej dlugosci. W obu przypadkach nie okreslono rozmiarów stopy. Z kolei w polskim zgloszeniu wzoru uzytkowego nr W30601 pt. „Kotwa chwytowo-przytwierdza- jaca" opisano kotwe równiez skladajaca sie z glowicy i trzpienia zwezajacego sie ku dolowi i wyposazo- nego w dolnej czesci w stope, gdzie stosunek najmniejszej dlugosci przekroju trzpienia (5) w kierunku3 osi x do srednicy co najmniej jednego z cylindrycznych otworów (2) wynosi od 13,5 : 17 do 14,5 : 17, zas stosunek srednicy przynajmniej jednego sposród cylindrycznych otworów (2) do dlugosci (H) trzpienia (5) wynosi od 1 : 4,15 do 1 : 4,45. Dodatkowo glowica moze korzystnie posiadac po jednej stronie wybranie (wneke) zblizona ksztaltem do klepsydry, gdzie zwezenie wystepuje pomiedzy otwo- rami glowicy przeznaczonymi do zamocowania ramion lapki sprezystej, a powyzej i ponizej wneka roz- szerza sie. Znane rozwiazania zmierzaja do uzyskania efektów polegajacych na lepszym przytwierdzeniu lub zrównowazeniu polozenia kotwy w podkladzie betonowym. Dodatkowo korzystne jest zmniejszanie masy kotwy, co pozwala na ograniczenie ilosci materialu (zwykle zeliwa) koniecznego do fabrykacji opisywanego elementu, a to z kolei przeklada sie na obnizenie kosztów produkcji. Celem niniejszego wzoru uzytkowego jest zmniejszenie masy kotwy, przy zachowaniu w pelni jej walorów uzytkowych, w tym wytrzymalosciowych zgodnych z norma. Chodzi przede wszystkim o skró- cenie trzpienia przy utrzymaniu stabilnego osadzenia kotwy w podkladzie i zachowania trwalosci oraz wytrzymalosci zarówno samej kotwy jak i jej laczenia z podkladem. W wyniku prac z wykorzystaniem modeli cyfrowych, potwierdzonych nastepnie odpowiednimi badaniami wytrzymalosciowymi udalo do- prowadzic do skrócenia trzpienia kotwy wzgledem znanych rozwiazan, dzieki odpowiedniemu uksztal- towaniu i usytuowaniu stopy trzpienia znajdujacej sie w jego dolnej czesci a takze doborowi rozmiaru stopy do dlugosci trzpienia. Kotwa chwytowo-przytwierdzajaca wedlug wzoru uzytkowego posiada glowice i trzpien przezna- czony do zanurzenia w betonowej strukturze podkladu, przechodzacy w dolnej czesci w stope stano- wiaca miejscowe rozszerzenie trzpienia. W glowicy wykonane sa naprzeciwlegle dwa cylindryczne otwory o przekroju kolistym, czesciowo otwarte przy krawedzi, przeznaczone do montazu ramion lapki sprezystej, a co najmniej po jednej stronie glowicy wykonana jest wneka. Kotwa wedlug przedmiotowego wzoru uzytkowego charakteryzuje sie tym, ze stosunek dlugosci odcinka laczacego najbardziej odlegle od siebie punkty znajdujace sie na obwodzie podstawy stopy do wysokosci trzpienia wynosi od 0,56 do 0,6 natomiast os przebiegajaca przez najbardziej odlegle od siebie punkty na obwodzie podstawy stopy tworzy (w rzucie z dolu lub z góry kotwy na rzutnie plaska) z osia przebiegajaca równolegle do jednego z dluzszych boków podstawy glowicy kat - o mierze 75° – 90°. Korzystnie wskazany wyzej stosunek dlugosci odcinka pomiedzy najbardziej odleglymi punk- tami na obwodzie podstawy stopy do wysokosci trzpienia wynosi 0,58 natomiast miara wskazanego powyzej kata - wynosi 90°. Podstawa stopy korzystnie ma ksztalt owalny, a odcinek laczacy najbardziej odlegle punkty na obwodzie tej podstawy stanowi dluzsza os symetrii podstawy stopy. Z kolei podstawa glowicy kotwy korzystnie ma ksztalt prostokata. Korzystnie, na jednym z dluzszych boków podstawy glowicy wykonany jest wypust. Z jednej strony glowicy korzystnie wykonane jest wybranie w ksztalcie litery „U", a po przeciwleglej stronie glowicy znajduje sie wneka, stanowiaca miejscowe zaglebienie zwezajace sie w czesci umiej- scowionej pomiedzy cylindrycznymi otworami, przy czym wneka ta korzystnie rozszerza sie ku górze oraz ku dolowi. Glowica ma w dolnej czesci podstawe, która moze byc nieco wieksza niz przekrój po- przeczny glowicy w czesci ponizej cylindrycznych otworów, jednak nie jest to konieczne. Podstawa glo- wicy ma zasadniczo ksztalt prostokata, przy czym niewielkie zmiany ksztaltu podstawy np. polegajace na tym, ze jej boki nie sa wzgledem siebie idealnie równolegle nie zmienia istoty rozwiazania. Trzpien kotwy moze miec w przekroju poprzecznym ksztalt okragly, owalny albo zblizony do owalu, zas w najnizszej czesci zakonczony jest stopa bedaca miejscowym poszerzeniem trzpienia. Dla znawcy bedzie jasne, ze przekrój poprzeczny trzpienia moze byc zarówno owalny, jak i eliptyczny lub o ksztalcie zblizonym do owalu lub splaszczonego owalu nawet jezeli nie bedzie idealnie symetryczny wzgledem osi podluznej i poprzecznej. Tego rodzaju modyfikacje takze nie wplyna na zmiane sposobu dzialania kotwy wedlug wzoru uzytkowego. W wyzej opisanym zakresie kotwa posiada cechy znane z rozwiazan nalezacych do stanu techniki. Znajdujaca sie w dolnej czesci trzpienia stopa stanowi miejscowe rozszerzenie trzpienia. Stopa ma zasadniczo rozciagniety ksztalt, korzystnie owalny lub zblizony do owalu przy czym dluzsza os prze- biegajaca pomiedzy najbardziej odleglymi od siebie punktami na obwodzie podstawy stopy jest usytu- lowana wzgledem jednego z dluzszych boków podstawy glowicy zasadniczo pod katem prostym albo katem zblizonym do kata prostego. Ze wzgledu na to, ze osie przebiegajace przez podstawe stopy oraz podstawe glowicy znajduja sie w róznych plaszczyznach, kat - pod którym krzyzuja sie obie ww. osie powstaje w rzucie prostokatnym kotwy z góry (lub z dolu) na rzutnie plaska. W przypadku gdy stopa glowicy ma ksztalt prostokata, zas stopa trzpienia ksztalt owalu (zatem sa one figurami symetrycznymi majacymi po dwie osie symetrii kazda), kat prosty powstaje pomiedzy dluzsza osia symetrii stopy trzpie- nia oraz którymkolwiek z dluzszych boków prostokata podstawy glowicy. Natomiast w przypadku figur niesymetrycznych miara kata wyznaczana jest na rzucie prostokatnym kotwy z góry (lub z dolu) pomie- dzy linia przebiegajaca wzdluz jednego z dluzszych boków podstawy glowicy oraz linia stanowiaca naj- dluzszy odcinek mozliwy do wyznaczenia miedzy punktami na obwodzie stopy trzpienia. Krzyzowanie sie obu ww. osi pod katem 90° jest optymalne, jednak niewielkie odchylenia miary opisanego wyzej kata - wzgledem kata prostego nie pogarszaja znaczaco parametrów zakotwienia ani pracy kotwy zatopionej w podkladzie. Dlatego postac wytworu, w której obie ww. osie krzyzuja sie pod katem w granicach 75 – 89° równiez wchodza w zakres rozwiazania objetego wzorem uzytkowym. Stosunek dlugosci odcinka pomiedzy najbardziej oddalonymi od siebie punktami na obwodzie podstawy stopy trzpienia, do wysokosci trzpienia (mierzonej od podstawy glowicy) wynosi jak wskazano wyzej od 0,56 – 0,6. Korzystnie stosunek ten wynosi 0,58. W przypadku gdy podstawa stopy trzpienia ma ksztalt owalny ww. odcinek bedzie lezal w dluzszej osi symetrii owalu, przy czym jak wskazano wyzej ksztalt podstawy stopy nie musi byc figura symetryczna. W szczególnosci moze miec ksztalt asy- metryczny, zblizony do owalu albo nawet ksztalt kola, a w tej ostatniej sytuacji odcinek którego dlugosc bedzie pozostawac we wskazanej proporcji do wysokosci trzpienia bedzie srednica kola. Nie wplynie to negatywnie na funkcjonowanie kotwy, choc w przypadku kola (i zachowaniu powyzszych proporcji) ko- nieczne bedzie zuzycie do produkcji kotwy wiekszej ilosci materialu niz przy ksztalcie owalnym. W korzystnej postaci kotwy wedlug wzoru uzytkowego podstawa glowicy po jednej stronie ma wypust, który docelowo, po zalaniu betonem, znajduje sie wewnatrz struktury podkladu. W trakcie mon- tazu kotew w formie przeznaczonej do zalania betonem, wypust jest widoczny. Ma to znaczenie ze wzgledu na to, ze kotwy wkladane sa do formy w specjalnie wykonane w tym celu otwory, glowica w dól. Wypust nie oddzialuje na funkcjonowanie kotwy w trakcie uzytkowania systemu mocowania szyny, ani na stabilnosc zakotwienia czy jakiekolwiek inne wlasciwosci opisywanego detalu. Istota tego elementu polega na ulatwieniu procesu produkcji podkladów i ograniczeniu praktycznie do zera ilosci bledów popelnianych przez pracowników zakladu produkujacego podklady podszynowe. W trakcie przy- gotowania form do zalania betonem kotwy umieszczane sa recznie w specjalnych otworach wykona- nych w formach. Kotwy wprowadza sie tak, ze glowica skierowana jest w dól, zatem dla pracowników widoczny pozostaje trzpien, zasadniczo symetryczny w przeciwienstwie do glowicy której obie strony róznia sie od siebie. Dlatego nie da sie przed zalaniem form betonem ustalic polozenia glowicy gdy widoczne sa tylko wystajace z formy trzpienie. W praktyce powstaja pomylki polegajace na umieszcza- niu kotew odwrotnie (tj. obróconych o 180° wzgledem ich prawidlowej pozycji). Takie pomylki wykryte po zalaniu podkladu betonem powodowaly koniecznosc utylizacji podkladu, jako nienadajacego sie do uzytku ze wzgledu na bledne posadowienie kotew. Natomiast wykonanie u spodu glowicy, po jednej stronie wypustu pozwala pracownikom lub personelowi kontroli jakosci na latwa identyfikacje wlasci- wego polozenia kotwy wzgledem formy jeszcze przed zalaniem form betonem. Ten element zastrzega- nego wzoru wykonany zgodnie z metoda tzw. „poka yoke" pozwala na eliminacje opisanego niekorzyst- nego zjawiska, zmniejszajac straty wynikajace z bledów ludzkich popelnianych w trakcie produkcji. Przeprowadzone przez zglaszajacego badania rozmaitych wariantów ksztaltów kotew, wykazaly, ze mozliwe jest znaczace skrócenie trzpienia w przypadku odpowiedniego uksztaltowania stopy, a w rezultacie zmniejszenie ilosci materialu koniecznego do wykonania kotwy. Co do zasady zmniej- szenie dlugosci trzpienia wplywa niekorzystnie na stopien zakotwienia detalu, przez co staje sie on bardziej podatny na dzialanie sil wyrywajacych, wystepujacych w czasie przejazdu pociagu po szynach zamocowanych do podkladu za pomoca kotew i zacisków sprezystych. Skrócenie trzpienia wplywa tez niekorzystnie na uklad statyczno-wytrzymalosciowy calego podkladu kolejowego, poniewaz im plycej umieszczona jest kotwa w betonowej strukturze podkladu, tym mniejsza objetosc betonu, w której do- chodzi do rozproszenia naprezen i powstawania odksztalcen wywolanych silami dynamicznymi spowo- dowanymi przejazdem pociagu. Rodzi to dodatkowe ryzyko powstawania mikropekniec w betonowej strukturze podkladu, poniewaz odksztalcenia i naprezenia wystepujace w strukturze podkladu w funkcji obciazen zewnetrznych sa uzaleznione od objetosci materialu rozpraszajacego sily przenoszone przez kotwe na podklad. Innymi slowy, im wieksza objetosc betonu, w której rozpraszane sa opisane sily tym mniejsza sila oddzialuje na okreslona jednostke objetosciowa podkladu betonowego. Ergo: mniejsze jest ryzyko uszkodzenia struktury podkladu, zwlaszcza przez powstawanie mikropekniec. Dodatkowo im wieksza objetosc betonu rozpraszajacego sily wyrywajace tym bardziej stabilne zakotwienie opisy- wanego detalu. Na wskazana zaleznosc wplyw ma dlugosc trzpienia kotwy, bowiem w miare skracania5 trzpienia, zmniejsza sie objetosc betonu znajdujacego sie powyzej stopy, poddanemu opisanym obcia- zeniom uzytkowym. Temu niekorzystnemu zjawisku zaradzono poprzez zwiekszenie powierzchni stopy przez co udalo sie uzyskac odpornosc kotwy na wyrywanie w stopniu spelniajacym wymogi norma- tywne. Istotne jest przy tym takze usytuowanie stopy, która powinna rozciagac sie zasadniczo wzdluz osi podluznej podkladu, czyli zasadniczo poprzecznie do dluzszego boku podstawy glowicy. Wynika to z ksztaltu podkladu, bedacego podluznym i waskim elementem konstrukcyjnym, o przekroju poprzecz- nym zblizonym do trapezu. Kotwy instalowane sa w poprzek podkladu, czolami glowic do wewnatrz. Uformowanie stopy w owal albo wydluzony ksztalt zblizony do owalu rozciagajacego sie w poprzek podkladu (czyli w linii glowicy), prowadziloby do tego, ze objetosc materialu betonowego znajdujacego sie ponad stopa, stawiajacego opór silom wyrywajacym, bylaby mniejsza niz wówczas gdy stopa roz- ciagnieta jest w osi podluznej podkladu. Zatem pozycja pod jaka ustawiona jest stopa kotwy wplywa na uklad statyczno-wytrzymalosciowy zakotwienia. Dzieki uformowaniu kotwy wedlug wzoru uzytkowego, objetosc betonowego podkladu poddana rozproszonym silom wyrywajacym przenoszonym przez trzpien kotwy i jej stope, jest optymalna, dzieki czemu mozliwe bylo dalsze skrócenie trzpienia wzgledem znanych rozwiazan, bez utraty stabilnosc osadzenia kotew i bez ryzyka uszkodzen struktury podkladu wskutek obciazen uzytkowych wynikajacych z eksploatacji drogi szynowej. Przedmiot wzoru uzytkowego zostal przedstawiony na rysunkach na których: fig. 1 – pokazuje aksonometryczny ogólny widok kotwy; fig. 2 – widok kotwy z przodu z pokazana wneka; fig. 3 – widok kotwy z tylu z widocznym wybraniem w ksztalcie litery „U"; fig. 4 – widok aksonometryczny kotwy z pokazana dolna czescia; fig. 5 – widok kotwy z boku; fig. 6 – widok kotwy od spodu; fig. 7 – widok aksonometryczny od dolu kotwy z pokazanym wypustem. Kotwa wedlug wzoru uzytkowego sklada sie z glowicy 1 i trzpienia 2 laczacego sie z glowica 1 od spodu i przechodzacego w dolnej czesci w stope 3. Stopa 3 ma podstawe w ksztalcie owalnym. Glowica 1 u dolu posiada podstawe 4 glowicy 1 w ksztalcie zasadniczo prostokatnym. W glowicy 1 wykonane sa naprzeciwlegle po obu jej stronach cylindryczne otwory 5 czesciowo otwarte przy krawedzi glowicy 1. Po jednej stronie glowicy 1 znajduje sie wneka 6, a po drugiej stronie wybranie 7 w ksztalcie litery „U". Wneka 6 ma ksztalt zblizony do klepsydry, gdzie najwezsze miejsce jest pomiedzy otworami 5; zas powyzej linii otworów 5 wneka 6 rozszerza sie i jest otwarta ku górze. Trzpien 2 rozszerza sie na odcinku polaczenia z podstawa 4 tworzac odcinkowe rozszerzenie 8, bedace fragmentem trzpienia 2. Po jednej stronie podstawy 4 glowicy 1 wykonany jest w srodkowej czesci wypust 9. Dluzsza os symetrii x owalnej stopy 3 tworzy z dluzsza osia symetrii y podstawy 4 kat -, którego miara wynosi 90°. Stosunek dlugosci odcinka L pomiedzy punktami przeciecia osi symetrii x z obwodem stopy 3 do dlugosci odcinka H równego wysokosci trzpienia 2 liczac od podstawy stopy 3 do punktu laczenia od- cinkowego rozszerzenia 8 z podstawa 4 glowicy 1 wynosi 0,58. Kotwa wedlug wzoru uzytkowego moze byc stosowana przemyslowo w róznych systemach przy- twierdzenia szyn do podkladów strunobetonowych. PL PL PL PL