振动作用下日本瓦屋盖的漏水试验

© 2012由Elsevier B.V.出版。信息工程研究院负责评选和同行评议可在www.sciencedirect.com上在线获取IERI Procedia 1（2012）47 - 522012第二届机械、工业与制造工程国际会议振动和散射作用下日本瓦屋盖的漏水试验冈本聪 *日本岛根大学数学与计算机科学系，松江690-8504摘要本文介绍了屋面瓦的漏水试验100块屋顶瓦片在风洞气流下游的斜屋顶上排成10行10排通过对屋面瓦的漏水试验，研究了风对屋面瓦的影响用摄像机拍摄了漏水试验的情况同时使用两个加速计在一系列的实验中发现了在任何速度下都表现出明显振动的屋顶瓦片，并将加速度计安装在模型屋顶上相邻的两个屋顶瓦片本文对人工降雨试验中出现的漏水现象进行了讨论阐明了低频振动时振幅较大的一些机理，从而导致漏水现象的© 2012由Elsevier B. V.发布。CC BY-NC-ND许可下开放访问。信息工程研究院负责评选和同行评议关键词：漏水试验;日本木制家具;流激振动;加速度计1. 介绍强风不仅会导致瓷砖散落，导致瓷砖损坏，而且还会导致漏水* 冈本悟 电话：+电话：+81-852 -32-6478传真：+81-852-32-6478电子邮件地址：okamoto@cis.shimane-u.ac.jp。2212-6678© 2012由Elsevier B. V.出版信息工程研究院负责评选和同行评议在CC BY-NC-ND许可下开放访问。doi：10.1016/j.ieri.2012.06.00948Satoru Okamoto / IERI Procedia 1（2012）47损害因此，作者将注意力集中在振动上，这些振动会导致初步现象，最终导致由于风的影响而导致瓷砖散落，并试图了解这些振动的机制。因此，作者已经能够将流体流动引起的瓦振动发生的机理和初步现象联系在一起[1]，[2]。根据这些结果，本文作者已经超越了传统的理解的漏水量，旨在建立实验方法，并澄清漏水现象的发生机制，以调查以前未知的影响所施加的振动对漏水，进行测量使用摄像机和加速度传感器。命名法F频率F总淹没量M质量不时间Q漏水量QT漏水量U上游流速X流向坐标Y横向坐标Z屋面瓦W风洞喷管加速度桨距角气流角2. 试验机构和分析程序图1示出了实验装置和测量设备的概述。风洞总长6000 mm，轴流风机采用三相感应电动机驱动。风洞出口喷管采用1250 × 400 mm喷管。最大出口喷嘴风速约为40 m/s。流速分布不均匀性在最大± 7%范围内，而湍流强度相对于主流速度为1 - 2%。为了消除模型屋顶部分的影响（边界条件）并重新创建符合JASS 12 [3]规范的模型屋顶，总共铺设了100个实际屋顶瓦片（10排，每排10个瓦片）以形成屋顶。实验如下所述进行，其中在一定程度上保持穿过模型屋顶表面的流动的均匀性和左右对称性的区域用作收集泄漏水的测量对象参数。(a) A型Q=2.4/min（b）B型Q=4.0/minFig. 1.风洞和瓦片屋顶图2.雨量器通过改变两种类型的人工降雨装置（图2所示的A型和B型）以及风速和流量进行漏水实验。屋顶以固定的角度Satoru Okamoto / IERI Procedia 1（2012）474924°，几乎整个屋顶瓦片（每块瓦片重2.8公斤）都用螺丝固定到位。如图1所示，从喷嘴到水流上游最远的瓷砖的距离约为170 mm。使用流量计（流量类型，测量参数0.6 - 6，精度在5%以内）设置水量。使用压力泵（CAP 200 /min，液压头3.0m，0.4kW）和储存罐（CAP 300）设定流量。B型人工降雨器的喷雾模式共使用四个扇形喷嘴。使用加速度传感器（ONO SOKKI NP 3560，能够沿所有三个轴（X、Y和Z）同时测量，10 mm正方形，重量：5g）和记录器/FFT（快速傅立叶变换）分析仪（ONOSOKKI DS-0264，四个输入通道）进行屋顶瓦加速度计和振动频率测量。沿Z轴（垂直于屋顶瓦片表面的方向）和X轴（沿屋顶瓦片表面的主流方向）进行加速度和振动测量。同时使用两个加速度传感器，并将其放置在先前研究中被判断为对振动和散射都很弱的位置附近的瓷砖上[1]，[2]。使用摄像机拍摄在漏水实验期间观察到的屋顶瓦片的表面和背面上的水行为。3. 结果和讨论3.1. 漏水现象如前所述，使用摄像机拍摄并记录风在瓦屋顶表面引起的水行为。在实验过程中，水渗漏现象观察到在内侧的模型屋顶通过丙烯酸屋面板。就渗漏水量的测量而言，固定在模型屋顶梁端的袋子中收集的水量构成了渗漏水量（总淹没量）的大部分。结果发现，粘附在交叉格子屋顶加强件和丙烯酸板上的收集水量仅占收集水量的一小部分。两种类型的人工降雨装置发生漏水现象的区域相同，几乎全部集中在模型屋顶中心的右侧（见图3（a））。此外，还证实了在离出口喷嘴主流最远的顶部部分附近的区域和稍微向左的区域发生漏水现象。由于瓷砖形状引起的特殊流动特性，发现出口喷嘴主流右侧的区域对振动和水分散的抵抗力较弱。这里也证实了漏水现象。在图3（a）的各个区域中示出了迄今为止已经发现的振动和水分散的发生的区域[1]、[2]。这些区域几乎与漏水区域完全重合。图3（a）中所示的漏水区域显示出与使用油膜法[2]获得的图3（b）中所示的实验结果相似的趋势。宏观分析表明，整个屋顶的整体流动呈左右对称，形成了几乎均匀的流动模式[2]。然而，由于瓦片形状的不均匀性和茅草屋顶的整体形状所引起的风流，以及沿瓦片内侧边缘与主流成90°角方向的风压所引起的风流，倾向于局部向右弯曲[3]。水被吹到振动的瓦片下面（瓦片的内侧），被迫进入沿着瓦片边缘在茅草屋顶上形成的缝隙。此外，毛细现象将雨水吸入瓷砖重叠的接缝中，这是漏水的原因之一。此外，还发现瓷砖铺设不均匀是导致漏水的另一个因素。3.2. 由风速增加确定的漏水量在这套漏水实验中，使用了两种类型的人工降雨装置，50Satoru Okamoto / IERI Procedia 1（2012）47在不同的风速设置条件下得到。图4显示了使用A型和B型设备在不同风速下获得的漏水量（总淹没量）。(a)屋面瓦的振动和散射行为（b）油膜法观察[2]图3.漏水面积U= 20 m/s（a）A类结果Q=2.4/min见图4。漏水与风速的关系通过在每次重复的实验中找到平均值来获得漏水量。之后，考虑了漏水量与各风速之间的关系。在风速为16 m/s的条件下，利用A型水箱进行了两次实验，平均风速为69.5 m（64米和75米）;风速为20米/秒时进行三次，获得两个可用数据集，平均值约为351米（385 m和317 m）;一次在25 m/s风速下，数值约为1 ;两次在30 m/s风速下，平均数值约为3.7（4.30和3.10）。这些漏水量的平均差异平均为9%，最大在16%以内。为了求出强风时的雨水淹没量，将69.5m的漏水量（总淹没量）作为Q-T值输入到JASS 12规范中给出的公式（1）中。风洞出口喷管宽度为1.25米，作为W值输入该方程。根据该式的计算结果，强风时的雨水淹没量为3.7m/min。将表1所示的屋顶用茅草材料的防水性判定标准项目的划分与强风时的雨水淹没量进行比较。结果是在强风10米/分钟或更少的雨水淹没量，这相当于IIF QT/ 15W（一）表1水密性划分标准[3](b)结果类型BQ=4.0/minSatoru Okamoto / IERI Procedia 1（2012）4751使用图4（b）所示的B型喷雾式装置在20和40 m/s的风速下进行实验。在风速为20 m/s的情况下进行了6次实验，获得了5个可用数据集，确认的漏水量的平均值约为1.3（1.3、1.1、1.5、1.2和1.3）。当风速增加到40 m/s时，漏水量增加了数千%。在这种较高风速下进行了两次实验，平均漏水量约为18.7（19.2和18.1）。 最大测量误差在15.1%以内，平均6%。屋面瓦有明显的振动和浮动位移。瓷砖振动的影响是明显的和明显的存在。关于两种人工降雨器的差异导致漏水量的差异，认为在实际自然环境中适当选择风和雨的条件，以及雨和风的整体条件，可以导致适当的漏水判断。3.3. 振动对漏水的影响在A. 和B. 从模型屋顶的表面和背面的水泄漏的视觉观察形成了大部分结果。在这组实验中，通过使用加速度传感器在不同风速下测量加速度值和振动幅度，同时测量漏水量。对于这些测量，采样频率（分析时间长度作为FFT时间窗长度）被设置为2048，分辨率点被设置为800线，并且频率范围（频率分析的上限）被设置为5kHz。下面讨论在这组漏水实验期间获得的实验结果的示例图5显示了FFT频率分析的结果。与加速度波形分析一样，关注1号和2号传感器的Z轴。图5（a）显示了风速为16 m/s时的振动频率。对于1号或2号传感器，没有确认特别显著的峰值频率。在这组漏水实验中，发现漏水值在大约30 m/s或更高的风速下大大增加。图5（b）示出了当漏水直接发生在先前提到的加速度传感器已经附接的瓷砖下面时的振动频率。相对较低的振动频率出现在约10和50 Hz的峰值频率。（一）结果在U=16 m/s A型（b）结果在U=30 m/s A型图5。屋面瓦(a)结果在U=16 m/s B型（b）结果在U=20 m/s B型图6。屋面瓦52Satoru Okamoto / IERI Procedia 1（2012）47图6（a）显示了加速度波形的FFT频率分析结果。根据加速度波形分析，1号传感器和2号传感器的注意力都集中在Z轴上。图6（a）显示了风速为16 m/s时的振动频率。未确认1号传感器或2号传感器的显著峰值频率。图6（b）显示了风速为20 m/s时的振动频率。如图5所示，约10 Hz和约50 Hz的相对较低的振动频率作为峰值频率出现。虽然无法通过目视观察确认是否发生了导致瓷砖浮动位移的任何振动，但很明显，即使在风速为20 m/s时，也会发生相对较低的振动频率。虽然可以理解风速增加引起的特定振动频率输出，但以下给出了有关加速发生条件的更详细信息。结果表明，在加速度值为1.0 m/s2或更大时，漏水量急剧增加。换句话说，尽管传统上认为漏水是由于风压和毛细现象将水推到瓷砖下面而引起的，但是当瓷砖加速度为1.0m/s2或更高时漏水量增加的事实证明加速度的影响，即，瓷砖振动，不容忽视。可以管理加速度值的增加以及导致加速度增加的趋势的漏水量的轻微变化。结论本研究将加速度感测器应用于传统漏水测试之量测系统中，并以瓷砖加速度与振动为量测重点。指出了对瓷砖漏水现象影响较大的低频振动，阐明了对漏水影响较大的振动机理。具体而言，本研究发现了以下三点：(1) 在模型屋顶上铺设的瓦片发生了振动和散射，这些瓦片已经受到漏水的影响。(2) 在这些实验中使用的水分散方法和水分散量的范围内，可以定量测量由风速增加引起的水泄漏量。(3) FFT频率分析表明，低频振动对瓷砖的浮移和散射产生很大影响，因此也对漏水产生影响。确认感谢R先生。难波先生石宝先生佐藤和Y先生感谢世宝有限公司的世宝对我们本次研究的指导。本工作得到了TOSTEM建筑材料产业振兴基金会No.10-37的支持。引用[1]南巴河，冈本S.，Shibao K.，佐藤M.，和Shibao Y.屋面瓦振动与散射的研究。JSME，B，71（710），2005; 2407-2413.[2]南巴河，冈本S.，奥田A.，和Shibao Y.屋面瓦振动与散射的研究（第二报，振动屋面瓦的影响）JSME，B，72（724），2006; 3023-3029.[3]日本建筑学会，日本建筑标准规范JASS 12屋顶施工