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商业洗手间是唯一一个人们能以如此亲密的方式与里面的产品互动的公共场所。在这些厕所里经常发现的一种产品是抽水马桶——更常见的说法是马桶。在许多情况下,该产品安装在壁挂式方法中,它向外伸出,没有垂直支撑。万博手机版登录本官网壁挂式壁橱经常受到可控的力量,比如坐在马桶上,以及不受控制的力量,比如有人摔倒、跌落甚至跳到固定装置上。
人们对能够处理越来越大负载的产品的兴趣和需求日益增长。这是由于一般人口的平均体重稳步增长以及对安全的关注。随着这个话题的讨论越来越频繁,关于壁挂式抽水马桶强度的说法也越来越多,人们越来越困惑于如何解释与卫生装置相关的各种负载测试和所谓的“评级”。对这些术语和评级的误解可能会对用户造成潜在的严重伤害。
本文将通过描述壁挂式壁橱在商业洗手间环境中受到的各种作用力,以及它们对管理它们的产品设计、规范和标准的影响,来探讨这个问题。
了解商业洗手间的相关负荷、材料特性和设计原则
当人们与商业洗手间内的各种固定装置互动时,他们会对它们施加有意和无意的负荷。这些载荷可以根据物理和工程原理进行分类和定义。每种类型的加载对它们所应用的对象都有不同的影响。理解这些术语和原则非常重要,这样才能进行正确的解释和规划。下一节将标识这些负载并描述每个负载的定义。
静态加载
静载荷是一种机械力,它以一种可控的、稳定的方式作用于组件或物体上,不随时间变化。使用静态载荷的测试在确定工程结构或物体在发生故障之前可以承受的最大允许载荷时非常有用。它们在发现材料的机械性能方面也很有用,在测试中尤其有用,因为它们可以控制,因此可以以最小的变化重复。这为比较不同载荷对同一物体的影响或相同载荷对不同物体的影响提供了良好的基础。任何作为恒定力施加在物体上的载荷都被认为是静态载荷,结构可以承受多少载荷的知识对于设置结构的安全裕度是有用的。
动态加载
动态载荷是施加在物体上的随时间变化的力。力的变化可以是大小、位置、方向或所有这些的组合。这些力还包括那些以快速速度施加的力。随着时间的推移,动态加载的影响也会对对象产生累积影响,具体取决于其结构。例如,两端支撑的钢杆在支撑之间的位置施加振荡载荷会导致杆随着时间的推移而变形。然而,同样的最大载荷静态地施加在同样的位置上,可能根本没有任何影响。
一种特定类型的动态载荷被归类为“冲击载荷”。在力学中,冲击是指在短时间内施加的强力,例如当两个相对运动的物体相互碰撞时。这样一个力比一个较小的力在按比例较长的时间内施加的作用更大。这种效应主要取决于物体的质量、它们彼此之间的相对速度和它们的构造材料。当一个下落的(动态)物体与一个静止的(静态)物体接触时,就会产生一种常见的冲击载荷。这是一个非常重要的话题,对商业厕所有着重要的影响,将在本文后面进行更详细的讨论。
力臂和扭矩
力系统的力臂(又称杠杆臂)是力的作用线与轴之间的垂直距离。当施加这个力时,它会产生一个称为扭矩的负载。扭矩(t)是由力(F)乘以与轴的垂直距离(r)来计算的,因此用英寸-磅(in-lb)或牛顿-米(N-m)来表示。
t = F * r
正如你所看到的,扭矩的大小与长度成比例地增加。这在日常生活中很容易通过使用铲子、管钳和撬棍观察到。手柄越长,可以施加的扭矩越大。你可以计算出产生给定扭矩所需的等效力。这可以表示为:
t1= t2
F1* r1= F2* r2
F2= F1*(右1/ r2)
能量守恒
在物理学中,能量守恒定律指出,一个孤立系统的总能量保持恒定——它随时间而守恒。这对于一个下落物体撞击地面时产生的冲击力是成立的。在这种情况下,物体的所有势能(PE)都转化为动能(KE)。冲击力的大小很大程度上受物体静止所需要的距离的影响。停止物体所需的距离越短,冲击载荷就越大。当我们在本文后面讨论适用于载体和固定装置的测试和标准时,这是一个非常重要的因素,需要理解。
下面是用来估计坠落物体的冲击载荷的方程式的简化摘要。
物体的势能(PE)是PE=m * g * h,其中m=物体的质量(磅或千克),g=引力常数(32.17英尺/秒)2也就是9.8米/秒2)和h=物体下落的垂直距离(英尺或米)。很容易看出,对于一个给定的物体,它离地面越高,它的势能就越高。
当物体下落时,PE被转化为动能(KE),直到它最终到达地面,在那里KE等于原来的PE。物体的动能为KE= 1 / 2 m * v2。v=物体到达地面时的速度。如果我们忽略空气摩擦,我们可以计算速度-事实上,这对任何物体都是一样的,不管它的质量在给定的高度:
Ke = PE
½m * v2= m * g * h
½* v2= g * h
V =√2“大酒店”
一旦物体与地面接触,它就开始减速,但可以继续移动一段距离,这取决于它撞击的地面或物体的材料,直到它完全静止。
我们称物体触地时的动能为KE1物体触地后的动能为KE2。因为能量一定是守恒的,我们可以得出,两种情况下的势能也是相等的。表示这一点的方程如下:
体育1=体育2
m * g * h1= m * g * h2
为了估计等效冲击力的这个值,我们可以在物体接触地面后给它指定一个新的“等效质量”。
米1* g * h1= m2* g * h2
因为引力常数是一样的,所以两种状态的差就是两个高度的比乘以物体的质量。
米2= m1* (h1/小时2)
拉伸、剪切和抗压强度
所有的材料,如钢铁、木材、塑料或陶瓷,都具有不同的特性,这些特性决定了它们在不同条件下的反应。当对它们施加负载时,就会出现其中一种情况。有一些材料特性决定了它们在施加载荷时对断裂或变形的抵抗程度。标准化的测试程序已经被开发出来,以准确地测量这些属性,直到它们破裂,并由各种值表示。这些特性共同定义了它们的“强度”,并被工程师用来根据他们在使用过程中预计会经历的载荷类型,为他们正在设计的产品正确选择材料。常用的三种材料性能被称为抗压、抗拉和抗剪强度:
建筑材料
绝大多数壁橱的固定装置都是由一种被称为玻璃瓷器的材料制成的,通常被称为陶瓷,它是由几种粘土材料与水混合而成。在被塑造成各种形状并覆盖一层称为釉的硅基涂层后,这是玻璃的一种形式。当这种材料暴露在极高的温度下时,它会变得非常坚硬,并具有很高的抗压强度。相反,这种材料也非常脆,这有助于中等到低的拉伸和剪切强度性能。这种特性的结合可以防止玻璃化瓷器在失效前弯曲。一旦达到最大负荷,它通常会突然完全断裂。由于最外层是由玻璃制成的,破碎的玻璃固定装置的边缘非常锋利和危险。
另一方面,碳钢具有优异的抗拉强度和显著的抗压强度。与玻璃瓷器不同,钢通常会在极端或重复载荷下变形或弯曲,然后才会断裂或断裂。许多类型的钢合金与混凝土、陶瓷和玻璃瓷等材料结合使用,以获得互补的性能。一个常见的例子是钢筋与混凝土一起用作道路路基和建筑基础设施。
卫生洁具系统的设计和安装过程
壁挂式衣柜,又称壁挂式衣柜,是采用悬挑方式安装的。悬臂描述的是一种突出的结构,它在一端被支撑,在另一端或沿着它的长度承受载荷。施加在悬臂上的垂直力通过前面描述的力臂概念产生扭矩负载。这些固定装置利用支撑系统,通常被称为载体,提供地面支撑,并将固定装置废物排放到排水系统中。载体有几种不同的配置,可以适应许多安装情况,如背靠背的壁橱,可调节的垂直位置和废物流动方向。在所有情况下,托架的主要功能是为衣柜提供一个稳定的安装系统。托架通常由铸铁和钢制成,位于洗手间墙壁后面,也就是壁橱所在的位置。这些托架必须通过适当的紧固件(如拉力螺栓)安全地安装到地板上。
管理ASME标准对壁挂式壁橱和载体安装设备都有特定的尺寸和性能要求,以确保安全安装和尺寸一致性,以便所有载体和壁橱制造商的产品可以相互互换安装。本文后面将更详细地讨论这些标准。
从结构的角度来看,载体安装在建筑物的地板上,并通过管道进入墙后的水平或垂直排水管。将托架安装到地板上的安装程序必须按照托架制造商的说明进行,这一点至关重要。载体使用四根1英寸螺纹安装杆,安装在出口入口处,突出穿过成品墙。(见图1)。轴承螺母和垫圈螺纹在靠近墙壁的杆上,为壁橱提供安装表面。垫圈应该总是有一个小的间隙,大约1/16英寸到1/8英寸从完成的墙壁。这些应该被定位,使所有落在同一垂直平面和壁橱的顶部是水平的。壁橱的背板有四个直径1英寸的安装孔,这些杆在安装过程中穿过,并靠在垫圈上。四个壁橱帽螺母随载体被拧到杆上,以保持其到位。然后在背板与墙壁的周长处应用最后一颗填缝头,以获得干净的成品外观。
在安装过程中,重要的是要知道,帽螺母应该始终安装到指定的扭矩和特定的顺序。正面朝向壁橱时,从右上方逆时针方向安装。前三个螺母应按载体制造商的规格拧紧,但最后一个螺母应仅拧紧约半转后的手紧。这是许多安装人员没有意识到的一个重要方面,并且可能在安装或使用过程中导致损坏。出于这个原因,我们将花一些时间来解释它是如何工作的。
之前我们解释过玻璃瓷具有很高的抗压强度。压缩载荷必须有一个完全支持的静态表面,作用方向相反。壁柜对载体轴承螺母和垫圈的安装方法对背板施加压缩载荷。利用玻璃瓷的高抗压强度,在承受载荷时,支承轴承垫圈与壁橱背板之间不能有任何间隙。壁挂式壁橱的背板可以被认为是几何上的平面。平面被定义为在任意三点之间形成的二维空间/区域。背板安装在载体杆上的四个轴承螺母和垫圈上。要在同一平面上精确地定位四个点是很困难的。当我们遇到一张四条腿来回摆动的桌子时,我们都有过这样的经历。只有三条腿的桌子不会遇到这个问题,因为三条腿总是与地板接触——一个很好的平面例子。
在壁挂式壁橱的例子中,如果只有一个轴承螺母与其他三个不对齐,这并不罕见,它会留下一个小的间隙,当这个孔的帽螺母被拧紧时,它会在背板上产生剪切载荷,可能超过最大载荷而断裂。通过拧紧前三个帽螺母,它们将始终在同一平面上,因此处于压缩载荷状态。通过将最后一个帽螺母用手拧紧,安装人员将避免对背板施加拉伸载荷和破损的风险。
当从侧面观察安装的壁橱时,在施加重量时,两个顶部位置上的负载远离墙壁,靠在垫圈和帽螺母上。在底部的两个位置上的载荷是在相反的方向上对着墙壁的轴承螺母和垫圈。这使得壁橱顶部的大部分处于张力状态,而底部的大部分处于压缩状态。背板的设计是为了将产生的载荷分布在尽可能多的区域,以防止断裂。(参见图2)
行业标准
在我们讨论与壁挂式壁橱相关的具体标准之前,重要的是要认识到,开发的测试和标准不一定与具体的现实世界情况相关,而是与一般条件和用户期望相关。在一系列测试中,有太多的潜在变量和场景需要预测和复制。在某种意义上,这些可以被认为是最低要求。
制造商有责任设计他们的产品,以满足或超过他们认为合适的这些标准,并制定制造和测试控制计划,以确保他们继续满足这些标准。在选择适合其特定应用的产品之前,指定建筑师、工程师和建筑物所有者也有责任了解这些标准及其在现实世界中的含义。
玻璃瓷固定装置
在商业洗手间行业中,最被认可和广泛接受的标准是ASME 112.19.2-2013/CSA B45.1-2013 -陶瓷管道装置。本标准规定了玻璃瓷固定装置的各种尺寸、机械和水力性能要求。提供这些标准是为了让建筑师、工程师和业主对他们的安装和一定程度的性能期望有一个共同的理解。它还有助于这些涉众更容易地指定和安装产品,以便不同的制造商模型可以交换到另一个而不需要不必要的努力和费用。
有关载荷的相关章节是6.7 -壁挂式管道装置的结构完整性试验。第6.7.2节适用于壁挂式抽水马桶。在6.7.2壁橱里安装一个装置,应用垂直静载荷500磅10分钟12英寸的阀座孔中心线的细长的碗(10英寸的圆碗),而与保险杠塑料座椅安装在壁橱里(除非壁橱里并不打算使用没有一个座位)(见图3)。如果厕所没有失败或展览的视觉结构损伤被认为是满足需求。重要的是要认识到,该标准没有专门用于地板安装固定装置的负载要求的部分。
夹具支架(又名托架)
根据定义,壁挂式固定装置的尺寸和性能要求共享许多共同要求,并且/或依赖于用于支持它们的载体。管理这些载体的标准是ASME A112.6.1M-1997 -用于公共用途的地面管道装置的地板固定支架。
有关载荷的部分是第11节-强度和挠度。第11.2节和表2描述了通过测试所需的参数。对于壁挂式壁橱,垂直静态载荷为300磅,从载体面板前23英寸处施加。远离载体面板的最远点的顶表面垂直偏转不得超过0.375英寸,并且夹具背板顶部后部的前水平偏转不得超过0.125英寸。如果承运人承受最大静态载荷而没有失效、永久变形或超过所述的挠度,则认为已满足要求。请注意,载体的静态负载额定值比它们打算支持的固定装置的负载要求低200磅。根据载体制造商自己的规格,载体完全有可能是在使用过程中是否发生故障的决定因素。
把它们拼在一起
既然了解了壁挂式固定装置的设计、安装和测试所涉及的各种因素和力量,那么让我们研究一下这些原则如何应用于现实世界的商业洗手间环境。
对于绝大多数用途来说,壁挂式壁橱几乎没有受到过度的压力或紧张。它们被充分安装,由典型的人使用,并按预期使用。然而,当产品没有正确安装时,用户不是“典型的”,或者夹具没有完全按照预期使用,这是引起注意和关注的原因。过多的负荷可以以多种方式施加到固定装置上。以下只是现实环境中发生的因素和变量的几个例子,这些因素和变量可能超出了标准制定的参数:
在过去的10-15年里,超重使用者的增加在公共厕所和医院环境中引起了更多的关注。现在,各种组织提出了设计建议,以解决肥胖和病态肥胖用户对各种设施洗手间的影响。这些方面包括开口的大小,产品的强度以及可能帮助这些个人或其看护人访问和使用产品的附加配件和设备等特征。
在各种出版物中越来越多地引用了针对肥胖人群(通常指医疗保健机构中的肥胖患者)的水马桶负载要求,即静态负载为1,000磅。然而,到目前为止,还没有任何独立组织正式推荐、赞同或进一步定义这一价值。除了它是壁挂式壁橱的ASME标准的两倍之外,没有可用的文档或理由来使用这个数字。此外,这个通常参考的负荷数字并不局限于地板安装或壁挂壁橱。如果应用于壁挂式壁橱,这将产生重大影响。有理由相信,大多数用户,无论是有意还是无意,并不总是以可控的方式把自己放低到座位上,对于那些非常重的人来说尤其如此。当使用者跌落或摔倒在座位上时,即使是很短的距离,也会产生动态或冲击负荷。如前所述,根据定义,对于相同质量,由于重力的影响,冲击载荷将大于以静态方式施加的冲击载荷。
为了说明这个概念,可以使用前面列出的势能和冲击载荷公式。我们假设有一个300磅重的用户把最后4英寸掉到座位上。为了计算冲击载荷,我们还需要估计人在马桶上完全休息所需的距离。这段距离由两个元素组成,它们有助于减缓并在一定程度上缓冲冲击。第一个元素很直接,很容易理解。它是马桶在撞击时向下的偏转。虽然陶瓷夹具本身不会偏转,但载体系统会。第二个要素涉及到人体的一个生物要素,并且在考虑它的时候要板着脸。它是使用者的臀部被压缩的量。这两个方面都有助于缓冲冲击载荷,就像减震器一样。 Per the fixture support standard, the toilet and carrier cannot deflect more than 0.125 inches, so we will use that value for the first element. As for the human factor we’ll use 1.5 inches for this example. The impact load can then be approximated as follows:
300磅×(0.33英尺/ 0.135英尺)= 733磅
此外,在这个例子中,规定距离为12英寸时的扭矩为3600英寸-磅。然而,如果在上面的例子中,同一个人的重心在距离墙壁2英寸的地方以14英寸的速度撞击,那么产生的扭矩将是:
733磅* 14英寸= 10262英寸磅
这些是简化的插图。可以使用其他变量和环境因素来了解不同的情况,例如施加载荷的位置和角度,更大的下落距离或更重的个体,这些都可能减轻或加剧这种影响。
结论
商业抽水马桶在许多环境中使用,多年来已经安装了数十万个,很少考虑其静态负载额定值。阅读本文后,您应该清楚地知道,这些值并不仅仅表示用户的最大权重。如果您正在指定或安装壁挂式抽水马桶,请始终牢记以下三个重要方面:
要知道,在实际环境中,真正的静态负载情况并不像动态负载那么常见,而且在所有情况下,动态负载都会更大,甚至可能高出许多倍。
了解静态负载标准和额定值意味着什么,以及它们不是什么。壁挂式壁橱的ASME标准为500磅,载体的ASME标准为300磅,这只是他们所说的,没有任何推论这个值与特定的用户应用相关。
如果有可能有肥胖患者或甚至特别大的人使用壁橱,最安全的方法是使用落地式抽水马桶。这些壁橱具有典型的静态负载能力,比壁挂式壁橱高2或3倍,并为用户提供更稳定的支持。
正如这篇文章所显示的,多年来,壁挂式抽水马桶暴露在超过500磅的负荷下是不可能的。尽管如此,在使用过程中很少有橱柜或托架破损的报道。这可能是由于产品设计具有高于最低要求的额定负载。然而,重要的是要意识到,体重增加的人,加上对“减肥额定衣柜”的更多要求,以及更多制造商发布的1000磅静态负载评级,误用的可能性正在增加,这可能会导致悲剧。