付录2爆发荷重.docVIP

付録-II-１０-２　爆発荷重 　構造物に作用する爆発荷重の主たる作用因子は，一般に爆薬の質量，爆薬の種類および対策を講じる構造物と爆発位置との距離である．以下に，設計に用いられている爆発荷重の設定法について記述する． 2.1　火薬の種類1) 　火薬類取締法では分類として火薬，爆薬，および火工品の３つに分類されている． 　火薬（low explosive, powder）は推進的爆発の用途に使用され，爆燃を生じ，音速以下の速度で伝播する急速燃焼をする．火薬には，黒色火薬，無煙火薬，コンポジット推進薬，コンクリート破砕薬などがあり，銃砲の推進薬やロケット推進薬として使用される． 　爆薬は（high explosive）発破など，破壊的用途に使用するもので爆轟（detonation）を生じ，超音速で爆薬内を衝撃波が伝播し，破壊力は極めて大きい． 　爆薬には起爆の難易によって一次爆薬（起爆薬）と二次爆薬に分類される．一次爆薬は少量のエネルギーで点火されて爆轟する非常に敏感な爆薬である．二次爆薬は雷管によって爆轟するなど，かなりのエネルギーを集中的に与えると爆轟状態になる．一次爆薬にはDDNP，あじ化鉛などがあり，二次爆薬にはニトログリセリン，TNT，RDXなどがある．なお，硝酸アンモニュウムや過塩素酸アンモニュウムなどは鈍感な爆薬であり，雷管では爆轟せず，二次爆薬によって起爆するので三次爆薬ともいう． 　火工品は火薬または爆薬を利用して，爆発反応の生起，伝達等の目的に適合するものをいい，工業雷管，電気雷管，砲爆弾，導火線，伝爆線，コンクリート破砕器，煙火等がある． 　ここでは，爆発荷重について述べるため主として二次爆薬や三次爆薬の爆轟について記すことにする． 2.2　爆発現象 　爆薬が点火されると，爆薬は起爆され爆轟を起こす．この爆轟は非常に早く安定した化学反応であり，爆薬の未反応部分へと超音速の爆轟速度で伝播して行く．爆轟速度は高性能爆薬の場合8000m/sオーダーになる．爆轟波は爆薬を急速に非常に高圧で高密度で高温度のガスに変化させる．ガスの圧力は100kbarから300kbarで温度は非常に高温で3000℃~4000℃にも達する．爆轟の前面が爆薬の表面に達するとガスの急速な膨張が生じ，周囲の空気に強力な衝撃波を伝達し，この衝撃波は超音波速度で外側に伝わる．衝撃波面のすぐ後ろの圧力，温度，および密度は非常に高く，爆轟によって生じたガスと空気の強い外側への流れが発生する．このガスは空中での強い爆発波の元になる．爆発的に形成されたガスは拡大して行き，爆発波は爆源から移動して行く． 　ガスの拡大が続くと爆風の前面は強く圧縮された空気の壁とともに伝播する．爆風波面の速度，最大圧力，温度は距離が増加するに従い急速に減少する．最終的にはガスの膨張続き，これらは冷やされ，圧力は大気圧より僅かに小さい値となり，その後，元の大気圧に戻る．爆発波は爆薬から外側に向かって移動するとき，爆発前面の後方の空気の質量の流れが風を発生させる．これによる圧力は動圧といい，衝撃波後方での風速と空気の密度の関数となる．衝撃波頭面の圧力は静圧(過圧)という．付図2.1は爆発後の爆風の形が時間毎の変化する様相を模式的に示したものである．負圧が生じるのは爆源から少しはなれたところからである． 2.3　爆発波のパラメータ2), 3) 　爆発波前面のパラメータは，1840年にランキンとユゴニオによって，理想気体の標準的の衝撃波について述べられたのが最初である．これは多くの参考文献に取り上げられている．理想気体の場合，爆発波前面の速度爆発波前面の後ろの密度および最大動圧の関係は次式となる． (2.1) (2.2) (2.3) ここで，psは静圧（過圧）の最大値，は爆発波前面の周囲の空気圧（大気圧），はそこでの密度，はそこでの音速である．付式(2.3)から，を (kPa)とすると空中爆発での静圧と動圧との関係が付表2.1のように得られる． 付表2.1　空中爆発での静圧と動圧の関係 (kPa) (kPa) 200 350 500 650 110 290 518 778 　表から静圧500kPaまでは動圧は静圧(過圧)より大きくなっている．約500kPa以上の静圧(過圧)は動圧よりより大きくなる． 2.4　スケール法則2), 3) 　爆発波の換算法則はホプキンソンとクランツによって独自に公式化された法則である．これは一般に1/3乗法則として述べられている．すなわち，同じ形状で同じ爆薬が異なる大きさの2つの爆薬が同一の大気中で爆発したとき，同じ換算距離位置において同一の爆発波が生じる． 　そこで，もし，2つの爆薬の質量が直径がとすると同じ爆薬ならば，以下のことは