JP5941363B2

JP5941363B2 - 構造体

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Publication number: JP5941363B2
Application number: JP2012157680A
Authority: JP
Inventors: 響龍崎
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2012-07-13
Filing date: 2012-07-13
Publication date: 2016-06-29
Anticipated expiration: 2032-07-13
Also published as: JP2014020047A

Description

本発明は構造体に関し、例えば可燃性ガスを燃焼させた際に構造弱部の開口以降に圧力ピークが発生する構造体に関する。

従来から、可燃性ガスによる爆発事故の被害を軽減するため、一般家屋や工場建屋などの構造体では様々な安全対策が施されている。例えば、一般家屋や工場建屋などでは、窓や扉、圧力開放弁などの脆弱部（構造弱部）が設けられており、可燃性ガスに引火して構造体内部の圧力が上昇すると上記脆弱部が破損等することで、構造体内部の急激な圧力上昇を抑制することができる。

ところで、上記するガス爆発による被害の大きさは、圧力上昇速度や最高到達圧力、圧力ピークの数と密接に関連するため、爆発事故の原因と被害状況を正しく理解するためには爆発時の圧力挙動を正確に把握する必要がある。そのため、当該分野においては、建築物などの構造体を模擬した脆弱部を有する様々な形状や大きさの定容容器を使用し、当該容器内で可燃性ガスを燃焼させて、構造体におけるガス爆発の現象を理解する実験や研究が行われている。

図５は、内容積が2.55m³であって脆弱部の開口部係数が9.2の鋼材で構成された立方体容器を用い、当該容器内に天然ガスと空気とを混合した混合気を一様に充満させ、立方体容器の中心部に配置した着火源で混合気を燃焼させたときの立方体容器内の圧力履歴を示したものである（非特許文献１）。

図示するように、脆弱部を有する定容容器内で発生したガス燃焼による圧力挙動は、脆弱部が破壊される前の密閉状態における圧力上昇と、脆弱部が破壊された後の半開放状態における二次的な圧力上昇とに分類することができる。

密閉状態における圧力上昇では、容器内部に火炎伝播の妨げとなる障害物がほとんど存在しない場合、火炎伝播の加速効果を考慮することによって、比較的高い精度でその圧力上昇を見積もることができる。また、脆弱部が破壊された直後に発生する圧力ピークについても、その最高到達圧力（図中、P1）の有効な推算式が知られており、比較的高い精度でその圧力ピークを見積もることができる。

一方、脆弱部の破壊以降の圧力上昇では、容器外への気体の流出と燃焼による圧力上昇（体積膨張）とが競合して後者が勝る場合に発生する圧力上昇や、容器内の気体のHelmholtz振動による圧力の周期的な増減、混合気の燃焼過程において発生する圧力波が容器の音響モードと結合することによる圧力上昇（音響効果）など、様々な要因による圧力ピークが発生することが知られている。これらの圧力ピークは、僅かな条件の変化によって大きく変化し、発生の有無までも左右されると考えられているため、これらの圧力ピークを正確に予測することは極めて困難である。

脆弱部の破壊以降の圧力上昇は、上記するようにその予測が極めて困難であるものの、たとえば容器形状が立方体などの三次元的に対称性を有する場合や着火源が容器内の中心部に配置される場合等の限定的な状況下でのみ発生し、実際のガス爆発事故で発生する可能性が極めて低いことが指摘されており、これまでは、主として、密閉状態における圧力上昇や脆弱部が破壊された直後に発生する圧力ピークを抑制するための安全対策が研究されてきた。

しかしながら、脆弱部の破壊以降に発生する圧力ピーク（P2）は、図５で示すように、脆弱部が破壊された直後に発生する圧力ピーク（P1）の数倍になることもあり、ガス爆発時のピーク圧力が被害の大きさを規定することを考えると、上記のような限定的な条件下であっても一旦ガス爆発が発生してしまうと、その被害の大きさは甚大なものとなってしまう。そのため、当該分野においては、この脆弱部の破壊以降に発生する圧力ピークを考慮した構造体の設計が極めて重要であると考えられる。

このような問題に対し、非特許文献１には、脆弱部の破壊以降に発生する圧力ピークが音響効果によって発生する圧力ピークと考え、音響波を吸収する素材であるグラスウールを容器内壁に貼り付けることによって、脆弱部の破壊以降に発生する圧力ピークを抑制する方法が開示されている。

Cooper M.G., et. al., "On the Mechanisms of Pressure Generation in Vented Explosions," Combustion and Flame, Vol.65, 1986

図６で示すように、非特許文献１に開示されている方法によれば、立方体容器の内壁にグラスウールを貼り付けて音響波を吸収することによって、容器内に天然ガスと空気とを混合した混合気を一様に充満させ、立方体容器の中心部に配置した着火源で混合気を燃焼させた場合であっても、図５で示した脆弱部の破壊以降の圧力上昇や圧力ピークを抑制することができる。

しかしながら、非特許文献１に開示されている方法においては、吸音率の極めて高い綿状のグラスウールを容器内壁に貼り付けており、実際の一般家屋や工場建屋などの構造体ではそのようにグラスウールを直接内壁に貼り付ける状況は考え難い。実際の建築物などの構造体では、グラスウールよりも硬質で吸音率の低い平面状や曲面状の内装材（例えば石膏ボードや難燃合板、ラワン材）を貼り付けているのが通常であるものの、そのような内装材を使用した際に脆弱部の破壊以降の圧力上昇が抑制されるか否かについては一切言及されていないのが現状である。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、簡単な構成でもって脆弱部の破壊以降に発生する圧力ピークを抑制することのできる構造体を提供することを課題とする。

上記の課題を解決すべく、本発明者等は多くの実験と研究を行うことにより、構造弱部（脆弱部）を有する構造体であって、その構造弱部の破壊以降にその内部空間に圧力ピークが発生する構造体の内装材として、一般家屋や工場建屋などの構造体で適用される程度の吸音率を有する内装材を使用した場合であっても、構造弱部の破壊以降にその内部空間に発生する前記圧力ピークを抑制し得ることを知見した。本発明は、本発明者らが得た上記の知見に基づいている。

すなわち、本発明は、構造弱部を有する構造体であって、その内部空間に可燃性ガスを混入して該可燃性ガスを燃焼させた際に前記構造弱部の少なくとも一部が開口して前記内部空間と該内部空間の外側の外部空間とが前記構造弱部の少なくとも一部を介して連通すると共に、前記構造弱部の開口以降に前記内部空間に圧力ピークが発生する構造体において、前記構造体の内部空間を形成する内装材は、吸音率が鋼材よりも高く、密度が10kg/m^３よりも高いことを特徴とする。

ここで、吸音率とは、ある材料がある周波数の音に対して音のエネルギーを吸収する効率である。

また、構造弱部の開口以降にその内部空間に圧力ピークが発生する構造体とは、たとえば球形状もしくは正多面体形状などの三次元的に対称性を有する内部空間を有し、その内部空間の中心部に着火源が配置されている構造体である。

また、前記内装材は、たとえば木材、石材、繊維材、合成樹脂材からなる群から選択される少なくともいずれか一つを含む素材で形成することができ、たとえば木材としてはラワン材を挙げることができ、石材としては石膏ボードを挙げることができ、繊維材としてはポリプロピレンを挙げることができる。また、前記内装材の表面は塩化ビニルからなる合成樹脂材で被覆することができる。

本発明者等の実験では、構造体の一部に他の部分と比較して強度の低い構造弱部が形成されており、内部空間に可燃性ガスを混入してその可燃性ガスを燃焼させた際に構造弱部の少なくとも一部が開口して内部空間と外部空間とが前記構造弱部を介して連通することによって、構造弱部が破壊される前の密閉状態における圧力ピークを抑制することができると共に、内部空間を形成する内装材の吸音率を鋼材よりも高くし、且つ密度を10kg/m^３よりも高くすることによって、内装材の密度を高めて硬度を維持しながら、内部空間で発生する音響波を効果的に吸収することができるため、構造弱部の破壊以降に発生する圧力ピークを効果的に抑制することが可能となる。

本発明によれば、例えば一般の構造体で適用される程度の吸音率を有する内装材を使用し、簡単な構成でもって構造弱部の破壊以降に発生する圧力ピークを抑制することができる。そのため、内装材の硬度を維持しながら、例えば都市ガス等の可燃性ガスによる爆発事故の被害を効果的に軽減することが可能となる。

本発明による構造体の一実施の形態を示す正面図。実験で使用した定容容器を示す図。実施例と比較例の定容容器内の圧力計測の結果を示す図。実施例と比較例の定容容器内の各時間における燃焼状態を撮影した結果を示す図。鋼材で構成された立方体容器で可燃性ガスを燃焼させたときの容器内の圧力履歴を示す図。鋼材で構成された立方体容器の内壁にグラスウールを貼り付けて可燃性ガスを燃焼させたときの容器内の圧力履歴を示す図。

以下、図面を参照しながら本発明を説明する。

図１は、本発明による構造体の一実施の形態を示す正面図である。なお、図示例では、構造体の内部空間が略立方体形状を有する場合について説明するが、前記内部空間は三次元的に対称性を有する形状を有していれば良く、例えば、球形状や正八面体形状などの正多面体形状などであってもよい。

図示する構造体１０は、立方体形状を有する内部空間Ｓを有し、その内部空間Ｓの中心部に着火源となり得る電灯１が配置されていている。なお、前記電灯１が配置される内部空間Ｓの中心部とは、後述するガス爆発の際に音響効果に起因する圧力ピークが発生し得る位置であって、必ずしも厳密に内部空間Ｓの中心であることには限定されない。

前記内部空間Ｓを形成する内装材２は、前後面と左右面と上下面の六つの内装構成材２ａから構成されており（図中、内部を視認できるように前面の内装構成材は省略している）、その内装構成材２ａのうちの一つ（図中、右側）の略中央部には、他の部分と比較して強度の低い窓３（構造弱部や脆弱部ともいう。）が形成されている。なお、構造弱部となり得る窓３の位置は、内装材２の中央部の位置に設定することができる。

また、前記内装材２の吸音率は、鉄を主成分とする鋼材よりも高く、その密度は、ガラス繊維から成る綿状素材である一般のグラスウールよりも高い。ここで、前記内装材２は、グラスウールよりも密度が高いため、一般にグラスウールよりも硬度が高いと考えられる。

ここで、グラスウールは、一般家屋の吸音材として使用される場合には密度が10〜32kg/m^３程度であり、一般に密度が10kg/m^３である場合が、密度が32kg/m^３である場合よりも相対的に吸音率が高く、図示例においては、前記内装材２の密度を10kg/m^３よりも高くしている。

このような内装材２の形成素材としては、たとえば、ラワン材や難燃合板などからなる木材、石膏ボードやコンクリート、花崗岩、安山岩、大理石などからなる石材、ポリプロピレンやナイロンなどからなる繊維材、塩化ビニルや合成ゴムなどからなる合成樹脂材などが挙げられる。

上記する構造体１０の内部空間Ｓに可燃性ガス（例えば都市ガス）が充満した状態で、何らかの理由で電灯１から火花が発生し、内部空間Ｓの可燃性ガスが引火して燃焼すると（ガス爆発の発生）、内部空間Ｓの密閉性が保持されている限り、可燃性ガスの燃焼に伴って内部空間Ｓの圧力が上昇し、所定の圧力に到達した時点で窓３が破損するため、内部空間Ｓと内装材２の外部の外部空間とが前記窓３を介して連通し、内部空間Ｓの圧力上昇が抑制される。

また、上記するように、内部空間Ｓが三次元的に対称性を有する形状を有している場合や着火源となり得る電灯１が内部空間Ｓの中心部に配置される場合には、窓３が破損した以降に再び音響効果などに起因する圧力ピークが発生する可能性があるものの、内装材２が鋼材よりも吸音率が高い素材で構成されており、可燃性ガスの燃焼時に発生する音響波が内装材２に吸収されるため、音響効果などに起因する窓３の破損以降に発生する圧力ピークが抑制される。なお、音響効果とは、内部空間Ｓを伝播しながら反射を繰り返す音響波が燃焼によって発生した圧力波火炎と相互作用（共鳴）する効果である。

ここで、内装材２は、上記するようにグラスウールよりも硬度の高い素材で構成されているため、当該構造体１０を一般家屋や工場建屋などとして使用することが可能である。

［試験用容器による都市ガス燃焼時の圧力ピークに関する実験とその結果］
本発明者等は、内装材の種類を変更した２種類の試験用容器（実施例と比較例）を作製し、各容器について容器内で都市ガスを燃焼させた際の容器内部の圧力計測と燃焼状態観察を実施した。

なお、容器内部の圧力計測方法は、立方体形状を呈する容器の所定の側面の中央部に圧力センサの取り付け口を形成し、圧力センサM102B06（PCB社製）をその取り付け口に配置して容器内部の圧力を計測した。ここで、圧力センサM102B06の計測データは、データロガーGR-7500（Keyence社製）を用いてサンプリング速度10⁴回／秒で収集した。

また、容器内部の燃焼状態観察方法は、容器外部に高速度カメラFASTCAM SA3（Photron社製）を配置し、容器側面に設けた透明なアクリル板を介して容器内部を撮影した。ここで、高速度カメラFASTCAM SA3の撮影速度は2000FPSであった。

［実施例］
図２で示すように、内寸が600×600×600mm、内容積が216Lである圧延鋼材（SS400）からなる定容容器を使用し、その内壁面の底面にポリポロピレン製の繊維材（絨毯）を貼り付け、その側面と上面にラワン材を貼り付け、ラワン材の内側表面に塩化ビニル製の壁紙を貼り付けた。なお、容器側面のうちの正面側の面は、外部から燃焼状態を観察するために透明なアクリル板とした。また、ラワン材を貼り付けた容器側面のうちの一面の中央部には、直径が200mmの開口（開口部係数K=A/V^2/3=11.5、Aは開口面積、Vは容器体積）を形成し、その開口を覆うようにアルミ箔を貼り付けて構造弱部（脆弱部）とした。

そして、メタンと空気からなる可燃混合気（メタン9.3vol%）を定容容器内に充填し、定容容器の中心部に配置したスパークプラグで前記混合気に着火して混合気を燃焼させた。

［比較例］
内寸が600×600×600mm、内容積が216Lである圧延鋼材（SS400）からなる定容容器を使用し、その内壁面には内装材を貼り付けなかった。なお、容器側面のうちの正面側の面は、外部から燃焼状態を観察するために透明なアクリル板とした。また、容器側面のうちの一面の中央部には直径が200mmの開口を形成し、その開口を覆うようにアルミ箔を貼り付けて構造弱部（脆弱部）とした。

［試験用容器による都市ガス燃焼時の圧力計測と燃焼状態観察の結果］
図３は、実施例と比較例の定容容器内の圧力計測の結果を示す図であり、図４は、実施例と比較例の定容容器内の各時間における燃焼状態を撮影した結果を示す図である。

図３で示すように、比較例の試験用容器では、容器内で混合気が燃焼すると、約20msecで容器内の圧力が上昇し始め、約70msecで容器内の圧力が約15kPaに到達した（一次圧力ピーク）。ここで、容器側面の開口に貼り付けたアルミ箔が破損し、容器内の圧力が急減に減少し、約80msecで容器内の圧力が5kPa以下となった。その後、約150msecから再び容器内の圧力が上昇し始め、約170msecで容器内の圧力が約170kPaに到達し（二次圧力ピーク）、約170msec以降では容器内の圧力が急激に減少した。

すなわち、比較例の試験用容器（構造弱部の開口部係数が11.5）では、約150msecから220msecの間で振動成分を含む強い圧力ピーク（二次圧力ピーク）が確認され、この二次圧力ピークが、図５に基づき説明した立方体容器（構造弱部の開口部係数が9.2）の音響効果による圧力ピークと推察された。

また、比較例の試験用容器では、図４で示すように、約170msec付近で火炎が急激に成長することが確認された。

一方で、実施例の試験用容器では、図３で示すように、容器内で混合気が燃焼すると、約20msecで容器内の圧力が上昇し始め、約70msecで容器内の圧力が約15kPaに到達し（一次圧力ピーク）、ここで容器側面の開口に貼り付けたアルミ箔が破損して、容器内の圧力が急減に減少したものの、約80msec以降は圧力ピークが計測されなかった。すなわち、実施例の試験用容器（構造弱部の開口部係数が11.5）では、比較例の約170msecで確認された構造弱部の破損以降に発生する圧力ピーク（二次圧力ピーク）が確認されなかった。

また、実施例の試験用容器では、図４で示すように、約140msec以降で緩やかに火炎球が成長を続け、火炎が内壁面に到達した場所から内装材に着火することが確認され、比較例で確認された約170msec付近での火炎の急激な成長は確認されなかった。

なお、本発明者等は、実施例や比較例の試験用容器での上記結果が再現性があることを確認している。

この実験結果より、鋼材で構成された立方体容器の内壁に、吸音率が鋼材より高く且つガラスウールよりも低いラワン材やポリポロピレン製絨毯を配置するという簡単な構成によって、ガス爆発時に構造弱部の破損以降に発生し得る圧力ピークを確実に抑制し得ることが実証された。

１…電灯（着火源）
２…内装材
２ａ…内装構成材
３…窓（構造弱部）
１０…構造体
Ｓ…内部空間

Claims

構造弱部を有する構造体であって、その内部空間に可燃性ガスを混入して該可燃性ガスを燃焼させた際に前記構造弱部の少なくとも一部が開口して前記内部空間と該内部空間の外側の外部空間とが前記構造弱部の少なくとも一部を介して連通すると共に、前記構造弱部の開口以降に前記内部空間に圧力ピークが発生する構造体において、
前記構造体の内部空間を形成する内装材は、吸音率が鋼材よりも高く、密度が10kg/m^３よりも高いことを特徴とする構造体。
前記内部空間は立方体形状を有し、前記構造弱部は前記内装材を構成する六つの内装構成材のうちのいずれか一つに形成されていることを特徴とする請求項１に記載の構造体。
前記内装材は、木材、石材、繊維材、合成樹脂材からなる群から選択される少なくともいずれか一つを含む素材で形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の構造体。
前記木材はラワン材からなり、前記石材は石膏ボードからなり、前記繊維材はポリプロピレンからなることを特徴とする請求項３に記載の構造体。
前記内装材は、ラワン材および／またはポリプロピレンで形成されていることを特徴とする請求項４に記載の構造体。
前記内装材の表面は塩化ビニルからなる合成樹脂材で被覆されている請求項３から５のいずれかに記載の構造体。