RDX 'ın detonasyonunda farklı zeminler üzerinde oluşturacağı kraterlerin sayısal değerlendirilmesi
Numerical evaluation of craters formed by RDX on different ground during detonation
- Tez No: 987821
- Danışmanlar: PROF. DR. MURAT TEKER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Enerjik malzemeler, Yüksek patlayıcılar, Krater oluşumu, RDX patlaması, Ahşap yüzey davranışı, Energetic materials, High explosives, Crater formation, RDX explosion, Wood surface behavior
- Yıl: 2024
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Sakarya Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Enerjik malzemeler, uygulama koşullarına bağlı olarak günümüzde çeşitli alanlarda kullanılmaktadır. Kullanım alanının genişlemesi yüksek enerjili kimyasal yapılarından ve alternatif yöntemlere göre daha ekonomik olmasından kaynaklanmaktadır. Bu malzemeler genellikle patlayıcılar (trinitrotoluen, pentaeritritol tetranitrat siklotrimetilentrinitramin) itici gazlar (kara barut) piroteknik olarak sınıflandırılır. Çalışmada enerjik malzemelerden yüksek patlayıcılara ait inceleme yapılmıştır. Literatürde, patlayıcı malzemeler üzerine savunma sanayi (Erdik, 2017), mühendislik (Atasoy, 2019), endüstriyel uygulamalar (Nagy, 2015) ve bilimsel araştırma (Menekşe, 2024) alanlarında çalışmalar bildirilmiştir. Ayrıca, azitler ve nitraminler gibi nitro organik bileşikler içeren yeni konvansiyonel patlayıcılar geliştirilmektedir. Bu tür bileşiklere örnek olarak 2,4,6-triazido-1,3,5-trinitrobenzen ve 2-azido-1,3-dinitropropan verilebilir (Şen, 2013). Siklik nitraminler (CNA'lar), yanma reaksiyonu modellemesi ve deneysel davranışları açısından yaygın olarak incelenmektedir (Ermolin ve Zarko, 1998; Strunin ve Nikolaeva, 2010; Strunin ve Nikolaeva, 2013). Patlayıcı madde kullanımı yaygınlaşması aynı zamanda farklı zeminler üzerinde uygulaması gerekliliğini doğurur. Farklı zeminlerde uygulanması ise farklı krater oluşumu anlamına gelmektedir. Patlayıcılar ile farklı zeminler arasındaki etkileşim üzerine kapsamlı çalışmalara olan ihtiyaç artmaktadır. Bu çalışmanın amacı, RDX patlamasının ahşap yüzeyler üzerindeki yıkıcı etkilerini araştırmak, deneysel krater oluşumu verilerini ampirik krater oluşumu denklemleriyle karşılaştırmak ve elde edilen sonuçlara dayanarak farklı ahşap türleri için krater katsayılarını belirlemektir. Yüzeylerde krater oluşumları ile ilgili olarak ahşap yüzeyler için yapılmış çalışmalara rastlanılmamıştır. Ahşap yüzeylerde, ahşabın cinsine göre yüzey sertlikleri ve mukavemetleri değiştirmektedir. Bu özellikler ahşabın karakteristik yapısının modifiye edilerek mukavemetlerinin patlamaya karşı oluşturdukları direncin test edilmesini sağlamaktadır. Deneysel aşamada çeşitli ahşap numuneleri seçilmiş ve her malzemenin mukavemet ve sertlik değerleri ölçülmüştür. Patlama testleri RDX kullanılarak gerçekleştirilmiş ve her testte kullanılan kesin miktarlar dikkatlice hesaplanmıştır. Patlamadan sonra, ahşap yüzeylerde oluşan boşluk ve çatlakların çapları ölçülmüştür. Krater oluşumları ile ilgili yapılan çalışmalarda üretilen ampirik birçok denklem mevcuttur. Bunlardan çalışmalarımıza uygun olan Östmark ve Zhurova çalışmalarında kullanılan Kistiakowsky-Wilson kurallarını esas alan, Kamlet-Jacobs denklemleriyle hesaplandı. Çalışmamızda meydana gelen kraterin sayısal incelemesinden oluşumları ile ilgili hesaplamalarda kullanıldı. D =1.01(N0.5)(Mave Q)0.25(1+1.30) ve P=1.558ρ2(N)(MaveQ)0.5 [Östmark vd (2007), Zhurova, vd (2007)]. Bu denklemler, her ahşap malzeme için krater oluşum katsayılarının belirlenmesini sağlayarak, RDX patlamalarına maruz kalan farklı ahşapların mekanik tepkisini değerlendirmek için karşılaştırmalı bir çerçeve sunulmuştur. Patlama testleri 2,5 kilogramlık ağırlığı sahip Drop Weight İmpact test cihazı kullanıldı. Yapılan testlerde 60 ile 4 santim arasındaki farklı yüksekliklerden ağırlığın serbest düşmesi ile rdx numuneleri patlatıldı. Elde edilen verilerle rdx e ait patlama sınırları tespit edildi. Ölçülen sınır değerler kullanılarak rdx'in ahşap yüzeylerde patlamasıyla ilgili basınç ve enerji değerleri tespit edildi. Belirlenen miktarlardaki rdx yüzeylerde patlatarak krater oluşumları sağlandı. Oluşan kraterler sayısal olarak incelenerek, ahşabın mukavemet ve yüzey hissettik değerleriyle kıyaslanmıştır. Oluşan kraterler referans alınarak katsayı üretilmiştir. Bu katsayılar RDX ve TNT ye göre hesaplanmıştır.
Özet (Çeviri)
Energetic materials are widely employed in numerous application areas due to their high-energy chemical structures and their relative economic efficiency compared with alternative technologies. In general terms, they are substances capable of rapidly releasing stored chemical energy as heat, gas, and pressure when subjected to stimuli such as impact, shock, friction, or thermal ignition. They are commonly classified as explosives (e.g., TNT, PETN, RDX), propellants (e.g., black powder) and pyrotechnic compositions. In this thesis, attention is focused on high explosives as a sub-group of energetic materials, and their interaction with wooden targets is examined in detail. In the literature, explosives have been studied in a variety of contexts, including defense industry applications (Erdik, 2017), civil and military engineering (Atasoy, 2019), industrial operations such as mining and demolition (Nagy, 2015), and fundamental research on reaction mechanisms and detonation behavior (Menekşe, 2024). These studies highlight the central role of high explosives in technological development and national security. Parallel to conventional explosives, new nitro-organic energetic compounds—particularly azides and nitramines are being developed to achieve higher performance, controlled sensitivity, and improved environmental behavior. Compounds such as 2,4,6-triazido-1,3,5-trinitrobenzene and 2-azido-1,3-dinitropropane are cited as promising candidates for next-generation conventional explosives (Şen, 2013), illustrating the dynamic and rapidly evolving nature of research in energetic materials. Among modern high explosives, cyclic nitramines (CNAs) such as RDX are of particular importance. Over recent decades, they have been extensively investigated in terms of combustion and detonation reaction modeling, as well as their experimental behavior under different loading and confinement conditions (Ermolin & Zarko, 1998; Strunin & Nikolaeva, 2010; Strunin & Nikolaeva, 2013). These studies address parameters such as reaction rates, pressure–time histories and temperature profiles, and clarify how microstructural features affect the propagation of the reaction front. The resulting knowledge contributes to safer design, improved damage prediction and optimized explosive formulations for specific applications. As the use of explosives in both military and civilian settings expands, understanding how they behave on different substrates and ground conditions has become increasingly important. The interaction between an explosive charge and its target environment depends not only on the physical and chemical properties of the explosive itself, but also on the mechanical and structural characteristics of the impacted material. Detonations in or on soil, rock, concrete or wood produce distinct crater geometries and damage patterns. Consequently, there is a need for systematic studies that examine explosive–target interaction, with particular emphasis on crater formation, energy dissipation and stress-wave propagation, and that quantitatively relate target properties to observed crater geometries. The aim of the present study is to investigate the destructive effects of RDX detonations on wooden surfaces, to compare experimentally observed crater formations with established empirical crater formation equations, and to determine crater coefficients for different wood types. The study thus seeks to develop a comparative framework linking the mechanical properties of selected woods—such as hardness and strength—to the size and morphology of craters generated by controlled RDX detonations. In this way, the work contributes to the understanding of how high explosives interact with anisotropic, heterogeneous and relatively low-density materials such as wood, which are frequently encountered in structural and infrastructural systems. Although the literature contains many studies on crater formation in soils, rocks and concrete, systematic investigations focusing on wooden surfaces are scarce. Yet wood is a complex, anisotropic material whose behavior is strongly influenced by species, density, grain orientation, moisture content and internal defects. These factors, arising from the cellular and fibrous structure of wood, cause substantial variation in surface hardness and strength among species. Moreover, modification techniques such as densification, impregnation and chemical treatment can significantly alter the microstructure and mechanical properties of wood. Experimental investigations that relate such tailored properties to crater morphology are therefore crucial for the rational design of wood-based protective or sacrificial elements in blast-exposed structures. In the experimental phase, different wood specimens were selected to represent a range of species and mechanical properties. Their hardness and strength values were measured using standard mechanical test methods prior to detonation. Subsequently, RDX charges of carefully calculated mass were detonated on the wooden surfaces. After each detonation, the diameters and depths of cavities and cracks were measured with appropriate instruments, providing a detailed quantitative description of crater geometry. The experimental results were evaluated in the light of empirical relationships used to model crater formation. Among the numerous equations proposed in the literature, those used by Östmark et al. (2007) and Zhurova et al. (2007)—based on the Kistiakowsky–Wilson rules and expressed in Kamlet–Jacobs form—were found appropriate for the objectives of this study. In these formulations, detonation velocity (D) and detonation pressure (P) are given by D =1.01(N0.5)(Mave Q)0.25(1+1.30) and P=1.558ρ2(N)(MaveQ)0.5 where N is the moles of gaseous products per gram of explosive, MaveMMave is the average molecular weight of these products, Q is the heat of detonation, and ρ\rhoρ is the explosive density. These relations enable estimation of the fundamental detonation parameters of RDX and their connection to crater dimensions on wooden targets. By combining the measured crater diameters, depths and volumes with the calculated detonation parameters, crater formation coefficients were derived for each wood type. These coefficients provide compact, comparable indicators of the blast resistance of different woods and support predictive modeling and engineering design where damage to wooden elements under detonative loads must be assessed. The detonation tests were performed using a 2.5 kg Drop Weight Impact device, with drop heights ranging from 60 cm to 4 cm. Adjusting the drop height controlled the impact energy and allowed the determination of initiation thresholds and safe operating ranges for the RDX charges. The resulting data were used to identify detonation limits and to calculate associated pressure and energy values for RDX on wooden surfaces. After establishing suitable charge masses and initiation conditions, RDX was detonated on pre-characterized specimens, and the resulting craters were quantified and correlated with mechanical properties such as compressive and bending strength and surface hardness. From these measurements, reference crater profiles were defined for each wood type and used to compute crater formation coefficients that express the relationship between RDX detonation conditions and damage to wooden targets. For broader applicability, these coefficients were normalized with respect to both RDX and TNT, two widely used high explosives. This normalization enables approximate translation of findings from one explosive system to another, subject to appropriate scaling. In summary, the study presents a systematic experimental and analytical investigation of crater formation on wooden surfaces subjected to RDX detonations. By integrating mechanical characterization, controlled blast testing, empirical modeling via Kamlet–Jacobs equations and the derivation of crater formation coefficients normalized to RDX and TNT, it offers a coherent framework for assessing the response of wood to high-explosive loading and enriches the broader body of knowledge on explosive interaction with anisotropic, heterogeneous target materials.
Benzer Tezler
- Ön gerilmeli elastik tüp içerisinde pulsatif akımın incelenmesi
An investigation of pulsatile flow in a prestressed thin elastic tube
İLKAY BAKIRTAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiMekanik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HİLMİ DEMİRAY
- Gömülü iletken cisimlerin elektromagnetik dalgalar yardımı ile zaman domeninde algılanması
Başlık çevirisi yok
SELÇUK PAKER
Doktora
Türkçe
1998
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BİNGÜL YAZGAN
- Basık dairesel silindirik kabukların aeroelastik analizi
Başlık çevirisi yok
BURAK DURAK
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMekanik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZAHİT MECİTOĞLU
- Düşey kanallarda doğal ısı taşınımı
Free convection in vertical tubes
LALE DEMİRAYDIN
Yüksek Lisans
Türkçe
1999
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. A. FERİDUN ÖZGÜÇ