بخشی از مقاله
خلاصه
در سال های اخیر ایدهی استفاده از مصالح با دوام، دارای قابلیت جذب انرژی و شکل پذیری بالا در مهندسی سازه پر رنگ تر شده است. از جمله ی این نوع مصالح آلیاژهای حافظه دار شکلی هستند که در شرایط مختلف از خود خواص فیزیکی از پیش تعریف شدهای نشان می دهند. این مواد تحت سیکلهای بارگذاری و باربرداری حتی پس از گذشتن از ناحیه ی تسلیم از خود کرنش پسماند ناچیزی نشان می دهند و در واقع در سازه نیروهای بازسازی کننده ای ایجاد می کنند.
در مطالعه ی حاضر به بررسی تأثیر آلیاژهای حافظه دار شکلی در استهلاک انرژی و کاهش دامنه ارتعاش قاب فولادی چند طبقه پرداخته می شود و برای انجام این کار از میلگردهای آلیاژ حافظه دار شکلی در وسط المان قطری مهاربند استفاده شده است. نرم افزار مورد استفاده در این پژوهش نرم افزار ABAQUS می باشد. جهت اعتبارسنجی مدل ها، در ابتدا قاب دو طبقه مهاربندی مجهز به آلیاژ حافظه دار شکلی که در مطالعات آزمایشگاهی هان و همکاران در سال 2003 استفاده شده بود، در نرم افزار، مدل سازی و تحلیل شد.
نتایج تطابق قابل قبول پاسخ های بدست آمده از دو روش آزمایشگاهی و تحلیلی را نشان می دهد. جهت بررسی تأثیر ارتفاع برعملکرد لرزه ای سازه های مجهز به این نوع از میراگرها، ساختمانهای مورد مطالعه به 3 و12 طبقه افزایش یافت و روی مدل ها، تحلیل های رفت و برگشتی غیرخطی و دینامیکی غیرخطی تاریخچه زمانی تحت شتاب نگاشت زلزله طبس انجام گرفت.
نتایج بررسی ها نشان می دهد استفاده از این نوع میراگرها باعث تسریع در استهلاک انرژی و کاهش چشمگیر در دامنه ارتعاش و برش پایه می شود بطوریکه در حضورآلیاژ حافظه دار شکلی در ساختمان 3 طبقه، قابلیت جذب واستهلاک انرژی سیستم سازه ای 2/5 برابر و سختی اولیه سیستم سازه ای 2 برابر حالت اولیه می باشد. همچنین با افزایش ارتفاع، اثر بخشی آن در کنترل پاسخ لرزه ای سازه بین 10 تا 15 درصد کاهش می یابد.
.1 مقدمه
امروزه از روشهای غیرفعال کنترل سازه ها در برابر زلزله به عنوان یک جایگزین مناسب برای روشهای سنتی نامبرده می شود. این سیستم ها چنان طراحی می شوند که تلاش های وارده بر اعضای سازه ها را به وسیله جذب و مستهلک کردن قسمتی از انرژی زلزله توسط مکانیزم های خاصی کاهش دهند. سیستم های مستهلک کننده انرژی امروزه به صورتهای مختلف مانند سیستم های اصطکاکی، ویسکوالاستیک، الاستوپلاستیک، هیستریتیک و ویسکوز استفاده می شوند. همه این سیستم ها مشکلاتی ازقبیل عمرمفیدکم، پایداری وخستگی، نگهداری، سختی نصب و احتیاج به تعویض پس از زلزله و اعمال تغییردرهندسه سازه پس از وقوع زلزله دارند.
آلیاژهای حافظه دارشکلی به عنوان یک ماده هوشمند دارای خصوصیات یگانه و رفتارهای بسیارجالبی است که می تواند برای کاهش صدمات زلزله روی سازه ها به شکل های گوناگون استفاده شود و مشکلات و محدودیت های سیستمهای ذکرشده را تا حد بسیار زیادی برطرف کند. آلیاژهای حافظه دارشکلی می توانند تا کرنش های حدود %10 را بدون برجا گذاشتن کرنش پسماند و همزمان با رفتار هیستریتیک تحمل کنند.
تاکنون محققان زیادی به بررسی استفاده از میراگرهای حافظه ای هوشمند در کنترل رفتار لرزه ای سازه ها پرداخته اند. هان و همکاران در سال 2003 به بررسی رفتار ارتعاشی سازه ی دو طبقه ی مقیاس شده به یک سوم مقدار واقعی، به صورت آزمایشگاهی و عددی پرداختند. در این کار اثر حضور آلیاژهای حافظه دار شکلی بر رفتار سازه مورد بررسی قرار گرفت. طبق نتایج آنها، در حضور این نوع از آلیاژها، میرایی سازه بالاتر می رود و انرژی ورودی سریع تر مستهلک می شود .
مهدی قاسمیه و امیر حسین ایرانمنش در سال 1385، تحقیقی را در زمینه میزان بهبودی در عملکرد سازه های فولادی در اثر استفاده از مهاربندهای از جنس آلیاژ های حافظه دار شکلی نسبت به مهاربندهای فولادی مقید در برابر کمانش، انجام دادند. آنها به این نتیجه رسیدند که باتوجه به قابلیت مهاربندهای SMA در بازگرداندن قاب به شکل اولیه و به حداقل رساندن کرنش های پسماند در داخل قاب ، استفاده ازآن ها در سازه های قابی بسیارمطلوب به نظرمی رسند.
کرمیک و همکاران در سال 2007 به بررسی لرزه ای قاب های مهاربند هم محور فولادی مجهز به آلیاژهای حافظه دار شکلی تحت دو شتابنگاشت پرداختند. مطالعه آنها نشان داد که درصد بالایی از دریفت باقیمانده ی کلی در قاب با مهاربند معمولی در طبقات اول و دوم رخ می دهد. نتایج برای طبقات بالاتر برای هر دو مدل یکسان بودند. به همین دلیل استفاده از مهاربندهای مجهز به آلیاژهای حافظه دار شکلی در طبقات پایینی سازه مؤثرتر ومفیدتر عمل می کند. این در حالی است که مهاربندهای فولادی مرسوم را می توان در طبقات بالاتر استفاده نمود
مهدی قاسمیه و اردلان مطهری در سال 1389 حالت های مختلف کریستالی مواد حافظه دار شکلی در یک میراگر پیشنهادی را به منظور به دست آوردن یک رفتار بهینه استفاده کردند. میراگر پیشنهادی قابلیت استهلاک انرژی نسبی بالا، در حین حال رفتار بازگردانندگی داشت.
نتایج آنها نشان داد که سیستمهای پیشنهادی دارای قابلیت کاهش خرابیهای سازه وکاهش چشمگیر تغییرشکل های باقی مانده از زلزله حتی پس از زلزله های بسیار شدید را دارند.[4] مهدی قاسمیه و امیر کاری در سال 1390رفتار لرزه ای سازه های مهاربندی از نوع آلیاژهای حافظه دارشکلی و مهاربند های مقید شده در برابرکمانش را بررسی نمودند. طبق نتایج بدست آمده در تحقیقات آنها، درسازه های نسبتا کوتاه، ارجحیت استفاده از هریک از این دو سیستم نسبت به دیگری، بستگی به شدت تحریکات زمین دارد. همچنین برخلاف سازه های کوتاه، درسازه های متوسط استفاده ازآلیاژهای حافظه دارشکلی مزیتی ندارد و استفاده از بادبندهای مقیدشده دربرابرکمانش ارجحیت دارد.
عسگریان و مرادی در سال 2011 به ارزیابی لرزه ای قاب های مهاربندی شده با مهاربندهای مجهز به آلیاژ حافظه دار شکلی پرداختند. در مطالعه ی انجام گرفته، سازه ها به صورت دو بعدی و در 6 تراز ارتفاعی 4، 6، 8، 10، 12 و 14 طبقه مدل و با روش تاریخچه ی زمانی غیر خطی، تحت شتاب نگاشت زلزله های کوبهریال، طبس و السنترو تحلیل شدند .
جونگ وان هو در سال 2013 به شبیه سازی عددی رفتار آلیاژهای حافظه دار شکلی سوپر الاستیک پرداخت. آلیاژهای سوپر الاستیک، مصالح فلزی منحصر بفردی هستند که تغییر شکل های بسیار زیادی را تحمل می کنند و با حذف تنش، شرایط اولیه خودشان را بدون رفتاری متغیر، مجددا بازیافت می نمایند. جونگ جهت اطمینان از صحت شبیه سازی رفتاری این مصالح، آزمایشی را با استفاده از میله های ساخته شده با این نوع از آلیاژها انجام داد. نتایج بدست آمده از تحلیل های آزمایشگاهی با شبیه سازی عددی در نرم افزار OpenSees تطابق مناسبی داشتند
محمودی و هواران در سال 2014 به ارزیابی رفتار لرزه ای قاب های فلزی با مهاربندهای ضربدری مجهز به آلیاژهای حافظه دار شکلی پرداختند. سازه ی مورد نظر را تحت سه شتابنگاشت طبس، چی چی تایوان و نورثریج مورد تحلیل و بررسی قرار دادند. نتایج تحقیق نشان داد که اثر حضور آلیاژ در مهاربند باعث بهبود رفتار لرزه ای وکاهش ارتعاش سازه می شود
لامین دینگ و همکاران در سال 2015 به بررسی آزمایشگاهی و عددی استفاده از آلیاژ حافظه دار شکلی برای کاهش دامنه ارتعاشات کابل های بکار رفته در سازه های مهندسی از جمله پل ها پرداختند. آنها در ابتدا میراگر را به قسمت میانی کابل متصل کردند و در ادامه مراحل پژوهش، مکان میراگر را در طول کابل تغییر دادند. نتایج تحقیقات آنها نشان داد استفاده از میراگر آلیاژ حافظه دار شکلی باعث کاهش قابل توجه در نوسانات کابل می گردد. نتایج بدست آمده از آزمایش و نرم افزار اجزای محدود در این مورد تطابق مناسبی داشتند
لوبو و همکاران در سال 2015 ایده ساخت یک میراگر نیمه فعال را بر مبنای استفاده از آلیاژهای حافظه دار شکلی مطرح کردند و این میراگر نیمه فعال را در نرم افزار به منظور کنترل پاسخ یک سیستم یک درجه آزادی شبیه سازی نمودند. نتایج بررسی ها نشان داد وسیله پیشنهادی آنها قادر است استهلاک انرژی مناسبی داشته باشد و در حفاظت از سازه در حیطه رفتار غیرخطی مناسب عمل می کند .
سوروا گور و همکاران - 2015 - در تحقیقی به بررسی پاسخ لرزه ای تصادفی ساختمان های مجهز به میراگر سوپر الاستیک پرداختند. میراگر سوپر الاستیک پیشنهادی آنها در حقیقت شکل تکامل یافته ای از میراگر های تسلیمی هیسترتیک بود که در آن بجای فلز از آلیاژهای حافظه دار شکلی بدلیل ویژگی نیرو-تغییرمکان سوپر الاستیک این مصالح استفاده شده بود. همچنین آنها پارامترهای بهینه را برای طراحی مناسب این نوع از میراگر ها محاسبه نمودند. نتایج، عملکرد مناسب میراگر پیشنهادی آنها را در مقایسه با میراگرهای تسلیمی عادی نشان می داد
از انجائیکه استفاده از سیستم قاب با مهاربندهای مرسوم و متداول به دلیل محدودیت هایی نظیر شکل پذیری پایین، کمانش مهاربند در فشار و کاهش ظرفیت باربری جوابگوی نیاز سازه نیست. لذا استفاده از مصالح و روش های نوین از جمله بکارگیری آلیاژهای حافظه دار شکلی در مهاربند ها می تواند راه گشا باشد. لذا در این تحقیق به بررسی تأثیر میراگرهای آلیاژ های حافظه ای هوشمند در استهلاک انرژی و کاهش دامنه ارتعاش قاب فولادی چند طبقه پرداخته می شود. همچنین میزان کارایی آنها با افزایش ارتفاع بررسی می شود.
.2 هندسه مدل ها، فرضیات تحلیل وطراحی و اعتبارسنجی
در این پژوهش از سه قاب با ارتفاع متغیر 2، 3 و 9 طبقه، جهت ارزیابی عملکرد سازه مهاربندی مجهز به آلیاژ حافظه دار شکلی استفاده شده است. مدل اولیه انتخاب شده در این پژوهش، مدل آزمایشگاهی هان و همکاران بوده است که در ادامه به آن پرداخته می شود.
قاب مورد مطالعه یک ساختمان سه بعدی دو طبقه با ارتفاع دو متر، طول یک متر وعرض 0,25متر می باشد که در دو حالت قاب خمشی با شکل پذیری متوسط و قاب خمشی با مهاربند مجهز به آلیاژ حافظه دار شکلی بررسی می شود. شکل 1 پرسپکتیوی از قاب مجهز به آلیاژ حافظه دار شکلی را نشان می دهد. بلوک های نشان داده شده در شکل، نماینده چهار جرم متمرکز به وزن هرکدام 20 کیلوگرم می باشد. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است 8 میراگر SMA - در داخل 8 عضو مهاربندی - تعبیه شده اند.
