بخشی از مقاله
چکیده
روش استاتیکی معادل یکی از پرکاربردترین روش طراحی لرزه ای دربین مهندسان سازه است که مهمترین پارامتر درآن ضریب رفتار - - R می باشد، از طرفی امروزه استفاده از آلیاژ هوشمند SMA ، در سازه ها مورد توجه زیادی قرار گرفته است بنابراین تعیین ضریب رفتار قاب های خمشی هوشمند با آلیاژ هوشمند SMA کار ضروری بنظر می رسد. بدین منظور پنج قاب خمشی فولادی 4، 6، 8، 10 و12 طبقه با سطح شکل پذیری ویژه و با سه دهانه 5 متری بر اساس آئین نامه AISC360-05/IBC2006 وبا نرم افزار SAP2000 تحلیل و طراحی گردید.
روش شکل پذیری یوانگ برای تعیین ضریب رفتار استفاده شد. بدین ترتیب که پس از تحلیل استاتیکی غیر خطی مدل ها در نرم افزار Opensees نمودار ظرفیت هرکدام ترسیم گردید و پس از دو خطی کردن آن، پارامترهای تعیین ضریب رفتار استخراج شد. ابتدا ضریب رفتار قاب ها بدون آلیاژهوشمند تعیین شده و سپس ضریب رفتار مدلهایی با اتصالاتی از جنس آلیاژ هوشمند تعیین گردید.
مشاهده شد که استفاده از آلیاژ هوشمند در قاب ها باعث افزایش استهلاک انرژی و افزایش شکل پذیری و کاهش سختی مدل ها میشود. همچنین حضور آلیاژ هوشمند در قاب های خمشی فولادی تاثیر قابل توجهی بر افزایش ضریب رفتار قاب ها دارد. مقدار ضریب رفتار برای تمامی مدل ها تعیین شده و در پایان مقدار متوسط ضریب رفتار برای قاب خمشی هوشمند فولادی با سطح شکل پذیری ویژه که اتصالات آن از جنس SMA است برای طراحی به روش ASD برابر 11,405 و برای طراحی به روشLRFD برابر با 7,32 تعیین گردید. این در حالی است که ضریب رفتار قابهای متناظر با اتصالات فولادی برابر با 10,45 برای طراحی به روش ASD و 6,65 برای طراحی به روش LRFD به دست آمد.
.1 مقدمه
امروزه با رشد و توسعه علوم و همچنین پیدایش مصالح نوین و نیاز دولتها و مردم، سازه ها بسیار حجیم تر شده اند. این امر باعث می شود نیروی زلزله بزرگتر و مخربتر شوند وسازه ها آسیب پذیرتر شوند، برای همین ایجاد سیستم های مقاوم در مقابل زلزله کار ضروریست.
درمیان کارهایی که انجام گرفته سیستم های میراگربعنوان بهینه ترین و مطمئن ترین شیوه برای مستهلک کردن نیروی زلزله، هستند. مطالعات نشان می دهند که سیستم های سازه ای هوشمند، کاستی های دیگر سیستم هارا برطرف می کند و این سیستم می تواند بعنوان یکی از بهترین و بی نقص ترین سیستم ها در مقابله با نیروهای زلزله باشد.
آلیاژهای حافظه دار شکلی - SMA - که به عنوان موادی هوشمند شناخته شده اند از نوع مواد چندریختی هستند. عدم نیاز به تعویض پس از زلزله ، مقاومت بالا در برابر خوردگی وخستگی، قابلیت بازگشت به حالت اولیه بوسیله اعمال دما، قابلیت استهلاک انرژی زیاد و تحمل کرنش تا حدود ده درصد بدون باقی گذاشتن کرنش پسماند از ویژگی های این مواد است.[1 ] بررسی مقالات نشان می دهد که حجم قابل توجهی ازتحقیقات دانشمندان ودانشجویان سازه به موضوع استفاده از آلیاژهای حافظه ی شکلی در سازه ها اختصاص داده شده است.
.2 مروری بر ادبیات تحقیق
.1-2 مرور پیشینه کاربرد آلیاژ هوشمند
در سال 1932،چنج و رد، اولین اثر حافظه دار شکلی را در Aucd مشاهده کردند. بعد از سال 1962، بوهلر وهمکارانش، در آزمایشگاه مهمات نیروی دریایی آمریکا، اثر حافظه شکلی را در آلیاژ نیکلB تیتانیوم - Niti - کشف کردند، که آنها نام ماده را به دلیل محل کارشان نایتینول - Nitinol - گذاشتند.[2] اولین کار در زمینه کاربرد این مواد در مهندسی سازه و زلزله را گراسر و کوزارلی در سال 1991 انجام دادند. آن ها امکان استفاده از ماده نایتینول را بعنوان میراگر زلزله بررسی کردند
کلارک و همکاران، مطالعه ای را روی یک قاب فولادی شش طبقه دو دهانه که ابزارهای اتلاف انرژی سیمی نایتینول به آن نصب شده بود، انجام دادند.
شرابش و همکاران، یک سیستم جدید را به عنوان میراگر برای نصب در پل های کابلی را با استفاده از SMA ها ارایه کردند
لی و همکاران، یک تیر بتن مسلح ساده که بطور موقت توسط سیم های SMA تقویت شده بود را مورد مطالعه آزمایشگاهی قرار دادند.
سبزواری و زرفام در سال 2015 به تعیین ضریب رفتار قاب های بتنی هوشمند شده با آلیاژ حافظه دار شکلی پرداختند.
.1-2 مرور پیشینه ضریب رفتار
در سال 1997، برکات و همکاران ضریب رفتار قاب های بتن مسلح با دیوار برشی را مورد مطالعه قرار دادند .[8] درسال 1999، کاپوس به ارزیابی ضریب رفتار سازه ها بر اساس شکل پذیری و اضافه مقاومت سازه پرداخت .[9] درسال 2008، مدح خوان و طیبی طلوع به بررسی ضریب رفتار قاب های پیش ساخته بتنی همراه با بادبندی فلزی پرداختند.[10] در سال2009، هاشمی و همکاران ضریب رفتار سازه های ساخته شده با پانل های بزرگ پیش ساخته بتنی را مورد بررسی قرار دادند.
.3 آلیاژ حافظه دار شکلی
فلز های هوشمند - smart metals - ، آلیاژهای حافظه دار - memory alloys - یا مفتول های عضلانی - muscle wires - معروف به SMA، آلیاژهایی هستند که شکل اولیه خود را به خاطر می سپارند و قادرند که بعد از تغییر شکل، به وسیله حرارت دادن یا برداشت تنش به شکل اولیه خود بازگردند.[12] دو خصوصیت عمده ومنحصربفرد SMA ها اثر حافظه شکل و رفتار کرنش فوق الاستیک است. اثر حافظه شکل به پدیده ای اطلاق می شود که در آن نمونه های تغییر شکل یافته این آلیاژها، در اثر اعمال یک سیکل حرارتی به شکل اولیه خود برمی گردند.
رفتار فوق الاستیک به پدیده ای اطلاق می شود که در آن، SMA ها می توانند مقدار زیادی از تغییر شکل های غیرلاستیک را متحمل شوند وپس از حذف بار، شکل های اولیه خود را بازیابی کنند. این خصوصیات یکتا نتیجه تغییر شکل های فازی برگشت پذیر SMA ها می باشد. در SMA ها دو فاز وجود دارد: فاز آستنیت که حالت اصلی است و قوی تر بوده و در دمای بالا وتنش پایین پایدار است و فاز مارتنزیت که حالت محصول است و ضعیف تر بوده و در دمای پایین و تنش بالا پایدار است.
در حالت بدون تنش مواد حافظه دار دارای چهار دمای شاخص می باشند:As، Af، Ms، Mf، که بترتیب دمای آغاز آستنیت، دمای پایان آستنیت، دمای آغاز مارتنزیت و دمای پایان مارتنزیت هستند. بنابراین برای بیان رفتار مکانیکی آلیاژهای هوشمند SMA باید از یک نمودار سه محوره تنش، کرنش و دما استفاده کرد. در شکل - 1 - نمودار رفتار مکانیکی آلیاژهای هوشمند نشان داده شده است. و سه رفتار فوق الاستیک، نیمه فوق الاستیک و اثر حافظه شکلی و ارتباط آنها با دماهای مرزی تبدیل فاز آستنیت و مارتنزیت مشخص شده است .[13]
شکل : - 1 - رفتار مکانیکی آلیاژ هوشمند SMA
.4 پارامترهای تعیین ضریب رفتار
به طورکلی ضریب رفتار سازه ها، R، بیانگر ماکزیمم نیروی جانبی سازه در حالت الاستیک، Vc، به نیروی طراحی، Vw، می باشد. همچنین ضریب رقتار سازه ضریبی است که بیانگر شکل پذیری و مقاومت سازه در حالت غیر خطی می باشد.
محققان مختلفی در خصوص تعیین ضریب رفتار فعالیت کرده اند. در بین آنها یوانگ به تعریف ضریب کاهش نیرو ی زلزله در اثر شکل پذیری Rʽ و ضریب اضافه مقاومت 0 و ضریب تنش مجازY، اقدام نموده است.
رابطه فوق مربوط به آئین نامه هائیست که از روش تنش مجاز همچون AISC برای طراحی استفاده می کنند و در روش های طراحی مقاومت نهایی ضریب تنش مجاز، Y، از رابطه فوق حذف می گردد
در این روش برای معرفی مفهوم ضریب رفتار و محاسبه پارامترهای موثر برآن، رابطه نیرو تغیر مکان - منحنی ظرفیت سازه - برای یک قاب مورد بررسی قرار می گیرد. چنین رابطه ای را می توان با استفاده از یک تحلیل استاتیکی غیر خطی - - pushover بدست آورد و سپس آن را به صورت نمودار دو خطی ایده آل نمود و نمودار الاستوپلاست ایده آل سازه را نشان داد و مولفه های ضریب رفتار را مشخص کرد.
