بخشی از مقاله
خلاصه
افزودن خاصیت برگشت پذیری به حالت اولیه و بازیابی تغییر شکلهای پلاستیک در کلیه سازه ها از جمله دیوار برشی فولادی در دهه های اخیر مورد بحث و بررسی قرار گرفته است. دیوار برشی فولادی یکی از سیستم های با خاصیت شکل پذیری و جذب انرژی بالا در مقابل بارهای جانبی، بخصوص بارگذاری زلزله است. در این سیستم ورق نازک جان با کمانش برشی و ایجاد میادین کشش قطری، عامل اصلی مقاومت در برابر بارهای جانبی است. از مشکلات اصلی این سیستم ایجاد تغییر شکلهای غیر خطی در ورق پر کننده جان، اعضای افقی و قائم متصل به ورق جان است. حال با استفاده از اتصالات آلیاژ حافظه دار شکلی - Shape Memory Alloy - می توان قابلیت تحمل تغییر شکلهای زیاد و در عین حال بازگشت پذیری به حالت اولیه تغییر شکلی را به سازه اضافه کرد. در این تحقیق به کمک نرم افزار OPENSEES و تحلیل غیر خطی چرخه ای، ایده استفاده از آلیاژ هوشمند در اتصالات دیوار برشی فولادی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج بدست آمده ادغام خاصیت جذب انرژی بالای دیوار برشی فولادی و خاصیت برگشت پذیری اتصال حافظه دار را نشان می دهد، که به معنای بازیابی شرایط اولیه وکاهش تغییرشکلهای پسماند است.
کلمات کلیدی: دیوار برشی فولادی، آلیاژ حافظه دار شکلی، اتصال نیمه صلب فلزی ، بازیابی تغییر شکلهای پسماند
.1 مقدمه
از جمله سیستم های باربر جانبی که امروزه در مهندسی عمران مطرح گردیده است سیستم دیوار برشی فولادی می باشد. در تحقیقات و آزمایشات مختلف این سیستم جذب انرژی و شکل پذیری بالا در بارهای جانبی بویژه بارهای لرزه ای را از خود نشان داده است و امروزه به عنوان سیستمی مناسب و کارآمد مطرح می باشد و ضوابط طرح این سیستم هم چندین سال است که وارد آیین نامه های مختلف شده است.
یکی از مشکلات عمده در سازه های مختلف و دیوار برشی فولادی بعد از بارگذاری لرزه ای ، ترمیم و یا حتی بازسازی مجدد است که هزینه و زمان زیادی را می طلبد. حال اگر بتوان به نحوی تغییر شکلها و کرنش ها پسماند سازه بعد از بارگذاری را به حالت قبل از بارگذاری برگرداند و نیاز به بازسازی و تعمیر را حذف یا خیلی جزئی کرد، بسیار مناسب و ایده آل خواهد بود. در دهه اخیر تحقیقات زیادی بر روی کاهش تغییر شکلهای پسماند در دیوار برشی های فولادی انجام شده است. مطابق این تحقیقات اصطلاح دیوار برشی فولادی خود مرکز گرا - 4 - SC-SPSW ارائه گردید، که به دیوار برشی های فولادی اطلاق می شود که از یک سیستم یا روش برای کم کردن تغییر شکلهای پسماند بهره می برند. برای اولین بار ایده خود برگشت پذیر کردن 5دیوار برشی فولادی توسط برمن و همکارانش - - Berman et al. 2010 مطرح گردید1]و.[2
آنها برای افزودن خاصیت خودبرگشت پذیری به دیوار برشی فولادی از اتصال با کابلهای پیش تنیده استفاده کردند. سیستم ابداعی آنها دارای خاصیت جذب انرژی بالا - ناشی از ذات دیوار برشی فولادی - و خاصیت برگشت پذیری به حالت اولیه - ناشی از نیروی پیش تنیدگی - بود. شکل 1 سیستم شماتیک دیوار برشی با اتصالات پیش تنیده را نشان می دهد.اتصال با کابلهای پیش تنیده 1آغاز مطالعات در مورد اتصالات با خاصیت برگشت پذیری به حالت اولیه بود. در سالهای بعد و با توجه به استفاده از مصالح آلیاژ حافظه دار شکلی - SMA - 2 در فرمهای کابل و دمپر در مهندسی عمران، برخی از محققین به فکر استفاده از خواص ذاتی مصالح آلیاژ حافظه دار در اتصالات افتادند. علت علاقه مندی به استفاده از این مصالح هم ایجاد حلقه های هیسترزیس پایدار پرچمی شکل بود که رفتار برگشت پذیری ذاتی این مصالح را نشان می داد.[4]
لیون و همکارانش - Leon et al. 2001 - برای اولین با از مصالح آلیاژ حافظه دار در اتصال تیر به ستون استفاده کردند و نتایج جذب انرژی خوب و برگشت پذیری عالی در این اتصالات را تایید کردند.[5] در سالهای بعدی اتصالات تیر به ستون با پیچهای آلیاژ حافظه دار مورد بررسی قرار گرفتند. در سال 2011 اسپیچر و همکارانش - . - Speicher et alیک اتصال نیمه صلب را مورد بررسی های تحلیلی و تست های آزمایشگاهی قرار دادند.[6] نتایج تحلیلی و تستهای آزمایشگاهی جذب انرژی خوب و خاصیت برگشت پذیری به شرایط اولیه را در این اتصال ثابت کردند6]و.[7 نمای شماتیک وجزییات اتصال اسپیچر در ادامه ارائه خواهد شد.با توجه به توضیحات ارائه شده، در این مقاله ایده اولیه استفاده همزمان از سیستم های دیوار برشی فولادی با اتصالات مصالح آلیاژ حافظه دار شکلی مورد بررسی قرار خواهد گرفت. مشابه دیوار برشی فولادی با اتصالات با کابلهای پیش تنیده انتظار می رود این سیستم جدید نیز علاوه بر جذب انرژی بالا خاصیت بازگشت پذیری به موقعیت اولیه را داشته باشد.
.2 اتصال با آلیاژ حافظه دار شکلی
در دهه های گذشته در شاخه های مختلف علوم مهندسی استفاده از سیستم ها و مصالح هوشمند مطرح شده است. از جمله مصالح هوشمند در علوم مهندسی آلیاژ های حافظه دار شکلی - SMA - می باشند. همانگونه که از نام این آلیاژ ها معلوم است ، این آلیاژ ها به نوعی شکل اولیه خود را حفظ می کنند. به این صورت که اگر این آلیاژ ها تحت بارگذاری های مختلف قرار بگیرند، بعد از حذف بارگذاری این مواد قادر خواهند بود،کرنش ها تغییر شکلهای پسماند موجود در خود را رفع کنند و به حالت اولیه باز گردند. البته در مورد آلیاژهای حافظه دار شکلی بسته به نوع ساختار چینش ملکولی پروسه بازگشت به حالت اولیه متفاوت است. در آلیاژهای حافظه دار شکلی دو فاز ملکولی اصلی وجود دارد، فاز مارتنزیت 3و فاز آستنیت.
4 اگر آلیاژ ما در فاز مارتنزیت باشد بعد از باربرداری با حرارت دادن به آلیاژ در محدوده خاص دمایی ، ماده کرنش های پسماند را رفع می کند و حالت اولیه خود را بازیابی می کند که به این پدیده اثر حافظه داری - SME - 5 میگویند. حال اگر آلیاژ ما در فاز آستنیت باشد بعد از باربرداری ماده به صورت خودکارکرنش های پسماند را رفع می کند و حالت اولیه خود را بازیابی می کند، که به این پدیده اثر فوق الاستیک - SE - 1 می گویند. به طور کلی فاز آستنیتی آلیاژهای حاقظه دار در دماهای بالا و سطح تنش پایین در حالت پایدار قرار دارد و فاز مارتنزیتی این مواد در دماهای پایین و سطح تنش بالا پایدار خواهد بود.
با این توضیح هر آلیاژ حافظه داری در فاز آستنیت خواهد بود اگر در دمای بالاتری نسبت به دمای نهایی فاز آستنیت - - Af قرار داشته باشد و همین آلیاژ در فاز مارتنزیت خواهد بود اگر در دمای پایین تری نسبت به دمای نهایی فاز مارتنزیت قرار گیرد. حال اگر این مواد در شرایط معمولی و دماهای پایین که در فاز آستنیت قرار دارند تحت نیروی کششی قرار بگیرند، تحت تنش کششی مشخص و یک محدوده دمایی ثابت این مواد به صورت ذاتی شروع به تغییر فاز داده و از فاز آستنیت به فاز مارتنزیت میروند. از ابتدای شروع فرآیند تغییر فاز آستنیت به مارتنزیت تا انتهای این پروسه، تنش در مواد آلیاژی - به عنوان مثال یک میله آلیاژی - ثابت مانده و کرنش رفته رفته زیاد می گردد. پس از باربرداری و با توجه به ناپایداری فاز مارتنزیتی در دماهای بالای فاز آستنیتی، پروسه تغییر فاز برعکس آنچه شرح داده شد اتفاق می افتد.
در انتها اگر دمای ذاتی آستینیتی مواد آلیاژی به نوعی باشد که دمای محیط از این دما بالاتر باشد، این مواد به صورت کامل به فاز پایدار آستنیتی انتقال می یابند و بدون نیاز به هرگونه عملیات گرمایی، تغییر شکلهای پسماند بسیار ناچیز در حد صفر برجای می ماند، که این پدیده همان خاصیت فوق الاستیک آلیاژ حافظه داراست که در بالا شرح داده شد. شکل 2 مدل تنش-کرنش این مواد در فاز آستنیت و مارتنزیت را نشان می دهد4]و.[8نمای شماتیک اتصال مورد استفاده در این مقاله مطابق شکل 3 می باشد. همانگونه که مشاهده می گردد، این اتصال دارای جزییات خاصی می باشد. در این اتصال از یک ورق جان برای انتقال نیروی برشی و از دو جفت میله آلیاژ حافظه دار در بالا و پایین تیر برای انتقال لنگر استفاده گردیده است.
از مهمترین مشخصات این اتصال استفاده شده نیمه صلب بودن این اتصال است که این خاصیت نیمه صلب بودن در اتصال با اعضای پیش تنیده نیز مشاهده می گردد. لذا از منظر دسته بندی اتصالی هر دو اتصال پیش تنیده و حافظه دار از نوع اتصالات نیمه صلب می باشند2]و.[6علت شکل خاص این اتصال عملکرد مناسب و کارکرد مطلوب آلیاژ حافظه دار است. طبق آزمایشات انجام شده و نتایج بدست آمده بهترین کارکرد آلیاژ حافظه دار در فرم های کابل ومیله می باشد. در این فرمها آلیاژ شکل پذیری بالا و رفتار برگشت پذیری خوبی از خود نشان می دهد.[4] از این رو در مهندسی عمران نیز استفاده از فرمهای کابلی و میله ای این آلیاژ ها ارجحیت دارد. البته لازم به ذکر است دمپرهای آلیاژ حافظه دار و جداسازی لرزه ای با آلیاژ حافظه دار - که فرمهایی به غیر از کابل و میله هستند- مباحث پرکاربرد و متداولی از مصالح هوشمند هستندکه به موضوع این تحقیق ارتباطی ندارند.
