بخشی از مقاله
چکیده
عدم کاربری سازهها پس از وقوع زلزله به علت تغییرمکان پسماند میباشد. جهت جلوگیری از تخریب سازهها به علت عدم سرویسدهی پس از زلزله نیاز به مصالحی با خاصیت ابرکشسانی و توانایی بازیابی تغییرشکل اولیه پس از باربرداری میباشد. با توجه به اهمیت این موضوع استفاده از رفتار هوشمند فلزها و آلیاژهای جدید، بخش قابل توجهی از تحقیقات امروز را به خود اختصاص داده است. از جمله این مصالح هوشمند میتوان به آلیاژهای حافظهدار شکلی - - SMA اشاره نمود. از مهمترین ویژگیهای آلیاژهای حافظهدار شکلی قابلیت حفظ شکل اولیه و فوقارتجاعی بودنشان میباشد با این ویژگیها، استفاده از این آلیاژها در سازه میتواند رفتار لرزه-ای آن را بهبود ببخشد اما با دلیل به بالا بودن هزینه و همچنین اجرای پیچیدهی این نوع آلیاژها استفاده از آنها مقرون به صرفه نمیباشد لذا لازم است با یک طرح بهینه، استفاده مطلوبی از آنها صورت پذیرد.
بررسی رفتار سازههای بتنی مسلح شده با آلیاژهای حافظهدار شکلی نشان داده است، سازههایی که در 30% نخست ارتفاع سازه از آلیاژهای حافظهدار شکلی استفاده کردهاند بسیار مشابه سازههایی است که در تمامی طبقات از این آلیاژها استفاده کردهاند در صورتی که از نظر عملکردی رفتار بهتری از خود نشان میدهند لذا هزینه استفاده آرماتورها هوشمند در سازه به یک سوم کاهش میابد و توصیه میشود آلیاژهای حافظهدار شکلی تنها در 30% ابتدایی ارتفاع سازه مورد استفاده قرار گیرد.
کلمات کلیدی: آلیاژ های حافظه دار شکلی، سازه های بتنی، قاب خمشی بتنی، تحلیل دینامیکی افزایشی - - IDA، طرح بهینه
-1 مقدمه
طبق تعریف سیستم های هوشمند، سیستم هایی هستند که به طور خودکار قابلیت انطباق رفتار سازه در پاسخ به بارگذاری غیر مترقبه نظیر زلزله، انفجار و ... را دارا می باشند، تا بدین وسیله ایمنی، افزایش عمر و کارایی سازه را تأمین نمایند.[1] آلیاژهای حافظه دار شکلی1 به علت دارا بودن خصوصیاتی همچون توانایی حفظ شکل اولیه، تحمل کرنش ارتجاعی قابل توجه، دوام، مقاومت در برابر خستگی و خوردگی و ... کاربردهای فراوانی را در زمینه های مختلف علوم مهندسی و صنعت پیدا کرده اند. اگرچه از زمان کشف آلیاژهای حافظه دار شکلی بیشتر از 50 سال می گذرد. ولی استفاده از آنها در صنعت ساختمان و مهندسی سازه به ده تا پانزده سال گذشته باز می گردد.[2]
در میان آلیاژهای حافظه دار شکلی، Ni-Ti یا همان نایتینول2 نسبت به بقیه شناخته شده تر می باشد و در کاربردهای مهندسی بیشتری به کار رفته است .[3] در این تحقیق نیز، با توجه به خواص برتر آلیاژ نیکل- تیتانیوم، از این آلیاژ جهت استفاده در سازه بهره گرفته شده است. در سال 2009 نیز علم3 و همکارانش[1] به تحلیل قاب 8 طبقه خمشی که در مفاصل پلاستیک آن ها از آلیاژ های حافظه دار شکلی استفاده شده بود، پرداختند. قاب بتنی 8 طبقه در معرض 10 شتاب نگاشت قرار گرفت و بیشترین تغییر مکان جانبی نسبی، تغییر مکان ها جانبی بام و تغییر مکان جانبی پسماند بام ارایه گردید.
که مقایسه نتایج به دست آمده با سازه 8 طبقه مشابه بدون آلیاژ های حافظه دار شکلی، حاکی از افزایش توانایی بازیابی شکل اولیه در سازه و کاهش تغییر مکان جانبی نسبی پسماند تا حدود 13 برابر می باشد. در سال 2012 نیز علم و همکارانش[4] به بررسی قاب های سه، شش و هشت طبقه با سه نوع متفاوت آرایشی میلگرد های طولی تیرها پرداختند. در آرایش نوع یک سازه تنها با میلگردهای فولادی مسلح شده بود در نوع دو تمامی تیرها با میلگردهای از جنس آلیاژ های حافظه دار شکلی مسلح شده بودند و در نوع سه تمامی تیرها در نقاط بحرانی به آلیاژهای حافظه دار شکلی و در باقی نقاط به فولادهای مرسوم مسلح شده بوند.
برای تمامی مدل ها، میلگرد ستون ها از نوع فولاد های مرسوم در نظر گرفته شده بود. در این تحقیق نشان داده شد که نیاز لرزه ای قاب ها با کاهش 20-15 درصدی در سازه های دارای آلیاژهای حافظه دار شکلی در مقایسه با قاب معمولی، همراه است. در تحقیق حاضر، به بررسی تاثیر جانمایی آرماتور های آلیاژ حافظه دار شکلی در قاب های 5 و 7 طبقه پرداخته می شود. با استفاده از مدلسازی اجزا محدود در نرم افزار [5] Seismostruct، ده شتاب نگاشت تحت تحلیل دینامیکی غیر خطی فزاینده قرار میگیرند. در مجموع 100 تحلیل تحلیل دینامیکی غیر خطی فزاینده به منظور بررسی پارامتر های تغییر مکان نسبی جانبی طبقات و منحنی شکست مورد بررسی قرار گرفته است.
-2 آلیاژ های حافظه دار شکلی
آلیاژهای حافظه دار شکلی نوعی آلیاژ با رفتار ویژه می باشند که قابلیت بازیابی شکل اولیه خود را پس از تغییر شکل در اثر دما و تنش دارا می باشند. در سال 1932، الندر4 دانشمند سوئدی برای نخستین بار رفتار فوق ارتجاعی5 را در Au-Cd - طلا-کادمیوم - کشف کرد.[3] در سال 1951، چنگ و رید 6 در همین آلیاژ تبدیل فاز برگشت پذیر را کشف کردند که اولین تبدیل فاز ثبت شده نیز می باشد. در سال 1963، بویلر7 و همکاران در آزمایشگاه تسلیحات نیروی دریایی امریکا اثر حافظه شکلی8 را در آلیاژ نیکل - تیتانیوم کشف کرده و این آلیاژ را نایتینول نامیدند.[6] تاکنون در حدود سی نوع آلیاژ حافظه دار شکلی گزارش شده است.[7] دلیل بروز ویژگی های رفتاری منحصر به فرد آلیاژ های حافظه دار شکلی را باید در چند فازی یا چند ساختاری بودنشان جستجو کرد.
به بیانی دیگر، چینش اتم های آلیاژ های حافظه دار شکلی در داخل شبکه کریستالی آن ها باعث به وجود آمدن دو حالت رفتاری ماتینزیت9 و آستینیت10 می گردد. حالت آستینیتی در دما های بالا و تنش پایین پایدار می باشد و مسئول رفتار فوق ارتجاعی می باشد. حالت مارتینزیت در دماهای پایین پایدار بوده و مسئول ایجاد رفتارحافظه دار شکلی می باشد. اشکال مختلف فاز مارتینزیت نیز می توانند در دماهای پایین به یکدیگر تبدیل شوند و پروسه جهت گیری مجدد یا جفت شدگی و نشدگی را شکل دهند. در شکل 2 و 3 منحنی تنش- کرنش برای رفتار فوق ارتجاعی و خاصیت حافظه دار شکلی نشان داده شده است.Ms و Mf به ترتیب دمای شروع و پایان تبدیل فاز استنیت به مارتنزیت و As و Af به ترتیب دمای شروع و پایان فاز مارتنزیت به استنیت را مشخص می کنند.
