بخشی از مقاله
چکیده
سیستمهای هوشمند در سازههای مهندسی، سیستمهایی هستند که بهطور خودکار قابلیت انطباق رفتار سازه، در پاسخ به بارگذاری غیرمترقبه را دارا میباشند، تا بدینوسیله ایمنی، افزایش عمر و کارایی سازه تامین گردد. یکی از تکنولوژیهای جدیدی که امکان دستیابی به این اهداف را میسر میسازد، ساخت و توسعه مواد هوشمند است. آلیاژهای حافظهدار شکلی1 بهعنوان یکی از مواد هوشمند به علت دارا بودن خصوصیاتی همچون ظرفیت میرایی بالا، دوام، مقاومت در برابر خستگی و خوردگی و ... کاربردهای مختلفی در زمینههای مختلف علوم و صنعت پیدا کردهاند. اگرچه از زمان کشف این آلیاژها چندین دهه میگذرد ولی استفاده از آنها در صنعت ساختمان و مهندسی سازه به یک دهه گذشته باز میگردد.
این مواد در مهندسی سازه در سیستمهای کنترل فعال، نیمه فعال و غیر فعال بهکار برده میشوند و بدینوسیله موجب کاهش خرابی سازهها در بارهای لرزهای و افزایش ایمنی آنها میگردد. بهمنظور بررسی اثر آلیاژهای حافظهدار، در این پژوهش یک ساختمان بتنی شش طبقهای با تعداد دهانههای مساوی و با ارتفاع طبقات 3 متر در نظر گرفته شده است که یک بار با میلگرد معمولی و بار دیگر با میلگرد از جنس آلیاژ حافظهدار شکلی مدلسازی شده است. در تیرهای این قاب تنها از میلگردهایی از جنس فولاد استفاده شده و فقط 15 درصد پایین ستونها با میلگرد از جنس آلیاژ حافظهدار شکلی مسلح شده است. عملکرد لرزهای این قاب با اعمال شتابنگاشت مربوط به زلزله مصنوعی با دوره بازگشت 2000 ساله مورد بررسی و شاخصهای ارزیابی سازه مورد مقایسه قرار گرفته است. نتایج بدست آمده نشان میدهد که قاب بتنی مسلح شده با آلیاژهای حافظه دار شکلی قابلیت 88 درصدی بازگشت به شکل اولیه خود پس از تغییرشکل پلاستیک را دارد.
کلمات کلیدی: سیستمهای هوشمند، آلیاژ حافظه دار شکلی، ساختمان بتنی، شاخصهای ارزیابی
-1 مقدمه
زلزله از جمله مخربترین نیروهای طبیعی است که همه ساله جان میلیونها نفر از مردم جهان را تهدید میکند. کشور عزیزمان ایران نیز با توجه به اینکه بر روی کمربند زلزله آلپ هیمالیا قرار دارد، طی سالیان گذشته همواره در معرض زلزلههای ویرانکننده قرار داشته است. همچنین در هنگام بروز زلزله، سازههای سنگین خصوصا سازههای بتنی بهدلیل داشتن جرم زیاد تحت اثر نیروی قابل توجهی قرار میگیرند، در نتیجه توجه به راههایی که بتوان بهکمک آنها انرژی تحمیل شده به سازهها را در هنگام زلزله بدون از بین بردن پایداری سازه تلف کرد حائز اهمیت میباشد. با توجه به اهمیت این موضوع استفاده از رفتار هوشمند فلزها و آلیاژهای جدید، بخش قابل توجهی از تحقیقات امروز در زمینه مهندسی سازه و زلزله را بهخود اختصاص داده است.
آلیاژهای حافظهدار شکلی یکی از مهمترین مصالح هوشمندی است که در سالهای اخیر مورد توجه محققین قرار گرفته است. این آلیاژها میتوانند تا کرنشهای حداکثر ده درصد را بدون برجا گذاشتن کرنش پسماند - رفتار سوپرالاستیک - و همزمان با رفتار هیستریتیک تحمل کنند. قابلیت استهلاک مناسب انرژی، مقاومت بالا در برابر خستگی و خوردگی، عمر مفید بالا، سختشدگی نهایی در تغییرشکلهای بالا، عدم نیاز به نگهداری و امکان حذف کرنشهای پسماند بهکمک اعمال دما - رفتار حافظهدار شکلی - ، ایجاد تنش با اعمال دما - رفتار احیاء مقید - و امکان ساخت مواد با خصوصیات مورد تقاضا همگی از ویژگیهای منحصر بهفرد این آلیاژ میباشد. بهدلیل این خصوصیات، این مواد در حال کمک به حل طیف گستردهای از مشکلات و کاستیها میباشد که میتوان به کاربرد آن در پزشکی [1]، صنعت هوافضا [2] ، صنعت [3]، وسایل تجاری [4] و عمران [5-8] اشاره کرد.
همچنین قابلیتهای این ماده آن را به یک ماده مطلوب برای کاربرد در سازهها بهمنظور کاهش صدمات زلزله بر روی آنها تبدیل کرده است. قابلیت استهلاک انرژی آلیاژهای حافظهدار شکلی، تقاضا را بر روی اعضای اصلی سازه کاهش میدهد و قابلیت بازگردانندگی موجب میشود که سازه تحت بار زلزله دچار تغییرشکلهای ماندگار نشود. در این پژوهش، تأثیر استفاده از آلیاژهای حافظهدار به عنوان میلگرد در سازههای بتن مسلح مورد بررسی قرار میگیرد. برای این منظور دو قاب بتنی مشابه را که اولی با آرماتورهای معمولی و دیگری با آرماتورهای معمولی همراه با میلگردهایی از جنس آلیاژ حافظهدار شکلی مسلح گردیده است را طراحی و تحلیل مینماییم. هر دو قاب در نواحی با لرزهخیزی بالا ایران در نظر گرفته میشود و طراحی و جزئیات قابها براساس استانداردهای طراحی لرزهای بوده و در انتها رفتار هر دو قاب تحت تأثیر تحریک لرزهای مقیاس شده و مورد بررسی و مقایسه قرار میگیرد.
-2 معرفی آلیاژهای حافظهدار شکلی
اگرچه مواد مختلفی از خود رفتار حافظه شکلی نشان میدهند، اما تنها چند گروه از این آلیاژها در مقیاس تجاری برای کاربردهای مهندسی ساخته میشوند. تعدادی از این آلیاژها همراه با خواص مکانیکیشان در جدول 1 ارائه شده است .[9]آلیاژهای نایتینول براساس ترکیب اتمی نسبتاًمساوی فلزات نیکل و تیتانیوم ساخته میشوند. علاوه بر دارا بودنخاصیت فراکشسان و حافظه شکلی بالا، از پایداری مناسبی در بارگذاریهای چرخهای برخوردار بوده و مقاومت الکتریکی و مقاومت در برابر خوردگیبالایی دارند. برای بهینه کردن مصرف تجاری و همچنین برای بهبود خصوصیات رفتاری، غالباً یک فلز دیگر به این دو عنصر اضافه میشود.
اضافه کردن عنصر نیکل در ترکیب بهمیزان 1% بهطور معمول انجام میپذیرد که موجب بالا رفتن مقاومت ماده میشود. تولید آلیاژ نایتینول یک فرایند سخت و مشکل بوده و برای اینمنظور به ماشینآلات پیشرفته و گرانقیمت نیاز است. این امر دلیل اصلی گرانی این مواد در کاربردهای مهندسی است اما امروزه با ایجاد روشهای تولید جدید قیمت این آلیاژها کاهش یافته ولی هنوز در زمره آلیاژهای گرانقیمت دستهبندی میشوند. با وجود این ضعف، نایتینول بهدلیل دارا بودن رفتارهای مناسب امروزه بهعنوان پرکاربردترین ماده حافظهدار شکلی شناخته شده است. در شکل 1 نمودار تنش-کرنش آلیاژ نایتینول بهصورت سهبعدی در راستای بعدحرارتی به تصویر کشیده شده است و مشخصات مکانیکی آن در جدول 2 و مقایسه آن با فولاد ساختمانی در جدول 3 ارائه شده است .[10]
