مقاله کاربرد آلیازهای حافظه دار در سازه ها

بخشی از مقاله

چکیده

آلیاژهای حافظهدار شکلی کاربردهای متنوعی در مهندسی سازه دارند. استفاده از این مصالح به عنوان میراگر در مهاربندها نمونهای از کاربردها می باشد. هر چند تحقیق در مورد از این آلیاژها به عنوان میراگر بیشتر شده است، اما این میراگرها به دلیل داشتن هزینه های ساخت بالا، خیلی جنبه اجرایی به خود نگرفته و بیشتر حالت تحقیقاتی دارند.  در این مقاله سعی شده است تا مهاربندهایی ترکیبی از جنس فولاد و آلیاژهای حافظه دار ارائه گردند. به طوری این مهاربندهای ترکیبی، هم از لحاظ اقتصادی قابل توجیه باشند و هم از لحاظ عملکرد لرزهای، رفتار قابل قبولی را داشته باشند.

-1 مقدمه

آلیاژهای حافظه دار شکلی1 معروف به SMA رفتارهای مکانیکی حرارتی، الکتریکی حرارتی و شیمیایی بخصوصی را تحت شرایط مختلف از خود بروز می دهند. مثالهایی از این نوع مصالح با پایههای مسی، نیکلی، آهنی، سرامیکهای حافظه دار شکلی و پلیمرهای حافظهدار شکلی میباشند. آلیاژهای حافظه دار شکلی با پایه نیکل و تیتانیوم معروف به نایتنول در دهه شصت میلادی ابداع گردیدند و این نوع آلیاژها به طور خاص رفتارهای منحصر به فردی را دارند، مانند خاصیت فوق ارتجاعی یا شبه ارتجاعی که باعث جذابیت کاربرد آنها در کنترل ارتعاشات سازهای شده است.

درصد وزنی نیکل در ترکیب این آلیاژها حدودآ 55 درصد است که باعث میگردد این آلیاژها خواص غیر متعارفی از جمله تغییر شکلهای با کرنش پسماند بین 8 تا 15 درصد، که با اعمال یک سیکل حرارتی به شکل اولیه خود باز میگردند، را از خود بروز بدهند. این آلیاژها در دماهایی که از حد مشخصی بالاتر بروند دارای خاصیت فوق ارتجاعی و یا شبه ارتجاعی می گردند، که این خواص قابلیت آلیاژ را علاوه بر تحمل تغییر شکلهای بزرگ پس از آن که در حالت بارگذاری و باربرداری مکانیکی در دمای ثابت قرار گرفت به حالت و شکل اولیه بازگردد.

آلیاژهای حافظه دار شکلیبه علّت برخوداری از چنین خواص ماکروسکوپی ممتازی که در مصالح سنتی موجود نمی باشد، دارای کاربردهای وسیعی می باشند. از ابزارهای تصحیح قرارگیری نامطلوب دندانها - سیمهای قوسی ارتودنسی - گرفته تا ریز ساختارهای خود انبساط یابنده برای درمان انسداد اعضای توخالی بدن انسان و از ریز محرکها گرفته تا ابزارهای لازم برای محافظت از ساختمانها در برابر زلزله، تمامأً از کاربردهای این مصالح نوین می باشند.[1]

در هنگام بروز زلزله، سازه های سنگین خصوصا سازههای بتنی به دلیل داشتن جرم زیاد تحت اثر نیروی قابل توجهی قرار می گیرند، در نتیجه توجه به راههایی که بتوان به کمک 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 به خود اختصاص داده است.

آلیاژهای حافظهدار شکلی که به عنوان موادی هوشمند شناخته شدهاند، نسبت به سیستمهای متداول مستهلک کننده انرژی دارای مزایا و ویژگیهای منحصر به فردی هستند، از جمله عدم نیاز به تعویض پس از زلزله، مقاومت بالا در برابر خوردگی و خستگی، قابلیت بازگشت به حالت اولیه به وسیله اعمال دما، قابلیت استهلاک انرژی زیاد و تحمل کرنش تا حدود ده درصد بدون باقی گذاشتن کرنش پسماند از ویژگیهای این مواد است.[2]

معروفترین و پرکاربردترین آلیاژ حافظه دار شکلی، نیتینول است که ترکیبی از نیکل و تیتانیوم میباشد . خصوصیت اصلی این مواد، رفتار فوق الاستیک و حافظه شکلی آنها میباشد؛ بدین معنی که قادر به تحمل کرنشهای بزرگ تا حدود ده درصد، بدون ایجاد کرنش پسماند هستند و همچنین قادر به حذف کرنشهای پسماند به کمک اعمال دما می باشند .[3] در سالهای اخیر محققین بسیاری اثر استفاده از آلیاژهای حافظهدار شکلی را در کاربردهای لرزه ای مورد بررسی قرار دادهاند، Inaudi و Kelly ، یک ساختمان چهار طبقه به همراه میراگرهای حافظه دار شکلی را توسط میز لرزهای مورد بررسی قرار دادند.

آنها نتیجه گرفتند که وقتی میزان کشش اولیه میراگرها بر روی فرکانس طبیعی سازه تنظیم شود، رفتار سازه بهبود چشمگیری خواهد یافتDesRoches .[4] و همکاران در یکسری آزمایش بر روی میلهها و کابلهای ساخته شده از مواد حافظه دار شکلی، رفتار این مواد را به منظور استفاده در کاربردهای عمرانی مورد بررسی کامل قرار دادند که نتیجه این تحقیق بسیار امید بخش بوده است Ocel .[5] و همکاران نیز اتصالات تیر به ستون ساخته شده با کمک میلههای حافظه دار شکلی مورد آزمایش قرار گرفت.

تا میزان تغییر مکان نسبی طبقه برابر با چهار درصد، اتصالات از منحنی هیسترزیس پایداری برخوردار بودندMotahari .[6] و Ghassemieh با تهیه برنامه اجزا محدود غیر خطی مدل پلاستیسیته برای سازه های یک بعدی را با استفاده از آلیاژهای حافظه دار شکلی مطرح نمود و رفتار آن را بررسی کردند . [7] همچنین Motahari و همکاران به بررسی اثر استفاده از مواد حافظه دار شکلی به صورت میراگر پرداختند که نتایج این تحقیق بیانگر کاهش تغییرشکل های ماندگار در سازه در اثر استفاده از این مواد می باشد .[8]

طراحی ایمن ساختمان ها در برابر زلزله همچنان یکی از پرچالش ترین زمینه‌هایی است که مهندسی سازه با آن مواجه است. اما با افزایش دانش و اطلاعات نسبت به فعالیتهای لرزهای و پاسخ‌های سازهای و با دسترسی به فناوری جدید، تمرکز فکری طراحان تغییر پیدا کرده است. به جای طراحی ساده جهت جلوگیری از تخریب سازهها، سعی طراحان بر آنست که در مدت زمان وقوع زلزله از پدید آمدن خسارات سازهای ماندگار در سازه جلوگیری کنند و حتی بهره برداری از سازه را پس از وقوع زلزله امکانپذیر سازند. در سالهای اخیر پیشرفتهای زیادی در زمینهی مهاربندیهای سازهای انجام شده است.

مهاربندهای سازه ای اعضایی هستند که در بیشتر سازه ها مسئولیت کنترل و مقاومت در برابر بارهای جانبی وارده را به عهده دارند. الزامات طراحی لرزه ای برای قاب های مهاربندی شده به طور قابل ملاحظهای در دهههای گذشته تغییر کرده است، و مفهوم قابلیتهای مهاربندی شدە‌ی هم مرکز ویژه مطرح شده است . [9] همچنین تحقیقات زیادی در زمینه بهبود عملکرد سازه هایی که به صورت هم مرکز مهاربندی شده اند انجام شده است. این تحقیقات به طور عمده شامل استفاده از عملکرد مواد مرکب [10] ، تسلیم فلزات [11] و آلیاژهای حافظهدار شکلی بوده است.[12]

-1-1 خواص عمومی

خواص منحصر به فرد SMA ها مربوط به تبدیل فاز برگشتپذیر مارتنزیتی میباشد که یک فرایند تبدیل فاز جامد به جامد بین فاز آستنیت - دارای ساختار بلوری منظم تر - و مارتنزیت - دارای ساختار بلوری نامنظم تر - می باشد. بطور کلی فاز آستنیت در تنشهای کمتر و حرارتهای بالا تر پایدار است و برعکس فاز مارتنزیت در تنشهای زیادتر و در حرارتهای کمتر پایدار میباشد. این تبدیل فازها می توانند هم در اثر اعمال حرارت و هم در اثر اعمال تنش اتفاق بیفتند.[1]

در درجه حرارت های نسبتاً زیادتر یک آلیاژ از نوع SMA در حالت آستنیت میباشد. زمانی که حرارت به شدت کاهش مییابد - سرما - ، تبدیل فاز به حالت مارتنزیت صورت میگیرد . فاز آستنیت دارای ساختار بلوری مکعبی میباشد در صورتی که ساختار بلوری فاز مارتنزیت، مونوکلینیک میباشد. تبدیل از آستنیت به مارتنزیت از طریق یک فرایند اعوجاج تغییر مکانی ایجاد میشود، هرچند که هیچ تغییرات ماکروسکوپی در شکل نمونه پدیدار نمیشود.

این پدیده به اینعلّت رخ میدهد که چندین صفحه مارتنزیتی با جهت گیریهای مختلف - که به طور کلی متغیر نامیده میشوند - از یک دانه آستنیت ساده به وجود میآیند. متغیرهای مارتنزیتی در گروه هایی که هر یک از آرایش مناسبی برخوردار هستند جمع میشوند و شکل نمونه را دست نخورده نگه میدارند. در حالت بدون اعمال تنش، یک آلیاژ SMA دارای چهار حرارت تبدیل فازی می باشد: Ms و Mf و در زمان سرد کردن As و Af و در زمان حرارت دادن. دو درجه حرارت اولی - یعنی - Ms>Mf دماهایی هستند که تبدیل فاز از آستنیت به مارتنزیت شروع میشود و به پایان میرسد و دو درجه حرارت ثانویه - یعنی - As < Af دماهایی هستند که تبدیل فاز از مارتنزیت بر آستنیت آغاز میشود و به اتمام میرسد. رفتار عمومی این گونه آلیاژها درشکل - 1 - نشان داده شده است.

-2-1 خاصیت آلیاژهای حافظه دار شکلی و فوق ارتجاعی

زمانی که تنش محوری به یک نمونهی مارتنزیتی وارد میشود - شکل - 2، یک مقدار بحرانی وجود دارد که در آن پروسهی چرخش متغیرهای مارتنزیتی اتفاق میافتد. [1] این فرایند در حقیقت تغییر جهت فضایی متغیرهای مارتنزیتی اصلی میباشد. در صورتی که در یک حالت تنش، تمایل بیشتری برای انجام تبدیل خاصی وجود داشته باشد، تنها متغیری که بیشتر مورد تمایل است شکل میگیرد.

در مدت زمان چنین روندی، تنش تا زمان تغییر جهت کامل متغیرهای مارتنزیتیعملاً ثابت میماند. اعمال بار پس از تغییر جهت کامل متغیرهای مارتنزیتی سبب ایجاد تغییرشکلهای ارتجاعی در نمونه میشود. پس از باربرداری کرنشهای پسماند بزرگی باقی میماند. اما با اعمال حرارت به دمایی بالاتر از Af ، مارتنزیت به آستنیت تبدیل میشود و نمونه به شکل تغییر شکل ندادە‌ی اولیهی خود باز میگردد. این شکل در خلال سرد کردن نمونه تا دمایی پایین تر از Mf ثابت نگاه داشته میشود. این پدیده به طور کلی خاصیت حافظه شکلی نامیده میشود.

زمانی که یک تنش تک محوری به یک نمونهی آستنیتی در دمایی بزرگتر از Af اعمال میشود - شکل - 3، در یک مقدار تنش خاص تبدیل فاز از آستنیت به مارتنزیت شروع میشود. از زمانی که تغییرشکل در شرایط همدما شروع میشود تا زمان پایان آن مقدار تنش تغییرنسبتاً کمی می کند . هنگام باربرداری از آنجا که مارتنزیت بدون اعمال تنش در دمایی بزرگتر از Af ناپایدار میشود، تبدیل فاز معکوس اتفاق میافتد، ولی مقادیر تنش مربوط به تبدیل فاز معکوس از مقادیر تنش مربوط به تبدیل فاز مستقیم کوچکتر می‌باشند.