بخشی از مقاله
چکیده
در طراحی سازهها اتلاف انرژی توسط سیستم سازهای در مقابل بارگذاریها بسیار موردتوجه میباشد؛ چراکه یک سیستم سازهای با توان اتلاف انرژی بالا میتواند ضمن تأمین رفتار موردنظر، از جنبهی اقتصادی بسیار موجه باشد. آلیاژهای حافظهدار شکلی راهکار مناسبی برای بالا بردن توان اتلاف انرژی سازهها میباشند. در قابهای مهاربندی واگرا نقش اساسی جذب و استهلاک انرژی القایی ناشی از زلزله توسط تیر پیوند ایفا میشود.
به بیان دیگر تیرهای پیوند مانند فیوز عمل میکنند و با رفتار شکلپذیر خوداولاً ضریب رفتار R را در سیستم باربر جانبی لرزهای تأمین میکنند و ثانیاً تلاشهای طراحی در سایر اعضا - تیر خارج پیوند، مهاربندها و ستونها - توسط تیر پیوند تعیین میگردد. بهمنظور بررسی تأثیر استفاده از آلیاژهای هوشمند حافظهدار بهعنوان تیر پیوند در قابهای مهاربندیشدهی واگرا و مقایسهی آن با نمونههای متداول فولادی، 6 قاب در نرمافزار SeismoStruct مدلسازی شد. متغیرهای مورداستفاده در این پژوهش شامل تعداد طبقات 4 - ، 8 و 12 طبقه - ، و جنس تیر پیوند SMA - و فولاد - میباشد.
نتایج حاصله نشان داد بیشترین اثرگذاری SMA در مقایسه با فولاد بهمنظور افزایش ضریب رفتار در تیرهای پیوند کوتاه، در ساختمانهای میان مرتبه 8 - طبقه - اتفاق میافتد.
.1 مقدمه
امروزه برای مقابله با بارهای جانبی وارده به سازه ها، سیستم های مختلفی به کار برده می شود که از آن جمله می توان به سیستم های قاب خمشی، دیوار برشی و سیستم های مهاربندی یا بادبندی اشاره نمود .نگرش فعلی علم مهندسی زلزله تأکید بر شکل پذیری بالا برای ساختمان ها می باشد به طوری که این عامل در کنار دو معیار سختی و مقاومت قرار گرفته است .این در حالی است که سیستم های متداول قاب خمشی و قاب با مهاربند هم مرکز به تنهایی این نیازها را برآورده نمی کنند .سیستم قاب با مهاربند هم مرکز دارای سختی بالایی است اما به علت کمانش بادبند فشاری در برابر بارهای جانبی، شکل پذیری آن بسیار کم است .سیستم قاب خمشی شکل پذیری بالایی دارد اما در برابر بارهای جانبی معمولا سختی کمی داشته و تغییر مکان های جانبی زیادی از خود نشان می دهد.
در قاب های مهاربندی شده بعد از وقوع زلزله به علت کمانش عضو فشاری، تغییر شکل های ماندگاری در عضو به وجود می آید که به علت تغییر شکل زیاد، این اعضا کارایی خود را از دست داده و تعویض مهاربند امری اجتناب ناپذیر به نظر می آید .لذا کاهش کرنش پسماند پس از وقوع زلزله یکی از دغدغه های طراحان می باشد.
فلسفه ی روش های طراحی ساختمان های مقاوم در برابر زلزله در سال های اخیر شاهد تغییرات بسیاری بوده است . خرابی بسیاری از سازه های طراحی شده با روش های سنتی و همچنین پیشرفت روش های تحلیلی و بهبود چشمگیر عملکرد کامپیوترها از جمله عوامل تغییر در فلسفه ی طراحی سازه ها در سال های اخیر بوده اند.
امروزه ثابت شده است که طراحی سازه ها به صورتی که برای مقابله با زلزله های شدید، رفتار کاملا الاستیک داشته باشند، از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه نمی باشد؛ در نتیجه در طراحی سازه ها از روش های دیگری برای کنترل سازه ها در برابر زلزله استفاده می شود .کنترل غیر فعال سازه ها یکی از همین روش هاست که در آن برخی دستگاه های جایگذاری شده خسارت هایی را در هنگام زلزله های شدید متحمل می شوند تا بدین وسیله تلاش های وارد بر اعضای اصلی سازه مانند ستون ها کاهش یافته و از این طریق سازه از آسیب های عمده در امان بماند.
روش های غیر فعال به طور کلی به دو دسته ی سیستم های مستهلک کننده ی انرژی و جداگرهای پی تقسیم می شوند .تمامی سیستم های مستهلک کننده ی انرژی که امروزه استفاده می شوند مشکلاتی از قبیل عمر مفید کم، خستگی، سختی نصب، احتیاج به تعویض پس از زلزله و اعمال تغییر در هندسه ی سازه پس از وقوع زلزله را دارند . آلیاژهای حافظه دار شکلی - SMA - به عنوان مصالحی هوشمند که فاقد بسیاری از این محدودیت ها و مشکلات می باشند، در کنترل غیر فعال سازه ها مورد توجه قرار گرفته اند.
- 1995 - Clark et al. مطالعهای بر روی یک ساختمان شش طبقهی فولادی با قاب 2×2 انجام داد. بر روی مهاربند این قابها سیستم جذبکنندهی انرژی با استفاده از سیمهای SMA نصب شده بود حلقه سیم Nitinol به دور سیلندری شکل پیچیده شدند تا مهاربند ساخته شود. چندین نمونه از این سیستم با مقیاس نمونه طراحی، ساخته و تست شد. نشان داده شد که سیستم پیشنهاد شده ویژگیهایی از قبیل تطبیق پذیری بالا، سازوکار سادهی عملکرد، قابلیت بازگشتپذیری، سختی بالا برای جایجاییهای کوچک و قابلیت بالای جذب انرژی دارد.
در کار انجام شده توسط - 2003 - Han et al.، 8 میراگر از سیمهای SMA و سیمهای فولادی ساخته شد و به صورت قطری بر روی یک قاب ساختمانی دو طبقه، ، نصب شد. هم تحلیل آزمایشگاهی و هم کنترل عددی انجام شد تا موثر بودن میراگرهای SMA را در کاهش ارتعاش، نمایش دهند. مقایسههای آزمایشگاهی پاسخ قاب در حالت با و بدون میراگر نشان داد که ارتعاش در قاب کنترل شده خیلی سریعتر از قاب کنترل نشده میرا میباشد. شبیهسازیها نشان داد که بیشترین جابجایی قاب کنترل شده فقط %15 این مقدار در قاب کنترل نشده است
- 2000 - Wilde et al. بر روی سیستم جداساز پایه با استفاده از میلههای فوق الاستیک SMA برای پلهای مرتفع بزرگراه مطالعه کرد ..[3] یک شبیه سازی مقایسه ای بین سیتم جداساز SMA و سیستم جداساز متعارف انجام شد که شامل سه سطح تحریک بود.
نتایج نشان داد که سیستمهای جداساز SMA پاسخ های متنوعی به تحریک داده و همچنین میرایی قابل توجهی ایجاد میکند. برای سطح تحریک کوچک، سیستم جداساز SMA به محکمی به پایه و عرشه متصل میشود و میله های SMA تحت تبدیل مارتنزیت ناشی از تنش قرار میگیرند و در نتیجه سختی کم اجازهی یک تغییر مکان نسبی را به سازه میدهد که قابل مقایسه با سیستم جداساز متعارف است. در بارگذاریهای شدید، میلهی SMA داخل محدودهی الاستیک مارتنزیت میشود و بیشینه تغییر مکان، برابر یک پنجم سیستم جداساز متعارف است. مقایسه نشان میدهد که انرژی خرابی پل با سیستم جداساز SMA کوچکتر از سیستم متعارف است.
.2 آلیاژ هوشمند SMA
آلیاژهای هوشمند حافظه دار گروهی از آلیاژهای فلزی هستند که قابلیت تغییر شکلهای بزرگ و سپس بازگشت به شکل اولیهی خود را از طریق تغییر دما و یا باربرداری، دارند.
این آلیاژها دو رفتار منحصر به فرد از خود نشان میدهند: رفتار بازیابی شکلی و رفتار فوق الاستیک؛ که هر دوی آنها وابسته به فاز ماده هستند .4[] فاز مواد آلیاژِ خود به دما وابسته است؛ در نتیجه، دمای SMA تاثیر بسیار مهمی بر روی ویژگیهای مکانیکی آن دارد. این ماده در دماهای نسبتا بالا، در فاز آستنیت1و در دماهای پایینتر در فاز مارتنزیت2 قرار دارد.
در حالت بدون تنش ، یک آلیاژ حافظهدار شکلی دارای چهار دمای مشخصه میباشد: As دمای آغاز حالت آستنیت، Af دمای پایان حالت آستنیت، MS دمای آغاز حالت مارتنزیت و Mf دمای پایان حالت مارتنزیت میباشد. رابطهی بین دماهای مشخصه در شکل - 1 - در غیاب تنش خارجی نشان داده شده است. اگر یک SMA در حالت مارتنزیت %100 گرما داده شود، ماده تبدیل فاز از مارتنزیت به آستنیت را وقتی به دمای As برسد شروع میکند و وقتی دمای ماده به Af برسد، تبدیل فاز خاتمه یافته و ماده %100 آستنیت است. به علاوه وقتی آلیاژ سرد میشود، تبدیل فاز معکوس در دمای Ms آغاز میگردد و تبدیل فاز در دمای Mf کامل میشود؛ جایی که ماده %100 مارتنزیت است.
شکل1 تبدیل فاز SMA از آستنیت به مارتنزیت و بر عکس تحت اثر دما و در غیاب تنش
