بخشی از مقاله
چکیده
سیستمهای هوشمند در سازههای مهندسی سیستمهائی هستند که به طور خودکار قابلیت انطباق رفتار سازه در پاسخ به بارگذاری غیرمترقبه را دارا میباشند تا بدین وسیله ایمنی، افزایش عمر و کارائی سازه تامین گردد. سازهها معمولا تحت بارگذاریهای نامتعارف و دینامیکی آنی قرار میگیرند که شکست و فروپاشی آنها قبل از رسیدن به ظرفیت نهایی بسیار محتمل است. بدین منظور میتوان از مصالح نوینی استفاده کرد که به عنوان جاذب انرژی و میراگر ارتعاشات تحمل شده مطرح میشوند.
یکی از تکنولوژیهای جدید که امکان دستیابی به این هدف را میسر میسازد ، ساخت و توسعه مواد هوشمند است مواد هوشمند موادی هستند که موقعیتها را به خاطر میسپارند و با محرکهای مشخص میتوانند به آن موقعیت بازگردند. یعنی در شرایط مختلف محیطی تغییر فیزیکی پیدا میکنند. دسته مهم و معروفی از مواد هوشمند فلزهائی هستند که به آلیاژهای حافظه دار - SMA - معروفند هوشمند بودن این مصالح از آن جهت است که میتوانند در فازهای متفاوت رفتاری، پاسخهای متفاوتی از خود نشان دهند. این مصالح هوشمند نه تنها به دلیل خاصیت میرائی خود باعث اتلاف انرژی در هنگام زلزله میشوند بلکه این قابلیت را دارند که بعد از وارد شدن زلزله سازه را به حالت اولیه برگردانند.
در تحقیق پیش رو، اثر استفاده از آلیاژهای حافظه شکل فوق ارتجاعی در مسئله کنترل ارتعاشات تیرهای بتنی مسلح تحت بارگذاریهای دینامیکی - از جمله ضربه - مورد مطالعه قرار خواهد گرفت. به عنوان مشخصههای رفتاری متغیرهایی نظیر تاریخچه زمانی تغییرشکل عضو، نیروی دینامیکی وارده، بیشینه شتاب، انرژی استهلاکی در هر کدام از مصالح و غیره مورد بررسی قرار میگیرد. هدف نهایی تحقیق ارائه راهکاری جهت افزایش سطح انرژی استهلاکی در عضو همزمان با کاهش میزان خسارت وارده به تیر بتنی است. نتایج پیشرو را میتوان به صورت پیشنهادات اولیهای جهت استفاده از مصالح SMA در کنترل ارتعاشات سازهها در نظر گرفت.
-1 مقدمه
خصوصیات منحصربفرد مصالح SMA، خصوصیات فوقارتجاعی و حافظه شکلی میباشند که این مواد را به عنوان یک ماده جدید با قابلیت کاربرد در زمینههای مختلف علوم و صنعت معرفی مینمایند این مواد به صورت میله، مفتول نوار و ورق تولید میشوند هرکدام از این حالات در زمینههای مختلف مهندسی سازه قابل استفاده میباشند یکی از قابلیتهای این نوع مصالح، جذب انرژی تحمیل شده به سیستم به هنگام بارگذاری و سپس استهلاک آن به صورت حرارت در تغییر ساختار ماده است که به عنوان عامل کنترل ارتعاشات سیستم در قبال بارهای دینامیکی به شمار میرود. لذا در صورتیکه بتوان مسیرهای انتقال نیرو و مومنتوم در سازه را توسط این نوع مصالح تقویت کرد، میتوان انتظار داشت که سیستم بعد از تجربه بارگذاریهای آنی نیز قابلیت سرویس دهی را خواهد داشت.
-1-1 بیان مسأله
برخی از اعضای بتنی مسلح باید برای بارهای ضربه ای ناشی از سقوط اتفاقی اشیاء سنگین سفت و سخت مانند سقوط سنگ در مناطق کوهستانی و افتادن بارهای سنگین در کارخانه ها و انبارها و طراحی شوند یک بررسی منطقی از ایمنی اعضای بتنی مسلح تحت بارگذاری های ضربه ای نیازمند توسعه مطالعات طراحی عملکردی چنین سازه هایی می باشد، که از جمله آیین نامه انجمن راهسازی وحمل ونقل آمریکا - AASHTO, 2013 - اعضای بتنی مسلح تحت بارگذاری های ضربه ای را مورد مطالعات پایه ای طراحی قرار داده است بارگذاری ضربه ای درحقیقت، یک حالت بارگذاری بسیار شدید تحت یک نیروی بسیار قوی در مدت زمان کوتاه می باشد رفتار اجزای یک عضو بتنی تحت بارگذاری ضربه ای ممکن است همانند شکل1، از دو مرحله پاسخ نشئت بگیرد؛
پاسخ موضعی که ناشی از موج تنش واقع در زیر نقطه بارگذاری دریک دوره بسیار کوتاه پس از ضربه رخ می دهد؛ و پاسخ کلی که ناشی از اثر ارتعاش آزاد به دلیل تغییر شکل الاستیک - پلاستیک کل ساختار عضو در یک دوره طولانی پس از ضربه حاصل می شود که این پاسخ عمدتاً به شدت بارگذاری و رفتار دینامیکی اجزای عضو بتنی بستگی دارد شکست کلی یک موضوع اصلی درمورد تیرهای بتنی مسلح تحت بارگذاری های ضربه ای می باشد .
در مقابل، شکست موضعی مثل نفوذ، دچار خراش شدگی، سوراخ شدگی و برش پانچ مربوط به مود شکست غالب صفحات بتنی مسلح تحت بارگذاری های ضربه ای می باشد
شکل - 1 پاسخ ضربه ای در یک عضوبتنی مسلح
-2-1 مروری بر مطالعات پیشین
فوجیکاکه وهمکاران در سال 2009 میلادی مطالعات گسترده ای را باهدف بررسی رفتار آزمایشگاهی و ارائه ی فرمولبندی عددی برای ارزیابی تحلیلی نمونه های تیری بتن مسلح دوسر ساده تحت بارگذاری های ضربه ای انجام دادند برای این منظور نمونه های تیری بتن مسلح مورد آزمایش، که نمای شماتیک آنها در شکل 2، نشان داده شده است، دارای ابعاد 250میلمتر ارتفاع، 150میلیمتر عرض و 1700 میلیمتر طول می باشند
جزئیات آرایش آرماتورهای طولی تیرهای بتن مسلح آزمایشی در جدول 1 آورده شده است از سه نوع آرماتور آجدار طولی با قطرهای 13، 16و22 میلیمتری با مقاوت تسلیم به ترتیب، 397 و 426 و418 مگا پاسکال در این نمونه ها استفاده شده است و درهر سه حالت آرماتورهای عرضی - خاموت - باقطر 10 میلیمتر و مقاومت تسلیم 295میلیمتر در هر 75 میلیمتر از طول تیر تعبیه گشته اند قطر بزرگتربن سنگدانه نمونه های بتنی 10 میلیمتر بوده و مقاومت فشاری بتن 42مگاپاسکال می باشد نمونه ها پس از 70روز عمل آوری در یک دوره 4روزه آزمایش گردیده اند
جدول -1 جزئیات آرماتورهای طولی
شکل -2 شماتیک آرماتوربندی تیر بتنی بانمای مقطع عرضی - a - و نمای طولی - b -
برای هر نمونه تیری بتن مسلح، پاسخهای برشی و خمشی با استفاده از استاندارد جهانی بتن انجمن مهندسان عمران ژاپن - JSCE , 2002 - ، محاسبه شده و در جدول2، آورده شده است که مطابق نتایج، مشاهده می شود که پاسخهای برشی از لحاظ عددی درحدود 50-155 درصد بزرگتر از پاسخهای خمشی بوده و نشانگر این واقعیت می باشد که تیرها ازلحاظ انعطاف-پذیری ضعیف می باشند.
جدول -2 پاسخهای برشی و خمشی
برای اعمال بارگذاری ضربه ای مطابق شکل 3، از یک چکش توپر به وزن 400کیلوگرم با نوک نیم کره ای شکل به شعاع 90میلی متر که از ارتفاع های 0 15، 0 3، 0 6و 1 2 متر برای نمونه های تیری S1616 و ارتفاع های 0 3، 0 6، 1 2و 2 4 متر برای نمونه های تیری S1322 و S2222 روی سطح بالایی تیرهای بتن مسلح در نصف دهانه آنها با سرعت کم سقوط آزاد می کند، استفاده شده است نمونه های تیری با دو تکیه گاه دوسرمفصل که قابلیت چرخش و حرکت آزادانه درجهت عرضی وعدم حرکت طولی و عمقی را داشته و روی پایه های ثابت قرار گرفته و دارای دهانه آزاد 1400میلیمتری بین تکیه گاهها می باشند سرعت سقوط چکش با توجه به ارتفاع های فوق الذکر برای هرنمونه تیری بتنی مطابق رابطه 1 محاسبه میگردد
