3-1: مشخصات مکانيکي SMAهاي مورد استفاده ………………………………………………44
3-2:مشخصات مدل ………………………………………………………………………45
3-3: شبيه سازي کامپيوتري …………………………………………………………………………….47
فصل چهارم: محاسبات و يافته هاي تحقيق …………………………………………………….53
فصل پنجم:نتيجه گيري و پيشنهادات……………………………………………………….71
5-1: تحليل نتايج …………………………………………………………………………………………….74
5-2: پيشنهاد………………………………………………………………………………..75
منابع و مآخذ…………………………………………………………………………………76
فهرست جداول
جدول 2-1: ساير ويژگي هاي مدل]16[…………………………………………………………………….25
جدول 2-2: مشخصات ديوار برشي بتني مرجع[14]…………………………………………35
جدول 2-3: ويژگي هاي مدل به کار رفته شده[13[…………………………………………………….39
جدول 3-1:مشخصات مدل انتخاب شده……………………………………………………………46
جدول 4-1: نتايج حاصل از تحليل……………………………………………………………………………..67
جدول 5-1:تعريف انواع زلزله بر حسب شتاب………………………………………………………..72
جدول 5-2: ميانگين نسبت جابجائي ماندگار به جابجائي ماکزيمم بر حسب نوع زلزله……..72
جدول 5-3:تعريف انواع زلزله بر حسب زمان…………………………………………………..73
جدول 5-4: ميانگين نسبت جابجائي ماندگار به جابجائي ماکزيمم بر حسب مدت زلزله……..73
جدول 5-5: تعريف انواع زلزله بر حسب فاصله از گسل(کيلومتر)…………………………………….73
جدول 5-6: ميانگين نسبت جابجائي ماندگار به جابجائي ماکزيمم بر حسب فاصله از گسل
(کيلومتر)………………………………………………………………………………………………………………….. 73
جدول 5-7:تعريف انواع زلزله بر حسب بزرگي(ريشتر)………………………………………………74
جدول 5-8: ميانگين نسبت جابجائي ماندگار به جابجائي ماکزيمم بر حسب بزرگي زلزله…..74
فهرست شکل ها
شکل2-1: مدل پيشنهادي Dole[4]……………………………………………………………………………….9
شکل2-2:نمونه آزمايشي Spulveda[9]………………………………………………………………………..10
شکل2-3 : بهسازي کليساي S.Gorgio[3]……………………………………………………………10
شکل2-4 : نمونه هاي مقاوم شده با سيم SMA[7]……………………………………………11
شکل 2-5 : مدهاي عملکرنرم و سخت[8]……………………………………………………….12
شکل 2-6: نصب رشته SMA به حلقه[8]………………………………………………….12
شکل 2-7: اثر دما روي رفتار فازي نيتينول………………………………………………….14
شکل 2-8: پروسه انتقال………………………………………………………….14
شکل 2-9: منحني خاصيت حافظه شکلي……………………………………………………………….15
شکل 2-10 : پروسه انتقال برگشت………………………………………………………………15
شکل 2-11:منحني رفتار فوق ارتجاعي آلياژهاي حافظه دار شکلي…………………………………16
شکل 2-12:منحني رفتار نيمه فوق ارتجاعي آلياژهاي حافظه دار شکلي………………………….16
شکل 2-13:مفهوم اثر حافظه داري يک طرفه………………………………………………………….17
شکل 2-14: مفهوم اثر حافظه داري دو طرفه…………………………………………………………18
شکل2-15: نمودار تنش – کرنش نيتينول…………………………………………………………….18
شکل2-16: تغيير فرم شبکه اي آستنيت به مارتنزيت………………………………..20
شکل 2-17: انطباق مارتنزيت بر آستنيت(الف مکانيزم افزايش يافتن صفحات اتمي و ب
مکانيزم تشکيل دو قلوئي)…………………………..21
شکل 2-18:تشکيل دوقلوئي……………………………………………………………………………..22
شکل 2-19: مکانيسم پديده حافظه داري………………………………………………………….23
شکل 2-20 : مدل به کار گرفته شده در تحقيق[16]………………………………………………24
شکل 2-21 نمودار تغيير مکان افقي تراز سقف بر حسب زمان تحت حداکثر شتاب افقي وارد
بر کف سازه [16]……………………………………………………………………………………………………… 25
شکل 2-22:نمودار نيرو- تغيير مکان محوري بادبندهاي طبقه اول تحت حداکثر شتاب افقي
وارد بر کف سازه [16]……………………………26
شکل 2-23:نمودارتغييرات تغيير مکان مانده سقف پس از زلزله نسبت به حداکثر شتاب
زمين[15]…. 26
شکل 2-24:انواع ترکيب هاي مهاربندي فولادي و SMA…………………………27
شکل 2-25 : پلان سازه مدل شده[11]………………………..28
شکل 2-26 : انواع مهاربندهاي مدل شده[11] …………………………………..28
شکل 2-27: نحوه SMAبه کاررفته شده درمدل درانواع A,B[11]…………………….28

شکل 2-28 : مشخصات زلزله هاي به کار رفته[11]……………………………..29
شکل 2-29:جابجادي سقف طبقات در زلزله ال سنترو[11]……………………….29
شکل 2-30نمودارجابجائي حداکثر بين طبقه اي بر حسب تعدادطبقات[11]……………………….30
شکل 2-31نمودارجابجائي حداکثر بين طبقه اي بر حسب تعداد طبقات[11]………………………30
شکل 2-32نمودار جابجائي ماندگار سقف بر حسب تعداد طبقه در زلزله ال سنترو[11]…….30
شکل 2-33نمودار جابجائي ماندگار سقف بر حسب تعداد طبقه در زلزله ال سنترو[11]………31
شکل 2-34نمودار جابجائي ماندگار سقف بر حسب تعداد طبقه در زلزله کوب[11]…………..31
شکل 2-35نمودارجابجائي ماندگار سقف بر حسب تعداد طبقات در زلزله کوب[11]………….31
شکل 2-36نمودار جابجائي ماندگار سقف بر حسب تعداد طبقه در زلزله طبس[11]……………32
شکل 2-37نمودارجابجائي ماندگار سقف بر حسب تعداد طبقات در زلزله طبس[11]………….32
شکل 2-38: مشخصات سازه مدل شده[15]…………………………………………..33
شکل 2-39: پاسخ پل تحت زلزله ضعيف[15]………………………………………..33
شکل 2-40: پاسخ پل تحت زلزله متوسط[15]…………………………………………33
شکل 2-41: پاسخ پل تحت زلزله شديد[15]……………………………………………..33
شکل 2-42:هيسترزيس دو سيستم تحت دو تحريک متوسط و شديد[15]………………34
شکل 2-43 برش پايه تحت زلزله شديد در هردو سيستم[15]…………………..34
شکل 2-44: مشخصات ديوار برشي مدل شده[14]……………………………………35
شکل 2-45: نتايج حاصل از بارگداري استاتيکي يکنواخت در ديوار بتني مجهز شده به آلياژهاي
هوشمند با خاصيت حافظه دار شکلي[14]…………………………………………………………………….36
شکل 2-46: نتايج حاصل از بارگداري استاتيکي يکنواخت در ديوار بتني مجهز شده به آلياژهاي
هوشمند با خاصيت فوق الاستيک[14]………………………………………………………………………36
شکل 2-47: نتايج حاصل از بارگداري استاتيکي متناوب در ديوار بتني مجهز شده به آلياژهاي
هوشمند با خاصيت حافظه دار شکلي[14]……………………………………….37
شکل 2-48: نتايج حاصل از بارگداري استاتيکي متناوب در ديوار بتني مجهز شده به آلياژهاي
هوشمند با خاصيت فوق الاستيک[14]………………………………………………………………………..37
شکل 2-49: مشخصات مدل به کار رفته شده[13]………………………………..38
شکل 2-50:جابجائي راس سازه بدون تقويت در مدت زمان يک زلزله و نوسان آزاد پس از آن
[13]……39
شکل 2-51:جابجائي راس سازه تقويت شده در مدت زمان يک زلزله و نوسان آزاد پس از آن
[13]………40
شکل 2-52: جابجائي بيشينه در ارتفاع طبقات در هنگام اولين زلزله[13]…………..40
شکل 2-53: جابجائي راس سازه تعمير نشده در مدت زمان زلزله ، پس لرزه قوي و 25 ثانيه
نوسان آزادپس از هرکدام[13]………………………………………………………………40
شکل 2-54: جابجائي راس سازه تعمير شده در مدت زمان زلزله ، پس لرزه قوي و 25 ثانيه نوسان
آزاد پس از هرکدام[13]…………………………………………………………………41
شکل2-55جابجائي بيشينه درارتفاع طبقات درهنگام پس لرزه[13]…………………………..41
شکل 2-56: درصد بيشينه تغييرشکل نسبي در هر طبقه در مدت زمان وقوع پس لرزه[13]………..41
شکل 2-57: تغييرشکل ماندگار نسبي در طبقات پس از اتمام تحريک پس لرزه[13[…………..42
شکل 3-1: ارتباط نيرو با تغيير مکان براي SMA ها…………………………………………………….44
شکل 3-2: مشخصات مکانيکي سيم هاي Ni Ti ………………………………………………………45
شکل 3-3:مشخصات مدل مورد استفاده …………………………………………………………….46
شکل 4-1: نمودار نيرو – تغيير مکان براي المان PW……………………………………………54
شکل 4-2: نمودار نيرو-تغيير مکان براي المان ME ………………………………………………..54
شکل 4-3:نمودار جابجائي بر حسب زمان براي زلزلهNGA=183………………………………………..55
شکل 4-4:نمودار جابجائي بر حسب زمان براي زلزلهNGA=186…………………………………..55
شکل 4-5:نمودار جابجائي بر حسب زمان براي زلزلهNGA=368……………………………56
شکل 4-6:نمودار جابجائي بر حسب زمان براي زلزلهNGA=369………………………..56
شکل 4-7:نمودار جابجائي بر حسب زمان براي زلزلهNGA=408 …………………………………57
شکل 4-8:نمودار جابجائي بر حسب زمان براي زلزلهNGA=411 ………………………………57
شکل 4-9:نمودار جابجائي بر حسب زمان براي زلزلهNGA=451 ………………………………….58
شکل 4-10: نمودار جابجائي بر حسب زمان براي زلزله NGA=601 ………………………………….58
شکل 4-11: نمودار جابجائي بر حسب زمان براي زلزله NGA=621……………………..59
شکل4-12: : نمودار جابجائي بر حسب زمان براي زلزلهNGA=627 …………………………………59
شکل 4-13:نمودار جابجائي بر حسب زمان براي زلزلهNGA=685 …………………………….60
شکل 4-14:نمودار جابجائي بر حسب زمان براي زلزلهNGA=725……………………………………..60
شکل 4-15:نمودار جابجائي بر حسب زمان براي زلزله NGA=733…………………………..61
شکل 4-16:نمودار جابجائي بر حسب زمان براي زلزله NGA=745……………………………………..61
شکل 4-17:نمودار جابجائي بر حسب زمان براي زلزله NGA=816 ………………………………….62
شکل 4-18:نمودار جابجائي بر حسب زمان براي زلزله NGA=934…………………….62
شکل 4-19:نمودار جابجائي بر حسب زمان براي زلزله NGA=995…………………………………63
شکل 4-20:نمودار جابجائي بر حسب زمان براي زلزله NGA=1120……………………………63
شکل 4-21 :نمودار جابجائي بر حسب زمان براي زلزله NGA=1135………………………………….64
شکل 4-22: :نمودار جابجائي بر حسب زمان براي زلزله NGA=1431……………………………..64
شکل 4-23:نمودار جابجائي بر حسب زمان براي زلزله NGA=1450…………………………………..65
شکل 4-24:نمودار جابجائي بر حسب زمان براي زلزله NGA=1453…………………………………65

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

فصل اول

مقدمه و کليات تحقيق

در اين فصل ابتدا به معرفي آلياژهاي هوشمند حافظه شکل و خواص آنها پرداخته و در ادامه به بيان اهداف و ساختار پايان نامه مي پردازيم.
1-1:معرفي آلياژهاي حافظه شکل
از زمان توجه به زلزله و اثرات مخرب آن در سازه هاي مختلف سالهاست که مي گذرد و همچنان زلزله به عنوان يکي از مخربترين حوادث طبيعي معرفي مي شود.

طراحي ايمني ساختمان ها در برابر زلزله همچنان يکي از پرحاشه ترين زمينه هائي است که مهندسي سازه با آن مواجه است، اما باافزايش دانش و اطلاعات نسبت به فعاليتهاي لرزه اي و پاسخ هاي سازه اي و با دسترسي به فناوري جديد تمرکز فکري طراحان تغيير پيدا کرده است.خرابي بسياري از سازه هاي طراحي شده با روش هاي سنتي و همچنين پيشرفت روش هاي تحليلي و بهبود چشمگير عملکرد يارانه ها از جمله عوامل تغيير در فلسفه طراحي سازه ها در سالهاي اخير بوده اند.امروزه ثابت شده که طراحي سازه ها به صورتي که براي مقابله با زلزله هاي شديد رفتار کاملاً الاستيک داشته باشند از لحاظ اقتصادي مقرون به صرفه نمي باشد. امروزه به جاي طراحي ساده جهت جلوگيري از تخريب سازه ها سعي طراحان بر آن است که در مدت زمان وقوع زلزله از پديد آمدن خسارت سازه اي ماندگار در سازه جلوگيري کنند و حتي بهره برداري از سازه را پس از وقوع زلزله امکان پذير سازند.
در نتيجه در طراحي سازه ها از روش هائي مانند کنترل غير فعال سازه ها در برابر زلزله استفاده مي شود. در اين روش برخي اعضاي سازه اي خسارت هائي را در هنگام زلزله شديد متقبل مي شوند تا بدين وسيله تنش(تلاش) هاي وارد بر اعضاي اصلي مانند ستون ها کاهش يافته و از اين طريق سازه از آسيب عمده در امان بماند.
يکي از شيوه هاي جديد کنترل سازه ها در برابر زلزله استفاده از سيستم هاي هوشمند است.
سيستم هاي هوشمند در سازه هاي مهندسي سيستم هائي هستند که به طور خودکار قابليت انطباق رفتار سازه در پاسخ به بارگذاري غير مترقبه را دارا مي باشند تا بدين وسيله ايمني ، افزايش عمر و کارائي سازه تامين گردد.
يکي از تکنولوژي هاي جديد که امکان دستيابي به اين هدف را ميسر مي سازد ، ساخت و توسعه مواد هوشمند است.
مواد هوشمند موادي هستند که موقعيت ها را به خاطر مي سپارند و با محرک هاي مشخص مي توانند به آن موقعيت بازگردند. يعني در شرايط مختلف محيطي تغيير فيزيکي پيدا مي کنند. به عبارت ديگر مي توان گفت مواد و سازه هاي هوشمند اشيائي هستند که شرايط محيطي را حس ميکنند و با پردازش اطلاعات بدست آمده نسبت به محيط واکنش نشان مي دهند.
در اکثر موارد اين مواد از توانائي پاسخ به بيش از يک شرايط محيطي برخوردار هستند و پاسخ آنها قابل پيش بيني است.
دسته مهم و معروفي از مواد هوشمند فلزهائي هستند که به آلياژهاي حافظه دار (SMA)1 معروفند.
هوشمند بودن اين مصالح از آن جهت است که مي توانند در فازهاي متفاوت رفتاري ، پاسخ هاي متفاوتي از خود نشان دهند. اين مصالح هوشمند نه تنها به دليل خاصيت ميرائي خود باعث اتلاف انرژي در هنگام زلزله مي شوند بلکه اين قابليت را دارند که بعد از وارد شدن زلزله سازه را به حالت اوليه برگردانند.
سه ويژگي ممتاز اين مواد عبارتست از:حافظه داري ، سوپر الاستيسيته و قابليت ميرائي بالا.
الف) حافظه داري2 : SMA ها داراي نوعي خاصيت تعليم پذيري مي باشند که به آن اصطلاحاً اثر حافظه شکل مي گويند. اثر حافظه شکل عبارت است از قابليت بازيافت يک شکل معين وقتي که به آلياژ تا دماي معيني حرارت داده شود.
يعني اگر SMA ها با ترکيب شيميائي مشخص تحت عمليات حرارتي مناسبي قرار گيرند توانائي بازگشت به شکل يا اندازه از قبل تعيين شده را از خود نشان مي دهند.
اين مواد را حافظه دار مي نامند زيرا مي توان آنها را به هر شکلي درآورد و سپس با يک عامل خارجي (مانند گرم کردن يا جريان الکتريسيته) به حالت اوليه بازگرداند.به همين دليل گفته مي شود که اين مواد شکل اوليه خود را به خاطر مي آورند.
پس اينکه SMA ها حافظه دار هستند يعني قابليت ذخيره سازي انرژي مکانيکي و نيز آزادسازي آن را دارا هستند.
ب) قابليت ميرائي بالا3 هنگامي که ساختمان ها در معرض زلزله يا امواج تحريک ناشي از انفجار قرار مي گيرند ضروري است بخشي از محتواي انرژي تحميل شده به سازه از طريق مسيرها و فرايندهاي مشخص و داراي ظرفيت جذب انرژي کافي به شيوه ايمن و با کمترين خسارت ممکن مستهلک گردد تا از تاثيرات مخرب يک چنين پديده اي با الگوهاي بارگذاري نا مشخص و غير قابل پيش بيني کاسته شود.
آلياژهاي حافظه دار شکلي نسبت به سيستم هاي متداول مستهلک کننده انرژي داراي مزايا و ويژگي هاي منحصر به فردي هستند که از آن جمله مي توان به عدم نياز به تعويض پس از زلزله ، مقاومت بالا در برابر خوردگي و خستگي ، ظرفيت شکل پذيري بالا، ظرفيت ميرائي بالا، دوام ، قابليت بازگشت به حالت اوليه به وسيله اعمال دما و تحمل کرنش بدون باقي گذاشتن کرنش پسماند اشاره کرد.
ج) سوپر الاستيسيته4 :از جمله مهمترين خصوصيات اين آلياژها عدم باقي ماندن تنش و کرنش پس ماند بعد از انجام بارگذاري لرزه اي است.يعني بعد از اينکه اين آلياژ در اثر بارگذاري لرزه اي جاري شدو انرژي لرزه اي را مستهلک نمود توانائي بازگشت به حالت اوليه را دارد. البته اين امر در برخي از فازهاي اين آلياژ ميسر است.
اين آلياژها در بيشتر موارد شامل Cu-Al-Niو Cu-Zn-Alو Ni-Tiهستند که ما در اين پايان نامه خواص آلياژ Ni-Ti را بررسي مي کنيم.
اين آلياژ با نام هاي Ni-Tiو Tee-Nee و Nitinol معروف است و در فارسي نيز با نام هاي آلياژ حافظه دار ، آلياژ خودشکل و آلياژ با حافظه شکل ترجمه شده است.
در نيتينول دو حرف اولي مربوط به نيکل ، دو حرف بعدي تيتانيوم و سه حرف آخر نام آزمايشگاه نادول اوردانس مي باشد.
ازنيتينول به صورت سيمي استفاده مي شود. در نگاه اول اين سيمها همانند سيمهاي معمولي به نظر مي آيند که به راحتي تغيير شکل مي دهند و رساناي الکتريسيته نيز هستند؛ اما در مقايسه با سيمهاي معمولي فولادي و مسي بسيار گرانترهستند. و علت آن اين است که اين سيمها حافظه دارند. به عنوان مثال مي توان آنها را به هر شکلي درآورد و سپس با گرم کردن آنها تا دماي بالاي ?? درجه سانتيگراد به حالت اوليه شان برگرداند
و ديگر اينکه مي توان اين سيمها رابرنامه ريزي کرد تا شکل خاصي را به خاطر بسپارند. اين کار به اين صورت انجام مي شود که شکل دلخواه به سيم داده مي شود و سپس به سيم به مدت تقريبي ? دقيقه با دماي ??? درجه سانتيگراد گرما داده مي شود يا جريان الکتريسيته از آن عبور داده مي شود. حالا مي توان سيم را به هر شکل ديگري درآورد و براي برگشت آن به شکل اوليه کافي است در آب داغ انداخته شود.دسته ديگري ازمواد با حافظه شکلي سيمهاي ماهيچه اي هستند که از آلياژهاي نيکل و تيتانيوم ساخته شده اند و در دماي اتاق به راحتي مي توان آنها را تغيير شکل داد. نکته اي که اين موادرا جذاب مي کند اين است که با عبور جريان الکتريسيته با نيروي خوبي (که مي توان ازآن استفاده کرد) به شکل اوليه خود برمي گردند.
1-2:اهداف و ساختار پايان نامه
دراين رساله خواص منحصر به فرد آلياژهاي حافظه شکل فوق ارتجاعي براي کاربرد در مهندسي زلزله سازه ها مورد مطالعه قرار خواهد گرفت.
به اين منظور يک عضو SMA دو سر مفصل به عنوان قطعه اي از يک بادبند در يک سازه يک طبقه در نرم افزار SAP مدل شده و تحت اثر رکوردهاي مختلف زلزله با شتاب هاي مختلف مورد تحليل ديناميکي غيرخطي(تحليل تاريخچه زماني با انتگرال گيري مستقيم) قرار مي گيردو ميزان نسبت تغيير شکل ماندگار اين عضو به مقدارماکزيمم تغيير شکل تجربه شده در طي زلزله تحت عنوان قدرت بازگردانندگي اعضاي SMA بررسي مي شود.
مدل سازي مصالح با ترکيب المان هاي LINK بر اساس نتايج آزمايشگاهي موجود انجام مي گيرد.
با توجه به تحقيقات اندکي که به علت عدم توجيه اقتصادي استفاده از اين آلياژها صورت پذيرفته و با توجه به خواص منحصر به فرد آنها و کاربرد عاليشان در مهندسي زلزله ، هدف اين تحقيق دستيابي به آگاهي بيشتر از رفتار مصالح مدرن مفروض جهت کاربرد در کنترل سازه ها و بررسي نحوه تأثير نوع زلزله بر چگونگي رفتار اين آلياژها مي باشد.
بدين منظور پس از معرفي خواص و کاربرد آلياژهاي حافظه شکل و بررسي چگونگي عملکرد اين آلياژها در بروز خواصشان در فصل دوم، در فصل سوم به شرح درباره چگونگي مدل کردن SMAها مي پردازيم و در فصل چهارم به بررسي نتايج حاصل از تحقيق و ارزيابي قدرت بازگردانندگي SMAها خواهيم پرداخت.در پايان و در فصل پنجم با بحث و بررسي نتايج حاصله به نتيجه گيري و ارائه پيشنهادات خواهيم پرداخت.

فصل دوم

ادبيات و پيشينه تحقيق

در اين فصل ابعد از بيان تاريخچه ، کاربرد آلياژهاي هوشمند SMA در مهندسي عمران را بيان کرده و سپس با توجه به تحقيقات اندک صورت گرفته براي اين نوع آلياژها به بيان نمونه هايي از کاربرد تئوري و عملي اين مصالح و نتايج بکارگيري آنها پرداخته و همچنين به بررسي چگونگي بروز خواص آلياژهاي هوشمند SMAاز طريق تعريف فاز در آنها مي پردازيم.
2-1:تاريخچه
Dr.Wiliam.j.Buehler اولين نفري بود که به حافظه دار بودن اين آلياژها پي برد.
اکتشاف حقيقي خاصيت حافظه دار بودن آلياژ به طور تصادفي به دست آمد.در نشست هيئت مديره لابراتوار يک نوار از اين آلياژ که مدتها از خم شدن آن مي گذشت مهيابود.يکي از حاضران به نام ” دکتر ديويد” نوار را با فندک مخصوص پيش گرم کرد وبه طور شگفت آوري نوار کشيده شد و به حالت اوليه خود برگشت.
در سال 1932 مشاهدات ثبت شده درباره پديده حافظه داري شكلي توسطChange و Read انجام شد.آنها وارون پذيري حافظه شكلي را درAu-Cd از طريق مطالعات فلز شناسي و تغييرات مقاومت آلياژ ، بررسي كردند
در سال 1956 مشاهدات و نتايج تحقيقات مربوط به تز دكتراي Horbojen در موضوع اثر حافظه دار در آلياژCu-Zn منتشر شد. در سال 1961در لابراتوار اسلحه و مهمات نيروي دريايي White Oakبود ،که به خاصيت بي همتاو شگفت انگيز اين گونه آلياژها پي برده شد.
در سال 1963 ،Buhler و همكارانش [2]،به بررسي پديده حافظه داري شكلي در آلياژ تيتانيم و نيكل كه داراي اتمهاي برابر مي باشند پرداختند. در اين هنگام تحقيق درباره متالورژي و كاربردهاي عملي اوليه آن به طور جدي آغاز شد.
در سال 1967،Buhler و همكارانش تحقيقات گسترده خود را بررويNitionol و كاربردهاي تجاري فراوان در صنايع ارائه دادند . از جمله كاربردهاي مطرح شده ساخت كوپلينگ توسط شركت Raychem براي اتصال لوله هاي هيدروليكي مي باشد. كه در صنايع هوايي و نيروي دريايي ايالات متحده وهمچنين در حوزه هاي نفتي درياي شمال مورد استفاده قرار گرفت. و از آن پس تا کنون هر روز کاربردهاي بيشتري از اين آلياژ ارزشمند در زمينه هاي گوناگون يافت مي شود.
2-2:کاربردهاي آلياژهاي حافظه شکل
الف) : کاربردهاي کلي آلياژهاي حافظه شکل:
آلياژهاي حافظه دار کاربرد وسيعي در صنايع مختلف دارند. از جمله اين کاربردها ، کاربردهاي پزشکي و دندانپزشکي ، هوافضا ، صنايع خودروسازي ، صنايع الکتروني و البته صنايع عمراني مي باشد.
علت کاربردهاي فراوان اين ماده سه خصوصيت منحصر به فرد آن است:
1-رفتار سوپر الاستيک (ابرکشسان):همانگونه که پيشتر گفته شد اثرابرکشسان به پديده اي اطلاق مي شود که در آنSMAها (البته تحت شرائط خاص خود) مي توانند مقدار زيادي از تغييرشکل هاي غير الاستيک را متحمل شوند و پس از حذف بار شکل اوليه خود را بدون کرنش پسماند بازيابي کنند.اين خاصيت در وسايل سوپرالاستيک که انعطاف پذيري بالا و يا قابليت تحمل نيروي گشتاوري زياد نياز باشد مورد استفاده قرار مي گيرد. اين مواد توانائي جذب مقادير زياد کرنش را دارند. از جمله اين مواد آلياژ NiTi مي باشد.
2-اثر حافظه شکلي: طبق تعريف قبلي اثر حافظه شکلي به پديده اي اطلاق مي شود که در آن نمونه هاي تغيير شکل يافته اين آلياژها به واسطه اين خصوصيت منحصر به فرد در اثر اعمال يک سيکل حرارتي به شکل اوليه خود باز مي گردند.اين خاصيت در وسايل اثر حافظه داري براي بازيابي شکل ويژه جسم تحت دمائي بالاتر از دماي تغيير حالت استفاده مي شود. از اين اثر همچنين براي ايجاد نيرو يا انجام کار استفاده مي شود (مثل بست ها و اتصالات)
3- خاصيت ميرا کنندگي: همان طور که گفته شد اين آلياژها مقاومت خستگي بسيار خوبي دارند و به علاوه به راحتي تغيير فرم مي دهند و در نتيجه مي توان از اين مواد در جذب کننده هاي ارتعاش ، سيم هاي با مقاومت خستگي بالا و ابزار جراحي با خم شدن مکرراستفاده نمود .
ب) کاربرد آلياژهاي حافظه دار شکلي در مهندسي عمران:
1-كاربرد غير فعال 5: شامل سيستم هاي جداگر پي و سيستم هاي استهلاک انرژي (توسط رفتار ابر کشسان)هستند که در آن به منبع خارجي نياز نيست و نيروهاي ضربه اي و تماسي در پاسخ به حرکت سازه ها ايجاد و گسترش داده مي شوند.
2-کاربرد نيمه فعال6: ابزار کنترل نيمه فعال براي تعديل و تنظيم خصوصيات سازه اي به کار مي روند مانند تغيير فرکانس طبيعي سازه. و به طور قابل ملاحظه اي انرژي کمتري از ابزار کنترل فعال مصرف مي کنند.
3-کاربرد فعال7: در اين کاربرد يک منبع خارجي محرک هائي را براي به کارگيري نيروهائي به سازه مورد نظر جهت کنترل وارد مي کند..کاربرد اين مواد با ايجاد رفتار بازگرداننده در سازه به عنوان محرک ها و حسگرها براي کنترل ارتعاشات سازه است.
اکنون به تفضيل به بررسي هريک از اين کاربردها و تحقيقات عملي انجام شده درباره آنها مي پردازيم.
2-2-1: کنترل غير فعال
کنترل غير فعال سازه ها به وسيله SMAها در واقع از خاصيت ابرکشسان براي کاهش تغييرشکل هاي پلاستيک سازه هاي تحت بارگذاري شديد ، بهره مي گيرد
SMA ها به طور موثر مي توانند از طريق دو مکانيسم براي اين هدف به کار روند سيستم هاي جداگر (عايق) پي و سيستم مستهلک کننده انرژي.در يک سيستم جداگر پي ، SMA ها بين بخش فوقاني سازه و زمين ، به منظور ايجاد يک سيستم مجزا و زدودن انرژي لرزه اي منتقل شده از حرکت زمين به بخش بالائي سازه نصب مي شود و بنابراين خسارت وارد به بخش فوقاني (اصلي) کاهش مي يابد. در سوي ديگر ، در روش استهلاک انرژي ، اجزاي SMA مارتنزيتي يا آستنيتي ترکيب شده در سازه ، انرژي ارتعاشي تحميل شده به سازه را جذب مي کنند.(لازم به ذکر است که آلياژ نيتينول داراي دو فاز به نام هاي آستنيت8 و مارتنزيت9 است که به تفضيل در بخش هاي بعدي درباره آنها بحث خواهد شد) يک جداگر SMA ، مطابق با سطوح مختلف تحريک ، ميزان اتلاف انرژي و بازگردانندگي و سختي متغيري را در سازه به وجود مي آورد.
2-2-1-1: ابزارهاي جداگر10
سيستم هاي جداگر به کار رفته شامل ابزارهاي بازگرداننده سيمي SMAبراي ساختمان ها ، سيستم هاي جداگر فنري SMA و سيستم هاي جداگر تاندولي SMA براي قاب هاي برشي مي باشند.
در اصل براي کنترل غير فعال ارتعاشات ، فاز مارتنزيت ظرفيت ميرائي بزرگتري دارد هرچند که نيازمند گرماي خارجي به منظور ايجاد يک تغييرشکل فازي براي بازگرداندن شکل اصلي سازه مي باشد و از طرف ديگر SMA هاي سوپر الاستيک ظرفيت ميرائي کمتري دارند اما يک نيروي بازگردانندگي قوي براي بازيابي شکل اوليه سازه دارند و لذا کرنش پسماند کوچکي در اين نوع SMA ها باقي خواهد ماند.
به همين علت Docle و همکارانش[4] ميراگرهائي را ساختند که در آن از دو سري حلقه استفاده شده است . يک سري از اين حلقه ها در حالت آستنيت براي ايجاد رفتار بازگردانندگي و حلقه ديگر در حالت مارتنزيت براي افزايش ظرفيت استهلاک انرژي به کار مي روند. در اين سيستم يک مفتول SMA دور سه ميله پيچانده شده و به لوله هائي متصل مي شود که به صورت متقابل قابل حرکت هستند. يکي از اين دو لوله به سازه و ديگري به پي متصل مي باشد . وقتي که جابجائي خلاف جهت هم بين سازه و پي ايجاد مي شود مفتول ها افزايش طول داده و انرژي اعمالي مستهلک مي شود.(شکل 2-1)

شکل2-1: مدل پيشنهادي Dole [4]

2
-2-1-2:ابزارهاي اتلاف انرژي SMA11
ابزارهاي اتلاف انرژي SMA در چند حالت ديده شده اند: در بادبندها براي سازه هاي قابي ، ميراگر درپل هاي معلق کابلي و يا پل هاي با تکيه گاه ساده ، اتصالات و اجزاي اتصال و به عنوان ابزارهاي ترميم و بهسازي براي سازه هاي قديمي و تاريخي.
کاربرد SMA ها در بادبندها و پل ها به تفضيل در بخش بعدي بيان مي شود.
2-2-1-2-1: اتصالات
اتصالات در سازه هاي مختلف در هنگام زلزله ، مستعد تخريب هستند. مي توان از اتصال دهنده هاي SMA به منظور فراهم آوردن ميرائي و تحمل تغييرشکل هاي نسبتاً بزرگ استفاده نمود.
Spulveda و همکارانش [9]4 ميله SMA به قطر 3 و طول 240 ميلي متر را براي محل هاي خاص طراحي نموده و سپس مهار کردند و آزمايش ها را به صورت چرخشي انجام دادند . در طول آزمون هاي مختلف ، ميله هاي به کار رفته در سيستم ، کرنش بالاي 1.7درصد را به ازاي نسبت ميرائي بالاي 5.5 درصد تحمل نموده و دوران هاي بالاي 0.03 راديان را بدون هيچ خرابي يا تغيير مکان هاي پسماند از خود نشان دادند. بعد از 216 چرخه ، هيچ نشانه اي از افت در ميله ها مشاهده نگرديد و کرنش هاي پسماند يا بجا مانده در ميله هاي SMA قابل چشم پوشي بود.(شکل 2-2)

شکل2-2:نمونه آزمايشي Spulveda [9]
2-2-1-2-2: تقويت و بهسازي سازه هاي قديمي
به منظورترميم برج ناقوس کليساي S.Gorgio در ايتاليا که به صورت جدي به وسيله زلزله 15 اکتبر 1996 آسيب ديده بود، ميله هاي SMA سوپرالاستيک به کار گرفته شد[3].
به اين ترتيب که از چهار ميله فولادي پيش کشيده به همراه12SMAD استفاده گرديد . اين ميله ها در چهار گوشه برج از پي تا سقف کشيده شده و در دو انتها مهار گرديد. (شکل 2-3)
با اين روش مقدار نيروي اعمال شده به ستون ها در زلزله در سطح زير ظرفيت باربري محوري ستون در نظر گرفته شده و مقاومت خمشي سازه افزايش مي يابد.

شکل2-3 : بهسازي کليساي S.Gorgio[3]

ديده شد که ميله هاي SMA که در طول ارتفاع برج قرار گرفتند و در پي برج محکم شدند ، سازه را تقويت مي کنند و فرکانس هاي کيفي آن را افزايش مي دهند. اين برج تاريخي پس از زلزله اي مشابه در سال 2000 سالم ماند.

2-2-2: SMAها براي کنترل فعال سازه ها
در اين کاربرد از ويژگي بازگردانندگي شکلي سيم هاي SMA سوپر الاستيک استفاده مي شود.
Li و همکارانش [7]يک تير بتن مسلح که به طور موقت توسط سيم هاي SMAتقويت شده بود را مورد مطالعه آزمايشگاهي قرار دادند. SMA هاي به کار رفته در اين آزمايش با قطر 2 ميلي متر و از جنس نيکل – تيتانيوم است (شکل 2-4). کل فرآيند آزمايش به سه مرحله تقسيم گرديد: در مرحله 1 نمونه تا زماني که تغيير مکان وسط نمونه از مقدار تسليم که 5.5 ميلي متر است تجاوز کند بارگذاري گرديده و سپس باربرداري شدند. در مرحله دوم سيم هاي SMA به وسيله يک جريان الکتريکي ثابت که به بتن اعمال مي گرديد گرم شدند . نيروهاي بازگرداننده موجب کاهش در تغيير طول نمونه و سپس موجب بستن شکاف هاي ايجاد شده در بتن گرديد . در مرحله سوم نيز صفحه اي از نوع CFRP به پائين نمونه اضافه گرديد (اين صفحه سختي نسبتا بيشتري ازSMA به نمونه مي بخشيد). نتايج نشان داد که نمونه فاقد ميله هاي تقويت کننده فولادي ، در کاهش تغيير شکل ها بهتر عمل مي کنند و همچنين افرايش تعداد سيم هاي SMA ، تغيير شکل هاي پسماند را بيشتر کاهش مي دهد.وبه اين ترتيب به مفهوم جديدي ازبتن تقويت شده هوشمند (IRC) مي رسيم.


پاسخ دهید