2-2-1-1: ابزارهای جداگر ……………………………………………………………………..8

2-2-1-2:ابزارهای اتلاف انرژی SMA……………………………………………………….

2-2-1-2-1: اتصالات…………………………………………………………………………..9

2-2-1-2-2: تقویت و بهسازی سازه های قدیمی…………………………………………10

2-2-2: SMAها برای کنترل فعال سازه ها……………………………………………………11

2-2-3: SMAها برای کنترل نیمه فعال سازه ها……………………………………………..11

2-3:چگونگی بروز خواص آلیاژهای حافظه دار شکلی……………………………………..12

2-3-1: تعریف ها و بیان ویژگی های فاز های آلیاژ نیتینول………………………………….13

2-3-2: نحوه انتقال فازهای آلیاژهای نیتینول…………………………………………………14

2-3-2-1:انتقال فاز برگشت یا معکوس (تبدیل مارتنزیت به آستنیت) …………………….14

2-3-2-2: انتقال فاز رفت یا مستقیم (تبدیل آستنیت به مارتنزیت)……………………..15

2-3-3: سایر ویژگی های تبدیل فاز………………………………………………………….17

2-3-3-1: اثر سرعت بارگذاری در رفتار آلیاژهای حافظه دار شکلی……………………….17

2-3-3-2: اثر حافظه داری یک طرفه و دو طرفه……………………………………………….17

2-3-3-3:رفتار ترمومكانیكی………………………………………………………………….18

2-3-3-4: تعریف خاصیت ارتجاعی كاذب………………………………………………………19

2-3-3-5: تنش بازیافتی و نیروی محرک……………………………………………………….19

2-4: كریستالوگرافی آلیاژ Nitinol……………………………………………………………

2-4-1 :  تغییر حالت های مارتنزیتی و پدیده حافظه دار شدن……………………………..20

2-4-2:تغییر حالت تبدیل آستنیت به مارتنزیت ……………………………………………..20

2-4-3: بررسی پدیده حافظه داری ……………………………………………………………22

2-5:پیشینه تحقیق…………………………………………………………………………….24

2-5-1: مقایسه رفتار لرزه ای سیستم های دارای بادبند ساخته شده از آلیاژهای حافظه دار شکلی سیستم های دارای بادبند BRB…..

2-5-2:کنترل غیرفعال در پلها توسط آلیاژهای هوشمند………………………………….32

2-5-3: تقویت و بهسازی سازه های بتنی(دیوار برشی) با استفاده از آلیاژهوشمند…. 34

فصل سوم: روش تحقیق………………………………………………………………………43

3-1: مشخصات مکانیکی SMAهای مورد استفاده ……………………………………….44

3-2:مشخصات مدل ………………………………………………………………………….45

3-3: شبیه سازی کامپیوتری ……………………………………………………………….47

فصل چهارم: محاسبات و یافته های تحقیق ………………………………………………53

فصل پنجم:نتیجه گیری و پیشنهادات………………………………………………………..71

5-1: تحلیل نتایج ……………………………………………………………………………..74

5-2: پیشنهاد………………………………………………………………………………..75

منابع و مآخذ……………………………………………………………………………………..76

چکیده:

زلزله به عنوان یکی از مخرب ترین حوادث طبیعی قلمداد می شود. از این رو طراحی ایمن ساختمان ها در برابر زلزله یکی از پرحاشه ترین زمینه های مطرح در مهندسی عمران می باشد.یکی از روش های مناسب برای کاهش اثرات تخریبی زلزله و جدا شدن از روش های سنتی استفاده از سیستم ها و مصالح هوشمند است. از مهمترین گروه های این نوع مصالح میتوان به آلیاژهای هوشمند حافظه دار، که در اصطلاح به آن     SMA(Shape memory alloy) گفته میشود اشاره کرد . این نوع آلیاژها به علت دارا بودن تغییر شکل ماندگار ناچیز، از یک طرف باعث جلوگیری از آسیب زیاد به سازه در حین وقوع زلزله می شوند و از طرف دیگر با دارا بودن خاصیت ترمیم پذیری بالا امکان بهره برداری از سازه  را پس از وقوع زلزله فراهم می کنند.با توجه به نوین بودن این مصالح تحقیقات بسیار اندکی روی آن صورت گرفته و در صنعت ساختمان سازی کمتر مورد توجه قرار گرفته است.در این پایان نامه سعی بر آن شده است که ضمن معرفی بیشتر این نوع مصالح و مکانیزم عملکرد آنها ،قدرت بازگردانندگی SMAها پس از تغییر شکل که به صورت نسبت تغییر شکل ماندگار پس از وقوع زلزله به ماکزیمم تغییر شکل تجربه شده در طول زلزله محاسبه میشود،  بررسی گردد. به علاوه، میزان تاثیر شتاب زلزله بر نحوه عملکرد SMA  ها مورد ارزیابی قرار گرفته است.به این منظور یک سیستم یک درجه آزادی از این آلیاژ به صورت قطعه ای از یک بادبند در نرم افزار SAP و به صورت المان های link(ترکیبی از المان های ME و PW) مدل گردید.  مدل طراحی شده تحت بار102 زلزله مختلف با PGA بین o.2g تا  0.8g به روش تحلیل دینامیکی غیر خطی تاریخچه زمانی تحلیل شده و قدرت بازگردانندگی این قطعه بررسی گردید.

که در نهایت مشخص شد آلیاژهای حافظه شکل سوپر الاستیک این قابلیت را دارند که به طور میانگین حدود 86 درصد از تغییر شکل ایجاد شده در طول زلزله را بازگردانده و تنها حدود 14 درصد آن را جذب کنند که این مقدار نیز تا حدود زیادی با اعمال گرما از بین رفته و آلیاژ حافظه دار به نزدیکی شکل اولیه اش باز می گردد .در نتیجه ، استفاده از این آلیاژهای هوشمند در طراحی ساختمان ها کمک شایانی به کاهش اثرات تخریبی زلزله می تواند داشته باشد.

فصل اول: مقدمه و کلیات تحقیق

در این فصل ابتدا به معرفی آلیاژهای هوشمند حافظه شکل و خواص آنها پرداخته و در ادامه به بیان اهداف و ساختار پایان نامه می پردازیم.

1-1- معرفی آلیاژهای حافظه شکل

از زمان توجه به زلزله و اثرات مخرب آن در سازه های مختلف سالهاست که می گذرد و همچنان زلزله به عنوان یکی از مخربترین حوادث طبیعی معرفی می شود.

طراحی ایمنی ساختمان ها در برابر زلزله همچنان یکی از پرحاشه ترین زمینه هائی است که مهندسی سازه با آن مواجه است، اما باافزایش دانش و اطلاعات نسبت به فعالیتهای لرزه ای و پاسخ های سازه ای و با دسترسی به فناوری جدید تمرکز فکری طراحان تغییر پیدا کرده است.خرابی بسیاری از سازه های طراحی شده با روش های سنتی و همچنین پیشرفت روش های تحلیلی و بهبود چشمگیر عملکرد یارانه ها از جمله عوامل تغییر در فلسفه طراحی سازه ها در سالهای اخیر بوده اند.امروزه ثابت شده که طراحی سازه ها به صورتی که برای مقابله با زلزله های شدید رفتار کاملاً الاستیک داشته باشند از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه نمی باشد. امروزه به جای  طراحی ساده جهت جلوگیری از تخریب سازه ها سعی طراحان بر آن است که در مدت زمان وقوع زلزله از پدید آمدن خسارت سازه ای ماندگار در سازه جلوگیری کنند و حتی بهره برداری از سازه را پس از وقوع زلزله امکان پذیر سازند.

در نتیجه در طراحی سازه ها از روش هائی مانند کنترل غیر فعال سازه ها در برابر زلزله استفاده می شود. در این روش برخی اعضای سازه ای خسارت هائی را در هنگام زلزله شدید متقبل می شوند تا بدین وسیله تنش(تلاش) های وارد بر اعضای اصلی مانند ستون ها کاهش یافته و از این طریق سازه از آسیب عمده در امان بماند.

یکی از شیوه های جدید کنترل سازه ها در برابر زلزله استفاده از سیستم های هوشمند است.

سیستم های هوشمند در سازه های مهندسی سیستم هائی هستند که به طور خودکار قابلیت انطباق رفتار سازه در پاسخ به بارگذاری غیر مترقبه  را دارا می باشند تا بدین وسیله ایمنی ، افزایش عمر و کارائی سازه تامین گردد.

یکی از تکنولوژی های جدید که امکان دستیابی به این هدف را میسر می سازد ، ساخت و توسعه مواد هوشمند است.

این مطلب را هم بخوانید :

مواد هوشمند موادی هستند که موقعیت ها را به خاطر می سپارند و با محرک های مشخص می توانند به آن موقعیت بازگردند. یعنی در شرایط مختلف محیطی تغییر فیزیکی پیدا می کنند. به عبارت دیگر می توان گفت مواد و سازه های هوشمند اشیائی هستند که شرایط محیطی را حس میکنند و با پردازش اطلاعات بدست آمده نسبت به محیط واکنش نشان می دهند.

در اکثر موارد این مواد از توانائی پاسخ به بیش از یک شرایط محیطی برخوردار هستند و پاسخ آنها قابل پیش بینی است.

دسته مهم و معروفی از مواد هوشمند فلزهائی هستند که به آلیاژهای حافظه دار (SMA)[1] معروفند.

هوشمند بودن این مصالح از آن جهت است که می توانند در فازهای متفاوت رفتاری ، پاسخ های  متفاوتی از خود نشان دهند. این مصالح هوشمند نه تنها به دلیل خاصیت میرائی خود باعث اتلاف انرژی در هنگام زلزله می شوند بلکه این قابلیت را دارند که بعد از وارد شدن زلزله سازه را به حالت اولیه برگردانند.

سه ویژگی ممتاز این مواد عبارتست از:حافظه داری ، سوپر الاستیسیته و قابلیت میرائی بالا.

الف) حافظه داری[2]  : SMA ها دارای نوعی خاصیت تعلیم پذیری می باشند که به آن اصطلاحاً اثر حافظه شکل می گویند. اثر حافظه شکل عبارت است از قابلیت بازیافت یک شکل معین وقتی که به آلیاژ تا دمای  معینی حرارت داده شود.

یعنی اگر SMA ها با ترکیب شیمیائی مشخص تحت عملیات حرارتی مناسبی قرار گیرند توانائی بازگشت به شکل یا اندازه از قبل تعیین شده را از خود نشان می دهند.

این مواد را حافظه دار می نامند زیرا می توان آنها را به هر شکلی درآورد و سپس با یک عامل خارجی (مانند گرم کردن یا جریان الکتریسیته) به حالت اولیه بازگرداند.به همین دلیل گفته می شود که این مواد شکل اولیه خود را به خاطر می آورند.

پس اینکه SMA ها حافظه دار هستند یعنی قابلیت ذخیره سازی انرژی مکانیکی و نیز آزادسازی آن را دارا هستند.

ب) قابلیت میرائی بالا[3]  هنگامی که ساختمان ها در معرض زلزله یا امواج تحریک ناشی از انفجار قرار می گیرند ضروری است بخشی از محتوای انرژی تحمیل شده  به سازه از طریق مسیرها و فرایندهای مشخص و دارای ظرفیت جذب انرژی کافی به شیوه ایمن و با کمترین خسارت ممکن مستهلک گردد تا از تاثیرات مخرب یک چنین پدیده ای با الگوهای بارگذاری نا مشخص و غیر قابل پیش بینی کاسته شود.

آلیاژهای حافظه دار شکلی نسبت به سیستم های متداول مستهلک کننده انرژی دارای مزایا و ویژگی های منحصر به فردی هستند که از آن جمله می توان به عدم نیاز به تعویض پس از زلزله ، مقاومت بالا در برابر خوردگی و خستگی ، ظرفیت شکل پذیری بالا، ظرفیت میرائی بالا، دوام ، قابلیت بازگشت به حالت اولیه به وسیله اعمال دما و تحمل کرنش بدون باقی گذاشتن کرنش پسماند اشاره کرد.

ج) سوپر الاستیسیته[4] :از جمله مهمترین خصوصیات این آلیاژها عدم باقی ماندن تنش و کرنش پس ماند بعد از انجام بارگذاری لرزه ای است.یعنی بعد از اینکه این آلیاژ در اثر بارگذاری لرزه ای جاری شدو انرژی لرزه ای را مستهلک نمود توانائی بازگشت به حالت اولیه را دارد. البته این امر در برخی از فازهای این آلیاژ میسر است.

این آلیاژها در بیشتر موارد شامل Cu-Al-Niو Cu-Zn-Alو Ni-Tiهستند که ما در این پایان نامه خواص آلیاژ Ni-Ti  را بررسی می کنیم.