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.   

فهرست

فصل اول: مقدمه و کلیات تحقیق .....................................................................................1

1-1:معرفی آلیاژهای حافظه شکل ............................................................................................2

1-2: اهداف و ساختار پایان نامه .......................................................................................................... ...........4

فصل دوم: ادبیات و پیشینه تحقیق............................................................................................. ..................5

2-1:تاریخچه.................................................... ...........................................................................6                                                                                         

     2-2:کاربرد آلیاژهای حافظه شکل.................................................................... ...........6

2-2-1: کنترل غیر فعال................................................................. .................7

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

2-2-1-2:ابزارهای اتلاف انرژی SMA.............................................. ........9

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 ترمومكانيكي............................................................................................. .............18

2-3-3-4: تعریف خاصيت ارتجاعي كاذب..................................................................................................... ............19

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

2-4: كريستالوگرافي آلیاژ Nitinol.................................................................................................. ..................20

2-4-1 :  تغيير حالت هاي مارتنزيتي و پديده حافظه دار شدن...................................... ............20

2-4-2:تغيير حالت تبديل آستنيت به مارتنزيت .............................................. ......20

2-4-3: بررسي پديده حافظه داري ......................................................................................................... ...........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......................................... ........24

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

فهرست جداول

جدول 2-1: سایر ویژگی های مدل]16[........................................................................................ ..........................25

جدول 2-2: مشخصات دیوار برشی بتنی مرجع[14]........................................ ........35

جدول 2-3: ویژگی های مدل به کار رفته شده[13[..................................................................................................... .....39

      جدول 3-1:مشخصات مدل انتخاب شده................................................................................................... ............46

جدول 4-1: نتایج حاصل از تحلیل..................................................................................................... ........67

جدول 5-1:تعریف انواع زلزله بر حسب شتاب.............................................................................. .......................72

جدول 5-2: میانگین نسبت جابجائی ماندگار به جابجائی ماکزیمم بر حسب نوع زلزله................................ .....72

جدول 5-3:تعریف انواع زلزله بر حسب زمان....................................................................................... .............73

جدول 5-4: میانگین نسبت جابجائی ماندگار به جابجائی ماکزیمم بر حسب مدت زلزله................................ ......73

جدول 5-5: تعریف انواع زلزله بر حسب فاصله از گسل(کیلومتر)........................ ......................73

جدول 5-6: میانگین نسبت جابجائی ماندگار به جابجائی ماکزیمم بر حسب فاصله از گسل

(کیلومتر)................................................................................................................................... 73

جدول 5-7:تعریف انواع زلزله بر حسب بزرگی(ریشتر)....................................................... ..............................74

جدول 5-8: میانگین نسبت جابجائی ماندگار به جابجائی ماکزیمم بر حسب بزرگی زلزله............................... ....74

فهرست شکل ها

شکل2-1: مدل پیشنهادی Dole[4]............................................................................................. ........................9

شکل2-2:نمونه آزمایشی Spulveda[9]................................................................................................. ...........10

شکل2-3 : بهسازی کلیسای S.Gorgio[3].......................................................................................... ..................10

شکل2-4 : نمونه های مقاوم شده با سیم SMA[7]................................... ................11

شکل 2-5 : مدهای عملکرنرم و سخت[8]......................................................................................... ...............12

شکل 2-6: نصب رشته SMA به حلقه[8].............................................................................................. ........12

شکل 2-7: اثر دما روی رفتار فازی نیتینول.................................................................................................... ....14

شکل 2-8: پروسه انتقال...................................................................................... ...................14

شکل 2-9: منحنی خاصیت حافظه شکلی.................................................................................................. ...............15

شکل 2-10 : پروسه انتقال برگشت................................................................................................... .............15

شکل 2-11:منحنی رفتار فوق ارتجاعی آلیاژهای حافظه دار شکلی........................................ ......16

شکل 2-12:منحنی رفتار نیمه فوق ارتجاعی آلیاژهای حافظه دار شکلی......................................... .....16

شکل 2-13:مفهوم اثر حافظه داری یک طرفه................................................................................................. ............17

شکل 2-14: مفهوم اثر حافظه داری دو طرفه........................................................................................................ ......18

شکل2-15: نمودار تنش – کرنش نیتینول........................................................................................ ....................18

شکل2-16: تغییر فرم شبکه ای آستنیت به مارتنزیت............................... .................20

شکل 2-17: انطباق مارتنزیت بر آستنیت(الف مکانیزم افزایش یافتن صفحات اتمی و ب

مکانیزم تشکیل دو قلوئی)................. ...............21   

شکل 2-18:تشکیل دوقلوئی................................................................ ...........................................22

      شکل 2-19: مکانیسم پدیده حافظه داری.............................................................. .................................23

شکل 2-20 : مدل به کار گرفته شده در تحقیق[16]............................................................................................. ......24

شکل 2-21  نمودار تغییر مکان افقی تراز سقف بر حسب زمان تحت حداکثر شتاب افقی وارد

بر کف سازه [16]..................................................................................................................... 25

شکل 2-22:نمودار نیرو- تغییر مکان محوری بادبندهای طبقه اول تحت حداکثر شتاب افقی

وارد بر کف سازه [16]....................... ..........26 

شکل 2-23:نمودارتغییرات تغییر مکان مانده سقف پس از زلزله نسبت به حداکثر شتاب

زمین[15]................................... .... 26

      شکل 2-24:انواع ترکیب های مهاربندی فولادی و SMA....................................... ............27

      شکل 2-25 : پلان سازه مدل شده[11]................................................................. ........28

      شکل 2-26 : انواع مهاربندهای مدل شده[11] ............................................ ......28

شکل 2-27: نحوه SMAبه کاررفته شده درمدل درانواع A,B[11]..................................... ..........28

شکل 2-28 : مشخصات زلزله های به کار رفته[11]................................. ..............29

      شکل 2-29:جابجادی سقف طبقات در زلزله ال سنترو[11].................................. ..........29

      شکل 2-30نمودارجابجائی حداکثر بین طبقه ای بر حسب تعدادطبقات[11]............................30

      شکل 2-31نمودارجابجائی حداکثر بین طبقه ای بر حسب تعداد طبقات[11]................................... ........30

      شکل 2-32نمودار جابجائی ماندگار سقف بر حسب تعداد طبقه در زلزله ال سنترو[11].   ......30

      شکل 2-33نمودار جابجائی ماندگار سقف بر حسب تعداد طبقه در زلزله ال سنترو[11].........31  

      شکل 2-34نمودار  جابجائی ماندگار سقف بر حسب تعداد طبقه در زلزله کوب[11]..............31

      شکل 2-35نمودارجابجائی ماندگار سقف بر حسب تعداد طبقات در زلزله کوب[11].............31

      شکل 2-36نمودار جابجائی ماندگار سقف بر حسب تعداد طبقه در زلزله طبس[11]...............32

      شکل 2-37نمودارجابجائی 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 ضعیف[15]................................ ...............33

      شکل 2-40: پاسخ پل تحت زلزله متوسط[15].............................. ..................33

      شکل 2-41: پاسخ پل تحت زلزله شدید[15].................................................... ...............................33

      شکل 2-42:هیسترزیس دو سیستم تحت دو تحریک متوسط و شدید[15]................................... ..........34

      شکل 2-43 برش پایه تحت زلزله شدید در هردو سیستم[15].................................... .......................34

      شکل 2-44: مشخصات دیوار برشی مدل شده[14].................................... ..........35

     شکل 2-45: نتایج حاصل از بارگداری استاتیکی یکنواخت در دیوار بتنی مجهز شده به آلیاژهای

     هوشمند با خاصیت حافظه دار شکلی[14]................................................................................................. ...........36

     شکل 2-46: نتایج حاصل از بارگداری استاتیکی یکنواخت در دیوار بتنی مجهز شده به آلیاژهای

     هوشمند با خاصیت فوق الاستیک[14]........................................................................ ...................................36

     شکل 2-47: نتایج حاصل از بارگداری استاتیکی متناوب در دیوار بتنی مجهز شده به آلیاژهای   

     هوشمند با خاصیت حافظه دار شکلی[14].................................... ..........37

    شکل 2-48: نتایج حاصل از بارگداری استاتیکی متناوب در دیوار بتنی مجهز شده به آلیاژهای

    هوشمند با خاصیت فوق الاستیک[14]...................................................................................... ............................37

    شکل 2-49: مشخصات مدل به کار رفته شده[13].................................. ..............38

    شکل 2-50:جابجائی راس سازه بدون تقویت در مدت زمان یک زلزله و نوسان آزاد پس از آن  

    [13]...................................... .....39

   شکل 2-51:جابجائی راس سازه تقویت شده  در مدت زمان یک زلزله و نوسان آزاد پس از آن    

    [13]..................................... ......40

 شکل 2-52: جابجائی بیشینه در ارتفاع طبقات در هنگام اولین زلزله[13]..................................... ....40

 شکل 2-53: جابجائی راس سازه تعمیر نشده در مدت زمان زلزله ، پس لرزه قوی و 25 ثانیه        

 نوسان آزادپس از هرکدام[13]................................................................... .................................40

شکل 2-54: جابجائی راس سازه تعمیر شده در مدت زمان زلزله ، پس لرزه قوی و 25 ثانیه نوسان

آزاد پس از هرکدام[13]........................................................ ........................................41

شکل2-55جابجائی بیشینه درارتفاع طبقات درهنگام پس لرزه[13]................................. .............41

شکل 2-56: درصد بیشینه تغییرشکل نسبی در هر طبقه در مدت زمان وقوع پس لرزه[13].................................. ......41

شکل 2-57: تغییرشکل ماندگار نسبی در طبقات پس از اتمام تحریک پس لرزه[13[................................... ..........42

شکل 3-1: ارتباط نیرو با تغییر مکان برای SMA ها............................................................................... ....................44

شکل 3-2: مشخصات مکانیکی سیم های Ni Ti .................................................................................. ...................45

شکل 3-3:مشخصات مدل مورد استفاده .................................................................................. ........................46

شکل 4-1: نمودار نیرو – تغییر مکان برای المان PW.................................... ..................54

شکل 4-2: نمودار نیرو-تغییر مکان برای المان ME ............................... ..............................54

شکل 4-3:نمودار جابجائی بر حسب زمان برای زلزلهNGA=183..................................... ..........55

شکل 4-4:نمودار جابجائی بر حسب زمان برای زلزلهNGA=186................................. ........55

شکل 4-5:نمودار جابجائی بر حسب زمان برای زلزلهNGA=368............................ ..................56

شکل 4-6:نمودار جابجائی بر حسب زمان برای زلزلهNGA=369............................................ ......................56

شکل 4-7:نمودار جابجائی بر حسب زمان برای زلزلهNGA=408 ........................................... .........57

شکل 4-8:نمودار جابجائی بر حسب زمان برای زلزلهNGA=411 ............................................ ......57

شکل 4-9:نمودار جابجائی بر حسب زمان برای زلزلهNGA=451  ............................................ .......58

شکل 4-10: نمودار جابجائی بر حسب زمان برای زلزله NGA=601 ....................................... ................58

شکل 4-11: نمودار جابجائی بر حسب زمان برای زلزله NGA=621...................................... .........59

شکل4-12: : نمودار جابجائی بر حسب زمان برای زلزلهNGA=627 ...................................... ....................59

شکل 4-13:نمودار جابجائی بر حسب زمان برای زلزلهNGA=685 ........................................ ................60

شکل 4-14:نمودار جابجائی بر حسب زمان برای زلزلهNGA=725........................ .........................60

شکل 4-15:نمودار جابجائی بر حسب زمان برای زلزله NGA=733................................... .............61

شکل 4-16:نمودار جابجائی بر حسب زمان برای زلزله NGA=745.............................. ........................61

شکل 4-17:نمودار جابجائی بر حسب زمان برای زلزله NGA=816 .................................... ........................62

شکل 4-18:نمودار جابجائی بر حسب زمان برای زلزله NGA=934.................................... ............62

شکل 4-19:نمودار جابجائی بر حسب زمان برای زلزله NGA=995............................... .....................63

شکل 4-20:نمودار جابجائی بر حسب زمان برای زلزله NGA=1120................................. ................63

شکل 4-21 :نمودار جابجائی بر حسب زمان برای زلزله NGA=1135.............................. .......................64

    شکل 4-22: :نمودار جابجائی بر حسب زمان برای زلزله NGA=1431.................................... ...........64

    شکل 4-23:نمودار جابجائی بر حسب زمان برای زلزله NGA=1450................................. ................65

    شکل 4-24:نمودار جابجائی بر حسب زمان برای زلزله NGA=1453.........................   ..............65