فهرست فصل اول: مقدمه و کلیات تحقیق.....11-1:معرفی آلیاژهای حافظه شکل .....21-2:اهداف و ساختار پایان نامه .......4فصل دوم: ادبیات و پیشینه تحقیق...........52-1:تاریخچه........62-2:کاربرد آلیاژهای حافظه شکل.......62-2-1: کنترل غیر فعال........72-2-1-1: ابزارهای جداگر .......82-2-1-2:ابزارهای اتلاف انرژی SMA.........92-2-1-2-1: اتصالات.................................................................................................................92-2-1-2-2: تقویت و بهسازی سازه های قدیمی....................................... .......102-2-2: SMAها برای کنترل فعال سازه ها.......................................................................................................... ........112-2-3: SMAها برای کنترل نیمه فعال سازه ها.......................................................................................... ...........112-3:چگونگی بروز خواص آلیاژهای حافظه دار شکلی..................................................122-3-1: تعریف ها و بیان ویژگی های فاز های آلیاژ نیتینول....................................................132-3-2: نحوه انتقال فازهای آلیاژهای نیتینول............................................................................................... .....142-3-2-1:انتقال فاز برگشت یا معکوس (تبدیل مارتنزیت به آستنیت) ................................... .........................142-3-2-2: انتقال فاز رفت یا مستقیم (تبدیل آستنیت به مارتنزیت)............................ ......................152-3-3: سایر ویژگی های تبدیل فاز.......................................................................................... .......................172-3-3-1: اثر سرعت بارگذاری در رفتار آلیاژهای حافظه دار شکلی......................................... ......172-3-3-2: اثر حافظه داری یک طرفه و دو طرفه......................................................172-3-3-3:رفتار ترمومكانيكي.............................................................................................. .............182-3-3-4: تعریف خاصيت ارتجاعي كاذب...................................................................................................... ............192-3-3-5: تنش بازیافتی و نیروی محرک...........................................................................192-4: كريستالوگرافي آلیاژ Nitinol................................................................................................... ..................202-4-1 : تغيير حالت هاي مارتنزيتي و پديده حافظه دار شدن....................................... ............202-4-2:تغيير حالت تبديل آستنيت به مارتنزيت ....................................................202-4-3: بررسي پديده حافظه داري .......................................................................................................... ...........222-5:پیشینه تحقیق..................................................................................................... .............242-5-1: مقایسه رفتار لرزه ای سیستم های دارای بادبند ساخته شده از آلیاژهای حافظه دار شکلی سیستم های دارای بادبند BRB......................................... ........242-5-2:کنترل غیرفعال در پلها توسط آلیاژهای هوشمند........................................ ....322-5-3: تقویت و بهسازی سازه های بتنی(دیوار برشی) با استفاده از آلیاژهوشمند............................. .............. 34فصل سوم: روش تحقیق................................................................. ...............................................433-1: مشخصات مکانیکی SMAهای مورد استفاده ...................................... ...................443-2:مشخصات مدل .............................................................................................. .......................453-3: شبیه سازی کامپیوتری ....................................................................................................... ..................47 فصل چهارم: محاسبات و یافته های تحقیق ................................................................................................. ........53 فصل پنجم:نتیجه گیری و پیشنهادات............................................................................................... ...........715-1: تحلیل نتایج ............................................................................ ..............................................745-2: پیشنهاد.......................................... ........................................................75منابع و مآخذ................................................................................................... ..................76 فهرست جداولجدول 2-1: سایر ویژگی های مدل]16[........................................................................................ ..........................25جدول 2-2: مشخصات دیوار برشی بتنی مرجع[14]................................................35جدول 2-3: ویژگی های مدل به کار رفته شده[13[..................................................................................................... .....39جدول 3-1:مشخصات مدل انتخاب شده................................................................................................... ............46جدول 4-1: نتایج حاصل از تحلیل....................................................................................................... ........67جدول 5-1:تعریف انواع زلزله بر حسب شتاب.............................................................................. .......................72جدول 5-2: میانگین نسبت جابجائی ماندگار به جابجائی ماکزیمم بر حسب نوع زلزله................................ .....72جدول 5-3:تعریف انواع زلزله بر حسب زمان....................................................................................... .............73جدول 5-4: میانگین نسبت جابجائی ماندگار به جابجائی ماکزیمم بر حسب مدت زلزله................................ ......73جدول 5-5: تعریف انواع زلزله بر حسب فاصله از گسل(کیلومتر)......................... ......................73جدول 5-6: میانگین نسبت جابجائی ماندگار به جابجائی ماکزیمم بر حسب فاصله از گسل(کیلومتر)................................................................................................................................... 73جدول 5-7:تعریف انواع زلزله بر حسب بزرگی(ریشتر)........................................................ ..............................74جدول 5-8: میانگین نسبت جابجائی ماندگار به جابجائی ماکزیمم بر حسب بزرگی زلزله............................... ....74 فهرست شکل ها شکل2-1: مدل پیشنهادی Dole[4].............................................................................................. ........................9شکل2-2:نمونه آزمایشی Spulveda[9].................................................................................................. ...........10شکل2-3 : بهسازی کلیسای S.Gorgio[3].......................................................................................... ..................10شکل2-4 : نمونه های مقاوم شده با سیم SMA[7]...................................................11شکل 2-5 : مدهای عملکرنرم و سخت[8]......................................................................................... ...............12شکل 2-6: نصب رشتهSMAبه حلقه[8].............................................................................................. ........12شکل 2-7: اثر دما روی رفتار فازی نیتینول.................................................................................................... ....14شکل 2-8: پروسه انتقال...................................................................................... ...................14شکل 2-9: منحنی خاصیت حافظه شکلی.................................................................................................. ...............15شکل 2-10 : پروسه انتقال برگشت.................................................................................................... .............15شکل 2-11:منحنی رفتار فوق ارتجاعی آلیاژهای حافظه دار شکلی......................................... ......16شکل 2-12:منحنی رفتار نیمه فوق ارتجاعی آلیاژهای حافظه دار شکلی......................................... .....16شکل 2-13:مفهوم اثر حافظه داری یک طرفه................................................................................................. ............17شکل 2-14: مفهوم اثر حافظه داری دو طرفه......................................................................................................... ......18شکل2-15: نمودار تنش – کرنش نیتینول........................................................................................ ....................18شکل2-16: تغییر فرم شبکه ای آستنیت به مارتنزیت............................... .................20شکل 2-17: انطباق مارتنزیت بر آستنیت(الف مکانیزم افزایش یافتن صفحات اتمی و ب مکانیزم تشکیلدو قلوئی)................................21 شکل 2-18:تشکیل دوقلوئی................................................................. ...........................................22شکل 2-19: مکانیسم پدیده حافظه داری............................................................... .................................23شکل 2-20 : مدل به کار گرفته شده در تحقیق[16]............................................................................................. ......24شکل 2-21 نمودار تغییر مکان افقی تراز سقف بر حسب زمان تحت حداکثر شتاب افقی واردبر کف سازه [16]..................................................................................................................... 25شکل 2-22:نمودار نیرو- تغییر مکان محوری بادبندهای طبقه اول تحت حداکثر شتاب افقیوارد بر کف سازه [16].................................26شکل 2-23:نمودارتغییرات تغییر مکان مانده سقف پس از زلزله نسبت به حداکثر شتابزمین[15]................................... .... 26شکل 2-24:انواع ترکیب های مهاربندی فولادی وSMA....................................... ............27شکل 2-25 : پلان سازه مدل شده[11]................................................................. ........28شکل 2-26 : انواع مهاربندهای مدل شده[11] ............................................. ......28شکل 2-27: نحوه SMAبه کاررفته شده درمدل درانواع A,B[11]..................................... ..........28 شکل 2-28 : مشخصات زلزله های به کار رفته[11]................................. ..............29شکل 2-29:جابجادی سقف طبقات در زلزله ال سنترو[11].................................. ..........29شکل 2-30نمودارجابجائی حداکثر بین طبقه ای بر حسب تعدادطبقات[11]............................30شکل 2-31نمودارجابجائی حداکثر بین طبقه ای بر حسب تعداد طبقات[11]................................... ........30شکل 2-32نمودار جابجائی ماندگار سقف بر حسب تعداد طبقه در زلزله ال سنترو[11]. ......30شکل 2-33نمودار جابجائی ماندگار سقف بر حسب تعداد طبقه در زلزله ال سنترو[11].........31شکل 2-34نمودار جابجائی ماندگار سقف بر حسب تعداد طبقه در زلزله کوب[11]..............31شکل 2-35نمودارجابجائی ماندگار سقف بر حسب تعداد طبقات در زلزله کوب[11].............31شکل 2-36نمودار جابجائی ماندگار سقف بر حسب تعداد طبقه در زلزله طبس[11]...............32شکل 2-37نمودارجابجائی ماندگار سقف بر حسب تعداد طبقات در زلزله طبس[11]................................. .....32شکل 2-38: مشخصات سازه مدل شده[15]...................................................... .............................33شکل 2-39: پاسخ پل تحت زلزله ضعیف[15]................................. ...............33شکل 2-40: پاسخ پل تحت زلزله متوسط[15]................................................33شکل 2-41: پاسخ پل تحت زلزله شدید[15]..................................................... ...............................33شکل 2-42:هیسترزیس دو سیستم تحت دو تحریک متوسط و شدید[15]................................... ..........34شکل 2-43 برش پایه تحت زلزله شدید در هردو سیستم[15].................................... .......................34شکل 2-44: مشخصات دیوار برشی مدل شده[14].................................... ..........35شکل 2-45: نتایج حاصل از بارگداری استاتیکی یکنواخت در دیوار بتنی مجهز شده به آلیاژهایهوشمند با خاصیت حافظه دار شکلی[14].................................................................................................. ...........36شکل 2-46: نتایج حاصل از بارگداری استاتیکی یکنواخت در دیوار بتنی مجهز شده به آلیاژهایهوشمند با خاصیت فوق الاستیک[14]......................................................................... ...................................36شکل 2-47: نتایج حاصل از بارگداری استاتیکی متناوب در دیوار بتنی مجهز شده به آلیاژهایهوشمند با خاصیت حافظه دار شکلی[14]..............................................37شکل 2-48: نتایج حاصل از بارگداری استاتیکی متناوب در دیوار بتنی مجهز شده به آلیاژهایهوشمند با خاصیت فوق الاستیک[14]........................................................................................ ............................37شکل 2-49: مشخصات مدل به کار رفته شده[13].................................. ..............38شکل 2-50:جابجائی راس سازه بدون تقویت در مدت زمان یک زلزله و نوسان آزاد پس از آن[13]...................................... .....39شکل 2-51:جابجائی راس سازه تقویت شده در مدت زمان یک زلزله و نوسان آزاد پس از آن[13]..................................... ......40شکل 2-52: جابجائی بیشینه در ارتفاع طبقات در هنگام اولین زلزله[13]..................................... ....40شکل 2-53: جابجائی راس سازه تعمیر نشده در مدت زمان زلزله ، پس لرزه قوی و 25 ثانیهنوسان آزادپس از هرکدام[13].................................................................... .................................40شکل 2-54: جابجائی راس سازه تعمیر شده در مدت زمان زلزله ، پس لرزه قوی و 25 ثانیه نوسانآزاد پس از هرکدام[13]......................................................... ........................................41شکل2-55جابجائی بیشینه درارتفاع طبقات درهنگام پس لرزه[13].................................. .............41شکل 2-56: درصد بیشینه تغییرشکل نسبی در هر طبقه در مدت زمان وقوع پس لرزه[13].................................. ......41شکل 2-57: تغییرشکل ماندگار نسبی در طبقات پس از اتمام تحریک پس لرزه[13[.................................... ..........42شکل 3-1: ارتباط نیرو با تغییر مکان برای SMAها............................................................................... ....................44شکل 3-2: مشخصات مکانیکی سیم های Ni Ti .................................................................................. ...................45شکل 3-3:مشخصات مدل مورد استفاده .................................................................................. ........................46شکل 4-1: نمودار نیرو – تغییر مکان برای المان PW..................................... ..................54شکل 4-2: نمودار نیرو-تغییر مکان برای المان ME................................ ..............................54شکل 4-3:نمودار جابجائی بر حسب زمان برای زلزلهNGA=183...............................................55شکل 4-4:نمودار جابجائی بر حسب زمان برای زلزلهNGA=186.........................................55شکل 4-5:نمودار جابجائی بر حسب زمان برای زلزلهNGA=368............................ ..................56شکل 4-6:نمودار جابجائی بر حسب زمان برای زلزلهNGA=369............................................ ......................56شکل 4-7:نمودار جابجائی بر حسب زمان برای زلزلهNGA=408........................................... .........57شکل 4-8:نمودار جابجائی بر حسب زمان برای زلزلهNGA=411............................................. ......57شکل 4-9:نمودار جابجائی بر حسب زمان برای زلزلهNGA=451 ............................................ .......58شکل 4-10: نمودار جابجائی بر حسب زمان برای زلزله NGA=601........................................ ................58شکل 4-11: نمودار جابجائی بر حسب زمان برای زلزلهNGA=621...................................... .........59شکل4-12: : نمودار جابجائی بر حسب زمان برای زلزلهNGA=627...................................... ....................59شکل 4-13:نمودار جابجائی بر حسب زمان برای زلزلهNGA=685........................................ ................60شکل 4-14:نمودار جابجائی بر حسب زمان برای زلزلهNGA=725......................... .........................60شکل 4-15:نمودار جابجائی بر حسب زمان برای زلزله NGA=733.................................... .............61شکل 4-16:نمودار جابجائی بر حسب زمان برای زلزله NGA=745.............................. ........................61شکل 4-17:نمودار جابجائی بر حسب زمان برای زلزله NGA=816.................................... ........................62شکل 4-18:نمودار جابجائی بر حسب زمان برای زلزله NGA=934.................................... ............62شکل 4-19:نمودار جابجائی بر حسب زمان برای زلزله NGA=995................................ .....................63شکل 4-20:نمودار جابجائی بر حسب زمان برای زلزله NGA=1120................................. ................63شکل 4-21 :نمودار جابجائی بر حسب زمان برای زلزله NGA=1135.............................. .......................64شکل 4-22: :نمودار جابجائی بر حسب زمان برای زلزله NGA=1431.................................... ...........64شکل 4-23:نمودار جابجائی بر حسب زمان برای زلزله NGA=1450................................. ................65شکل 4-24:نمودار جابجائی بر حسب زمان برای زلزله NGA=1453.................................. ..............65 فصل اول مقدمه و کلیات تحقیق در این فصل ابتدا به معرفی آلیاژهای هوشمند حافظه شکلو خواص آنها پرداخته و در ادامه به بیان اهداف و ساختار پایان نامه می پردازیم.1-1:معرفی آلیاژهای حافظه شکلاز 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.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.