عنوان : قدرت بازگردانندگی اعضای خرپایی آلیاژهای حافظه‌ شکل فوق ارتجاعی

وزارت علوم، تحقیقات و فناوری

دانشگاه علوم فنون مازندران

پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد

رشته:  عمران – سازه

عنوان / موضوع:

قدرت بازگردانندگی اعضای خرپایی آلیاژهای حافظه‌ شکل فوق ارتجاعی

استاد راهنما:

آقای دکتر واثقی

استاد مشاور:

آقای دکتر اسکندری

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی گردد
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود می باشد)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(ممکن می باشد هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود اما در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل می باشد)
فهرست مطالب:
فصل اول: مقدمه و کلیات پژوهش ……………………………………………………………..1
1-1:معرفی آلیاژهای حافظه شکل …………………………………………………………….2
1-2: اهداف و ساختار پایان نامه ………………………………………………………………4
فصل دوم: ادبیات و پیشینه پژوهش…………………………………………………………….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……………………………………………………….
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 اظهار ویژگی های فاز های آلیاژ نیتینول………………………………….13
2-3-2: چگونگی 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 ترمومکانیکی………………………………………………………………….18
2-3-3-4: تعریف خاصیت ارتجاعی کاذب………………………………………………………19
2-3-3-5: تنش بازیافتی و نیروی محرک……………………………………………………….19
2-4: کریستالوگرافی 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: مطالعه پدیده حافظه داری ……………………………………………………………22
2-5:پیشینه پژوهش…………………………………………………………………………….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 بهره گیری از آلیاژهوشمند…. 34
فصل سوم: روش پژوهش………………………………………………………………………43
3-1: مشخصات مکانیکی SMAهای مورد بهره گیری ……………………………………….44
3-2:مشخصات مدل ………………………………………………………………………….45
3-3: شبیه سازی کامپیوتری ……………………………………………………………….47
فصل چهارم: محاسبات و یافته های پژوهش ………………………………………………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 گردد. 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 بهره گیری از سیستم ها و مصالح هوشمند می باشد. از مهمترین گروه های این نوع مصالح میتوان به آلیاژهای هوشمند حافظه دار، که در اصطلاح به آن     SMA(Shape memory alloy) گفته میشود تصریح نمود . 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 در نظر داشتن جدید بودن این مصالح تحقیقات بسیار اندکی روی آن صورت گرفته و در صنعت ساختمان سازی کمتر مورد توجه قرار گرفته می باشد.در این پایان نامه کوشش بر آن شده می باشد 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،  مطالعه گردد. به علاوه، اندازه تاثیر شتاب زلزله بر چگونگی عملکرد SMA  ها مورد ارزیابی قرار گرفته می باشد.به این مقصود 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 مطالعه گردید.
که در نهایت مشخص گردید آلیاژهای حافظه شکل سوپر الاستیک این قابلیت را دارند که به گونه 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 ، بهره گیری از این آلیاژهای هوشمند در طراحی ساختمان ها کمک شایانی به کاهش اثرات تخریبی زلزله می تواند داشته باشد.
فصل اول: مقدمه و کلیات پژوهش
در این فصل آغاز به معرفی آلیاژهای هوشمند حافظه شکل و خواص آنها پرداخته و در ادامه به اظهار اهداف و ساختار پایان نامه می پردازیم.
1-1- معرفی آلیاژهای حافظه شکل
از زمان در نظر داشتن 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 گردد.
طراحی ایمنی ساختمان ها در برابر زلزله همچنان یکی از پرحاشه ترین زمینه هائی می باشد که مهندسی سازه با آن مواجه می باشد، 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 می باشد.خرابی بسیاری از سازه های طراحی شده با روش های سنتی و همچنین پیشرفت روش های تحلیلی و بهبود چشمگیر عملکرد یارانه ها مانند 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 کوشش طراحان بر آن می باشد 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 بهره گیری می گردد. در این روش بعضی اعضای سازه ای خسارت هائی را در هنگام زلزله شدید متقبل می شوند تا بدین وسیله تنش(کوشش) 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 بهره گیری از سیستم های هوشمند می باشد.
سیستم های هوشمند در سازه های مهندسی سیستم هائی هستند که به گونه 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 می باشد.
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 بیانی 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 موردها این مواد از توانائی پاسخ به بیش از یک شرایط محیطی برخوردار هستند و پاسخ آنها قابل پیش بینی می باشد.
دسته مهم و معروفی از مواد هوشمند فلزهائی هستند که به آلیاژهای حافظه دار (SMA)[1] معروفند.
هوشمند بودن این مصالح از آن جهت می باشد 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 می باشد از قابلیت بازیافت یک شکل معین وقتی که به آلیاژ تا دمای  معینی حرارت داده گردد.
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 گردد 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 می باشد 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 گردد.
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 تصریح نمود.
ج) سوپر الاستیسیته[4] :مانند مهمترین خصوصیات این آلیاژها عدم باقی ماندن تنش و کرنش پس ماند بعد از انجام بارگذاری لرزه ای می باشد.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 بعضی از فازهای این آلیاژ میسر می باشد.
این آلیاژها در بیشتر موردها شامل Cu-Al-Niو Cu-Zn-Alو Ni-Tiهستند که ما در این پایان نامه خواص آلیاژ Ni-Ti  را مطالعه می کنیم.
این آلیاژ با نام های  Ni-Tiو Tee-Nee و Nitinol  معروف می باشد و در فارسی نیز  با نام های آلیاژ حافظه دار ، آلیاژ خودشکل و آلیاژ با حافظه شکل ترجمه شده می باشد.
در نیتینول دو حرف اولی مربوط به نیکل ، دو حرف بعدی تیتانیوم و سه حرف آخر نام آزمایشگاه نادول اوردانس می باشد.
ازنیتینول به صورت سیمی بهره گیری می گردد. در نگاه اول این سیمها همانند سیمهای معمولی به نظر می آیند که به راحتی تغییر می سازند و رسانای الکتریسیته نیز هستند؛ اما در مقایسه با سیمهای معمولی فولادی و مسی بسیار گرانترهستند. و علت آن این می باشد که این سیمها حافظه دارند. به عنوان مثال می توان آنها را به هر شکلی درآورد و سپس با گرم کردن آنها تا دمای بالای ۹۰ درجه سانتیگراد به حالت اولیه شان برگرداند
و دیگر اینکه می توان این سیمها رابرنامه ریزی نمود تا شکل خاصی را به یاد داشته باشند. این کار به این شکل انجام می گردد که شکل دلخواه به سیم داده می گردد و سپس به سیم به مدت تقریبی ۵ دقیقه با دمای ۱۵۰ درجه سانتیگراد گرما داده می گردد یا جریان الکتریسیته  از آن عبور داده می گردد. حالا می توان سیم را به هر شکل دیگری درآورد و برای برگشت آن به شکل اولیه کافی می باشد  در آب داغ انداخته گردد.دسته دیگری ازمواد با حافظه شکلی سیمهای ماهیچه ای هستند که از آلیاژهای نیکل و تیتانیوم ساخته شده اند و در دمای اتاق به راحتی می توان آنها را تغییر شکل داد. نکته ای که این موادرا جذاب می کند این می باشد که با عبور جریان الکتریسیته با نیروی خوبی (که می توان ازآن بهره گیری نمود) به شکل اولیه خود برمی گردند.
2-1- اهداف و ساختار پایان نامه
دراین رساله خواص منحصر به فرد آلیاژهای حافظه شکل فوق ارتجاعی برای کاربرد در مهندسی زلزله سازه ها مورد مطالعه قرار خواهد گرفت.
به این مقصود یک عضو SMA دو سر مفصل به عنوان قطعه ای از یک بادبند در یک سازه یک طبقه در نرم افزار SAP مدل شده و تحت اثر رکوردهای مختلف زلزله با شتاب های مختلف مورد تحلیل دینامیکی غیرخطی(تحلیل تاریخچه زمانی با انتگرال گیری مستقیم) قرار می گیردو اندازه نسبت تغییر شکل ماندگار این عضو به مقدارماکزیمم تغییر شکل تجربه شده در طی زلزله تحت عنوان قدرت بازگردانندگی اعضای SMA مطالعه می گردد.
مدل سازی مصالح با ترکیب المان های LINK بر اساس نتایج آزمایشگاهی موجود انجام می گیرد.
با در نظر داشتن تحقیقات اندکی که به علت عدم توجیه اقتصادی بهره گیری از این آلیاژها صورت پذیرفته و با در نظر داشتن خواص منحصر به فرد آنها و کاربرد عالیشان در مهندسی زلزله ، هدف این پژوهش دستیابی به آگاهی بیشتر از رفتار مصالح مدرن مفروض جهت کاربرد در کنترل سازه ها و مطالعه چگونگی تأثیر نوع زلزله بر چگونگی رفتار این آلیاژها می باشد.
بدین مقصود پس از معرفی خواص و کاربرد آلیاژهای حافظه شکل و مطالعه چگونگی عملکرد این آلیاژها در بروز خواصشان در فصل دوم، در فصل سوم به تبیین درمورد چگونگی مدل کردن SMAها می پردازیم و در فصل چهارم به مطالعه نتایج حاصل از پژوهش و ارزیابی قدرت بازگردانندگی SMAها خواهیم پرداخت.در پایان و در فصل پنجم با بحث و مطالعه نتایج حاصله به نتیجه گیری و ارائه پیشنهادات خواهیم پرداخت.
[1]-Shape Memory Alloys
[2]-SME:Shape memory effect
[3]-high damping property
[4]-Superelasticity
تعداد صفحه : 92
قیمت : 14700 تومان

این مطلب رو هم توصیه می کنم بخونین:   سمینار ارشد رشته عمران: گسترش مدلی جهت ارزیابی فنی و اقتصادی سیستم های حمل و نقل

بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می گردد.

دسته‌ها: عمران