میلگردهای SMA فوق الاستیک دو مرحله ای جدید

سازه های مقاوم در برابر لرزه از دیرباز یک موضوع تحقیقاتی مهم در زمینه مهندسی عمران بوده است. بسیاری از انواع سازه های مقاوم در برابر لرزه و روش های طراحی مربوط به آنها توسعه یافته است [1]، [2]، [3]. هدف طراحی‌های سنتی مقاوم در برابر لرزه، تضمین ایمنی زندگی و جلوگیری از فروپاشی است، که در آن جابجایی اوج سازه اغلب به عنوان شاخص طراحی اصلی انتخاب می‌شود [4]، [5]. با این حال، اگرچه این سازه‌های طراحی‌شده در هنگام زلزله‌های شدید از ریزش جلوگیری می‌کنند، اما آسیب شدید آن‌ها به دلیل تغییر شکل غیرالاستیک ممکن است تعمیر و بازیابی این سازه‌ها را از نظر فنی چالش‌برانگیز و از نظر اقتصادی غیرقابل دوام کند [6، [7]، [8]. تحقیقات پس از زلزله در ژاپن توسط مک کورمیک [9] نشان داد که نسبت رانش بین طبقاتی باقیمانده بیش از 0 است. 5 درصد، تعمیر یا مقاوم سازی ساختمان های آسیب دیده را در مقایسه با تخریب و بازسازی آنها، انتخابی پرهزینه می دانند. علاوه بر این، وقفه های خدماتی سازه های حیاتی (مانند بیمارستان ها، مراکز مدیریت اورژانس و ایستگاه های آتش نشانی) ممکن است منجر به هرج و مرج اجتماعی اضافی شود که ممکن است حتی از آسیب یا شکست سازه پرهزینه تر باشد [10]. بنابراین، سازه‌های خود محور (SC) که می‌توانند اوج سازه و تغییر شکل‌های باقیمانده را کنترل کنند و در نتیجه تعمیر و بازیابی سریع سازه‌های آسیب‌دیده را تضمین کنند، اخیرا توجه روزافزونی را به خود جلب کرده‌اند. که ممکن است حتی از آسیب یا شکست سازه پرهزینه تر باشد [10]. بنابراین، سازه‌های خود محور (SC) که می‌توانند اوج سازه و تغییر شکل‌های باقیمانده را کنترل کنند و در نتیجه تعمیر و بازیابی سریع سازه‌های آسیب‌دیده را تضمین کنند، اخیرا توجه روزافزونی را به خود جلب کرده‌اند. که ممکن است حتی از آسیب یا شکست سازه پرهزینه تر باشد [10]. بنابراین، سازه‌های خود محور (SC) که می‌توانند اوج سازه و تغییر شکل‌های باقیمانده را کنترل کنند و در نتیجه تعمیر و بازیابی سریع سازه‌های آسیب‌دیده را تضمین کنند، اخیرا توجه روزافزونی را به خود جلب کرده‌اند.

در میان گزینه های مختلف موجود، آلیاژهای حافظه دار شکل فوق الاستیک (SMA) یک راه حل بالقوه برای تحقق ساختارهای SC ارائه می دهند [11]، [12]. SMA به یک آلیاژ فلزی خاص اشاره دارد که می تواند تغییر شکل خود را از طریق گرم کردن (یعنی اثر حافظه شکل) یا تخلیه (یعنی اثر فوق الاستیک) به دلیل تبدیل منحصر به فرد خود بین فازهای آستنیت و مارتنزیت بازیابی کند [13]. آزمایش مواد Ni-Ti SMA به دهه 1990 برمی گردد [14]. رفتار ترمومکانیکی تک محوری Ni-Ti SMA در نمودار تنش- دما به خوبی پذیرفته شده است [15]. پس از آزمایش‌های مواد اولیه، آزمایش‌های خاصی بر روی اجزای مختلف SMA برای درک بهتر رفتار آنها در کاربردهای مهندسی عمران انجام شد، جایی که آزمایش‌های کششی تک محوری بیشترین گزارش‌ها را داشتند. به عنوان مثال، DesRoches و همکاران. [14] یک آزمایش کششی نماینده در سال 2004 انجام داد و یک رفتار پرچم شکل پایدار را مشاهده کرد. اثرات تمرین [16]، دامنه تغییر شکل [17]، نرخ بارگذاری [18] و دما [19] بر رفتار کششی تک محوری متعاقباً آزمایش شد. بر این اساس، پیکربندی‌های طراحی مختلف اجزای SMA با استفاده از رفتار کششی آنها برای سازه‌های مهندسی عمران توسعه داده شد. علاوه بر آزمایش‌های کششی، سایر رفتارهای اجزای SMA (مانند پیچش [20] و خمش [21]) به‌طور تجربی مورد مطالعه قرار گرفتند. رفتار خستگی چرخه پایین، که در کاربردهای لرزه ای بسیار مهم است، نیز مورد بررسی قرار گرفت [7]، [22]. علاوه بر SMAهای Ni-Ti، انواع دیگر SMAها (مانند SMAهای مبتنی بر Cu [22]) مورد بررسی قرار گرفتند.

خواص مواد برتر SMAs یک راه حل امیدوارکننده برای دستیابی به سازه های مقاوم در برابر لرزه با کارایی بالا ارائه می دهد. بر این اساس، انواع عناصر جدید مبتنی بر SMA برای استفاده در دمپرها [24]، [25]، مهاربندها [26]، [27]، تیرهای پیوندی [28]، [29]، دیوارهای گهواره ای [30] پیشنهاد شد. [31]، ستون‌ها [32]، [33] و جداکننده‌های پایه [34]، [35]. اکثر این عناصر به دلیل عرضه تجاری قابل اعتماد، قیمت نسبتا پایین و رفتار پایدار آن بر پایه Ni-Ti SMA هستند. بنابراین، SMA در این مطالعه به Ni-Ti SMA اطلاق می شود، مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد. همه این عناصر به طور کلی دمای پایان آستنیت را تنظیم می کنند ( A _f) زیر دمای اتاق. در نتیجه، عناصر SMA می‌توانند پس از تخلیه به شکل اصلی خود بازگردند و رفتار هیسترزیسی پرچم‌دار با حداقل تغییر شکل باقی‌مانده و ظرفیت اتلاف انرژی متوسط ​​(ED) را نشان می‌دهند. با بهره مندی از توسعه فناوری ساخت اخیر، SMAها را می توان ماشینکاری کرد یا به اشکال مختلف (مانند زاویه، دمپرهای U شکل و غیره) مشابه عناصر فولادی سنتی [36]، [37] برش داد. علاوه بر این، SMA ها می توانند یک کرنش قابل بازیافت بزرگ تا کرنش 8٪ را نشان دهند [38]، و بنابراین می توانند برای ارائه عملکردهای SC با ساختار ساده طراحی شوند، که عاری از دستگاه های لنگرگاه پیچیده و کابل های بسیار طولانی در سیستم های SC پس تنیده است. [39].

با این حال، محدوده تغییر شکل سوپرالاستیک Ni-Ti هنوز محدودیت‌هایی در طراحی سازه‌های مقاوم در برابر لرزه مبتنی بر SMA دارد. مشکل عمده‌ای که با آن مواجه می‌شویم این است که فلات تنش تبدیل، که معمولاً از کرنش 1% تا 1.5% شروع می‌شود (که به عنوان کرنش شبه تسلیم نیز شناخته می‌شود) و در کرنش 4% تا 6% به پایان می‌رسد، ممکن است به اندازه کافی گسترده نباشد. محدوده تبدیل اغلب به عنوان محدوده تغییر شکل موثر مواد SMA مرتبط با ED متوسط، SC خوب و تنش درپوش در نظر گرفته می شود. حتی اگر فاصله کافی بین کرنش پایان تبدیل و کرنش شکست نهایی وجود داشته باشد، پدیده تنش به سرعت افزایش یافته پس از کرنش پایان تبدیل ممکن است منجر به برخی مشکلات نامطلوب در طراحی مقاوم در برابر لرزه شود. به ویژه، چنین محدوده کرنش موثری اغلب برای پوشش سطوح شدت لرزه ای متعدد از زمین لرزه های مکرر (FE)، زمین لرزه های مبتنی بر طراحی (DBE)، تا حداکثر زلزله های در نظر گرفته شده (MCE) کافی نیست. با توجه به چندین رویکرد طراحی موجود برای کاربردهای SMA [40]، [41]، [42]، اگر رفتار SMA تحت MCE به عنوان یک هدف طراحی کنترل شود، تغییر شکل SMA تحت DBE و FE بسیار کوچک خواهد بود. به طور خاص، تبدیل فاز عناصر SMA تحت FE فعال نمی شود، که منجر به طراحی غیراقتصادی می شود. بنابراین، یک دامنه شکل‌پذیری مؤثر بزرگ‌تر بسیار مطلوب خواهد بود تا ظرفیت‌های ED و SC عناصر SMA تحت سطوح شدت لرزه‌ای چندگانه فعال شوند. با توجه به چندین رویکرد طراحی موجود برای کاربردهای SMA [40]، [41]، [42]، اگر رفتار SMA تحت MCE به عنوان یک هدف طراحی کنترل شود، تغییر شکل SMA تحت DBE و FE بسیار کوچک خواهد بود. به طور خاص، تبدیل فاز عناصر SMA تحت FE فعال نمی شود، که منجر به طراحی غیراقتصادی می شود. بنابراین، یک دامنه شکل‌پذیری مؤثر بزرگ‌تر بسیار مطلوب خواهد بود تا ظرفیت‌های ED و SC عناصر SMA تحت سطوح شدت لرزه‌ای چندگانه فعال شوند. با توجه به چندین رویکرد طراحی موجود برای کاربردهای SMA [40]، [41]، [42]، اگر رفتار SMA تحت MCE به عنوان یک هدف طراحی کنترل شود، تغییر شکل SMA تحت DBE و FE بسیار کوچک خواهد بود. به طور خاص، تبدیل فاز عناصر SMA تحت FE فعال نمی شود، که منجر به طراحی غیراقتصادی می شود. بنابراین، یک دامنه شکل‌پذیری مؤثر بزرگ‌تر بسیار مطلوب خواهد بود تا ظرفیت‌های ED و SC عناصر SMA تحت سطوح شدت لرزه‌ای چندگانه فعال شوند.

برای این منظور، این مطالعه یک رویکرد ساده و مستقیم را پیشنهاد کرد که از ویژگی مواد طبیعی SMA برای دستیابی به شبه تسلیم دو مرحله‌ای و گسترش شکل‌پذیری مؤثر میله‌های SMA استفاده می‌کند. مفهوم اساسی ابتدا ارائه شد و سپس تست های چرخه ای میله های SMA دو مرحله ای پیشنهاد شد. در نهایت، یک مدل المان محدود تصفیه شده (FEM) ساخته شد و بر اساس نتایج آزمایش کالیبره شد. یک مطالعه مقایسه ای بین میله های SMA دو مرحله ای و میله های SMA یک مرحله ای سنتی انجام شد.