بررسی رفتار لرزه ای قاب های مهاربندی شده با استفاده از آلیاژ حافظه دار شکلی

چکیده: آلیاژهای حافظه دار، به عنوان گروهی از جامدات، دارای خواصی منحصر به فرد نسبت به دیگر مواد معمول استفاده شده در زمینه ی مهندسی می باشند. این آلیاژها به سبب وقوع تبدیل فاز در ساختار کریستالی، قادر به بازگشت شکل اولیه ی خود در تغییر شکل های بزرگ می باشد. این توانایی در ریز ساختار ماده، دو خاصیت اصلی آلیاژهای حافظه دار، یعنی اثر فوق الاستیک (سوپر الاستیسیته) و اثر حافظه داری را به دنبال دارد. آلیاژهای حافظه دار، با داشتن این خواص منحصر به فرد می تواند کاربردهای جدیدی را در زمینه های علمی مختلف مانند پزشکی، صنعتی، هوا فضا، مهندسی و... داشته باشد. تحقیقات عددی و آزمایشگاهی برای توسعه ی کاربردهای مواد حافظه دار در وسایل کنترل سازه ها به منظور بهبود پاسخ دینامیکی ساختمان ها و پل های تحت بار زلزله، در حال انجام است. در این پایان نامه،با توجه به محدودیتهای کاربردی وقیمت بالای الیاژهای حافظه دار شکلی , به جای استفاده به عنوان اعضای اصلی سیستم های باربر جانبی , به عنوان اعضای سیستم ثانویه بازگرداننده (re-centering device ) استفاده شده است و در نهایت عملکرد لرزه ای قاب های خمشی مهاربندی شده با آلیاژهای حافظه دار فوق الاستیک، بررسی شده است. به منظور تحقیق امکان استفاده از این آلیاژها و موثر بودن آن ها نسبت به دیگر سیستم های مهاربندی، پاسخ دینامیکی قاب خمشی مهاربندی شده با آلیاژ حافظه دار، با پاسخ دینامیکی قاب خمشی مهاربندی شده با مهاربندی های فولادی مقایسه شده است. تحلیل های تاریخچه زمانی غیر خطی، به منظور بررسی عملکرد لرزه ای قاب ها با مهاربندی از جنس آلیاژ حافظه دار, بر قاب3 ,5,7,9,11,15 طبقه با مهاربندی به شکل قطری، انجام شده است. نتایج حاصل از تحلیل های انجام شده، امکان استفاده از این آلیاژها به عنوان سیستم های مهاربندی به منظور بهبود پاسخ لرزه ای سازه ها را موثر نشان داده اند. نتایج این مطالعه ی تحلیلی نشان داده است که آلیاژهای حافظه دار می توانند بطور موثر در مقاوم سازی و طراحی لرزه ای سازه ها به کار روند. مهاربندی های بر پایه آلیاژ حافظه دار می توانند به منظور به حداقل رساندن تلفات ناشی از خرابی های سازه ای پس از وقوع زلزله بکار روند. برخی از قابلیت های آلیاژ حافظه دار، از جمله برگردانندگی شکل و داشتن خاصیت سخت شدگی کرنش، این آلیاژها را برای استفاده در زمینه ی کاهش پاسخ و ارتعاش مطلوب نشان داده است. با توجه به نتایج، کاربرد آلیاژهای حافظه دار در مهاربند، باعث کاهش در تغییر مکان ماندگار سقف و بیشینه تغییر مکان نسبی بین طبقات گردیده است. کلمات کلیدی: رفتار لرزه ای، سیستم جذب انرژی، قاب فولادی مهاربندی شده، مهاربند الیاژ حافظه دار شکلی لزوم تحقیق انجام شده در این پایان نامه: قاب های خمشی فولادی، با داشتن تغییر مکان های بزرگ به هنگام وقوع زلزله، آسیب پذیر شناخته شده اند. به همین دلیل، الزامات خاص طراحی جهت محدود نمودن تغییر مکان های نسبی بین طبقات مورد نیاز می باشد و مشکلات ناشی از شکست ترد و نرم در اتصالات تیر به ستون کاهش یابد و در نتیجه از ایجاد خرابی در اجزاء غیر سازه ای پیشگیری شود. با در نظر داشتن موارد اقتصادی و عملی، مهندسان بیش از پیش، استفاده از قاب های فولادی با مهاربندهای هم مرکز به عنوان سیستم مقاوم در برابر بار جانبی را مورد بررسی قرار دادند. به هر حال، رخداد خرابی در قاب های فولادی با مهاربندهای همگرا پس از وقوع زلزله های پیشین از جمله، زلزله های mexico 1985، loma prieta 1989، northridge 1994 و kobe 1995، نشان دهنده ی لزوم توجه و بررسی بیشتر در ظرفیت تغییر شکل نهایی این دسته از سازه ها می باشد. دلایل متعددی برای عملکرد ضعیف قاب های مهاربندی شده ارائه شده است. به عنوان مثال، مهاربندها اغلب شکل پذیری و ظرفیت استهلاک انرژی محدودی در بارگذاری های سیکلی دارند. جزئیات اتصالات، حاکی از رفتار ترد آنها می باشد. رفتار هیسترزیس مهاربند بسیار پیچیده گزارش شده است. رفتار نامتقارن در کشش و فشار و کاهش در مقاومت مهاربندها تحت بارهای سیکلی فشاری با ورود به ناحیه غیرالاستیک را می توان مشاهده کرد. این رفتار پیچیده به دلیلی تفاوت های اساسی بین توزیع نیروهای داخلی و تغییر شکل های در نظر گرفته شده با استفاده از روش های طراحی قدیمی (بر اساس رفتار الاستیک مدل ها و روند ایده آل تحلیلی غیرخطی ) ایجاد می شود. همچنین لازم به ذکر است که وقوع کمانش در مهاربند هم می تواند سبب خرابی عمده در المان های غیر سازه ای مجاور شود. با در نظر داشتن این معایب و رخدادها، الزامات طراحی لرزه ای برای قاب های مهاربندی شده، در دهه ی 1990 دچار تغییر شد و از آن پس قاب های با مهاربندهای همگرای ویژه معرفی شدند. تحقیقات گسترده ای برای بهبود عملکرد قاب های با مهاربندهای همگرا آغاز شد. شکل ها و ترکیبات جدید سازه ای با استفاده از مهاربندهای ویژه شامل استفاده از کنش مرکب، تسلیم شدگی متالیک، مواد با عملکرد بالا، میرایی میسکوز و اصطکاکی را می توان در این مورد نام برد [1]. علیرغم بهبود عملکرد قاب های با مهاربندهای ویژه نسبت به مهاربندهای معمولی، تحقیقات برای جستجوی قاب های با مهاربندهای همگرایی که از نظر اقتصادی و اجرا برتر باشند در حال انجام است [2]. قاب های با مهاربندهای کمانش تاب از نتایج این تحقیقات می باشد. این قاب ها رفتار هیسترزیس پایدار دارند و برخلاف مهاربندهای معمولی، به دلیل رخ ندادن کمانش، دارای ظرفیت شکل پذیری بالایی می باشند [3]. نتایج مقایسه ی عملکرد قاب ها در چندین مورد، موثر بودن بادبندهای کمانش تاب را نسبت به بادبندهای معمولی نشان داده است 1] 4 ,]. به هر حال، تغییر مکان و تغییر مکان نسبی ماندگار زیاد، می تواند عامل محدود کننده ی کاربرد و پذیرفتن مهاربندهای کمانش تاب باشد، زیرا به دلیل وقوع تغییر مکان های بزرگ و برجای ماندن بخش زیادی از تغییر شکل ها در قاب با مهاربندهای کمانش ناپذیر، نیاز به تعمیرات خاص پس از وقوع زلزله ضروری می باشد. هدف تحقیق و نحوه ی انجام آن: از آنجا که رفتار غیرالاستیک قاب های خمشی مهاربندی شده در برابر بارهای جانبی تا حدودی وابسته به رفتار اعضای مهاربندی است، یکی از راه های جایگزین موارد ذکر شده ی قبلی، استفاده از آلیاژهای حافظه دار در سیستم های مهاربندی می باشد. در نتیجه ی خاصیت بازگردانندگی شکل ، تغییر مکان نسبی بین طبقات و تغییر مکان ماندگار (پسماند) در سازه، پس از وقوع زلزله کاهش می یابد. با توجه به تحقیقات موجود در مورد کاربرد مواد حافظه دار در مهندسی سازه و زلزله، نیاز به انجام تحقیقات آزمایشگاهی و همچنین عددی و تحلیلی مشاهده می شود. در این پایان نامه سعی شده است، با انجام مطالعه ای تحلیلی، عملکرد لرزه ای سازه ی قابی خمشی مهاربندی شده با آلیاژ حافظه دار نسبت به سازه ی خمشی با مهاربندی فولادی مقایسه و بررسی شود. بعد از انجام تحلیل های دینامیکی متعدد بر روی سازه ی قابی با سیستم مهاربندی قطری با خواص و مشخصه های متفاوت، امکان، مزایا و حتی معایب استفاده از مواد حافظه دار در مهاربندی قاب های فولادی، با مقایسه ی مقادیر تغییر مکان ماندگار و تغییر مکان نسبی بیشینه بین طبقات بین دو حالت قاب با مهاربند بر پایه آلیاژ حافظه دار و قاب با مهاربند فولادی مورد بررسی قرار می گیرد. برای انجام تحقیق و دست یافتن به نتایج مورد نظر، ساختمانی با هندسه ی مشخص در نظر گرفته می شود. این ساختمان دارای پلانی با ابعاد m24×m24 و با چهار دهانه در هر جهت و طبقات با ارتفاع m2/3 می باشد. تعداد طبقات مورد بررسی، 3,5,7,9,11,15 طبقه می باشد. محل قرارگیری مهاربندها در دو دهانه ی میانی در نظر گرفته شده است. شکل مهاربندی از نوع قطری استفاده شده است. بارهای ثقلی مرده و زنده و نیز بارهای جانبی بر اساس مقررات ملی ساختمان (مبحث ششم) و استاندارد 2800 تعیین شده است. قاب ها با نرم افزار sap2000 تحلیل استاتیکی و طراحی شده اند. بعد از طراحی سازه هر یک از سازه ها در نرم افزار opensees مدل شده اند. با استفاده از چند رکورد اصلاح شده، مورد تحلیل دینامیکی غیر خطی (تاریخچه زمانی) قرار گرفته اند. مدل رفتاری مورد استفاده برای مواد حافظه دار، قبل از استفاده مورد بررسی قرار گرفته اند و در چند حالت مختلف صحت مدل رفتاری تحقیق شده و بعد از مقایسه با نتایج آزمایشگاهی و عددی تایید شده ی قبلی، درستی و دقت کافی مدل رفتاری استفاده شده به اثبات رسیده است (کالیبره کردن مدل). پس از انجام تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی، مقایسه نتایج، بخصوص مقایسه ی مقادیر تغییر مکان نسبی بین طبقات و تغییر مکان ماندگار بر سازه، امکان استفاده و موثر بودن استفاده از آلیاژهای حافظه دار را در سیستم های مهاربندی، به منظور کاهش تغییر مکان نسبی و تغییر مکان ماندگار بر سازه نشان داده شده است. هدف این پایان نامه , مطالعه و بررسی امکان و موثر بودن استفاده از این آلیاژ در قاب های خمشی مهاربندی شده فولادی به منظور کاهش پاسخ دینامیکی سازه ها و حفاظت سازه ها می باشد.