نگارش پایان نامه در مورد توزیع خسارت لرزه ای در اجزاء ساختمان های فولادی با میراگر ویسکوالاستیک- فایل ... |
از مزایای این میراگرها میتوان افزایش کارایی سازه در مقابل زلزله به سبب تمرکز خرابی به نقطه مشخصی از سازه اشاره کرد. این میراگرها تا حدی موجب افزایش سختی سازه میشوند بهطوریکه نسبت جابجاییها را به ۳/۰ تا ۷/۰ سازه اصلی میرسانند. بر ظرفیت باربری سیستم تأثیری ندارد و اینکه بعد از زلزله بهراحتی تعویض میشود. این میراگر تسلیمی ۵۰ تا ۸۰ درصد انرژی ورودی سازه را جذب میکند. از معایب این وسیله میتوان به تغییر شکل دائمی بعد از زلزله اشاره کرد .
۲-۵-۵ میراگرهای آلیاژ فلزی با تغییر شکل حافظهای
آلیاژها با تغییر شکل حافظهای نوعی از آلیاژهای فلزی با خواص فوق الاستیک هستند. آن ها میتوانند کرنشهای بیش از %۱۰ را تحمل کنند و هیچ تغییر شکل ماندگاری بعد از باربرداری نداشته باشند. اثر این مصالح اولین بار در سال ۱۹۳۰ مشاهده شد. محققین در سال ۱۹۶۲ در آزمایشگاه وابسته به نیروی دریایی این پدیده را در آلیاژهای نیکل-تیتانیم[۵۷] (نیتی یا نیتیونول)[۵۸] مشاهده کردند. این مواد از دو کریستال مختلف ساختهشده است که یکی ماده ترد و دیگری ماده نرم و یا ترکیب آن ها میباشد که ماده ترد با افزایش دما سخت شده و ماده نرم با افزایش دما نرم میشود. ماده فلزی ترد بهصورت سازه کریستالی چهارضلعی میباشد و ماده نرم بهصورت سازه کریستالی مکعبی میباشد. به همین دلیل آلیاژها با تغییر شکل حافظهای بر اساس دو کرنش و دمای داخلی تغییر میکند و به همین دلیل اغلب به آن مواد هوشمند گفته میشود.
به علت مشخصه های به نسبت بالای میرایی آن، از آن بهعنوان میراگر استفاده شود. این مواد میتوانند هم بهعنوان میراگر غیرفعال و هم بهعنوان میراگرهای فعال استفاده شوند. این میراگرها را میتوان بر اساس رفتار آن ها به دستهه ای زیر تقسیم کرد:
۱- آلیاژها با تغییر شکل حافظهای ممکن است مانند فعالکننده عمل کنند.
۲- آلیاژها با تغییر شکل حافظهای اثر بهاصطلاح “اثر ماندگار شکل ” را نشان میدهند.
۳- آلیاژها با تغییر شکل حافظهای اثر مافوق الاستیک را نشان میدهند.
۴- آلیاژها با تغییر شکل حافظهای اثر میراگرهای تسلیمی را در حالت فلزی خالص نشان میدهند.
حالتهای سوم و چهارم بیشتر بهصورت میراگر استفاده میشوند، که در ادامه توضیحاتی در مورد آن ارائه میشود.
اگر دمای محیط به بیشتر از حالت فلز نرم برسد آلیاژها با تغییر شکل حافظهای مانند فوق الاستیسیته رفتار میکند. فلز نرم و ضعیف تا زمانی که به حالت پلاستیک برسد تغییر شکل میدهد. سپس فلز نرم به فلز سخت تغییر شکل میدهد. زمانی که حالت فلز ترد به وجود آمد قسمت مسطح و پایدار تمام میشود و منحنی تنش و کرنش با شیب مشابه ناشی از مدول الاستیسیته کمتر فلز نرم نسبت به فلز سخت حرکت میکنند. در طی باربرداری ، فلز سخت به فلز نرم در شرایط پایدار تنش پایینتر تغییر خواهد کرد. سرانجام آلیاژها با تغییر شکل حافظهای دوباره شامل ماده نرم خالص میشود. این ناحیه بسته توسط مسیر تنش و کرنش برابر اتلاف انرژی در هر سیکل است ( شکل(۲-۱۲)). بنابراین آلیاژها با تغییر شکل حافظهای در حالت فوق الاستیک میتوانند بهعنوان میراگر استفاده شوند.
منحنیهای تنش و کرنش و جزییات انتقال حرارت برای اصطلاحاً رفتار فوق الاستیک[۵۵]
اگر دمای محیط انتهای حالت فلز سخت و ابتدای حالت نرم بماند آلیاژها با تغییر شکل حافظهای ممکن است مانند فلز ترد خالص عمل کرده و اگر دما ثابت باشد بهصورت میراگر هیسترزیس عمل کنند(شکل(۲-۱۳)). اساساً، آلیاژها با تغییر شکل حافظهای در حالت نرم نیز میتوانند بهعنوان میراگر هیسترزیس عمل کنند. هرچند، مزایای بیشتر میراگر هیسترزیس فلز ترد بیشتر از فلز نرم است:
۱- مدول الاستیسیته فلز ترد کمتر از فلز نرم است. بنابراین منحنی تنش و کرنش ناحیه بزرگی را برای تنش مشابه دربرمی گیرد که میرایی بالاتری را برای سازههای موردنظر نتیجه میدهد.
۲- به علت تغییر جهت مجدد متغیرهای ماده ترد ، ماده ترد میتواند تعداد بیشتری سیکلهای تغییر شکل را نسبت به ماده نرم بدون گسیختگی برای انرژی جذبشده مشابه را تحمل کند.
منحنیهای تنش و کرنش و جزییات انتقال انرژی برای حالت میرایی هیسترزیس فلز ترد[۵۵]
به خاطر حلقههای هیسترزیس بزرگتر، آلیاژ با تغییر شکل حافظهای در حالت فلز ترد میتوانند بهعنوان میراگرهای هیسترزیس رفتار میکنند(شکل (۲-۱۳)). میراگرهای غیرفعال آلیاژ با تغییر شکل حافظهای معمولاً بر اساس همین اثر عمل میکنند. در شکل(۲-۱۴) مقایسه دو حالت هیسترزیس فلز ترد و حالت فوق الاستیک را میتوان دید[۵۵].
حلقههای هیسترزیس برای میراگرهای آلیاژی با تغییر شکل حافظهای a) رفتار فوق الاستیک SMA و b) میرایی هیسترزیس فلز ترد[۵۵]
۲-۶-۵ میراگرهای اصطکاکی
این نوع میراگر بر اساس مکانیزم اصطکاک بین اجسام صلب نسبت به یکدیگر عمل میکند. در حقیقت اصطکاک یک مکانیزم عالی اتلاف انرژی است و بهصورت گسترده و موفقیتآمیزی در ترمزهای خودرو و اتلاف انرژی جنبشی بهکاررفته است. مصالح گوناگونی برای سطوح لغزنده استفاده شدند. از آن ها میتوان به لایههای ترمز روی فولاد، فولاد روی فولاد، فولاد روی برنج، و در اتصالات پیچ شده لغزنده به ترکیب گرافیت با برنز روی فولاد ضدزنگ و دیگر آلیاژهای فلزی نام برد. انتخاب فلز پایه برای میراگر اصطکاکی بسیار مهم است. اغلب خوردگی میتواند ضریب اصطکاک فرض شده را برای عمر موردنظر وسیله کاهش دهد. در حقیقت، آلیاژ فولاد کمکربن زنگزده و میپوسد و خواص سطح مشترک آن ها در طی زمان تغییر میکند و از طرفی برنج و برنز در زمان تماس با آلیاژ کمکربن ، میزان خوردگی را افزایش میدهند. در مقایسه فولاد ضدزنگ در تماس با برنج خوردگی اضافی نگرانکنندهای را نشان نداد و ازاینجهت این مواد برای استفاده در میراگرهای اصطکاکی مناسب هستند.
وسایل میرایی اصطکاکی کارایی بسیار خوبی دارند و پاسخ آن ها از دامنه فرکانس و تعداد سیکلهای بارگذاری مستقل است، بنابراین پتانسیل هزینه بسیار بالا را با هزینه به نسبت پایین بهصورت توام دارند[۵۰]. این نوع میراگرها در دسته میراگرهای هستریزیس قرار میگیرند. انرژی با تغییر مکان و بار لغزش خود اتلاف میکنند.
میراگرهای اصطکاکی معمولاً حلقههای پایدار پسماند ایجاد میکنند. مدل هستریزیس ماکروسکوپیک میراگرهای اصطکاکی توسط ضریب ثابت کلمب میباشد، اما در حالت میکروسکوپی این حالت ممکن است اعتبار چندانی نداشته باشد، که بیشتر مربوط به حالتهای جزئی مکانیکی بوده و از بحث این مجموعه خارج است. در شکل (۲-۱۵) مقایسهای بین حلقههای هیسترزیس بین میراییهای مختلف را میتوان دید.
حلقههای پسماند انواع میراییها[۵۰]
میراگرهای اصطکاکی نسبتاً ساده برای مدلسازی هستند. آن ها میتوانند مانند تاندوم یا فنر با سختی داخلی و نیروی تسلیم برای دادن بار لغزش مدل شوند. مدلها معمولاً منحنیهای کاملاً الاستوپلاستیک هستند، تا بتوانند رفتار میراگرهای اصطکاکی را نشان دهند. بنابراین هیچ فرضی در افزایش ظرفیت در هنگام لغزش نخواهیم داشت. میراگرهای اصطکاکی تا زمان لغزش سختی سازه را افزایش میدهند. اگر افزایش سختی برای سازه سودمند باشد، میراگر اصطکاکی قبل از لغزش برای سازه مفید خواهد بود. اصطکاک منبع اتلاف انرژی ارزانتری نسبت به سایر منابع است و این ساخت میراگرهای اصطکاکی را ارزانتر میسازد.
اما از طرف دیگر میراگرهای اصطکاکی اغلب در معرض هوا هستند و آن ها ممکن است زنگ بزند یا خیس شوند و خواص لغزش آن ها تغییر میکند. حرارت محیط نیز باید در نظر گرفته شود. بررسیها دلایلی را برای تغییر در ضریب اصطکاک سکون و حرکت را برای تحریکات مختلف سرعت و نیروی نرمال نشان دادهاند. فیلی اتراولت در سال ۲۰۰۰ بعضی روابط کلی برای ضریب اصطکاک را بیان کرد. سرعتهای بالاتر به ضریب اصطکاک سکون بالاتر و ضریب اصطکاک حرکتی پایینتر می انجامد. این تغییرات معمولاً در مدلسازی برای محاسبات ساده نادیده گرفتهشده و خطای کمی را به و جود میآورد. از طرفی این میراگرها ممکن است در سازه بعد از زلزله یک تغییر شکل ثانویه ایجاد کند، که باید بعد از زلزله دوباره میراگرها را اصلاح کرد. در کل عملکرد میراگرهای اصطکاکی مانند میراگرهای تسلیمی است، اما به دلیل ارزانی میراگرهای اصطکاکی و پایداری بیشتر آن ها نسبت به میراگرهای تسلیمی و همچنین نیاز کمتر آن ها به تعویض بعد از زلزله، میراگرهای تسلیمی در حال جایگزین شدن با میراگرهای اصطکاکی هستند.
۲-۵-۷ میراگرهای ویسکوالاستیک
کاربرد میراگر ویسکوالاستیک در کنترل پاسخ لرزهای سازهها، ریشه در سالهای اخیر دارد. هرچند در سالهای قبل استفاده از این میراگرها تنها جهت مقابله با باد بوده است اما با پیشرفتهایی که در طول ۲۵ سال گذشته حاصلشده است، مشخص گردیده است که این میراگرها جهت مقاصد مقاومسازی در برابر زلزله و در طراحی سازههای جدید نیز مناسب میباشند. این میراگرها به دلیل ساختمان کوپلیمری یا کریستالی خود و خواص ایزوتروپیکی که دارند در بارگذاریهای مختلف ، از طریق تغییر شکلهای برشی باعث اتلاف انرژی میشوند بطوریکه ظرفیت بالای اتلاف انرژی در فرکانسهای مختلف را میتوان از ویژگیهای آن ها دانست. مصالح ویسکوالاستیک به هنگام تغییر شکلهای برشی بخشی از انرژی را ذخیره و بخشی را بهصورت گرما مستهلک میکنند، این خاصیت را باید در طراحی سازههای مجهز به میراگر ویسکوالاستیک در نظر داشت.
ازجمله مزایای این میراگرها میتوان به قابلیت اطمینان بالای آن و هزینه نسبتاً کم اشاره نمود و در مقابل حساسیت بالای آن به دما و ظرفیت پایین نیرویی بهعنوان عمدهترین معایب آن بشمار میرود[۵۶].
میراگر ویسکوالاستیک[۵۶]
۲-۵-۷-۱ ساختار مواد ویسکوالاستیک
ماده ویسکوالاستیک دارای ساختمان مولکولی پلیمری است و بهعبارتدیگر مولکولهای آن ها بهصورت زنجیروار به هم متصل میباشند. به علت وجود شبکه مولکولی مذکور، ماده ویسکوالاستیک در برابر تغییر شکل از خود مقاومت نشان میدهد که این مقاومت یکی از مشخصه های ماده است و درواقع با بهکارگیری این ماده در سازه، سختی سیستم سازهای افزایش خواهد یافت. از طرف دیگر همزمان با اعمال تغییر شکل به این ماده، برحسب دما و فرکانس بارگذاری برخی از پیوندهای بینمولکولی شکسته شده و گرما تولید میشود، بنابراین در این میان مقداری انرژی صرف شکسته شدن پیوندها شده و تلف میشود. درواقع میرایی این مواد به علت شکسته شدن پیوند بینمولکولی میباشد. این مواد پس از بارداری باگذشت زمان مقاومت اولیه خود را بازمییابند که مقدار این بازیافت بستگی به دمای ماده، فرکانس محرک و دامنه کرنش دارد و بهطور خلاصه با بهکارگیری این مواد در سازه افزایش سختی و میرایی در سیستم سازهای را خواهیم داشت. نصب این میراگرها تنها در بادبندها محدود
نمیگردد. بلکه در هر جای سازه که تغییر شکلهای برشی به وجود آید میتوان از این میراگر با تمهیدات خاصی استفاده نمود.
۲-۵-۷-۲ مشخصات دینامیکی میراگرهای ویسکوالاستیک
همانطور که عنوان شد به علت ساختمان خاص ماده ویسکوالاستیک خواص میراگر، وابسته به دما و فرکانس بارگذاری میباشد و این وابستگی، مدل نمودن این ماده را با پیچیدگیهایی همراه میکند.
با توجه به مطالب فوق، برای میراگر ویسکوالاستیک در دما و فرکانس معینی میتوان سختی () و میرایی () را نسبت داد.با فرض جرم کوچک برای این میراگر میتوان معادله این سیستم را مشابه سیستم یک درجه آزادی معمول در اثر بار سینوسی در دما و فرکانس مشخصی نوشت. در این صورت تغییر مکان پایدار این سیستم بهصورت سینوسی خواهد بود. در صورت استفاده از کرنش که نسبت تغییر مکان میراگر به ضخامت لایه ویسکوالاستیک میباشد، میتوان گفت که کرنش این سیستم نیز بهصورت سینوسی خواهد بود[۵۷]:
فرم در حال بارگذاری ...
[جمعه 1400-07-23] [ 02:24:00 ق.ظ ]
|