مقدمه
معرفی مواد حافظه دار شکلی (SMA) ، بسیاری از سازه ها به ویژه سازه های زیربنایی همچون پل ها در طول عمر به دلایلی مختلف از جمله فرسوده شدن ، افزایش بارهای بهره برداری ، تغییر در الزامات آیین نامه ای و یا تغییر کاربری سازه نیاز به ترمیم و مقاوم سازی دارند. یکی از روش های متداول برای تقویت سازه های بتن مسلح ، چسباندن ورق های FRP در سطح خارجی ( EBR ) سازه می باشد. با این حال در سال های اخیر با توجه به کاستی های شناخته شده برای روش EBR و برای غلبه بر این کاستی ها روش دیگری به نام روش نصب نزدیک سطح ( NSM ) پیشنهاد شده که بسیار مورد توجه محققین قرار گرفته است. برای اطلاعات بیشتر در ارتباط با وال پست مقاله مربوطه را مطالعه نمایید.
روش EBR
روش NSM
دو روش NSM ، همان طور که در شکل ملاحظه می شود ، نوارها یا میلگردهای مصالح مقاوم کننده در شیارهایی که در وجه کششی بتن ایجاد شده اند ، چسبانده می شوند و پوشش سیمانی و یا چسب اپوکسی روی آن ها قرار می گیرد. برخی از مزایای روش NSM نسبت به روش EBR عبارتند از : بهبود پیوستگی و انتقال نیرو به بتن اطراف به دلیل محصور شدن نوار داخل شیار ، محافظت از نوار در برابر عوامل محیطی خارجی و عدم نیاز به آماده سازی سطحی بتن بعد از ایجاد شیارها.
در مقاوم سازی به روش NSM برای استفاده بیشتر از ظرفیت نوارها در محدوده بار خدمت پذیری ، می توان سازه را پیش تنیده کرد. پیش تنیدگی باعث کاهش عرض ترک ها ، کاهش تغییر شکل ها ، کاهش تنش موجود در میلگردهای فولادی ، افزایش بارهای ترک خوردگی و تسلیم و استفاده بهتر از ظرفیت نوارها می شود. با این وجود پیش تنیده کردن نوارهای FRP به دلیل مشکل بودن تامین نیروی زیاد لازم برای پیش تنیدگی و کوچک فضای داخل شیار به سادگی امکان پذیر نیست. بنابراین پیشنهاد می شود که در این روش ، آلیاژهای حافظه دار شکلی بر پایه آهن ( Fe-SMAs ) که امکان ایجاد پیش تنیدگی را بسیار راحت تر از نوارهای FRP فراهم می آورند ، جایگزین این مواد شوند.
آلیاژهای حافظه دار شکلی ( SMAs ) نوعی مواد هوشمند فلزی هستند که امروزه در صنایع زیادی کاربرد دارند. پرکاربردترین نوع SMA تاکنون آلیاژ نیکل و تیتانیوم ( نیتینول – NiTi ) بوده است که در صنعت ساختمان برای کنترل غیرفعال ارتعاشات و استهلاک انرژی استفاده شده است. با این حال هزینه های زیاد تولید و عمل آوری این مواد مانع کاربرد آنها در صنعت ساخت و ساز در مقیاس های گسترده می شود. در سال های اخیر Fe-SMA به عنوان جایگزین اقتصادی نیتینول در مهندسی عمران مطرح شده و تحقیقات گسترده ای برای شناخت و بهبود رفتار آن در جهت کاربرد در سازه ها انجام گرفته است.
آلیاژهای حافظه دار شکلی بسته به ترکیبشان رفتارهای ویژه ای چون اثر حافظه شکلی ( SME ) ، رفتار فوق ارتجاعی و ظرفیت میرایی زیاد نشان می دهند و بنا بر اثر حافظه شکلی اگر تغییر شکلی در SMA ایجاد شود ، پس از باربرداری و در صورت اعمال گرما به آن ، SMA به شکل اولیه خود باز می گردد. از این خاصیت می توان برای پیش تنیده کردن یک نوار میله SMA استفاده کرد. به این ترتیب که اگر در حین ایجاد اثر حافظه شکلی و در هنگام اعمال گرما ، به ماده اجازه تغییر شکل بازگرداننده داده نشود ، به عنوان مثال با مقید شدن SMA در بتن ، در آن تنش ایجاد خواهد شد. از این تنش که به تنش بازگردانی موسوم است ، می توان برای پیش تنیده کردن یک تیر بتنی استفاده کرد. Fe-SMA به دلیل داشتن هیسترزیس گرمایی بزرگ ، سختی الاستیک زیاد و قیمت کمتر از دیگر آلیاژهای حافظه دار شکلی ، برای این کاربرد بسیار مناسب به نظر می رسد. استفاده از اثر حافظه شکلی برای پیش تنیده کردن سازه مزیت های زیادی نسبت به روش های قدیمی تر پیش تنیدگی دارد از جمله اینکه به دلیل توزیع یکنواخت نیروی کششی در طول تاندون پیش تنیدگی از طریق مهار شدن در بتن ، کاهش نیروی پیش تنیدگی وجود ندارد و روشی مناسب برای پیش تنیده کردن اعضای بتنی منحنی شکل می باشد. هم چنین بر خلاف FRP نیاز به لوله های پیش تنیدگی و مهار کردن تاندون ها و جک های هیدرولیکی بزرگ و فضای وسیع لازم برای این جک ها نیست.
برای اینکه کمی شفاف تر باشد که فولاد حافظه دار شکلی چیست توصیه می کنم در ابتدا قبل از هر توضیح تخصصی ویدئوهای زیر را مشاهده کنید:
این مصالح چگونه کار می کنند؟
آلیاژهای حافظه دار شکلی SMA چیست؟
تا به امروز انواع زیادی از آلیاژهای حافظه دار شکلی شناخته شده است. با این حال همه ی این آلیاژها قابلیت استفاده در سازه های عمرانی را ندارند زیرا که مصالح مورد استفاده در سازه های عمرانی باید دارای ویژگی های مکانیکی و حرارتی خاص و هم چنین قیمت مناسب باشند.
پرکاربردترین نوع SMA در صنعت ، تا کنون آلیاژ نیکل و تیتانیوم ( نیتینول – NiTi ) بوده است که در صنعت ساختمان عموما برای کاربردهای لرزه ای نظیر کنترل غیر فعال ارتعاشات و استهلاک انرژی استفاده شده است. با این وجود هزینه های زیاد تولید و عمل آوری این آلیاژ مانع کاربرد آن در صنعت ساخت و ساز در مقیاس های عظیم می گردد. در سال های اخیر آلیاژهای حافظه دار شکلی بر پایه آهن ( Fe-SMAs ) به دلیل دارا بودن خواص مطلوب برای کاربرد در سازه ها و نیز قیمت مناسب ، در مهندسی عمران بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. گسترش دانش ساخت و شناخت بهتر این نوع آلیاژها ، افق های تازه ای را در زمینه ترمیم و تقویت سازه ها توسط تاندون های پیش تنیده Fe-SMA پیش روی ما قرار داده است.
در این بخش ابتدا تبدیلات فازی ، پیچیدگی های رفتاری و ویژگی های منحصر به فرد آلیاژهای حافظه دار شکلی از قبیل خاصیت فوق الاستیک و حافظه شکلی و نیز خواص مکانیکی این آلیاژها بیان می گردد. سپس به معرفی آلیاژهای حافظه دار شکلی بر پایه آهن پرداخته و تبدیلات فازی و رفتارهای ویژه یک نوع Fe-SMA و تنش بازگردانی آن بررسی می شود. در انتها مطالعات ، تحقیقات و نمونه های عملی از به کارگیری آلیاژهای حافظه دار شکلی با بهره وری از رفتار حافظه شکلی آن ها و برای کاربردهای پیش تنیدگی مرور می گردد.
فازهای مختلف آلیاژهای حافظه دار شکلی و تبدیل مارتنزیتی
آلیاژهای حافظه دار شکلی در دو فاز کریستالی به نام های آستنیت و مارتنزیت موجود می باشند. حالت آستنینت حالت اصلی با تقارن بالا بوده و در دماهای زیاد و تنش های کم پایدار می باشد. حال آن که حالت مارتنزیت حالت محصول و با تقارن کمتر است و در دماهای کم و تنش های زیاد پایدار می باشد. با اعمال بارگذاری های حرارتی و یا مکانیکی این دو فاز می توانند به یکدیگر تبدیل شوند. این تبدیل برگشت پذیر فازها ، تبدیل مارتنزیتی نامیده می شود که تمامی خصوصیات رفتاری آلیاژهای حافظه دار شکلی را تحت تاثیر قرار می دهد و آن ها را به عنوان یک ماده هوشمند مطرح می کند.
همان گونه ذکر شد ، تبدیل مارتنزیتی در آلیاژهای حافظه دار شکلی ترموالاستیک می تواند هم توسط اعمال تنش و هم با تغییر دمای آلیاژ صورت گیرد. شکل زیر تبدیل مارتزیتی ناشی از تغییر دما و بدو اعمال تنش را نشان می دهد. SMA دارای چهار دمای مشخصه As ، Af ، Ms و Mf می باشد که به ترتیب دمای آغاز حالت آستنیت ، دمای پایان حالت آستنیت ، دمای آغاز حالت مارتنزیت و دمای پایان حالت مارتنزیت می باشند. تبدیلات مارتنزیتی ، یک هیسترزیس گرمایی را تشکیل می دهند و این بدین معنا است که تبدیل مستقیم و معکوس هر دو در یک دما رخ نمی دهند.
با توجه به شکل در تبدیل مستقیم زمانی که ماده تحت کاهش دما قرار می گیرد ، تا زمانی که ماده به دمای Ms نرسیده است ، در حالت کاملا آستنیت قرار دارد. هنگامی که به دمای Ms می رسد ، کریستال های آستنیت شروع به تبدیل شدن به مارتنزیت می کنند و زمانی که ماده به دمای Mf می رسد ، تبدیل از آستنیت به مارتنزیت کامل شده است. در تبدیل مستقیم در دماهای بین Ms و Mf ، ماده به صورت ترکیبی از آستنیت و مارتنزیت می باشد. در تبدیل معکوس که با افزایش دما همراه است ، تا زمانی که ماده به دمای As نرسیده به صورت کاملا مارتنزیت است. زمانی که به As می رسد ، تبدیل از آستنیت به مارتنزیت آغاز شده و سرانجام که به دمای Af می رسد ، کاملا به حالت آستنیت در می آید و تبدیل فاز پایان می پذیرد.
مارتنزیت ایجاد شده توسط تغییر دما ، مارتنزیت پیچ خورده و مارتنزیت ایجاد شده توسط تغییر تنش ، مارتنزیت پس پیچ خورده نامیده می شود. در تبدیل ساختار کریستالی آستنیت به مارتنزیت پیچ خورده ، تغییر شکل ماکروسکوپیک ماده ناچیز است. مارتنزیت پس پیچ خورده ، با اعمال تنش به مارتنزیت پیچ خورده به وجود می آید. طی این تبدیل ، بدون اینکه هیچ لغزش واقعی به معنای آسیب به ماده وارد شود ، شکل پذیری آن به طور قابل توجهی افزایش یافته ، آلیاژ به حداکثر تغییر طول خود می رسد و کرنش شبه پلاستیک در مارتنزیت ایجاد می شود. زمانی که باربرداری صورت می گیرد ، مارتنزیت به صورت پس پیچ خورده باقی می ماند و کرنش ایجاد شده در آن به جز مقدار اندکی کرنش الاستیک ، برگشت پذیر نیست. این کرنش پسماند می تواند با اعمال دمای بیشتر از Af به ماده ، حذف شود. شکل زیر ساختار آستنیت و دو نوع مارتنزیت ذکر شده را نشان می دهد.
رفتارهای مختلف آلیاژهای حافظه دار شکلی
رفتار فوق الاستیک ( Superelasticity )
اعمال تنش به SMA که در حالت اولیه آستنیت قرار دارد و دمای آن بالاتر از Af می باشد ، موجب می شود که آستنیت به مارتنزیت پس پیچ خورده تبدیل شود ، زیرا که آستنیت در تنش های زیاد پایدار نیست. منحنی تنش – کرنش این تبدیل شامل سه قسمت است که عبارتند از : یک شاخه الاستیک اولیه با مدول الاستیسیته اولیه آستنیت ، یک قسمت افقی که تبدیل فاز از آستنیت به مارتنزیت در این قسمت رخ می دهد و بار دیگر یک شاخه الاستیک با مدول الاستیسیته اولیه مارتنزیت در هنگام باربرداری ، مارتنزیت ناپایدار می شود و تبدیل معکوس رخ می دهد و ماده بدون هیچ کرنش پسماندی به شکل اولیه خود باز می گردد. تبدیل معکوس از روی یک مسیر متفاوت ماده را به مکان اولیه می رساند و بنابراین یک هیسترزیس تشکیل می شود که مساحت آن مصرف انرژی اتلافی می باشد. این رفتار را رفتار فوق الاستیک یا شبه الاستیک می نامند زیرا طی آن هیچ کرنش پسماندی بر روی ماده باقی نمی ماند. اگر دمای SMA بیشتر از Md (بیشینه دمایی که مارتنزیت در اثر اعمال تنش می تواند در آن ایجاد شود) باشد ، رفتار آلیاژ پس از یک تغییر شکل الاستیک اولیه ، پلاستیک خواهد شد ( همانند رفتار فولاد معمولی ) رفتار فوق الاستیک در شکل زیر نشان داده شده است.
رفتار حافظه شکلی ( Shape memory effect )
زمانی که SMA در دمایی کمتر از As تحت بارگذاری قرار بگیرد ، به دلیل پایدار بودن مارتنزیت در دماهای کم ، پس از باربرداری تغییر فاز صورت نمی گیرد. همچنین کرنش پلاستیک در مارتنزیت ایجاد می شود که به هنگام باربرداری قابل بازگشت نیست. با این حال ، کرنش پسماند تولید شده می تواند با اعمال دمای بالاتر از Af به طور کامل حذف شود. از آن جا که این مواد شکل اولیه خود را به یاد داشته و می توانند پس از اعمال دما به شکل اولیه خود بازگردند ، این خاصیت ، رفتار حافظه شکلی ( SME ) یا شبه پلاستیک نام گرفته است. در شکل زیر رفتار حافظه شکلی و دمایی که این رفتار در آ« به وقوع می پیوندد ، ارائه شده است.
همان طور که در شکل بالا نشان داده شده است ، اگر در حین ایجاد اثر حافظه شکلی و در هنگام اعمال حرارت ، به ماده اجازه تغییر شکل بازگردانده داده نشود ، به عنوان مثال با مقید شدن SMA در بتن ، در آن تنش ایجاد خواهد شد. از این تنش که به تنش بازگردانی موسوم است ، می توان برای پیش تنیده کردن یک تیر بتنی استفاده کرد.
میرایی مارتنزیتی ( Martensitic damping )
زمانی که SMA در حالت مارتنزیت تحت تنشی بیشتر از تنش تسلیم قرار گیرد ، به دلیل تغییر تدریجی جهت گیری گونه های مارتنزیت ، ظرفیت استهلاک انرژی زیادی از خود نشان می دهد. این خاصیت در شکل زیر نمایش داده شده است. همان طور که در این شکل مشاهده می شود در بارگذاری رفت و برگشتی هیسترزیس بزرگی تشکیل خواهد شد که مساحت آن برابر انرژی تلف شده می باشد.
این خاصیت مهم سبب شده است که SMA در کنترل غیر فعال سازه ها جایگاه ویژه ای پیدا کند. قابلیت استهلاک انرژی این مواد ، تقاضا را بر روی اعضای اصلی سازه کاهش می دهد و از آنجایی که این مواد دارای مقاومت بسیار بالایی در مقابل خستگی هستند ، می توانند پس از زلزله نیز مورد استفاده قرار گیرند و نیازی به تعویض آن ها نمی باشد.