آلیاژهای حافظه دار شکلی، یا به‌اختصار SMA ها، دسته ای از مصالح هستند که می‌توانند تغییرشکل های بزرگ (کرنش‌های بزرگ) را به 2 عملکرد (اثر) مختلف تحمل کرده و به حالت اولیه (بدون تغییر شکل پسماند) بازگردند:
- اثر حافظه شکل
- اثر ابرالاستیک
اولین مشاهدات مربوط به اثرات حافظه شکل در سال 1932 توسط چنگ و رید(Chang & Read) [1] ثبت شد. آن‌ها این اثر را در ترکیبات CuZn و AuCd مشاهده کردند. در تحقیق دیگری [2] در سال 1961، اثرات حافظه شکل را در آلیاژی از نیکل و تیتانیوم مشاهده شد که به آلیاژ نیتینول(Nitinol) نام‌گذاری گردید. این آلیاژ به دلیل قیمت نسبی کمتر و مشخصات مکانیکی برتر خود در مقایسه با سایر SMAها (CuAlNiT ،FeMn، MnCu و …)، هم اکنون به‌عنوان پرکاربردترین SMA مورد استفاده قرار می‌گیرد. این مشاهدات جرقه تحقیقات بر روی مشخصات این مصالح و کاربردهای بالقوه آن‌ها را ایجاد کرد. کاربرد مصالح SMA ابتدا درزمینهٔ مهندسی پزشکی آغاز و سپس به سایر صنایع مانند هوافضا، الکترونیک و غیره گسترش یافت.
کاربرد این مصالح درزمینهٔ های مختلف مهندسی عمران نیز در حال گسترش است. خصوصیات منحصربه‌فرد این مصالح موجب توجه ویژه به آن برای کاربرد درزمینهٔ مقاوم‌سازی لرزهای شده است. SMAها دارای قابلیت‌های جذب انرژی، ظرفیت تحمل الاستیک کرنش‌های بزرگ، میرایی چرخهای (هیستریتیک)، مقاومت قابل ملاحظه در برابر انواع خستگی (سیکل بالا و پایین) ، مقاومت بالا در برابر خوردگی و غیره می‌باشد. این ویژگی‌ها همگی نشان از پتانسیل بالای این مصالح برای استفاده در مقاوم‌سازی سازه‌ها می‌باشد. مصالح SMA در کاربردهای مقاوم‌سازی به‌صورت المان‌های مختلفی از جمله سیم، میله، صفحه، میراگر و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرد.
1. اثرات حافظه شکل و ابرالاستیسیته
اثرات حافظه شکل و ابرالاستیسیته در SMAها، به‌اندازه درجه حرارت در آن‌ها بستگی دارد. در درجه حرارت پایین، SMAها رفتار یا اثر حافظه شکل از خود بروز می‌دهند. SMAها که ابتدا در فرم(فاز) مارتنزیک (Martensic) خود قرار دارند، به‌راحتی کرنش قابل توجهی را می‌توانند در اثر بارگذاری تحمل کنند. باربرداری از آن‌ها موجب ایجاد یک کرنش پسماند در آن‌ها می‌گردد (شکل 1). اعمال حرارت مشخص به SMAها در این حالت موجب تغییر فاز آن‌ها شده و آن‌ها به شکل اولیه خود (بدون وجود کرنش پسماند) برمی‌گرداند.
در درجه حرارت بالا، SMAها از خود رفتار ابرالاستیک نشان می‌دهند (شکل 1). SMAها که ابتدا در فرم(فاز) آستنیتیک (Austenitic) خود قرار دارند، با اعمال تنش به آن وارد فاز مارتنزیک خود می‌شود. با باربرداری آز SMAها در این حالت، فرم مارتنزیت آن‌ها ناپایدار شده و به فاز آستنیتیک خود، و در حالت بدون کرنش پسماند، بازمی‌گردند.
1. مشخصات مکانیکی SMAها
برای استفاده از مصالح SMA در کاربردهای مقاوم‌سازی لرزهای، لازم است که شناخت کافی از رفتارهای مؤثر آن وجود داشته باشد. تحقیقات صورت گرفته در این زمینه عمدتاً معطوف به رفتار چرخهای (سیکلیک)، اثرات سرعت بارگذاری و اثرات درجه حرارت در SMAها می‌باشد.
1.1. رفتار چرخهای (سیکلیک)
رفتار سیکلیک مصالح SMA برای کاربرد در مقاوم‌سازی لرزهای سازه‌ها از اهمیت بالایی برخوردار است. در شکل 2، منحنی تنش-کرنش آلیاژ Nitinol در فرم آستنیتیک، تحت اثر سیکل‌های بارگذاری مختلف را نشان می‌دهد. همان‌طور که مشاهده می‌گردد، با افزایش تعداد سیکل‌های بارگذاری-باربرداری، کرنش پسماند ایجاد شده افزایش مییابد. این مشاهده به دلیل لغزش‌های میکرو ساختاری در فاز مارتنزیت مصالح تحت بارگذاری ایجاد می‌شود که منجر به کرنش‌های پسماند و تنش‌های داخلی می‌گردد [3]. همچنین با افزایش تعداد سیکل‌های بارگذاری، ظرفیت جذب انرژی و میرایی هیستریتیک مصالح کاهش مییابد. برای بارگذاری زلزله که دارای تعداد سیکل بارگذاری متوسط 5-10 عدد می‌باشد، سطح تنش ایجاد شده به‌طور متوسط 40% کاهش مییابد.
1.1. سرعت بارگذاری
مطالعات صورت گرفته بر روی تأثیر سرعت بارگذاری بر رفتار SMAها به نتایج متناقضی منجر شده است. مطابق مشاهدات انجام گرفته، بارهای لرزهای به‌طور متوسط دارای سرعت بارگذاری در حدود 0.5 الی 2 هرتز می‌باشند. مشاهدات عده‌ای از دانشمندان [4] نشان می‌دهد که با افزایش سرعت بارگذاری تا سرعت بارگذاری بارهای لرزهای، ظرفیت میرایی مصالح SMA از نوع Nitinol افزایش مییابد. از طرف دیگر، تحقیقات دیگری[5] در این زمینه، بیانگر کاهش میرایی و جذب انرژی این مصالح می‌گردد. بنابراین تحقیقات بیشتری برای درک دقیق‌تر اثرات سرعت بارگذاری بر رفتار مصالح SMA لازم است.
1.2. اثرات درجه حرارت
درجه حرارت را می‌توان مهم‌ترین عامل مؤثر بر اثر حافظه شکل در مصالح SMA دانست به گونه‌ای که کاهش درجه حرارت این مصالح منجر به افزایش تنش در آن‌ها می‌شود. بر ان اساس، مصالح SMA در درجه حرارت پایین، اثر حافظه شکل، و در درجه حرارت بالا، اثر یا رفتار ابرالاستیک از خود بروز می‌دهد. بنابراین در مرحله طراحی مصالح SMA برای استفاده در کاربردهای مقاوم‌سازی باید به پارامتر درجه حرارت توجه ویژه‌ای داشت.
2. کاربرد مصالح SMA در مقاوم‌سازی سازه‌ها
مصالح SMA در سازه‌ها و المان‌های سازه‌ای مختلف برای کاربردهای مقاوم‌سازی استفاده می‌شود. اوهی (Ohi) [6] المان‌های SMA به‌صورت بادبند در قاب‌های فولادی را مورد مطالعه قرار داد. استفاده از میله‌های NiTi (قطر 35 میلی‌متر، طول 381 میلی‌متر) در اتصالات تیر به ستون توسط اوسل (Ocel) و همکاران [7] مورد مطالعه قرار گرفت. در یک مطالعه [8] ، پتانسیل استفاده از یک سیستم جداگر لرزهای مرکب از LRB و میله‌های SMA در پل‌ها مورد بررسی قرار گرفت. تاکنون در پروژههای بهسازی لرزهای مختلفی در سراسر دنیا از مصالح SMA استفاده شده است. در شکل 3، مواردی از کاربرد SMA در مقاوم‌سازی ساختمان‌های مختلف نشان داده شده است.
1. جمع بندی و نتیجه گیری
مصالح SMA به دلیل مشخصات مکانیکی منحصربه‌فرد خود، گزینه بالقوه مناسبی برای به‌کارگیری در مقاوم‌سازی انواع سازه‌ها می‌باشد. مطالعات آزمایشگاهی و عددی صورت گرفته نشان دهنده قابلیت مناسب این مصالح برای بهبود عملکرد لرزهای انواع سازه‌ها، بخصوص ساختمان‌ها و پل‌ها، می‌باشد. قابلیت تحمل سیکل‌های بارگذاری بدون برجا گذاشتن کرنش پسماند قابل ملاحظه (با اعمال درجه حرارت مناسب می‌توان این مقدار اندک را نیز به صفر رساند) را می‌توان مهم‌ترین ویژگی این مصالح در مقاوم‌سازی سازه‌ها دانست. در این راستا، تحمل کرنش‌های سیکلیک فراتر از 6% با حداقل کرنش پسماند (زیر 1%)، فایده زیادی در استفاده از مصالح SMA در المان‌های بادبندی در ساختمان‌ها و المان‌های کنترلی در پل‌ها دارد.
در فرم مارتنزیک مصالح SMA (آلیاژ NiTi)، میرایی ویسکوز معادلی برابر 15 الی 20 % مشاهده می‌شود (در فرم آستنیتیک، میرایی ویسکوز در حدود 4 الی 8% است). در فرم آستنیتیک، مصالح SMA میرایی هیستریتیک قابل ملاحظه‌ای در طی سیکل‌های بارگذاری نشان می‌دهد که نشان از تأمین میرایی مناسب در طول کل زمان بارگذاری لرزهای است. برای نیل به عملکرد بهینه مصالح SMA، طراحی مناسب استفاده از هر 2 فرم این مصالح توصیه می‌شود. تحقیقات صورت گرفته نشان می‌دهند که با طراحی مناسب، مصالح SMA می‌توانند سیکل‌های متعدد بارگذاری را با حداقل افت مشخصات مکانیکی (سختی، مقاومت، جذب انرژی، …)تحمل نمایند.
باوجود قابلیت‌های بسیار مناسب مصالح SMA برای کاربرد در مقاوم‌سازی لرزهای، موانع بالقوه‌ای نیز در برابر کاربرد فراگیر این مصالح در حال حاضر وجود دارد. مصالح SMA به‌شدت به تغییرات در ترکیب ساختاری خود حساس است به‌طوری‌که تغییرات اندک در ترکیب آلیاژ آن می‌تواند تأثیرات قابل توجهی بر رفتار مکانیکی آن برجا بگذارد. این مسئله، فرآیند تولید و کنترل کیفیت آنرا بسیار دقیق و مشکل می‌کند. از طرف دیگر، مصالح SMA می‌توانند بسیار گران قیمت باشند بطوریکه باوجود پیشرفت‌های صورت گرفته، هزینه تولید یک کیلوگرم از این مصالح در حدود 100 دلار در هر کیلوگرم می‌باشد [9]. همچنین فرآیند ساخت و بهره برداری این مصالح مانند ماشینکاری، جوشکاری و غیره، نیز نیازمند دستگاه‌های پیشرفته و هزینه بر است. یکی از اصلی‌ترین موانع کاربرد گسترده مصالح SMA، وابستگی بالای این مصالح به تغییرات درجه حرارت است به‌طوری که تغییرات درجه حرارت منجر به تغییر فاز (مارتنزیک/ آستنیتیک) و درنتیجه تغییر رفتار آن می‌گردد.
تحقیقات صورت گرفته بر روی کاربرد مصالح SMA درزمینهٔ های مهندسی عمران و بخصوص مقاوم‌سازی لرزهای همچنان در مراحل ابتدایی خود می‌باشد. اما با توجه به پیشرفت‌های قابل توجه صورت گرفته در چند سال اخیر، به نظر می‌رسد که می‌توان با انجام تحقیقات هدفمند و بین رشته‌ای، شاهد کاربرد گسترده مصالح SMA در مقاوم‌سازی سازه‌ها در کشور عزیزمان بود.
2. منابع و مراجع
[1] Chang, L. and Read T. (1951). AIME 191, p. 47. [2] Buehler, W. and Wiley, R. [I9611 “The properties of TiNi and associated phases,” Report, NOLTR 61- 75 [AD 2666071, US Naval Ordnance Laboratory [3] Sehitoglu, H., Anderson, R., Kararnan, I., GaIl, K. and Churnlyakov, Y. [ZOO11 “Cyclic deformation behaviour-of-single-cr-y st vg- A314, pp. 67-74. [4] Liu, Y. and Van Humbeeck, J. 119971 “On the damping behaviour of NiTi shape memory alloy,” Journal de Physique, Coll. IV 7, C5519. [5] DesRoches, R., McCormick, J. and Delemont , M. [2003]. “Cyclic properties of superelastic shape memory alloys,” ASCE Journal of Structural Engineering. [6] Ohi, K. [2001]. “Pseudedynamic earthquake response tests and cyclic loading tests on steel frames including pseudc+elastic elements,” NSF-JSPS, US-Japan Seminar on Advanced Stability and Seismicity Concept for Performance-based Design of Steel and Composite Structures, Kyoto, Japan. [7] Ocel, J., Leon, R., DesRoches, R., Krumme, R., Hayes, J. and Sweeney, S. (2002) “High damping steel beam-column connections using shape memory alloys,” Proceedings from the 7th US National Conference in Earthquake Engineering, Boston, Massachusetts [8] Wilde, K., Gardoni, P. and Fujino, Y. [2000] “Base isolation system with shape memory alloy device for elevated highway bridges,” Engineering Stnrctures 22, pp. 222-229 [9] NDC, Nitinol Devices & Components [2017] <https://www.nitinol.com>
