SUPERVISOR
Mahmoud Kadkhodaei,Payam Asadi,Tajmir Reiahi Hosein
محمود کدخدایی الیادرانی (استاد مشاور) پیام اسدی (استاد راهنما) حسین تاجمیرریاحی (استاد مشاور)
STUDENT
Afsane Falahian
افسانه فلاحیان حسین آبادی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی عمران
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1395
TITLE
Design, Manufacture and seismic assessment of Shape Memory Alloy Dampers
In this research, an innovative damper with Austenite Nitinol wire was designed and constructed. This damper has the ability to withstand tensile and compressive stresses and when exposed to external forces half the wires are in tension. The shape memory alloy wires have been anchored in a modern and simple manner, so as the amount of dissipated energy is increased, the thermodynamic properties of the will not change. With the construction of this device, using a simple and accessible material, a damper with axial force mechanism has been created. The aforementioned damper is also easy to use in different parts of the structure. After the training of shape memory alloys, the damper was subjected to a quasi-static loading test according to a selected protocol with different strain rates. The test displacement range is 5 mm and the variable loading frequency is from 0.001 to 5 Hz. The results show that increasing loading frequency, leads to an increase in the temperature of the memory alloy; thus both the high and low stress levels of the transformation plateau increase and approach each other. Therefore, the inner region of the curve decreases, resulting in a decrease in the amount of dissipated energy. The device has a steady behavior in various load cycles because of the presence of a memory alloy after training it, and there is no sign of reduced hardness and resistance. The cyclic behavior is also spotted completely stable and considerably ductile. Because of its return to its original state, it can be used repeatedly. In order to increase the dissipated energy, steel wires have been used in different ratios including four different types of steel and memory alloy in parallel with Nitinol. The results show that increasing the ratio of the area of ??the memory alloy to the steel in the device reduces the residual deformation and the viscous damping of the device. The temperature of the memory wire was investigated in a super-elastic structural regime during loading at different rates. In the next step, it was checked how the device operates after generating a secondary yielding in the alloy during cyclic loading up to the maximum feasible displacement in the machine. In the numerical study, the constructed damper are modeled with OpenSees software and the results of numerical analyzes are the verified using the results of laboratory analyzes. Employing nonlinear time history analysis and the nonlinear incremental dynamic analysis, the seismic performances of structures 3, 7 and 12,have been evaluated. The damper is evaluated for four types, according to principles of the memorizing damper, in which the maximum strain experienced should be less than the strain of the end of the transformation. The first type of the damper has a steel wire, in the second type uses shape memory alloy that the amount of SMA choose based on the hardness of the steel, the third type of the damper has memory alloy with a memory material based on the steel yielding force and the fourth type damper has a memory alloy, the amount of material is considered to be the average yield point and hardness of the steel. During numerical studies, as expected, the frame with a shape memory alloy, even in the third type, displays less residual relative displacement ratios than the first one. The main purpose of the use of memory alloy dampers is to reduce the proportional displacement of the floor, which is well suited to all frames. Therefore, in this part of the study, according to the results of four design types for frames, a new criterion for comparing steel dampers with dampers with a memory alloy is presented. Accordingly, the design basis for comparing should be a proportion of yielding point to hardening point, rather than hardening of the two materials. Keywords: Memory alloy damper, Seismic control of structures, Restoration property, OpenSee
در این پژوهش میراگر ابداعی دارای سیمهای نایتینول آستنیتی طراحی و ساخته شده است. این میراگر قابلیت تحمل نیروهای کشش و فشار را دارد، به صورتیکه طی اعمال کشش یا فشار همواره نیمی از سیمها تحت کشش قرار میگیرد. سیمهای آلیاژ حافظهدار در میراگر به صورتی نوین و ساده مهارشدهاند، تا درحالیکه مقدار استهلاک بیشتر میگردد، خواص ترمودینامیک سیمهای خام آلیاژ حافظهدار تغییر ننماید. با ساخت این دستگاه با استفاده از مصالح در دسترس و ساده، میراگری تولید شدهاست که مکانیزم نیرویی آن بهصورت محوری است و قابلیت کاربرد ساده در قسمتهای مختلف سازه را دارد. میراگر پس از آموزش آلیاژهای حافظهدار، تحت آزمایش بارگذاری شبه استاتیکی طبق پروتکل انتخابی با نرخ کرنش مختلف قرار گرفت. محدوده جابجایی آزمایش برابر با 5 میلیمتر و فرکانس بارگذاری متغیر از 001/0 تا 5 هرتز بوده است. نتایج نشان داد با افزایش فرکانس بارگذاری، دمای آلیاژ حافظهدار افزایش مییابد، در نتیجه هر دو سطح تنش بالا و پایین استحاله افزایش یافته و به یکدیگر نزدیک میگردد. بنابراین ناحیه درونی منحنی چرخهای کاهش یافته، که در نتیجه میزان انرژی مستهلک شده کاهش مییابد. دستگاه در چرخههای مختلف بارگذاری به دلیل حضور آلیاژ حافظهدار، پس از آموزش دادن این آلیاژ، رفتار ثابتی داشته و اثری از کاهش سختی و مقاومت در آن دیده نمیشود، به صورتیکه رفتار چرخهای پایدار و شکلپذیری قابل توجهی در دستگاه مشاهده میشود. همچنین به علت بازگشت به حالت اولیه خود، میتوان از دستگاه بهصورت مکرر استفاده کرد. جهت افزایش استهلاک انرژی، از سیمهای فولادی در نسبتهای متفاوتی شامل چهار ترکیب مختلف فولاد و آلیاژ حافظهدار بهصورت موازی با نایتینول استفاده شده است. نتایج نشان داده است که افزایش نسبت مساحت آلیاژ حافظهدار به فولاد در دستگاه، سبب کاهش تغییر شکل پسماند و میرایی ویسکوز معادل دستگاه میشود. دمای سیم حافظهدار در رژیم سوپرالاستیک ساختاری حین انجام بارگذاری در نرخهای متفاوت بررسی گردید. در مرحله بعدی نحوه عملکرد دستگاه پس از ایجاد تسلیم ثانویه در آلیاژ طی بارگذاری چرخهای تا حداکثر جابجایی قابلاعمال در دستگاه بررسی شده است. در قسمت مطالعات عددی، میراگر ساخته شده در این پژوهش با نرمافزار OpenSees مدلسازی و نتایج تحلیلهای عددی با نتایج تحلیلهای آزمایشگاهی صحت سنجی شده است. به کمک تحلیل غیرخطی تاریخچه زمانی و تحلیل دینامیکی غیرخطی فزاینده سازههای 3، 7 و 12 طبقه مجهز به میراگرها ارزیابی لرزهای شدهاند. میراگر برای چهار حالت، با توجه اصول طراحی میراگرهای حافظهدار که باید حداکثر کرنش تجربه شده کمتر از کرنش پایان استحاله باشد، ارزیابی شده است. حالت اول قاب دارای میراگر دارای فولاد، حالت دوم میراگر دارای آلیاژ حافظه دار که مقدار ماده حافظه دار بر مبنای سختی فولاد تعیین شده است، حالت سوم میراگر دارای آلیاژ حافظه دارکه مساحت ماده حافظه دار بر مبنای نیروی تسلیم فولاد تعیین شده است، حالت چهارم میراگر دارای آلیاژ حافظه دار که مقدار ماده حافظه دار به میزان میانگین نقطه تسلیم و سختی فولاد، در نظر گرفته شده است. طی بررسیهای عددی انجام شده، همانطور که انتظار میرفت قاب دارای میراگر آلیاژ حافظهدار در تمامی حالات جابجایی پسماند کمتری نسبت به حالت اول دارد بدین ترتیب هدف اصلی استفاده از میراگرهای دارای آلیاژ حافظهدار که کاهش جابجایی نسبی پسماند طبقات است، بهخوبی در همه قابها فراهم شده است. از مقایسه چهار حالت میتوان دریافت مبنای ارزیابی جهت مقایسه میراگرهای فولادی و آلیاژحافظه دار، بهتر است که سختی این دو ماده نباشد، بلکه بهتر است نسبتی از نقطه تسلیم و سختی دو ماده لحاظ گردد.