آلیاژهای Fe-SMA (حافظه دار پایه آهن) به عنوان ماده جدید برای پیش تنیدگی سازه بتنی
13,500 تومانشناسه فایل: 12454
- حجم فایل ورد: 743.2KB حجم پی‌دی‌اف: 736.3KB
- فرمت: فایل Word قابل ویرایش و پرینت (DOCx)
- تعداد صفحات فارسی: 19 انگلیسی: 13
- ژورنال: SMAR 2015 — Third Conference on Smart Monitoring, Assessment and Rehabilitation of Civil Structures
مقدمه مقاله
آلیاژهای حافظه‌دار (SMAs) دارای خاصیت ویژه‌ای از به خاطر سپردن شکل خود، پس از تغییر شکل، یا بلافاصله پس از باربرداری و یا پس از در معرض حرارت بیش از دمای بحرانی قرار گرفتن می‌باشند. شکل 1 اثر ثانویه یک فنر SMA، را توضیح می‌دهد که در ابتدا به شدت تغییر شکل پیدا می‌کند و سپس در آب گرم در معرض درجه حرارت بالا قرار می‌گیرد. به محض این که فنر با آب گرم تماس پیدا کرد، به شکل اولیه خود برگشت، و می‌توان گفت شکل اصلی خود را به یاد آورد.
شکل 1: a) فنرSMA و یک ظرف آب گرم، b) فنر به شدت تغییر شکل پیدا کرده است، c) فنر زمانی که در معرض دمای بالا قرار می‌گیرد ‘به یاد ” شکل سابق خود می‌افتد.
با استفاده از این اصل، شکل 2 نشان می‌دهد که چگونه عناصر بتن را می‌توان با استفاده از تقویت‌کننده‌های SMA پیش تنیده کرد.عناصر SMA در ابتدا تغییر شکل داده می‌شوند و سپس در بتن تعبیه می‌گردند. هنگامی که بتن عمل آمد، عناصر SMA گرم می‌شوند، به عنوان مثال، با حرارت دادن مقاومتی الکتریکی، تغییر شکل آن‌ها در بتن محدود و یک تحکیم در SMA ایجاد می‌گردد.از این‌رو، تنش فشاری در بتن ایجاد می‌گردد. این اثر را می توان برای تحکیم عناصر مختلف بتن مسلح (RC)، مانند دال‌ها، تیرهای پل و یا سازه‌های ساختمانی به کار برد. مزیت آن، در مقایسه با تاندون‌های فولادی پیش‌تنیده معمولی، این است که هیچ غلاف، سر لنگر، جک هیدرولیکی روغنی و یا تزریق مجرا مورد نیاز نیست.علاوه بر این، نیروی تحکیم به علت اصطکاک در طول پیش‌تنیدگی کاهش نمی‌یابد، بنابراین استفاده از SMA ها به خصوص برای تقویت ساختارهای به شدت خمیده، امیدوار کننده است.
شکل 2: شرح شماتیک از روش پیش‌تنیدگی بتن با استفاده از تقویت‌کننده FeSMA
علاوه بر اثر حافظه شکل، که در این پروژه ارائه شده استفاده می‌شود، آلیاژهای با حافظه شکلی خواص جالب و توانایی‌هایی دیگری دارند از جمله سوپر الاستیسیتی، خود محوری، میرایی و یا استفاده به عنوان سنسور و یا فعال کننده، که در این مقاله مورد بحث قرار نمی‌گیرند. تحقیقات بسیاری را می‌توان در نگارشات در زمینه SMA ها و کاربرد آن‌ها در صنعت ساخت و ساز پیدا کرد. خوانندگان علاقه‌مند می‌توانند به جانک و همکاران (2005)، سانگ و همکاران (2006)، علم و همکاران (2007)، دونگ و همکاران (2011)، ازبولت و همکاران (2011)، لینگ و همکاران (2012)، کلادرا و همکاران (2014a)، و کلادرا و همکاران (2014b)[1] مراجعه کنند.
اغلب آلیاژهای حافظه دار شناخته شده از جنس آلیاژ نیکل تیتانیوم (نیکل تیتانیوم) هستند.این مواد در زمینه‌های پزشکی و لوازم الکترونیکی استفاده می‌شود. با این حال، نیکل تیتانیوم یک آلیاژ بسیار گران برای صنعت ساخت و ساز است. بنابراین، EMPA یک آلیاژ حافظه‌دار پایه آهن (Fe-SMA)را که مناسب برای ساخت و ساز است تولید کردکه می‌تواند با هزینه بسیار پایین‌تر تولید گردد.
در این مقاله، به طور مختصر اثر حافظه شکل Fe-SMA ها در مقیاس اتمی توضیح داده شده است. سپس، تحقیقات و تحولات توسط یک تیم چند رشته‌ای در EMPA در طول بیش از 10 سال در زمینه پیش‌تنیدگی بتن با استفاده از SMAها خلاصه شده است. در این مقاله روند ترقی از اولین آزمایش سیم‌های NiTi تا تولید تسمه‌ها و میلگردهای آجدارFe-SMA که کاربرد آن‌ها به عنوان تقویت‌کننده در تیرهای بتنی مورد بحث است ارائه شده است.
[1] : Janke et al. (2005), Song et al. (2006), Alam et al. (2007), Dong et al. (2011), Ozbulut et al. (2011), Ling et al. (2012), Cladera et al. (2014a), and Cladera et al. (2014b)
ABSTRACT Iron-based shape memory alloys (Fe-SMA) - a new material for prestressing concrete structures
Shape memory alloys (SMAs) have the special property of remembering their shape after being deformed, either immediately upon unloading or by heating above a critical temperature. This shape memory effect can be used to prestress concrete without the need for ducts, anchor heads, oil hydraulic jacks or duct injections. Furthermore, it is possible for SMAs to be used for reinforcing strongly curved structures because no prestress force loss due to friction occurs during prestressing. However, the only available SMAs on the market are nickel titanium (NiTi)-based and are far too expensive for the construction industry. Therefore, Empa developed a low cost, iron-based shape memory alloy (Fe-SMA) suitable for concrete reinforcement. In this paper, the shape memory effect of Fe-SMAs is briefly explained on the atomic scale. Next, investigations and developments by a multidisciplinary team at Empa during more than 10 years in the field of prestressing of concrete with SMAs are outlined. In the early 2000s, researchers at Empa investigated if SMAs could be used in civil constructions. A concrete beam was reinforced with NiTi wires and short NiTi fibers were embedded in mortar prisms. These investigations showed that it was possible to prestress concrete structures using NiTi wires. Subsequently, in collaboration with the Structural Engineering and Joining Technologies Research Laboratories at Empa, a new Fe-based SMA was developed for civil engineering applications. Next, strips made out of this alloy were produced and used for reinforcing concrete structures. In concrete bars, Fe-SMA strips were centrally embedded and the Fe-SMA strips were also used for strengthening reinforced concrete beams. Ongoing research uses ribbed Fe-SMA reinforcement bars for reinforcing large-scale beams. Finally, this paper discusses the company (reFer AG) established in 2012 to promote and introduce Fe-SMA reinforcements to the construction market. Potential applications are presented for Fe-SMA reinforcement in new concrete structures and in various strengthening applications.
Introduction
Shape memory alloys (SMAs) have the special property that they remember their shape after they have been deformed, either immediately upon unloading or by heating above a critical temperature. Figure 1 illustrates the second effect with a SMA spring, which is initially strongly deformed and then exposed to elevated temperature in warm water. As soon as the spring contacted the warm water, it returned to its original shape, i.e. it ‘remembered’ its original shape.
Using this principle, Figure 2 shows how concrete elements can be prestressed using SMA reinforcements. SMA elements are prestrained and then embedded in concrete. When the concrete has cured, the SMA elements are heated, e.g., by electric resistive heating, their deformation is constrained in the concrete and a prestress develops in the SMA. Hence, a compressive stress develops in the concrete. This effect can be applied to prestress various reinforced concrete (RC) elements, such as slabs, bridge girders or building constructions. The advantage, compared to conventional prestressing steel tendons, is that no ducts, anchor heads, oil hydraulic jacks or duct injections are needed. Furthermore, no prestress force loss due to friction occurs during prestressing, so the application of SMAs is promising also for reinforcing strongly curved structures.
In addition to the shape memory effect, which is used in the presented project, shape memory alloys have other interesting properties and capabilities that are not discussed in this paper including superelasticity, self-centering, damping or the use as sensors or actuators. Many research papers can be found in the literature in the field of SMAs and their application in the construction industry; interested readers can refer to Janke et al. (2005), Song et al. (2006), Alam et al. (2007), Dong et al. (2011), Ozbulut et al. (2011), Ling et al. (2012), Cladera et al. (2014a), and Cladera et al. (2014b).
The most commonly known SMAs are nickel-titanium (NiTi) alloys. These materials are used in the medical and electronics fields. However, a NiTi-alloy is too expensive for the construction industry; therefore, Empa developed an iron-based shape memory alloy (Fe-SMA) suitable for construction, which can be produced at a much lower cost.
In this paper, the shape memory effect of Fe-SMAs is briefly explained on the atomic scale. Then, investigations and developments by a multidisciplinary team at Empa during more than 10 years in the field of prestressing of concrete using SMAs are outlined. This paper presents the progression from the first NiTi wire trials through the production of ribbed Fe-SMA strips and bars; their application as reinforcements in concrete beams is also discussed.
- مقاله درمورد آلیاژهای Fe-SMA (حافظه دار پایه آهن) به عنوان ماده جدید برای پیش تنیدگی سازه بتنی
- پروژه دانشجویی آلیاژهای Fe-SMA (حافظه دار پایه آهن) به عنوان ماده جدید برای پیش تنیدگی سازه بتنی
- آلیاژهای Fe-SMA به عنوان ماده برای پیش تنیدگی سازه بتنی
- پایان نامه در مورد آلیاژهای Fe-SMA (حافظه دار پایه آهن) به عنوان ماده جدید برای پیش تنیدگی سازه بتنی
- تحقیق درباره آلیاژهای Fe-SMA (حافظه دار پایه آهن) به عنوان ماده جدید برای پیش تنیدگی سازه بتنی
- مقاله دانشجویی آلیاژهای Fe-SMA (حافظه دار پایه آهن) به عنوان ماده جدید برای پیش تنیدگی سازه بتنی
- آلیاژهای Fe-SMA (حافظه دار پایه آهن) به عنوان ماده جدید برای پیش تنیدگی سازه بتنی در قالب پايان‌نامه
- پروپوزال در مورد آلیاژهای Fe-SMA (حافظه دار پایه آهن) به عنوان ماده جدید برای پیش تنیدگی سازه بتنی
- گزارش سمینار در مورد آلیاژهای Fe-SMA (حافظه دار پایه آهن) به عنوان ماده جدید برای پیش تنیدگی سازه بتنی
- گزارش کارورزی درباره آلیاژهای Fe-SMA (حافظه دار پایه آهن) به عنوان ماده جدید برای پیش تنیدگی سازه بتنی