Observing the unique stress-strain curves of the superelastic shape memory alloy (SMA) in tension and compression, the primary intention of this study is to investigate the behavior of the shafts made of the same material, under torsional loading-unloading cycles for large angle of twist. Experiments have been performed for the superelastic SMA shafts with different unsupported lengths and angles of twist and the results are compared with those of stainless steel (SUS304) shafts under similar test conditions. As expected for the superelastic SMA, the residual strains are small enough after each cycle and consequently, the hysteresis under loading-reverse loading is much narrower than that for the SUS304. For large angle of twists, the torsional strength of the superelastic SMA increases nonlinearly and exceeds that of SUS304. Most interestingly, the slender solid superelastic SMA shafts are found to buckle when acted upon torsion for large angle of twist.
The nickel-titanium shape memory alloy (SMA), referred to as Nitinol, exhibits a superelastic effect that can be restored to its original shape even if a significant amount of deformation is applied at room temperature, without any additional heat treatment after removal of the load. Owing to these unique material characteristics, it has widely used as displacement control devices for seismic retrofitting in civil engineering fields as well as medical, electrical, electronic and mechanical fields. Contrary to ordinarty carbon steel, superelastic SMAs are very resistant to fatigue, and have force-displacement properties depending on loading speed. The change for the mechanical properties of superelastic SMAs are experimentally inviestigated in this study when loading cycle numbers and loading speeds are different. In addition, the standardized force-displacement properties of such superelastic SMAs are proposed with an aim to efficiently design the seismic retrofitting devices made of these materials.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.16
no.6
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pp.1-12
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2012
The researches related to active control systems utilizing superelastic shape memory alloys (SMA) have been recently conducted to reduce critical damage due to lateral deformation after severe earthquakes. Although Superelastic SMAs undergo considerable inelastic deformation, they can return to original conditions without heat treatment only after stress removal. We can expect the mitigation of residual deformation owing to inherent recentering characteristics when these smart materials are installed at the part where large deformation is likely to occur. Therefore, the primary purpose of this research is to develop concentrically braced frames (CBFs) with superelastic SMA bracing systems and to evaluate the seismic performance of such frame structures. In order to investigate the inter-story drift response of CBF structures, 3- and 6-story buildings were design according to current design specifications, and then nonlinear time-history analyses were performed on numerical 2D frame models. Based on the numerical analysis results, it can be comparatively verified that the CBFs with superelastic SMA bracing systems have more structural advantages in terms of energy dissipation and recentering behavior than those with conventional steel bracing systems.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.39
no.1
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pp.9-15
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2011
The influence of the strain-rate on the superelastic behaviors of shape memory alloys (SMAs) wires is experimentally and numerically investigated. The one-dimensional SMA constitutive equations considering strain-rate effect is developed. The evolution of stress-strain curves of SMA wires is examined with various strain-rates. Results show that the superelastic behaviors of SMAs may significantly be changed depending on the variation of strain-rate.
Superelastic shape memory alloys (SMAs) are metallic materials that can automatically recover to their original condition without heat treatment only after the removal of the applied load. These smart materials have been wildly applied instead of steel materials to the place where large deformation is likely to concentrate. In spite of many advantages, superelastic SMA materials have been limited to use in the construction filed because there is lack of effort and research involved with the development of the material model, which is required to reproduce the behavior of superelastic SMA materials. Therefore, constitutive material models as well as algorithm codes are mainly treated in this study for the purpose of simulating their hysteretic behavior through numerical analyses. The simulated curves are compared and calibrated to the experimental test results with an aim to verify the adequacy of material modeling. Furthermore, structural analyses incorporating the material property of the superelastic SMAs are conducted on simple and cantilever beam models. It can be shown that constitutive material models presented herein are adequate to reliably predict the behavior of superelastic SMA materials under cyclic loadings.
This study compares the performance of two smart isolation systems that utilize superelastic shape memory alloys (SMAs) for seismic protection of bridges using energy balance concepts. The first isolation system is a SMA/rubber-based isolation system (SRB-IS) and consists of a laminated rubber bearing that decouples the superstructure from the bridge piers and a SMA device that provides additional energy dissipation and re-centering capacity. The second isolation system, named as superelastic-friction base isolator (S-FBI), combines the superelastic SMAs with a flat steel-Teflon bearing rather than a laminated rubber bearing. Seismic energy equations of a bridge structure with SMA-based isolation systems are established by absolute and relative energy balance formulations. Nonlinear time history analyses are performed in order to assess the effectiveness of the isolation systems and to compare their performance. The program RSPMatch 2005 is employed to generate spectrum compatible ground motions that are used in time history analyses of the isolated bridge. Results indicate that SRB-IS produces higher seismic input energy, recoverable energy and base shears as compared to the S-FBI system. Also, it is shown that combining superelastic SMAs with a sliding bearing rather than rubber bearing significantly reduce the amount of the required SMA material.
Helical structures made of superelastic shape memory alloys are widely used as interventional medical devices and active actuators. These structures generally undergo large deformation during expansion or actuation. Currently their behaviour is modelled numerically using the finite element method or obtained through experiments. Analytical tools are absent. In this paper, an analytical approach has been developed for analyzing the mechanical responses of such structures subjected to axial and torsional loads. The simulation results given by the analytical approach have been compared with both numerical and experimental data. Good agreements between the results indicate that the analysis is valid.
As the magnitude and frequency of earthquakes increase in Korea, interest in earthquake damage reduction technology has increased. Therefore, research on vibration damping devices that directly respond to seismic loads is being actively researched. After an earthquake, damage or destruction of the device occurs due to the yield of materials, and thus it takes considerable cost and time for restoration and replacement. To supplement the problems of the existing earthquake damage reduction technology, a study was conducted on the recentering smart damper that can be used continuously after an earthquake. In this study, the recentering smart damper that can be restored to its original shape after load removal was developed using superelastic shape memory alloy, pre-compressed polyurethane. General steel was commonly applied to verify the seismic performance of the superelastic shape memory alloy, and the performance of the smart damper was verified according to the amount of polyurethane pre-compressed
GRAVINA, Marco A;QUINTAO, Catia A;KOO, Daniel;ELIAS, Carlos N
The korean journal of orthodontics
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v.33
no.6
s.101
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pp.465-474
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2003
The great variety of commercial brands of orthodontic wires available on the market, stimulated by the so called superior wires (nickel titanium with shape memory effect and superelastic nickel titanium), makes the professional choice for a suitable and less expensive material difficult. The in vitro study of the mechanical properties of the orthodontic wires acts as an auxiliary tool for the professional. In this paper, a comparative study of mechanical properties was made, using stress strain tests for 4 types of orthodontic wires (conventional stainless steel, multistranded steel, superelastic nickel titanium and thermoactivated nickel titanium) separated into 5 groups. A series of 6 tests were tested for each group of wires. Initially, each group was tested 3 times until the wires broke. Furthermore, 3 more tests for each group were performed, stretching the wires under standardized activation loads, for a reliable comparison of their mechanical properties, during loading and unloading. 1 tests were applied to check differences among the groups. In vitro, the results suggest that regarding the mechanical properties supposedly desirable for physiological teeth movement, such as resilience, elasticity modulus, strength liberated during unloading, and the way that strength is liberated, thermoactivated nickel titanium wires, acting under mouth temperature, seems to be a good choice, fellowed by superelastic nickel titanium, multistranded stainless steel, and conventional stainless sleet. Superelasticity was demonstrated for superelastic nickel titanium wires. When at $37^{\circ}C$, thermoactivated nickel titanium wires showed shape memory effect, showing that temperature is important for enhancing the mechanical properties.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.33
no.3
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pp.875-888
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2013
The researches have recently progressed toward the use of the superelastic shape memory alloys (SMAs) to develop new smart control systems that reduce permanent deformation occurring due to severe earthquake events and that automatically recover original configuration. The superelastic SMA materials are unique metallic alloys that can return to undeformed shape without additional heat treatments only after the removal of applied loads. Once the superelastic SMA materials are thus installed at the place where large deformations are likely to intensively occur, the structural system can make the best use of recentering capabilities. Therefore, this study is intended to propose new buckling-restrained braced frames (BRBFs) with superelastic SMA bracing systems. In order to verify the performance of such bracing systems, 6-story braced frame buildings were designed in accordance with the current design specifications and then nonlinear dynamic analyses were performed at 2D frame model by using seismic hazard ground motions. Based on the analysis results, BRBFs with innovative SMA bracing systems are compared to those with conventional steel bracing systems in terms of peak and residual inter-story drifts. Finally, the analysis results show that new SMA bracing systems are very effective to reduce the residual inter-story drifts.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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