• Structural Engineering and Mechanics
• /
• 제22권5호
• /
• pp.563-574
• /
• 2006

This paper studies mechanical behavior of the superelastic shape memory alloy (SMA) rods in terms of local deformations and time via tensile loading-unloading cycles for both ends fixed end constraints. Besides the unique stress induced martensitic transformation (SIMT), SMA's time dependent behavior when it is in mixed-phase condition upon loading and unloading, also need careful attention with a view of investigating the local deformation of the structural elements made of the same material. With this perspective, the so-called stress-relaxation tests have been performed to demonstrate and investigate the local strains-total strains relationships with time, particularly, during the forward SIMT. Some remarkable phenomena have been observed pertaining to SIMT, which are absent in traditional materials and those unique phenomena have been explained qualitatively. For example, at the stopped loading conditions the two ends (fixed end and moving end of the tensile testing machine) were in fixed positions. So that there was no axial overall deformation of the specimen but some notable increase in the axial local deformation was shown by the extensometer placed at the middle of the SMA specimen. It should be noted that this peculiar behavior termed as 'inertia driven SIMT' occurs only when the loading was stopped at mixed phase condition. Besides this relaxation test for the SMA specimens, the same is performed for the mild steel (MS) specimens under similar test conditions. The MS specimens, however, show no unusual increase of local strains during the stress relaxation tests.

• Smart Structures and Systems
• /
• 제7권5호
• /
• pp.329-348
• /
• 2011

Large-scale earthquakes pose serious threats to infrastructure causing substantial damage and large residual deformations. Superelastic (SE) Shape-Memory-Alloys (SMAs) are unique alloys with the ability to undergo large deformations, but can recover its original shape upon stress removal. The purpose of this research is to exploit this characteristic of SMAs such that concrete Beam-Column Joints (BCJs) reinforced with SMA bars at the plastic hinge region experience reduced residual deformation at the end of earthquakes. Another objective is to evaluate the seismic performance of SMA Reinforced Concrete BCJs repaired with flowable Structural-Repair-Concrete (SRC). A $\frac{3}{4}$-scale BCJ reinforced with SMA rebars in the plastic-hinge zone was tested under reversed cyclic loading, and subsequently repaired and retested. The joint was selected from an RC building located in the seismic region of western Canada. It was designed and detailed according to the NBCC 2005 and CSA A23.3-04 recommendations. The behaviour under reversed cyclic loading of the original and repaired joints, their load-storey drift, and energy dissipation ability were compared. The results demonstrate that SMA-RC BCJs are able to recover nearly all of their post-yield deformation, requiring a minimum amount of repair, even after a large earthquake, proving to be smart structural elements. It was also shown that the use of SRC to repair damaged BCJs can restore its full capacity.

• 대한치과교정학회지
• /
• 제37권6호
• /
• pp.432-439
• /
• 2007

초탄성 니켈-티타늄 호선의 하중값은 온도 변화에 따라 변화함이 보고된 바 있다. 따라서 본 연구에서는 온도가 변화함에 따라 니켈-티타늄 합금 호선의 하중값이 어떻게 변화하는지 알아보고자 하였다. $37^{\circ}C$ 항온 상태에서 $0.016"{\times}0.22"$ 니켈-티타늄 호선을 3.1 mm까지 변위시키는 3점 굴곡 실험을 시행하여 하중 시와 탈하중 시의 1.5mm 변위지점의 하중값을 측정하고 이 지점에서 구강내 온도 변화를 고려한 온도 변화 실험을 시행하였다. $20^{\circ}C$ 저온수 또는 $50^{\circ}C$ 고온수를 호선에 흘려보냄으로써 온도 변화를 주었다. 저온 실험은 저온수로 온도 변화를 주고 $37^{\circ}C$ 항온 온도로 회복된 후에 다시 저온수를 흐르게 하는 방법으로 10회 시행하였고 고온 실험도 동일한 방법으로 시행하였다. 그 결과 하중 시 1.5mm 변위지점의 하중값은 저온 실험 및 고온 실험 후 $37^{\circ}C$로 회복된 후에도 모두 감소된 값을 유지하였다. 반대로 실제로 치아에 가해지는 교정력으로 생각되는 탈하중 시 1.5 mm 변위 지점의 하중값은 저온 실험 및 고온 실험 후 온도가 $37^{\circ}C$로 회복되어도 모두 증가된 값을 유지하였다. 이상의 결과를 종합해 볼 때 온도변화를 거친 후 초탄성 니켈-티타늄 합금 호선의 하중 시 힘은 감소하였고 탈하중 시 힘은 증가되므로, 임상에서 니켈-티타늄 호선을 적용 시에는 $37^{\circ}C$에서의 하중-변위 곡선에서 나타나는 힘에 비해 더 작은 하중 시 힘과 더 큰 탈하중 시 힘이 적용될 수 있음에 유의하여야 한다.

• 대한치과교정학회지
• /
• 제25권2호
• /
• pp.187-200
• /
• 1995

국산 Ni-Ti합금 교정용 선재(ORTHOLLOY)의 특성을 평가하기 위하여 성분, 인장특성, 굽힘특성, 열처리성, 내식성, 이온용출 등에 대해 조사하고 외국산 Ni-Ti합금 선재(SENTALLOY)의 특성과 비교 분석한 결과는 다음과 같았다. ORTHOLLOY는 초탄성 효과를 나타내는 범위내에서의 Ni과Ti 함량을 포함하고 있었다. 인장실험에서 ORTHOLLOY는 연신율 $2\%$에서 $8\%$정도 범위내에서 하중의 변화가 거의 없는 초탄성 효과를 나타내었다. 3점 굴곡실험에서 ORTHOLLOY는 SENTALLOY 보다 같은 변위량에서 높은 하중값을 나타내었고, 초탄성을 나타내는 변위영역에서의 하중 범위는 ORTHOLLOY의 경우 0.014" 에서 80-100g, 0.016"에서 140-180g, 0.018" 에서 150-200g의 값을 나타내었다. $400^{\circ}C,\;500^{\circ}C$의 열처리에 의해 초탄성을 나타내는 하중범 위가 낮아졌고, 각 열처리 온도에서는 시간이 증가함에 따라 초탄성을 나타내는 하중값의 범위가 낮아졌으며 $600^{\circ}C$에서는 10분간의 열처리로 초탄성 효과가 소실되었다. 용출되어 나온 Ni 이온의 양은 SENTALLOY의 0.01ppm미만의 극소량에 비해 ORTHOLLOY에서는 0.3ppm 전후로 높게 나타났다. 침적 실험후 주사전자현미경 관찰을 통한 표면조직 소견은 SENTALLOY에서는 침적 전후 및 침적 시간의 경과에 관계없이 전체적으로 비교적 균일한 양상을 보였으나 ORTHOLLOY에서는 pitting corrosion양상을 보였다.

• 대한토목학회논문집
• /
• 제35권5호
• /
• pp.1025-1037
• /
• 2015

지반과 상부 구조물 사이의 경계에서 유연성이 확보된 지진동 격리 받침 시스템을 설치한 후에 전체 구조물의 고유 주기를 연장하고 구조물에 전달되는 지진 가속도를 저감하여 구조물을 보호하는 면진 설계 방식이 최근 건설 현장에서 널리 활용되고 있다. 하지만 도심지의 현대 구조물이 점차 대형화 및 고층화 되면서 기존의 면진 받침을 그대로 사용하기에는 지진 발생시 저항 능력의 부족으로 인한 전단파괴 혹은 잔류변형이 발생하여 구조물의 사용성 향상을 위한 보수 및 붕괴 위험에 따른 철거의 문제점을 발생시킨다. 따라서 본 연구에서는 기존에 주로 사용되는 면진 받침의 저항 강도와 복원성을 향상시키기 위하여 부가적인 개장 시스템을 설치하고 지진 하중에 대한 성능을 평가하고자 한다. 초탄성 형상기억합금 소재의 보강 봉을 납 적층 고무 받침에 설치한 면진 시스템을 설계하고 단자유도 스프링 모델로 모형화하여 지진 데이터를 활용하고 비선형 동적 해석을 실시하였다. 본 연구에서 제안된 면진 시스템이 성능적인 우수성을 입증하기 위하여 기존에 사용된 면진 받침과 여기에 추가로 강재 봉으로 보강된 면진 시스템과의 극한 전단 저항력, 복원성 및 잔류변형 발생 등을 해석을 통하여 비교 평가하였다. 그 결과 초탄성 형상기억합금 소재의 제어 봉으로 보강된 면진 받침이 다른 면진 받침과 비교하여 지진저항 성능에 있어서 우수함을 확인하였다.

• Steel and Composite Structures
• /
• 제36권2호
• /
• pp.213-228
• /
• 2020

Shape Memory Alloys (SMAs) are new materials used in various fields of science and engineering, one of which is civil engineering. Owing to their distinguished capabilities such as super elasticity, energy dissipation, and tolerating cyclic deformations, these materials have been of interest to engineers. On the other hand, the connections of a steel structure are of paramount importance because of their vulnerabilities during an earthquake. Therefore, it is indispensable to find approaches to augment the efficiency and safety of the connection. This research investigates the behavior of steel connections with extended end plates equipped hybridly with 8 rows of high strength bolts as well as Nitinol superelastic SMA bolts. The connections are studied using component method in dual form. In this method, the components affecting the connections behavior, such as beam flange, beam web, column web, extended end plate, and bolts are considered as parallel and series springs according to the Euro-Code3. Then, the nonlinear force- displacement response of the connection is presented in the form of moment-rotation curve. The results obtained from this survey demonstrate that the connection has ductility, in addition to its high strength, due to high ductility of SMA bolts.

• Steel and Composite Structures
• /
• 제23권1호
• /
• pp.95-105
• /
• 2017

The use of superelastic shape memory alloys (SMAs) as reinforcements in concrete structures is gradually gaining interest among researchers. Because of different mechanical properties of SMAs compared to the regular steel bars, the use of SMAs as reinforcement in the concrete may change the response of structures under seismic loads. In this study, the effect of SMAs as reinforcement in concrete structures is analytically investigated for 3-, 6- and 8-story reinforced concrete (RC) buildings. For each concrete building, three different reinforcement details are considered: (1) steel reinforcement (Steel) only, (2) SMA bar used in the plastic hinge region of the beams and steel bar in other regions (Steel-SMA), and (3), beams fully reinforced with SMA bar (SMA) and steel bar in other regions. For each case, columns are reinforced with steel bar. Incremental Dynamic Analyses (IDA) are performed using ten different ground motion records to determine the seismic performance of Steel, Steel-SMA and SMA RC buildings. Then fragility curves for each type of RC building by using IDA results for IO, LS and CP performance levels are calculated. Results obtained from the analyses indicate that 3-story frames have approximately the same spectral acceleration corresponding with failure of frames, but in the cases of 6 and 8-story frames, the spectral acceleration is higher in frames equipped with steel reinforcements. Furthermore, the probability of fragility in all frames increases by the building height for all performance levels. Finally, economic evaluation of the three systems are compared.

• 대한토목학회논문집
• /
• 제43권4호
• /
• pp.413-420
• /
• 2023

지진피해 감소를 위한 내진 구조 중에서 제진 구조는 댐퍼의 간단한 적용으로 효율적으로 내진 성능을 향상시키고 경제성을 확보할 수 있는 기술이다. 그러나 기존의 댐퍼는 요구 내진 성능과 재료 소성으로 인한 내구성에 대하여 한계를 나타낸다. 따라서 본 연구에서는 기본적으로 탄성 특성을 나타내는 폴리우레탄에 선행 압축을 가하고 초탄성 형상기억합금을 적용하여 복원 특성을 증진시킨 폴리우레탄 댐퍼를 제안하였다. 폴리우레탄 댐퍼의 특성을 검증하기 위하여 우선 개념을 정립하고 초탄성 형상기억합금과 강재 적용, 선행압축 크기를 설계 변수로 선정하여 설계 상세를 완성하였다. 또한, 구조 실험을 수행하여 응답 거동을 도출하여 하중 저항 성능, 잔류 변위, 회복률, 에너지 소산 능력을 분석하였다. 분석한 결과 폴리우레탄 댐퍼는 초탄성 형상기억합금 와이어를 적용하고 선행 압축이 증가하면 다양한 성능이 향상되는 결과를 나타냈다.

• Smart Structures and Systems
• /
• 제31권1호
• /
• pp.89-100
• /
• 2023

This paper conducts a parametric study of a new tuned mass damper with pre-strained superelastic SMA helical springs (SMAS-TMD) on the vibration reduction effect. First, a force-displacement relation model of superelastic SMA helical spring is presented based on the multilinear constitutive model of SMA material, and the tension tests of the six SMA springs fabricated are implemented to validate the mechanical model. Then, a dynamic model of a single floor steel frame with the SMAS-TMD damper is set up to simulate the seismic responses of the frame, which are testified by the shaking table tests. The wire diameter, initial coil diameter, number of coils and pre-strain length of SMA springs are extracted to investigate their influences on the seismic response reduction of the frame. The numerical and experimental results show that, under different earthquakes, when the wire diameter, initial coil diameter and number of coils are set to the appropriate values so that the initial elastic stiffness of the SMA spring is between 0.37 and 0.58 times of classic TMD stiffness, the maximum reduction ratios of the proposed damper can reach 40% as the mass ratio is 2.34%. Meanwhile, when the pre-strain length of SMA spring is in a suitable range, the SMAS-TMD damper can also achieve very good vibration reduction performance. The vibration reduction performance of the SMAS-TMD damper is generally equal to or better than that of the classic optimal TMD, and the proposed damper effectively suppresses the detuning phenomena that often occurs in the classic TMD.

• 대한토목학회논문집
• /
• 제44권1호
• /
• pp.11-17
• /
• 2024

제진 구조는 댐퍼라는 장치를 구조물에 장착시켜 지진에너지를 소산하는 내진설계이다. 지진피해를 저감하고자 하는 연구가 성행하고 있는 가운데 제진 구조는 댐퍼의 재료, 형상을 변경함으로써 기술을 발전시켜왔다. 하지만 댐퍼의 특성상 에너지를 소산하기 위해 재료에 발생하는 소성변형은 피할 수 없는 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 발생한 변형를 스스로 회복할 수 있는 초탄성 형상기억합금(Superelastic shape memory alloy, SSMA)을 활용하여 반영구적으로 사용할 수 있고 추가적인 긴장력을 적용하여 구조적 성능을 향상한 장수명 댐퍼를 제안하였다. 장수명 댐퍼의 거동 특성 분석을 위해 재료, 와이어 직경, 긴장력 유무의 설계 변수에 따라 유한요소해석을 진행하였고 응답 거동을 도출하여 하중 저항, 에너지 소산, 잔류변위 등의 특성을 분석하여 장수명 댐퍼의 성능적 우수성을 입증하였다.