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.
In this research we discuss an integrated actuator-control system for advanced control of a smart Shape Memory Alloy (SMA) actuator. Toward this goal, we designed and fabricated an actuator-control module combining two SMA actuating units with a single-chip microprocessor, two different sensing elements, and an actuator driver. In our proposed system, sensing elements include a 6-axis single-chip motion sensor for orientation measurement and a circuit for resistance measurement of SMA wires. We experimentally verified our proposed actuator-control system using actuator driving, sensor data readings, and communication tests.
Park, No-Jin;Lee, In-Sung;Cho, Kyeong-Sik;Kim, Sung-Jin
Korean Journal of Materials Research
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v.13
no.6
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pp.352-359
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2003
In order to control the grain size, the spark plasma sintering technique is applied for the manufacturing of Cu-26.7Al-4.05AI(wt.%) shape memory alloy with pure Cu, Zn, and Al element powders. The sintering processes were carried out under different atmospheres. The sintered bodies were denser under Ar or Ar+4%$H_2$gas atmosphere than under vacuum. With use of small-sized powders, a very small average grain size of 2∼3 $\mu\textrm{m}$ was obtained, but the single phase was not formed. With the large-sized powders the single austenitic phase was observed with the average grain size of $70∼72\mu\textrm{m}$. When the different size of raw powders was mixed, it is confirmed that the average grain size of the manufactured alloys was 15 $\mu\textrm{m}$ with single austenitic phase, but the distribution of grain size was not uniform.
In this research, optical fiber sensors and shape memory alloys (SMA) were incorporated into sandwich panels for development of a smart honeycomb sandwich structure with damage detection and shape recovery functions. First, small-diameter fiber Bragg grating (FBG) sensors were embedded in the adhesive layer between a CFRP face-sheet and an aluminum honeycomb core. From the change in the reflection spectrum of the FBG sensors, the debonding between the face-sheet and the core and the deformation of the face-sheet due to impact loading could be well detected. Then, the authors developed the SMA honeycomb core and bonded CFRP face-sheets to the core. When an impact load was applied to the panel, the cell walls of the core were buckled and the face-sheet was bent. However, after the panel was heated over the reverse transformation finish temperature of the SMA, the core buckling disappeared and the deflection of the face-sheet was relieved. Hence the bending stiffness of the panel could be recovered.
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.
Proceedings of the Korean Powder Metallurgy Institute Conference
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2006.09a
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pp.81-82
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2006
This paper presents the influence of the compositions of sintered Ti-Ni alloys on their thermo-mechanical properties. The Ti-Ni alloys having various compositions from 50at%Ni to 51at%Ni were sintered using elemental Ti and Ni powders by a pulse-current pressure sintering equipment. The deformation resistance in stress-strain curves increased with an increase in Ni content. In the case of Ti-50at%Ni, tensile strength and elongation were more than 500 MPa and 7%, respectively. The increase in Ni content also makes the transformation temperatures lower. The deformation resistance at a test temperature change from 293K and 353K in isothermal tensile test increased with elevating test temperature.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.34
no.8
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pp.1083-1089
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2010
Shape memory alloys (SMAs) are smart materials. The unique characteristics of SMAs enable the production of large force and displacement. Hence, SMAs can be used in many applications such as in actuators and active structural acoustic controllers; the SMAs can also be used for dynamic tuning and shape control. A SMA torque tube actuator consisting of SMA tubes and superelastic springs is proposed, and the behaviors of the actuator are investigated. From the results of heat transfer analysis, it is proved that the SMA torque tube actuator with both resistive heating of SMA itself and a separate conventional heating rod in the tube core has good performance. The behavior of an actuator system was analyzed by performing a contact analysis, and the twisting motion was noticed when checking the actuation. 3D SMA nonlinear constitutive equations were formulated numerically and implemented by performing a nonlinear analysis by using Abaqus UMAT.
Some shape memory alloys like NiTi show noticeable high damping property in pseudoelastic range. Due to its instinct characteristics, a NiTi alloy is commonly used for passive damping applications, in which the energy may be dissipated by the conversion from mechanical to thermal energy. Previous researches found the NiTi wires own higher damping property than the bars; therefore the wire form is adopted in this study. A loss factor is introduced for measuring the damping property of the NiTi wires. The experimental observation shows the mechanical behaviors of NiTi wires are dependent on temperature, strain rate and strain amplitude. Moreover, it is found the first several decades of loading-unloading cycles can obviously influence the property of NiTi wires under the same working conditions.
This study investigates the optimum design parameters of a superelastic friction base isolator (S-FBI) system through a multi-objective genetic algorithm to improve the performance of isolated buildings against near-fault earthquakes. The S-FBI system consists of a flat steel-PTFE sliding bearing and superelastic NiTi shape memory alloy (SMA) cables. Sliding bearing limits the transfer of shear across the isolation interface and provides damping from sliding friction. SMA cables provide restoring force capability to the isolation system together with additional damping characteristics. A three-story building is modeled with S-FBI isolation system. Multiple-objective numerical optimization that simultaneously minimizes isolation-level displacements and superstructure response is carried out with a genetic algorithm in order to optimize S-FBI system. Nonlinear time history analyses of the building with optimal S-FBI system are performed. A set of 20 near-fault ground motion records are used in numerical simulations. Results show that S-FBI system successfully control response of the buildings against near-fault earthquakes without sacrificing in isolation efficacy and producing large isolation-level deformations.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.20
no.3
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pp.53-61
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2020
This paper presents a systematic numerical analysis to obtain the re-centering and energy dissipation capacities of Chevron braced steel frames subjected to seismic loadings. In order to develop a recentering seismic resistance system excluding a residual deformation, the chevron braced steel frames are assembled using super-elastic SMA (Shape Memory Alloy) braces. The three-dimensional nonlinear finite element models are constructed to investigate the horizontal stiffness, hysteretic behaviors, and failure modes of the re-centering Chevron bracing system.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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