• Smart Structures and Systems
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• 제5권5호
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• pp.565-585
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• 2009

Superelastic Shape Memory Alloys (SMAs) are gaining acceptance for use as reinforcing bars in concrete structures. The seismic behaviour of concrete frames reinforced with SMAs is being assessed in this study. Two eight-storey concrete frames, one of which is reinforced with regular steel and the other with SMAs at the plastic hinge regions of beams and regular steel elsewhere, are designed and analyzed using 10 different ground motion records. Both frames are located in the highly seismic region of Western Canada and are designed and detailed according to current seismic design standards. The validation of a finite element (FE) program that was conducted previously at the element level is extended to the structure level in this paper using the results of a shake table test of a three-storey moment resisting steel RC frame. The ten accelerograms that are chosen for analyzing the designed RC frames are scaled based on the spectral ordinate at the fundamental periods of the frames. The behaviour of both frames under scaled seismic excitations is compared in terms of maximum inter-storey drift, top-storey drift, inter-storey residual drift, and residual top-storey drift. The results show that SMA-RC frames are able to recover most of its post-yield deformation, even after a strong earthquake.

• 대한토목학회논문집
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• 제44권1호
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• pp.11-17
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• 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.

• Smart Structures and Systems
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• 제24권2호
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• pp.157-171
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• 2019

This study investigated the effects of the geometric parameters of superelastic shape memory alloy (SE SMA) fibers on the pullout displacement recovering and self-healing capacity of reinforced cementitious composites. Three diameters of 0.5, 0.7 and 1.0 mm and two different crimped lengths of 5.0 and 10.0 mm were considered. To provide best anchoring action and high bond between fiber and cement mortar, the fibers were crimped at the end to create spear-head shape. The single fiber cement-based specimens were manufactured with the cement mortar of a compressive strength of 84 MPa with the square shape at the top and a dog-bone shape at the bottom. The embedded length of each fiber was 15 mm. The pullout test was performed with displacement control to obtain monotonic or hysteretic behaviors. The results showed that pullout displacements were recovered after fibers slipped and stuck in the specimen. The specimens with fiber of larger diameter showed better displacement recovering capacity. The flag-shaped behavior was observed for all specimens, and those with fiber of 1.0 mm diameter showed the clearest one. It was observed that the length of fiber anchorage did not have a significant effect on the displacement recovery, pullout resistance and self-healing capacity.

• 한국강구조학회 논문집
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• 제27권6호
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• pp.493-501
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• 2015

초탄성 형상기억합금은 상온에서 소성 범위를 초월하여 상당량의 변위를 가하더라도 하중을 제거 후에 별도의 열처리를 가하지 않더라도 원상태로 복원이 가능한 특수한 금속이다. 자동치유가 가능한 형상기억합금의 특유한 재료적인 성질로 인하여 구조물에서 변위가 집중되는 부분에 기존에 주로 사용되는 강재를 대체하여 이러한 특수 합금 재료가 널리 활용되기 시작하였다. 하지만 형상기억합금을 활용한 구조물의 기본적인 설계와 성능 검증을 하기 위해 고등적인 구조해석에 필요한 재료적인 모델의 개발과 연구의 노력이 부족하기 때문에 본 재료를 현장에서 적용하기에는 여전히 많은 제약을 받고 있다. 따라서 본 연구에서는 초탄성 형상기억합금의 거동을 수치해석적인 방법으로 재현이 가능한 구성적인 재료 모델의 소개와 프로그램 코딩에 대하여 다루고자 한다. 또한 본 연구에서 제시된 재료 모델의 타당성을 입증하기 위하여 수치해석적으로 재현된 물리적인 거동을 실험에서 얻어진 데이터에 비교 및 보정 작업도 수행하였다. 아울러 이러한 재료 모델로 구현된 초탄성 형상기억합금의 물리적인 물성치를 구조 해석에 적용하고 정확성을 검증하여 현장 적용의 타당성을 입증하였다.

• 대한토목학회논문집
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• 제33권3호
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• pp.875-888
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• 2013

최근에는 초탄성 형상기억합금을 구조물 일부에 설치하여 지진과 같은 외부 충격하중으로 인해 발생되는 영구적인 소성 변형을 줄이고 자동치유가 가능한 변위제어 시스템을 개발하는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 초탄성 형상 기억합금은 상당량의 변위를 가하더라도 별도의 열처리 없이도 상온에서 단지 하중만을 제거하여도 원형으로 복원이 가능한 독특한 합성 금속재료이다. 뼈대 구조물에서 변형이 집중이 되는 부위에 기존에 사용된 강재를 대신하여 초탄성 형상기억합금을 사용한다면 시스템의 복원 효과를 극대화 시킬 수 있다. 따라서 본 연구는 내진성능이 우수한 좌굴방지 가새프레임에 초탄성 형상기억합금 소재를 접목시킨 새로운 구조 시스템을 제안하고 자 한다. 본 연구에서 제안된 구조시스템의 성능을 검증하기 위하여 현재 사용되는 설계코드를 참고하여 6층의 가새프레임 빌딩을 설계를 하고 2차원적인 유한요소 프레임 모델에 각각의 지진 위험도 레벨의 가속도 데이터를 사용하여 비선형 동적 해석을 실시하였다. 해석결과를 바탕으로 초탄성 형상기억합금 가새시스템을 사용한 프레임 구조물과 기존의 가새시스템을 성능적인 측면에서 서로 비교하였다. 해석결과는 지진하중 이후에 초탄성 형상기억합금 가새시스템은 구조물에 잔류 처짐을 감소하는데 매우 효율적임을 보여주고 있다.

• Smart Structures and Systems
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• 제11권3호
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• pp.283-297
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• 2013

An innovative cage for spinal fusion surgery is presented within this work. The cage utilizes shape memory alloy for its hinge actuation. Because of the use of SMA, a smaller incision is needed which makes the cage deployment minimally invasive. In the development of the cage, a model for predicting the torsional behavior of SMAs was developed and verified experimentally. The prototype design of the cage was developed and manufactured. The prototype was subjected to static tests per ASTM specifications. The cage survived all of the tests, alluding to its safety within the body.

• Structural Engineering and Mechanics
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• 제64권1호
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• pp.109-120
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• 2017

The behavior of moment resistant steel structures depends on both the beam-column connections and columns foundations connections. Obviously, if the connections can meet the adequate ductility and resistance against lateral loads, the seismic capacity of these structures will be linked practically to the performance of these connections. The shape memory alloys (SMAs) have been most recently used as a means of energy dissipation in buildings. The main approach adopted by researchers in the use of such alloys is firstly bracing, and secondly connecting the beams to columns. Additionally, the behavior of these alloys is modeled in software applications rarely involving equivalent torsional springs and column-foundation connections. This paper attempts to introduce the shape memory alloys and their applications in steel structural connections, proposing a new steel column-foundation connection, not merely a theoretical model but practically a realistic and applicable model in structures. Moreover, it entails the same functionality as macro modeling software based on real behavior, which can use different materials to establish a connection between the columns and foundations. In this paper, the suggested steel column-foundation connection was introduced. Moreover, exploring the seismic dynamic behavior under cyclic loading protocols and the famous earthquake records with different materials such as steel and interconnection equipment by superelastic shape memory alloys have been investigated. Then, the results were compared to demonstrate that such connections are ideal against the seismic behavior and energy dissipation.

• 대한토목학회논문집
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• 제43권4호
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• pp.413-420
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• 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.

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

• Earthquakes and Structures
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• 제25권5호
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• pp.343-358
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• 2023

The superelastic viscous damper (SVD) is a hybrid passive control device comprising a viscoelastic damper and shape memory alloy (SMA) cables connected in series. The SVD is an innovative damper through which a large amount of seismic energy can dissipate. The current study assessed the seismic collapse induced by steel moment-resisting frames (SMRFs) equipped with SVDs and compared them with the performance of special MRFs and buckling restrained brace frames (BRBFs). For this purpose, nonlinear dynamic and incremental dynamic analysis (IDA) were conducted in OpenSees software. Both 5- and 9-story special MRFs, BRBFs, and MRFs equipped with the SVDs were examined. The results indicated that the annual exceedance rate for maximum residual drifts of 0.2% and 0.5% for the BRBFs and MRFs with SVDs, respectively, were considerably less than for SMRFs with reduced-beam section (RBS) connections and that the seismic performances of these structures were enhanced with the use of the BRB and SVD. The probability of collapse due to residual drift in the SVD, BRB, and RBS frames in the 9-story structure was 1.45, 1.75, and 1.05 times greater than for the 5-story frame.