• 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.

• 대한토목학회논문집
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• 제40권4호
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• pp.353-362
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• 2020

우리나라는 비교적 지진에 대해 안전한 지역으로 인식되고 있었다. 그러나 최근 경주와 포항에서 발생한 지진으로 인한 시설물에 상당한 피해가 발생함에 따라 이미 건축된 구조물의 유지, 보수에 관한 관심이 높아지고 있다. 따라서 기존 구조물에 적용 가능한 제진기술에 대한 관심 또한 높아지고 있다. 그러나 제진기술은 강한 지반 운동으로 인한 장치의 손상으로 인하여 성능 저하의 문제점이 있다. 최근 이러한 문제를 해결하기 위해, 가새 부재에 응력을 제거함으로써 자동복원이 가능한 초탄성 형상기억합금을 적용하는 연구가 이뤄지고 있다. 따라서 본 연구에서는 초탄성 형상기억합금을 적용한 비좌굴 가새 부재를 활용하여 자동복원 프레임 구조물을 구성하고 비선형 동적 해석을 통하여 초탄성 형상기억합금의 재료적 우수성과 구조물의 내진성능을 평가 및 검증하였다.

• 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.

• 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.

• 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.

• Smart Structures and Systems
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• 제17권5호
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• pp.709-724
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• 2016

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.

• Earthquakes and Structures
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• 제4권6호
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• pp.607-627
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• 2013

The application of shape memory alloys (SMAs) to the seismic response reduction of civil engineering structures has attracted growing interest due to their self-centering feature and excellent fatigue performance. The loading rate dependence of SMAs raises a concern in the seismic analysis of SMA-based devices. However, the implementation of micromechanics-based strain-rate-dependent constitutive models in structural analysis software is rather complicated and computationally demanding. This paper investigates the feasibility of replacing complex rate-dependent models with rate-independent constitutive models for superelastic SMA elements in seismic time-history analysis. Three uniaxial constitutive models for superelastic SMAs, including one rate-dependent thermomechanical model and two rate-independent phenomenological models, are considered in this comparative study. The pros and cons of the three nonlinear constitutive models are also discussed. A parametric study of single-degree-of-freedom systems with different initial periods and strength reduction factors is conducted to examine the effect of the three constitutive models on seismic simulations. Additionally, nonlinear time-history analyses of a three-story prototype steel frame building with special SMA-based damping braces are performed. Two suites of seismic records that correspond to frequent and design basis earthquakes are used as base excitations in the seismic analyses of steel-braced frames. The results of this study show that the rate-independent constitutive models, with their parameters properly tuned to dynamic test data, are able to predict the seismic responses of structures with SMA-based seismic response modification devices.

• 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.

• 한국공간구조학회논문집
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• 제18권2호
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• pp.109-119
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• 2018

In this paper a systematic numerical analysis is performed to obtain the energy dissipation and re-centering capacities of diagonal steel braced frames subjected to cyclic loading. This diagonal steel bracing systems are fabricated with super-elastic SMA (Shape Memory Alloy) braces in order to develop a recentering seismic resistance system without residual deformation. The three-dimensional nonlinear finite element models are constructed to investigate the horizontal stiffness, drifts and failure modes of the re-centering bracing systems.

• 대한치과교정학회지
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• 제33권6호
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• pp.465-474
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• 2003

형상기억효과 및 초탄성 특성을 가진 니켈 타이타늄 와이어는 대단히 다양한 제품들이 출시되어 있어서, 보다 적절하면서도 경제적인 재료를 선택하고자 하는 임상가에게 어려움을 주고 있다. 이때, 교정 선재의 기계적 특성에 대한 실험적 연구는 임상가에게 유용한 정보를 제공해 줄 수 있다. 이 연구에서는 5군으로 나뉘어진 4종의 교정선재(stainless steel, multistranded, superelastic nickel titanium 그리고 themoactivated nickel titanium)에 대한 응력 -변형 실험을 통한 기계적 특성에 대한 비교를 시행하였다. 각 군의 교정선재에 대하여 일련의 여섯 가지 실험이 이루어졌다. 처음에는, 각 군에 대하여 선재가 파절될 때까지, 3차례의 실험이 이루어졌다. 그리고, 각 군에서 세 종류의 실험이 이루어졌는데, 표준하중에서 선재를 신장시켜서, 하중을 주었을 때와 하중을 제거하였을 때의 기계적 특성에 대한 신뢰할 만한 비교를 시행하였다. 각 군간의 차이를 알아보기 위하여 t-test를 시행하였다. 실험결과, 생리적인 치아이동을 위한 기계적 특성, 즉 강성, 탄성률, 힘의 발휘 특성 등을 고려해 볼 때, themoactivated nickel titanium, multistranded wire, stainless steel wire 순으로 바람직하였다. 초탄성은 superelastic nickel titanium에서 나타났다. 섭씨 37도에선 themoactivated nickel titanium의 형상기억효과가 나타났는데, 이것은 온도가 기계적 특성을 증진시키는데 중요하다는 것을 보여준다.