지난 수십 년간 발생한 강진으로 인해 철근의 내부 구속력이 부족한 철근 콘크리트(RC) 기둥에 수많은 심각한 피해가 발생하였다. 다양한 보수공법 중 형상기억합금(SMA)을 이용한 능동구속 기법은 지진에 취약한 RC기둥의 휨 연성을 높이는 데 유의미한 결과를 보였다. SMA로 구속된 RC기둥의 동적거동에 관한 연구는 선행 연구자들에 의해 실험적으로 수행되었지만 구조적인 모델 개발은 거의 수행되지 않았다. 따라서 본 연구에서는 다양한 조건에서 능동구속된 RC기둥의 지진 시 거동을 확보하기 위해 SMA와이어로 보강된 RC 기둥의 진동대 실험 결과를 바탕으로 한 능동구속된 RC 기둥의 해석 모델을 제안한다. 제안된 해석모델은 양방향 지진력에 의한 SMA- RC기둥의 동적 거동 및 손상 정도를 확인할 수 있는 것으로 나타났다.

본 논문은 철계-형상기억합금(Fe-SMA)의 부식특성을 평가하기 위한 실험적 연구이다. 연구를 수행하기 위해 동전위 분극실험을 통해 Fe-SMA의 부식성능을 평가하였다. 시편을 3전극 플렛셀에 설치 후 전위차계를 이용하여 –200mV∼1000mV 구간의 전위를 2mV/s으 속도로 측정하였다. 기준전극 및 상대전극으로 각각 SCE 기준전극과 백금 와이어를 이용하였다. 동전위 분극곡선 및 타펠 피팅을 이용하여 부식전위 및 부식전류밀도를 측정하였다. Fe-SMA의 부식특성을 직관적으로 확인하기 위해 SD400 철근을 비교군으로 설정하였다. 염화물 환경에서 Fe-SMA의 부식성능을 확인하기 위해 3.5wt% 농도의 NaCl 용액에서 실험을 실시하였으며, 콘크리트 환경에서 Fe-SMA의 부식성능을 확인하기 위해 CaO를 이용하여 수용액의 pH를 13으로 조절하였다. 실험결과 Fe-SMA는 SD400 대비 모든 조건에서 우수한 내부식성이 나타났다. Fe-SMA의 콘크리트 환경에서 내부식성은 우수한 것으로 나타났다. 하지만 Fe-SMA가 염화물에 노출되면 부식저항이 급격히 감소되는 것으로 나타났다. 따라서 염화물에 직접적으로 노출되는 환경에서 Fe-SMA를 사용할 경우 부식을 방지하기 위한 적절한 조치가 필요할 것으로 사료된다.

본 논문은 철계형상기억합금(Fe-SMA) 나선철근을 이용한 기둥의 횡구속 효과를 평가한 실험적 연구를 보고한다. 실험을 위해 사전변형 4%의 5mm × 5mm의 Fe-SMA 나선철근으로 구속된 150mm × 150mm ×300mm의 원형 실험체가 제작되었다. 실험변수는 Fe-SMA 나선철근의 피치(0mm, 80mm, 60mm, 40mm), Fe-SMA 나선철근의 활성화 유무(활성화, 비활성화)를 고려하였다. Fe-SMA 나선철근 활성화를 위해 소성로를 사용하여 목표온도 140℃까지 가열하였다. 실험체의 온도가 상온에 도달한 후 만능재료시험기를 이용하여 1축 압축실험을 실시하였다. 실험결과를 통해 Fe-SMA 나선철근을 활성화하여 능동적 횡구속압이 작용된 실험체의 최대응력과 최대응력 발현 시의 변형률은 활성화하지 않은 실험체에 비해 크게 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 나선철근 피치의 감소로 인해 능동적 구속압이 증가함에 따라 최대응력과 연성지수가 크게 증가하는 것으로 나타났다. 특히 보강 간격이 40mm인 활성화된 나선철근으로 구속된 실험체는 최대하중 도달 후 하중이 유지 및 증가하는 변형경화가 발생하는 것으로 나타났다.

The composition of martensite transformation in NiAl alloy is determined using pure nickel and aluminum powder by vacuum hot press powder metallurgy, which is a composition of martensitic transformation, and the characteristics of martensitic transformation and microstructure of sintered NiAl alloys are investigated. The produced sintered alloys are presintered and hot pressed in vacuum; after homogenizing heat treatment at 1,273 K for 86.4 ks, they are water-cooled to produce NiAl sintered alloys having relative density of 99 % or more. As a result of observations of the microstructure of the sintered NiAl alloy specimens quenched in ice water after homogenization treatment at 1,273 K, it is found that specimens of all compositions consisted of two phases and voids. In addition, it is found that martensite transformation did not occur because surface fluctuation shapes did not appear inside the crystal grains with quenching at 1,273 K. As a result of examining the relationship between the density and composition after martensitic transformation of the sintered alloys, the density after transformation is found to have increased by about 1 % compared to before the transformation. As a result of examining the relationship between the hardness (Hv) at room temperature and the composition of the matrix phase and the martensite phase, the hardness of the martensite phase is found to be smaller than that of the matrix phase. As a result of examining the relationship between the temperature at which the shape recovery is completed by heating and the composition, the shape recovery temperature is found to decrease almost linearly as the Al concentration increases, and the gradient is about -160 K/ at% Al. After quenching the sintered NiAl alloys of the 37 at%Al into martensite, specimens fractured by three-point bending at room temperature are observed by SEM and, as a result, some grain boundary fractures are observed on the fracture surface, and mainly intergranular cleavage fractures.

최근 우리나라는 대규모 지진이 빈번히 발생하고 있으며, 유감지진의 발생 규모 및 빈도가 급격히 증가하고 있어 지 진피해 저감 기술에 대한 관심이 증대되고 있다. 기존 지진피해 저감 기술은 구조물의 단면적을 크게하여 강성을 증가시키는 방법으로 과도한 설계 및 시공이 발생하여 상당한 비용이 소요되고 경제적인 측면에서 비효율적이다. 구조물에 대해 지진하중 으로부터 효율적으로 대응하기 위한 내진설계 방법에는 제진기술이 있다. 제진기술에 활용되는 제진장치는 지진 발생 후 재료의 항복으로 인해 장치의 손상 및 파괴가 발생하여 교체가 불가피하고 시간 및 비용이 소요된다. 따라서 이 연구에서는 기존 제진기술의 단점을 보완하기 위하여 에너지 소산 능력 및 복원력이 우수한 초탄성 형상기억합금 및 폴리우레탄 적용 자동복원 감쇠장치의 구조실험을 수행 및 분석하여 지진 발생 후 지속적으로 활용 가능한 댐퍼 장치에 대한 연구를 수행하였다.

우리나라는 지진에 대해 비교적 안전한 지역으로 인식되고 있었으나, 최근 경주지진과 포항지진이 발생하면서 시설물에 상당한 피해가 발생되면서 지진피해 저감장치를 적용한 내진설계 및 보강에 대한 연구와 개발이 수행되고 있다. 이미 건축된 구조물의 유지⋅보수에 대한 관심이 높아짐에 따라, 구조물의 감쇠, 강성 등을 국부적으로 변화시켜 지진 하중에 의한 에너지를 흡수하고 소산시키는 내진설계 방식인 제진기술이 활용되고 있다. 그러나 강한 지진이 발생할 때 제진 장치의 손상으로 인하여 사용성이 매우 떨어지게 되는 문제점이 발생되고 있다. 최근에는 이러한 문제를 해결하기 위해, 구조물의 가새 부재에 별도의 열처리를 하지 않고 응력 제거만으로 원형복원이 가능한 초탄성 형상기억합금을 적용하는 연구가 진행되고 있다. 따라서 본 연구에서는 비좌굴 가새 부재에 초탄성 형상기억합금을 사용하여 자동복원이 가능한 프레임 구조물을 구성하여 비선형 정적해석을 수행하여 구조물의 내진성능을 평가하고, 초탄성 형상기억합금의 재료적 특성의 우수성을 검증하고자 한다.

본 논문은 지속하중을 받은 철계-형상기억합금 표면매립보강 철근콘크리트 보의 휨 거동에 대한 실험적 연구이다. 연구를 위하여 철계-형상기억합금 보강 유ㆍ무 및 철계-형상기억합금 활성화 유ㆍ무를 변수로 하여 3개의 실험체를 제작하였다. 장기거동을 측정하기 위해 약 1 ton 중량의 콘크리트 추를 시험체 중앙에 거치하였다. 상재하중 재하 후 철계-형상기억합금을 15kW용량의 전력공급장치를 통해 활성화하였다. 이 후 다이얼게이지를 이용하여 실험체 중앙의 처짐을 528일동안 측정하였다. 528일 후 실험체의 잔존강도를 확인하기 위해 휨 파괴 실험을 실시하였다. 실험결과, 콘크리트 추를 거치한 후 철계-형상기억합금으로 보강된 실험체는 무보강 실험체 대비 50%이상 감소된 즉시처짐을 나타냈다. 또한 철계-형상기억합금을 활성화 시킨 실험체가 활성화 시키지 않은 실험체에 비해 약 35.3% 감소된 추가처짐을 나타냈다. 잔존강도 실험결과 철계-형상기억합금으로 보강한 실험체는 무보강 실험체대비 26% 이상의 극한강도 증가를 나타냈다. 또한 철계-형상기억합금 활성화는 초기 강성을 증가시키며 극한 강도에 미치는 영향은 미미한 것으로 나타났다.

우리나라는 지진으로부터 안전한 국가라는 인식이 형성되었으나 최근 경주와 포항 지진에 의해 발생된 구조물 피해로 구조물 안전성 확보를 위한 관심이 증가하고 있다. 국내 중저층 건축물에 다수 적용되고 있는 철골 모멘트 골조는 기본적인 내진성능을 보유하고 있지만 보-기둥 접합부의 소성변형으로 인한 취성파괴로 다양한 문제를 발생시킨다. 최근에는 이러한 문제를 해결하기 위해 구조물에 상온에서 잔류변형으로부터 원형복원이 가능한 초탄성 형상기억합금의 활용에 관한 연구가 진행되고 있다. 따라서 본 연구에서는 소성변형이 집중되는 보 플랜지 부재에 초탄성 형상기억합금 보강판을 활용한 보–기둥 접합부에 대하여 실험을 통한 실질적인 내진성능을 평가하고자 한다.

니티놀이라고 하는 니켈-티타늄 형태의 형상기억 합금(SMA)은 상당한 양의 변형이 발생한 후에 추가적인 열을 가하지 않더라도 상온에서 원래 모양으로 복원될 수 있는 초탄성 효과를 가진다. 이러한 독특한 재료 특성 때문에, 니티놀은은 의료, 전기, 전자 및 기계 분야뿐만 아니라 토목 공학 분야의 내진 개량을 위한 변위 제어 장치로 널리 사용되어 왔다. 탄소강과 달리 초탄성 형상기억합금은 피로 저항성이 강하며 하중 속도에 따라 강성(하중-변위특성)등의 기계적 물성치가 변화한다. 본 연구에서는 하중 사이클의 반복 횟수와 속도에 따라 초탄성 형상기억합금의 기계적 물성치가 어떻게 변하는가에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 본 연구로 인해 표준화된 초탄성 형상기억합금의 기계적 물성치는 이후 초탄성 형상기억합금을 적용한 내진 장치의 설계과정에서 활용함으로써 설계 효율성을 높일 수 있을 것으로 기대된다.

본 연구에서는 가변 통기성 스마트 의류의 제작을 위해 필요한 형상기억합금 액추에이터의 작동 조건을 파악하였다. 의복의 개방, 폐쇄와 같은 양방향 작동 시 형태 변형 시에만 전력을 소모하는 저전력 소모 액추에이터 개발을 위해 복수 채널의 일방향 형상기억합금을 이용하여 스위치로 작동되는 액추에이터를 설계하였으며 가장 효율적으로 작동할 수 있는 와이어의 직경과 전압인가 단위시간을 도출하였다. 선행연구 결과 도출된 양방향 작동이 가능한 일방향 형상기억합금의 직경 범위 내에서 Arduino 스위치를 제작하여 3.7V 전압인가 시 변화량을 분석한 결과 0.4Φ의 액추에이터가 가장 적합한 것으로 나타났다. 0.4Φ 형상기억합금와이어를 사용한 양방향작동 액추에이터의 개방, 폐쇄에 필요한 최적전압인가 시간을 도출하기 위해 액추에이터의 최대개방, 최소폐쇄 도달 전압인가 시간으로부터 50ms씩 감소, 증가 시키며 냉각 후 액추에이터의 내경을 비교하는 방식으로 측정한 결과 개방 동작에 필요한 최적 전압인가 단위시간은 4,100ms로 나타났다. 각 채널간의 발열에 의한 간섭을 최소화하기 위한 양방향간 작동 시 필요 딜레이 분석을 위해 상온에서 형상기억합금에 최적 전압입가 시간인 4.1초 동안 전원을 공급하고 가열 후 냉각까지의 과정을 열화상카메라로 촬영하여 형상기억합금 와이의 온도가 냉각시의 상변태온 이하로 하강하는 시점을 파악한 결과, 액추에이터의 양방향간 작동 딜레이는 1.8초 이상이 확보되어야 함을 파악할 수 있었다.

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.

This study mainly treats a new type of the bracing friction damper system, which is able to minimize structural damage under earthquake loads. The slotted bolt holes are placed on the shear faying surfaces with an intention to dissipate considerable amount of friction energy. The superelastic shape memory alloy (SMA) wire strands are installed crossly between two plates for the purpose of enhancing recentering force that are able to reduce permanent deformation occurring at the friction damper system. The smart recentering friction damper system proposed in this study can be expected to reduce repair cost as compared to the conventional damper system because the proposed system mitigates the inter-story drift of the entire frame structure. The response mechanism of the proposed damper system is firstly investigated in this study, and then numerical analyses are performed on the component spring models calibrated to the experimental results. Based on the numerical analysis results, the seismic performance of the recentering friction damper system with respect to recentering capability and energy dissipation are investigated before suggesting optimal design methodology. Finally, nonlinear dynamic analyses are conducted by using the frame models designed with the proposed damper systems so as to verify superior performance to the existing damper systems.

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.

형상기억합금의 복원력 및 복원량은 열 하중 및 기계적 하중으로 인한 마르텐사이트 상에서 오스테나이트 상으로의 상 변이에 의한 상변형률 발생에 기인한다. 복원력 및 복원량은 초기 형상 및 하중 부여 방식에 따라 차이가 발생하는데 적절 한 설계 전략없이 상변형률에만 의지한 경우 큰 복원력은 발생할 수 있어도 큰 복원량을 기대하기는 어렵다. 이는 형상기 억합금의 큰 복원력과 작은 복원량 간의 비대칭성에 기인하며 형상기억합금의 효율적인 이용에 걸림돌이 된다. 본 연구에 서는 형상기억합금의 상변이로 발생하는 복원량을 극대화하는 방안으로 형상기억합금 선이 이중으로 감겨있는 이중 나선 구조 형상기억합금 스프링을 제안한다. 그리고 열 하중에 의해 발생하는 복원량을 예측하고 단일 나선 구조 형상기억합금 스프링과 비교 분석하여 이중 나선 구조 형상기억합금 스프링이 단일 나선 구조 형상기억합금 스프링보다 성능 비대칭성 을 보다 완화시킬 뿐만 아니라 복원력 대비보다 큰 복원량을 가짐을 보였다.

The effect of oxygen on the shape memory characteristics in Ti-18Nb-6Zr-XO (X = 0-1.5 at%) biomedical alloys was investigated by tensile tests. The alloys were fabricated by an arc melting method at Ar atmosphere. The ingots were cold-rolled to 0.45 mm with a reduction up to 95% in thickness. After severe cold-rolling, the plate was solution-treated at 1173 K for 1.8 ks. The fracture stress of the solution-treated specimens increased from 450 Mpa to 880 MPa with an increasing oxygen content up to 1.5%. The fracture stress increased by 287MPa with 1 at% increase of oxygen content. The critical stress for slip increased from 430 MPa to 695 MPa with an increasing oxygen content up to 1.5 at%. The maximum recovery strain of 4.1% was obtained in the Ti-18Nb-6Zr-0.5O (at%) alloy. The martensitic transformation temperature decreased by 140 K with a 1.0 at% increase in O content, which is lower than that of Ti-22Nb-(0-2.0)O (at%) by 20 K. This may have been caused by the effect of the addition of Zr. This study confirmed that addition of oxygen to the Ti-Nb-Zr alloy increases the critical stress for slip due to solid solution hardening without being detrimental to the maximum recovery strain.

본 논문은 형상기억합금 바의 휨 거동 특성 파악하기 위하여 여러 가지의 휨 거동 실험을 수행하였으며, 형상기억합금 바의 휨 거동분석을 통하여 지진 시에 적용 가능성을 규명하는데 목적이 있다. 이를 위해 단순 휨 및 이중 휨 실험을 재하속도 및 최대변위를 변수로 수행하였다. 힘-변위 곡선에서 추정한 재하 및 제하 시의 강성이 추정되었으며, 등가의 감쇠비도 각 실험결과에서 추정되었다. 단순 휨에서 형상기억합금 바는 32 mm 변위 이후에 강성증가현상을 나타냈으며, 이것은 SIM(Stress-Induced-Martensite) 현상에 의해서 발생하는 것으로 추정된다. 재하속도의 증가는 형상기억합금 휨 강성 증가에 영향을 주지 않는 것으로 나타났다. 이중 휨 거동에서 형상기억합금 바는 단순 휨에 비해 강성이 약 5배정도 크게 나타났으며, 감쇠비는 유사하게 나타났다. 휨 거동의 형상기억합금 바를 지진 변위 제어장치로 사용하여 3경간 단순지지 교량에 적용하여 지진해석을 수행하였다. 이러한 지진변위 제어장치는 매우 효과적인 것으로 나타났으며, 실용적인 것으로 판단된다. 본 논문의 의미는 형상기억합금 바의 휨 거동에 대한 기초 지식을 제공하는데 있다.