초탄성 형상기억합금을 적용한 철골 가새 골조의 내진성능 :Seismic Performance of the Steel Braced Frames Using Superelastic Shape Memory Alloys

이성주

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자료유형: 학위논문

저자정보: 이성주 (세명대학교, 세명대학교 대학원)

지도교수: 김주우

발행연도: 2017

저작권: 세명대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2018

초탄성 형상기억합금을 이용한 원상 복원 X형 철골 가새 골조

이성주 , 김주우 한국공간구조학회지 2018.01 학술저널

2017

초탄성 형상기억합금을 적용한 철골 가새 골조의 내진성능

이성주 건설공학과 2017.01 학위논문

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일반적으로 초탄성 형상기억합금은 오스테나이트 위상(austenite phase)과 마르텐자이트 위상(martensite phase)의 상호변화에 의하여 뛰어난 형상기억 능력과 초탄성(superelastic) 능력을 나타내는 신재료이다. 이러한 형상기억합금은 일반강재보다 잔류변형이 없는 원상복원 능력, 에너지 소산능력, 내부식성, 모멘트-회전각 능력 등에서 우수하다. 이러한 우수성 때문에 지진이 빈번하게 발생하는 지역에서 건축물의 설계 및 시공에 사용이 요구된다.
또한 가새 골조는 경제적인 구조 시스템으로서 저항력과 높은 강성이 특징이며 횡력을 지지하기 위해 지진 다발지역에서 널리 사용된다. 그러나 소성변형에 의존하는 가새골조의 가장 큰 단점은 비탄성 거동을 수반하는 큰 규모의 지진하중이 작용할 경우 좌굴로 인하여 에너지 소산능력의 저하 및 저항내력의 감소를 초래할 수 있다. 따라서 급격한 압축강성의 저하와 잔류 층간변위로 인하여 원래의 상태로 회복될 수 없다.
본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 잔류변형을 제거하고 원상복원이 가능한 초탄성 형상기억합금 재료를 가새골조에 적용하여 실험과 3차원 비선형 유한요소해석을 수행하였다. 대각 가새골조의 실험 및 해석을 비교한 결과 유사하게 나타났으며, 초탄성 형상기억합금을 적용한 가새의 원상복원 효과를 확인하였다. 이를 근거로, 역V형 가새골조에 대하여 다양한 파라미터를 고려한 3차원 비선형 유한요소해석을 수행하였다. 적용된 세 가지 단면형태(ㄱ형강, 각형강관, 와이어)에서 원상복원 효과를 확인하였으며, 와이어 형태의 형상기억합금 가새 부재가 에너지 소산능력이 가장 크게 나타났다.
따라서 본 연구로부터 가새 부재의 경제성 및 시공성을 고려할 경우 초탄성 형상기억합금 와이어를 사용하는 것이 바람직한 것으로 판단된다.

In general, a superelastic shape memory alloy (SMA) is a new material exhibiting excellent shape memory capability and superelastic capacity by mutual change of austenite phase and martensite phase.
The SMA material exhibits several unique properties such as large deformation recovery upon heating(shape memory effect) or unloading, high strength, substantial fatigue resistance and a high level of damping. Among these properties, the superelastic effect of SMAs makes building structures well-suited for passive vibration control techniques. Because of this superior seismic performance, building design and construction in the earthquake area is widely adopted currently.
Concentrically braced frame systems characterized by high rigidity and resistance is widely used to support the lateral force in earthquake prone areas. But, when inelastic deformation occurs in bracing systems, the internal resistance force and the energy dissipation capacity are decreased due to the buckling, and additional costs are required to restore the damaged structure to its original state.
In this study, to solve these problems, the experiment and the 3D nonlinear finite element analysis were performed by applying the superelastic SMA material which can remove the residual deformation and obtain re-centering to the braced frame. Similar experimental and analytical results of the diagonal brace frames were presented in this thesis. Also, finite element analysis of the inverted V braced frame showed that the braced frame using the SMA had better re-centering than the braced frame using the existing steel. The three sectional shape (angle, square tube, wire) showed similar ability to re-centering but the energy dissipation capacity of the wire brace members was large.
Therefore, it is considered that the application of superelastic SMA wires with economical and construct ability to the brace member proposed in this study is favorable for the braced frame seismic performance.

제 1 장 서론 1
1.1 연구 배경 및 목적 1
1.2 연구 내용 및 방법 4
1.3 연구 동향 7
1.3.1 가새골조에 대한 연구 동향 7
1.3.2 형상기업합금에 대한 연구 동향 10
제 2 장 이론적 고찰 15
2.1 중심가새골조 시스템 15
2.1.1 중심가새골조의 개요 15
2.1.2 중심가새골조의 이력거동 및 소성 메커니즘 18
2.1.3 가새의 물리적 비탄성 반복 이력거동 20
2.1.4 특수중심가새골조의 기준 23
1) 세장비 24
2) 국부좌굴과 폭두께비 29
3) 가새와 거셋플레이트의 접합부 33
4) 층간변위 결정 및 허용층간변위 34
5) 거셋플레이트 간극거리 35
6) 역V형 가새골조 기준 35
2.2 형상기억합금(SMA) 37
2.2.1 형상기억합금의 개요 37
2.2.2 이론적 고찰 43
2.3.2 형상기억 및 초탄성효과 46
2.2.4 역학적 성질 48
1) 반복적 특성(cyclic properties) 48
2) 변형 속도 효과(strain rate effects) 50
3) 온도 효과(temperature effects) 51
제 3 장 대각 철골 가새골조의 동적 거동 52
3.1 선행 해석연구 52
3.2 반복이력실험 56
3.2.1 실험개요 56
3.2.2 실험체 계획 56
3.2.3 반복 가력 계획 61
3.2.4 측정 계획 62
3.3 3차원 유한요소해석 64
3.4 실험결과 및 고찰 68
3.4.1 변형형상 68
1) 실험체 변형형상 68
2) 응력 및 변형률 비교 76
3.4.2 하중-변위 관계 83
제 4 장 역V형 철골 가새골조의 동적 거동 90
4.1 3차원 유한요소해석모델 90
4.1.1 역V형 철골 가새골조 모델링 90
4.1.2 3차원 유한요소 해석을 위한 변수 및 해석모델명 92
4.1.3 3차원 유한요소 해석방법 97
4.2 3차원 유한요소 해석결과 101
4.2.1 ㄱ형강 역V형 철골 가새골조 101
1) 파괴모드 및 응력분포 101
2) 하중-변위 이력곡선 121
4.2.2 각형강관 역V형 철골 가새골조 130
1) 파괴모드 및 응력분포 130
2) 하중-변위 이력곡선 150
4.2.3 와이어 역V형 철골 가새골조 158
1) 파괴모드 및 응력분포 158
2) 하중-변위 이력곡선 178
4.2.4 역V형 철골 가새골조의 동적거동 비교·분석 189
제 5 장 결론 203
참 고 문 헌 205
부 록 213
ABSTRACT 218

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