[논문]초탄성 형상기억합금을 활용한 좌굴방지 가새프레임 구조물의 지진거동 및 성능평가

허종완

doi:10.12652/ksce.2013.33.3.875

초탄성 형상기억합금을 활용한 좌굴방지 가새프레임 구조물의 지진거동 및 성능평가
Seismic Behavior and Performance Evaluation of Uckling-restrained Braced Frames (BRBFs) using Superelastic Shape Memory Alloy (SMA) Bracing Systems 원문보기

대한토목학회논문집 = Journal of the Korean Society of Civil Engineers, v.33 no.3, 2013년, pp.875 - 888

초록
AI-Helper

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.

Abstract ▼ AI-Helper

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.

주제어

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	초탄성 형상 기억합금은 무엇인가?	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.
	좌굴방지 가새프레임은 무엇인가?	좌굴방지 가새프레임은 (Buckling-restrained braced frame, 이하 BRBF) 인장과 압축에서 동시에 항복하는 가새시스템의 특성을 보유한 새로운 뼈대구조 시스템이다 (Black 등, 2002; Wada 등, 1992). 기존에 주로 철골 구조로 사용된 중심가세 프레임을 (Concentrically braced frame, 이하 CBF) 대신하여 최근에 압축하중에서 좌굴파괴를 (Buckling failure) 미연에 방지할 수 있는 좌굴방지 가새프레임 구조물이 건설 현장에 널리 활용되고 있는 추세이다.
	좌굴방지 가새프레임 구조물은 주로 어디에 사용되는가?	기존에 주로 철골 구조로 사용된 중심가세 프레임을 (Concentrically braced frame, 이하 CBF) 대신하여 최근에 압축하중에서 좌굴파괴를 (Buckling failure) 미연에 방지할 수 있는 좌굴방지 가새프레임 구조물이 건설 현장에 널리 활용되고 있는 추세이다. 주로 강재중공 (Steel hollow section) 내부에 콘크리트를 충전하여 제작된 좌굴방지 가새부재는 보와 기둥과 같은 뼈대부재에 (Frame member) 대각선 보강재로 활용되며 반복하중 상태에서 인장으로 인한 항복강도와 거의 비슷한 수준의 압축항복 강도를 지닌 이력거동을 보여준다 (Sabelli, 2004). 그러므로 이러한 가새 시스템은 강한 지진 하중이 발생 하더라도 구조물 전체 거동에 안정된 에너지 소산 효과를 발휘하는데 큰 역할을 한다.

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