[논문]초탄성 형상기억합금을 활용한 자동복원 가새 프레임 구조물의 내진성능 평가 - 비선형 동적해석

반우현; 허종완; 주영훈

doi:10.12652/ksce.2020.40.4.0353

초탄성 형상기억합금을 활용한 자동복원 가새 프레임 구조물의 내진성능 평가 - 비선형 동적해석
Seismic Performance Evaluation of Recentering Braced Frame Structures Using Superelastic Shape Memory Alloys - Nonlinear Dynamic Analysis 원문보기

대한토목학회논문집 = Journal of the Korean Society of Civil Engineers, v.40 no.4, 2020년, pp.353 - 362

반우현 (인천대학교 건설환경공학과) , 허종완 (인천대학교 도시환경공학부) , 주영훈 (인천대학교 건설환경공학과)

초록
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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.

Abstract ▼ AI-Helper

Korea was recognized as a relatively safe area for earthquake. However, due to considerable damage to facilities caused by the earthquake in Gyeongju and Pohang, interest in the maintenance and repair of structures is increasing. So interest in vibration damping technology applicable to existing structures is also increasing. However, vibration damping technology has a problem in that its usability is reduced due to damage of the damping device when a strong earthquake occurs. Recently, in order to solve such a problem, study is being conducted to apply a superelastic shape memory alloys (SSMA) capable of recentering bracing. Therefore, in this study, nonlinear dynamic analysis is performed to evaluate the seismic performance of the buckling-restrained braced frame (BRBF) applied SSMA to bracing.

주제어

표/그림 (22)

그림 Fig. 1. Design Details of BRB Member
그림 Fig. 2. Hysteretic Behavior of BRB Member
그림 Fig. 3. Analysis Model of BRBF
그림 Fig. 4. Design Details of BRBF (V-Type)
그림 Fig. 5. Plan View of BRBF
표 Table 1. Design Condition of Analysis Models
그림 Fig. 6. Idealized BRBF (V-Type)
표 Table 2. Design Details of BRBF Members
표 Table 3. Definition of Material Properties
그림 Fig. 7. Average and Design Acceleration Response Spectrum (LA Data)
표 Table 4. Spectral Acceleration for Fundamental Period (LA Data)
그림 Fig. 8. Average and Design Acceleration Response Spectrum (Seattle Data)
표 Table 5. Spectral Acceleration for Fundamental Period (Seattle Data)
그림 Fig. 9. Inter-Story Drift Ratio of C-SMA, C-Steel Model (LA, Seattle)
그림 Fig. 10. Inter-Story Drift Ratio of V-SMA, V-Steel Model (LA, Seattle)
그림 Fig. 11. Inter-Story Drift Ratio of 2X-SMA, 2X-Steel Model (LA, Seattle)
그림 Fig. 12. Residual Inter-Story Drift Ratio of C-SMA, C-Steel Model (LA, Seattle)
그림 Fig. 13. Residual Inter-Story Drift Ratio of V-SMA, V-Steel Model (LA, Seattle)
그림 Fig. 14. Residual Inter-Story Drift Ratio of 2X-SMA, 2X-Steel Model (LA, Seattle)
그림 Fig. 15. Recentering Ratio of C-SMA, C-Steel Model (LA, Seattle)
그림 Fig. 16. Recentering Ratio of V-SMA, V-Steel Model (LA, Seattle)
그림 Fig. 17. Recentering Ratio of 2X-SMA, 2X-Steel Model (LA, Seattle)

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 초탄성 형상기억합금을 활용한 제진 장치를 프레임 구조물 모델에 적용하여, 지진으로부터 발생되는 영구 변형에 대한 효과적인 저감 성능에 대하여 해석적 평가를 수행하였다. 추후 유효한 실대형 또는 모형실험을 수행하여 그 결과를 본 연구에서 나타낸 결과와 비교‧분석하여, 제안된 모델에 대한 실제적 거동과 그 성능을 검증하는 연구가 부가적으로 수행되어야 할 것이다.
따라서 비좌굴 가새 프레임 구조물에 초탄성 형상기억합금을 적용할 경우 부재의 영구변형의 효과적인 제어가 가능하고 보수‧보강으로 인한 비용을 절감시킬 수 있을 것이다. 본 연구에서는 초탄성 형상기억합금이 적용된 비좌굴 가새 프레임 구조물의 해석모델과 강재 모델을 비교하여 비선형 동적 해석을 통해 전반적인 내진성능을 평가하고자 한다.

제안 방법

6과 같이 해석모델을 이상화하였다. 1.2 DL+1.0 LL의 형태로 정의된 주 절점에 중력 하중조합을 지정하였고, 지반 운동(Ground Motion)을 코드에 적용하였다. 또한, P-Δ 효과를 고려하여 횡 하중으로 인한 층간 변형 발생 시 기울어진 기둥에 대하여 구조물의 중력을 감당하고 이로 인한 추가적인 축 변형이 발생할 수 있도록 하였다.
3과 같이 역V자형(C-Type), V자형(V-Type), 복X자형(2X-Type) 등 3가지 형태의 6층 가새 프레임 구조 형태를 모델링 하였다. 3가지의 구조 형태에 서로 다른 부재의 코어 재료를 적용하여 총 6가지의 해석모델을 구성하였다. Fig.
6가지의 해석모델은 1.2 DL+1.0 LL의 하중 조합을 등가점 하중으로 치환하여 주요 부재의 중력을 정의 및 적용하였다. 그리고 비선형 동적해석은 지진이 매우 빈번하게 발생하고 있는 미국 서부 지역의 LA지역과 Seattle 지역의 각 40개의 지반가속도 형태의 지진데이터를 활용하였다.
LA와 Seattle 지역의 총 80개의 지진데이터를 사용하여 형상기억합금과 강재를 사용한 가새 프레임 구조물에 대한 해석모델을 구성하여 비선형 동적해석을 수행하였다. 비선형 동적해석 수행 결과를 토대로 층간변위를 산출하여 해석모델의 층별로 최댓값을 취하여 결과를 정리하였다.
강재와 초탄성 형상기억합금 코어로 구성된 가새를 활용하여, 비좌굴 가새 프레임 구조물의 상세 설계를 제시하고 6개의 해석모델의 비선형 동적해석을 수행하였다. LA와 Seattle 지역의 총 80개의 지진데이터를 사용한 실험 결과로부터 구조물의 최대 및 잔류 층간변위 등을 분석 및 평가하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
)에 집중 질량(Lumped Mass)을 적용하여 사하중, 활하중, 횡하중의 조합의 복합하중을 구성하였다. 가새와 보-기둥 부재에 연결판(Gusset Plate)으로 접합부를 구성하여 소성 변형을 가새 부재로 유도하였고 가새를 핀으로 고정하여 휨모멘트를 무시하고 축의 변형을 유도하였다. 그리고 보-기둥 접합부에 패널 존(Panel Zone)을 형성하고 보강핀(Rigid Offset)을 덧대어 층간 변형이 절점 과 부재의 전단변형 등에 집중할 수 있도록 하였다.
강재와 초탄성 형상기억합금 코어로 구성된 가새를 활용하여, 비좌굴 가새 프레임 구조물의 상세 설계를 제시하고 6개의 해석모델의 비선형 동적해석을 수행하였다. LA와 Seattle 지역의 총 80개의 지진데이터를 사용한 실험 결과로부터 구조물의 최대 및 잔류 층간변위 등을 분석 및 평가하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
그리고 OpenSees에서 제공되는 코드(Steel01, SMA, Concrete01)를 활용하여 각 부재의 이상적인 이력 거동을 나타내었으며, Table 3에 재료의 물성치를 정리하였다. 구조물의 소성 범위에서의 분석을 위하여 NonlinearBeamColumn 코드를 보와 기둥, 가새 등에 적용하였다. 2차원으로 치환된 보는 bar, 기둥은 elasticBeamColumn, 단면은 Wsection 코드를 적용하였으며, 경계 조건은 모두 고정단으로 설정하여 모델링을 완성하였다.
가새와 보-기둥 부재에 연결판(Gusset Plate)으로 접합부를 구성하여 소성 변형을 가새 부재로 유도하였고 가새를 핀으로 고정하여 휨모멘트를 무시하고 축의 변형을 유도하였다. 그리고 보-기둥 접합부에 패널 존(Panel Zone)을 형성하고 보강핀(Rigid Offset)을 덧대어 층간 변형이 절점 과 부재의 전단변형 등에 집중할 수 있도록 하였다. 또한, 단자유도화하여 다자유도 구조물의 해석을 용이하게 하였다.
스케일이 조정된 입력 지진데이터를 활용하여 비선형 동적해석을 수행하고 지진 하중에 의한 해석모델의 거동을 도출하였다. 끝으로는 도출된 해석 값을 통해 해석모델의 최대 층간변위, 잔류 층간변위, 자동복원능력을 기반으로 내진성능을 평가하고 기존의 강재 모델과 차별된 이력 거동 특성을 분석하여 이에 대한 초탄성 형상기억합금을 활용한 자동복원 가새 프레임 구조물의 우수성 검증을 수행하였다.
또한, 외측 보(B1)-기둥(C1)은 모멘트 접합으로 설계하였고 비좌굴 가새 부재는 점선 부분에 배치되도록 설계하였다. 따라서 이처럼 규칙적으로 다자유도 모델을 구성하여 2차원 모드스펙트럼 해석(Modal Spectrum Analysis) 방법으로 해석 수행이 가능하게 모델을 상세 설계하였다.
4는 V자형 모델의 상세도를 나타내며, 이와 같이 주요 부재를 배치하였다. 또한 용이한 구조해석 수행을 위하여 지정된 주 절점(Master Node.)에 집중 질량(Lumped Mass)을 적용하여 사하중, 활하중, 횡하중의 조합의 복합하중을 구성하였다. 가새와 보-기둥 부재에 연결판(Gusset Plate)으로 접합부를 구성하여 소성 변형을 가새 부재로 유도하였고 가새를 핀으로 고정하여 휨모멘트를 무시하고 축의 변형을 유도하였다.
또한, P-Δ 효과를 고려하여 횡 하중으로 인한 층간 변형 발생 시 기울어진 기둥에 대하여 구조물의 중력을 감당하고 이로 인한 추가적인 축 변형이 발생할 수 있도록 하였다.
그리고 보-기둥 접합부에 패널 존(Panel Zone)을 형성하고 보강핀(Rigid Offset)을 덧대어 층간 변형이 절점 과 부재의 전단변형 등에 집중할 수 있도록 하였다. 또한, 단자유도화하여 다자유도 구조물의 해석을 용이하게 하였다. 마지막으로, 별도로 강성링크(Rigid Link)를 구성하여 이상적인 구조해석을 수행할 수 있도록 설계하였다.
보(B2)-기둥(C2)을 전단 핀으로 연결하고 종 방향의 내측 보-기둥을 모멘트 접합으로 구성하여 횡 하중에 의한 전단변형을 유도하였다. 또한, 외측 보(B1)-기둥(C1)은 모멘트 접합으로 설계하였고 비좌굴 가새 부재는 점선 부분에 배치되도록 설계하였다. 따라서 이처럼 규칙적으로 다자유도 모델을 구성하여 2차원 모드스펙트럼 해석(Modal Spectrum Analysis) 방법으로 해석 수행이 가능하게 모델을 상세 설계하였다.
또한, 단자유도화하여 다자유도 구조물의 해석을 용이하게 하였다. 마지막으로, 별도로 강성링크(Rigid Link)를 구성하여 이상적인 구조해석을 수행할 수 있도록 설계하였다.
15 m의 경간, 5x5로 이루어진 평면을 구성하여 다자유도 구조물을 단자유도 화하였다. 면 방향 비틀림을 무시하기 위하여 횡 방향 중심축을 기준으로 대칭적으로 무게 및 강성의 분포 균일하게 설계하였다. 보(B2)-기둥(C2)을 전단 핀으로 연결하고 종 방향의 내측 보-기둥을 모멘트 접합으로 구성하여 횡 하중에 의한 전단변형을 유도하였다.
본 연구에서 제안하는 제진 장치는 Fig. 1과 같이, 강재 튜브 내부에 모르타르(Mortar)로 채우며, 그 코어를 초탄성 형상기억합금 또는 강재로 구성한 2차원 섬유 단면 형상의 비좌굴 가새를 설계하였다. 또한 Fig.
비선형 동적해석을 수행을 위하여 Fig. 5와 같이 9.15 m의 경간, 5x5로 이루어진 평면을 구성하여 다자유도 구조물을 단자유도 화하였다. 면 방향 비틀림을 무시하기 위하여 횡 방향 중심축을 기준으로 대칭적으로 무게 및 강성의 분포 균일하게 설계하였다.
비선형 동적해석을 통하여 얻어낸 해석모델의 잔류 층간변위 결과를 정리하여 나타내었다. 층별 잔류 층간변위의 분포를 분석하기 위하여 Figs.
비선형 동적해석을 통하여 얻어낸 해석모델의 최대 및 잔류 층간변위 결과를 통하여 산출된 자동복원비에 관한 결과를 도시하였다. 층별 자동복원성능 분포를 분석하기 위하여 Figs.
스케일이 조정된 입력 지진데이터를 활용하여 비선형 동적해석을 수행하고 지진 하중에 의한 해석모델의 거동을 도출하였다. 끝으로는 도출된 해석 값을 통해 해석모델의 최대 층간변위, 잔류 층간변위, 자동복원능력을 기반으로 내진성능을 평가하고 기존의 강재 모델과 차별된 이력 거동 특성을 분석하여 이에 대한 초탄성 형상기억합금을 활용한 자동복원 가새 프레임 구조물의 우수성 검증을 수행하였다.
이러한 지진데이터는 20개씩 그룹으로 묶어 인하대학교 건축공학과에서 배포하는 PRISM (Program for Seismic Response Analysis of Single-Degree-of-Freedom Systems, 2010) 소프트웨어를 활용하여 일반적인 구조물에 적용되는 5 % 감쇠비(Damping Ratio)의 지진응답스펙트럼을 구하여 이에 대한 평균가속도 응답스펙트럼을 산출하였으며, 설계된 구조물의 ASCE 7-10 코드에서 제시된 방법으로 미국 주정부 보건계획개발사무소(Office of Statewide Health Planning and Development, OSHPD Seismic Design Maps, 2019)에서 제공하는 내진 설계 지도(Seismic Design Maps)를 활용하여 구하여진 설계응답스펙트럼(Design Response Spectrum)과 비교하여 비선형 동적해석을 수행하기 위해 지진데이터의 스케일을 조정하였다. Figs.
일반적인 중·저층 프레임 구조물에, 내진 보강을 위하여 Fig. 3과 같이 역V자형(C-Type), V자형(V-Type), 복X자형(2X-Type) 등 3가지 형태의 6층 가새 프레임 구조 형태를 모델링 하였다.
초탄성 형상기억합금 코어와 강재코어로 구성한 가새 부재를 적용하여 3가지 형태의 비좌굴 가새 프레임 구조물을 모델링 하였다. OpenSees 2.
Table 1은 미국 LA지역과 Seattle 지역을 기반으로 한 해석모델 설계를 위한 조건을 나타낸다. 최상층 및 나머지 층의 주 절점의 사하중(Dead Load, DL)과 활하중(Live Load, LL)의 조합을 결정하고 내진설계 범주(Seismic Design Category)는 D단계로 적용하였으며 견고한 토질(Stiff Soil)로 지반 조건을 설정하여 설계 조건을 정하였다.

대상 데이터

2차원모델은 지간 길이 9.15 m, 층간 높이 3.96 m로 설정하였고, Table 2와 같이 부재의 설계 상세를 결정하였다.
0 LL의 하중 조합을 등가점 하중으로 치환하여 주요 부재의 중력을 정의 및 적용하였다. 그리고 비선형 동적해석은 지진이 매우 빈번하게 발생하고 있는 미국 서부 지역의 LA지역과 Seattle 지역의 각 40개의 지반가속도 형태의 지진데이터를 활용하였다. 지역별 40개의 지진데이터는 ASCE 7-05와 FEMA-P695 코드에서 규정하는 설계 수준 지진(Design Level Earthquake, DLE)의 강도로 표현되는 50년 기준 지진 발생확률이 10 %의 475년 재현주기를 갖는 20개의 데이터(지역별로 지진데이터에 대하여 LA01~20, SE01~20으로 명명한다.
그리고 비선형 동적해석은 지진이 매우 빈번하게 발생하고 있는 미국 서부 지역의 LA지역과 Seattle 지역의 각 40개의 지반가속도 형태의 지진데이터를 활용하였다. 지역별 40개의 지진데이터는 ASCE 7-05와 FEMA-P695 코드에서 규정하는 설계 수준 지진(Design Level Earthquake, DLE)의 강도로 표현되는 50년 기준 지진 발생확률이 10 %의 475년 재현주기를 갖는 20개의 데이터(지역별로 지진데이터에 대하여 LA01~20, SE01~20으로 명명한다.)와 최대 예상 지진(Maximum Credible Earthquake, MCE)의 강도로 표현되는 50년 기준 지진 발생확률이 2 %의 2,475년 재현주기를 갖는 20개의 데이터(지역별로 지진데이터에 대하여 LA21~40, SE21~40으로 명명한다.)로 구성하였다.

데이터처리

초탄성 형상기억합금 코어와 강재코어로 구성한 가새 부재를 적용하여 3가지 형태의 비좌굴 가새 프레임 구조물을 모델링 하였다. OpenSees 2.1.0을 활용하여 각 구조물의 상대적 내진성능 비교와 수치해석을 수행하였다(Open System for Earthquake Engineering Simulation, 2009).
LA와 Seattle 지역의 총 80개의 지진데이터를 사용하여 형상기억합금과 강재를 사용한 가새 프레임 구조물에 대한 해석모델을 구성하여 비선형 동적해석을 수행하였다. 비선형 동적해석 수행 결과를 토대로 층간변위를 산출하여 해석모델의 층별로 최댓값을 취하여 결과를 정리하였다. Figs.

이론/모형

주 절점에 분해되는 등가 횡하중과 전반적인 프레임 구조물 설계는 미국 ASCE 7-05 코드를 활용하였고, AISC-LRFD 매뉴얼을 참고하여 각 부재의 세부적인 설계와 하중조합을 결정하였다(AISC, 2001; ASCE, 2006). Table 1은 미국 LA지역과 Seattle 지역을 기반으로 한 해석모델 설계를 위한 조건을 나타낸다.

성능/효과

(1) 비선형 동적 해석을 통하여 초탄성 형상기억합금과 강재 모델의 1~3층에 집중적으로 층별 최대 층간변위 및 잔류 층간변위의 분포가 나타나며, 초탄성 형상기억합금이 강재 모델보다 비교적 고르게 분포되어 나타남을 확인하였다. 이는 초탄성 형상기억합금이 강재 모델보다 횡 하중을 효율적으로 각 층의 가새에 분배, 전달할 수 있다는 것을 의미한다.
(2) 초탄성 형상기억합금 모델이 강재 모델보다 비교적 큰 최대 층간변위를 나타내었음을 볼 수 있다. 이는 초탄성 형상기억합금을 이용하는 경우, 가새 프레임 구조물의 설계 및 시공계획을 세울 때 구조물 간 충분한 이격이 필요함을 시사한다.
(3) 비선형 동적해석을 수행하여 산출된 잔류 층간변위의 결과로부터, 초탄성 형상기억합금 모델이 강재 모델보다 항상 작은 범위의 잔류 층간변위가 발생하면서 탁월한 초탄성과 자동복원 능력이 발휘됨을 확인하였다. 따라서 초탄성 형상기억합금 소재는 별도의 열처리를 하지 않고 응력 제거만으로도 우수한 원형복원성능으로 소성 변형을 감소시킬 수 있어, 유지‧보수비용을 감소시킬 수 있기에 높은 원가를 고려하더라도 그 경제성이 우수할 것으로 판단된다.
(4) 가새 부재 배치 유형에 대하여, 각 재료 모델 그룹별로 최대 층간변위 분포는 매우 유사한 양상을 보임이 확인되었다. 이는 최대 층간변위를 내진성능으로 고려하는 경우, 재료 모델의 비교는 초탄성 형상기억합금이 우수함을 나타내지만 가새 배치 유형은 크게 영향을 주지 않음을 의미한다.
Figs. 12~14에서 나타낸 바와 같이, 잔류 층간변위가 1~3층에 집중되어 나타나며 특히 대부분 2층에서 최대로 발생함을 확인하였다. 강재보다 형상기억합금을 적용하였을 때 잔류 층간변위가 더 적게 발생하였으며, 비교적 약한 하중의 지진데이터 그룹일수록 잔류 층간변위의 차이가 두드러지게 발생함을 보였다.
12~14에서 나타낸 바와 같이, 잔류 층간변위가 1~3층에 집중되어 나타나며 특히 대부분 2층에서 최대로 발생함을 확인하였다. 강재보다 형상기억합금을 적용하였을 때 잔류 층간변위가 더 적게 발생하였으며, 비교적 약한 하중의 지진데이터 그룹일수록 잔류 층간변위의 차이가 두드러지게 발생함을 보였다. 이는 형상기억합금을 활용하였을 때 자동복원 능력을 발휘하여 영구변형을 감소시키는 현상이 발생하였다고 할 수 있다.
(3) 비선형 동적해석을 수행하여 산출된 잔류 층간변위의 결과로부터, 초탄성 형상기억합금 모델이 강재 모델보다 항상 작은 범위의 잔류 층간변위가 발생하면서 탁월한 초탄성과 자동복원 능력이 발휘됨을 확인하였다. 따라서 초탄성 형상기억합금 소재는 별도의 열처리를 하지 않고 응력 제거만으로도 우수한 원형복원성능으로 소성 변형을 감소시킬 수 있어, 유지‧보수비용을 감소시킬 수 있기에 높은 원가를 고려하더라도 그 경제성이 우수할 것으로 판단된다.
15~17에 나타낸 바와 같이, 모든 해석모델에 대하여 비교적 강한 지진이 발생하였을 때, 자동복원비는 저층(1~3층)에서 약하게 나타나지만 약한 지진이 발생한 경우 고층(4~6층)에서 약하게 나타남을 확인할 수 있다. 또한, 강재보다 형상기억합금을 적용하였을 때 자동복원비가 훨씬 더 강하게 나타났으며, 층별로 균등하게 분포함을 확인할 수 있다. 이러한 결과로부터, 형상기억합금을 활용하였을 때 재료의 자동복원 특성을 활용하여 구조물의 영구변형을 상당히 감소시킬 수 있다는 사실을 방증할 수 있다.
또한, 강재보다 형상기억합금을 적용하였을 때 자동복원비가 훨씬 더 강하게 나타났으며, 층별로 균등하게 분포함을 확인할 수 있다. 이러한 결과로부터, 형상기억합금을 활용하였을 때 재료의 자동복원 특성을 활용하여 구조물의 영구변형을 상당히 감소시킬 수 있다는 사실을 방증할 수 있다.
Hu(2013) 등은 초탄성 형상기억합금 재료를 가새 부재에 활용하여 이를 특수 중심 가새 프레임과 비좌굴 가새 프레임(Buckling-Restrained Braced Frame, BRBF) 구조물에 적용하여 비선형 동적 해석을 수행하여 구조물의 내진성능을 평가하였다(Hu, 2013; Hu and Park, 2014). 이를 통하여 비좌굴 가새 프레임 구조물의 경우 압축응력에 대한 저항이 우수하여 중심 가새보다 우수한 내진성능을 보임을 확인하였다. 따라서 비좌굴 가새 프레임 구조물에 초탄성 형상기억합금을 적용할 경우 부재의 영구변형의 효과적인 제어가 가능하고 보수‧보강으로 인한 비용을 절감시킬 수 있을 것이다.

후속연구

이를 통하여 비좌굴 가새 프레임 구조물의 경우 압축응력에 대한 저항이 우수하여 중심 가새보다 우수한 내진성능을 보임을 확인하였다. 따라서 비좌굴 가새 프레임 구조물에 초탄성 형상기억합금을 적용할 경우 부재의 영구변형의 효과적인 제어가 가능하고 보수‧보강으로 인한 비용을 절감시킬 수 있을 것이다. 본 연구에서는 초탄성 형상기억합금이 적용된 비좌굴 가새 프레임 구조물의 해석모델과 강재 모델을 비교하여 비선형 동적 해석을 통해 전반적인 내진성능을 평가하고자 한다.
본 연구는 초탄성 형상기억합금을 활용한 제진 장치를 프레임 구조물 모델에 적용하여, 지진으로부터 발생되는 영구 변형에 대한 효과적인 저감 성능에 대하여 해석적 평가를 수행하였다. 추후 유효한 실대형 또는 모형실험을 수행하여 그 결과를 본 연구에서 나타낸 결과와 비교‧분석하여, 제안된 모델에 대한 실제적 거동과 그 성능을 검증하는 연구가 부가적으로 수행되어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	초탄성 형상기억합금이란 무엇인가?	, 2020). 초탄성 형상기억합금은 잔류변형이 거의 남지 않는 깃발 모양의 이력거동을 보이며, 추가적인 열처리를 하지 않고 응력을 제거하였을 때 자동 복원이 가능한 재료이다. 이는 주로 니켈(Ni)과 티타늄(Ti)의 합금인 니티놀(Nitinol)이 활용되며, 형상과 혼합비에 따라 최대 8 %의 변형률 범위까지 원형복원 성능을 나타낸다(DesRoches et al.
	초탄성 형상기억합금을 비좌굴 가새 프레임 구조물에 적용시 어떠한 효과를 기대할 수 있는가?	이를 통하여 비좌굴 가새 프레임 구조물의 경우 압축응력에 대한 저항이 우수하여 중심 가새보다 우수한 내진성능을 보임을 확인하였다. 따라서 비좌굴 가새 프레임 구조물에 초탄성 형상기억합금을 적용할 경우 부재의 영구변형의 효과적인 제어가 가능하고 보수‧보강으로 인한 비용을 절감시킬 수 있을 것이다. 본 연구에서는 초탄성 형상기억합금이 적용된 비좌굴 가새 프레임 구조물의 해석모델과 강재 모델을 비교하여 비선형 동적 해석을 통해 전반적인 내진성능을 평가하고자 한다.
	초탄성 형상기억합금 재료를 가새 부재에 사용하여 구조물의 내진성능 평가를 한 연구의 결과는 어떠한가?	Hu(2013) 등은 초탄성 형상기억합금 재료를 가새 부재에 활용하여 이를 특수 중심 가새 프레임과 비좌굴 가새 프레임(Buckling-Restrained Braced Frame, BRBF) 구조물에 적용하여 비선형 동적 해석을 수행하여 구조물의 내진성능을 평가하였다(Hu, 2013; Hu and Park, 2014). 이를 통하여 비좌굴 가새 프레임 구조물의 경우 압축응력에 대한 저항이 우수하여 중심 가새보다 우수한 내진성능을 보임을 확인하였다. 따라서 비좌굴 가새 프레임 구조물에 초탄성 형상기억합금을 적용할 경우 부재의 영구변형의 효과적인 제어가 가능하고 보수‧보강으로 인한 비용을 절감시킬 수 있을 것이다.

참고문헌 (15)

Alam, M. S., Moni, M. and Tesfanaruan, S. (2012). "Seismic overstrength and ductility of concrete buildings reinforced with superelastic shape memory alloy rebar." Journal of Engineering Structures, Vol. 34, pp. 8-20.

상세보기
American Institute of Steel Construction (AISC) (2001). Manual of steel construction, load and resistance factor design (LRFD), 3rd Ed., Chicago, Illinois, United States of America.
American Society of Civil Engineers (ASCE) (2006). Minimum design loads for buildings and other structures, ASCE/SEI Standard 7-05, Reston, Virginia, United States of America.
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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