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Title Page

Contents

NOMENCLATURE 12

SUMMARY 13

CHAPTER I. INTRODUCTION 15

1.1. Problem Description 15

1.2. Objective of Study 19

1.3. Outline of Theis 20

CHAPTER II. REVIEW FOR PREVIOUS STUDIES 21

2.1. Shape Memory Alloys 21

2.1.1. Superelasticity (SE) 23

2.1.2. Shape Memory Effect (SME) 23

2.2. Various Types of Dampers 25

2.2.1. Metallic Damper 25

2.2.2. Fluid Viscous Damper 27

2.2.3. Friction Damper 29

2.2.4. SMA Damper 31

CHAPTER III. SHAPE MEMORY ALLOY RINGS 33

3.1. Introduction 33

3.2. Specimens and A SMA Ring Damper 35

3.2.1. SMA Ring Specimens 35

3.2.2. A Concept of SMA Ring Damper 37

3.3. Cyclic Quasi-static Tests 39

3.4. Test Results and Discussions 42

3.4.1. Hysteretic Behaviors of SMA or Steel Rings 42

3.4.2. Energy Dissipation, Damping Ratio, Recovery Ratio 46

3.5. Fatigue Tests 50

3.6. Test Results and Discussions 50

3.6.1. Force-displacement Curves 50

3.6.2. Estimated Stiffness of SMA Rings 54

3.7. Finite Element Analysis 56

3.8. Examples of Applications 59

3.9. Discussions 62

CHAPTER IV. SHAPE MEMORY ALLOY BARS 63

4.1. Introduction 63

4.2. Materials and Specimens 65

4.2.1. Properties of SMA Bar 65

4.2.2. SMA Bar Specimens 67

4.2.3. Concepts of SMA Bar Dampers 68

4.3. Bending Tests 72

4.4. Test Results and Discussions 73

4.4.1. Single SMA Bar 73

4.4.2. Multi SMA Bars 79

4.5. Fatigue Tests 87

4.6. Discussions 89

4.6.1. Single SE SMA Bar Damper vs. Double SE SMA Bar Damper 89

4.6.2. S-M-S Damper vs. M-S-M Damper 91

CHAPTER V. CONCLUSIONS 93

REFERENCES 96

국문요약 102

List of Tables

Table 3.1. Estimated stiffness from fatigue tests 55

Table 4.1. Residual displacements of the S-M-S and M-S-M SMA dampers 86

List of Figures

Fig. 1.1. The Shichuan province earthquake in China (2017) and Great east... 16

Fig. 1.2. Gyeongju earthquake in Korea (2016) 16

Fig. 1.3. Records of domestic earthquake 17

Fig. 1.4. The record of 6.2 earthquake in the Pyongyang (1952) 17

Fig. 2.1. SMAs Phases 22

Fig. 2.2. Expression of SMA characteristics by temperature or stress 24

Fig. 2.3. Relationship between s tart and finish temperatures and SMA behaviors 24

Fig. 2.4. Typical Metallic Dampers 26

Fig. 2.5. Fluid Viscous Damper 28

Fig. 2.6. CFD Damper (Mirtaheri et al., 2011) 29

Fig. 2.7. Friction damper using internal spring 30

Fig. 2.8. Behavior of smart damper 32

Fig. 2.9. Smart damper using SMA wire (Dolce et al., 2000) 32

Fig. 3.1. Shape of a SMA ring 36

Fig. 3.2. Jig system for cyclic tests of SMA rings 38

Fig. 3.3. Cyclic loading test set-up 40

Fig. 3.4. Pulling action of cyclic loading test 41

Fig. 3.5. Pushing action of Cyclic loading test 41

Fig. 3.6. Hysteretic behaviors of SMA or steel rings 45

Fig. 3.7. Study of the results of SMA ring pulling and pushing tests 49

Fig. 3.8. Fatigue tests of martensitic and superelastic SMA rings 53

Fig. 3.9. SE SMA ring FE analysis using the ANSYS program 58

Fig. 3.10. FE analytical result of the SE SMA ring 58

Fig. 3.11. Series array of the SMA rings 60

Fig. 3.12. The device of installing four fixed bars inside the ring 61

Fig. 4.1. Applications of various forms of SMA 64

Fig. 4.2. Base test for understanding of properties with SMA wires 66

Fig. 4.3. Specimen and plane drawing 67

Fig. 4.4. Single SMA bar damper 70

Fig. 4.5. Single SMA bar's jig and plane drawing 70

Fig. 4.6. Multi SMA bar damper 71

Fig. 4.7. Multi SMA bar's jig and plane drawing 71

Fig. 4.8. Bending test setup of Single SMA bar damper 73

Fig. 4.9. Bending of Single SMA bar damper in tension and compression 75

Fig. 4.10. Stress-strain curve of the single damper with SE SMA bar 77

Fig. 4.11. Stress-strain curve of the single damper with SME SMA bar 77

Fig. 4.12. Study of the bending test results of single SMA bar dampers tests 78

Fig. 4.13. Multi SMA dampers using SE and SME SMA bars 82

Fig. 4.14. Bending test process and results of S-M-S SMA damper 83

Fig. 4.15. Bending test process and results of M-S-M SMA damper 84

Fig. 4.16. Bending test process and results of S-S SMA damper 85

Fig. 4.17. Fatigue test of SE SMA bar damper 88

Fig. 4.18. Comparison with single SE and double SE SMA damper 90

Fig. 4.19. Comparison S-M-S with M-S-M at the strain 7% 92

초록보기

 매년 전 세계적으로 우리들의 이목을 집중시키는 것들 중에 하나가 바로 지진이다. 중국의 쓰촨성 진, 이란이라크 지진, 경주 지진, 포항 지진 등 지진은 엄청난 에너지로 재산피해 뿐만 아니라 인명피해까지 발생시켰다. 국외뿐만 아니라 국내에서도 더욱 빈번해지고 규모도 커지는 지진에 대한 대비의 필요성과 중요성이 대두되고 있는 실정이다. 이와 관련하여 본 논문에서는 에너지 소산 장치의 일종인 댐퍼 개발에 대한 내용을 다루고 있다.

댐퍼는 자동차, 기차, 항공기, 초고층 건물, 교량 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다. 그 종류도 재료와 성질에 따라 강재댐퍼, 유체댐퍼, 마찰댐퍼, 형상기억합금댐퍼 등 다양하다. 저자도 NiTi 형상기억합금을 링과 바 형태로 가공하여 댐퍼에 적용, 개발하는 연구를 진행하였다.

형상기억합금은 상온에서의 결정구조에 따라 '초탄성 효과'와 '형상기억효과' 라는 특수한 성질을 갖게 되는데, 이런 성질들로 인해 외력에 의한 변형이 생겼음에도 온도와 응력 조절을 통해 본 모습으로 되돌아갈 수 있다. 형상기억합금의 특수한 성질들을 이용하여 기존 댐퍼들의 단점들을 보완하고, 구조적 복잡성을 재료적 성질로 단순화 시키며 에너지 소산 능력과 작동 후 Re-centering의 기능까지 보유한 댐퍼 개발을 목표로 연구를 진행하였다.

앞서 말했듯이 링과 바 형태로 된 형상기억합금을 적용한 댐퍼의 개발을 위해 각각에 대한 실험을 진행하였다. 먼저 링에 관한 실험은 외경 70 mm, 폭 10 mm, 두께 4 mm의 초탄성 성질의 링, 형상기억효과의 링, 일반강재 링 이렇게 3종류에 대해서 실험하였다. 특수 제작한 지그와 링을 조립하여 만든 실험체를 가지고 변위제어를 통해 조금씩 변위를 늘려가면서 인장과 압축을 반복하는 실험을 시행하였다. 에너지 소산 측면에서는 강재 링의 소성변형으로 인한 에너지 소모로 인해 9 mm 변위에서 36.8%의 감쇠비를 보였다. 이는 다른 형상기억합금 링에 비해서 2배가 넘는 수치이다. 하지만 Recovery ratio측면에서 보자면 변위 7 mm에서 강재 링은 20.8%, 형상기억효과의 링은 53.12%, 초탄성 성질의 링은 90.35%의 회복력을 보였다. 이는 초탄성 성질의 링을 사용하였을 때 댐퍼가 Re-centering의 기능을 가질 수 있다는 것을 보여준다. 실험 결과데이터를 분석하면서 한 가지 특이한 점을 발견하였는데 일반적으로 형상기억합금은 인장과 압축 시 동일한 거동을 보인다. 하지만 본 실험에서는 인장과 압축에서 비대칭적인 거동이 나타남을 보였다. 그래서 ANSYS 구조해석프로그램을 활용하여 실험과 동일한 조건으로 구조해석을 실시한 결과, 실험데이터와 같이 인장과 압축에서 비대칭성을 보였다. 이러한 거동은 처짐에 저항력하기 위해 Prestressed 콘크리트 빔을 사용하는 것과 같은 이유로 P-delta effect가 링에 적용되었기 때문이다. 따라서 링을 활용한 실험 특성상 나타나는 거동일 뿐이고 에너지 소산과 Re-centering 기능에는 영향을 주지 않는다. 본 논문에서는 나아가 SMA 링의 응용을 통해서 그 기능을 극대화하고 효과적으로 적용하기 위해서 2가지 방안을 제안하였다. 2개의 링을 직렬로 적용시키는 방법과 링의 위아래, 양옆을 구속시키는 방법이 그것이다. 이는 추후에 실험을 통해 살펴보아야 할 과제로 남아있다.

두 번째로 바에 관한 실험은 길이 270 mm, 지름 20 mm의 가운데가 잘록한 아령 형태의 바를 역시 초탄성 효과와 형상기억효과를 가진 두 종류에 대해서 실시하였다. 또한 바를 하나 적용하였을 때와 동시에 2개, 3개 적용하였을 때 댐퍼의 거동에 대해서 살펴보았다. 형상기억합금 와이어나 바에 축방향의 인장력을 주어 거동을 알아보는 실험을 여러 전문가들이 이미 연구하였다. 하지만 이번 논문에서는 특수 제작한 지그와 결합시킨 바에 인장력과 압축력을 주어 휨에 대한 실험을 실시하였다. 먼저 형상기억합금의 두 가지 성질을 대한 바에 대한 휨 실험을 각각 실시하였을 때, 초탄성 성질을 가진 바는 에너지 소산 능력이 작지만 시편길이의 9%에 해당하는 변형률 이내에서는 거의 완전한 복원력을 보였다. 이에 반해 형상기억효과의 바는 월등히 초탄성 성질의 바에 비해 좋은 에너지 소산 능력을 가졌지만 하중 재하 시 잔류변형이 증가하면서 남는다는 단점이 있었다. 다음으로 초탄성 성질의 바와 형상기억효과의 바를 2개, 1개 섞은 댐퍼 (S-M-S)와 1개 2개 섞은 댐퍼 (M-S-M) 그리고 초탄성 성질의 바만 2개 적용시킨 댐퍼 (S-S)까지 총 3가지 종류에 대해서 휨 실험을 하였다. 결과는 각각의 특수한 성질이 발현되어 차이를 보였지만 예상과는 다르게 큰 차이는 나지 않았다. 특히 S-M-S 댐퍼와 M-S-M 댐퍼가 변형률 7%까지는 거의 동일한 거동을 보이는 것으로 나타났다. S-S 댐퍼는 초탄성 효과의 바를 하나만 적용했을 때보다 동일한 변위에서 더 큰 저항력을 갖고 에너지 소산 능력도 더 커짐을 확인할 수 있었다. 그리고 바 또한 링과 마찬가지로 P-delta effect으로 인한 거동의 비대칭성을 보였지만 댐퍼의 기능적인 측면에서는 큰 영향을 주지 않을 것이라 판단된다.

링과 바의 형태로 가공한 형상기억합금을 적용한 댐퍼 개발 연구를 진행하고 실험을 통해 데이터를 분석하면서, 앞으로 추가적인 실험과 구조적 보완을 통해 에너지 소산 능력과 Re-centering 능력을 겸비한 댐퍼로써 활약할 수 있는 잠재성을 확인할 수 있었다. 현재는 형상기억합금을 이용한 댐퍼가 실제로 구조물에 적용된 사례는 많지 않으나 지속적인 연구와 개발을 통해 적재적소에 배치되어 기존의 댐퍼들의 단점을 보완하면서 Re-centering이라는 기능을 통해 내구성이 보강된 댐퍼로 활약할 날이 올 것이다. 본 연구가 형상기억합금을 이용한 여러 가지 연구에 도움이 되길 바란다.

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