KR20060084174A

KR20060084174A - 형상기억합금 판 또는 와이어를 이용한 기둥구조물보강시스템

Info

Publication number: KR20060084174A
Application number: KR1020050004832A
Authority: KR
Inventors: 안숙희
Original assignee: 안숙희
Priority date: 2005-01-19
Filing date: 2005-01-19
Publication date: 2006-07-24
Also published as: KR100731211B1

Abstract

본 발명은 구조적 거동이 우수하며, 내구성이 뛰어날 뿐만 아니라 내부식성을 가지며, 시공성이 우수한 형상기억합금을 이용한 기둥구조물 보강시스템으로서,기둥 하부를 포함한 기둥둘레를 감싸도록 설치된 형상기억합금 판; 및 상기 형상기업합금 판에 연결된 가열수단;을 포함하여 구성된다.

기둥구조물, 형상기억합금, 보강

Description

형상기억합금 판 또는 와이어를 이용한 기둥구조물 보강시스템{Reinforced System for Column Structure using Shape Memory Alloy Plate or Wire}

도 1a는 형상기억합금의 응력-변형률-온도의 상관관계다이아 그램이며,

도 1b 및 도 1c는 마텐사이트 상태의 형상기억합금의 거동을 도시한 다이아그램이다.

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 형상기억합금 판을 이용하여 보강된 기둥구조물의 정면도 및 단면도이다.

도 3은 본 발명의 형상기억합금 와이어를 이용하여 보강된 기둥구조물의 정면도 및 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

200:기둥구조물 240:형상기억합금 판

250:가열수단 260a,260b:형상기억합금 와이어

본 발명은 형상기억합금 판 또는 와이어를 이용한 기둥구조물 보강시스템에 관한 것이다. 더욱 구체적으로 형상기억효과를 가지는 형상기억합금을 기둥구조물 의 단면형상에 따라 판 형태 또는 와이어 형태로 기둥구조물을 보강시킬 수 있는 기둥구조물 보강수단에 관한 것이다.

국내에 건설된 교량은 1990년 이전에 건설된 것이 상당수이며, 이러한 교량은 내진설계가 반영되지 않았기 때문에 지진에 대한 저항능력이 부족하다. 또한 교각의 하단부에서 철근의 겹이음(Lap Splice)을 했기 때문에 교각의 연성도(Ductility)가 크게 부족하다. 이러한 단점을 보완하기 위해서 교각의 하단부를 보강하는 기법 들이 개발되어 사용되고 있으며, 현재 대표적인 것은 강판으로 보강하는 Steel Jacketing 기법과 복합재료 섬유로 보강하는 Composite Sheet Jacketing 기법이 있다.

Steel Jacketing의 경우 성능은 좋으나 강재의 부식으로 인한 유지관리에 어려움이 있으며, Composite Sheet Jacketing은 연성도를 증가시키지만, 콘크리트를 구속하는 능력이 부족하고 내화성 등에 대한 성능이 검증이 되지 않아, 화재 시 손상 위험이 존재한다. 또한 수분이나 기타 염분 등에 의한 복합재료의 거동에 대한 충분한 연구가 이루지지 않았다. 교각은 대개 하천에 위치하고 있기 때문에 이러한 환경에서 내구성을 가지는 물질을 보강에 이용하는 것은 유지관리에서 큰 장점을 가진다고 할 수 있다.

본 발명은 구조적 거동이 우수하며, 내구성이 뛰어날 뿐만 아니라 내부식성을 가지며, 시공성이 우수한 형상기억합금을 이용한 기둥구조물 보강시스템을 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 기술적과제를 달성하기 위하여, 형상기억합금을 와이어 또는 판 형태로 제작하고, 형상기억합금의 제작상태(오스텐나이트 및 마텐사이트)에 따라 기둥구조물을 보강할 수 있는 수단을 제시하였다.

구체적으로는 첫째, 형상기억합금의 제조과정에 마텐사이트 또는 오스텐나이트 상태로 제작된 형상기억합금을 시공성 등을 고려하여 판 형태 또는 와이어 형태로 제작하고,

둘째, 상기 판 형태 또는 와이어 형태의 형상기억합금을 기둥구조물에 설치하되, 가열수단을 필요에 따라 설치함으로서 기둥구조물을 효과적으로 보강할 수 있도록 하였다.

이하, 본 발명에 따른 형상기억합금 판 또는 와이어를 이용한 기둥구조물 보강시스템의 작용을 살펴본다.

형상기억합금(Shape Memory Alloy)의 특성인‘형상기억’은 상당히 큰 변형 후에도 원래의 상태로 변형을 회복할 수 있는 능력이다. 낮은 온도에서 변형된 형상기억합금은 열이 가해질 때까지는 변형형상을 유지하지만, 열이 가해져 온도가 상승하면 원래의 모양으로 돌아간다. 이러한 ‘형상기억’의 특징은 온도 또는 응력에 의해서 유발되는 고체의 상태변화에 의한 결과이다.

형상기억합금은 도 1a과 같이 마텐사이트(Martensite)와 오스텐나이트(Austenite) 상태가 존재하는데, 이들은 제작과정의 열처리에 의존한다. 오스텐나이트 상태에서는 하중에 의한 변형 후에 하중을 제거하면 자동적으로 원래의 상태 로 변형을 회복한다. 그러나 마텐사이트 상태에서는 하중을 제거하면 회복되는 변형은 일부이고 많은 양의 변형은 회복되지 않고 잔류변형으로 남는다. 그러나 도 1b와 같이 열을 가하여 온도를 높여주면 원래의 상태로 변형을 회복한다.

이때 도 1c와 같이 변형을 구속하고 마텐사이트 상태의 형상기억합금을 열을 가하여 온도를 높이면 합금내부에 응력이 발생한다. 이렇게 발생된 응력은 다른 물체를 구속하는데 효과적으로 사용될 수 있다.

나아가 오스텐나이트 상태의 형상기억합금을 이용하는 경우에는 가열수단이 없어도 원래의 형태로 변형이 회복될 수 있어 이러한 변형 회복을 구속시킴으로서 다른 물체를 구속하는 데 효과적으로 사용될 수 있다.

본 발명에는 특히 마텐사이트 상태의 형상기억합금에 있어서 온도변화에 의한 응력발생을 콘크리트의 구속응력으로 사용하자는 데 가장 큰 기술적 특징이 있지만, 오스텐나이트 상태의 형상기억합금을 이용하는 경우를 배제하지는 않는다. 즉,

첫째, 마텐사이트 상태의 판 형태의 형상기억합금을 이용할 경우에는 판 형태의 형상기억합금을 기둥구조물을 감싸도록 설치한 후, 가열수단으로 열을 가하여 형상기억효과에 의하여 변형을 회복하게 된다. 온도 상승에 의한 변형을 회복하는 과정에서 형상기억합금 판은 기둥구조물에 의하여 변형이 구속되므로 그 내부에 응력이 발생하게 되며, 이러한 응력은 결과적으로 기둥구조물을 구속시키는 수단이 된다. 판 형태의 형상기억합금의 경우 최초 설치 시 기둥구조물과의 일체화 될 수 있도록 부착력을 확보하면서 기둥구조물에 설치되어야 할 필요가 있으므로, 판 형 태의 형상기억합금을 이용하는 경우에는 마텐사이트 상태로 제작한 것을 이용하여 가열과정에서 기둥구조물과의 부착력을 확보하면서 기둥구조물을 구속시킬 수 있도록 한다.

둘째, 와이어 형태의 형상기억합금을 이용할 경우에는 장력을 가하면서 기둥구조물을 감싸게 되므로 특별히 기둥구조물과의 부착력 확보 문제가 발생하지 않아 마텐사이트 또는 오스텐나이트 상태의 형상기억합금 모두 이용할 수 있다.

마텐사이트 상태의 와이어 형태의 형상기억합금을 이용하는 경우에는 미리 긴장력(선행응력)을 줌으로서 오스텐나이트 상태로 전이되는 과정에서 형상기억효과를 확보할 수 있음을 이용하여, 선행응력이 도입된 와이어 형태의 형상기억합금을 기둥구조물을 감싸도록 설치한 후, 가열수단으로 열을 가할 때 온도 상승에 의한 변형을 회복하는 과정에서 형상기억합금 와이어가 기둥구조물에 의하여 변형이 구속됨에 따라 그 내부에 응력이 발생하게 되어 기둥구조물을 구속시킬 수 있도록 한다. 이때는 굳이 기계적인 수단을 이용하여 장력을 가하면서 와이어 형태의 형상기억합금을 설치할 필요가 없어 시공성이 증진될 수 있다는 장점이 있다.

오스텐나이트 상태의 와이어 형태의 형상기억합금을 이용하는 경우에는 형상기억효과를 자체적으로 가지기 때문에 선행응력을 줄 필요 없이 기계적인 장력을 가하면서 선행응력이 자연스럽게 도입되도록 하면서 기둥구조물을 감싸도록 설치해도 형상기억합금의 형상기억효과에 의하여 가열수단을 이용하지 않아도 기둥구조물의 구속이 가능하다는 장점이 있다.

이하 본 발명의 실시예를 도면을 기준으로 상세히 살펴본다.

도 2a 및 도 2b는 마텐사이트 상태의 형상기억합금 판을 이용하여 보강된 기둥구조물의 정면도 및 단면도를 도시한 것이다.

즉, 본 발명의 기둥구조물(200) 보강시스템은 기둥 하부를 포함한 기둥(220) 둘레를 감싸도록 설치되며 마텐사이트 상태로 제작된 형상기억합금 판(240); 상기 형상기업합금 판에 연결된 가열수단(250);을 포함하여 구성될 수 있다.

기둥구조물(200)은 기초판(210), 상기 기초판(210) 상부면에 수직방향으로 설치되는 기둥(220) 및 상기 기둥 상부면에 형성되는 코핑부(230)로 구성될 수 있다.

이러한 기둥구조물은 교량용 교각을 포함하여 다양한 기둥형태로 제작되는 구조물을 의미하며, 특히 교각과 같은 기둥구조물에 한정되는 것은 아니다.

통상의 기둥구조물은 특히 내진성능을 보강하기 위하여 기둥 하부면으로 부터 상방으로 소정의 간격이 이격된 부위를 주로 보강하게 되는데, 본 발명에서는 형상기억합금이 고가이므로 기둥 전체를 감싸는 방식으로 설치하는 것을 배제하는 것은 아니나, 특히 원형단면의 기둥(220) 하부를 보강하는 경우를 기준으로 설명한다.

형상기억합금 판은 도 2a에서는 원통형으로만 표시되어 있으나, 최초 제작 시 당초 기둥(220)의 직경을 감쌀 수 있을 정도의 직경 및 소정의 두께로 반원형 판 형태로 제작하고, 2개의 반원형 판인 형상기억합금 판을 조립하여 기둥(230)을 감싸도록 설치한다. 물론 사각단면의 기둥구조물의 경우에는 ㄷ 자형 판인 형상기억합금판을 이용하면 된다.

기둥(220)을 감싸도록 설치된 형상기억합금 판(240)은 마텐사이트 상태로 제작된 형상기억합금 판이다.

일반적으로 공학분야에서 널리 쓰이는 형상기억합금(SMA)은 니티놀(Nitinol)이라 불리는 니켈(Nickel)과 타이타늄(Titanium)의 합금이다. 그러나 구리합금도 형상기억효과를 타나내며, 최근에는 철을 이용한 형상기억합금이 사용되어지고 있다. 니켈-타이타늄(Ni-Ti)합금을 사용하는 경우 장점은

첫째, 상당히 큰 선형거동 구간의 존재하며,

둘째, 히스터레틱 댐핑 (hysteretic damping)효과가 있으며,

셋째, 상변화에 의한 큰 에너지 발산 능력이 크고,

넷째, 약 6%의 변형률 이후에 강성증가 현상 (strain hardening)이 있으며,

다섯째, 피로에 대한 뛰어난 내구성 (강재보다 월등)을 확보할 수 있으며,

여섯째, 탁월한 내부식성 (스테인레스 스틸보다 우수)을 확보할 수 있다는 장점이 있다.

이때 단순하게 기둥구조물을 감싸도록 설치된 형상기억합금 판(240)은 달리 기둥(220)을 조여져 감싸진 상태도 아니고, 기둥구조물을 구속하는 효과를 가지는 것도 아니다.

이에 형상기억합금 판(240)에 연결된 통상의 가열수단(250)을 작동시키면, 열이 형상기억합금 판(240)에 전달되게 된다.

마텐사이트 상태에서 온도를 받은 형상기억합금 판(240)은 형상기억에 의하여 원래의 형태 또는 형상으로 회복하는 과정에서 기둥구조물과 부착 및 구속효과 를 가질 수 있게 되어 기둥구조물을 보강할 수 있게 된다.

도 3은 와이어 형태의 형상기억합금을 이용하여 보강시킨 기둥구조물의 정면도를 도시한 것이다.

먼저, 마텐사이트 상태의 형상기억합금 와이어를 이용하는 기둥구조물 보강시스템은

미리 긴장력(선행응력)을 도입시킨 상태에서, 일측 단부를 기둥구조물(200)에 고정시키고 기둥(220) 하부를 포함한 기둥둘레를 감싸도록 설치하되 타측 단부를 기둥구조물에 부착되도록 설치되며, 마텐사이트 상태로 제작된 형상기억합금 와이어(260a);상기 형상기업합금 와이어에 연결된 가열수단(250);을 포함할 수 있다.

상기 형상기억합금 와이어(260a)는 마텐사이트 상태로 제작한 경우로서 형상기억효과를 가지기 위하여 미리 선행응력이 도입되도록 한다. 이는 형상기억합금 제작 시 이용되는 설비를 이용하여 선행응력이 도입되도록 미리 제작된 제품을 그대로 이용하면 된다.

이에 형상기억합금 와이어(260a)의 일측 단부를 기둥구조물(200) 즉, 기둥(220) 등에 용접 등의 방법으로 고정시킨 상태에서 달리 기계적인 수단을 이용하여 와이어에 장력을 가하지 않고 순수한 인력으로 시공이 가능한 범위 이내에서 형상기억합금 와이어(260a)를 기둥(220)을 감싸도록 설치하게 된다.

타측 단부도 기둥(220)에 용접 등의 방법으로 고정시킨 상태에서, 형상기억합금 와이어(260a)에 연결된 통상의 가열수단(250)을 작동시키면, 형상기억합금 와이어(260a)는 와이어의 형상기억효과에 의하여 수축하면서 기둥구조물(200)을 구속 할 수 있게 되어 기둥구조물 보강이 가능하게 되어 시공이 매우 용이한 설치방법이 될 수 있다.

다음으로, 오스텐나이트 상태의 형상기억합금 와이어를 이용하는 기둥구조물 보강시스템은

오스텐나이트 상태로 제작되며, 장력을 가하면서 일측 단부를 기둥구조물에 고정시키고 기둥 하부를 포함한 기둥둘레를 감싸도록 설치하되 타측 단부를 기둥구조물에 부착되도록 설치한 형상기억합금 와이어(260b)를 포함할 수 있다.

오스텐나이트 상태의 형상기억합금 와이어(260b)를 이용하는 경우에는 형상기억효과를 가지고 있으므로, 와이어의 일측 단부를 기둥(220)에 고정시킨 상태에서 기둥구조물에 장력을 가하면서 감싸도록 설치하여 기둥구조물에 와이어가 부착력을 가지면서 설치될 수 있도록 하면 와이어가 원래의 상태로 돌아가려는 형상기억효과에 의하여 기둥구조물을 보강할 수 있게 된다.

본 발명과 같이 제작 형태에 따라 형상기억합금을 이용하여 기둥구조물을 효과적으로 보강할 수 있으며, 특히 와이어형태의 형상기억합금을 이용하는 경우 판형태의 형상기억합금을 이용하는 경우에는 첫째, 와이어를 연속적으로 감기 때문에 시공이 편리하고 단부만을 용접하므로 용접이 용이하며, 둘째, 기둥의 변형으로 인해 판은 국부좌굴이 발생할 수 있지만, 와이어는 이러한 현상이 없으며 모든 기둥의 변형은 와이어에 인장으로 전달되도록 할 수 있으며, 사용목적에 따라 마텐사이트 및 오스텐나이트 상태의 합금을 사용할 수 있게 되어, 보다 효율적인 형상기억 합금을 이용할 수 있게 되고, 판 형태는 각 기둥에 맞도록 제작되어야 하므로 범용성이 없지만, 와이어는 단일한 형상으로 모든 기둥에 적용이 가능하다.

앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 일 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.

Claims

기둥구조물 보강에 있어서,

기둥 하부를 포함한 기둥둘레를 감싸도록 설치되며 마텐사이트 상태로 제작된 형상기억합금 판; 및

상기 형상기업합금 판에 연결된 가열수단;

을 포함하며, 상기 가열수단에 의하여 온도가 상승된 형상기억합금판이 기둥구조물을 구속시키면서 기둥구조물이 보강되는 것을 특징으로 하는 기둥구조물 보강시스템.
기둥구조물 보강에 있어서,

미리 긴장력(초기응력)을 도입시킨 상태에서, 일측 단부를 기둥구조물에 고정시키고 기둥 하부를 포함한 기둥둘레를 감싸도록 설치하되 타측 단부를 기둥구조물에 부착되도록 설치되며, 마텐사이트 상태로 제작된 형상기억합금 와이어; 및

상기 형상기업합금 와이어에 연결된 가열수단;

을 포함하며, 상기 형상기억합금 와이어에 장력을 가하면서 기둥둘레를 감싸도록 설치하지 않고서도 상기 가열수단에 의하여 온도가 상승된 형상기억합금 와이어가 기둥구조물을 구속시키면서 기둥구조물을 보강시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 기둥구조물 보강시스템.
기둥구조물 보강에 있어서,

오스텐나이트 상태로 제작되며, 장력을 가하면서 일측 단부를 기둥구조물에 고정시키고 기둥 하부를 포함한 기둥둘레를 감싸도록 설치하되 타측 단부를 기둥구조물에 부착되도록 설치한 형상기억합금 와이어가 기둥구조물에 구속시키면서 기둥구조물을 보강시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 기둥구조물 보강시스템.