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저사이클 피로수명이 우수한 제진댐퍼용 Fe-Mn-Si계 합금의 설계지침

전문가 제언: ○ 고층건물은 강풍과 지진에 대비한 내진설계가 필요하다. 지진이 많은 일본의 건축기준법에서는 진도 5까지의 지진에는 구조용 철강재의 탄성으로 대응하고 진도6 이상의 대지진에는 철강재의 소성변형으로 지진에너지를 흡수하도록 규정하고 있다. 따라서 내진설계에는 반복적인 진동응력에 견디는 소성변형능이 큰 강재가 이용된다. 이러한 내진용 강재로서 80%이하의 항복비, 17%이상의 연신률, 샤-피흡수에너지 27J이상의 인성을 갖는 고장력강(SN강)이 개발되어 이용되고 있다.

○ 건축물의 진동을 억제하는 데에는 이력형 댐퍼(hysteresis damper)가 이용되는데 최근 댐퍼의 소형화와 장주기 진동에 대응하기 위해 Fe, Mn, Si를 주성분으로 하는 형상기억형 FMS합금이 실용화되었다. 종래의 Fe계 형상기억합금은 초탄성이 없어 댐퍼용으로 이용이 곤란하였으나 FMS합금은 응력이 걸리면 슬립변형이 없이 오스테나이트( )→마르텐사이트(ε) 변태가 일어나고, 역방향의 응력으로 ε→ 의 역변태가 일어나 종래의 댐퍼용강에 비하여 10배 이상의 피로수명을 갖는다.

○ 금속의 피로파괴는 전위의 증식과 집적으로 일어나는데 FMS합금은 전위가 상과 ε상의 경계에서 규칙적인 반복운동을 하기 때문에 결함의 축적이 크게 경감되므로 피로수명이 연장된다. FMS합금은 종래의 Fe계 형상기억합금의 Mn농도(28～33wt.%)의 일부를 내식성, 강도, 가공성 등을 고려하고 전기로제강에 적합하도록 Cr과 Ni로 대체하여 Fe-15%Mn-10%Cr-8%Ni-4%Si의 조성을 갖는다. 이는 스테인리스형 형상기억합금의 조성과 매우 유사하다.

○ 국내에서는 POSCO에서 1999년 내진용 SN강을 개발하였으며 이들 강재가 송도컨벤시아, 신도림 테크노마트, 고양체육관 등에 적용되었다. 국토해양부는 건축물의 내진안전성을 위해 건축전용의 SN강재를 적용하도록 ‘KBC(Korea Buildnig Code) 2009’를 고시한바 있어 내진강의 수요증대가 전망된다. 형상기억합금은 안경테, 스텐트, 철로이음쇠 등과 같은 기능성 용도에 치중하여 개발되어 왔다. 본고에서와 같이 진동에너지를 흡수하는 제진용 구조재료로 이용하는 발상은 주목할 만하다.

저자: Takahiro Sawaguchi
자료유형: 학술정보