Seismic Performance Evaluation of Steel Moment Frames with RBS-B

Abstract

철골 모멘트 골조 시스템(Steel Moment Resisting Frames, SMRFs)은 보와 패널존의 비탄성 거동을 통해 높은 연성능력과 에너지 소산 능력을 지니는 우수한 횡력 저항 시스템으로 인식되어 왔다. 하지만 Northridge 지진 발생시 높은 소성변형 능력을 가질 것이라는 예상과 달리 150 개 이상의 철골 모멘트 골조에서 지진 피해를 입은 것으로 확인되었다. 피해의 대부분은 보-기둥 접합부에서 취성파단이었으며, 이러한 철골 모멘트 골조 시스템에서의 접합부 문제를 해결하기 위해 많은 실험과 해석적 연구가 진행되었으며 그 결과 새로운 접합부와 접합부 상세가 개발되었다. Post-Northridge 모멘트 접합부 중 하나인 보 플랜지 절취형(Reduced Beam Section, RBS) 접합부는 보 플랜지 부분의 일부 단면을 잘라내어 기둥면에 전달되는 모멘트의 크기를 줄이고 접합부에서의 소성변형이 보-기둥 접합부 부근이 아닌 보 내부의 결손단면에서 발생하도록 하는 접합부이다. Lee et al.(2005)에 의해 수행된 RBS-B 실험체의 경우 보 플랜지 용접부근에서 예상치못한 취성파단이 발생하였으며, SMF 에서 요구하는 소성회전 능력, 0.04rad 을 확보하지 못하였다. 이러한 RBS-B 접합부의 취성파단은 접합부가 저항할 수 있는 최대 모멘트 강도를 정확하게 예측하지 못해 발생한 것으로 설계시 계산된 RBS-B 접합부의 모멘트 강도가 실제보다 과대평가되었기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 RBS-B 접합부의 모멘트 강도를 정확히 예측할 수 있는 Han and Kim (2004)에 의해서 제안된 RBS-B 접합부 강도 산정식을 이용하여 RBS-B 접합부를 갖는 철골 모멘트 골조 시스템의 내진성능평가를 수행하였다. 기존의 설계식에따라 설계된 RBS-B 접합부 갖는 SAC Phase II 의 Los Angeles 3, 9, 20 층의 건물(FEMA 2000d) 에 대해 정적 해석과 동적 해석을 통해 내진 성능평가를 수행하였다. RBS-B 접합부 골조에 대해 FEMA-350 에서 제시하는 내진성능평가법에 따라 검토하였다. 또한 동적증분해석(Incremental Dynamic Analysis, IDA)를 통해 얻은 결과값으로 즉시거주(Immediate Occupancy, IO)와 붕괴방지(Collapse Prevention, CP)의 성능수준에 대해 취약도곡선(Fragility Curve)을 통해 각 성능수준에서의 지진하중에 따른 취약도 해석을 수행하였다. 해석을 수행한 결과 RBS-B 접합부 골조는 RBS-W 접합부 골조에 비해 내진성능이 떨어지는 것을 알 수 있었다.; Numerous experiments and analytical studies conducted after the 1994 Northridge earthquake demonstrated that welded unreinforced flange.bolted web (WUF-B) connections, widely used in steel special moment frames (SMF), did not have the expected strength and deformation capacity. The reduced beam section (RBS) moment connection is newly developed after the 1994 Northridge earthquake. In this moment connection, the beam flange section is intentionally reduced in the region adjacent to the beam-to-column connection in order to promote yielding and plastic hinge formation within the reduced section of the beam away from the face of the column. such design concept protects the beam-column connection from early fracture by limiting the moment demand transferred to the face of the column. RBS connections can be classified into two types according to the web attachment details: reduced beam section with welded web (RBS-W) connections and reduced beam section with bolted web (RBS-B) connections. The objective of this study is to evaluate seismic performance of the moment frames with Reduced Beam Section with Bolted web connections (RBS-B). For this purpose, three, nine, and twenty-story frames were considered. Nonlinear static pushover analysis, nonlinear time history analysis, and incremental dynamic analysis are conducted for this purpose. According to FEMA 350, confidence level of the frame was evaluated for the two performance objectives, IO and CP against the hazard level of 50% and 2% in 50 years. The seismic performance was evaluated in accordance with procedure specified in FEMA 350 while seismic performance is estimated in terms of confidence level. The analytical results indicated that seismic performance of Steel Moment Frames with RBS-B is poor.