지진하중에 대한 WUF-B 접합부 골조의 성능평가

Abstract

높은 연성능력과 에너지 소산능력을 보유하고 있는 모멘트 골조는 지진과 같은 횡력에 저항하는 가장 이상적인 건물로써 인식되었다. 하지만 1994년 Northridge 지진 발생 이후 많은 모멘트 골조의 보 기둥 접합부에서 예상치 못한 접합부 파단이 발생되었고 이로 인해 접합부의 설계법과 시공과정을 보완하고자 많은 실험적, 해석적 연구가 수행되었다. 그 중에서도 SAC project의 결과로 새롭게 개발된 Post-Northridge 접합부 중 하나인 Welded Unreinforced Flange-Bolted web (WUF-B) 접합부의 경우 기존 Pre-Northridge WUF-B 접합부 상세에 비해서 개선이 이루어졌지만 여전히 충분한 소성변형능력을 확보하지 못한다는 실험결과에 따라 AISC 2002 seismic provision에서는 WUF-B접합부를 보통모멘트골조로 사용하도록 규정하고 있다. 이러한 Post-Northridge 상세를 갖는 WUF-B 접합부로 설계된 모멘트 골조 구조적 성능에 대한 연구를 수행하고자 본 연구에서는 WUF-B 접합부 실험결과를 바탕으로 패널존 강도 비를 변수로 하여 Post-Northridge WUF-B 접합부 해석 모델을 제안하였다. 이 해석 접합부 모델을 이용하여 SAC phase Ⅱ에서 사용된 LA 3, 9, 20층 골조를 모델링하고 비선형 정적 푸쉬오버 해석과 비선형 동적 해석을 통해 WUF-B 접합부 골조의 내진성능 평가를 수행하였다. 골조의 성능 평가 방법으로는 최대 지붕층 변위비 및 최대 층간 변위비를 이용하였으며 동적해석 시 사용 된 지반 가속도는 50년에 2%와 10%의 초과 확률을 갖는 설계응답스펙트럼에 맞게 스케일 조정된 지반 가속도 각각 20개 씩으로 구성되어 있다. Post-Northridge WUF-B 접합부 골조의 해석결과는 파단이 발생하지 않는 연성접합부 골조의 결과와 비교 분석하였다. 이 모든 연구 내용을 본 논문 총 8장으로 나누었으며 제 1장은 서론, 제 2장은 WUF-B 접합부 상세 및 모델링, 제 3장은 골조설계 및 해석 모델링, 제 4장은 비선형 정적 해석 및 결과 비교분석, 제 5장은 비선형 동적해석을 위한 지반 가속도, 제 6장은 비선형 동적 해석 및 결과 비교분석, 제 7장은 재해도 곡선을 통한 분석, 제 8장은 결론 순으로 기술하였다. 각 장에 기술된 내용을 간단히 요약하면 다음과 같다. 제 1장에서는 연구 배경, 목적 및 범위 등을 명시하여 연구의 방향을 제시하였다. 제 2장에서는 WUF-B 접합부의 상세와 실험결과를 바탕으로 접합부의 해석 모델을 제안하였다. 제 3장에서는 대상 골조에 대한 소개와 골조의 모델링 방법에 대해 기술하였다. 제 4장에서는 비선형 정적 해석인 Pushover 해석을 수행한 후 그 결과를 연성접합부 골조와 비교분석하였다. 제 5장에서는 비선형 동적 해석에 사용된 50년에 2%, 10%의 초과확률을 갖는 지반가속도에 대해 기술하였다. 제 6장에서는 비선형 동적 해석 결과를 층간 변위비를 통해 연성접합부 골조와 비교하면서 골조의 성능을 평가하였다. 제 7장에서는 층간 변위비에 대한 재해도 곡선 결과를 통해 골조의 성능 평가를 수행하였다. 마지막으로, 제 8장에서는 이 논문의 결론을 제시 하였으며 요약하면 다음과 같다. 해석 결과 고층건물일수록 중량이 커지기 때문에 P-delta 효과가 커져서 하부층에 층간변위비가 집중되며 힘분배가 제대로 이뤄지지 않는 취성적 거동 결과를 보였다. 또한 지진의 규모가 커질수록 골조의 성능이 크게 감소되는 경향을 보였다.; Welded steel moment resisting frames had been considered to be the most ideal structural system against seismic loads. It was assumed that they could undergo large inelastic cycles of deformation while maintaining their strength and ductility to dissipate energy. However, after the Northridge earthquake,1994, unexpected fractures were occurred at beam -column connections in steel moment frame buildings. In response to the observed problems in steel moment frames, various researches are performed to complement(develop) the design and construction procedures of the connections. Post-Northridge WUF-B (Welded Unreinforced Flange-Bolted web) connections, developed by the SAC project, were improved then before. However, the AISC 2002 seismic provision prescribes that Post-Northridge WUF-B connections have to be used only for the class of OMF buildings because of the lack of inelastic cycles of deformation(plastic deformation capacity). The purpose of this study is to evaluate the performance of the steel moment resisting frames having Post-Northridge WUF-B connections. For this purpose, based on test results, moment connection model which is taken into account both panel zone deformation and connection fractures is proposed. Using former moment connection model, Three, nine, and twenty story frames used in SAC steel project were modeled and both nonlinear static pushover analysis and nonlinear time history analysis were conducted for seismic performance evaluation. Maximum roof drift and story drift are estimated for the buildings with Post-Northridge details. Twenty ground motions were used for response history analysis which were scaled to match design response spectrum for 2% and 10% exceedence probability in 50 years. Analysis results for frames having Post-Northridge connections were compared with those of buildings having ductile connections without fractures. This paper is divided into eight chapters; Chapter 1,Introduction; Chapter 2, Detailed specimen of Post-Northridge WUF-B connection and modeling procedure; Chapter 3, Prototype buildings and modeling procedure; Chapter 4, Static pushover analyses; Chapter 5, Ground motions of nonlinear time history analysis; Chapter 6, Nonlinear time history analyses; Chapter 7, Methodology for Evaluation of Effects of Connection Fractures in a Probabilistic Format; Chapter 8, Conclusions Chapter 1 describes the background, purpose, and the limits of research. Chapter 2 shows a detail of the Post-Northridge WUF-B connection system and proposes moment connection model based on the test results Chapter 3 describes the prototype buildings and modeling procedure. Chapter 4 conducts the static pushover analysis and compares results of frames having Post-Northridge connections with those having ductile connections without fractures. Chapter 5 describes ground motions having 2% and 10% exceedence probability in 50 years which are used in nonlinear time history analysis. Chapter 6 conducts nonlinear time history analysis and compares drift demands of frames having Post-Northridge connections with those having ductile connections without fractures. Chapter 7 evaluates seismic performance of the frames using probabilistic format. And Chapter 8 summaries this study and presents the main conclusions.