웨브를 볼트 접합한 보 플랜지 절취형 접합부를 갖는 모멘트 골조의 내진 성능 평가

Abstract

Reduced Beam Section (RBS) moment connections are newly developed connections for Special Moment Resisting Frames (SMRF). RBS connections can be classified into two types: Reduced Beam Section with Welded web (RBS-W) connections; and Reduced Beam Section with Bolted web (RBS-B) connections. This study focuses on Reduced Beam Section with Bolted web connections (RBS-B) because several experiments have demonstrated that some RBS-B connection specimens failed by unexpected connection fracture prior to reaching the design plastic moment capacity at the connections. In current seismic design provisions (ANSI/AISC 358-05), RBS-B connections are only permitted for Intermediate Moment Frames (IMF). The connections in the IMF system should provide a interstory drift angle larger than 2%. Recently, it was observed that the RBS-B connection specimen failed by connection fracture prior to reaching 2% rotation. It is important to estimate the drift capacity of RBS-B connections in existing IMF systems. Even though the ANSI/AISC 358-05(AISC 2005a) permits RBS-B moment connections to be used for IMF system as a prequalified connection, these connection fractures reduce the rotational capacity of the connections and effect of connection fracture on nonlinear response of the frames subjected to earthquakes can be significant as well. This study estimated the possibility of connection fracture for RBS-B connections designed according to FEMA 350 and the effect of the rotation capacity of RBS-B connections due to connection fracture based on the test results of RBS-B connection specimens. In the result, RBS-B connection moment strength equation specified in FEMA-350 consistently overestimates the actual strength of the RBS-B connections measured in tests, and some of the fractured RBS-B connections cannot provide a rotation capacity of 2%, as required for the connections in the IMF system as well. This study proposes connection moment strength equation for accurately computing the moment strength for ensuring that a plastic hinge forms in the reduced-section region of the beam without connection fracture, as intended by design and empirical rotation capacity equation for designing RBS-B connections to guarantee a rotation capacity larger than 2%. This study identifies the seismic performance of IMF systems with RBS-B moment connections expected to experience connection fracture. Analytical model is developed for simulating the brittle fracture of RBS-B moment connections and seismic performance evaluation is conducted for steel frame buildings with RBS-B moment connection designed in accordance with current design code requirements. 3, 6, 9, and 20-story model buildings are designed as IMF systems with major differences in design ground motion intensity and the bay length. The method as suggested in ATC-63 (ATC 2009) is used to investigate the performance of the model buildings. As a result of this study, 6, 9, and 20-story model buildings with bay length of 6 m, and 20-story building with 9 m bay length designed for upper-bound values (Cmax) of Seismic Design Category C, as well as 20-story building designed for lower-bound values (Cmin) of Seismic Design Category C with the bay length of 6 m are not satisfied for the performance of the IMF systems.; 보 플랜지 절취형 (Reduced Beam Section, RBS) 모멘트 접합부는 특수 모멘트 골조 시스템 접합부로 새롭게 개발된 접합부이다. RBS 접합부는 웨브의 접합 방식에 따라 웨브를 용접 접합한 RBS-W 접합부와 볼트 접합한 RBS-B 접합부로 분류된다. 본 연구는 RBS-B 접합부에 대한 연구로써 이는 기존 여러 RBS-B 접합부 실험 결과 기준에서 요구하는 충분한 소성 회전능력을 발휘하기 전에 예기치 않은 접합부 파단이 발생하였기 때문이다. 현행 내진 설계 제안서인 ANSI/AISC 358-05에서는 RBS-B 접합부를 중간모멘트 골조 시스템의 접합부로 사용을 제한하고 있다. 그리고 중간모멘트 골조 시스템의 접합부로 사용되기 위해서는 접합부 층간 변위비가 2% radian이상의 회전 능력을 갖도록 제안하고 있다. 하지만 최근 RBS-B 접합부 실험 결과 IMF 시스템의 요구 회전 능력인 접합부 회전각 2% radian을 만족하지 못하고 접합부 파단이 발생한 실험체가 관측되었다. 따라서 RBS-B 접합부를 사용하여 설계된 기존 중간 모멘트 골조 시스템의 접합부 회전 능력에 대한 평가가 필요한 실정이다. ANSI/AISC 358-05에서 RBS-B 접합부를 중간모멘트 골조 시스템의 접합부로 사용을 허용하고 있지만, 접합부의 파단은 접합부의 회전 능력을 상당히 감소시킬 뿐 만 아니라 급격한 강도 및 강성 감소로 지진 하중에 대한 구조물의 비선형 요구 응답도 비약적으로 증가할 수 있다. 본 연구에서는 FEMA350에서 제시하고 있는 방법으로 설계한 RBS-B 접합부의 접합부 파단 가능성에 대하여 살펴보았으며, RBS-B 접합부 실험 결과를 바탕으로 접합부 파단이 회전 능력에 미치는 영향에 대하여 살펴보았다. 그 결과, FEMA 350에서 제안하고 있는 접합부 모멘트 강도가 실제 실험 결과에서 관측된 접합부의 모멘트 강도를 과대 평가하고 있으며 이러한 접합부 파단이 발생한 RBS-B 접합부의 회전 능력이 중간 모멘트 골조 시스템의 요구 회전각인 2% radian을 만족하지 못하는 실험체도 발생하였다. 본 연구는 접합부 파단이 발생없이 RBS에서 충분한 소성변형이 발휘할 수 있도록 접합부 모멘트 강도를 정확히 예측할 수 있는 접합부 모멘트 강도식을 제안하였다. 또한 RBS-B 접합부에서 접합부 파단이 발생 시 접합부 회전 능력이 2% radian 이상을 발휘 할 수 있도록 접합부 회전 능력을 평가할 수 있는 실험 결과를 토대로 경험 회전능력식을 제안하였다. 본 연구에서는 접합부 파단이 발생할 수 있는 RBS-B 접합부를 갖는 모멘트 골조의 내진 성능 평가를 수행하였다. 이를 위하여 접합부 파단으로 인한 취성적인 이력거동과 RBS의 국부좌굴에 의한 연성적인 이력거동을 모사할 수 있는 접합부 해석 모델을 개발하였다. 현행 내진 설계 기준에 따라 설계된 RBS-B 접합부를 갖는 모멘트 골조에 대하여 내진 성능 평가를 수행하였다. 성능 평가는 3, 6, 9, 그리고 20층의 구조물에 대하여 설계 지진 하중 크기와 건물 경간 길이를 변수로 각각 중간 모멘트 골조 시스템의 설계 기준에 따라 설계하였다.내진 성능 평가는 ATC-63에서 제시하고 있는 평가 방법을 사용하였다. 그 결과 내진 설계 범주 C 지역의 상한값을 갖는 지역에서 설계된 경간 길이 6m의 6, 9, 20 층 구조물, 경간 길이 9m의 20 층 구조물, 그리고 내진 설계 범주 C 지역의 하한값을 갖는 지역에서 설계된 경간 길이 6m의 20 층 구조물의 내진 성능이 중간 모멘트 시스템을 만족하지 못하였다.