Seismic design method with column moment strength ratio to improve collapse performance of the steel ordinary moment frames

Abstract

Steel moment frames are classified into special moment frame (SMF), intermediate moment frame (IMF), and ordinary moment frame (OMF). Among them, OMF is widely used in the mid- and low-seismicity regions. Compared to the steel IMF and SMF, OMF requires a relatively relaxed seismic design process and detail provision in accordance with the current seismic design criteria and referenced standards. Steel OMF does not apply the criteria for securing the ductility of members and systems, and the current seismic design criteria are inducing the securing of seismic performance based on higher design strength than other moment frames. The current seismic design criteria propose a seismic design method based on life safety to secure the safety of the structure against seismic loads, and the seismic force-resisting system, according to the current standard, is considered to have secured the intended seismic performance. The primary purpose of this proposes a new design method to ensure intended seismic performance objective according to current standards through probabilistic seismic performance assessment of steel OMF. To evaluate the seismic design procedure proposed in the current standards, the design and collapse risk assessment for the steel OMF was performed considering structural height, analysis method, and level of wind load that can affect the design section and design mechanism as design variables. As a result of the collapse risk assessment, the code-compliant steel OMF did not secure safety against seismic loads, and it was judged that a criterion was needed to improve seismic performance. In steel OMF, the sidesway collapse occurred due to the formation of a quasi-shear band (QSB) caused by brittle fracture of the beam. When QSB occurred in the upper stories, the sidesway collapse with weak story mechanism occurs. A new seismic design method was proposed to reduce the occurrence of weak story mechanism and to provide adequate seismic performance through securing an appropriate level of high elastic strength. The proposed procedure induces a wide distribution of damage and suppresses the occurrence of the lateral displacement concentration phenomenon based on the limitation of the column moment strength ratio. The proposed seismic design method for steel OMFs increase the probability of occurrence of multi-story sidesway collapse, similar to intended. In addition, the proposed design method secured high energy dissipation capability through a wide distribution of nonlinear behavior in structural components before the collapse of the structure. The steel OMF designed using the proposed design method secured an appropriate level of seismic performance. Additionally, the evaluation of seismic performance, including damage to structural and non-structural components, was performed through the PEER PBEE framework. As a result of the evaluation, it was found that the proposed seismic design method effectively increases the seismic performance of the steel OMF in all regions from the elastic region to the collapse limit state. |철골 보통모멘트골조는 중, 약진 지역에서 널리 사용되는 지진력저항시스템이다. 중간 및 특수모멘트골조와 비교하여 철골 보통모멘트골조는 설계에는 완화된 상세 설계 기준만이 요구되며, 상대적으로 부족한 연성에 대한 보완을 위해 기준에서는 철골 보통모멘트골조의 설계 시 높은 요구강도에 대한 설계 단면을 유도한다. 현행 기준에서 제안하고 있는 내진 설계 절차의 최우선적인 목표는 기준에 따라 설계되는 대상 시스템이 지진 하중에 대하여 생명 안전 수준의 성능 목표를 제공하는 것이다. 본 연구에서는 기준에서 제안하는 설계 절차에 대한 평가를 위하여 다양한 설계 변수에 따른 철골 보통모멘트골조의 설계 및 붕괴 위험도 평가를 수행하였다. 설계 변수는 동일 시스템에 대하여 실제 설계 단계에서 단면에 영향을 미칠 수 있는 지진 하중 산정 절차 및 풍하중의 수준으로 정의하였으며, 9, 12, 15, 18 층 대상 골조를 선정하였다. 붕괴 위험도 평가 결과 현행 기준에 따라 설계가 수행된 대다수의 철골 보통모멘트골조는 지진에 대한 안전성을 확보하지 못하였으며, 기준에서 의도하는 수준의 내진성능수준을 확보하기 위한 설계 절차의 보완이 요구된다고 판단하였다. 철골 보통모멘트골조의 붕괴는 모두 횡 변위에 의한 메커니즘의 형태로 발생하였으나, 붕괴 위치에 따라 내진성능의 큰 차이가 발생하였다. 특히, 대상 골조의 상층부에 준전단대 (quasi-shear band)가 형성되는 경우 가장 취약한 약층 메커니즘 (weak-story mechanism)의 형태로 붕괴가 발생하였으며, 시스템의 에너지 소산 능력이 타 메커니즘에 비하여 크게 감소하였다. 본 연구에서는 대상 골조에 대하여 이와 같은 취약한 메커니즘의 발생 확률을 감소시킬 수 있도록 유도하는 기둥 모멘트 강도비 기반 내진설계 방법을 제안하였다. 본 연구에서 제안한 내진설계 방법은 지반운동에 의하여 발생하는 횡 변위의 집중 현상을 감소시킴으로써 붕괴 이전에 발생하는 손상의 넓은 분포를 유도하였으며, 취약한 약층 메커니즘의 발생 확률을 50% 이상 감소시키는 것으로 평가되었다. 이에 따라 시스템의 지반운동에 대한 에너지 소산 능력은 두배 이상 증가하였으며, 현행 기준에서 의도하는 수준의 내진성능수준을 확보하였다. 또한, 제안하는 내진설계 방법의 구조 및 비구조 요소의 손상 등을 포함한 모든 범례에서의 내진성능을 평가하고자 PEER PBEE framework 를 이용하여 내진성능평가를 수행하였다. 제안된 설계 절차는 철골 보통모멘트골조의 붕괴 성능 뿐만 아니라 붕괴 이전 발생 가능한 구성 요소의 손상을 포함한 모든 한계 상태에 대하여 내진성능을 향상시키는 것으로 평가되었다.