지진하중을 받는 콘크리트 충전 강관 기둥의 비탄성 횡방향 하중-변형 응답 시뮬레이션

Abstract

The aim of this study is to analyze the seismic performance of moment-resisting frames (MRFs) including concrete-filled steel tube (CFT) columns through in-depth investigations that employ simplified modeling techniques that are calibrated on the basis of prior experimental findings. To achieve this aim, the cyclic behavior of CFT columns is simulated proposing a lumped plasticity modeling approach based on a nonlinear spring model in the present study. Model parameters allow to consider plastic deformation, load-deformation relationship during unloading and reloading cycles, and material strength degradation. The parameters were calibrated using a comprehensive experimental database of 123 CFT column specimens, including 47 circular and 76 rectangular columns. To establish the predictive equations for the model parameters, multiple regression analysis was performed for two types of equations. Among the entire calibration dataset, 80% of the specimens were used to obtain the predictive equations for the model parameters by the regression based on six input variables. The input variables considered for regression are column’s section depth-to-thickness ratio, steel yield strength-to-concrete compressive strength, axial load ratio, steel tube stiffness ratio, shear span-to-section depth ratio, and section type (circular or rectangular). The predictive equations were then validated using the remaining 20% of the specimens. To assess the performance of the proposed modeling approach, the proposed nonlinear spring model was applied to moment resisting frames including CFT columns (CFT-MRFs). Three frames with different stories (three, six, and nine stories) were modeled to perform nonlinear dynamic analysis using the proposed lumped plasticity model and two distributed plasticity models of the frames to evaluate their seismic performance. Further, the nonlinear dynamic analysis results were used to develop and compare the fragility curves for the CFT-MRFs based on the structural performance levels proposed by SEAOC. The comparison results demonstrate that the proposed nonlinear spring model appears to be a more rational method for predicting the maximum lateral strength and overall shape of the hysteretic curve. Moreover, the comparison of nonlinear dynamic responses indicates that the lumped plasticity model is more vulnerable to seismic actions, and its use leads to a significant reduction in time efficiency during analysis.|본 연구는 콘크리트 충전 강관 (concrete filled steel tube, CFT) 기둥으로 이루어진 철골 모멘트 저항골조(moment resisting frames, MRFs)의 내진 성능을 분석하는 것을 목적으로 하며, 기존 실험 결과를 기반으로 보정된 간소화된 모델링 기법을 적용하였다. 이 목적을 달성하기 위하여, 비선형 스프링 모델에 기반한 집중 소성 모델을 사용하여 CFT 기둥의 이력 거동을 모사한다. 모델 매개변수로 소성 변형, 역재하(unloading) 및 재재하(reloading)시의 하중-변형관계, 그리고 재료의 강도 저감을 고려하였다. 이 매개변수는 CFT 기둥에 대한 123 개의 기존 실험 데이터(원형 기둥 47 개, 사각 기둥 76 개)를 이용하여 보정하였다. 매개변수의 예측 방정식을 수립하기 위해 다중 회귀 분석을 두 가지 형식의 방정식에 대하여 수행하였다. 보정한 전체 데이터 중 80%를 이용하여 여섯 개의 입력 변수로 회귀 분석을 실시하여 모델 매개변수에 대한 예측 방정식을 도출하였다. 회귀 분석에 사용된 여섯 가지의 입력 변수는 기둥 단면의 depth-to-thickness 비율, 콘크리트의 압축 강도 대비 철근의 항복 강도, 축하중비, 강관의 강성 비, 전단 경간 비 그리고 단면 종류(원형 또는 사각형)이다. 도출한 매개 변수 예측 방정식은 회귀 분석에 사용하지 않은 나머지 20%의 데이터에 대하여 검증하였다. 제안한 CFT 기둥 모델링 기법의 성능을 평가하기 위하여, 제안한 비선형 스프링 모델을 CFT-MRFs 의모델에 적용하였다. CFT-MRF 의 내진 성능을 평가하기 위해 3 층, 6 층, 9 층 총 세 가지의 MRFs 를 모델링하여 비선형 동적 해석을 실시하였다. SEAOC에서 제안한 구조적 성능 수준을 기반으로 취약도 곡선을 도출하고 비교하기 위해 모델링에는 집중 소성 모델과 두 가지의 분산 소성 모델 총 세 가지의 모델링 방법을 사용하였다. CFT 기둥을 집중 소성 모델과 분산 소성 모델로 각각 모델링하여 비교한 결과, 제안된 비선형 스프링 모델이 최대 전단 강도와 전반적인 이력 곡선의 형태를 더 합리적으로 예측하는 것으로 나타났다. 또한, 비선형 동적 응답을 비교한 결과, 집중 소성 모델의 해석 소요 시간이 더 짧았으며, 지진에 더 취약한 응답을 보이는 것으로 나타났다.