This study is on the seismic response of new buckling-restrained braced frames(BRBFs) with superelastic SMA bracing system. The superelastic SMA materials can return to undeformed shape without additional heat treatments only after removal of applied loads. 6-story braced frame buildings were designed in accordance with the current design specifications in order to verify the performance of such bracing systems. Based on the anlysis results, Superelastic SMA bracing systems were also compared to those with conventional steel bracing system. And at last, analysis results show that the superelastic SMA bracing systems are very effective to reduce the residual inter-story drifts.

본 연구에서는 단자유도계 시스템에서 작성한 이력에너지 스펙트럼과 누적된 변위 연성비 스펙트럼을 이용하여 비좌굴 가새골조의 내진설계법을 제안하였다. 먼저 목표 연성비에 해당하는 이력에너지 스펙트럼과 누적된 연성비 스펙트럼을 작성하였다. 주어진 목표 변위를 만족하기 위하여 필요한 가새의 단면적은 이력에너지 요구량과 가새에 의하여 소산된 누적 소성에너지를 같다고 하여 산정하였다. 스펙트럼을 작성하고 설계절차의 유효성을 검증하기 위하여 20개의 지진기록을 이용하였다. 제안된 방법에 따라 설계된 3층과 8층 비좌굴 가새골조의 해석결과에 따르면 최상층 변위의 평균값이 성능 목표 변위에 잘 부합됨을 알 수 있다. 또한 층간변위는 구조물 높이에 따라 비교적 일정하였는데 이것은 손상 분포가 일정하기 때문에 바람직하다. 그러므로 제안된 에너지 설계법은 기존 강도설계법의 대안으로 비좌굴 가새골조의 신뢰할만한 설계법이라고 할 수 있다.

비선형 정적해석 및 에너지를 이용한 설계방법에서는 구조물을 등가의 단자유도계로 치환하여 해석하는 것이 일반적이다. 본 연구에서는 지진하중에 의한 3층, 8층, 20층 철골 모멘트저항골조(MRF), 비좌굴 가새골조(BRBF)와 힌지접합 비좌굴 가새골조 (DTBF) 구조물의 에너지 요구량을 등가 단자유도계 시스템(ESDOF)의 에너지 요구량과 비교하여 등가단자유도계로 치환하는 방법의 타당성을 검토하였다 입력에너지와 이력에너지를 산정하기 위하여 연암 지반, 연약한 토사, 단층 근처의 지반에서 계측된 60개의 지진을 사용하였으며, 모드 질량계수가 0.8보다 작은 경우 ESDOF로 변환할 때 고차모드의 효과를 고려하였다. 연구결과에 따르면 3층과 8층 MRF와 DTBF에서의 이력에너지와 입력에너지는 ESDOF의 해석결과와 비교적 잘 일치하였다. 그러나 20층 BRBF에서는 ESDOF의 결과가 본 구조물의 결과를 과소평가하는 것으로 나타났다.

본 연구에서는 등가 에너지 개념에 근거하여 비좌굴 가새골조의 간편한 내진설계방법을 제안하였다. 단자유도계로 치환된 구조물의 지진 입력에너지를 응답 스펙트럼으로부터 구한 후, 탄성에너지와 소성에너지를 등가 에너지 개념을 이용하여 산정한다. 이렇게 구한 소성에너지를 분배비에 따라 각 층에 분배하고, 모든 소성에너지는 가새에 의하여 소산된다고 가정하여 각 가새의 단면적을 산정할 수 있다. 제안된 방법을 검증하기 위하여 3층, 6층, 20층 가새골조를 제안된 방법으로 주어진 목표변위를 만족하도록 설계하고, 인공지진을 이용하여 결과를 검증하였다. 해석결과에 의하면 저층 건물의 최상층 변위는 비교적 목표변위를 만족하였으나, 20층 건물의 최상층 변위는 목표변위보다 매우 작아 가새가 과다하게 설계된 것으로 나타났다.

본 논문에서는 역강성법을 비좌굴 가새골조시스템의 내진설계에 적용하여 목표 변위를 만족시키는 비좌굴 가새의 단면적을 산정하였으며, 기존 연구와 비교하여 타당성을 검토하였다. 본 설계 방법은 개념이 직관적이고 적용이 간편하며, 고차모드 고려가 가능하고 각 층의 연성도를 개별적으로 조절할 수 있는 장점이 있다. 각 모델에 본 설계법을 적용한 결과, 전반적으로 목표변위 증가에 따라 가새 단면적이 감소하지만 층수와 연성도의 증가에 따라 일부층에서 오히려 가새 단면적이 증가하는 것을 확인하였다. 또한 항복 후 강성비의 변화가 단면적에 끼치는 영향은 가새의 항복 후 강성비가 작은 경우 더 민감한 차이를 보이는 것으로 나타났다.