This paper is the sequel of a companion paper (I. Performance Evaluation) evaluating the relation between the seismic performance of steel intermediate moment frames (IMFs) and the rotation capacity of connections. The evaluation revealed that the seismic performance of IMFs having the required minimum rotation capacity suggested in the current standards did not meet the seismic performance criteria presented in FEMA 695. Therefore, thepresent study evaluates the causes of the vulnerable seismic performance for steel IMFs and proposes alternatives to satisfy the seismic performance suggested in FEMA 695. To that goal, the results of nonlinear analysis, which are the pushover analysis and the incremental dynamic analysis, are examined and evaluated. As a result, high-rise IMF systems are seen to have the lower collapse margin ratio after connection fracture than row-rise IMF systems and, the actual response isfound to compared tothedesign drift ratio acting on design load design. Finally, the minimum design load values are proposed to meet the seismic performance suggested in FEMA 695 for IMF systems having vulnerable seismic performance.

The current AISC341-10 standard specifiesa value of 0.02 radian for the minimum rotation capacity of connections for the intermediate steel moment frame system. However, despite of the advances realized in the domains of performance evaluation method and analysis method, research onthe minimum rotation capacity of the intermediate steel moment frame systemsatisfying the seismic performance has not been conducted in detail. In this study, the intermediate moment frame systemisdesigned with respect to current standards and the seismic performance in accordance with the rotational capacity of connections is evaluated using the seismic performance evaluation method presented in FEMA-P695. The minimum rotation capacity of intermediate steel moment frames required to satisfy seismic performance as well as the major design values affecting the seismic performance of moment frame areestimated. To that goal, the design parameters are selected and various target frames are designed. The analysis models of the main nonlinear elements are also developed for evaluating seismic performance. The resultsshow that the 20-story structure doesnot meet the seismic performance even if it satisfies the rotation capacity of 0.02 radian.

현행 내진설계기준에서 RBS-B 접합부는 오직 중간모켄트골조(IMF) 시스템에서만 사용이 허용된다. 본 연구는 현행설계규준에 따라 설계한 RBS-B 접합부를 갖는 철골 모멘트골조 시스템의 내진성능평가를 수행하였다. 이를 위하여 층수(3층, 6층, 9층), 경간너비(6m, 9m), 내진설계범주(SDC C_{max}, SDC C_{min})으로 구성된 12개의 RBS-B접합부를 갖는 철골모멘트골조 건물을 설계하였고 RBS-B 접합부의 비선형 이력거동을 잘 모사하는 접합부 모델을 개발하였다. 설계된 대상골조는 ATC-63에 의해 개발된 내진성능평가방법에 따라 내진성능평가를 수행하였다. 또한 본 연구는 저자가 이전연구에서 제안한 새로운 설계법에 따라 설계된 IMF 시스템의 내진성능평가를 수행하였다. 그 결과 현행규준에 따라 설계한 몇 개의 대상골조가 적절한 붕괴여유비를 보유하지 못하였다. 반면에 새로운 설계절차에 따라 설계된 대상골조는 적절한 붕괴여유비를 보유하였다.

보 플랜지 절취형(Reduced Beam Section, RBS) 내진 철골모멘트접합부는 국내외의 여러 실험프로그램에서 뛰어난 내진성능을 보여 주었다. 그러나 추가적으로 규명해야할 설계상의 몇몇 이슈들이 아직 남아있다. 그 중의 하나가 패널존의 보에 대한 적정강도이다. 다수의 실험결과가 존재함에도 불구하고 패널존과 보 사이의 적정강도비가 아직까지 명확하게 제시된 바가 없다. 본 연구에서는 독립적으로 수행된 국내외의 광범위한 실험 데이터베이스를 기초로 패널존 강도가 접합부의 내진거동에 미치는 영향을 포괄적으로 분석하였다. 이를 기초로 보의 좌굴을 감소시키는 동시에 충분한 접합부 소성회전능력을 보장할 수 있는 균형패널존의 강도범위를 제안하였다. 아울러 반복재하 실물대 실험결과를 만족스럽게 재현할 수 있는 유한요소모델을 구축한 후 다양한 수치해석을 통하여 실험자료에서 누락된 부분이나 실험적으로는 파악하기 어려운 거동을 고찰하였다. 이 과정에서 오늘날의 강력한 유한요소해석기법을 활용하여 많은 비용이 드는 철골접합부 실물대 내진실험을 보완하거나 적어도 부분적으로 대체할 수 있음을 확인하였다.

본 연구에서는 1994년 미국 노스리지 지진 이전에 건설된 기존 철골 건물의 용접형 철골 박스기둥과 보 접합부의 내진성능을 반복재하 실험에 의해 평가하였다. 실험결과에 의하면 노스리지 지진 이전 접합상세를 갖는 박스기둥과 보 접합부에서도 H-형강 기둥과 보 접합부 실험결과와 유사하게 취성파단이 발생하였다. 하지만, 박스기둥과 보 접합부에서의 플랜지 응력전달 경로가 H-형강 기둥과 보 접합부에서의 것과 상당한 차이가 있고 또한 박스기둥의 형상에 따라 균열 전파의 형태가 다를 수 있다는 것이 밝혀졌다. 따라서 용접형 철골 박스기둥과 보 접합부의 내진성능을 향상시키기 위해서는 H-형강 기둥과 보 접합부에 대한 기존 연구결과를 그대로 적용하기보다는 박스기둥에 적합한 접합부의 보강상세 개발이 요구된다.

용접 철골 모멘트접합부는 일반적으로 평면유지의 가정을 전제한 초등휨이론에 의해 설계되어 왔다. 그러나 1994년 노스리지 지진 이후 보-기둥 접합부의 설계에 초등휨이론을 적용하는 것은 타당치 않음이 몇몇 연구자에 의해 제기된 바가 있다. 본 연구에서는 필자의 최근 해석 및 실험연구를 주 근거로 하여 다양한 형식의 접합부의 응력전달 메커니즘을 재평가하고, 거의 모든 용접 모멘트접합부의 설계에 초등휨이론을 적용하는 것이 부적절함을 보이고자 하였다. 보의 웨브, 수평헌치의 웨브, 리브 등과 같은 수직 플레이트 접합요소는 모두 스트럿 작용에 의해 응력을 전달하는 유사성이 있음을 해석적, 실험적으로 확인하였다. 또한 최근 가장 큰 주목을 받고 있는 고연성 RBS 접합부의 전단력 응력전달 메커니즘은 PN형식 접합부의 그것과 크게 다르지 않음을 확인하였다. 아울러 접합부 설계에 유용하게 활용될 수 있는 단순화된 해석적 응력전달 모형을 소개하였다.

최근에 수행된 보 플랜지 절취형 (Reduced Beam Section, RBS) 내진 철골모멘트접합부의 실험 결과에 의하면, 보 웨브를 볼트 접합한 시험체는 보 웨브를 용접 접합한 시험체에 비해서 조기에 스캘럽을 가로지르는 취성파단이 발생하는 열등한 내진성능을 보였다. 실험결과에 의할 때, 이러한 접합부 취성파괴가 발생하는 주요 원인은 웨브 볼트의 슬립과 고전 휨이론에 의한 예측과는 전혀 다른 응력 전달메카니즘에 의한 스캘럽 부근의 응력집중 때문으로 사료된다. 이는 고전 휨이론에 기초한 전통적 보 웨브 볼트접합부의 설계법을 재검토할 필요가 있음을 시사하는 것이다. 본 연구를 통하여 고전 휨이론에 기초한 현행의 보 웨브 설계법에 문제가 있음을 지적하였다. 실험 및 해석결과를 바탕으로 RBS 접합부의 실제 응력전달경로에 부합되는 새로운 보 웨브 볼트접합 설계법을 제안하였다.

본 연구는 8개의 RBS(reduced beam section) 내진 철골모멘트접합부의 실물대 실험결과를 요약한 것이다. 실험의 주요변수는 보 웨브 접합법 및 패널존 강도를 택하였다. 균형 패널존 시험체는 접합부의 내진성능을 감소시키지 않으면서, 보와 패널존이 함께 균형적으로 지진에너지를 소산시키도록 설계하여 값비싼 패널존 보강판(doubler plates)의 수요를 줄이고자 시도한 것이다. 보 웨브를 용접한 시험제는 모두 특별 연성모멘트골조에서 요구되는 접합부 회전능력을 충분히 발휘하였다. 반면 보 웨브를 볼트 접합한 시험체는 조기에 스캘럽을 가로지르는 취성파단이 발생하는 열등한 성능을 보였다. 보 그루브 용접부 자체의 취성파괴가 본 연구에서와 같이 양질의 용접에 의해 방지되면, 스켈럽 부근의 취성파단이 다음에 해결해야 할 문제로 대두되는 경향을 보인다. 보 웨브를 볼팅한 경우에 접합부 취성파단의 빈도가 월등히 높은 이유를 실험 및 해석결과를 토대로 제시하였다. 측정된 변형도 데이터에 의할 때, 접합부의 전단력 전달메카니즘은 흔히 가정하는 고전 휨이론에 의한 예측과 전혀 다르다. 이는 전통적 보 웨브 설계법을 재검토할 필요가 있음을 시사하는 것이다. 아울러, 접합부에서 요구되는 바람직한 거동기준을 제시하고 이를 근거로 균형 패널존의 강도범위에 대한 예비적 추정치를 제시하였다

최근에 용접 수평헌치로 보강된 내진 철골 모멘트 적합부의 응력 전달모형 및 설계법이 Lee-Uang에 의해 새로이 제안된 바가 있다. 본 연구에서는 반복재하 실물대 실험을 통하여 이 설계방안의 타당성을 실험적으로 확인하고 응력집중에서 기인하는 헌치단부의 균열을 방지할 수 있는 효과적인 상세도 제안하고자 하였다. Lee-Uang의 방안에 의해 설계된 3개의 시험체는 모두 설계의도에 부합되게, 헌치단부의 외측에서 형성된 소성힌지에서 0.04 radian에 달하는 뛰어난 소성회전능력을 발휘하였다. 도한 헌치단부에 구배를 주고 처공하거나 또는 보 웨브 스티프너를 헌치의 웨브로 부분적으로 또는 완전히 연장하는 상세에 의해 헌치단부의 균열발생을 효과적으로 방지할 수 있음을 실험적으로 입증하였다. 아울러 해석적으로 예견되었던 헌치 웨브의 스트럿 거동도 스트레인 계측을 통하여 실험적으로 입증하였다.

본 논문에서는 리브로 보강된 철골 모멘트 접합부의 내진설계법 정립을 위한 등가 스트럿 모델을 제시하였다. 리브 보강 접합부의 응력전달 메커니즘은 고전 휨이론에 의한 예측과는 전혀 다르며, 리브는 리브의 기울기 방향으로 스트럿 거동을 보임을 유한요소해석에 의해 밝혔다. 리브를 스트럿 요소로 파악하여 리브 접합부의 실용설계에 활용될 수 있는 등가 스트럿 모델링 방안을 제시하였다.

본 연구에서는 용접 수평헌치로 보강된 철골 모멘트 접합부의 내진설계법을 제시하고자 한다. 최근의 실험결과에 의하면 보의 하부를 수평헌치로 용접하는 방안은 취약한 내진성능이 드러나 기존 철골 모멘트 접합부의 내진보강이나 내진성능이 뛰어난 건물의 구축에 매우 효과적임을 알 수 있다. 용점 삼각헌치로 보강된 접합부의 설계법은 최근에 미국의 연구자들에 의해 제시된 바가 있다. 그러나 이 설계법은 응력 전달 메커니즘이 상이한 수평헌티 접합부의 설계에는 적용될수 없다. 본 논문에서는 우선 수평헌치와 보의 상호작용 및 변형의 적합 조건을 고려하여 도출된 단순화된 해석적 응력전달 모형을 간략히 기술한다. 이를 기초로 수평헌치 접합부의 단계별 내진 설계절차를 제안한다. 아울러 헌티단부의 응력집중을 줄이는데 매우 효과적인 디테일도 제시하고자 한다.

본 연구는 인공신경망을 이용해 철골모멘트골조의 접합부 손상을 예측하는 기법을 제안한다. 인공신경망의 입력층에는 기둥 부재 의 휨모멘트, 고유진동수, 모드형상 정보가 사용되며, 출력층에는 구조물 접합부의 회전강성 손상지표가 사용한다. 손상지표는 각 접합부의 손 상정도를 의미한다. 5층 철골모멘트골조 예제의 수치해석을 통해 훈련 및 검증용 데이터를 생성한다. 총 829가지의 손상 시나리오가 고려된다. 시뮬레이션은 OpenSees를 이용해 반복 실행하여 데이터를 얻도록 하였으며, 훈련용 데이터를 생성할 때 회전 강성의 손상은 1.0, 0.75, 0.5 등 세 가지 중 하나의 값을 가지도록 하였다. 예제 검증을 통해 제시하는 기법은 손상 위치 및 수준을 정확하게 예측하는 것으로 나타났다. 제시하는 기법은 손상지표, 1차, 2차 고유진동수 및 모드형상 등에 대해 매우 유사한 결과를 제시하는 것으로 확인되었다.

In this paper, the effects of beam splice location on seismic performance of column-tree connections were experimentally and analytically evaluated. The study results showed very little difference between the results of analytical and those of experimental.

This paper presents analytical studies on the cyclic behavior of column-tree steel moment connections by FEA. The column-tree moment connections are composed shop welded beam-to-column connection and field bolted beam-to-beam splice. Two analytical model of column-tree moment connections were designed with beam splice lengths of 900mm and 1,100mm, which are roughly 1/6 and 1/7 of the span length of 7,500mm. In order to verify the FEA reliability, the analytical results was compared with experimental results. Meanwhile, the experimental results were understood better through analysis procedure.