Abstract
This study investigates the performance of composite (steel-concrete) frame structures through numerical experiments on individual connections. The innovative aspects of this research are in the use of connections between steel beams and concrete-filled tube (CFT)columns that utilize a combination of low-carbon steel and shape memory alloy (SMA) components. In these new connections, the intent is to utilize the recentering provided by super-elastic shape memory alloy tension bars to reduce building damage and residual drift after a major earthquake. The low-carbon steel components provide excellent energy dissipation. The analysis and design of these structures is complicated because the connections cannot be modeled as being simply pins or full fixity ones they are partial restraint (PR). A refined finite element (FE) model with sophisticated three dimensional (3D) solid elements was developed to conduct numerical experiments on PR-CFT joints to obtain the global behavior of the connection. Based on behavioral information obtained from these FE tests, simplified connection models were formulated by using joint elements with spring components. The behavior of entire frames under cyclic loads was conducted and compared with the monotonic behavior obtained from the 3D FE simulations. Good agreement was found between the simple and sophisticated models, verifying the robustness of the approach.
본 연구는 각 연결부에 대한 수치 해석을 통하여 강재-콘크리트 합성 프레임 구조물의 성능을 조사하였다. 본 연구의 혁신적인 측면은 강재 보와 CFT 기둥의 연결부 사용과 저탄소강과 형상 기억 합금 구성요소의 조합을 활용하는데 있다. 이러한 새로운 연결부의 목적은 지진 후 건물의 손상과 잔류 흐름을 줄이기 위해 고탄성 형상기억합금 인장부에서 발생하는 교정 작용과 저탄소강의 우수한 에너지 분산 능력을 활용하는 것이다. 연결부의 핀, 전체적인 고정 또는 부분 구속으로 모델링을 할 수 없기 때문에 이러한 구조물들의 해석과 설계는 복잡하여 PR-CFT 연결부의 전체적인 거동을 알기 위한 수치해석을 위해 정교한 3차원 솔리드 요소로 구성된 유한해석 모델을 개발하였다. 이러한 유한요소 해석으로 얻은 결과를 바탕으로 스프링 요소를 이용하여 간단한 연결부 모델링을 공식화 시켰다. 반복 하중을 가하여 전체 프레임 구조물의 거동을 확인하였고 3D 유한요소 해석을 통하여 단순 거동을 비교하였다.
