Abstract
Traditionally, domestic steel design and construction practice has provided extra shear studs to moment frame beams even when they are designed as non-composite beams. In the 1994 Northridge earthquake, connection damage initiated from the beam bottom flange side was prevalent. The upward moving of the neutral axis due to the composite action between steel beam and floor deck was speculated to be one of the critical causes. In this study, full-scale seismic testing was conducted to investigate the side effects of the composite action in steel seismic moment frames. The specimen PN700-C, designed following the domestic connection and floor deck details, exhibited significant upward shift of the neutral axis under sagging (or positive) moment, thus producing high strain demand on the bottom flange, and showed a poor seismic performance because of brittle fracture of the beam bottom flange at 3% story drift. The specimen DB700-C, designed by using RBS connection and with the details of minimized floor composite action, exhibited superior seismic performance, without experiencing any fracture or concrete crushing, almost identical to the bare steel counterpart (specimen DB700-NC). The results of this study clearly indicate that the beams and connections in seismic steel moment frames should be constructed to minimize the composite action of a floor deck if possible.
1994년 미국 노스리지 지진 당시 상당 부분의 피해가 보 하부 플랜지에서 발생하였는데, 이의 원인으로 여러 가지가 거론되었지만 바닥슬래브와 합성작용에 의한 중립축 상승이 주요한 역학적 원인으로 인정되고 있다. 국내의 경우 지진에 저항하는 모멘트골조에 속하는 보(moment frame beam)의 경우에 순철골보로서 설계하고도 실제 시공시에는 보 상부 플랜지에 전단스터드를 필요 이상으로 과도하게 배치하는 오랜 관행이 존재하고 있어 내진성능 확보 차원에서 문제를 유발할 소지가 있다. 본 논문에서는 의도하지 않은 또는 과도한 합성작용이 내진성능에 미치는 부작용을 실물대 실험을 통해 재현하고 이의 개선방향을 모색하고자 하였다. 국내 관행에 따른 접합상세와 합성바닥구조를 갖는 실험체(PN700-C)의 경우, 합성도가 23% 정도임에도 불구하고, 상부플랜지 압축응력에 대해 중립축이 현저히 상승하였고 결국 3% 층간변위에서 콘크리트 압괴를 수반하면서 하부플랜지 취성파단이 발생하였다. 반면 합성바닥이 포함되어 있으나 합성작용이 최소화되도록 설계된 RBS접합부실험체(DB700-C)는 순철골(비합성) RBS접합부실험체(DB700-NC)와 유사한 이력거동을 보이면서 어떤 취성파괴도 없이 5% 수준의 뛰어난 층간변형 능력을 발휘하였다. 본 연구결과는 강구조접합부의 내진보강이나 신축에 있어 모멘트골조에 속한 철골보 및 접합부는 바닥구조와의 합성작용이 최소화되도록 설계 및 시공되어야 함을 시사한다.
