به عنوان اولین قدم در مطالعه رفتار سازه در قاب‌های فولادی برای سه مکان طراحی شده‌اند که محدوده‌های مختلفی از بار باد، برف و زمین لرزه را در بر می‌گیرد. بخش‌هایی از چندین آیین نامه طراحی و مشخصات به عنوان پایه‌ای برای طراحی مورد استفاده قرار گرفتند (ASCE، 2005؛ AISC، 2001؛ ICC، 2000؛ SJI، 2002). طراحی این سازه‌ها به طور کلی توسط جابجایی افقی (رانش) تحت بار باد، با مقادیر معمولی رانش مجاز به عنوان H / 100 بر اساس فرضیات سیستم دیواره انعطاف پذیر انجام شد.
دو قاب آزمایشی برای این طرح‌های آزمایشی مطابق با قوانین کمیته استاندارد ساختمان انتخاب شد. اولین مورد یک مجموعه یک طبقه بود که به عنوان نمونه اولیه برای تست چرخه‌ای در مقیاس کامل استفاده شد. حالت دوم یک قاب سه طبقه بود که برای مطالعات تحلیلی مورد استفاده قرار گرفت و محدودیت‌های ساخت و ساز واقعی را در نظر گرفت.
تجزیه و تحلیل‌ها با استفاده از رایانه‌ها و سازه‌ها انجام شد و این طرح‌ها با کمک صفحات گسترده MathCad انجام شد. جزئیات در مقیاس کامل و تحت لنگر خمشی استفاده شده و رفتار آنها به شکل عددی در نظر گرفته شده است.
آزمایش چرخه‌ای سازه در مقیاس کامل
این نمونه شامل دو قاب موازی بود که در انتها بر روی یکدیگر قرار گرفتند و توسط تیرچه‌های فلزی باز و یک پایه سقف فولادی به یکدیگر متصل شدند.
بنابراین نمونه آزمایشی تمام حالت‌های رفتاری مربوط به این نوع سازه را شامل می‌شود، از جمله عملکرد غیرخطی اتصالات خمشی تیر به ستون و پایه‌های ستون. هفت بلوک بزرگ بتنی (هر یک در حدود 44.5 کیلو نیوتن متر یا 10 kips) برای شبیه‌سازی بار گرانشی و تسهیل نگه داشتن آن از طریق جابجایی‌های چرخه‌ای بزرگ، روی نقاط پنل متناوب آویزان شده‌اند و سازه تجهیز شد.
مکان‌ها و تعداد گیج‌های ستون به منظور دستیابی به يك تخمین مناسب از بارهای محوری و خمشی تیرچه‌ها بعد از تسلیم انتخاب شد. گیج‌ها بر روی ستون‌ها در فاصله 2d (d = عمق ستون‌ها) از هر دو اتصال آکورد پایین و صفحه پایه قرار گرفتند تا از اندازه گیری در یک منطقه با توزیع کرنش ملایم اطمینان حاصل شود و اثرات موضعی ناشی از جوشکاری و صفحات اتصال به پایه به حداقل برسد.
برای آزمایش چرخه‌ای، در بلوک‌های بتنی 100٪ بار مرده و 20٪ بار زنده سقف به اضافه بار برف، شبیه سازی شده است. این تقریبا برابر با 1.2 برابر جرم لرزه‌ای معمولی در طراحی است. این سازه بر اساس کنترل جابجایی برای دستیابی به رانش‌های طبقه‌ای بنا به توصیه‌های SAC بارگذاری شده است (SAC، 1997). منحنی بارهای جانبی در برابر جابجایی، در حالی که منحنی چرخه‌ای لنگر خمشی برای پایه‌های ستون در سمت راست قاب جلویی و رفتار لنگر چرخه‌ای اتصالات تیرچه به ستون انجام شده بود، به دست آمد.
بر طبق این الگوها، میانگین مقاومت چرخشی اتصال بین تیرچه و ستون‌ها، در حدود 6.2 * 105 کیلوگرم نیوتن / رادیان (kip-in 106*5.5/radian) است. در حالی که این مقدار برای پایه ستون، در مرحله الاستیک اولیه، حدود 2.6 * 103 کیلوگرم نیوتن / رادیان (kip-in 104*2.3/radian) بود.
بر اساس مقایسه با محدودیت‌های تعیین شده برای سختی اتصالات (AISC، 2001)، اتصال بالا را می‌توانید کاملا مهار شده (FR) یا مقاوم فرض کنید، در حالی که در پایین یک PR ضعیف (نیمه مقاوم) به حساب می‌آید. رفتار قاب‌ها تا زمانی که رانش بین طبقه‌ای کمتر از 2٪ [110 میلی متر (4.32 اینچ)] است، خطی بوده که در این مرحله در ستون‌ها و در زیر اتصال اعضای قطری پایینی مفاصل باید طراحی شود.
عملکرد پلاستیک کامل در این نوع سطح مقطع در محدوده 3٪ رانش بین طبقه‌ای مشاهده شده است و آزمایش بلافاصله پس از آن وقوع جابجایی خارج از صفحه قاب‌ها که در مقابل یکدیگر قرار گرفتند متوقف شد. هنگامی که در هر چهار نقطه ستون مفاصل پلاستیک نصب شد، محدودیت جانبی بر روی ستون‌ها کاهش یافته و خرابی کلی ناشی از کمانش خمشی پیچشی مشاهده شد.
مدل‌های تحلیلی برای پایه‌های PR و اتصالات
بر اساس معیارهای طبقه بندی اتصالات موجود در پیشینه تحقیق (لئون، 1994 ؛ AISC، 2001)، پایه‌های ستون را می‌توانید به عنوان اتصالات پایه PR و اتصالات تیر به ستون را می‌توانید کاملا مقاوم در نظر بگیرید. براساس گزارش استحکام و مقاومت، پایه ستون را می‌توانید با روش مولفه محور که در ابتدا برای اتصالات تیر به ستون در ضمیمه اصلاح شده یوروکد 3 ارائه شده است، محاسبه کنید. روش مولفه محور از دو مرحله اصلی تشکیل شده است. در مرحله اول، سختی، مقاومت و انعطاف پذیری هر مولفه با در نظر گرفتن کلیه مکانیسم‌های مربوط به عملکرد و خرابی محاسبه می‌شود. خصوصيات هر مولفه معمولا از آزمايشات روی مولفه‌های منفرد با شرايط مرزی با دقت تعيين می‌شود.
مولفه‌های اصلی پایه ستون سهم اصلی مقاومت ناشی از مولفه‌های زیر است، بلوک بتنی، گل میخ‌های فولادی T شکل و میله‌های نگهدارنده خمشی. در مرحله دوم، سختی، مقاومت و ظرفیت تغییر شکل پایه ستون به عنوان یک مجموعه کلی از مونتاژ کلیه مولفه‌ها تعیین می‌شود. در محدوده الاستیک که مقاومت یک پارامتر اصلی است، ضرایب سختی توسط معادلات تعیین می‌شوند.