mgssuvestВестник МГСУVestnik MGSU1997-09352304-6600Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU)10.22227/1997-0935.2025.2.231-245mgssuvest-520Research ArticleПроектирование и конструирование строительных систем. Строительная механика. Основания и фундаменты, подземные сооруженияConstruction system design and layout planning. Construction mechanics. Bases and foundations, underground structuresВлияние соотношения жесткостей здания и многослойного грунтового основания на сейсмический отклик системыInfluence of the stiffness ratio of the building and the multilayer soil foundation on the seismic response of the systemhttps://orcid.org/0000-0001-9148-2815ПшеничкинаВ. А.PshenichkinaV. A.

Валерия Александровна Пшеничкина — доктор технических наук, профессор, профессор кафедры строительных конструкций, оснований и надежности сооружений

400005, г. Волгоград, пр-т им. Ленина, д. 28

РИНЦ AuthorID: 653059, Scopus: 57189646401, ResearcherID: ABF-4196-2020

Valeria A. Pshenichkina — Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of the Department of Building Structures, Foundations and reliability of structures

28 Lenin ave., Volgograd, 400005

RSCI AuthorID: 653059, Scopus: 57189646401, ResearcherID: ABF-4196-2020

vap_hm@list.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4770-8754ИвановС. Ю.IvanovS. Yu.

Станислав Юрьевич Иванов — ассистент кафедры строительных конструкций, оснований и надежности сооружений

400005, г. Волгоград, пр-т им. Ленина, д. 28

РИНЦ AuthorID: 1078261

Stanislav Yu. Ivanov — Assistant of the Department of Building Structures, Foundations and reliability of structures

28 Lenin ave., Volgograd, 400005

RSCI AuthorID: 1078261

stassuz-1-14@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9360-8239РекуновС. С.RekunovS. S.

Сергей Сергеевич Рекунов — кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры строительной механики

400005, г. Волгоград, пр-т им. Ленина, д. 28

РИНЦ AuthorID: 496757, Scopus: 57190969032, ResearcherID: ABB-4080-2020

Sergey S. Rekunov — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Department of Structural Mechanics

28 Lenin ave., Volgograd, 400005

RSCI AuthorID: 496757, Scopus: 57190969032, ResearcherID: ABB-4080-2020

rekunoff@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0810-8177ЧураковА. А.ChurakovA. A.

Алексей Александрович Чураков — кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры строительных конструкций, оснований и надежности сооружений

400005, г. Волгоград, пр-т им. Ленина, д. 28

РИНЦ AuthorID: 475651, Scopus: 57214092414

Alexey A. Churakov — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Department of Building Structures, Foundations and Reliability of Structures

28 Lenin ave., Volgograd, 400005

RSCI AuthorID: 475651, Scopus: 57214092414

alexei.churakov@yandex.ruВолгоградский государственный технический университет (ВолгГТУ)РоссияVolgograd State Technical University (VSTU)Russian Federation202528022025202231245Copyright © Пшеничкина В.А., Иванов С.Ю., Рекунов С.С., Чураков А.А., 20252025Пшеничкина В.А., Иванов С.Ю., Рекунов С.С., Чураков А.А.Pshenichkina V.A., Ivanov S.Y., Rekunov S.S., Churakov A.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vestnikmgsu.ru/jour/article/view/520Введение

Введение. В настоящее время в инженерной практике для оценки совместной динамической работы зданий с грунтовым основанием применяется модель штампа, лежащего на упругом однородном основании. Наличие слоев с резко отличающимися жесткостями, а также порядок их расположения в грунтовой толще приводит к значительным изменениям спектра резонансных частот и величины динамического отклика. Поэтому для корректной оценки резонансных процессов, возникающих при совместных колебаниях сооружения и основания, важно учитывать неоднородность и слоистую структуру грунтового основания. Цель исследования — анализ реакции системы «сооружение – многослойное основание» в зависимости от соотношений их жесткостей, а также в сопоставлении результатов, полученных при моделировании многослойного и эквивалентнго однородного основания.

Материалы и методы

Материалы и методы. Используется расчетная модель горизонтальной слоистой среды. Рассматривается сооружение как элемент слоистой системы с приведенными жесткостными характеристиками. Сейсмическая нагрузка в виде вертикальной распространяющейся сдвиговой волны моделируется стационарным случайным процессом. Для анализа применяются амплитудно-частотные характеристики системы в целом, а также для каждого отдельного слоя, спектральные плотности выхода и коэффициенты динамичности.

Результаты

Результаты. Установлено, что при снижении жесткости здания увеличивается его вклад в общую амплитудно-частотную характеристику системы. Выполнена численная оценка изменения коэффициента динамичности при изменении параметров системы. Произведено сопоставление отклика сооружения на многослойном основании с откликом на однородном основании с эквивалентными характеристиками.

Выводы

Выводы. Упрощенное представление грунта как однородного без учета его слоистой структуры снижает величину коэффициента динамичности до 30 %. Резонансные частоты системы «здание – жесткий слой – слабый слой» в основном определяются резонансными частотами слабого нижнего слоя, особенно при увеличении жесткости зданий. Аналогичная картина характерна и для однородного основания. В системе «здание – слабый слой – жесткий слой» резонансные частоты зависят от частот слоев основания, а также от собственных частот здания.

Introduction

Introduction. Currently, in engineering practice, a model of a die lying on an elastic homogeneous base is used to evaluate the joint dynamic operation of buildings with a soil base. The presence of layers with sharply different stiffness, as well as the order of their location in the soil column, leads to significant changes in the spectrum of resonant frequencies and the magnitude of the dynamic response. Therefore, it is important to take into account the inhomogeneity and layered structure of the soil foundation for a correct assessment of resonance processes arising from joint vibrations of the structure and the foundation. The purpose of the study is to analyze the reaction of the “structure – multilayer base” system depending on the ratios of their stiffness, as well as to compare the results obtained by modelling a multilayer and equivalent homogeneous base.

Materials and methods

Materials and methods. A computational model of a horizontal layered medium is used. The structure as an element of a layered system with reduced stiffness characteristics. The seismic load in the form of a vertical propagating shear wave is modeled by a stationary random process. The amplitude-frequency characteristics of the system as a whole, as well as for each individual layer, spectral output densities and dynamic coefficients are used for analysis.

Results

Results. It was found that with a decrease in the rigidity of the building, its contribution to the overall amplitude-frequency response of the system increases. A numerical assessment of the change in the dynamism coefficient with changes in the system parameters has been performed. A comparison was made of the response of a structure on a multilayer base with a response on a single base with equivalent characteristics.

Conclusions

Conclusions. The simplified representation of the soil as homogeneous, without taking into account its layered structure, reduces the value of the dynamism coefficient to 30 %. The resonant frequencies of the “building – hard layer – weak layer” system are mainly determined by the resonant frequencies of the weak lower layer, especially with an increase in the rigidity of buildings. A similar pattern is characteristic for a homogeneous base. In the “building – weak layer – hard layer” system, the resonant frequencies depend on the frequencies of the base layers, as well as on the natural frequencies of the building.

сейсмическая нагрузкасистема «сооружение – основание»импедансымногослойное основаниерезонансные частотыамплитудно-частотная характеристикасвободные колебаниярезонансные частотыкоэффициент динамичностивероятностный расчетseismic load“structure – base” systemimpedancesmultilayer baseresonant frequenciesamplitude-frequency responsefree oscillationsresonant frequenciesdynamicity coefficientprobabilistic calculationReferencesБирбрайер А.Н. Расчет конструкций на сейсмостойкость. СПб. : Наука, 1998. 255 с.Birbrayer A.N. Seismic stability analysis of structures. St. Petersburg, Nauka, 1998; 255. (rus.).Тяпин А.Г. Учет взаимодействия сооружений с основанием при расчетах на сейсмические воздействия. М. : АСВ, 2014. 135 с.Tyapin A.G. Accounting for the interaction of structures with the foundation in seismic impact calculations. Moscow, ASV, 2014; 135. (rus.).Harichane Z., Guellil M.E., Gadouri H. Benefits of probabilistic soil-foundation-structure interaction analysis // International Journal of Geotechnical Earthquake Engineering. 2018. Vol. 9. Issue 1. Pp. 42–64. DOI: 10.4018/ijgee.2018010103Harichane Z., Guellil M.E., Gadouri H. Benefits of probabilistic soil-foundation-structure interaction analysis. International Journal of Geotechnical Earthquake Engineering. 2018; 9(1):42-64. DOI: 10.4018/ijgee.2018010103Guellil M.E., Harichane Z., Berkane H.D., Sadouk A. Soil and structure uncertainty effects on the soil foundation structure dynamic response // Earthquakes and Structures. 2017. Vol. 12. Issue 2. Pp. 153–163. DOI: 10.12989/eas.2017.12.2.153Guellil M.E., Harichane Z., Berkane H.D., Sadouk A. Soil and structure uncertainty effects on the soil foundation structure dynamic response. Earthquakes and Structures. 2017; 12(2):153-163. DOI: 10.12989/eas.2017.12.2.153Guellil M.E., Harichane Z., Çelebi A. Comparison between non-linear and stochastic methods for dynamic SSI problems // Advances in Science, Technology & Innovation. 2019. Pp. 191–194. DOI: 10.1007/978-3-030-01656-2_43Guellil M.E., Harichane Z., Çelebi A. Comparison Between Non-linear and Stochastic Methods for Dynamic SSI Problems. Advances in Science, Technology & Innovation. 2019; 191-194. DOI: 10.1007/978-3-030-01656-2_43Guellil M.E., Harichane Z., Çelebi E. Seismic codes based equivalent nonlinear and stochastic soil structure interaction analysis // Studia Geotechnica et Mechanica. 2020. Vol. 43. Issue 1. Pp. 1–14. DOI: 10.2478/sgem-2020-0007Guellil M.E., Harichane Z., Çelebi E. Seismic codes based equivalent nonlinear and stochastic soil structure interaction analysis. Studia Geotechnica et Mechanica. 2020; 43(1):1-14. DOI: 10.2478/sgem-2020-0007Brandis A., Kraus I., Petrovcic S. Nonlinear static seismic analysis and its application to shallow founded buildings with soil-structure interaction // Buildings. 2022. Vol. 12. Issue 11. P. 2014. DOI: 10.3390/buildings12112014Brandis A., Kraus I., Petrovcic S. Nonlinear Static Seismic Analysis and Its Application to Shallow Founded Buildings with Soil-Structure Interaction. Buildings. 2022; 12(11):2014. DOI: 10.3390/buildings12112014Bapir B., Abrahamczyk L., Wichtmann T., Prada-Sarmiento L.F. Soil-structure interaction : а state-of-the-art review of modeling techniques and studies on seismic response of building structures // Frontiers in Built Environment. 2023. Vol. 9. DOI: 10.3389/fbuil.2023.1120351Bapir B., Abrahamczyk L., Wichtmann T., Prada-Sarmiento L.F. Soil-structure interaction : а state-of-the-art review of modeling techniques and studies on seismic response of building structures. Frontiers in Built Environment. 2023; 9. DOI: 10.3389/fbuil.2023.1120351Mylonakis G., Gazetas G. Seismic soil-structure interaction: beneficial or detrimental // Journal of Earthquake Engineering. 2000. Vol. 4. Issue 3. Pp. 277–301. DOI: 10.1080/13632460009350372Mylonakis G., Gazetas G. Seismic soil-structure interaction: beneficial or detrimental. Journal of Earthquake Engineering. 2000; 4(3):277-301. DOI: 10.1080/13632460009350372Brahma A., Beneldjouzi M., Hadid M., Remki M. Evaluation of the Seismic Response of Reinforced Concrete (RC) Buildings Considering Soil-Structure-Interaction Effects // The Eurasia Proceedings of Science Technology Engineering and Mathematics. 2023. Vol. 26. Pp. 49–59. DOI: 10.55549/epstem.1409304Brahma A., Beneldjouzi M., Hadid M., Remki M. Evaluation of the Seismic Response of Reinforced Concrete (RC) Buildings Considering Soil-Structure-Interaction Effects. The Eurasia Proceedings of Science Technology Engineering and Mathematics. 2023; 26:49-59. DOI: 10.55549/epstem.1409304Requena-Garcia-Cruz M.V., Bento R., Durand-Neyra P., Morales-Esteban A. Analysis of the soil structure-interaction effects on the seismic vulnerability of mid-rise RC buildings in Lisbon // Structures. 2022. Vol. 38. Pp. 599–617. DOI: 10.1016/j.istruc.2022.02.024Requena-Garcia-Cruz M.V., Bento R., Durand-Neyra P., Morales-Esteban A. Analysis of the soil structure-interaction effects on the seismic vulnerability of mid-rise RC buildings in Lisbon. Structures. 2022; 38:599-617. DOI: 10.1016/j.istruc.2022.02.024Алешин А.С. О достоинствах и недостатках классификации грунтов NEHRP // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. 2021. № 1. С. 10–31. DOI: 10.37153/2618-9283-2021-1-10-31. EDN DQFZIY.Aleshin A.S. The advantages and disadvantages of the NEHRP soil classification. Earthquake Engineering. Constructions Safety. 2021; 1:10-31. DOI: 10.37153/2618-9283-2021-1-10-31. EDN DQFZIY. (rus.).Messaoudi A., Mezouar N., Hadid M., Laouami N. Effects of soil heterogeneities on its seismic responses // Lecture Notes in Civil Engineering. 2024. Pp. 221–232. DOI: 10.1007/978-3-031-57357-6_19Messaoudi A., Mezouar N., Hadid M., Laouami N. Effects of Soil Heterogeneities on Its Seismic Responses. Lecture Notes in Civil Engineering. 2024; 221-232. DOI: 10.1007/978-3-031-57357-6_19Berkane H.D., Harichane Z., Guellil M.E., Sadouki A. Investigation of Soil Layers Stochasticity Effects on the Spatially Varying Seismic Response Spectra // Indian Geotechnical Journal. 2019. Vol. 49. Issue 2. Pp. 151–160. DOI: 10.1007/s40098-018-0301-yBerkane H.D., Harichane Z., Guellil M.E., Sadouki A. Investigation of Soil Layers Stochasticity Effects on the Spatially Varying Seismic Response Spectra. Indian Geotechnical Journal. 2019; 49(2):151-160. DOI: 10.1007/s40098-018-0301-yСиницын А.П., Медведева Е.С., Хачиян Э.Е. и др. Волновые процессы в конструкциях зданий при сейсмических воздействиях. М. : Наука, 1987. 159 с.Sinitsyn A.P., Medvedeva E.S., Khachiyan E.E. et al. Wave processes in building structures under seismic impacts. Moscow, Nauka, 1987; 159. (rus.).Хачиян Э.Е. Сейсмические воздействия и прогноз поведения сооружений. Ереван : Гитутюн НАН РА, 2015. 555 с.Khachiyan E.E. Seismic impacts and prediction of structure behavior. Yerevan, Gitutyun NAS RA, 2015; 555. (rus.).Sadek M., Hussein M., Chehade F.H., Arab A. Influence of soil–structure interaction on the fundamental frequency of shear wall structures // Arabian Journal of Geosciences. 2020. Vol. 13. Issue 17. DOI: 10.1007/s12517-020-05872-zSadek M., Hussein M., Chehade F.H., Arab A. Influence of soil–structure interaction on the fundamental frequency of shear wall structures. Arabian Journal of Geosciences. 2020; 13(17). DOI: 10.1007/s12517-020-05872-zПшеничкина В.А., Рекунов С.С., Иванов С.Ю. Вероятностный анализ динамических характеристик системы «сооружение – слоистое основание» // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2024. № 8 (788). С. 32–43. DOI: 10.32683/0536-1052-2024-788-8-32-43. EDN XZEYVI.Pshenichkina V.A., Rekunov S.S., Ivanov S.Yu. Probabilistic analysis of dynamic characteristics of the “structure – layered foundation” system. News of Higher Educational Institutions. Construction. 2024; 8(788):32-43. DOI: 10.32683/0536-1052-2024-788-8-32-43. EDN XZEYVI. (rus.).Пшеничкина В.А., Рекунов С.С., Иванов С.Ю., Жиденко А.С., Чанчан М., Хамиси С. Сравнительный анализ результатов расчета системы «здание – основание», представленной в виде слоистой модели // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: строительство и архитектура. 2023. № 1 (90). C. 43–53. EDN ELCFWD.Pshenichkina V.A., Rekunov S.S., Ivanov S.Yu., Zhidenko A.S., Tchantchane M., Hamici S. Comparative analysis of the calculation results of the building-base system presented in the form of a layered model. Bulletin of the Volgograd State University of Architecture and Civil Engineering. Series: construction and architecture. 2023; 1(90):43-53. EDN ELCFWD. (rus.).Артоболевский И.И., Боголюбов А.Н., Болотин В.В. и др. Колебания линейных систем // Вибрации в технике : справочник. 1978. 352 c.Artobolevsky I.I., Bogolyubov A.N., Bolotin V.V. et al. Oscillations of linear systems. Vibrations in technology : handbook. 1978; 352. (rus.).Уздин А.М., Сандович Т.А., Аль-Насер-Мохомад Самих Амин. Основы теории сейсмостойкости и сейсмостойкого строительства зданий и сооружений. СПб. : Изд-во ВНИИГ, 1993. 175 с.Uzdin A.M., Sandovich T.A., Al-Nasser-Mohomad Samih Amin. Fundamentals of the theory of seismic resistance and seismic-resistant construction of buildings and structures. St. Petersburg, 1993; 175. (rus.).Саргсян А.Е., Гукова Е.Г., Шапошников Н.Н. Динамическая механическая модель основания сооружения с учетом инерционных свойств грунтов // Вестник МГСУ. 2012. № 2. С. 66–69. EDN PDBTYH.Sargsjan A.E., Gukova E.G., Shaposhnikov N.N. Dynamic Mechanical Model of Bases of Structures That Takes Account of Inertial Properties of Soils. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012; 2:66-69. EDN PDBTYH. (rus.).Abdulaziz M.A., Hamood M.J., Fattah M.Y. A review study on seismic behavior of individual and adjacent structures considering the soil — Structure interaction // Structures. 2023. Vol. 52. Pp. 348–369. DOI: 10.1016/j.istruc.2023.03.186Abdulaziz M.A., Hamood M.J., Fattah M.Y. A review study on seismic behavior of individual and adjacent structures considering the soil — Structure interaction. Structures. 2023; 52:348-369. DOI: 10.1016/j.istruc.2023.03.186

The authors declare that there are no conflicts of interest present.