mgssuvestВестник МГСУVestnik MGSU1997-09352304-6600Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU)10.22227/1997-0935.2025.6.888-898mgssuvest-655Research ArticleПроектирование и конструирование строительных систем. Строительная механика. Основания и фундаменты, подземные сооруженияConstruction system design and layout planning. Construction mechanics. Bases and foundations, underground structuresОценка надежности системы «сооружение – многослойное основание» с учетом жесткости, мощности и конфигурации слоевReliability assessment of the system “structure – multilayer foundation” taking into account stiffness, capacity and configuration of layershttps://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. 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. 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. 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. 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 Federation202530062025206888898Copyright © 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/655Введение

Введение. Современные исследования, посвященные количественной оценке надежности сооружений при землетрясении, как правило, не учитывают волновые эффекты, пространственную неоднородность грунтового основания и обратное воздействие сооружения на движение грунта. Цель исследования — оценка надежности системы «сооружение – многослойное основание» с учетом влияния таких факторов, как жесткость сооружения, толщина и плотность слоев грунта, скорость распространения поперечной сейсмической волны, несущая частота сейсмического воздействия. Мерой надежности системы принята вероятность превышения коэффициента динамичности заданного значения.

Материалы и методы

Материалы и методы. Используется расчетная модель горизонтальной слоистой среды. Сооружение рассматривается как элемент слоистой системы с приведенными жесткостными характеристиками. Сейсмическая нагрузка в виде вертикальной распространяющейся сдвиговой волны моделируется стационарным случайным процессом. Выходные характеристики системы — спектральная плотность ускорения, амплитудно-частотная характеристика и коэффициент динамичности на любом уровне каждого слоя и сооружения. По результатам серии расчетов коэффициент динамичности формулируется как нелинейная функция шести случайных аргументов. Линеаризация функции проводится методом планирования эксперимента. Строится функция надежности.

Результаты

Результаты. Получены аналитические зависимости функции коэффициента динамичности для двух вариантов основания с повышенными и пониженными значениями жесткости слоев с различным порядком их чередования. Выполнена оценка адекватности принятой линейной модели. Установлены вероятности превышения нормативного значения коэффициента динамичности для зданий различной жесткости с учетом влияния мощности слоев грунтового основания.

Выводы

Выводы. Принятый в нормах коэффициент динамичности, который для всех категорий грунтов не превышает значения 2,5, не может обеспечить требуемый уровень надежности сейсмостойких зданий и должен определяться на основе расчетов с учетом жесткости сооружения и характеристик многослойного основания.

Introduction

Introduction. Modern studies on the quantitative assessment of the reliability of structures during earthquakes generally do not consider wave effects, the spatial heterogeneity of soil foundations, and the reverse impact of the structure on ground motion. The purpose of this work is to evaluate the reliability of the “structure – multilayer foundation” system, considering factors such as stiffness of the structure, the thickness and density of soil layers, the propagation speed of the transverse seismic wave, and the dominant frequency of seismic action. The reliability measure of the system is taken as the probability of the dynamic coefficient exceeding a specified value.

Materials and methods

Materials and methods. A computational model of a horizontally layered medium is used. The structure is considered an element of the layered system with equivalent rigidity characteristics. Seismic loading in the form of a vertically propagating shear wave is modelled as a stationary random process. The output characteristics of the system include the spectral density of acceleration, the amplitude — frequency response, and the dynamic coefficient at any level of each layer and the structure. Based on a series of calculations, the dynamic coefficient is formulated as a nonlinear function of six random arguments. The function is linearized using the experimental design method, and the reliability function is constructed.

Results

Results. Analytical dependencies of the dynamic coefficient function were obtained for two types of foundations with increased and decreased stiffness values of layers, with different orders of their alternation. An assessment of the adequacy of the adopted linear model was conducted. The probabilities of exceeding the normative value of the dynamic coefficient were determined for buildings of varying rigidity, considering the influence of the thickness of the soil foundation layers.

Conclusions

Conclusions. The dynamic coefficient adopted in the standards, which does not exceed 2.5 for all soil categories, cannot ensure the required reliability level of earthquake — resistant buildings and should be determined based on calculations that account for the rigidity of the structure and the characteristics of the multilayer foundation.

оценка надежностисистема «сооружение – основание»многослойное основаниекоэффициент динамичностиамплитудно-частотная характеристиканелинейная функция случайных аргументовметод планирования экспериментавероятностный расчетreliability assessment“structure – foundation” systemmultilayer foundationdynamic coefficientamplitude-frequency characteristicnonlinear function of random argumentsthe method of experimental designprobabilistic calculationReferencesБирбрайер А.Н. Расчет конструкций на сейсмостойкость. СПб. : Наука, 1998. 253 с.Birbraer A.N. Seismic analysis of structures. St. Petersburg, Nauka, 1998; 253. (rus.).Тяпин А.Г. Учет взаимодействия сооружений с основанием при расчетах на сейсмические воздействия. М. : АСВ, 2014. 135 с.Tyapin A.G. Consideration of soil-structure interaction in seismic calculations. Moscow, ASV, 2014; 135. (rus.).Sivakumar Babu G.L. Reliability and Risk Analysis in Geotechnical and Geoenvironmental Engineering // Indian Geotechnical Journal. 2024. Vol. 54. Issue 5. Pp. 1705–1737. DOI: 10.1007/s40098-024-00909-6Sivakumar Babu G.L. Reliability and Risk Analysis in Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. Indian Geotechnical Journal. 2024; 54(5):1705-1737. DOI: 10.1007/s40098-024-00909-6Болотин В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. М. : Машиностроение, 1984. 312 с.Bolotin V.V. Prediction of the service life of machines and structures. Moscow, Mashinostroenie, 1984; 312. (rus.).Allin C.C. Seismic reliability analysis of structures // Earthquake Engineering & Structural Dynamics. 2007. Vol. 36. Issue 13. Pp. 1811–1812. DOI: 10.1002/eqe.732Allin C.C. Seismic reliability analysis of structures. Earthquake Engineering & Structural Dynamics. 2007; 36(13):1811-1812. DOI: 10.1002/eqe.732Mackie K.R., Stojadinović B. Performance-based seismic bridge design for damage and loss limit states // Earthquake Engineering and Structural Dynamics. 2007. Vol. 36. Issue 13. Pp. 1953–1971. DOI: 10.1002/eqe.699Mackie K.R., Stojadinović B. Performance-based seismic bridge design for damage and loss limit states. Earthquake Engineering and Structural Dynamics. 2007; 36(13):1953-1971. DOI: 10.1002/eqe.699Montiel M.A., Ruiz S.E. Influence of structural capacity uncertainty on seismic reliability of buildings under narrow-band motions // Earthquake Engineering & Structural Dynamics. 2007. Vol. 36. Issue 13. Pp. 1915–1934. DOI: 10.1002/eqe.711Montiel M.A., Ruiz S.E. Influence of structural capacity uncertainty on seismic reliability of buildings under narrow-band motions. Earthquake Engineering & Structural Dynamics. 2007; 36(13):1915-1934. DOI: 10.1002/eqe.711Lu D.-G., Song P.-Y., Yu X.-H., Wang G.-Y. Global seismic reliability analysis of building structures based on system-level limit states // The 14th World Conference on Earthquake Engineering. 2008.Lu D.-G., Song P.-Y., Yu X.-H., Wang G.-Y. Global seismic reliability analysis of building structures based on system-level limit states. The 14th World Conference on Earthquake Engineering. 2008Hofer L., Toska K., Zanini M.A. Impact of epistemic and aleatory uncertainties on the seismic reliability assessment of existing structures // Structures. 2023. Vol. 57. P. 105235. DOI: 10.1016/j.istruc.2023.105235Hofer L., Toska K., Zanini M.A. Impact of epistemic and aleatory uncertainties on the seismic reliability assessment of existing structures. Structures. 2023; 57:105235. DOI: 10.1016/j.istruc.2023.105235Abdulaziz 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.2023.03.186Messaoudi 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-yGuellil 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-2020-0007Guellil 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.2017.12.2.153Синицын 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, 2015. 555 с.Khachiyan E.E. Seismic impacts and prediction of the behavior of structures. Yerevan, Gitutyun, 2015; 555. (rus.).Пшеничкина 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.).

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