Влияние соотношения жесткостей здания и многослойного грунтового основания на сейсмический отклик системы

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. 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. 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. 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.

1. Бирбрайер А.Н. Расчет конструкций на сейсмостойкость. СПб. : Наука, 1998. 255 с.

2. Тяпин А.Г. Учет взаимодействия сооружений с основанием при расчетах на сейсмические воздействия. М. : АСВ, 2014. 135 с.

3. 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.2018010103

4. Guellil 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.2017.12.2.153

5. Guellil 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_43

6. Guellil 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-2020-0007

7. Brandis 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/buildings12112014

8. Bapir 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.2023.1120351

9. Mylonakis G., Gazetas G. Seismic soil-structure interaction: beneficial or detrimental // Journal of Earthquake Engineering. 2000. Vol. 4. Issue 3. Pp. 277–301. DOI: 10.1080/13632460009350372

10. Brahma 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.1409304

11. Requena-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.2022.02.024

12. Алешин 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.

13. 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_19

14. Berkane 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-y

15. Синицын А.П., Медведева Е.С., Хачиян Э.Е. и др. Волновые процессы в конструкциях зданий при сейсмических воздействиях. М. : Наука, 1987. 159 с.

16. Хачиян Э.Е. Сейсмические воздействия и прогноз поведения сооружений. Ереван : Гитутюн НАН РА, 2015. 555 с.

17. 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-z

18. 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.

19. 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.

20. Артоболевский И.И., Боголюбов А.Н., Болотин В.В. и др. Колебания линейных систем // Вибрации в технике : справочник. 1978. 352 c.

21. 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.

22. 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.

23. 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.2023.03.186