Оценка надежности системы «сооружение – многослойное основание» с учетом жесткости, мощности и конфигурации слоев

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. 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. 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. 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.

1. Бирбрайер А.Н. Расчет конструкций на сейсмостойкость. СПб. : Наука, 1998. 253 с.

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

3. 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/s40098-024-00909-6

4. Болотин В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. М. : Машиностроение, 1984. 312 с.

5. Allin C.C. Seismic reliability analysis of structures // Earthquake Engineering & Structural Dynamics. 2007. Vol. 36. Issue 13. Pp. 1811–1812. DOI: 10.1002/eqe.732

6. Mackie 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.699

7. Montiel 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.711

8. 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. 2008.

9. Hofer 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.2023.105235

10. 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

11. 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

12. 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

13. 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

14. 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

15. 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

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

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

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.