Ocena zachowania sejsmicznego i zdolności do zawalenia się konstrukcji mieszanych: żelbetowe ramy i ściany szczelinowe z uwzględnieniem interakcji grunt–konstrukcja przy różnych warunkach gruntowych

Dlaczego grunt pod budynkami ma znaczenie

Kiedy wyobrażamy sobie budynki odporne na trzęsienia ziemi, często skupiamy się na wytrzymałości słupów, belek i ścian. Jednak kluczowa część tej historii leży poza zasięgiem wzroku — w gruncie i fundamentach podtrzymujących konstrukcję. Badanie stawia pozornie proste, lecz o dużych konsekwencjach dla bezpieczeństwa pytanie: w jakim stopniu elastyczność samego gruntu zmienia zachowanie budynków żelbetowych podczas silnych trzęsień ziemi i czy obowiązujące zasady projektowe mogą nie doceniać ryzyka zawalenia — zwłaszcza na gruntach miękkich?

Jak nowoczesne budynki żelbetowe reagują na drgania

Wiele średnio- i wysoko-piętrowych budynków żelbetowych stosuje tzw. system „dualny” do przeciwdziałania trzęsieniom. Pionowe ściany żelbetowe, zwane ścianami szczelinowymi, współpracują z otaczającymi ramami z belek i słupów. Sztywne ściany przenoszą większość bocznych wstrząsów, podczas gdy ramy zapewniają zapasnośd nośności i kontrolę uszkodzeń. Normy budowlane zazwyczaj zakładają, że podstawa konstrukcji jest zespolona z gruntem, czyli fundament nie podlega kołysaniu ani przesuwaniu. W rzeczywistości, szczególnie na gruntach bardziej podatnych, konstrukcja, fundament i grunt poruszają się i odkształcają wspólnie. Ta interakcja grunt–fundament–konstrukcja może wydłużyć okres drgań budynku, zmienić sposób przenoszenia sił przez ramy i ściany oraz przesunąć miejsca koncentracji uszkodzeń podczas trzęsienia ziemi.

Testowanie budynków i gruntów

Naukowcy zbudowali szczegółowe modele komputerowe trzech budynków żelbetowych — 5-, 10- i 15-piętrowych — zaprojektowanych zgodnie z obowiązującymi amerykańskimi przepisami dla dwóch typowych rodzajów gruntów: bardziej zwartego (Typ C) oraz miększego (Typ D). Dla każdego wariantu wysokości i gruntu porównano uproszczoną wersję z zakładanym sztywnym podłożem z bardziej realistyczną wersją z elastycznym podłożem, w której fundamenty mogły się kołysać i osiadać na sprężynach odwzorowujących zachowanie gruntu. Następnie wykonano tysiące symulacji z użyciem rzeczywistych zapisów trzęsień ziemi, obejmujących zdarzenia na poziomie projektowym i znacznie silniejsze wstrząsy. Symulacje uchwyciły nie tylko ogólne przemieszczenia (o ile każde piętro się wychyla), ale także „zawiasy plastyczne” — strefy, gdzie belki i słupy ulegają plastycznemu odkształceniu i kumulują trwałe uszkodzenia — oraz ostatecznie ocenę, czy można spodziewać się zawalenia się budynku.

Co się dzieje na gruncie miękkim a co na twardszym

Wyniki pokazują, że elastyczne fundamenty mogą zarówno zmiękczać, jak i zagrażać budynkom, z najsilniejszymi efektami w niższych konstrukcjach i na gruntach miękkich. Pozwolenie budynkowi na kołysanie wydłużało jego okres drgań i zmniejszało maksymalne siły przy podstawie, ale jednocześnie zwiększało przemieszczenia pięter i uszkodzenia belek. Na gruncie miękkim przemieszczenia międzykondygnacyjne w modelu 5-piętrowym wzrosły nawet do 100% w porównaniu z przypadkiem sztywnej podstawy; także wersje 10- i 15-piętrowe na gruncie miękkim odnotowały wzrosty przemieszczeń rzędu około 58% i 18%. W miarę jak grunt stawał się bardziej podatny, ściany szczelinowe przejmowały mniejszą część obciążeń bocznych, przenosząc więcej sił na otaczające ramy. Ta redystrybucja powodowała większe obroty na końcach belek — do 65% więcej na gruncie miękkim i 36% więcej na bardziej zwartym gruncie — szczególnie na najniższych kondygnacjach i w zewnętrznych przęsłach, gdzie uszkodzenia mają tendencję do inicjowania zawalenia.

Od większych wychyleń do wyższego ryzyka zawalenia

Aby wyjść poza pojedyncze symulacje, zespół zastosował metodę zwaną przyrostową analizą dynamiczną (incremental dynamic analysis), by zbudować krzywe kruchości — statystyczne zależności między intensywnością drgań gruntu a prawdopodobieństwem zawalenia. Krzywe te wykazały, że elastyczne podstawy konsekwentnie zwiększały prawdopodobieństwo zawalenia, szczególnie na gruntach miękkich. Dla budynków na miększym gruncie margines między drganiami na poziomie projektowym a zawaleniem zmniejszył się nawet o 35% po uwzględnieniu podatności gruntu. Przy maksymalnych rozważanych poziomach trzęsień prawdopodobieństwo zawalenia konstrukcji na gruncie miękkim wzrosło do zakresu 9–12%, w porównaniu z zaledwie kilkoma procentami przy założeniu idealnie sztywnych fundamentów. Co istotne, dla wysokich budynków dodatkowe kołysanie wydawało się umiarkowane przy drganiach na poziomie projektowym, ale przy bardzo dużych natężeniach zwiększało boczne przemieszczenia i tzw. efekty P–Delta, w których pochylające się obciążenia grawitacyjne dodatkowo destabilizują konstrukcję.

Co to oznacza dla bezpieczniejszych miast

Dla osób niezajmujących się zawodowo tematem kluczowy wniosek jest taki, że „ustępstwo” gruntu może cicho nadgryzać margines bezpieczeństwa przyjęty w nowoczesnych budynkach żelbetowych, zwłaszcza w systemach ściana–rama na gruntach miękkich. Projekty, które wydają się solidne przy założeniu, że fundamenty są sztywne, w praktyce mogą być bliżej zawalenia, jeśli grunt dopuszcza znaczące kołysanie i osiadanie. Autorzy wnioskują, że normy budowlane i praktyka inżynierska powinny bardziej wyraźnie uwzględniać interakcję grunt–fundament–konstrukcja, zamiast przyjmować, że jest ona zawsze korzystna. Takie podejście pozwoliłoby uzyskać bardziej wiarygodne oszacowania obciążeń sejsmicznych i bardziej spójne bezpieczeństwo na różnych terenach, pomagając upewnić się, że budynki na gruntach miękkich nie mają ukrytej niekorzyści, gdy nastąpi kolejne duże trzęsienie ziemi.

Cytowanie: Yousefi, A., Tehrani, P. Evaluation of seismic behavior and collapse capacity of dual RC frame–shear wall structures considering soil-structure interaction under varying soil conditions. Sci Rep 16, 6211 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36577-0

Słowa kluczowe: interakcja grunt–konstrukcja, inżynieria sejsmiczna, budynki żelbetowe, ryzyko zawalenia się przy trzęsieniu ziemi, wpływ miękkiego gruntu