Оценка сейсмического поведения и способности к коллапсу двухсистемных ЖБ-рамно‑панельных конструкций с учётом взаимодействия грунт‑фундамент‑сооружение при разных условиях грунта

Почему значение имеет грунт под зданиями

Когда мы представляем себе сейсмостойкие здания, обычно внимание привлекают прочность колонн, балок и стен. Однако важная часть картины скрыта от глаз — в грунте и фундаментах, поддерживающих конструкцию. В этом исследовании ставится, казалось бы, простой, но критически важный вопрос: насколько гибкость самого основания влияет на поведение железобетонных зданий в сильных землетрясениях и не занижают ли современные правила проектирования риск обрушения — особенно на мягких грунтах?

Как современные бетонные здания противостоят толчкам

Многие средне- и высотные железобетонные здания используют «двойную» систему для сопротивления землетрясениям. Вертикальные бетонные стены — распорные (сдвиговые) стены — работают совместно с окружающей рамой из балок и колонн. Жёсткие стены воспринимают основную часть боковой нагрузки, тогда как рамы обеспечивают резервную прочность и помогают контролировать повреждения. Строительные нормы обычно предполагают, что основание конструкции жёстко закреплено в грунте, то есть фундамент не качается и не сдвигается. На практике, особенно на более мягких грунтах, сооружение, фундамент и грунт движутся и деформируются совместно. Такое взаимодействие грунта‑фундамента‑сооружения может удлинять собственный период колебаний здания, изменять путь передачи усилий через раму и стены и смещать зоны концентрации повреждений во время землетрясения.

Испытание зданий и грунтов

Исследователи создали подробные компьютерные модели трёх железобетонных зданий высотой 5, 10 и 15 этажей, спроектированных в соответствии с действующими нормами США для двух распространённых типов площадок: более жёсткого грунта (Тип C) и более мягкого (Тип D). Для каждой высоты и типа грунта они сравнили идеализированный вариант с жёстким основанием с более реалистичной моделью с гибким основанием, где фундаменты могли качаться и оседать на пружинах, моделирующих поведение грунта. Затем были выполнены тысячи прогонов с реальными записью землетрясений, включая проектные уровни и гораздо более сильные толчки. Эти моделирования учитывали не только общие относительные смещения этажей (насколько каждый этаж отклоняется), но и «пластические шарниры» — зоны, где балки и колонны пластически деформируются и накапливают остаточные повреждения — и, в конечном счёте, оценивали вероятность обрушения здания.

Что происходит на мягком и жёстком грунте

Результаты показывают, что гибкие фундаменты одновременно могут смягчать и подвергать опасности сооружения, причём наибольшие эффекты проявляются у более низких зданий и на мягком грунте. Возможность раскачивания здания увеличивала его период колебаний и снижала пик опорных сил, но при этом повышала относительные смещения этажей и повреждаемость балок. На мягком грунте межэтажные дестабизации в 5‑этажной модели возросли до 100 процентов по сравнению со случаем с жёстким основанием; даже 10‑ и 15‑этажные варианты на мягком грунте показали увеличение смещений примерно на 58 и 18 процентов соответственно. По мере смягчения грунта распорные стены несли меньшую долю боковых усилий, перераспределяя нагрузку на окружающие рамы. Это перераспределение вызывало большие угловые повороты на концах балок — до 65 процентов больше на мягком грунте и до 36 процентов — на более жёстком грунте — особенно в нижних этажах и в крайних прогонах, где повреждения чаще всего инициируют обрушение.

От увеличенного качания к повышенному риску обрушения

Чтобы выйти за рамки отдельных прогонов, команда использовала метод инкрементального динамического анализа для построения кривых уязвимости — статистических зависимостей между интенсивностью грунтового возбуждения и вероятностью обрушения. Эти кривые показали, что гибкие основания последовательно увеличивают вероятность коллапса, особенно на мягком грунте. Для зданий на мягком основании запас между проектной интенсивностью и обрушением сократился до 35 процентов при учёте гибкости грунта. При максимально рассматриваемых уровнях землетрясения вероятность обрушения сооружений на мягком грунте выросла до диапазона 9–12 процентов, по сравнению с лишь несколькими процентами при предположении идеально жёстких фундаментов. Примечательно, что для высоких зданий дополнительное раскачивание было умеренным на проектном уровне возбуждения, но при очень больших интенсивностях оно усиливало боковые смещения и так называемые эффекты P–Delta, при которых наклонные силы тяжести ещё сильнее дестабилизируют конструкцию.

Что это означает для безопасности городов

Для неспециалистов ключевая мысль такова: «пружинистость» грунта может незаметно подрывать запас прочности, заложенный в современных железобетонных зданиях, особенно в системах с двойной стеной‑рамой на мягких грунтах. Проекты, выглядящие надёжными при предположении о жёстких фундаментах, на деле могут находиться ближе к коллапсу, если грунт допускает значительное раскачивание и осадку. Авторы делают вывод, что строительные нормы и инженерная практика должны более явно учитывать взаимодействие грунт‑фундамент‑сооружение, а не полагать, что оно всегда приносит пользу. Такой подход даст более надёжные оценки сейсмических нагрузок и обеспечит более равномерный уровень безопасности на разных участках, помогая предотвратить скрытое невыгодное положение зданий на мягком грунте при следующем крупном землетрясении.

Цитирование: 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

Ключевые слова: взаимодействие грунт‑сооружение, сейсмическое строительство, железобетонные здания, риск сейсмического коллапса, влияние мягких грунтов