Влияние взаимодействия грунт‑конструкция и параметров сейсмических колебаний на сейсмическую уязвимость железобетонных зданий

Когда земля и здание двигаются вместе

Землетрясения не только трясут здания; они встряхивают и грунт, который их поддерживает. В этом исследовании рассматривается, что происходит, когда грунт под пятиэтажным железобетонным зданием может перемещаться и деформироваться во время землетрясения, вместо того чтобы считаться абсолютно жестким основанием. Изучая, как разные типы грунта и различные виды колебаний меняют поведение здания при раскачивании и образовании трещин, работа помогает объяснить, почему одни конструкции значительно более подвержены риску, чем другие, даже если они спроектированы по тем же правилам.

Скрытая роль грунта под нами

Во многих расчетах зданий тихо предполагают, что фундамент опирается на почти неподвижную породу. Такое упрощение может быть приемлемо на очень твердом основании, но оно теряет смысл на мягких слоях песка и глины, которые распространены в городах по всему миру. В таких условиях здание и грунт ведут себя как взаимосвязанная система: когда конструкция раскачивается, она воздействует на грунт; грунт деформируется и отвечает обратной реакцией. Это взаимодействие грунт–конструкция может удлинить собственный период колебаний здания и изменить величину его бокового смещения во время землетрясения.

Виртуальное здание на слоях песка и глины

Авторы создали детализированную трехмерную компьютерную модель типовой пятиэтажной железобетонной рамы на мелкозаглубленных фундаментах. Профиль грунта под ней был разделен на верхний слой плотного песка и нижний, более толстый слой мягкой глины над породой примерно на глубине 50 метров. Были использованы сложные модели грунта: плотный песок мог адекватно упрочняться или разупрочняться при малых деформациях, в то время как глина описывалась более простым критерием прочности. Модель сначала проверили на известных испытаниях фундаментов и балок, чтобы убедиться, что она воспроизводит реалистичные осадки, изгибы и несущую способность грунта, прежде чем применять сейсмические воздействия.

Как меняются сейсмические колебания в зависимости от грунта и удаления от разлома

Чтобы исследовать сейсмическое поведение, исследователи прогнали через систему «грунт–здание» сотни имитаций землетрясений. Они выбрали реальные записи землетрясений, сделанные как далеко от разломов, так и в непосредственной близости от них. Дальние (far‑field) события обычно дают более долгие, закругленные колебания, тогда как ближние (near‑fault) могут генерировать резкие импульсы, которые сильно толкают здание в одном направлении. Все сигналы постепенно масштабировались по амплитуде, и для каждого случая модель отслеживала, насколько смещается вбок каждый этаж — прямой показатель возможных трещин и повреждений.

Больше гибкости — больше смещений — больший риск повреждений

Когда грунт под зданием мог деформироваться, вся система становилась более гибкой, и её собственный период удлинялся, особенно при наличии мягкой глины. Эта дополнительная гибкость приводила к большим боковым смещениям и относительным смещениям между этажами по сравнению с идеализированным случаем «жесткой основы». Под вертикальными нагрузками система «грунт–здание» давала осадки примерно в три раза большие, чем модель с жестким основанием. Под сейсмической нагрузкой боковые смещения в взаимодействующей системе вырастали в 5–7 раз по сравнению с жесткой основой, а наиболее сильное усиление наблюдалось при сочетании мягкой глины и гибких фундаментов. При переводе этих смещений в так называемые кривые хрупкости — показывающие вероятность достижения сооружением незначительных, умеренных, сильных или полного повреждений при данном уровне возбуждения — исследователи выявили четкую закономерность: сочетание мягкого грунта, гибкости фундамента и импульсных колебаний вблизи разлома приводило к наступлению тяжелых повреждений при меньшей интенсивности толчков, чем в других сценариях.

Что это значит для безопасности городов

Для землетрясения уровня проектного воздействия моделируемое здание почти вдвое чаще оказывалось полностью разрушено, когда присутствовали и взаимодействие грунт–конструкция, и ближнефазные импульсы, по сравнению с аналогичным зданием на жестком основании, подверженным дальним сейсмическим воздействиям. Проще говоря, грунт — это не просто пассивная платформа; он активно формирует поведение здания и определяет, как скоро оно может потерпеть разрушение. Исследование показывает, что реалистичное описание поведения грунта и локальные характеристики землетрясений должны быть учтены в современной сейсмостойкой практике и оценках риска, особенно для среднеэтажных железобетонных зданий на мягких грунтах вблизи активных разломов.

Цитирование: Debnath, P., Das, T. & Choudhury, D. Influence of soil-structure interaction and ground motion parameters on the seismic vulnerability of RC buildings. Sci Rep 16, 9400 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37898-w

Ключевые слова: взаимодействие грунт‑конструкция, сейсмическая уязвимость, железобетонные здания, землетрясения вблизи разлома, кривые хрупкости