Вероятностная оценка сейсмической нагрузки специальных фермовых моментных каркасов с панелями Вирендиеля при геометрических изменениях

Почему землетрясения важны для зданий с большими пролетами

Современные торговые центры, аэропорты и парковки часто требуют очень широких открытых пространств без множества внутренних колонн. Такая планировка удобна для людей и оборудования, но может представлять риск при сильных землетрясениях. В этом исследовании рассматривается особый тип стального каркаса, использующий фермы и целенаправленно ослабленные зоны, чтобы повреждения при колебаниях концентрировались в безопасных, заменяемых областях вместо критических колонн. Работа показывает, как простые геометрические решения в таких каркасах могут сделать широкие помещения более сейсмостойкими и упростить их предварительную оценку.

Как работают эти специальные стальные каркасы

Вместо сплошных балок в изучаемых зданиях применяются ферменные балки, которые лёгкие, прочные и естественным образом оставляют место для воздуховодов и труб. В середине каждой фермы, где вертикальные нагрузки меньше, некоторые диагональные стержни удаляются, образуя прямоугольный проём, известный как панель Вирендиеля. Эта центральная зона, называемая специальным сегментом, намеренно делается слабее, чтобы она сначала изгибалась и текла при землетрясении. Остальная часть каркаса, особенно колонны, остаётся прочной и преимущественно упругой, так что общая конструкция сохраняет устойчивость даже при значительных деформациях специального сегмента.

Что тестировали исследователи

Команда рассмотрела 27 различных конфигураций каркаса, все с тремя смежными пролетами, но с тремя, шестью или девятью этажами, пролётами 10, 15 или 20 метров и тремя длинами специального сегмента. С помощью продвинутых компьютерных моделей они подвергли каждый каркас 22 реальным записям сильных землетрясений, постепенно увеличивая их интенсивность. Эта техника, называемая инкрементальным динамическим анализом, отслеживает, как растут смещения этажей по мере усиления колебаний, и определяет момент, когда каркас перестаёт отвечать устойчиво. На основе этих результатов исследователи построили статистические модели, связывающие интенсивность землетрясения и смещение здания с простыми мерами формы здания, такими как отношение общей высоты к длине пролёта и отношение длины специального сегмента к пролёту.

Преобразование сложного поведения в простые правила

Поскольку землетрясения и реакция конструкций неопределенны, в исследовании используется вероятностный подход, который рассматривает ключевые величины как диапазоны, а не единичные числа. Для каждой геометрии команда вывела математическую зависимость, связывающую интенсивность колебаний с максимальным боковым смещением, которое испытывает здание до обрушения, и затем оценили разброс значений вокруг этой линии. Они применили байесовскую статистику для извлечения этих зависимостей из относительно ограниченного объёма данных и затем свели результаты к формулам прогнозирования, которые зависят только от двух основных геометрических соотношений. Эти формулы воспроизводят детализированные результаты моделирования с умеренной погрешностью и позволяют оценивать ожидаемые требования по смещениям и уровень смещения при обрушении без повторного выполнения полных симуляций.

Оценка риска обрушения

Исследователи также построили так называемые кривые хрупкости, которые показывают вероятность обрушения каркаса при различных уровнях сейсмической нагрузки. Для примера города Боджнорд в Иране они объединили эти кривые с местной сейсмической опасностью, чтобы оценить, насколько вероятно для каждого каркаса превышение определённых уровней смещения за 50-летний период. Они обнаружили, что более высокие, тонкие каркасы обычно достигают состояния обрушения при меньшей интенсивности колебаний, чем их более низкие, плотные аналоги. Каркасы со специальными сегментами меньшей длины относительно пролёта не только испытывают меньшие смещения перед обрушением, но и демонстрируют более высокие медианные значения несущей способности при обрушении, то есть способны выдерживать более сильные колебания до потери устойчивости.

Что могут вынести строители и планировщики

Главный вывод исследования — что несколько ясных геометрических решений сильнее всего определяют поведение этих длинно-пролетных стальных каркасов при землетрясениях. Сокращение высоты здания относительно пролёта и ограничение длины ослабленного специального сегмента одновременно уменьшают типичные сейсмические смещения и повышают уровень колебаний, при котором ожидается обрушение. Разработанные уравнения прогнозирования позволяют инженерам быстро оценивать смещения, склонность к обрушению и кривые хрупкости для каркасов в пределах изученного диапазона, предоставляя практический инструмент для раннего проектирования и предварительного отбора вариантов перед более детальным анализом. Для широкой публики это означает, что при продуманной пропорции и целенаправленных слабых зонах широкие открытые здания можно спроектировать так, чтобы они качались и прогибались при крупных землетрясениях, не разрушаясь.

Цитирование: Yahyaabadi, A., Gholami, M. & Garivani, S. Probabilistic seismic demand assessment of special truss moment frames with Vierendeel panels under geometric variations. Sci Rep 16, 14570 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42239-y

Ключевые слова: сейсмостроение, стальные конструкции, ферменные моментные каркасы, сейсмический риск, смещение этажей