Utvärdering av seismiskt beteende och kollapskapacitet för dubbla armerade betongram–skivväggsstrukturer med beaktande av mark–struktur-interaktion under varierande markförhållanden

Varför marken under byggnader spelar roll

När vi föreställer oss jordbävningsresistenta byggnader fokuserar vi ofta på styrkan hos pelare, balkar och väggar. Men en avgörande del av bilden ligger utom synhåll, i marken och grundläggningen som bär upp konstruktionen. Denna studie ställer en till synes enkel fråga med stora säkerhetskonsekvenser: hur mycket förändrar markens flexibilitet självt hur armerade betongbyggnader beter sig vid starka jordbävningar, och kan nuvarande konstruktionsregler underskatta kollapsrisken—särskilt på mjuk mark?

Hur moderna betongbyggnader står emot skakningar

Många medel- och höghus i betong använder ett så kallat dubbelt system för att motstå jordbävningar. Vertikala betongväggar, kallade skivväggar, samarbetar med omgivande ramar av balkar och pelare. De styva väggarna tar upp det mesta av sidobelastningen, medan ramarna ger reservstyrka och hjälper till att kontrollera skadorna. Byggregler antar vanligtvis att konstruktionens botten är fixerad mot marken, det vill säga att grundläggningen varken tippar eller glider. I verkligheten rör sig dock struktur, grund och mark tillsammans och deformeras ömsesidigt, särskilt på mjukare mark. Denna mark–grund–struktur-interaktion kan förlänga byggnadens naturliga period, förändra hur krafter fördelas genom ram och väggar och ändra var skador koncentreras under en jordbävning.

Att pröva byggnader och mark

Forskarna skapade detaljerade datormodeller av tre armerade betongbyggnader—5, 10 och 15 våningar—dimensionerade enligt nuvarande amerikanska föreskrifter för två vanliga marktyper: en styvare jord (Typ C) och en mjukare (Typ D). För varje höjd och mark jämförde de en idealiserad fixerad botten med en mer realistisk flexibel botten där fundament kunde tippa och sätta sig på fjädrar som representerar markens beteende. Därefter körde de tusentals simuleringar med verkliga jordbävningsregistreringar, inklusive dimensionerande händelser och mycket kraftigare skakningar. Dessa simuleringar fångade inte bara de totala förskjutningarna (hur mycket varje våningsplan svänger) utan också ”plastiska gångjärn”—zoner där balkar och pelare ger vika och ackumulerar bestående skador—och i slutändan om byggnaden förväntades kollapsa.

Vad som händer på mjuk respektive styv mark

Resultaten visar att flexibla grundläggningar både kan förlänga och äventyra byggnader, med starkast effekter för kortare konstruktioner och mjuk jord. Att tillåta byggnaden att tippa förlängde dess vibrationsperiod och minskade toppkrafterna i botten, men ökade samtidigt våningsförskjutningarna och balkskadorna. På den mjukare marken ökade de relativa våningsförskjutningarna i 5‑våningsmodellen med upp till 100 procent jämfört med den fixerade basen; även 10‑ respektive 15‑våningsversionerna på mjuk mark såg förskjutningsökningar med cirka 58 respektive 18 procent. När marken blev mjukare bar skivväggarna en mindre andel av sidobelastningen, vilket överförde mer last till de omgivande ramarna. Denna omfördelning orsakade större vridningar i balkändarna—upp till 65 procent högre på mjuk mark och 36 procent högre på styvare mark—särskilt i de lägsta våningarna och i de yttre facken där skador tenderar att initiera kollaps.

Från ökad svängning till högre kollapsrisk

För att gå bortom enstaka simuleringar använde teamet en metod kallad inkrementell dynamisk analys för att bygga sårbarhetskurvor—statistiska samband mellan markskakningsintensitet och kollapsprobabilitet. Dessa kurvor visade att flexibla bottnar konsekvent ökade sannolikheten för kollaps, särskilt på mjuk mark. För byggnader på den mjukare marken krympte marginalen mellan dimensionerande skakning och kollaps med upp till 35 procent när markens flexibilitet inkluderades. Vid maximalt beaktad jordbävningsnivå steg kollapschansen för konstruktioner på mjuk mark in i intervallet 9–12 procent, jämfört med bara några procent när grundantagandet var perfekt fixerat. Noterbart är att för höga byggnader verkade den extra tipprörelsen måttlig vid dimensionerande skakning, men vid mycket höga intensiteter förstärkte den sidoförskjutningarna och så kallade P–Delta‑effekter, där lutande tyngdkrafter ytterligare destabliserar konstruktionen.

Vad detta betyder för säkrare städer

För icke‑specialister är huvudbudskapet att markens ”eftergivelser” tyst kan urholka säkerhetsmarginalen i moderna betongbyggnader, särskilt i dubbla vägg–ram‑system på mjuk mark. Konstruktioner som verkar robust när grunden behandlas som styv kan i verkligheten ligga närmare kollaps om marken tillåter betydande tippning och sättning. Författarna drar slutsatsen att byggregler och ingenjörspraxis bör ta explicita hänsyn till mark–grund–struktur‑interaktion, snarare än att anta att den alltid är fördelaktig. Det skulle ge mer pålitliga uppskattningar av jordbävningslastningar och en mer konsekvent säkerhet mellan olika platser, och hjälpa till att säkerställa att byggnader på mjuk mark inte drabbas av en dold nackdel när nästa stora jordbävning inträffar.

Citering: 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

Nyckelord: mark–struktur-interaktion, jordbävningsteknik, armerade betongbyggnader, seismisk kollapsrisk, effekter av mjuk mark