Influence of the stiffness ratio of the building and the multilayer soil foundation on the seismic response of the system

Abstract

Introduction. Currently, in engineering practice, a model of a die lying on an elastic homogeneous base is used to evaluate the joint dynamic operation of buildings with a soil base. The presence of layers with sharply different stiffness, as well as the order of their location in the soil column, leads to significant changes in the spectrum of resonant frequencies and the magnitude of the dynamic response. Therefore, it is important to take into account the inhomogeneity and layered structure of the soil foundation for a correct assessment of resonance processes arising from joint vibrations of the structure and the foundation. The purpose of the study is to analyze the reaction of the “structure – multilayer base” system depending on the ratios of their stiffness, as well as to compare the results obtained by modelling a multilayer and equivalent homogeneous base.Materials and methods. A computational model of a horizontal layered medium is used. The structure as an element of a layered system with reduced stiffness characteristics. The seismic load in the form of a vertical propagating shear wave is modeled by a stationary random process. The amplitude-frequency characteristics of the system as a whole, as well as for each individual layer, spectral output densities and dynamic coefficients are used for analysis.Results. It was found that with a decrease in the rigidity of the building, its contribution to the overall amplitude-frequency response of the system increases. A numerical assessment of the change in the dynamism coefficient with changes in the system parameters has been performed. A comparison was made of the response of a structure on a multilayer base with a response on a single base with equivalent characteristics.Conclusions. The simplified representation of the soil as homogeneous, without taking into account its layered structure, reduces the value of the dynamism coefficient to 30 %. The resonant frequencies of the “building – hard layer – weak layer” system are mainly determined by the resonant frequencies of the weak lower layer, especially with an increase in the rigidity of buildings. A similar pattern is characteristic for a homogeneous base. In the “building – weak layer – hard layer” system, the resonant frequencies depend on the frequencies of the base layers, as well as on the natural frequencies of the building.

About the authors

V. A. Pshenichkina

Volgograd State Technical University (VSTU)

Email: vap_hm@list.ru
ORCID iD: 0000-0001-9148-2815

S. Yu. Ivanov

Volgograd State Technical University (VSTU)

Email: stassuz-1-14@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-4770-8754

S. S. Rekunov

Volgograd State Technical University (VSTU)

Email: rekunoff@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9360-8239

A. A. Churakov

Volgograd State Technical University (VSTU)

Email: alexei.churakov@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-0810-8177

References

  1. Бирбрайер А.Н. Расчет конструкций на сейсмостойкость. СПб. : Наука, 1998. 255 с.
  2. Тяпин А.Г. Учет взаимодействия сооружений с основанием при расчетах на сейсмические воздействия. М. : АСВ, 2014. 135 с.
  3. Harichane Z., Guellil M.E., Gadouri H. Benefits of probabilistic soil-foundation-structure interaction analysis // International Journal of Geotechnical Earthquake Engineering. 2018. Vol. 9. Issue 1. Pp. 42–64. doi: 10.4018/ijgee.2018010103
  4. Guellil M.E., Harichane Z., Berkane H.D., Sadouk A. Soil and structure uncertainty effects on the soil foundation structure dynamic response // Earthquakes and Structures. 2017. Vol. 12. Issue 2. Pp. 153–163. doi: 10.12989/eas.2017.12.2.153
  5. Guellil M.E., Harichane Z., Çelebi A. Comparison between non-linear and stochastic methods for dynamic SSI problems // Advances in Science, Technology & Innovation. 2019. Pp. 191–194. doi: 10.1007/978-3-030-01656-2_43
  6. Guellil M.E., Harichane Z., Çelebi E. Seismic codes based equivalent nonlinear and stochastic soil structure interaction analysis // Studia Geotechnica et Mechanica. 2020. Vol. 43. Issue 1. Pp. 1–14. doi: 10.2478/sgem-2020-0007
  7. Brandis A., Kraus I., Petrovcic S. Nonlinear static seismic analysis and its application to shallow founded buildings with soil-structure interaction // Buildings. 2022. Vol. 12. Issue 11. P. 2014. doi: 10.3390/buildings12112014
  8. Bapir B., Abrahamczyk L., Wichtmann T., Prada-Sarmiento L.F. Soil-structure interaction : а state-of-the-art review of modeling techniques and studies on seismic response of building structures // Frontiers in Built Environment. 2023. Vol. 9. doi: 10.3389/fbuil.2023.1120351
  9. Mylonakis G., Gazetas G. Seismic soil-structure interaction: beneficial or detrimental // Journal of Earthquake Engineering. 2000. Vol. 4. Issue 3. Pp. 277–301. doi: 10.1080/13632460009350372
  10. Brahma A., Beneldjouzi M., Hadid M., Remki M. Evaluation of the Seismic Response of Reinforced Concrete (RC) Buildings Considering Soil-Structure-Interaction Effects // The Eurasia Proceedings of Science Technology Engineering and Mathematics. 2023. Vol. 26. Pp. 49–59. doi: 10.55549/epstem.1409304
  11. Requena-Garcia-Cruz M.V., Bento R., Durand-Neyra P., Morales-Esteban A. Analysis of the soil structure-interaction effects on the seismic vulnerability of mid-rise RC buildings in Lisbon // Structures. 2022. Vol. 38. Pp. 599–617. doi: 10.1016/j.istruc.2022.02.024
  12. Алешин А.С. О достоинствах и недостатках классификации грунтов NEHRP // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. 2021. № 1. С. 10–31. doi: 10.37153/2618-9283-2021-1-10-31. EDN DQFZIY.
  13. Messaoudi A., Mezouar N., Hadid M., Laouami N. Effects of soil heterogeneities on its seismic responses // Lecture Notes in Civil Engineering. 2024. Pp. 221–232. doi: 10.1007/978-3-031-57357-6_19
  14. Berkane H.D., Harichane Z., Guellil M.E., Sadouki A. Investigation of Soil Layers Stochasticity Effects on the Spatially Varying Seismic Response Spectra // Indian Geotechnical Journal. 2019. Vol. 49. Issue 2. Pp. 151–160. doi: 10.1007/s40098-018-0301-y
  15. Синицын А.П., Медведева Е.С., Хачиян Э.Е. и др. Волновые процессы в конструкциях зданий при сейсмических воздействиях. М. : Наука, 1987. 159 с.
  16. Хачиян Э.Е. Сейсмические воздействия и прогноз поведения сооружений. Ереван : Гитутюн НАН РА, 2015. 555 с.
  17. Sadek M., Hussein M., Chehade F.H., Arab A. Influence of soil–structure interaction on the fundamental frequency of shear wall structures // Arabian Journal of Geosciences. 2020. Vol. 13. Issue 17. doi: 10.1007/s12517-020-05872-z
  18. Пшеничкина В.А., Рекунов С.С., Иванов С.Ю. Вероятностный анализ динамических характеристик системы «сооружение – слоистое основание» // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2024. № 8 (788). С. 32–43. doi: 10.32683/0536-1052-2024-788-8-32-43. EDN XZEYVI.
  19. Пшеничкина В.А., Рекунов С.С., Иванов С.Ю., Жиденко А.С., Чанчан М., Хамиси С. Сравнительный анализ результатов расчета системы «здание – основание», представленной в виде слоистой модели // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: строительство и архитектура. 2023. № 1 (90). C. 43–53. EDN ELCFWD.
  20. Артоболевский И.И., Боголюбов А.Н., Болотин В.В. и др. Колебания линейных систем // Вибрации в технике : справочник. 1978. 352 c.
  21. Уздин А.М., Сандович Т.А., Аль-Насер-Мохомад Самих Амин. Основы теории сейсмостойкости и сейсмостойкого строительства зданий и сооружений. СПб. : Изд-во ВНИИГ, 1993. 175 с.
  22. Саргсян А.Е., Гукова Е.Г., Шапошников Н.Н. Динамическая механическая модель основания сооружения с учетом инерционных свойств грунтов // Вестник МГСУ. 2012. № 2. С. 66–69. EDN PDBTYH.
  23. Abdulaziz M.A., Hamood M.J., Fattah M.Y. A review study on seismic behavior of individual and adjacent structures considering the soil — Structure interaction // Structures. 2023. Vol. 52. Pp. 348–369. doi: 10.1016/j.istruc.2023.03.186

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».