Саиян Сергей Гургенович, научный сотрудник, ст. преподаватель, Московский государственный строительный университет; мл. научный сотрудник, Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук
129337, г. Москва, Ярославское шоссе, 26
119526, г. Москва, пр. Вернадского, 101, корп. 1
Sergey G. Saiyan, Research Scientist, Senior Lecturer, National Research Moscow State University of Civil Engineering; Ishlinsky Institute for Problems in Mechanics of the Russian Academy of Sciences
26, Yaroslavskoe Road, 129337, Moscow
101-1, Vernadsky Ave., 119526, Moscow
Актуальность. Поверхностные волны Рэлея играют значительную роль в сейсмическом воздействии на протяженные и высотные сооружения, вызывая существенные инерционные эффекты и внутренние усилия. Однако современные подходы к моделированию сейсмостойкости зданий часто не учитывают волновую природу распространения поверхностных волн, что может приводить к недооценке динамического отклика конструкций. Актуальным является разработка инженерных методов, позволяющих корректно воспроизводить пространственно-временную структуру поля рэлеевских волн в расчетных моделях.
Цель. Разработать и теоретически обосновать концепцию замены поля перемещений приходящей поверхностной рэлеевской волны эквивалентным несинхронным многоточечным (многоопорным) кинематическим воздействием на опоры здания. Цель включает формализацию постановки задачи, вывод управляющих параметров и создание алгоритма для практической реализации в стандартных программных комплексах.
Материалы и методы. В основе исследования лежит решение уравнений Навье для линейно-упругого изотропного полупространства. Используется свойство чистого временного сдвига поля рэлеевской волны на свободной поверхности. Вводится безразмерный параметр несинхронности, связывающий геометрические характеристики здания, фазовую скорость волны и направление ее прихода. Для оценки границ применимости подхода проводится анализ погрешности плосковолнового приближения и влияния кривизны волнового фронта.
Результаты. Предложена и строго обоснована инженерная постановка, позволяющая заменить непрерывное поле поверхностной волны Рэлея набором кинематических воздействий на опоры сооружения с детерминированными временными сдвигами. Ключевым результатом является введение параметра несинхронности, который служит критерием для различения синхронного и существенно несинхронного воздействия. Получена верхняя оценка влияния кривизны волнового фронта, определяющая границы применимости эквивалентной замены. Разработанный подход обеспечивает корректный учет направления прихода волны и габаритов здания, а также вычислительную эффективность за счет генерации воздействий на все опоры на основе одной базовой записи.
Rayleigh surface waves play a significant role in the seismic impact on extended and high-rise buildings, inducing substantial inertial effects and internal forces. However, modern approaches to modeling the seismic performance of buildings often neglect the wave nature of the surface-wave propagation, which may lead to underestimation of the dynamic response of structures. Therefore, it is relevant to develop engineering methods that can correctly reproduce the spatiotemporal structure of the Rayleigh-wave field in computational models.
Purpose: The aim is to develop and theoretically substantiate the concept of replacing the displacement field of incoming Rayleigh surface wave with an equivalent asynchronous multipoint (multi-support) kinematic excitation applied to the building supports. Measurement of the main parameters and design of algorithm for practical implementation in standard software.
Methodology: The study is based on solving Navier equations for a linear-elastic isotropic half-space. The pure temporal-shift property of the Rayleigh-wave field is utilized for the free surface. A dimensionless asynchrony parameter is introduced, relating the building geometry, the wave phase velocity, and the dire of the wave incidence. The applicability of this approach is evaluated as well as the error of the plane-wave approximation, and the influence of wavefront curvature are analyzed.
Research findings: An engineering formulation is proposed and rigorously justified that allows to replace the continuous Rayleigh surface-wave field by a set of kinematic excitations at the building supports with deterministic time shifts. The key result is the introduction of the asynchrony parameter, which serves as a criterion for distinguishing between the synchronous and substantially asynchronous excitation. An upper bound for the influence of wavefront curvature is obtained, defining the applicability limits of the equivalent replacement.
Practical implication: The developed approach provides a correct account for the wave incidence direction and building dimensions, as well as the computational efficiency by generating excitations at all supports from a single baseline record.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.