Оценка сейсмического риска смещается к моделированию площадки и учету неопределенности

Современная оценка сейсмического риска все чаще выходит за рамки проверки соответствия минимальным нормативным требованиям. В расчетах учитывают локальные грунтовые условия, взаимодействие грунта и сооружения, возможное разжижение, сценарии восстановления инфраструктуры и неопределенность исходных данных. При этом одномерный анализ реакции площадки остается основным инструментом инженерной практики, несмотря на развитие трехмерного моделирования.

Об этом пишет профессор Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн Юсеф Хашаш, подводя итоги 13-й Национальной конференции по сейсмостойкому строительству в Портленде, передает RocScience.

От проверки по нормам — к оценке фактической работоспособности

В сейсмическом проектировании усиливается роль performance-based подходов, при которых оценивается не только выполнение нормативных требований, но и ожидаемое состояние сооружения после землетрясения.

Для отдельных объектов и инфраструктурных систем могут задаваться целевые показатели допустимых повреждений, сохранения работоспособности и сроков восстановления. Расчетные схемы при этом должны связывать сейсмическую опасность, реакцию грунтового основания, взаимодействие «грунт — сооружение» и поведение конструкций.

Отдельная задача — согласованный учет неопределенности на всех этапах такого анализа.

Принято выделять эпистемическую неопределенность, связанную с недостатком данных и несовершенством моделей, и алеаторную — обусловленную естественной изменчивостью землетрясений, грунтовых условий и реакции системы.

Для практических расчетов требуется выполнять большое количество реализаций с различными исходными параметрами, поэтому вычислительная эффективность становится существенным ограничением.

Локальные грунтовые условия остаются одним из ключевых факторов

Анализ реакции площадки необходим для оценки того, как геологическое строение и свойства грунтов изменяют параметры сейсмического воздействия.

При расчете приходится учитывать стратиграфию, нелинейное циклическое поведение грунтов, изменение жесткости и демпфирования, а в ряде случаев — образование избыточного порового давления и разжижение.

Полноценное трехмерное моделирование подобных процессов пока остается ресурсоемким. Его применение ограничивают как вычислительные затраты, так и дефицит детальных трехмерных инженерно-геологических моделей площадок.

По оценке Хашаша, 3D-анализ реакции грунтового массива будет в первую очередь развиваться для сложных геологических условий и дорогостоящих инфраструктурных объектов. Для большинства инженерных задач основной рабочей схемой пока остается одномерное моделирование.

В 1D-расчеты вводят двухкомпонентное сейсмическое воздействие

Одним из примеров развития таких инструментов стала новая версия RSSeismic v3, созданная на базе разработок DEEPSOIL.

В программе реализована одномерная конечно-элементная схема, позволяющая одновременно учитывать две горизонтальные компоненты сейсмического воздействия. В традиционных эквивалентно-линейных и нелинейных 1D-моделях с сосредоточенными массами такая возможность обычно отсутствует.

Для учета двух горизонтальных компонент ранее требовалось применять трехмерные конечно-элементные или конечно-разностные модели.

В RSSeismic v3 также заявлена трехмерная конститутивная модель грунта, учитывающая нелинейность при малых деформациях, немазинговое гистерезисное демпфирование, объемные деформации при сдвиге, накопление избыточного порового давления и фазовые превращения при разжижении.

Эта же модель может использоваться как основа для дальнейшего перехода к двух- и трехмерному анализу площадки и задачам сейсмического взаимодействия сооружения с грунтом.

Расчеты ориентируют на массовые серии моделей

Разработчики сохранили вычислительную эффективность, сопоставимую с традиционными нелинейными одномерными расчетами. За счет этого серии реализаций для оценки вариабельности исходных параметров могут выполняться на рабочих станциях без обязательного использования высокопроизводительных вычислительных комплексов.

В программный комплекс также включены инструменты подбора акселерограмм, автоматизации расчетов и пакетной обработки через Python.

Такая автоматизация важна для задач, где необходимо многократно пересчитывать модель при изменении параметров грунта, сейсмического воздействия или расчетных сценариев.

Разжижение требует более детальных моделей грунта

Отдельное направление связано с расчетом площадок, потенциально подверженных разжижению.

По данным автора, в новых рекомендациях NEHRP для проектирования зданий и сооружений предполагается требование учитывать в моделях фазовые превращения грунта, включая характерные дилатантные пики при циклическом нагружении.

Для этого обычных упрощенных моделей реакции площадки может быть недостаточно. Требуются модели, способные воспроизводить накопление порового давления и изменение объемного поведения грунта в ходе сейсмического воздействия.

Следующий этап — сквозные расчетные процессы

Одной из нерешенных проблем остается фрагментация инструментов сейсмического анализа. Расчет сейсмической опасности, моделирование площадки, взаимодействия грунта с сооружением и конструктивной реакции часто выполняются в разных программах с ручной передачей исходных данных и результатов.

Развитие автоматизации предполагает объединение этих этапов в более связный расчетный процесс, в котором сохраняются исходные допущения, параметры моделей и результаты отдельных итераций.

В качестве одного из возможных инструментов Хашаш также рассматривает применение ИИ-систем для подготовки моделей, запуска серий расчетов, проверки входных и выходных данных и определения случаев, когда требуется дополнительное моделирование.