Ny sensor kan ryste jordskælvets indsats

Sidste uges massive jordskælv i det sydlige Californien lukkede Ridgecrest Regional Hospital i hele ferieweekenden den 4. juli, mens den lille by Ridgecrest vurderede skaderne. En ny optisk sensor udviklet ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) kunne fremskynde den tid, det tager at evaluere, om kritiske bygninger som disse er sikre at besætte kort efter et større jordskælv.

Teknologien – som autonomt fanger og transmitterer data, der viser den relative forskydning mellem to tilstødende etager i en rystende bygning – er i stand til at give pålidelig information om bygningsskader umiddelbart efter et jordskælv, og kunne fremskynde indsatsen for sikkert at vurdere, reparation, og genbesætte bygninger efter jordskælvet.

Forskere og ingeniører ved Berkeley Lab, Lawrence Livermore National Laboratory, og University of Nevada-Reno begyndte at arbejde på at designe en optisk metode til måling af drift mellem etager i bygninger i 2015. Efter fire år med omfattende peer-reviewed forskning og simulative tests ved University of Nevadas Earthquake Engineering Laboratory, den diskrete diodepositionssensor (DDPS) vil blive installeret for første gang denne sommer i en bygning i flere etager på Berkeley Lab - som ligger ved siden af ​​Hayward Fault, betragtes som en af ​​de farligste fejl i USA.

"Indtil nu, der har ikke været nogen måde at nøjagtigt og direkte måle drift mellem bygningshistorier, som er en nøgleparameter til at vurdere efterspørgsel efter jordskælv i en bygning, " sagde David McCallen, en seniorforsker i Energy Geosciences Division ved Berkeley Lab og fakultetsmedlem ved University of Nevada, hvem leder forskningssamarbejdet.

Debuten af ​​DDPS kommer, da regeringer på alle niveauer gør bygningsinspektion og genbesættelse efter jordskælvet til et centralt fokus i indsatsplanlægningen, og efterhånden som den længe ventede næste generation af fjernforbindelse – 5G – bliver virkelighed for hurtig datatransmission. "Vi er glade for, at denne sensorteknologi nu er klar til feltforsøg, på et tidspunkt, hvor reaktionsstrategier efter jordskælvet har udviklet sig til at prioritere sikker, fortsat bygningsfunktionalitet og genbeboelse ud over 'livssikkerhed, '" sagde McCallen.

Optik gør en forskel i overvågningen af ​​seismisk strukturel sundhed

Måling af bygningsdrift mellem etager har været en faktor i vurderingen af ​​bygninger for skader efter jordskælvet i nogen tid, alligevel har det været fyldt med udfordringer at finde en pålidelig metode til at gøre det. Traditionelt, ingeniører monterede kraftige jordskælvsaccelerometre i udvalgte højder for at sikre data om frem og tilbage og side-til-side kraft påført en rystende bygning. Men at behandle accelerationsdataene fra disse instrumenter for at opnå bygningsdriftsforskydninger er meget udfordrende på grund af sensorernes frekvensbegrænsninger, især når bygninger har fået permanente forskydninger forbundet med skader. Endnu sværere er det at modtage data hurtigt nok til at informere beslutningstagning om kontinuitet i driften og passagersikkerhed. Ud over, fordi typisk bygningsaccelerometer-baseret instrumentering kan være ret dyr, systemer har en tendens til at være meget sparsomme med accelerometre på relativt få bygninger.

DDPS udnytter et lovende nyt alternativ til direkte måling af bygningsdrift mellem etager, der kombinerer laserstråler med optiske sensorer. Denne teknik er centreret omkring projicering af laserlys hen over en etagehøjde for at registrere den position, hvor lyset rammer en detektor placeret på den tilstødende bygningsgulv for direkte at måle strukturel drift. Værktøjet udviklet på Berkeley Lab er afhængig af at bruge en laserkilde og positionsfølsom detektor. Ved at gøre brug af en geometrisk række af små, billige lysfølsomme fotodioder, sensoren er i stand til øjeblikkeligt at spore positionen af ​​en indfaldende laserstråle.

"Tidligere generationer af DDPS var en del større end det system, vi nu er i stand til at implementere, " siger McCallen. "Baseret på designfremskridt og erfaringer, sensoren er en fjerdedel af størrelsen af ​​vores originale sensordesign, men har 92 dioder forskudt i et rektangulært array, så laserstrålen altid er på en eller flere dioder."

Indtil nu, DDPS har afholdt op til tre runder med streng eksperimentel rystebordstest.

"Den strenge test, som DDPS har gennemgået, indikerer, hvordan afdriftsforskydningerne målt på de tre testlejer sammenlignet med repræsentative drifter, der kunne opnås på en egentlig fuldskalabygning, der undergår kraftige rystelser fra et jordskælv, " sagde McCallen.

Hvorfor DDPS er smart for byer

Den mest folkerige by, der blev ramt af jordskælvene i det sydlige Californien tidligere på måneden, var selve Ridgecrest, en by på 29, 000, som sidder i epicentret af et jordskælv med en styrke på 7,1, som fandt sted den 5. juli. Selvom dette er et lille befolkningscenter, estimaterne for bygningsskader er stadig i intervallet $100 millioner.

Hvis et jordskælv af den størrelsesorden skulle ramme Los Angeles 150 miles syd for lille Ridgecrest, eller San Francisco, næsten 400 miles nord, bogstaveligt talt hundreder til tusinder af bygninger ville være på spil for skader. I det scenarie, evnen til at måle og vise nøgleafdriftsinformation umiddelbart efter et jordskælv ville give kritiske nye data til at træffe informerede beslutninger om bygningens beboelse – og give førstehjælpspersonale information til at hjælpe med at guide deres bestræbelser på at evakuere en bygning, og kommuner potentialet til at opretholde en funktionel brug af vigtige faciliteter såsom hospitaler.

Ud over, at forstå en bygnings afdriftsprofil ville muliggøre en hurtig bestemmelse af bygningsskadepotentiale, at lade bygningsinspektører vide, hvor de skal lede efter potentielle skader. Dette vil være en vigtig evne til at komme videre end tidskrævende og udfordrende manuelle inspektioner af hundredvis af bygninger efter det næste store jordskælv i byerne.

McCallen bemærkede, "De store jordskælv, der ramte i det sydlige Californien i den forløbne uge, tjener som en påmindelse om de risici, der er forbundet med seismisk aktivitet i mange regioner i USA. Disse begivenheder sætter et udråbstegn på behovet for fortsat samfundsmæssigt fokus på jordskælvsberedskab og modstandsdygtighed, herunder en evne til at levere sensorer og dataanalyse, der hurtigt kan måle infrastrukturens sundhed og informere den mest effektive reaktion efter det næste store jordskælv."