Nye simuleringer nedbryder den potentielle indvirkning af et større jordskælv ved at bygge placering og størrelse

Med en hidtil uset opløsning, forskere og ingeniører simulerer præcist, hvordan et jordskælv i stor størrelse langs Hayward-fejlen ville påvirke forskellige steder og bygninger på tværs af San Francisco Bay Area.

Et team fra Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og Lawrence Livermore National Laboratory, begge nationale laboratorier i det amerikanske energiministerium (DOE), udnytter kraftfulde supercomputere til at skildre virkningen af ​​højfrekvent jordbevægelse på tusinder af repræsentative bygninger i forskellige størrelser spredt ud over Californien-regionen.

Deres arbejde - en del af DOE's Exascale Computing Project - er vigtigt for at vise, hvordan forskellige seismiske bølgefrekvenser af jordbevægelse påvirker strukturer i forskellige størrelser. Lavere frekvens jordbevægelse er kendt for at påvirke større strukturer og er lettere at replikere ved computersimulering. Små strukturer som boliger er mere sårbare over for højfrekvente rystelser, hvilket kræver mere avanceret computing for at simulere.

Forskerne præsenterer tre videnskabelige artikler, der beskriver deres nylige simuleringer på denne uges amerikanske nationale konference om jordskælvsteknik (NCEE), et møde hvert fjerde år af Earthquake Engineering Research Institute. En simulering blev kørt i sidste uge ved hjælp af Cori-supercomputeren på Berkeley Labs National Energy Research Scientific Center (NERSC) for at simulere højfrekvent (5-hertz) jordrystning.

David McCallen, en seniorforsker i området Earth and Environmental Sciences på Berkeley Lab, forklarer, at deres simuleringer giver forskere mulighed for at få et mere realistisk billede af den indvirkning, et stort jordskælv ville have på en region.

"Historisk set seismiske eksperter har brugt empiriske beviser fra tidligere jordskælv til at vurdere jordskælvsfare og risiko på regional skala, "sagde McCallen." Selvom det er vigtigt, data om jordbevægelsens egenskaber og resulterende strukturelle skader ekstrapoleret fra et jordskælv, der fandt sted halvvejs i verden, er kun så nyttige til at forbedre vores forståelse af, hvor godt vores infrastruktur i Californien kunne udholde seismisk stress. "

På NCEE -konferencen, der fandt sted i Los Angeles i denne uge, holdet vil beskrive nylige simuleringsfremskridt, der angiver, at begivenhedsstørrelse og forskydning af jorden er positivt korreleret; at to bygninger med samme antal historier 2,4 miles fra hinanden og lige langt fra fejllinjen kan lide skader i en meget forskellig grad; og at bygninger i tre etager er mindre følsomme end bygninger på 40 etager til den betydelige stigning i langvarig jordbevægelse (over 1 sekund), der ville ledsage et jordskælv i stor størrelse.

På Berkeley Lab, McCallen leder et program med fokus på at integrere avancerede teknologier og dataanalyse for at muliggøre risikoinformeret seismisk design af kritisk infrastruktur, såsom broer og elnettet. Han siger, at evnen til at producere så høj opløsning, fysikbaserede simuleringer, som teamet har udført på Cori-systemet, repræsenterer en transformerende æra, der nu er i gang for at vurdere jordskælvsfare (jordbevægelse) og den deraf følgende risiko (bygningsskade) i regional skala.

Fordi den løber gennem East Bay, den mest befolkede underregion i San Francisco Bay Area, Hayward -fejlen betragtes som en af ​​de farligste fejl i USA. Fejlen har ikke genereret et større jordskælv siden 1868, en kilde til bekymring for eksperter, der citerer beviser, der støtter tanken om, at East Bay -fejlen er forsinket for et større jordskælv.

De nationale laboratorieforskere udnyttede Coris supercomputerkraft til at simulere jordbevægelser ved en bred vifte af frekvenser, som derefter bruges i et andet computerprogram til at opbygge respons, at kvantificere seismisk risiko for repræsentative bygningsstrukturer i regional skala. I alt 9, 600 strukturelle dynamiske simuleringer blev anvendt og analyseret for at undersøge risikovariationen på et 100 kilometer ved 50 kilometer langt domæne for to begivenheder:en i størrelsesorden 6,5, og en anden i størrelsesorden 7.

En kritisk faktor, der påvirker jordskælvsskader på bygninger og strukturer, er seismisk bølgefrekvens, eller den hastighed, hvormed en jordskælvsbølge gentages hvert sekund. På grund af dette, forskere, herunder Livermore Labs beregningsforsker Anders Petersson og seismolog Arthur Rodgers, har arbejdet med Berkeley Labs Hans Johansen for at fremme den eksisterende SW4 -kode. Denne kode blev oprindeligt udviklet af Petersson til simulering af tredimensionel seismisk bølgeudbredelse.

"Mens jeg arbejdede tæt sammen med NERSC -driftsteamet i en simulering i sidste uge, vi brugte stort set hele Cori -maskinen - 8, 192 noder, og 524, 288 kerner-for at udføre et hidtil uset 5-hertz løb af hele San Francisco Bay Area-regionen for et jordskælv på 7 Hayward Fault. Kørslen blev udført på 9 timer og 11 minutter af væguret, "sagde McCallen." Kodeudviklingen, der er nødvendig for dette løb, bevæger os mod vores endelige mål om en fuld exascale -applikation. "

Det faktum, at bygninger reagerer forskelligt på visse seismiske bølgefrekvenser baseret på deres størrelse, fremgår af de seneste simuleringer af jordskælv i stor størrelse langs Hayward-fejlen. Disse viste en stigning i skadepotentialet for den 40-etagers bygning-mere end for den tre-etagers bygning-da jordskælvet steg i størrelse fra 6,5 ​​til 7 ved 5 hertz på grund af den betydelige stigning i jordbevægelsen ved længere perioder med vibrationer. Andre resultater tyder på, at jordbevægelse og potentialet for strukturelle skader kan variere mellem steder i relativt nærhed.

Deres simuleringer viste, at to bygninger med samme antal historier, der ligger lige langt fra fejllinjen og kun cirka 3 miles fra hinanden, kan have et væsentligt andet skadepotentiale på grund af de forskelle, hvori seismiske bølger, der stammer fra fejlen, smelter sammen. Bygninger i nærheden af ​​fejlbrud og fejlbruddirektivitetszone viste sig at have større risiko for skader fra jordskælv, og fejl-slip-associeret permanent jordforskydning viste sig at stige med hændelsesstørrelse.

Uden at NERSC -computerressourcerne gør det muligt at udføre disse scenarier for jordskælvshændelser for så mange steder og strukturer ved så høj opløsning så hurtigt, det ville ikke være muligt at fremstille sådanne præcise stedsspecifikke skildringer af strukturel risiko. Forskerne mener, at sådanne præcise fysikbaserede repræsentationer af potentialet for skader i sidste ende vil give et mere præcist og komplet billede af samspillet mellem seismisk jordbevægelse og strukturelle skader.

"Simuleringer kan både øge forståelsen for og reducere usikkerheden om de meget komplekse processer, der spiller i jordskælvsvidenskab og teknik, "sagde McCallen." Det er blevet klart, at vores evne til nøjagtigt at vurdere jordskælvsfare og risiko i regional skala kan drage fordel af fysikbaserede simuleringer, der giver os mulighed for at skildre virkningen af ​​seismicitet på stedsspecifik jordbevægelse og strukturer i de områder, der er mest sårbare til disse potentielt ødelæggende begivenheder. "

"Det er en spændende tid for videnskabs- og ingeniørmiljøerne. Gennem DOE's Exascale Project, vi vil udvikle det beregningsmæssige økosystem og få adgang til computere, der er store nok og hurtige nok til at udføre disse typer beregningsmæssigt intensive beregninger, " han tilføjede.