Knæk hemmelighederne bag jordskælvssikkerhed, en rystesimulering ad gangen

For at sikre, at vores bygninger og infrastruktur er jordskælvssikre, må vi forstå, hvordan seismisk aktivitet påvirker forskellige strukturer. Miniaturemodeller og historiske observationer er nyttige, men de ridser kun overfladen af ​​at forstå og kvantificere en geologisk begivenhed, der er så kraftig og vidtrækkende som et større jordskælv.

To store forskningsindsatser søger at udfylde hullerne og skaffe ressourcer til forskere og ingeniører til at studere jordskælv på tværs af skalaer, fra initieringen af ​​seismiske bølger ved fejlbrudsstedet dybt under jorden, til samspillet mellem rystende jord og individuelle strukturer ved overfladen.

Den første bestræbelse er en eksperimentel facilitet til studier i den virkelige verden af, hvordan jorden omkring en struktur påvirker dens ydeevne under et jordskælv. Jorden under os kan virke solid, men vibrationer kan hurtigt gøre den ustabil. Dette skyldes, at jordbund er sammensat af komplekse lag af sten og mineralpartikler i varierende størrelser med varierende niveauer af fugt, som hver reagerer forskelligt på seismisk aktivitet. Under et jordskælv er bygningers bevægelser dikteret af stedspecifikke interaktioner mellem disse jordlag og retningen og styrken af ​​vibrationerne. Nu næsten færdig efter mere end fem års design og konstruktion, vil Large-Scale Laminar Soil Box System være den største facilitet i USA til at studere disse interaktioner og sammenlignelig i størrelse med den største i verden.

Anlægget er et samarbejde mellem University of Nevada, Reno (University) og Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Den består af en jordbeholder med en kapacitet på 350 tons monteret på en hydraulisk base, der kan replikere rystelser med op til en og en kvart million punds kraft. Anlægget åbner med en festlig demonstrationsbegivenhed på universitetet den 15. september.

Undersøgelser udført med Soil Box System vil give data til den anden indsats, EQSIM:et igangværende samarbejde mellem forskere ved Berkeley Lab, Lawrence Livermore National Laboratory og universitetet for at udvikle realistiske, meget detaljerede jordskælvssimuleringer ved hjælp af DOE's supercomputere.

"Disse projekter er synergistiske. Soil Box System hjælper os med at forstå og forfine, hvordan man modellerer den komplekse interaktion mellem jorden og en struktur. Vores mål er at lave realistiske modeller af specifikke interaktioner - for eksempel hvad der sker med en 20-etagers bygge meget tæt på Californiens Hayward-forkastning under et jordskælv med stor styrke? – og tilføje dem til vores eksisterende storskala-simuleringer," sagde David McCallen, seniorforsker i Berkeley Labs Earth and Environmental Sciences Area og EQSIM-leder. "Vi ønsker at modellere hele vejen fra fejlbrud gennem jorden til strukturen for at se, hvordan bygninger og anden infrastruktur i en hel region vil reagere."

En ny mulighed for test i den virkelige verden

Jordkasseprojektet blev lanceret i 2015 ud fra et behov for at beskytte Department of Energy's bygninger, der rummer følsomme videnskabelige instrumenter, mod ethvert potentielt jordskælvsscenarie. "Det var drevet af, hvor lidt vi vidste om den måde, jorden omkring fundamentet af en bygning påvirker dens ydeevne under et jordskælv," sagde Soil Box Systems hovedefterforsker Ian Buckle, en Foundation-professor ved universitetets afdeling for civil- og miljøteknik. "For bygninger på lavvandede fundamenter er der nok ikke meget effekt. Men for dem med dybere fundamenter, såsom nukleare anlæg og broer med lang spændvidde, er svaret måske en hel del."

Designteamet, ledet af Buckle og andre universitetsprofessorer Sherif Elfass og Patrick Laplace, udtænkte og fremstillede systemet til at have den størst mulige jordbeholder, så repræsentative strukturer kunne placeres ovenpå. En ledelseskomité blev dannet for at hjælpe med at guide holdet gennem dette udfordrende projekt. Ud over dem, der er nævnt ovenfor, omfattede udvalget også universitetsprofessorerne Ramin Motamed og Raj Siddharthan.

Den 15 fod høje, 21,5 fod brede boks sidder på en 24 fods firkantet rystende platform styret af 16 hydrauliske aktuatorer. Jordbeholderen har 19 lag, kaldet laminater, der hver er understøttet på elastomere (gummi-lignende) lejer, så jordlagene kan bevæge sig i forhold til hinanden, ligesom jord gør under egentlige jordskælv. Systemet kan forskyde og accelerere 350 tons jord – og strukturen ovenpå – i to vandrette retninger samtidigt med samme kraft som et kraftigt jordskælv, og det er så kraftigt, at designerne var nødt til at indbygge sikkerhedsforanstaltninger for at forhindre det i at ødelægge sig selv under eksperimenter. Hydraulikken styres af brugerdefineret software, og boksen er udstyret med en række sensorer, så forskerne kan samle detaljerede datasæt til deres computersimuleringer.

"En jordboks og rystebord af denne størrelse og kompleksitet er ikke noget, man bestiller fra et online katalog. Der er meget få organisationer eller virksomheder med viden og ekspertise til at gøre dette, så vi besluttede at gøre det selv med vores egen ekspertise og ressourcer," sagde Buckle. "Dette design giver os ikke kun mulighed for at arbejde med store strukturelle modeller, der kan placeres oven på jorden, men også den store skala tillader mere realistiske jordegenskaber at blive modelleret."

Når anlægget er operationelt, vil det blive en ressource for DOE-forskere med fokus på seismisk sikkerhed såvel som for forskere på tværs af den akademiske verden og industrien. James McConnell, Associate Principal Deputy Administrator i DOE's National Nuclear Security Administration, sagde:"Det er vigtigt for DOE og NNSA at investere i dette arbejde for at sikre, at de store, komplicerede, enestående faciliteter, vi bygger, er designet til at beskytte landets behov for forskning, forsvar og energiproduktion, men resultaterne har en ekstra fordel ved at hjælpe ingeniører og arkitekter i industrien og den private sektor med at bygge en bred vifte af jordskælvsbestandige strukturer."

Udnyttelse af en ny generation af supercomputere

Nuværende modeller af jordskælvsegenskaber er afhængige af tilnærmelser og forenklinger, delvis på grund af manglen på data fra den virkelige verden om den involverede fundamentale fysik, men også fordi meget få computere på planeten faktisk er i stand til at køre jordskælvssimuleringer med den nøjagtighed, der kræves for at udføre infrastrukturskadevurderinger. Det er derfor, McCallen og hans EQSIM-kolleger har brugt Summit-supercomputeren ved Oak Ridge National Laboratory og Perlmutter-supercomputeren ved Berkeley Lab til at udvikle meget store, detaljerede modeller – som deres simuleringer af San Francisco Bay Area for M7 Hayward-forkastningsjordskælv – som har 391 milliarder modelgitterpunkter.

De vil også snart begynde at arbejde på en endnu mere dygtig platform - den nyligt lancerede Frontier-supercomputer, også hos Oak Ridge. Frontier er det første computersystem til at bryde exaskala-barrieren, hvilket betyder, at det er i stand til at beregne mindst en milliard milliard (også kendt som en kvintillion eller 10 ¹⁸ ) operationer per sekund, og er i øjeblikket rangeret som verdens mest kraftfulde supercomputer.

Ved at bruge disse usædvanligt hurtige maskiner vil holdet være i stand til at tilføje ny indsigt og information om jordrespons og jord-struktur-interaktion opnået fra Soil Box-eksperimenterne i deres eksisterende storskalamodeller. Det langvarige mål med brud-til-struktur-modellering er nu ved at blive en beregningsmæssig realitet. Deres simuleringer vil derefter blive gjort tilgængelige for offentligheden gennem Pacific Earthquake Engineering Research (PEER) Centers åben adgangsdatabase over simuleringer. PEER er et forskningscenter med flere institutioner med fokus på præstationsbaseret jordskælvsteknik, ledet af UC Berkeley.

"En del af vores plan er at være i stand til at forbedre de tilgængelige datasæt af målte jordskælvsbevægelser med vores meget tætte, meget detaljerede simulerede bevægelser og gøre disse bevægelser tilgængelige for de brede jordskælvsvidenskabs- og ingeniørsamfund," forklarede McCallen, som også er direktør ved University of Nevada, Renos Center for Civil Earthquake Engineering Research. "Og så vi vil samarbejde med PEER, som har en lang historie og nødvendig infrastruktur til at give åben adgang til registrerede jordskælvsbevægelser på jorden, så de kan dele dem frit med hele samfundet til gavn for alle. For ikke alle har en grænse siddende. på deres skrivebord." + Udforsk yderligere

Hayward-forkastningsjordskælvssimuleringer øger troværdigheden af ​​jordbevægelser