De enorme aardbevingen in Zuid-Californië van vorige week legden het Ridgecrest Regional Hospital stil tijdens het vakantieweekend van 4 juli, terwijl het kleine stadje Ridgecrest de schade beoordeelde. Een nieuwe optische sensor die is ontwikkeld in het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) zou de tijd kunnen versnellen die nodig is om te evalueren of kritieke gebouwen zoals deze veilig kunnen worden ingenomen kort na een grote aardbeving.

De technologie - die autonoom gegevens vastlegt en verzendt die de relatieve verplaatsing tussen twee aangrenzende verdiepingen van een trillend gebouw weergeven - kan betrouwbare informatie verstrekken over schade aan gebouwen onmiddellijk na een aardbeving, en zou de inspanningen kunnen versnellen om veilig te beoordelen, reparatie, en gebouwen na de aardbeving opnieuw in te nemen.

Wetenschappers en ingenieurs bij Berkeley Lab, Lawrence Livermore Nationaal Laboratorium, en de Universiteit van Nevada-Reno begon in 2015 met het ontwerpen van een optische methode voor het meten van interstory-drift in gebouwen. Na vier jaar uitgebreid peer-reviewed onderzoek en simulatieve tests aan het Earthquake Engineering Laboratory van de University of Nevada, de Discrete Diode Position Sensor (DDPS) zal deze zomer voor het eerst worden ingezet in een gebouw met meerdere verdiepingen in Berkeley Lab, dat grenst aan de Hayward Fault, beschouwd als een van de gevaarlijkste fouten in de Verenigde Staten.

"Tot nu, er is geen manier geweest om de drift tussen bouwverhalen nauwkeurig en direct te meten, wat een belangrijke parameter is voor het beoordelen van de vraag naar aardbevingen in een gebouw, " zei David McCallen, een senior wetenschapper in de Energy Geosciences Division bij Berkeley Lab en faculteitslid aan de Universiteit van Nevada, die de onderzoekssamenwerking leidt.

Het debuut van DDPS komt wanneer regeringen op elk niveau bouwinspectie en herbezetting na aardbevingen centraal stellen in responsplanning, en naarmate de langverwachte volgende generatie externe connectiviteit - 5G - realiteit wordt voor snelle gegevensoverdracht. "We zijn verheugd dat deze sensortechnologie nu klaar is voor veldproeven, in een tijd waarin reactiestrategieën na een aardbeving zijn geëvolueerd om prioriteit te geven aan veilige, voortdurende gebouwfunctionaliteit en herbezetting naast 'levensveiligheid, ' zei McCallen.

Optica maakt het verschil bij het bewaken van seismische structurele gezondheid

Het meten van de drift van gebouwen tussen verdiepingen is al geruime tijd een factor bij het beoordelen van gebouwen op schade na aardbevingen, maar het vinden van een betrouwbare methode om dit te doen was beladen met uitdagingen. traditioneel, ingenieurs hebben op bepaalde hoogtes aardbevingsversnellingsmeters met sterke beweging gemonteerd om gegevens te beveiligen over de heen-en-weer en zij-aan-zij kracht die wordt uitgeoefend op een trillend gebouw. Maar het verwerken van de versnellingsgegevens van deze instrumenten om driftverplaatsingen van gebouwen te verkrijgen, is een grote uitdaging vanwege de frequentiebeperkingen van de sensoren. vooral wanneer gebouwen permanente verplaatsingen hebben ondergaan in verband met schade. Nog moeilijker is het snel genoeg ontvangen van gegevens om de besluitvorming over de continuïteit van de activiteiten en de veiligheid van de inzittenden te informeren. In aanvulling, omdat typische op een versnellingsmeter gebaseerde instrumentatie behoorlijk duur kan zijn, systemen zijn meestal erg schaars met versnellingsmeters op relatief weinig gebouwen.

DDPS maakt gebruik van een veelbelovend nieuw alternatief voor het direct meten van de drift van gebouwen tussen verdiepingen, waarbij laserstralen worden gecombineerd met optische sensoren. Deze techniek draait om het projecteren van laserlicht over een verdiepingshoogte om de positie te detecteren waarop het licht een detector op de aangrenzende verdieping van het gebouw raakt om structurele drift direct te meten. De tool die in Berkeley Lab is ontwikkeld, is gebaseerd op het gebruik van een laserbron en een positiegevoelige detector. Gebruikmakend van een geometrische reeks van kleine, goedkope lichtgevoelige fotodiodes, de sensor kan onmiddellijk de positie van een invallende laserstraal volgen.

"Vorige generaties DDPS waren een stuk groter dan het systeem dat we nu kunnen implementeren, ", zegt McCallen. "Op basis van ontwerpontwikkelingen en geleerde lessen, de sensor is een kwart van de grootte van ons originele sensorontwerp, maar beschikt over 92 diodes verspringend in een rechthoekige reeks, zodat de laserstraal altijd op een of meer diodes is."

Tot dusver, DDPS heeft tot drie rondes van rigoureuze experimentele schudtafeltesten doorstaan.

"De rigoureuze tests die de DDPS heeft ondergaan, geven aan hoe de driftverplaatsingen gemeten op de drie testbedden vergeleken met representatieve drifts die zouden kunnen worden bereikt op een echt grootschalig gebouw dat sterk wordt geschud door een aardbeving, ' zei McCallen.

Waarom DDPS slim is voor steden

De dichtstbevolkte stad die eerder deze maand werd getroffen door de aardbevingen in Zuid-Californië was Ridgecrest zelf, een stad van 29, 000 die in het epicentrum zit van een aardbeving met een kracht van 7,1 op de schaal van Richter die plaatsvond op 5 juli. Ook al is dit een klein bevolkingscentrum, de schattingen van de schade aan gebouwen liggen nog steeds in het bereik van $ 100 miljoen.

Als een aardbeving van die omvang Los Angeles 150 mijl ten zuiden van het kleine Ridgecrest zou treffen, of San Francisco, bijna 400 mijl naar het noorden, letterlijk honderden tot duizenden gebouwen zouden op het spel staan ​​voor schade. In dat scenario, de mogelijkheid om direct na een aardbeving de belangrijkste driftinformatie tussen de verdiepingen te meten en weer te geven, zou cruciale nieuwe gegevens opleveren voor het nemen van weloverwogen beslissingen over de bezetting van gebouwen, waardoor eerstehulpverleners informatie krijgen om hun inspanningen om een ​​gebouw te evacueren te begeleiden, en gemeenten de mogelijkheid om belangrijke voorzieningen zoals ziekenhuizen functioneel te blijven gebruiken.

In aanvulling, inzicht in het driftprofiel van een gebouw zou een snelle bepaling van het schadepotentieel van het gebouw mogelijk maken, bouwinspecteurs laten weten waar ze moeten zoeken naar mogelijke schade. Dit zal een belangrijke mogelijkheid zijn om na de volgende grote stedelijke aardbeving voorbij te gaan aan tijdrovende en uitdagende handmatige inspecties van honderden gebouwen.

McCallen merkte op, "De grote aardbevingen die de afgelopen week in Zuid-Californië hebben toegeslagen, dienen als een herinnering aan de risico's die gepaard gaan met seismische activiteit in veel regio's van de Verenigde Staten. Deze gebeurtenissen zetten een uitroepteken op de noodzaak van voortdurende maatschappelijke aandacht voor paraatheid en veerkracht voor aardbevingen, inclusief de mogelijkheid om de sensoren en gegevensanalyse te leveren die snel de gezondheid van de infrastructuur kunnen meten en de meest effectieve reactie kunnen geven na de volgende grote aardbeving."