Met ongekende resolutie, wetenschappers en ingenieurs simuleren precies hoe een grote aardbeving langs de Hayward Fault verschillende locaties en gebouwen in de San Francisco Bay Area zou beïnvloeden.

Een team van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) en het Lawrence Livermore National Laboratory, beide nationale laboratoria van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), maakt gebruik van krachtige supercomputers om de impact van hoogfrequente grondbewegingen op duizenden representatieve gebouwen van verschillende grootte, verspreid over de regio Californië, in beeld te brengen.

Hun werk - onderdeel van DOE's Exascale Computing Project - is belangrijk om te laten zien hoe verschillende seismische golffrequenties van grondbeweging structuren van verschillende groottes beïnvloeden. Het is bekend dat grondbewegingen met een lagere frequentie van invloed zijn op grotere structuren en gemakkelijker te repliceren zijn door computersimulatie. Kleine constructies zoals huizen zijn kwetsbaarder voor hoogfrequent schudden, waarvoor meer geavanceerde computer nodig is om te simuleren.

De onderzoekers presenteren drie wetenschappelijke artikelen die hun recente simulaties beschrijven tijdens de Amerikaanse National Conference on Earthquake Engineering (NCEE) van deze week, een bijeenkomst die om de vier jaar wordt gehouden door het Earthquake Engineering Research Institute. Vorige week is er één simulatie uitgevoerd met behulp van de Cori-supercomputer in het National Energy Research Scientific Center (NERSC) van Berkeley Lab om hoogfrequent (5-hertz) grondschudden te simuleren.

David McCallen, een senior wetenschapper in de Earth and Environmental Sciences Area bij Berkeley Lab, legt uit dat wetenschappers met hun simulaties een realistischer beeld kunnen krijgen van de impact die een grote aardbeving op een regio zou hebben.

"Historisch, seismische experts hebben empirisch bewijs van eerdere aardbevingen gebruikt om aardbevingsgevaar en risico op regionale schaal te beoordelen, "zei McCallen. "Hoewel belangrijk, gegevens over kenmerken van grondbewegingen en resulterende structurele schade, geëxtrapoleerd door een aardbeving die halverwege de wereld plaatsvond, zijn slechts zo nuttig om ons begrip te verbeteren van hoe goed onze Californische infrastructuur seismische stress zou kunnen doorstaan."

Op de NCEE-conferentie die deze week in Los Angeles plaatsvindt, het team zal recente simulatievooruitgangen beschrijven die aangeven dat de omvang van de gebeurtenis en de grondverplaatsing positief gecorreleerd zijn; dat twee gebouwen met hetzelfde aantal verdiepingen 2,4 mijl uit elkaar en op gelijke afstand van de breuklijn schade zouden kunnen lijden in een heel verschillende mate; en dat gebouwen met drie verdiepingen minder gevoelig zijn dan gebouwen met 40 verdiepingen voor de aanzienlijke toename van grondbewegingen op lange termijn (meer dan 1 seconde) die gepaard zou gaan met een aardbeving met een grote kracht.

Bij Berkeley Lab, McCallen leidt een programma gericht op het integreren van geavanceerde technologieën en data-analyse om risico-geïnformeerd seismisch ontwerp van kritieke infrastructuur mogelijk te maken, zoals bruggen en het elektriciteitsnet. Hij zegt dat het vermogen om zulke hoge resolutie te produceren, op fysica gebaseerde simulaties, zoals het team heeft gedaan op het Cori-systeem, vertegenwoordigen een transformationeel tijdperk dat nu aan de gang is voor het beoordelen van aardbevingsgevaar (grondbeweging) en het resulterende risico (schade aan gebouwen) op regionale schaal.

Omdat het door de East Bay loopt, de meest bevolkte subregio van de San Francisco Bay Area, de Hayward Fault wordt beschouwd als een van de gevaarlijkste fouten in de Verenigde Staten. De fout heeft sinds 1868 geen grote aardbeving veroorzaakt, een bron van zorg voor experts die bewijzen aanvoeren ter ondersteuning van het idee dat de East Bay-fout te laat is voor een grote aardbeving.

De nationale laboratoriumonderzoekers maakten gebruik van Cori's supercomputerkracht om grondbewegingen te simuleren met een breed scala aan frequenties, die vervolgens worden gebruikt in een tweede computerprogramma voor het bouwen van respons, het kwantificeren van seismisch risico voor representatieve bouwconstructies op regionale schaal. In totaal 9, 600 structurele dynamische simulaties werden gebruikt en geanalyseerd om de risicovariatie op een domein van 100 kilometer bij 50 kilometer te bestuderen voor twee gebeurtenissen:één met magnitude 6.5, en nog een op magnitude 7.

Een kritische factor die aardbevingsschade aan gebouwen en constructies beïnvloedt, is de frequentie van seismische golven, of de snelheid waarmee een aardbevingsgolf zich elke seconde herhaalt. Daarom, onderzoekers, waaronder de computationele wetenschapper van Livermore Lab, Anders Petersson en seismoloog Arthur Rodgers, hebben samengewerkt met Hans Johansen van Berkeley Lab om de bestaande SW4-code te verbeteren. Deze code is oorspronkelijk ontwikkeld door Petersson voor het simuleren van driedimensionale voortplanting van seismische golven.

"Terwijl we vorige week nauw samenwerkten met het NERSC-operatieteam in een simulatie, we gebruikten in wezen de hele Cori-machine-8, 192 knooppunten, en 524, 288 kernen - om een ​​ongekende 5-hertz run van de hele San Francisco Bay Area-regio uit te voeren voor een Hayward Fault-aardbeving op de schaal van Richter. De run werd uitgevoerd in 9 uur en 11 minuten wandkloktijd, " zei McCallen. "De code-ontwikkelingen die nodig zijn voor deze run brengen ons in de richting van ons uiteindelijke doel van een volledige exascale-toepassing."

Het feit dat gebouwen verschillend reageren op bepaalde seismische golffrequenties op basis van hun grootte, werd bewezen door de meest recente simulaties van aardbevingen van hoge omvang langs de Hayward Fault. Deze toonden een toename in schadepotentieel voor het 40 verdiepingen tellende gebouw - meer dan voor het drie verdiepingen tellende gebouw - aangezien de aardbeving in kracht toenam van 6,5 tot 7 bij 5 hertz als gevolg van de significante toename van de grondbeweging bij langere trillingsperioden. Andere resultaten geven aan dat grondbeweging en het potentieel voor structurele schade kunnen variëren tussen locaties in relatief dichte nabijheid.

Hun simulaties toonden aan dat twee gebouwen met hetzelfde aantal verdiepingen op gelijke afstand van de breuklijn en slechts ongeveer 3 mijl van elkaar een aanzienlijk ander schadepotentieel kunnen hebben vanwege de verschillen waarin seismische golven afkomstig van de breuk samenvloeien. Gebouwen in de buurt van de breuk- en breuklijnrichtingszone bleken een groter risico te lopen op schade door de aardbevingen, en fout-slip-geassocieerde permanente grondverplaatsing bleek toe te nemen met de omvang van de gebeurtenis.

Zonder de NERSC-computerbronnen die het mogelijk maken om deze aardbevingsscenario's voor zoveel locaties en structuren zo snel met zo'n hoge resolutie uit te voeren, het zou niet mogelijk zijn om zulke nauwkeurige locatiespecifieke afbeeldingen van structureel risico te produceren. De onderzoekers zijn van mening dat dergelijke nauwkeurige, op fysica gebaseerde representaties van het potentieel voor schade uiteindelijk een nauwkeuriger en vollediger beeld zullen geven van de interactie tussen seismische grondbeweging en structurele schade.

"Simulaties kunnen zowel het begrip van de zeer complexe processen die een rol spelen in de wetenschap en techniek van aardbevingen vergroten en de onzekerheid verminderen, " zei McCallen. "Het is duidelijk geworden dat ons vermogen om aardbevingsgevaar en risico op regionale schaal nauwkeurig te beoordelen, baat kan hebben bij op fysica gebaseerde simulaties waarmee we de impact van seismische activiteit op locatiespecifieke grondbewegingen en structuren in de meest kwetsbare gebieden kunnen weergeven. aan deze potentieel verwoestende gebeurtenissen."

"Het is een spannende tijd voor de wetenschappelijke en technische gemeenschappen. Via DOE's Exascale Project, we zullen het computationele ecosysteem ontwikkelen en toegang krijgen tot computers die groot genoeg en snel genoeg zijn om dit soort rekenintensieve berekeningen uit te voeren, " hij voegde toe.