Om ervoor te zorgen dat onze gebouwen en infrastructuur aardbevingsbestendig zijn, moeten we begrijpen hoe seismische activiteit verschillende structuren beïnvloedt. Miniatuurmodellen en historische observaties zijn nuttig, maar ze krassen slechts het oppervlak van het begrijpen en kwantificeren van een geologische gebeurtenis die zo krachtig en verstrekkend is als een grote aardbeving.

Twee belangrijke onderzoeksinspanningen zijn bedoeld om de leemten op te vullen en middelen te bieden voor onderzoekers en ingenieurs om aardbevingen over schalen te bestuderen, van de initiatie van seismische golven op de plaats van de breukbreuk diep onder de grond, tot de interacties tussen schuddende grond en individuele structuren aan de oppervlakte.

De eerste poging is een experimentele faciliteit voor real-world studies over hoe de grond rond een constructie de prestaties tijdens een aardbeving beïnvloedt. De grond onder ons lijkt misschien solide, maar trillingen kunnen het snel onstabiel maken. Dit komt omdat bodems zijn samengesteld uit complexe lagen gesteente en minerale deeltjes in verschillende groottes met verschillende niveaus van vocht die elk anders reageren op seismische activiteit. Tijdens een aardbeving worden de bewegingen van gebouwen bepaald door locatiespecifieke interacties tussen deze grondlagen en de richting en sterkte van de trillingen. Het Large-Scale Laminar Soil Box System, nu bijna voltooid na meer dan vijf jaar ontwerp en constructie, zal de grootste faciliteit in de VS zijn voor het bestuderen van deze interacties, en qua omvang vergelijkbaar met de grootste ter wereld.

De faciliteit is een samenwerking tussen de Universiteit van Nevada, Reno (Universiteit) en Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Het bestaat uit een bodemcontainer met een capaciteit van 350 ton, gemonteerd op een hydraulische basis die schudden kan nabootsen met een kracht van maximaal anderhalve miljoen pond. De faciliteit wordt op 15 september geopend met een feestelijk demonstratie-evenement op de universiteit.

Studies uitgevoerd met het Soil Box-systeem zullen gegevens opleveren voor de andere inspanning, EQSIM:een voortdurende samenwerking tussen wetenschappers van Berkeley Lab, Lawrence Livermore National Laboratory en de universiteit om realistische, zeer gedetailleerde aardbevingssimulaties te ontwikkelen met behulp van DOE's supercomputers.

"Deze projecten zijn synergetisch. Het Soil Box-systeem helpt ons te begrijpen en te verfijnen hoe we de complexe interactie tussen de bodem en een structuur kunnen modelleren. Ons doel is om realistische modellen te maken van specifieke interacties, bijvoorbeeld wat er gebeurt met een 20-verhaal bouwen in de buurt van de Hayward-fout in Californië tijdens een aardbeving van grote omvang? - en voeg ze toe aan onze bestaande grootschalige simulaties", zegt David McCallen, een senior wetenschapper in Berkeley Lab's Earth and Environmental Sciences Area en EQSIM-leider. "We willen het hele traject van de breuk door de grond tot aan de structuur modelleren om te zien hoe gebouwen en andere infrastructuur in een hele regio zullen reageren."

Een nieuwe weg voor testen in de echte wereld

Het grondboxproject werd in 2015 gelanceerd vanuit de noodzaak om gebouwen van het ministerie van Energie die gevoelige wetenschappelijke instrumenten bevatten, te beschermen tegen elk mogelijk aardbevingsscenario. "Het werd gedreven door hoe weinig we wisten over de manier waarop de grond rond de fundering van een gebouw de prestaties tijdens een aardbeving beïnvloedt", zegt Ian Buckle, hoofdonderzoeker van het Soil Box System, een Foundation-professor aan de afdeling Civiele en Milieutechniek van de universiteit. "Voor gebouwen op ondiepe funderingen is er waarschijnlijk niet veel effect. Maar voor gebouwen met diepere funderingen, zoals nucleaire installaties en bruggen met grote overspanningen, is het antwoord misschien veel."

Het ontwerpteam, onder leiding van Buckle en collega-universiteitsprofessoren Sherif Elfass en Patrick Laplace, bedacht en fabriceerde het systeem om een ​​zo groot mogelijke bodemcontainer te hebben, zodat er representatieve constructies bovenop konden worden geplaatst. Er werd een managementcomité gevormd om het team te helpen bij dit uitdagende project. Naast de hierboven genoemde, bestond de commissie ook uit universiteitshoogleraren Ramin Motamed en Raj Siddharthan.

De 15 voet hoge, 21,5 voet brede doos staat op een 24 voet vierkant schudplatform dat wordt bestuurd door 16 hydraulische actuators. De grondcontainer heeft 19 lagen, laminaten genaamd, die elk worden ondersteund op elastomere (rubberachtige) lagers, zodat grondlagen ten opzichte van elkaar kunnen bewegen zoals grond doet tijdens daadwerkelijke aardbevingen. Het systeem kan 350 ton grond - en de structuur bovenop - in twee horizontale richtingen tegelijk verplaatsen en versnellen met dezelfde kracht als een sterke aardbeving, en is zo krachtig dat de ontwerpers beveiligingen moesten inbouwen om te voorkomen dat het zichzelf tijdens de experimenten. De hydrauliek wordt bestuurd door aangepaste software en de box is uitgerust met een reeks sensoren, zodat de wetenschappers gedetailleerde datasets kunnen verzamelen om in hun computersimulaties te verwerken.

"Een grondbak en schudtafel van deze omvang en complexiteit bestel je niet uit een online catalogus. Er zijn maar weinig organisaties of bedrijven met de kennis en expertise om dit te doen, dus besloten we het zelf te doen met onze eigen expertise en middelen", aldus Buckle. "Dit ontwerp stelt ons niet alleen in staat om te werken met grootschalige constructiemodellen die bovenop de grond kunnen worden geplaatst, maar ook op grote schaal kunnen meer realistische bodemeigenschappen worden gemodelleerd."

Eenmaal operationeel zal de faciliteit een bron worden voor DOE-onderzoekers die zich richten op seismische veiligheid, evenals wetenschappers in de academische wereld en de industrie. James McConnell, Associate Principal Deputy Administrator in DOE's National Nuclear Security Administration, zei:"Het is belangrijk voor DOE en NNSA om in dit werk te investeren om ervoor te zorgen dat de grote, gecompliceerde, unieke faciliteiten die we bouwen zijn ontworpen om te beschermen de onderzoeks-, defensie- en energieopwekkingsbehoeften van het land, maar de bevindingen hebben als bijkomend voordeel dat ze ingenieurs en architecten in de industrie en de particuliere sector helpen bij het bouwen van een breed scala aan aardbevingsbestendige constructies."

Gebruikmaken van een nieuwe generatie supercomputers

De huidige modellen van aardbevingseigenschappen zijn gebaseerd op benaderingen en vereenvoudigingen, deels vanwege het gebrek aan real-world gegevens over de fundamentele fysica, maar ook omdat maar heel weinig computers op de planeet in staat zijn aardbevingssimulaties uit te voeren met de betrouwbaarheid die nodig is om het uitvoeren van schadeanalyses aan de infrastructuur. Daarom hebben McCallen en zijn EQSIM-collega's de Summit-supercomputer in het Oak Ridge National Laboratory en de Perlmutter-supercomputer in het Berkeley Lab gebruikt om zeer grote, gedetailleerde modellen te ontwikkelen - zoals hun simulaties van de San Francisco Bay Area voor M7 Hayward-foutaardbevingen - die 391 miljard modelrasterpunten.

Ze zullen binnenkort ook gaan werken aan een nog capabeler platform:de onlangs gelanceerde Frontier-supercomputer, ook bij Oak Ridge. Frontier is het eerste computersysteem dat de exascale-barrière doorbreekt, wat betekent dat het in staat is om ten minste een miljard miljard te berekenen (ook bekend als een quintillion, of 10 ¹⁸ ) bewerkingen per seconde, en wordt momenteel gerangschikt als 's werelds krachtigste supercomputer.

Met behulp van deze uitzonderlijk snelle machines kan het team nieuwe inzichten en informatie over bodemrespons en bodem-structuurinteractie, verkregen uit de Soil Box-experimenten, toevoegen aan hun bestaande grootschalige modellen. Het al lang bestaande doel van breuk-naar-structuurmodellering wordt nu een computationele realiteit. Hun simulaties zullen dan beschikbaar worden gesteld aan het publiek via de open-access database van simulaties van het Pacific Earthquake Engineering Research (PEER) Center. PEER is een multi-institutioneel onderzoekscentrum gericht op prestatiegebaseerde aardbevingstechniek, geleid door UC Berkeley.

"Een deel van ons plan is om de beschikbare datasets van gemeten aardbevingsbewegingen te verbeteren met onze zeer dichte, zeer gedetailleerde gesimuleerde bewegingen en deze bewegingen beschikbaar te maken voor de brede wetenschappelijke en technische gemeenschappen op het gebied van aardbevingen", legt McCallen uit, die ook de directeur van de Universiteit van Nevada, Reno's Center for Civil Earthquake Engineering Research. "En dus zullen we samenwerken met PEER, dat een lange geschiedenis en noodzakelijke infrastructuur heeft om open toegang te bieden tot geregistreerde grondbewegingen van aardbevingen, zodat ze deze vrijelijk kunnen delen met de hele gemeenschap in het voordeel van iedereen. Omdat niet iedereen een Frontier-zitting heeft op hun bureau." + Verder verkennen

Hayward-foutaardbevingssimulaties verhogen de getrouwheid van grondbewegingen