Förra veckans massiva jordbävningar i södra Kalifornien stängde Ridgecrest Regional Hospital under hela helgen den 4 juli medan den lilla staden Ridgecrest bedömde skadorna. En ny optisk sensor utvecklad vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) skulle kunna påskynda tiden det tar att utvärdera om kritiska byggnader som dessa är säkra att ockupera kort efter en stor jordbävning.

Tekniken – som autonomt fångar och överför data som visar den relativa förskjutningen mellan två intilliggande våningar i en skakande byggnad – kan ge tillförlitlig information om byggnadsskador omedelbart efter en jordbävning, och skulle kunna påskynda ansträngningarna för att säkert bedöma, reparera, och återuppta byggnader efter skalvet.

Forskare och ingenjörer vid Berkeley Lab, Lawrence Livermore National Laboratory, och University of Nevada-Reno började arbeta med att designa en optisk metod för att mäta avdrift mellan våningar i byggnader 2015. Efter fyra år av omfattande expertgranskad forskning och simulativ testning vid University of Nevadas Earthquake Engineering Laboratory, Discrete Diode Position Sensor (DDPS) kommer att användas för första gången i sommar i en flervåningsbyggnad på Berkeley Lab – som ligger intill Hayward Fault, anses vara ett av de farligaste felen i USA.

"Tills nu, det har inte funnits något sätt att exakt och direkt mäta drift mellan byggnadsberättelser, vilket är en nyckelparameter för att bedöma efterfrågan på jordbävningar i en byggnad, sa David McCallen, en senior vetenskapsman vid Energy Geosciences Division vid Berkeley Lab och fakultetsmedlem vid University of Nevada, som leder forskningssamarbetet.

Debuten av DDPS kommer när regeringar på alla nivåer gör inspektion och återinflyttning av byggnader efter jordbävningen till ett centralt fokus för insatsplanering, och när den efterlängtade nästa generationen av fjärranslutningar – 5G – blir verklighet för snabb dataöverföring. "Vi är glada över att denna sensorteknologi nu är redo för fältförsök, i en tid då reaktionsstrategier efter jordbävningen har utvecklats för att prioritera säkra, fortsatt byggnadsfunktionalitet och återinflyttning utöver "livssäkerhet, '" sa McCallen.

Optik gör skillnad vid övervakning av seismisk strukturell hälsa

Att mäta avdrift mellan byggnader har varit en faktor för att bedöma byggnader för skador efter jordbävningen under en tid, ändå har det varit fyllt med utmaningar att hitta en pålitlig metod för att göra det. Traditionellt, ingenjörer monterade kraftiga jordbävningsaccelerometrar på utvalda höjder för att säkra data om kraften fram och tillbaka och från sida till sida som utövas på en skakande byggnad. Men att bearbeta accelerationsdata från dessa instrument för att få byggnadsdriftförskjutningar är mycket utmanande på grund av sensorernas frekvensbegränsningar, särskilt när byggnader har fått permanenta förskjutningar i samband med skador. Ännu svårare är att ta emot data tillräckligt snabbt för att informera beslutsfattande om kontinuitet i verksamheten och passagerarnas säkerhet. Dessutom, eftersom typisk byggnadsaccelerometerbaserad instrumentering kan vara ganska kostsam, system tenderar att vara mycket glesa med accelerometrar på relativt få byggnader.

DDPS utnyttjar ett lovande nytt alternativ för att direkt mäta byggnadsdrift mellan våningar som kombinerar laserstrålar med optiska sensorer. Denna teknik kretsar kring att projicera laserljus över en våningshöjd för att avkänna den position där ljuset träffar en detektor som är placerad på det intilliggande byggnadsgolvet för att direkt mäta strukturell drift. Verktyget som utvecklats vid Berkeley Lab bygger på att använda en laserkälla och positionskänslig detektor. Att använda sig av en geometrisk uppsättning av små, billiga ljuskänsliga fotodioder, sensorn kan omedelbart spåra positionen för en infallande laserstråle.

"Tidigare generationer av DDPS var ganska mycket större än det system vi nu kan distribuera, " säger McCallen. "Baserat på designframsteg och lärdomar, sensorn är en fjärdedel av storleken på vår ursprungliga sensordesign, men har 92 dioder förskjutna i en rektangulär grupp så att laserstrålen alltid är på en eller flera dioder."

Än så länge, DDPS har genomfört upp till tre omgångar av rigorösa experimentella skakbordstestning.

"De rigorösa testerna som DDPS har genomgått indikerar hur driftförskjutningarna uppmätta på de tre testbäddarna jämfört med representativa drifter som kan uppnås på en verklig fullskalig byggnad som genomgår kraftiga skakningar från en jordbävning, " sa McCallen.

Varför DDPS är smart för städer

Den mest folkrika staden som drabbades av jordbävningarna i södra Kalifornien tidigare denna månad var Ridgecrest själv, en stad med 29 000 som sitter i epicentrum av en jordbävning med magnituden 7,1 som ägde rum den 5 juli. Även om detta är ett litet befolkningscentrum, byggnadsskadeuppskattningarna är fortfarande i intervallet 100 miljoner dollar.

Om en jordbävning av den magnituden skulle drabba Los Angeles 150 miles söder om lilla Ridgecrest, eller San Francisco, nästan 400 miles norr, bokstavligen hundratals till tusentals byggnader skulle stå på spel för skada. I det scenariot, Möjligheten att mäta och visa viktig avdriftsinformation omedelbart efter en jordbävning skulle ge kritiska nya data för att fatta välgrundade beslut om beläggning av byggnader – ge första responders information för att vägleda deras ansträngningar att evakuera en byggnad, och kommuner möjligheten att upprätthålla funktionell användning av viktiga anläggningar som sjukhus.

Dessutom, att förstå en byggnads driftprofil skulle möjliggöra en snabb bestämning av byggnadsskadepotentialen, låter byggnadsinspektörer veta var de ska leta efter potentiella skador. Detta kommer att vara en viktig förmåga att gå bortom tidskrävande och utmanande manuella inspektioner av hundratals byggnader efter nästa stora stadsjordbävning.

McCallen noterade, "De stora jordbävningarna som inträffade i södra Kalifornien den senaste veckan tjänar som en påminnelse om riskerna förknippade med seismisk aktivitet i många regioner i USA. Dessa händelser sätter ett utropstecken på behovet av fortsatt samhälleligt fokus på jordbävningsberedskap och motståndskraft, inklusive en förmåga att tillhandahålla sensorer och dataanalys som snabbt kan mäta infrastrukturens hälsa och informera om det mest effektiva svaret efter nästa stora skalv."