Med oöverträffad upplösning, Forskare och ingenjörer simulerar exakt hur en jordbävning med stor magnitud längs Hayward-förkastningen skulle påverka olika platser och byggnader i San Francisco Bay Area.

Ett team från Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och Lawrence Livermore National Laboratory, både amerikanska energidepartementets (DOE) nationella laboratorier, utnyttjar kraftfulla superdatorer för att skildra inverkan av högfrekvent markrörelse på tusentals representativa byggnader av olika storlekar utspridda över Kalifornien-regionen.

Deras arbete - en del av DOE:s Exascale Computing Project - är viktigt för att visa hur olika seismiska vågfrekvenser för markrörelse påverkar strukturer av olika storlekar. Lägre frekvens markrörelse är känd för att påverka större strukturer och är lättare att replikera genom datorsimulering. Små strukturer som hem är mer sårbara för högfrekventa skakningar, vilket kräver mer avancerad beräkning för att simulera.

Forskarna presenterar tre vetenskapliga artiklar som beskriver deras senaste simuleringar vid denna veckas U.S.A. National Conference on Earthquake Engineering (NCEE), ett möte som hålls vart fjärde år av Earthquake Engineering Research Institute. En simulering kördes förra veckan med hjälp av Cori-superdatorn vid Berkeley Labs National Energy Research Scientific Center (NERSC) för att simulera högfrekventa (5-hertz) markskakningar.

David McCallen, en senior forskare inom området Earth and Environmental Sciences vid Berkeley Lab, förklarar att deras simuleringar gör det möjligt för forskare att få en mer realistisk bild av vilken inverkan en stor jordbävning skulle ha på en region.

"Historiskt sett, seismiska experter har använt empiriska bevis från tidigare jordbävningar för att bedöma jordbävningsrisker och -risker i regional skala, sade McCallen. "Även om det är viktigt, data om markrörelseegenskaper och resulterande strukturella skador extrapolerade från en jordbävning som inträffade halvvägs över världen är bara så hjälpsamma för att förbättra vår förståelse för hur väl vår infrastruktur i Kalifornien kunde uthärda seismisk stress."

På NCEE-konferensen som äger rum i Los Angeles denna vecka, Teamet kommer att beskriva senaste simuleringsframsteg som indikerar att händelsens storlek och markförskjutning är positivt korrelerade; att två byggnader med samma antal våningar 2,4 mil från varandra och lika långt från förkastningslinjen kan drabbas av skador i mycket olika grad; och att byggnader med tre våningar är mindre känsliga än byggnader på 40 våningar för den betydande ökningen av markrörelser under lång tid (över 1 sekund) som skulle åtfölja en jordbävning med stor magnitud.

På Berkeley Lab, McCallen leder ett program fokuserat på att integrera avancerad teknologi och dataanalys för att möjliggöra riskinformerad seismisk design av kritisk infrastruktur, såsom broar och elnätet. Han säger att förmågan att producera så hög upplösning, Fysikbaserade simuleringar som teamet har gjort på Cori-systemet representerar en transformationsera som nu är på gång för att bedöma risken för jordbävningar (markrörelse) och den resulterande risken (byggnadsskador) i regional skala.

Eftersom den går genom East Bay, den mest befolkade subregionen i San Francisco Bay Area, Hayward Fault anses vara ett av de farligaste felen i USA. Felet har inte genererat en större jordbävning sedan 1868, en källa till oro för experter som citerar bevis som stöder tanken att East Bay-förkastningen är försenad för en större jordbävning.

De nationella labbforskarna utnyttjade Coris superdatorkraft för att simulera markrörelser vid ett brett spektrum av frekvenser, som sedan används i ett andra datorprogram för att bygga svar, att kvantifiera seismisk risk för representativa byggnadskonstruktioner i regional skala. Totalt 9, 600 strukturella dynamiska simuleringar användes och analyserades för att studera riskvariationen på en 100-kilometer gånger 50-kilometers domän för två händelser:en med magnitud 6,5, och en annan i magnitud 7.

En kritisk faktor som påverkar jordbävningsskador på byggnader och strukturer är seismisk vågfrekvens, eller hastigheten med vilken en jordbävningsvåg upprepas varje sekund. På grund av detta, forskare inklusive Livermore Labs beräkningsforskare Anders Petersson och seismolog Arthur Rodgers har arbetat med Berkeley Labs Hans Johansen för att utveckla den befintliga SW4-koden. Denna kod utvecklades ursprungligen av Petersson för att simulera tredimensionell seismisk vågutbredning.

"Medan vi arbetade nära med NERSCs operationsteam i en simulering förra veckan, vi använde i princip hela Cori-maskinen—8, 192 noder, och 524, 288 kärnor – för att utföra en aldrig tidigare skådad 5-hertz-körning av hela San Francisco Bay Area-regionen för en jordbävning med magnituden 7 Hayward Fault. Körningen genomfördes på 9 timmar och 11 minuter av väggklockan, " sade McCallen. "Kodutvecklingen som är nödvändig för denna körning flyttar oss mot vårt slutliga mål med en fullständig exascale-applikation."

Det faktum att byggnader reagerar olika på vissa seismiska vågfrekvenser baserat på deras storlek bevisades av de senaste simuleringarna av jordbävningar med hög magnitud längs Hayward-förkastningen. Dessa visade en ökning av skadepotentialen för den 40 våningar höga byggnaden – mer än för den tre våningar höga byggnaden – eftersom jordbävningen ökade i magnitud från 6,5 till 7 vid 5 hertz på grund av den betydande ökningen av markrörelsen vid längre perioder av vibrationer. Andra resultat tyder på att markrörelser och potentialen för strukturella skador kan variera mellan platser i relativt nära anslutning.

Deras simuleringar visade att två byggnader med samma antal våningar på samma avstånd från förkastningslinjen och bara cirka 3 mil från varandra kan ha en väsentligt olika skadepotential på grund av skillnaderna i vilka seismiska vågor som kommer från förkastningen smälter samman. Byggnader i närheten av förkastnings- och felbrottsdirektivitetszonen visade sig löpa större risk för skador från jordbävningarna, och förkastnings-slirassocierad permanent markförskjutning visades öka med händelsens storlek.

Utan att NERSC:s datorresurser gör det möjligt att utföra dessa jordbävningsscenarier för så många platser och strukturer med så hög upplösning så snabbt, det skulle inte vara möjligt att producera så exakta platsspecifika skildringar av strukturella risker. Forskarna tror att sådana exakta fysikbaserade representationer av potentialen för skador i slutändan kommer att ge en mer exakt och komplett bild av samspelet mellan seismisk markrörelse och strukturella skador.

"Simuleringar kan både öka förståelsen för och minska osäkerheten om de mycket komplexa processer som spelar inom jordbävningsvetenskap och teknik, ", sade McCallen. "Det har blivit tydligt att vår förmåga att noggrant bedöma jordbävningsrisker och -risker i regional skala kan dra nytta av fysikbaserade simuleringar som tillåter oss att skildra effekten av seismicitet på platsspecifika markrörelser och strukturer i de mest sårbara områdena till dessa potentiellt förödande händelser."

"Det är en spännande tid för vetenskaps- och ingenjörssamhällena. Genom DOE:s Exascale-projekt, vi kommer att utveckla beräkningsekosystemet och få tillgång till datorer som är tillräckligt stora och snabba för att utföra dessa typer av beräkningsintensiva beräkningar, " han lade till.