För att säkerställa att våra byggnader och infrastruktur är jordbävningssäkra måste vi förstå hur seismisk aktivitet påverkar olika strukturer. Miniatyrmodeller och historiska observationer är till hjälp, men de skrapar bara på ytan för att förstå och kvantifiera en geologisk händelse lika kraftfull och långtgående som en stor jordbävning.

Två stora forskningsinsatser syftar till att fylla i luckorna och ge resurser för forskare och ingenjörer att studera jordbävningar över skalor, från initieringen av seismiska vågor på förkastningsplatsen djupt under jorden, till interaktionerna mellan skakande jord och enskilda strukturer på ytan.

Den första strävan är en experimentell anläggning för verkliga studier om hur jorden runt en struktur påverkar dess prestanda under en jordbävning. Marken under oss kan verka solid, men vibrationer kan snabbt göra den instabil. Detta beror på att jordar är sammansatta av komplexa lager av sten och mineralpartiklar i varierande storlekar med varierande fuktnivåer som var och en reagerar olika på seismisk aktivitet. Under en jordbävning dikteras byggnaders rörelser av platsspecifika interaktioner mellan dessa jordlager och vibrationernas riktning och styrka. Nu nästan färdigt efter mer än fem år av design och konstruktion, kommer Large-Scale Laminar Soil Box System att vara den största anläggningen i USA för att studera dessa interaktioner, och jämförbar i storlek med den största i världen.

Anläggningen är ett samarbete mellan University of Nevada, Reno (University) och Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Den består av en jordbehållare med en kapacitet på 350 ton monterad på en hydraulisk bas som kan replikera skakning med upp till en och en kvarts miljon punds kraft. Anläggningen öppnar med en festlig demonstration på universitetet den 15 september.

Studier gjorda med Soil Box System kommer att ge data för den andra ansträngningen, EQSIM:ett pågående samarbete mellan forskare vid Berkeley Lab, Lawrence Livermore National Laboratory och universitetet för att utveckla realistiska, mycket detaljerade jordbävningssimuleringar med hjälp av DOE:s superdatorer.

"De här projekten är synergistiska. Soil Box System hjälper oss att förstå och förfina hur man modellerar den komplexa interaktionen mellan marken och en struktur. Vårt mål är att göra realistiska modeller av specifika interaktioner - till exempel vad som händer med en 20-våningsbyggnad bygga mycket nära Kaliforniens Hayward-förkastning under en jordbävning med stor magnitud? – och lägga till dem till våra befintliga storskaliga simuleringar", säger David McCallen, senior forskare vid Berkeley Labs Earth and Environmental Sciences Area och EQSIM-ledare. "Vi vill modellera hela vägen från förkastningen genom marken till strukturen för att se hur byggnader och annan infrastruktur i en hel region kommer att reagera."

En ny väg för tester i verkligheten

Soilbox-projektet lanserades 2015 av ett behov av att skydda Department of Energy-byggnader som har känsliga vetenskapliga instrument mot eventuella jordbävningsscenarios. "Det drevs av hur lite vi visste om hur jorden runt grunden av en byggnad påverkar dess prestanda under en jordbävning", säger Soil Box Systems huvudutredare Ian Buckle, en Foundation-professor vid universitetets institution för civil- och miljöteknik. "För byggnader på grunda grunder är det förmodligen inte så stor effekt. Men för de med djupare fundament, som kärnkraftsanläggningar och broar med långa spann, är svaret kanske en hel del."

Designteamet, ledd av Buckle och universitetsprofessorerna Sherif Elfass och Patrick Laplace, utformade och tillverkade systemet för att ha den största möjliga jordbehållaren, så att representativa strukturer kunde placeras ovanpå. En ledningskommitté bildades för att hjälpa teamet genom detta utmanande projekt. Utöver de ovan nämnda bestod kommittén även av universitetsprofessorerna Ramin Motamed och Raj Siddharthan.

Den 15 fot höga, 21,5 fot breda lådan sitter på en 24 fot kvadratisk skakplattform som styrs av 16 hydrauliska ställdon. Jordbehållaren har 19 lager, så kallade laminat, som vart och ett stöds på elastomera (gummiliknande) lager så att jordlager kan röra sig i förhållande till varandra som jord gör under faktiska jordbävningar. Systemet kan förskjuta och accelerera 350 ton jord – och strukturen ovanpå – i två horisontella riktningar samtidigt med samma kraft som en kraftig jordbävning, och är så kraftfullt att konstruktörerna var tvungna att bygga in skyddsanordningar för att förhindra att det förstör sig själv under experiment. Hydrauliken styrs av anpassad programvara och lådan är utrustad med en svit av sensorer så att forskarna kan samla in detaljerade datauppsättningar för att mata in i sina datorsimuleringar.

"En jordlåda och skakbord av den här storleken och komplexiteten är inget du beställer från en onlinekatalog. Det finns väldigt få organisationer eller företag med kunskap och expertis för att göra detta, så vi bestämde oss för att göra det själva med vår egen expertis och resurser", sa Buckle. "Denna design tillåter oss inte bara att arbeta med storskaliga strukturella modeller som kan placeras ovanpå jorden, utan även den storskaliga tillåter mer realistiska jordegenskaper att modelleras."

När den väl är i drift kommer anläggningen att bli en resurs för DOE-forskare fokuserade på seismisk säkerhet samt forskare över hela akademin och industrin. James McConnell, Associate Principal Deputy Administrator i DOE:s National Nuclear Security Administration, sa:"Det är viktigt för DOE och NNSA att investera i detta arbete för att säkerställa att de stora, komplicerade, unika anläggningar vi bygger är utformade för att skydda landets behov av forskning, försvar och energiproduktion, men resultaten har en extra fördel att de hjälper ingenjörer och arkitekter inom industrin och den privata sektorn att bygga ett brett utbud av jordbävningsbeständiga strukturer."

Utnyttja en ny generation superdatorer

Nuvarande modeller av jordbävningsegenskaper förlitar sig på approximationer och förenklingar, delvis på grund av bristen på verkliga data om den inblandade fundamentala fysiken, men också för att väldigt få datorer på planeten faktiskt kan köra jordbävningssimuleringar med den trohet som krävs för att utföra skadebedömningar av infrastrukturen. Det är därför McCallen och hans EQSIM-kollegor har använt Summit-superdatorn vid Oak Ridge National Laboratory och Perlmutter-superdatorn vid Berkeley Lab för att utveckla mycket stora, detaljerade modeller – som deras simuleringar av San Francisco Bay Area för M7 Hayward-jordbävningar – som har 391 miljarder modellrutnätspoäng.

De kommer också snart att börja arbeta på en ännu mer kapabel plattform — den nylanserade superdatorn Frontier, även den på Oak Ridge. Frontier är det första datorsystemet som bryter exaskalbarriären, vilket betyder att det kan beräkna minst en miljard miljarder (även känt som en kvintiljon, eller 10 ¹⁸ ) operationer per sekund, och är för närvarande rankad som världens mest kraftfulla superdator.

Med hjälp av dessa exceptionellt snabba maskiner kommer teamet att kunna lägga till ny insikt och information om markrespons och jord-strukturinteraktion som erhållits från Soil Box-experimenten i sina befintliga storskaliga modeller. Det långvariga målet med brott-till-struktur-modellering håller nu på att bli en beräkningsverklighet. Deras simuleringar kommer sedan att göras tillgängliga för allmänheten genom Pacific Earthquake Engineering Research (PEER) Centers öppna databas med simuleringar. PEER är ett forskningscenter med flera institutioner fokuserat på prestationsbaserad jordbävningsteknik, ledd av UC Berkeley.

"En del av vår plan är att kunna förbättra de tillgängliga datamängderna av uppmätta jordbävningsrörelser med våra mycket täta, mycket detaljerade simulerade rörelser och göra dessa rörelser tillgängliga för de breda jordbävningsvetenskaperna och ingenjörssamhällena", förklarade McCallen, som också är chef för University of Nevada, Renos Center for Civil Earthquake Engineering Research. "Och så vi kommer att samarbeta med PEER, som har en lång historia och nödvändig infrastruktur för att ge öppen tillgång till inspelade jordbävningsmarkrörelser så att de kan dela dem fritt med hela samhället till fördel för alla. Eftersom inte alla har en Frontier sittande på deras skrivbord." + Utforska vidare

Jordbävningssimuleringar för jordbävning i Hayward ökar tillförlitligheten för markrörelser