Um sicherzustellen, dass unsere Gebäude und Infrastrukturen erdbebensicher sind, müssen wir verstehen, wie seismische Aktivitäten verschiedene Strukturen beeinflussen. Miniaturmodelle und historische Beobachtungen sind hilfreich, aber sie kratzen nur an der Oberfläche, um ein so mächtiges und weitreichendes geologisches Ereignis wie ein großes Erdbeben zu verstehen und zu quantifizieren.
Zwei große Forschungsanstrengungen zielen darauf ab, die Lücken zu schließen und Ressourcen für Forscher und Ingenieure bereitzustellen, um Erdbeben in allen Größenordnungen zu untersuchen, von der Auslösung seismischer Wellen an der Verwerfungsstelle tief unter der Erde bis hin zu den Wechselwirkungen zwischen erschütterndem Boden und einzelnen Strukturen an der Oberfläche.
Das erste Unterfangen ist eine experimentelle Einrichtung für reale Studien darüber, wie der Boden um ein Bauwerk herum seine Leistung während eines Erdbebens beeinflusst. Der Boden unter uns mag solide erscheinen, doch Vibrationen können ihn schnell instabil machen. Das liegt daran, dass Böden aus komplexen Gesteinsschichten und Mineralpartikeln unterschiedlicher Größe mit unterschiedlichem Feuchtigkeitsgehalt bestehen, die jeweils unterschiedlich auf seismische Aktivitäten reagieren. Während eines Erdbebens werden die Bewegungen von Gebäuden durch standortspezifische Wechselwirkungen zwischen diesen Bodenschichten und der Richtung und Stärke der Vibrationen bestimmt. Das Large-Scale Laminar Soil Box System, das nach mehr als fünf Jahren Planung und Bau nun fast fertiggestellt ist, wird die größte Einrichtung in den USA zur Untersuchung dieser Wechselwirkungen sein und in ihrer Größe mit der größten der Welt vergleichbar sein.
Die Einrichtung ist eine Zusammenarbeit zwischen der University of Nevada, Reno (Universität) und dem Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Es besteht aus einem Erdbehälter mit einem Fassungsvermögen von 350 Tonnen, der auf einer hydraulischen Basis montiert ist, die ein Schütteln mit einer Kraft von bis zu 1,5 Millionen Pfund nachahmen kann. Die Einrichtung wird am 15. September mit einer feierlichen Demonstrationsveranstaltung an der Universität eröffnet.
Studien, die mit dem Soil Box System durchgeführt wurden, werden Daten für die andere Anstrengung liefern, EQSIM: eine laufende Zusammenarbeit zwischen Wissenschaftlern des Berkeley Lab, des Lawrence Livermore National Laboratory und der Universität zur Entwicklung realistischer, hochdetaillierter Erdbebensimulationen unter Verwendung der Supercomputer des DOE.
„Diese Projekte sind synergetisch. Das Soil Box System hilft uns zu verstehen und zu verfeinern, wie die komplexe Wechselwirkung zwischen dem Boden und einer Struktur modelliert werden kann. Unser Ziel ist es, realistische Modelle spezifischer Wechselwirkungen zu erstellen – zum Beispiel, was mit einem 20-stöckigen Gebäude passiert Gebäude in der Nähe der kalifornischen Hayward-Verwerfung während eines Erdbebens großer Stärke? – und sie unseren bestehenden groß angelegten Simulationen hinzufügen“, sagte David McCallen, leitender Wissenschaftler im Bereich Earth and Environmental Sciences des Berkeley Lab und Leiter von EQSIM. „Wir wollen den gesamten Weg vom Bruch durch den Boden bis zur Struktur modellieren, um zu sehen, wie Gebäude und andere Infrastrukturen in einer ganzen Region reagieren werden.“
Bildnachweis: Lawrence Berkeley National Laboratory
Ein neuer Weg für reale Tests
Das Bodenbox-Projekt wurde 2015 aus der Notwendigkeit heraus ins Leben gerufen, Gebäude des Energieministeriums, in denen sich empfindliche wissenschaftliche Instrumente befinden, vor einem möglichen Erdbebenszenario zu schützen. „Der Grund dafür war, wie wenig wir darüber wussten, wie der Boden rund um das Fundament eines Gebäudes seine Leistung während eines Erdbebens beeinflusst“, sagte Ian Buckle, Hauptforscher des Soil Box Systems, Foundation-Professor am Department of Civil & Environmental Engineering der Universität. „Für Gebäude auf flachen Fundamenten gibt es wahrscheinlich keine große Wirkung. Aber für Gebäude mit tieferen Fundamenten, wie Atomanlagen und Brücken mit großer Spannweite, ist die Antwort vielleicht sehr viel.“
Das Designteam unter der Leitung von Buckle und den anderen Universitätsprofessoren Sherif Elfass und Patrick Laplace entwickelte und fertigte das System so, dass es den größtmöglichen Erdbehälter hat, damit repräsentative Strukturen darauf platziert werden können. Ein Managementkomitee wurde gebildet, um das Team durch dieses herausfordernde Projekt zu führen. Dem Gremium gehörten neben den oben Genannten auch die Universitätsprofessoren Ramin Motamed und Raj Siddharthan an.
Die 15 Fuß hohe und 21,5 Fuß breite Kiste sitzt auf einer 24 Fuß großen quadratischen Schüttelplattform, die von 16 hydraulischen Aktuatoren gesteuert wird. Der Erdbehälter besteht aus 19 Schichten, sogenannten Laminaten, die jeweils auf elastomeren (gummiähnlichen) Lagern gelagert sind, sodass sich die Erdschichten relativ zueinander bewegen können, wie es der Boden bei echten Erdbeben tut. Das System kann 350 Tonnen Erde – und die Struktur darauf – in zwei horizontale Richtungen gleichzeitig mit der gleichen Kraft wie ein starkes Erdbeben verschieben und beschleunigen, und ist so stark, dass die Konstrukteure Schutzvorrichtungen einbauen mussten, um zu verhindern, dass es sich währenddessen selbst zerstört Experimente. Die Hydraulik wird durch kundenspezifische Software gesteuert und die Box ist mit einer Reihe von Sensoren ausgestattet, sodass die Wissenschaftler detaillierte Datensätze sammeln können, um sie in ihre Computersimulationen einzuspeisen.
„Eine Erdkiste und einen Schütteltisch dieser Größe und Komplexität kann man nicht aus einem Online-Katalog bestellen. Es gibt nur sehr wenige Organisationen oder Unternehmen, die über das Wissen und die Erfahrung verfügen, dies zu tun, also haben wir uns entschieden, es selbst mit unserem eigenen Fachwissen zu tun Ressourcen“, sagte Buckle. „Dieses Design ermöglicht es uns nicht nur, mit großmaßstäblichen Strukturmodellen zu arbeiten, die auf dem Boden platziert werden können, sondern der große Maßstab ermöglicht auch die Modellierung realistischerer Bodeneigenschaften.“
Sobald die Anlage in Betrieb ist, wird sie zu einer Ressource für DOE-Forscher, die sich auf seismische Sicherheit konzentrieren, sowie für Wissenschaftler aus Wissenschaft und Industrie. James McConnell, Associate Principal Deputy Administrator in der National Nuclear Security Administration des DOE, sagte: „Es ist wichtig, dass das DOE und die NNSA in diese Arbeit investieren, um sicherzustellen, dass die großen, komplizierten und einzigartigen Anlagen, die wir bauen, zum Schutz ausgelegt sind den Forschungs-, Verteidigungs- und Energieerzeugungsbedarf des Landes, aber die Ergebnisse haben den zusätzlichen Vorteil, dass sie Ingenieuren und Architekten in der Industrie und im Privatsektor helfen, eine breite Palette von erdbebensicheren Strukturen zu bauen.
Nutzung einer neuen Generation von Supercomputern
Aktuelle Modelle von Erdbebeneigenschaften verlassen sich auf Annäherungen und Vereinfachungen, teilweise aufgrund des Mangels an realen Daten über die zugrunde liegende Physik, aber auch, weil nur sehr wenige Computer auf dem Planeten tatsächlich in der Lage sind, Erdbebensimulationen mit der erforderlichen Genauigkeit durchzuführen Infrastrukturschadensgutachten durchführen. Aus diesem Grund haben McCallen und seine EQSIM-Kollegen den Summit-Supercomputer im Oak Ridge National Laboratory und den Perlmutter-Supercomputer im Berkeley Lab verwendet, um sehr große, detaillierte Modelle zu entwickeln – wie ihre Simulationen der San Francisco Bay Area für M7-Hayward-Verwerfungserdbeben – die dies getan haben 391 Milliarden Modellgitterpunkte.
Sie werden auch bald mit der Arbeit an einer noch leistungsfähigeren Plattform beginnen – dem neu eingeführten Frontier-Supercomputer, ebenfalls in Oak Ridge. Frontier ist das erste Computersystem, das die Exascale-Grenze durchbricht, was bedeutet, dass es in der Lage ist, mindestens eine Milliarde Milliarden (auch bekannt als Trillion oder 1018) Operationen pro Sekunde zu berechnen, und gilt derzeit als der leistungsstärkste Supercomputer der Welt.
Mithilfe dieser außergewöhnlich schnellen Maschinen wird das Team in der Lage sein, neue Erkenntnisse und Informationen über die Reaktion des Bodens und die Interaktion zwischen Boden und Struktur, die aus den Soil-Box-Experimenten gewonnen wurden, in ihre bestehenden großmaßstäblichen Modelle einfließen zu lassen. Das langjährige Ziel der Bruch-zu-Struktur-Modellierung wird nun zu einer computergestützten Realität. Ihre Simulationen werden dann der Öffentlichkeit über die Open-Access-Simulationsdatenbank des Pacific Earthquake Engineering Research (PEER) Center zugänglich gemacht. PEER ist ein institutionenübergreifendes Forschungszentrum, das sich auf leistungsbasiertes Erdbebeningenieurwesen konzentriert und von der UC Berkeley geleitet wird.
„Ein Teil unseres Plans ist es, die verfügbaren Datensätze gemessener Erdbebenbewegungen mit unseren sehr dichten, sehr detaillierten simulierten Bewegungen zu verbessern und diese Bewegungen der breiten Gemeinschaft von Erdbebenwissenschaftlern und -ingenieuren zur Verfügung zu stellen“, erklärte McCallen, der auch das ist Direktor der University of Nevada, Reno’s Center for Civil Earthquake Engineering Research. „Deshalb werden wir mit PEER zusammenarbeiten, das über eine lange Geschichte und die notwendige Infrastruktur verfügt, um einen offenen Zugang zu aufgezeichneten Erdbebenbodenbewegungen bereitzustellen, damit sie diese frei mit der gesamten Gemeinschaft zum Nutzen aller teilen können. Denn nicht jeder hat eine Frontier-Sitzung auf ihrem Schreibtisch.“