Pour nous assurer que nos bâtiments et infrastructures sont antisismiques, nous devons comprendre comment l’activité sismique affecte différentes structures. Les modèles miniatures et les observations historiques sont utiles, mais ils ne font qu’effleurer la surface de la compréhension et de la quantification d’un événement géologique aussi puissant et profond qu’un tremblement de terre majeur.
Deux efforts de recherche majeurs visent à combler les lacunes et à fournir des ressources aux chercheurs et aux ingénieurs pour étudier les tremblements de terre à toutes les échelles, de l’initiation des ondes sismiques au site de rupture de la faille en profondeur, aux interactions entre le sol tremblant et les structures individuelles à la surface.
Le premier effort est une installation expérimentale pour des études réelles sur la façon dont le sol autour d’une structure influence ses performances lors d’un tremblement de terre. Le sol sous nos pieds peut sembler solide, mais les vibrations peuvent rapidement le rendre instable. En effet, les sols sont composés de couches complexes de particules rocheuses et minérales de tailles variables avec des niveaux d’humidité variables qui réagissent chacun différemment à l’activité sismique. Lors d’un tremblement de terre, les mouvements des bâtiments sont dictés par les interactions spécifiques au site entre ces couches de sol et la direction et la force des vibrations. Maintenant presque terminé après plus de cinq ans de conception et de construction, le système de boîtes de sol laminaires à grande échelle sera la plus grande installation aux États-Unis pour étudier ces interactions, et de taille comparable à la plus grande au monde.
L’installation est une collaboration entre l’Université du Nevada, Reno (Université) et Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Il se compose d’un conteneur de sol d’une capacité de 350 tonnes monté sur une base hydraulique qui peut reproduire les secousses avec une force allant jusqu’à un million et quart de livres. L’installation ouvrira ses portes avec un événement de démonstration de célébration à l’Université le 15 septembre.
Les études menées avec le Soil Box System fourniront des données pour l’autre effort, EQSIM : une collaboration continue entre des scientifiques du Berkeley Lab, du Lawrence Livermore National Laboratory et de l’Université pour développer des simulations de tremblements de terre réalistes et très détaillées à l’aide des superordinateurs du DOE.
« Ces projets sont synergiques. Le système Soil Box nous aide à comprendre et à affiner la modélisation de l’interaction complexe entre le sol et une structure. Notre objectif est de créer des modèles réalistes d’interactions spécifiques – par exemple, ce qui arrive à un bâtiment de 20 étages. construire très près de la faille Hayward en Californie lors d’un tremblement de terre de grande magnitude ? – et les ajouter à nos simulations à grande échelle existantes « , a déclaré David McCallen, scientifique principal dans le domaine des sciences de la Terre et de l’environnement de Berkeley Lab et responsable de l’EQSIM. « Nous voulons modéliser tout le chemin depuis la rupture de la faille à travers le sol jusqu’à la structure pour voir comment les bâtiments et autres infrastructures de toute une région réagiront. »
Crédit : Lawrence Berkeley National Laboratory
Une nouvelle voie pour les tests en conditions réelles
Le projet de boîte de sol a été lancé en 2015 pour protéger les bâtiments du ministère de l’Énergie qui contiennent des instruments scientifiques sensibles contre tout scénario de tremblement de terre potentiel. « Cela a été motivé par le peu de connaissances que nous avions sur la façon dont le sol entourant la fondation d’un bâtiment affecte ses performances lors d’un tremblement de terre », a déclaré Ian Buckle, chercheur principal du Soil Box System, professeur à la Fondation au Département de génie civil et environnemental de l’Université. « Pour les bâtiments sur des fondations peu profondes, il n’y a probablement pas beaucoup d’effet. Mais pour ceux qui ont des fondations plus profondes, comme les installations nucléaires et les ponts à longue portée, la réponse est peut-être beaucoup. »
L’équipe de conception, dirigée par Buckle et ses collègues professeurs universitaires Sherif Elfass et Patrick Laplace, a conçu et fabriqué le système pour avoir le plus grand conteneur de sol possible, afin que des structures représentatives puissent être placées sur le dessus. Un comité de gestion a été formé pour aider à guider l’équipe tout au long de ce projet stimulant. Outre les personnes nommées ci-dessus, le comité comprenait également les professeurs d’université Ramin Motamed et Raj Siddharthan.
La boîte de 15 pieds de haut et 21,5 pieds de large repose sur une plate-forme d’agitation carrée de 24 pieds contrôlée par 16 actionneurs hydrauliques. Le conteneur de sol comporte 19 couches, appelées stratifiés, qui sont chacune soutenues par des roulements en élastomère (de type caoutchouc) afin que les couches de sol puissent se déplacer les unes par rapport aux autres comme le fait le sol lors de tremblements de terre réels. Le système peut déplacer et accélérer 350 tonnes de sol – et la structure au-dessus – dans deux directions horizontales simultanément avec la même force qu’un fort tremblement de terre, et est si puissant que les concepteurs ont dû intégrer des protections pour l’empêcher de se détruire pendant expériences. L’hydraulique est contrôlée par un logiciel personnalisé et la boîte est équipée d’une suite de capteurs afin que les scientifiques puissent recueillir des ensembles de données détaillés pour alimenter leurs simulations informatiques.
« Une boîte de sol et une table vibrante de cette taille et de cette complexité ne sont pas quelque chose que vous commandez à partir d’un catalogue en ligne. Il y a très peu d’organisations ou d’entreprises ayant les connaissances et l’expertise pour le faire, nous avons donc décidé de le faire nous-mêmes avec notre propre expertise et ressources », a déclaré Buckle. « Cette conception nous permet non seulement de travailler avec des modèles structurels à grande échelle qui peuvent être placés au-dessus du sol, mais aussi la grande échelle permet de modéliser des propriétés du sol plus réalistes. »
Une fois opérationnelle, l’installation deviendra une ressource pour les chercheurs du DOE axés sur la sécurité sismique ainsi que pour les scientifiques du milieu universitaire et de l’industrie. James McConnell, administrateur adjoint principal associé à la National Nuclear Security Administration du DOE, a déclaré : « Il est important que le DOE et la NNSA investissent dans ce travail pour s’assurer que les grandes installations complexes et uniques que nous construisons sont conçues pour protéger les besoins du pays en matière de recherche, de défense et de production d’énergie, mais les résultats ont l’avantage supplémentaire d’aider les ingénieurs et les architectes de l’industrie et du secteur privé à construire une large gamme de structures résistantes aux tremblements de terre.
Tirer parti d’une nouvelle génération de supercalculateurs
Les modèles actuels des propriétés sismiques reposent sur des approximations et des simplifications dues, en partie, au manque de données réelles sur la physique fondamentale impliquée, mais aussi parce que très peu d’ordinateurs sur la planète sont réellement capables d’exécuter des simulations sismiques avec la fidélité requise pour effectuer des évaluations des dommages aux infrastructures. C’est pourquoi McCallen et ses collègues d’EQSIM ont utilisé le supercalculateur Summit du laboratoire national d’Oak Ridge et le supercalculateur Perlmutter du laboratoire de Berkeley pour développer de très grands modèles détaillés, comme leurs simulations de la région de la baie de San Francisco pour les tremblements de terre de la faille M7 Hayward, qui a 391 milliards de points de grille de modèle.
Ils commenceront également bientôt à travailler sur une plate-forme encore plus performante : le nouveau superordinateur Frontier, également à Oak Ridge. Frontier est le premier système informatique à briser la barrière exascale, ce qui signifie qu’il est capable de calculer au moins un milliard de milliards (également connu sous le nom de quintillion ou 1018) d’opérations par seconde, et est actuellement classé comme le supercalculateur le plus puissant au monde.
À l’aide de ces machines exceptionnellement rapides, l’équipe pourra ajouter de nouvelles connaissances et informations sur la réponse du sol et l’interaction sol-structure obtenues grâce aux expériences Soil Box dans leurs modèles à grande échelle existants. L’objectif de longue date de la modélisation de la rupture à la structure devient maintenant une réalité informatique. Leurs simulations seront ensuite mises à la disposition du public par le biais de la base de données de simulations en libre accès du Pacific Earthquake Engineering Research (PEER). PEER est un centre de recherche multi-institutions axé sur l’ingénierie parasismique basée sur la performance, dirigé par UC Berkeley.
« Une partie de notre plan est d’être en mesure d’améliorer les ensembles de données disponibles sur les mouvements sismiques mesurés avec nos mouvements simulés très denses et très détaillés et de mettre ces mouvements à la disposition des vastes communautés scientifiques et d’ingénierie sismiques », a expliqué McCallen, qui est également le directeur de l’Université du Nevada, Reno’s Center for Civil Earthquake Engineering Research. « Et nous allons donc collaborer avec PEER, qui a une longue histoire et l’infrastructure nécessaire pour fournir un accès ouvert aux mouvements du sol sismiques enregistrés afin qu’ils puissent les partager librement avec l’ensemble de la communauté au profit de tous. Parce que tout le monde n’a pas une séance Frontier sur leur bureau. »