Les tremblements de terre massifs de la semaine dernière dans le sud de la Californie ont fermé l'hôpital régional de Ridgecrest tout au long du week-end férié du 4 juillet tandis que la petite ville de Ridgecrest a évalué les dégâts. Un nouveau capteur optique développé au Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) pourrait accélérer le temps nécessaire pour évaluer si des bâtiments critiques comme ceux-ci peuvent être occupés en toute sécurité peu de temps après un tremblement de terre majeur.

La technologie, qui capture et transmet de manière autonome des données décrivant le déplacement relatif entre deux étages adjacents d'un bâtiment tremblant, est capable de fournir des informations fiables sur les dommages causés au bâtiment immédiatement après un tremblement de terre, et pourrait accélérer les efforts pour évaluer en toute sécurité, réparation, et réoccuper les bâtiments après le séisme.

Scientifiques et ingénieurs du Berkeley Lab, Laboratoire national Lawrence Livermore, et l'Université du Nevada-Reno a commencé à travailler à la conception d'une méthode optique de mesure de la dérive entre les étages dans les bâtiments en 2015. Après quatre ans de recherches approfondies évaluées par des pairs et de tests de simulation au Laboratoire d'ingénierie sismique de l'Université du Nevada, le capteur de position à diode discrète (DDPS) sera déployé pour la première fois cet été dans un bâtiment à plusieurs étages du laboratoire Berkeley, adjacent à la faille Hayward, considérée comme l'une des failles les plus dangereuses des États-Unis.

"Jusqu'à maintenant, il n'y avait aucun moyen de mesurer avec précision et directement la dérive entre les histoires de construction, qui est un paramètre clé pour évaluer la demande sismique dans un bâtiment, " a déclaré David McCallen, chercheur principal à la Division des géosciences énergétiques du Berkeley Lab et membre du corps professoral de l'Université du Nevada, qui dirige la collaboration de recherche.

Le lancement du DDPS intervient alors que les gouvernements à tous les niveaux font de l'inspection et de la réoccupation des bâtiments après le séisme un axe central de la planification de l'intervention, et alors que la prochaine génération très attendue de connectivité à distance, la 5G, devient une réalité pour une transmission rapide des données. « Nous sommes ravis que cette technologie de capteur soit maintenant prête pour les essais sur le terrain, à un moment où les stratégies d'intervention post-séisme ont évolué pour donner la priorité à la sécurité, fonctionnalité continue du bâtiment et réoccupation en plus de « la sécurité des personnes, '", a déclaré McCallen.

L'optique fait une différence dans la surveillance de la santé structurelle sismique

La mesure de la dérive entre les étages des bâtiments a été un facteur dans l'évaluation des dommages post-séisme des bâtiments pendant un certain temps, Pourtant, trouver une méthode fiable pour le faire a été semé d'embûches. Traditionnellement, les ingénieurs ont monté des accéléromètres sismiques à fort mouvement à des altitudes sélectionnées pour sécuriser les données sur la force de va-et-vient et d'un côté à l'autre imposée à un bâtiment en mouvement. Mais le traitement des données d'accélération de ces instruments pour obtenir les déplacements de dérive du bâtiment est très difficile en raison des limitations de fréquence des capteurs, en particulier lorsque les bâtiments ont subi des déplacements permanents associés à des dommages. Il est encore plus difficile de recevoir des données suffisamment rapidement pour éclairer la prise de décision sur la continuité des opérations et la sécurité des occupants. En outre, parce que l'instrumentation typique basée sur un accéléromètre de bâtiment peut être assez coûteuse, les systèmes ont tendance à être très clairsemés avec des accéléromètres sur relativement peu de bâtiments.

Le DDPS exploite une nouvelle alternative prometteuse pour mesurer directement la dérive entre les étages des bâtiments qui combine des faisceaux laser avec des capteurs optiques. Cette technique consiste à projeter une lumière laser sur une hauteur d'étage pour détecter la position à laquelle la lumière frappe un détecteur situé sur le sol du bâtiment adjacent afin de mesurer directement la dérive structurelle. L'outil développé au Berkeley Lab repose sur l'utilisation d'une source laser et d'un détecteur sensible à la position. En utilisant un réseau géométrique de petits, photodiodes photosensibles bon marché, le capteur est capable de suivre instantanément la position d'un faisceau laser incident.

« Les générations précédentes de DDPS étaient un peu plus volumineuses que le système que nous sommes maintenant en mesure de déployer, " dit McCallen. " Sur la base des progrès de la conception et des leçons apprises, le capteur est un quart de la taille de notre conception de capteur d'origine, mais comporte 92 diodes décalées dans un réseau rectangulaire de sorte que le faisceau laser soit toujours sur une ou plusieurs diodes. »

Jusque là, Le DDPS a organisé jusqu'à trois séries de tests expérimentaux rigoureux sur table à secousses.

« Les tests rigoureux auxquels le DDPS a été soumis indiquent comment les déplacements de dérive mesurés sur les trois bancs d'essai par rapport aux dérives représentatives qui pourraient être obtenues sur un bâtiment réel à grande échelle subissant de fortes secousses à la suite d'un tremblement de terre, " a déclaré McCallen.

Pourquoi DDPS est intelligent pour les villes

La ville la plus peuplée touchée par les tremblements de terre dans le sud de la Californie au début du mois était Ridgecrest elle-même, une ville de 29, 000 qui se trouve à l'épicentre d'un séisme de magnitude 7,1 qui a eu lieu le 5 juillet. Même s'il s'agit d'un petit centre de population, les estimations des dommages aux bâtiments sont toujours de l'ordre de 100 millions de dollars.

Si un tremblement de terre de cette magnitude frappait Los Angeles à 150 miles au sud de la minuscule Ridgecrest, ou San Francisco, près de 400 milles au nord, littéralement des centaines à des milliers de bâtiments seraient en jeu pour les dommages. Dans ce scénario, la capacité de mesurer et d'afficher les informations clés sur la dérive entre les étages immédiatement après un tremblement de terre fournirait de nouvelles données essentielles pour prendre des décisions éclairées sur l'occupation du bâtiment - en donnant aux premiers intervenants des informations pour aider à guider leurs efforts pour évacuer un bâtiment, et les municipalités le potentiel de maintenir l'utilisation fonctionnelle d'installations importantes telles que les hôpitaux.

En outre, comprendre le profil de dérive d'un bâtiment permettrait de déterminer rapidement le potentiel de dommages au bâtiment, indiquer aux inspecteurs en bâtiment où chercher les dommages potentiels. Ce sera une capacité importante pour aller au-delà des inspections manuelles fastidieuses et difficiles de centaines de bâtiments après le prochain séisme urbain majeur.

McCallen a noté, « Les tremblements de terre majeurs qui ont frappé le sud de la Californie la semaine dernière rappellent les risques associés à l'activité sismique dans de nombreuses régions des États-Unis. y compris une capacité à fournir les capteurs et l'analyse des données qui peuvent mesurer rapidement la santé de l'infrastructure et informer la réponse la plus efficace après le prochain séisme majeur. »