Avec une résolution sans précédent, des scientifiques et des ingénieurs simulent précisément comment un tremblement de terre de grande ampleur le long de la faille Hayward affecterait différents emplacements et bâtiments dans la région de la baie de San Francisco.

Une équipe du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et du Lawrence Livermore National Laboratory, les deux laboratoires nationaux du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), exploite de puissants superordinateurs pour représenter l'impact des mouvements du sol à haute fréquence sur des milliers de bâtiments représentatifs de différentes tailles répartis dans la région de Californie.

Leur travail, qui fait partie du projet Exascale Computing du DOE, est important pour montrer comment les différentes fréquences d'ondes sismiques du mouvement du sol affectent les structures de différentes tailles. Le mouvement du sol à basse fréquence est connu pour affecter des structures plus grandes et est plus facile à reproduire par simulation informatique. Les petites structures comme les maisons sont plus vulnérables aux secousses à haute fréquence, ce qui nécessite un calcul plus avancé pour simuler.

Les chercheurs présentent trois articles scientifiques décrivant leurs récentes simulations lors de la Conférence nationale américaine sur le génie sismique (NCEE) de cette semaine, une réunion tenue tous les quatre ans par le Earthquake Engineering Research Institute. Une simulation a été effectuée la semaine dernière à l'aide du supercalculateur Cori du Centre scientifique national de recherche sur l'énergie (NERSC) de Berkeley Lab pour simuler les secousses du sol à haute fréquence (5 hertz).

David McCallen, un scientifique principal dans le domaine des sciences de la Terre et de l'environnement au Berkeley Lab, explique que leurs simulations permettent aux scientifiques d'avoir une image plus réaliste de l'impact qu'aurait un tremblement de terre majeur sur une région.

« Historiquement, les experts sismiques ont utilisé des preuves empiriques de tremblements de terre précédents pour évaluer l'aléa et le risque de tremblement de terre à l'échelle régionale, " a déclaré McCallen. " Bien qu'important, les données sur les caractéristiques des mouvements du sol et les dommages structurels résultants extrapolés à partir d'un tremblement de terre qui s'est produit à l'autre bout du monde ne sont que si utiles pour améliorer notre compréhension de la capacité de notre infrastructure californienne à supporter le stress sismique. »

Lors de la conférence NCEE qui a lieu à Los Angeles cette semaine, l'équipe décrira les récents progrès de la simulation indiquant que l'ampleur de l'événement et le déplacement du sol sont positivement corrélés ; que deux bâtiments ayant le même nombre d'étages distants de 2,4 milles et équidistants de la ligne de faille pourraient subir des dommages à un degré très différent ; et que les bâtiments de trois étages sont moins sensibles que les bâtiments de 40 étages à l'augmentation significative du mouvement du sol sur une longue période (dépassant 1 seconde) qui accompagnerait un tremblement de terre de grande magnitude.

Au laboratoire de Berkeley, McCallen dirige un programme axé sur l'intégration de technologies avancées et d'analyse de données pour permettre une conception sismique tenant compte des risques des infrastructures critiques, tels que les ponts et le réseau électrique. Il dit que la capacité de produire une telle haute résolution, les simulations basées sur la physique, comme l'équipe l'a fait sur le système Cori, représentent une ère de transformation en cours pour évaluer le risque sismique (mouvement du sol) et le risque qui en résulte (dommages aux bâtiments) à l'échelle régionale.

Parce qu'il traverse l'East Bay, la sous-région la plus peuplée de la région de la baie de San Francisco, la faille Hayward est considérée comme l'une des failles les plus dangereuses des États-Unis. La faille n'a pas généré de tremblement de terre majeur depuis 1868, une source d'inquiétude pour les experts qui citent des preuves soutenant l'idée que la faille East Bay est en retard pour un tremblement de terre majeur.

Les chercheurs du laboratoire national ont tiré parti de la puissance de supercalcul de Cori pour simuler les mouvements du sol sur une large gamme de fréquences, qui sont ensuite utilisés dans un deuxième programme informatique pour construire la réponse, quantifier le risque sismique pour les structures représentatives du bâtiment à l'échelle régionale. Un total de 9, 600 simulations dynamiques structurelles ont été utilisées et analysées pour étudier la variation du risque sur un domaine de 100 kilomètres sur 50 kilomètres pour deux événements :un de magnitude 6,5, et un autre de magnitude 7.

Un facteur critique affectant les dommages causés aux bâtiments et aux structures par les tremblements de terre est la fréquence des ondes sismiques, ou la vitesse à laquelle une onde de tremblement de terre se répète chaque seconde. À cause de ce, des chercheurs, dont Anders Petersson, informaticien de Livermore Lab, et le sismologue Arthur Rodgers, ont travaillé avec Hans Johansen de Berkeley Lab pour faire progresser le code SW4 existant. Ce code a été développé à l'origine par Petersson pour simuler la propagation des ondes sismiques en trois dimensions.

« En travaillant en étroite collaboration avec l'équipe des opérations du NERSC lors d'une simulation la semaine dernière, nous avons utilisé essentiellement toute la machine Cori-8, 192 nœuds, et 524, 288 cœurs—pour exécuter une analyse sans précédent de 5 hertz de toute la région de la baie de San Francisco pour un séisme de magnitude 7 sur la faille Hayward. La course a été exécutée en 9 heures et 11 minutes de temps d'horloge murale, " a déclaré McCallen. " Les développements de code nécessaires pour cette exécution nous rapprochent de notre objectif ultime d'une application exascale complète. "

Le fait que les bâtiments réagissent différemment à certaines fréquences d'ondes sismiques en fonction de leur taille a été mis en évidence par les simulations les plus récentes de tremblements de terre de forte amplitude le long de la faille Hayward. Ceux-ci ont montré une augmentation du potentiel de dommages pour le bâtiment de 40 étages - plus que pour le bâtiment de trois étages - car le séisme a augmenté de magnitude de 6,5 à 7 à 5 hertz en raison de l'augmentation significative du mouvement du sol à des périodes de vibration plus longues. D'autres résultats indiquent que le mouvement du sol et le potentiel de dommages structurels pourraient varier entre les sites relativement proches.

Leurs simulations ont montré que deux bâtiments avec le même nombre d'étages à égale distance de la ligne de faille et à seulement 3 miles environ l'un de l'autre peuvent avoir un potentiel de dommages substantiellement différent en raison des différences dans lesquelles les ondes sismiques émanant de la faille fusionnent. Les bâtiments à proximité de la rupture de faille et de la zone de directivité de rupture de faille se sont avérés plus à risque de dommages causés par les tremblements de terre, et il a été démontré que le déplacement permanent du sol associé au glissement de faille augmentait avec l'ampleur de l'événement.

Sans les ressources informatiques du NERSC permettant d'exécuter ces scénarios d'événements sismiques pour autant d'emplacements et de structures à une résolution aussi élevée si rapidement, il ne serait pas possible de produire des représentations aussi précises des risques structurels propres au site. Les chercheurs pensent que des représentations physiques aussi précises du potentiel de dommages fourniront en fin de compte une image plus précise et plus complète de l'interaction entre le mouvement sismique du sol et les dommages structurels.

« Les simulations peuvent à la fois accroître la compréhension et réduire les incertitudes concernant les processus très complexes en jeu dans la science et l'ingénierie des tremblements de terre, " a déclaré McCallen. " Il est devenu clair que notre capacité à évaluer avec précision les dangers et les risques de tremblement de terre à l'échelle régionale peut bénéficier de simulations basées sur la physique qui nous permettent de décrire l'impact de la sismicité sur le mouvement du sol et les structures spécifiques au site dans les zones les plus vulnérables à ces événements potentiellement dévastateurs."

« C'est une période passionnante pour les communautés des sciences et de l'ingénierie. Grâce au projet Exascale du DOE, nous allons développer l'écosystème de calcul et accéder à des ordinateurs suffisamment grands et rapides pour exécuter ces types de calculs intensifs en calcul, " il ajouta.