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 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."

Une nouvelle voie pour les tests en situation réelle

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. The soil container has 19 layers, called laminates, that are each supported on elastomeric (rubber-like) bearings so that soil layers can move relative to each other like soil does during actual earthquakes. The system can displace and accelerate 350 tons of soil—and the structure on top—in two horizontal directions simultaneously with the same force as a strong earthquake, and is so powerful that the designers had to build in safeguards to prevent it from destroying itself during experiments. The hydraulics are controlled by custom software and the box is equipped with a suite of sensors so that the scientists can gather detailed datasets to feed into their computer simulations.

"A soil box and shake table of this size and complexity are not something you order from an online catalog. There are very few organizations or companies with the knowledge and expertise to do this, so we decided to do it ourselves with our own expertise and resources," said Buckle. "This design not only allows us to work with large-scale structural models that can be placed on top of the soil, but also the large-scale allows more realistic soil properties to be modeled."

Once operational, the facility will become a resource for DOE researchers focused on seismic safety as well as scientists across academia and industry. James McConnell, Associate Principal Deputy Administrator in DOE's National Nuclear Security Administration, said, "It's important for DOE and NNSA to invest in this work to ensure that the large, complicated, one-of-a-kind facilities we build are designed to protect the country's research, defense, and energy-generation needs, but the findings have an added benefit of helping engineers and architects in industry and the private sector build a wide range of earthquake-resilient structures."

Leveraging a new generation of supercomputers

Current models of earthquake properties rely on approximations and simplifications due, in part, to the lack of real-world data on the fundamental physics involved, but also because very few computers on the planet are actually capable of running earthquake simulations at the fidelity required to perform infrastructure damage assessments. That's why McCallen and his EQSIM colleagues have been using the Summit supercomputer at Oak Ridge National Laboratory and the Perlmutter supercomputer at Berkeley Lab to develop very large, detailed models—like their simulations of the San Francisco Bay Area for M7 Hayward fault earthquakes—which has 391 billion model grid points.

They will also soon start working on an even more capable platform—the newly launched Frontier supercomputer, also at Oak Ridge. Frontier is the first computer system to break the exascale barrier, meaning that it is capable of calculating at least a billion billion (also known as a quintillion, or 10 ¹⁸ ) operations per second, and is currently ranked as the world's most powerful supercomputer.

Using these exceptionally fast machines, the team will be able to add new insight and information on soil response and soil-structure interaction gained from the Soil Box experiments into their existing large-scale models. The longstanding goal of rupture-to-structure modeling is now becoming a computational reality. Their simulations will then be made available to the public through the Pacific Earthquake Engineering Research (PEER) Center's open-access database of simulations. PEER is a multi-institution research center focused on performance-based earthquake engineering, led by UC Berkeley.

"Part of our plan is to be able to enhance the available data sets of measured earthquake motions with our very dense, very detailed simulated motions and make these motions available to the broad earthquake science and engineering communities," explained McCallen, who is also the director the University of Nevada, Reno's Center for Civil Earthquake Engineering Research. "And so we will collaborate with PEER, which has a long history and necessary infrastructure for providing open access to recorded earthquake ground motions so that they can share them freely with the entire community to the benefit of all. Because not everybody has a Frontier sitting on their desk." + Explorer plus loin

Hayward fault earthquake simulations increase fidelity of ground motions