Con una resolución sin precedentes, Los científicos e ingenieros están simulando con precisión cómo un terremoto de gran magnitud a lo largo de la falla de Hayward afectaría diferentes ubicaciones y edificios en el Área de la Bahía de San Francisco.

Un equipo del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, ambos laboratorios nacionales del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), está aprovechando poderosas supercomputadoras para retratar el impacto del movimiento del suelo de alta frecuencia en miles de edificios representativos de diferentes tamaños repartidos por la región de California.

Su trabajo, que forma parte del Proyecto de Computación a exaescala del DOE, es importante para mostrar cómo las diferentes frecuencias de ondas sísmicas del movimiento del suelo afectan las estructuras de varios tamaños. Se sabe que el movimiento del suelo de baja frecuencia afecta a estructuras más grandes y es más fácil de replicar mediante simulación por computadora. Las estructuras pequeñas, como las casas, son más vulnerables a las sacudidas de alta frecuencia. que requiere computación más avanzada para simular.

Los investigadores están presentando tres artículos científicos que describen sus simulaciones recientes en la Conferencia Nacional de Ingeniería Sísmica de Estados Unidos (NCEE) de esta semana, una reunión celebrada cada cuatro años por el Instituto de Investigación de Ingeniería Sísmica. La semana pasada se realizó una simulación utilizando la supercomputadora Cori en el Centro Científico de Investigación de Energía Nacional (NERSC) de Berkeley Lab para simular temblores de tierra de alta frecuencia (5 hertz).

David McCallen, un científico senior en el Área de Ciencias de la Tierra y el Medio Ambiente en Berkeley Lab, explica que sus simulaciones permiten a los científicos obtener una imagen más realista del impacto que tendría un gran terremoto en una región.

"Históricamente, Los expertos en sísmica han utilizado evidencia empírica de terremotos anteriores para evaluar el peligro y el riesgo de terremotos a escala regional. ", dijo McCallen." Si bien es importante, los datos sobre las características del movimiento del suelo y el daño estructural resultante extrapolados de un terremoto que ocurrió en la mitad del mundo son sólo de ayuda para mejorar nuestra comprensión de qué tan bien nuestra infraestructura de California podría soportar el estrés sísmico ".

En la conferencia NCEE que tendrá lugar en Los Ángeles esta semana, el equipo describirá los avances de simulación recientes que indiquen que la magnitud del evento y el desplazamiento del suelo están correlacionados positivamente; que dos edificios con el mismo número de pisos separados por 2.4 millas y equidistantes a la línea de falla podrían sufrir daños en un grado muy diferente; y que los edificios de tres pisos son menos sensibles que los edificios de 40 pisos al aumento significativo en el movimiento del suelo durante un período prolongado (superior a 1 segundo) que acompañaría a un terremoto de gran magnitud.

En Berkeley Lab, McCallen lidera un programa centrado en la integración de tecnologías avanzadas y análisis de datos para permitir el diseño sísmico de infraestructura crítica basado en riesgos. como puentes y la red eléctrica. Dice que la capacidad de producir una resolución tan alta, Las simulaciones basadas en la física, como lo ha hecho el equipo en el sistema Cori, representan una era de transformación que ahora está en marcha para evaluar el peligro de terremoto (movimiento del suelo) y el riesgo resultante (daños en el edificio) a escala regional.

Porque atraviesa East Bay, la subregión más poblada del Área de la Bahía de San Francisco, la falla de Hayward se considera una de las fallas más peligrosas de los Estados Unidos. La falla no ha generado un gran terremoto desde 1868, una fuente de preocupación para los expertos que citan evidencia que apoya la idea de que la falla de East Bay está atrasada por un gran terremoto.

Los investigadores del laboratorio nacional aprovecharon el poder de supercomputación de Cori para simular los movimientos del suelo en una amplia gama de frecuencias. que luego se utilizan en un segundo programa de computadora para construir la respuesta, cuantificar el riesgo sísmico de estructuras de edificios representativas a escala regional. Un total de 9, Se emplearon y analizaron 600 simulaciones dinámicas estructurales para estudiar la variación del riesgo en un dominio de 100 kilómetros por 50 kilómetros para dos eventos:uno de magnitud 6.5, y otro de magnitud 7.

Un factor crítico que afecta los daños causados ​​por terremotos en edificios y estructuras es la frecuencia de las ondas sísmicas, o la velocidad a la que se repite una onda sísmica cada segundo. Debido a esto, Investigadores, incluido el científico computacional de Livermore Lab, Anders Petersson, y el sismólogo Arthur Rodgers, han estado trabajando con Hans Johansen de Berkeley Lab para avanzar en el código SW4 existente. Este código fue desarrollado originalmente por Petersson para simular la propagación de ondas sísmicas tridimensionales.

"Mientras trabajaba en estrecha colaboración con el equipo de operaciones de NERSC en una simulación la semana pasada, utilizamos esencialmente toda la máquina Cori:8, 192 nodos, y 524, 288 núcleos:para ejecutar una corrida sin precedentes de 5 hercios de toda la región del Área de la Bahía de San Francisco para un terremoto de magnitud 7 en la falla de Hayward. La carrera se ejecutó en 9 horas y 11 minutos de tiempo de reloj de pared, ", dijo McCallen." Los desarrollos de código necesarios para esta ejecución nos están moviendo hacia nuestro objetivo final de una aplicación completa a exaescala ".

El hecho de que los edificios respondan de manera diferente a ciertas frecuencias de ondas sísmicas en función de su tamaño fue evidenciado por las simulaciones más recientes de terremotos de gran magnitud a lo largo de la falla de Hayward. Estos mostraron un aumento en el potencial de daño para el edificio de 40 pisos, más que para el edificio de tres pisos, ya que el terremoto aumentó en magnitud de 6.5 a 7 a 5 hercios debido al aumento significativo en el movimiento del suelo en períodos más largos de vibración. Otros resultados indican que el movimiento del suelo y el potencial de daño estructural podrían variar entre sitios relativamente cercanos.

Sus simulaciones mostraron que dos edificios con el mismo número de pisos equidistantes de la línea de falla y solo aproximadamente a 3 millas de distancia pueden tener un potencial de daño sustancialmente diferente debido a las diferencias en las que las ondas sísmicas que emanan de la falla se fusionan. Se encontró que los edificios cercanos a la ruptura de la falla y la zona de directividad de ruptura de la falla tenían un mayor riesgo de sufrir daños por los terremotos, y se demostró que el desplazamiento permanente del suelo asociado con el deslizamiento de fallas aumenta con la magnitud del evento.

Sin los recursos informáticos de NERSC que hacen posible ejecutar estos escenarios de eventos sísmicos para tantas ubicaciones y estructuras a una resolución tan alta tan rápidamente, no sería posible producir descripciones de riesgo estructural tan precisas en un lugar específico. Los investigadores creen que tales representaciones precisas basadas en la física del potencial de daños proporcionarán en última instancia una imagen más precisa y completa de la interacción entre el movimiento sísmico del suelo y el daño estructural.

"Las simulaciones pueden aumentar la comprensión y reducir las incertidumbres sobre los procesos muy complejos en juego en la ciencia y la ingeniería de terremotos, ", dijo McCallen." Está claro que nuestra capacidad para evaluar con precisión el peligro y el riesgo de terremotos a escala regional puede beneficiarse de simulaciones basadas en la física que nos permiten representar el impacto de la sismicidad en el movimiento del suelo y las estructuras específicas del sitio en las áreas más vulnerables. a estos eventos potencialmente devastadores ".

"Es un momento emocionante para las comunidades de ciencia e ingeniería. A través del Proyecto Exascale del DOE, desarrollaremos el ecosistema computacional y obtendremos acceso a computadoras que son lo suficientemente grandes y rápidas para ejecutar este tipo de cálculos computacionalmente intensivos, "añadió.