Para asegurarnos de que nuestros edificios e infraestructura sean a prueba de terremotos, debemos entender cómo la actividad sísmica afecta las diferentes estructuras. Los modelos en miniatura y las observaciones históricas son útiles, pero solo rascan la superficie para comprender y cuantificar un evento geológico tan poderoso y de gran alcance como un gran terremoto.

Dos grandes esfuerzos de investigación buscan llenar los vacíos y proporcionar recursos para que los investigadores e ingenieros estudien los terremotos en todas las escalas, desde el inicio de las ondas sísmicas en el sitio de ruptura de la falla en las profundidades subterráneas, hasta las interacciones entre el suelo en movimiento y las estructuras individuales en la superficie.

El primer esfuerzo es una instalación experimental para estudios del mundo real sobre cómo el suelo alrededor de una estructura influye en su desempeño durante un terremoto. El suelo debajo de nosotros puede parecer sólido, pero las vibraciones pueden volverlo inestable rápidamente. Esto se debe a que los suelos están compuestos de capas complejas de rocas y partículas minerales de diferentes tamaños con diferentes niveles de humedad, cada una de las cuales responde de manera diferente a la actividad sísmica. Durante un terremoto, los movimientos de los edificios están dictados por interacciones específicas del sitio entre estas capas de suelo y la dirección y fuerza de las vibraciones. Ahora casi completo después de más de cinco años de diseño y construcción, el sistema de caja de suelo laminar a gran escala será la instalación más grande de los EE. UU. para estudiar estas interacciones, y comparable en tamaño a la más grande del mundo.

La instalación es una colaboración entre la Universidad de Nevada, Reno (Universidad) y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab). Consiste en un contenedor de suelo con capacidad para 350 toneladas montado sobre una base hidráulica que puede replicar la sacudida con hasta un millón y cuarto de libras de fuerza. La instalación se inaugurará con un evento de demostración de celebración en la Universidad el 15 de septiembre.

Los estudios realizados con Soil Box System proporcionarán datos para el otro esfuerzo, EQSIM:una colaboración continua entre científicos de Berkeley Lab, Lawrence Livermore National Laboratory y la Universidad para desarrollar simulaciones de terremotos realistas y muy detalladas utilizando las supercomputadoras del DOE.

"Estos proyectos son sinérgicos. El Sistema Soil Box nos está ayudando a comprender y refinar cómo modelar la compleja interacción entre el suelo y una estructura. Nuestro objetivo es hacer modelos realistas de interacciones específicas, por ejemplo, lo que le sucede a un edificio de 20 pisos". edificio muy cerca de la falla de Hayward en California durante un terremoto de gran magnitud, y agregarlos a nuestras simulaciones a gran escala existentes", dijo David McCallen, científico principal en el Área de Ciencias Ambientales y de la Tierra de Berkeley Lab y líder de EQSIM. "Queremos modelar todo el camino desde la ruptura de la falla a través del suelo hasta la estructura para ver cómo responderán los edificios y otras infraestructuras en toda una región".

Una nueva vía para las pruebas en el mundo real

El proyecto de caja de suelo se lanzó en 2015 debido a la necesidad de salvaguardar los edificios del Departamento de Energía que contienen instrumentos científicos sensibles contra cualquier posible escenario de terremoto. "Fue impulsado por lo poco que sabíamos sobre la forma en que el suelo que rodea los cimientos de un edificio afecta su desempeño durante un terremoto", dijo el investigador principal de Soil Box System, Ian Buckle, profesor de la Fundación en el Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental de la Universidad. "Para edificios sobre cimientos poco profundos, probablemente no haya mucho efecto. Pero para aquellos con cimientos más profundos, como instalaciones nucleares y puentes de gran envergadura, la respuesta es quizás mucho".

El equipo de diseño, dirigido por Buckle y sus colegas profesores universitarios Sherif Elfass y Patrick Laplace, ideó y fabricó el sistema para tener el contenedor de suelo más grande posible, de modo que las estructuras representativas pudieran colocarse encima. Se formó un comité de gestión para ayudar a guiar al equipo a través de este desafiante proyecto. Además de los mencionados anteriormente, el comité también estuvo integrado por los profesores universitarios Ramin Motamed y Raj Siddharthan.

La caja de 15 pies de alto y 21,5 pies de ancho se asienta sobre una plataforma vibratoria cuadrada de 24 pies controlada por 16 actuadores hidráulicos. El contenedor de suelo tiene 19 capas, llamadas laminados, cada una de las cuales está soportada sobre cojinetes elastoméricos (similares al caucho) para que las capas de suelo puedan moverse entre sí como lo hace el suelo durante los terremotos reales. El sistema puede desplazar y acelerar 350 toneladas de suelo, y la estructura en la parte superior, en dos direcciones horizontales simultáneamente con la misma fuerza que un fuerte terremoto, y es tan poderoso que los diseñadores tuvieron que construir medidas de seguridad para evitar que se destruya a sí mismo durante experimentos El sistema hidráulico está controlado por un software personalizado y la caja está equipada con un conjunto de sensores para que los científicos puedan recopilar conjuntos de datos detallados para alimentar sus simulaciones por computadora.

"Una caja de tierra y una mesa vibratoria de este tamaño y complejidad no son algo que se pide de un catálogo en línea. Hay muy pocas organizaciones o empresas con el conocimiento y la experiencia para hacer esto, así que decidimos hacerlo nosotros mismos con nuestra propia experiencia y recursos", dijo Buckle. "Este diseño no solo nos permite trabajar con modelos estructurales a gran escala que se pueden colocar sobre el suelo, sino que también a gran escala permite modelar propiedades del suelo más realistas".

Una vez que esté operativa, la instalación se convertirá en un recurso para los investigadores del DOE centrados en la seguridad sísmica, así como para los científicos de la academia y la industria. James McConnell, administrador adjunto principal asociado de la Administración Nacional de Seguridad Nuclear del DOE, dijo:"Es importante que el DOE y la NNSA inviertan en este trabajo para garantizar que las instalaciones grandes, complicadas y únicas que construimos estén diseñadas para proteger las necesidades de investigación, defensa y generación de energía del país, pero los hallazgos tienen el beneficio adicional de ayudar a los ingenieros y arquitectos en la industria y el sector privado a construir una amplia gama de estructuras resistentes a los terremotos".

Aprovechando una nueva generación de superordenadores

Los modelos actuales de las propiedades de los terremotos se basan en aproximaciones y simplificaciones debido, en parte, a la falta de datos del mundo real sobre la física fundamental involucrada, pero también porque muy pocas computadoras en el planeta son capaces de ejecutar simulaciones de terremotos con la fidelidad requerida para realizar evaluaciones de daños a la infraestructura. Es por eso que McCallen y sus colegas de EQSIM han estado utilizando la supercomputadora Summit en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge y la supercomputadora Perlmutter en el Laboratorio de Berkeley para desarrollar modelos muy grandes y detallados, como sus simulaciones del Área de la Bahía de San Francisco para los terremotos de falla M7 Hayward, que ha 391 mil millones de puntos de cuadrícula modelo.

Pronto también comenzarán a trabajar en una plataforma aún más capaz:la supercomputadora Frontier recientemente lanzada, también en Oak Ridge. Frontier es el primer sistema informático en romper la barrera de la exaescala, lo que significa que es capaz de calcular al menos un billón de billones (también conocido como quintillón o 10 ¹⁸ ) operaciones por segundo, y actualmente está clasificada como la supercomputadora más poderosa del mundo.

Usando estas máquinas excepcionalmente rápidas, el equipo podrá agregar nuevos conocimientos e información sobre la respuesta del suelo y la interacción suelo-estructura obtenida de los experimentos de Soil Box en sus modelos existentes a gran escala. El objetivo de larga data del modelado de ruptura a estructura ahora se está convirtiendo en una realidad computacional. Sus simulaciones se pondrán a disposición del público a través de la base de datos de simulaciones de acceso abierto del Centro de Investigación de Ingeniería de Terremotos del Pacífico (PEER). PEER es un centro de investigación de varias instituciones centrado en la ingeniería sísmica basada en el rendimiento, dirigido por UC Berkeley.

"Parte de nuestro plan es poder mejorar los conjuntos de datos disponibles de movimientos sísmicos medidos con nuestros movimientos simulados muy densos y detallados y poner estos movimientos a disposición de las comunidades de ingeniería y ciencia de terremotos en general", explicó McCallen, quien también es el director del Centro de Investigación de Ingeniería Civil de Terremotos de la Universidad de Nevada, Reno. "Entonces, colaboraremos con PEER, que tiene una larga historia y la infraestructura necesaria para brindar acceso abierto a los movimientos terrestres de terremotos registrados para que puedan compartirlos libremente con toda la comunidad en beneficio de todos. Porque no todos tienen un Frontier sentado". en su escritorio". + Explora más

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