Con una risoluzione senza precedenti, scienziati e ingegneri stanno simulando con precisione come un terremoto di grande magnitudo lungo la faglia di Hayward colpirebbe diversi luoghi ed edifici nell'area della baia di San Francisco.

Un team del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e del Lawrence Livermore National Laboratory, entrambi i laboratori nazionali del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), sta sfruttando potenti supercomputer per rappresentare l'impatto del movimento del suolo ad alta frequenza su migliaia di edifici rappresentativi di diverse dimensioni sparsi in tutta la regione della California.

Il loro lavoro, parte dell'Exascale Computing Project del DOE, è importante per mostrare come le diverse frequenze delle onde sismiche del movimento del suolo influenzino strutture di varie dimensioni. È noto che il movimento del suolo a bassa frequenza influisce su strutture più grandi ed è più facile da replicare mediante simulazione al computer. Piccole strutture come le case sono più vulnerabili agli scuotimenti ad alta frequenza, che richiede un calcolo più avanzato per simulare.

I ricercatori presentano tre articoli scientifici che descrivono le loro recenti simulazioni alla Conferenza nazionale degli Stati Uniti sull'ingegneria sismica (NCE) di questa settimana. un incontro tenuto ogni quattro anni dal Earthquake Engineering Research Institute. Una simulazione è stata eseguita la scorsa settimana utilizzando il supercomputer Cori presso il National Energy Research Scientific Center (NERSC) del Berkeley Lab per simulare lo scuotimento del terreno ad alta frequenza (5 hertz).

David McCallen, uno scienziato senior nell'area di scienze della terra e dell'ambiente presso il Berkeley Lab, spiega che le loro simulazioni consentono agli scienziati di ottenere un quadro più realistico dell'impatto che un forte terremoto avrebbe su una regione.

"Storicamente, esperti sismici hanno utilizzato prove empiriche di precedenti terremoti per valutare la pericolosità e il rischio sismico su scala regionale, " ha detto McCallen. "Anche se importante, i dati sulle caratteristiche del movimento del suolo e sui conseguenti danni strutturali estrapolati da un terremoto che si è verificato dall'altra parte del mondo sono solo così utili per migliorare la nostra comprensione di quanto bene la nostra infrastruttura californiana possa sopportare lo stress sismico".

Alla conferenza NCEE che si terrà a Los Angeles questa settimana, il team descriverà i recenti progressi della simulazione indicando che la magnitudo dell'evento e lo spostamento del suolo sono correlati positivamente; che due edifici con lo stesso numero di piani a 2,4 miglia di distanza ed equidistanti dalla linea di faglia potrebbero subire danni in misura molto diversa; e che gli edifici a tre piani sono meno sensibili degli edifici a 40 piani al significativo aumento del movimento del suolo di lungo periodo (superiore a 1 secondo) che accompagnerebbe un terremoto di grande magnitudo.

Al Berkeley Lab, McCallen guida un programma incentrato sull'integrazione di tecnologie avanzate e analisi dei dati per consentire la progettazione sismica informata sul rischio di infrastrutture critiche, come i ponti e la rete elettrica. Dice che la capacità di produrre una risoluzione così alta, le simulazioni basate sulla fisica, come ha fatto il team sul sistema Cori, rappresentano un'era di trasformazione ora in corso per valutare il rischio sismico (movimento del suolo) e il rischio risultante (danni agli edifici) su scala regionale.

Perché attraversa la East Bay, la sottoregione più popolata della San Francisco Bay Area, la faglia di Hayward è considerata una delle faglie più pericolose degli Stati Uniti. La faglia non ha generato un forte terremoto dal 1868, una fonte di preoccupazione per gli esperti che citano prove a sostegno dell'idea che la faglia della East Bay sia in ritardo per un forte terremoto.

I ricercatori del laboratorio nazionale hanno sfruttato la potenza del supercalcolo di Cori per simulare i movimenti del suolo a un'ampia gamma di frequenze, che vengono poi utilizzati in un secondo programma per computer per costruire la risposta, quantificare il rischio sismico per strutture edilizie rappresentative su scala regionale. Un totale di 9, Sono state impiegate e analizzate 600 simulazioni dinamiche strutturali per studiare la variazione del rischio su un dominio di 100 chilometri per 50 chilometri per due eventi:uno di magnitudo 6.5, e un altro di magnitudo 7.

Un fattore critico che influenza i danni sismici a edifici e strutture è la frequenza delle onde sismiche, o la velocità con cui un'onda sismica si ripete ogni secondo. A causa di ciò, ricercatori tra cui lo scienziato computazionale di Livermore Lab Anders Petersson e il sismologo Arthur Rodgers hanno lavorato con Hans Johansen del Berkeley Lab per far progredire il codice SW4 esistente. Questo codice è stato originariamente sviluppato da Petersson per simulare la propagazione dell'onda sismica tridimensionale.

"Mentre lavoravamo a stretto contatto con il team operativo del NERSC in una simulazione la scorsa settimana, abbiamo usato essenzialmente l'intera macchina Cori—8, 192 nodi, e 524, 288 core, per eseguire una corsa a 5 hertz senza precedenti dell'intera regione della Baia di San Francisco per un terremoto di magnitudo 7 Hayward Fault. La corsa è stata eseguita in 9 ore e 11 minuti di orologio da parete, ", ha affermato McCallen. "Gli sviluppi del codice necessari per questa esecuzione ci stanno portando verso il nostro obiettivo finale di un'applicazione esascala completa".

Il fatto che gli edifici rispondano in modo diverso a determinate frequenze delle onde sismiche in base alle loro dimensioni è stato evidenziato dalle più recenti simulazioni di terremoti di grande magnitudo lungo la faglia di Hayward. Questi hanno mostrato un aumento del potenziale di danno per l'edificio di 40 piani, più che per l'edificio di tre piani, poiché il terremoto è aumentato di magnitudo da 6,5 ​​a 7 a 5 hertz a causa del significativo aumento del movimento del suolo a periodi di vibrazione più lunghi. Altri risultati indicano che il movimento del suolo e il potenziale danno strutturale potrebbero variare tra siti relativamente vicini.

Le loro simulazioni hanno mostrato che due edifici con lo stesso numero di piani equidistanti dalla linea di faglia e solo a circa 3 miglia di distanza possono avere un potenziale di danno sostanzialmente diverso a causa delle differenze in cui le onde sismiche emanate dalla faglia si fondono insieme. Gli edifici in prossimità della zona di direttività di faglia e di direttività di faglia sono risultati essere a maggior rischio di danni da terremoti, ed è stato dimostrato che lo spostamento permanente del suolo associato alla faglia aumenta con la magnitudo dell'evento.

Senza le risorse di calcolo del NERSC che consentono di eseguire questi scenari di eventi sismici per così tante località e strutture a una risoluzione così elevata così rapidamente, non sarebbe possibile produrre rappresentazioni del rischio strutturale così accurate e specifiche per sito. I ricercatori ritengono che tali precise rappresentazioni basate sulla fisica del potenziale di danni forniranno in definitiva un quadro più accurato e completo dell'interazione tra il movimento sismico del suolo e il danno strutturale.

"Le simulazioni possono sia aumentare la comprensione sia ridurre le incertezze sui processi molto complessi in gioco nella scienza e nell'ingegneria dei terremoti, " ha affermato McCallen. "È diventato chiaro che la nostra capacità di valutare accuratamente il rischio e il rischio sismico su scala regionale può trarre vantaggio da simulazioni basate sulla fisica che ci consentono di rappresentare l'impatto della sismicità sul movimento del suolo e sulle strutture specifiche del sito nelle aree più vulnerabili a questi eventi potenzialmente devastanti".

"È un momento entusiasmante per le comunità scientifiche e ingegneristiche. Attraverso il progetto Exascale del DOE, svilupperemo l'ecosistema computazionale e otterremo l'accesso a computer sufficientemente grandi e veloci da eseguire questi tipi di calcoli computazionalmente intensivi, " Ha aggiunto.