Per assicurarci che i nostri edifici e le nostre infrastrutture siano a prova di terremoto, dobbiamo capire in che modo l'attività sismica colpisce diverse strutture. I modelli in miniatura e le osservazioni storiche sono utili, ma scalciano solo la superficie della comprensione e della quantificazione di un evento geologico potente e di vasta portata come un grande terremoto.

Due importanti sforzi di ricerca cercano di colmare le lacune e fornire risorse a ricercatori e ingegneri per studiare i terremoti su scale diverse, dall'inizio delle onde sismiche nel sito di rottura della faglia in profondità, alle interazioni tra il suolo tremante e le singole strutture in superficie.

Il primo tentativo è una struttura sperimentale per studi nel mondo reale su come il suolo attorno a una struttura influenza le sue prestazioni durante un terremoto. Il terreno sotto di noi può sembrare solido, ma le vibrazioni possono renderlo rapidamente instabile. Questo perché i suoli sono composti da strati complessi di roccia e particelle minerali di varie dimensioni con diversi livelli di umidità che rispondono in modo diverso all'attività sismica. Durante un terremoto, i movimenti degli edifici sono dettati dalle interazioni site-specific tra questi strati di suolo e dalla direzione e dalla forza delle vibrazioni. Ora quasi completo dopo oltre cinque anni di progettazione e costruzione, il Large-Scale Laminar Soil Box System sarà la struttura più grande negli Stati Uniti per lo studio di queste interazioni e di dimensioni paragonabili a quella più grande del mondo.

La struttura è una collaborazione tra l'Università del Nevada, Reno (Università) e Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Consiste in un contenitore per terreno con capacità di 350 tonnellate montato su una base idraulica in grado di replicare lo scuotimento con una forza fino a un milione e un quarto di libbre. La struttura si aprirà con un evento dimostrativo celebrativo presso l'Università il 15 settembre.

Gli studi condotti con il Soil Box System forniranno dati per l'altro sforzo, EQSIM:una collaborazione in corso tra gli scienziati del Berkeley Lab, del Lawrence Livermore National Laboratory e dell'Università per sviluppare simulazioni di terremoti realistiche e altamente dettagliate utilizzando i supercomputer del DOE.

"Questi progetti sono sinergici. Il Soil Box System ci sta aiutando a comprendere e perfezionare come modellare la complessa interazione tra il suolo e una struttura. Il nostro obiettivo è creare modelli realistici di interazioni specifiche, ad esempio cosa succede a un edificio di 20 piani costruire molto vicino alla faglia di Hayward in California durante un terremoto di grande magnitudo? e aggiungerli alle nostre simulazioni su larga scala esistenti", ha affermato David McCallen, uno scienziato senior dell'area di scienze della terra e dell'ambiente del Berkeley Lab e leader di EQSIM. "Vogliamo modellare tutto il percorso dalla rottura della faglia attraverso il terreno fino alla struttura per vedere come risponderanno edifici e altre infrastrutture in un'intera regione".

Una nuova strada per i test nel mondo reale

Il progetto soil box è stato avviato nel 2015 dall'esigenza di salvaguardare gli edifici del Dipartimento dell'Energia che detengono strumenti scientifici sensibili da qualsiasi potenziale scenario sismico. "È stato determinato da quanto poco sapevamo sul modo in cui il suolo che circonda le fondamenta di un edificio influisce sulle sue prestazioni durante un terremoto", ha affermato Ian Buckle, ricercatore principale di Soil Box System, professore della Fondazione presso il Dipartimento di ingegneria civile e ambientale dell'Università. "Per gli edifici su fondamenta poco profonde, probabilmente non c'è molto effetto. Ma per quelli con fondamenta più profonde, come impianti nucleari e ponti a campata lunga, la risposta è forse un ottimo affare."

Il team di progettazione, guidato da Buckle e dai colleghi professori universitari Sherif Elfass e Patrick Laplace, ha ideato e fabbricato il sistema per avere il contenitore del terreno più grande possibile, in modo che le strutture rappresentative potessero essere posizionate sopra. È stato formato un comitato di gestione per aiutare a guidare il team attraverso questo impegnativo progetto. Oltre a quelli sopra citati, il comitato comprendeva anche i professori universitari Ramin Motamed e Raj Siddharthan.

La scatola alta 15 piedi e larga 21,5 piedi si trova su una piattaforma di scuotimento quadrata di 24 piedi controllata da 16 attuatori idraulici. Il contenitore del terreno ha 19 strati, chiamati laminati, ciascuno supportato su cuscinetti elastomerici (simili alla gomma) in modo che gli strati del terreno possano muoversi l'uno rispetto all'altro come fa il suolo durante i terremoti reali. Il sistema può spostare e accelerare 350 tonnellate di terreno - e la struttura in cima - in due direzioni orizzontali contemporaneamente con la stessa forza di un forte terremoto, ed è così potente che i progettisti hanno dovuto costruire delle protezioni per evitare che si autodistruggesse durante esperimenti. L'idraulica è controllata da un software personalizzato e la scatola è dotata di una suite di sensori in modo che gli scienziati possano raccogliere set di dati dettagliati da inserire nelle loro simulazioni al computer.

"Una scatola del terreno e un tavolo da scuotimento di queste dimensioni e complessità non sono qualcosa che si ordina da un catalogo online. Ci sono pochissime organizzazioni o aziende con le conoscenze e le competenze per farlo, quindi abbiamo deciso di farlo noi stessi con la nostra esperienza e risorse", ha detto Buckle. "Questo progetto non solo ci consente di lavorare con modelli strutturali su larga scala che possono essere posizionati sopra il terreno, ma anche su larga scala consente di modellare proprietà del suolo più realistiche".

Una volta operativa, la struttura diventerà una risorsa per i ricercatori del DOE focalizzati sulla sicurezza sismica e per gli scienziati di tutto il mondo accademico e industriale. James McConnell, Associate Principal Deputy Administrator presso la National Nuclear Security Administration del DOE, ha dichiarato:"È importante che DOE e NNSA investano in questo lavoro per garantire che le strutture grandi, complicate e uniche che costruiamo siano progettate per proteggere le esigenze di ricerca, difesa e produzione di energia del paese, ma i risultati hanno un ulteriore vantaggio nell'aiutare ingegneri e architetti nell'industria e nel settore privato a costruire un'ampia gamma di strutture resistenti ai terremoti."

Sfruttare una nuova generazione di supercomputer

Gli attuali modelli delle proprietà dei terremoti si basano su approssimazioni e semplificazioni dovute, in parte, alla mancanza di dati reali sulla fisica fondamentale coinvolta, ma anche perché pochissimi computer sul pianeta sono effettivamente in grado di eseguire simulazioni di terremoti con la fedeltà richiesta per eseguire valutazioni dei danni alle infrastrutture. Ecco perché McCallen e i suoi colleghi EQSIM hanno utilizzato il supercomputer Summit dell'Oak Ridge National Laboratory e il supercomputer Perlmutter del Berkeley Lab per sviluppare modelli molto grandi e dettagliati, come le loro simulazioni dell'area della baia di San Francisco per i terremoti della faglia M7 Hayward, che ha 391 miliardi di punti della griglia modello.

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." + Esplora ulteriormente

Hayward fault earthquake simulations increase fidelity of ground motions