Nueva instalación experimental prueba la interacción del suelo y las estructuras durante los terremotos

Nevadahoy

En representación de la colaboración: Tom Hiltz, ingeniero nuclear, Departamento de Energía; James McConnell, administrador adjunto principal asociado, Administración Nacional de Seguridad Nuclear; David McCallen, líder del proyecto y director del Centro de Investigación de Ingeniería Civil de Terremotos de la Universidad; Brian Sandoval, presidente de la Universidad; Peter Nico, Director, División de Geociencias Energéticas del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley; Erick Jones, decano de la Facultad de Ingeniería.

En representación de la colaboración: Tom Hiltz, ingeniero nuclear, Departamento de Energía; James McConnell, administrador adjunto principal asociado, Administración Nacional de Seguridad Nuclear; David McCallen, líder del proyecto y director del Centro de Investigación de Ingeniería Civil de Terremotos de la Universidad; Brian Sandoval, presidente de la Universidad; Peter Nico, Director, División de Geociencias Energéticas del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley; Erick Jones, decano de la Facultad de Ingeniería.

En representación de la colaboración: Tom Hiltz, ingeniero nuclear, Departamento de Energía; James McConnell, administrador adjunto principal asociado, Administración Nacional de Seguridad Nuclear; David McCallen, líder del proyecto y director del Centro de Investigación de Ingeniería Civil de Terremotos de la Universidad; Brian Sandoval, presidente de la Universidad; Peter Nico, Director, División de Geociencias Energéticas del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley; Erick Jones, decano de la Facultad de Ingeniería.

Para asegurarse de que los edificios y la infraestructura sean cada vez más seguros contra terremotos, los ingenieros deben comprender cómo la actividad sísmica afecta las diferentes estructuras. Se inicia una nueva era en las pruebas de ingeniería sísmica a gran escala con la finalización del masivo e innovador sistema de caja de suelo laminar a gran escala, parte del complejo de ingeniería sísmica de renombre mundial de la Universidad de Nevada, Reno. Proporciona una instalación experimental innovadora y sin precedentes para evaluar la forma compleja en que los sistemas estructurales como edificios y puentes interactúan con el suelo circundante durante un terremoto.

El Sistema Soil Box, el más grande de los EE. UU. y comparable en tamaño al más grande del mundo, es una colaboración con el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, y su diseño y construcción fueron apoyados por el Departamento de Energía de los EE. UU. Los estudios realizados con Soil Box System proporcionarán datos para otro esfuerzo, EQSIM: una colaboración continua entre científicos de Berkeley Lab, Lawrence Livermore National Laboratory y la Universidad de Nevada, Reno para desarrollar simulaciones de terremotos realistas y muy detalladas utilizando las supercomputadoras del DOE.

Los colaboradores celebraron la finalización de la construcción del sistema Soil Box System el 15 de septiembre de 2022, con una demostración de la mesa vibratoria integrada de 24 pies cuadrados y 25 pies de altura y la caja de suelo que tiene capacidad para contener 350 toneladas de suelo. además de una estructura en la parte superior, cuando se realizan los experimentos.

El sistema fue diseñado, diseñado y construido por profesores y técnicos del Centro de Ingeniería Civil para la Investigación de Terremotos de la Universidad, con el apoyo de contratistas y fabricantes del área.

"Este proyecto es un paso importante para modelar qué esperar de los terremotos al diseñar y construir estructuras", dijo David McCallen, líder del proyecto y director del Centro de Investigación de Ingeniería Civil de Terremotos de la Universidad, parte de la Facultad de Ingeniería, y científico principal. en el Área de Ciencias Ambientales y de la Tierra de Berkeley Lab. "Es un testimonio del liderazgo del DOE en seguridad sísmica y su inversión. En última instancia, este esfuerzo desarrollará una comprensión más precisa y realista de los fenómenos de interacción suelo-estructura sísmica, y proporcionará una mejor cuantificación de los márgenes de seguridad contra fallas inducidas por terremotos de instalaciones críticas”.

Los dos proyectos financiados por el DOE 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 que se propagan hacia afuera desde la falla sísmica hasta las interacciones entre el suelo y los edificios individuales.

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"Estos proyectos son sinérgicos", dijo McCallen. "El sistema Soil Box nos ayuda a comprender y refinar cómo modelamos la interacción compleja 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 muy cerca de Hayward en California. falla durante un terremoto de gran magnitud?, y agregarlos a nuestras simulaciones a gran escala existentes. 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. ."

El proyecto Soil Box System 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, 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", dijo Buckle.

El equipo de diseño, dirigido por Buckle y los miembros de la facultad Sherif Elfass y Patrick Laplace, idearon y fabricaron el sistema para tener el contenedor de suelo más grande posible, de modo que las estructuras representativas pudieran colocarse encima. Otros miembros del equipo en este desafiante proyecto fueron el profesor Raj Siddharthan, el profesor asociado Ramin Motamed y los técnicos Chad Lyttle y Todd Lyttle.

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 ocho actuadores hidráulicos que se utilizan para generar movimientos horizontales. El contenedor de suelo tiene 19 capas, llamadas laminados, cada una de las cuales está soportada sobre cojinetes elastoméricos (similares al caucho) hechos a medida 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 en dos direcciones simultáneamente con la misma fuerza que un fuerte terremoto, y es tan poderoso que los diseñadores tuvieron que construir protecciones para evitar que se destruyera durante los 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. El sistema Soil Box está ubicado en el Laboratorio de Estructuras a Gran Escala de Rogers-Weiner, un laboratorio de gran altura de 10,000 pies cuadrados con un techo de 35 pies.

"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".

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.

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 la falla M7 Hayward, que tiene 391 mil millones modelar los puntos de la grilla. 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 mil millones de billones (también conocido como quintillón o 1018) de 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 del Sistema 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 múltiples 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 hacer que estos movimientos estén disponibles para las amplias comunidades de ciencia e ingeniería de terremotos", dijo McCallen. "Entonces, colaboraremos con PEER, que tiene una larga historia y la infraestructura necesaria para brindar acceso abierto a los registros de movimiento del suelo de terremotos registrados para que puedan compartirlos libremente con toda la comunidad en beneficio de todos. Porque no todos tienen el poder de una supercomputadora Frontier sentada en su escritorio".

"Con esta nueva colaboración con Berkeley Lab, continuamos liderando el área de la investigación sísmica y la seguridad y resistencia de las infraestructuras", dijo el decano de la Facultad de Ingeniería, Erick Jones. "Juntos, nuestro trabajo informará los intereses del DOE en la seguridad de las instalaciones, pero Laminar Soil Box también estará disponible para un amplio espectro de partes interesadas en la seguridad contra terremotos. Esto corresponde a la misión de la Universidad como una universidad de concesión de tierras para mejorar la humanidad a través de la educación, investigación y difusión”.

El complejo de ingeniería sísmica de renombre internacional de la Universidad de Nevada, Reno, lleva a cabo investigaciones, pruebas y análisis de nuevos diseños y materiales para grandes estructuras, lo que finalmente ayuda a hacer que los edificios, puentes y carreteras sean más seguros. Este sistema Soil Box se suma a la capacidad del complejo de cuatro mesas vibratorias a gran escala con 30,000 pies cuadrados de espacio para experimentos. Este programa de la Facultad de Ingeniería ayuda a las agencias y la industria a tener éxito en el desarrollo de sus productos e infraestructura, al tiempo que brinda oportunidades educativas excepcionales para los estudiantes y el desarrollo de la fuerza laboral. El complejo comprende la instalación de simulación sísmica/sismo de estructuras a gran escala más grande y versátil de los EE. UU.

El proyecto Soil Box ha sido apoyado por el Programa de Investigación y Desarrollo de Seguridad Nuclear de la Oficina de Medio Ambiente, Salud y Seguridad del DOE y la Administración Nacional de Seguridad Nuclear. El EQSIM es un proyecto de desarrollo de aplicaciones dentro del Proyecto de Computación a Exaescala del DOE.

Nota: Los escritores de esta historia son Aliyah Kovner, escritora científica y productora de podcasts del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, y Mike Wolterbeek, oficial de comunicaciones de la Universidad de Nevada, Reno.

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