Une nouvelle installation expérimentale teste l'interaction du sol et des structures pendant les tremblements de terre

NevadaAujourd'hui

Représentant la collaboration : Tom Hiltz, ingénieur nucléaire, Department of Energy ; James McConnell, administrateur adjoint principal associé, National Nuclear Security Administration ; David McCallen, chef de projet et directeur du Centre de recherche en génie civil des tremblements de terre de l'Université ; Brian Sandoval, président de l'université ; Peter Nico, directeur, Division des géosciences de l'énergie au Lawrence Berkeley National Lab ; Erick Jones, doyen du College of Engineering.

Pour s'assurer que les bâtiments et les infrastructures sont de plus en plus résistants aux tremblements de terre, les ingénieurs doivent comprendre comment l'activité sismique affecte différentes structures. Une nouvelle ère dans les essais d'ingénierie sismique à grande échelle est inaugurée avec l'achèvement du système massif et innovant de boîtes de sol laminaires à grande échelle, qui fait partie de l'Université du Nevada, le complexe d'ingénierie sismique de renommée mondiale de Reno. Il fournit une installation expérimentale sans précédent et innovante pour évaluer la manière complexe dont les systèmes structuraux tels que les bâtiments et les ponts interagissent avec le sol environnant lors d'un tremblement de terre.

Le système Soil Box - le plus grand aux États-Unis et de taille comparable au plus grand au monde - est une collaboration avec le Lawrence Berkeley National Laboratory, et sa conception et sa construction ont été soutenues par le département américain de l'Énergie. Les études menées avec le Soil Box System fourniront des données pour un autre effort, EQSIM : une collaboration continue entre des scientifiques du Berkeley Lab, du Lawrence Livermore National Laboratory et de l'Université du Nevada, Reno, pour développer des simulations de tremblement de terre réalistes et très détaillées à l'aide des superordinateurs du DOE.

Les collaborateurs ont célébré l'achèvement de la construction du système Soil Box le 15 septembre 2022, avec une démonstration de la table à secousses intégrée de 24 pieds carrés et de 25 pieds de haut et de la boîte de sol qui a la capacité de contenir 350 tonnes de sol, plus une structure sur le dessus, lorsque des expériences sont menées.

Le système a été conçu, conçu et construit par des professeurs et des techniciens du Centre de recherche sur les tremblements de terre en génie civil de l'Université, avec le soutien d'entrepreneurs et de fabricants de la région.

"Ce projet est une étape importante dans la modélisation de ce à quoi s'attendre des tremblements de terre lors de la conception et de la construction de structures", a déclaré David McCallen, chef de projet et directeur du Center for Civil Earthquake Engineering Research de l'Université, qui fait partie du College of Engineering, et scientifique principal. dans le domaine des sciences de la terre et de l'environnement de Berkeley Lab. "C'est un témoignage du leadership du DOE en matière de sécurité sismique et de son investissement. En fin de compte, cet effort développera une compréhension plus précise et réaliste des phénomènes d'interaction sol-structure sismique, et fournira une meilleure quantification des marges de sécurité contre les défaillances induites par les tremblements de terre. installations critiques. »

Les deux projets financés par le DOE cherchent à combler les lacunes et à fournir des ressources aux chercheurs et aux ingénieurs pour étudier les tremblements de terre à toutes les échelles, de l'initiation des ondes sismiques se propageant vers l'extérieur à partir de la faille sismique, aux interactions entre le sol tremblant et les bâtiments individuels.

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"Ces projets sont synergiques", a déclaré McCallen. "Le système Soil Box nous aide à comprendre et à affiner la façon dont nous modélisons l'interaction complexe entre le sol et une structure. Notre objectif est de créer des modèles réalistes d'interactions spécifiques - par exemple, ce qui arrive à un immeuble de 20 étages très proche de Hayward en Californie. faille lors d'un tremblement de terre de grande magnitude ? - et ajoutez-les à nos simulations à grande échelle existantes. Nous voulons modéliser tout le chemin depuis la rupture de la faille à travers le sol jusqu'à la structure pour voir comment les bâtiments et les autres infrastructures de toute une région réagiront ."

Le projet Soil Box System a été lancé en 2015 pour protéger les bâtiments du ministère de l'Énergie qui abritent des instruments scientifiques sensibles contre tout scénario de tremblement de terre potentiel. "Cela a été motivé par le peu de connaissances que nous avions sur la façon dont le sol entourant la fondation d'un bâtiment affecte ses performances lors d'un tremblement de terre", a déclaré le chercheur principal de Soil Box, Ian Buckle, professeur à la Fondation au département de génie civil et environnemental de l'université.

"Pour les bâtiments sur des fondations peu profondes, il n'y a probablement pas beaucoup d'effet. Mais pour ceux qui ont des fondations plus profondes, comme les installations nucléaires et les ponts à longue portée, la réponse est peut-être beaucoup", a déclaré Buckle.

L'équipe de conception, dirigée par Buckle et les membres du corps professoral Sherif Elfass et Patrick Laplace, a conçu et fabriqué le système pour avoir le plus grand conteneur de sol possible, afin que des structures représentatives puissent être placées sur le dessus. Les autres membres de l'équipe de ce projet ambitieux étaient le professeur Raj Siddharthan, le professeur agrégé Ramin Motamed et les techniciens Chad Lyttle et Todd Lyttle.

La boîte de 15 pieds de haut et 21,5 pieds de large repose sur une plate-forme d'agitation carrée de 24 pieds contrôlée par huit actionneurs hydrauliques utilisés pour générer des mouvements horizontaux. Le conteneur de sol comporte 19 couches, appelées stratifiés, qui sont chacune soutenues par des roulements en élastomère (de type caoutchouc) sur mesure afin que les couches de sol puissent se déplacer les unes par rapport aux autres comme le fait le sol lors de tremblements de terre réels. Le système peut déplacer et accélérer 350 tonnes de sol dans deux directions simultanément avec la même force qu'un fort tremblement de terre, et est si puissant que les concepteurs ont dû intégrer des protections pour l'empêcher de se détruire pendant les expériences. L'hydraulique est contrôlée par un logiciel personnalisé et la boîte est équipée d'une suite de capteurs afin que les scientifiques puissent recueillir des ensembles de données détaillés pour alimenter leurs simulations informatiques. Le système Soil Box est situé dans le laboratoire de structures à grande échelle Rogers-Weiner, un laboratoire à grande hauteur de 10 000 pieds carrés avec un plafond de 35 pieds.

"Une boîte de sol et une table vibrante de cette taille et de cette complexité ne sont pas quelque chose que vous commandez à partir d'un catalogue en ligne. Il y a très peu d'organisations ou d'entreprises ayant les connaissances et l'expertise pour le faire, nous avons donc décidé de le faire nous-mêmes avec notre propre expertise et ressources », a déclaré Buckle. "Cette conception nous permet non seulement de travailler avec des modèles structurels à grande échelle qui peuvent être placés au-dessus du sol, mais aussi la grande échelle permet de modéliser des propriétés du sol plus réalistes."

Une fois opérationnelle, l'installation deviendra une ressource pour les chercheurs du DOE axés sur la sécurité sismique ainsi que pour les scientifiques du milieu universitaire et de l'industrie. James McConnell, administrateur adjoint principal associé de la National Nuclear Security Administration du DOE, a déclaré: "Il est important que le DOE et la NNSA investissent dans ce travail pour s'assurer que les grandes installations complexes et uniques que nous construisons sont conçues pour protéger les besoins du pays en matière de recherche, de défense et de production d'énergie, mais les résultats ont l'avantage supplémentaire d'aider les ingénieurs et les architectes de l'industrie et du secteur privé à construire une large gamme de structures résistantes aux tremblements de terre.

Les modèles actuels des propriétés sismiques reposent sur des approximations et des simplifications dues, en partie, au manque de données réelles sur la physique fondamentale impliquée, mais aussi parce que très peu d'ordinateurs sur la planète sont réellement capables d'exécuter des simulations sismiques avec la fidélité requise pour effectuer des évaluations des dommages aux infrastructures.

McCallen et ses collègues EQSIM ont utilisé le supercalculateur Summit du Oak Ridge National Laboratory et le supercalculateur Perlmutter du Berkeley Lab pour développer de très grands modèles détaillés – comme leurs simulations de la région de la baie de San Francisco pour les tremblements de terre de la faille M7 Hayward – qui compte 391 milliards points de grille du modèle. Ils commenceront également bientôt à travailler sur une plate-forme encore plus performante - le supercalculateur Frontier nouvellement lancé, également à Oak Ridge. Frontier est le premier système informatique à briser la barrière exascale, ce qui signifie qu'il est capable de calculer au moins un milliard de milliards (également connu sous le nom de quintillion ou 1018) d'opérations par seconde, et est actuellement classé comme le supercalculateur le plus puissant au monde.

À l'aide de ces machines exceptionnellement rapides, l'équipe sera en mesure d'ajouter de nouvelles connaissances et informations sur la réponse du sol et l'interaction sol-structure obtenues grâce aux expériences du système Soil Box dans leurs modèles à grande échelle existants. L'objectif de longue date de la modélisation de la rupture à la structure devient maintenant une réalité informatique. Leurs simulations seront ensuite mises à la disposition du public par le biais de la base de données de simulations en libre accès du Pacific Earthquake Engineering Research (PEER). PEER est un centre de recherche multi-institutions axé sur l'ingénierie parasismique basée sur la performance, dirigé par UC Berkeley.

"Une partie de notre plan est d'être en mesure d'améliorer les ensembles de données disponibles sur les mouvements sismiques mesurés avec nos mouvements simulés très denses et très détaillés et de mettre ces mouvements à la disposition des vastes communautés scientifiques et d'ingénierie sismiques", a déclaré McCallen. "Nous allons donc collaborer avec PEER, qui a une longue histoire et l'infrastructure nécessaire pour fournir un accès ouvert aux enregistrements enregistrés des mouvements du sol sismiques afin qu'ils puissent les partager librement avec l'ensemble de la communauté au profit de tous. Parce que tout le monde n'a pas le pouvoir d'un supercalculateur Frontier posé sur leur bureau."

"Grâce à cette nouvelle collaboration avec Berkeley Lab, nous continuons d'être à l'avant-garde dans le domaine de l'enquête sismique, ainsi que de la sécurité et de la résilience des infrastructures", a déclaré le doyen du Collège d'ingénierie Erick Jones. "Ensemble, notre travail informera les intérêts du DOE en matière de sécurité des installations, mais la boîte de sol laminaire sera également disponible pour un large éventail d'acteurs de la sécurité sismique. Cela correspond à la mission de l'Université en tant qu'université de concession de terres pour une meilleure humanité par l'éducation, recherche et vulgarisation. »

L'Université du Nevada, le complexe d'ingénierie parasismique de renommée internationale de Reno, mène des recherches, des tests et des analyses pour de nouvelles conceptions et de nouveaux matériaux pour les grandes structures, contribuant ainsi à rendre les bâtiments, les ponts et les autoroutes plus sûrs. Ce système Soil Box ajoute à la capacité du complexe de quatre tables vibrantes à grande échelle avec 30 000 pieds carrés d'espace pour les expériences. Ce programme du College of Engineering aide les agences et l'industrie à réussir le développement de leurs produits et infrastructures, tout en offrant des opportunités éducatives exceptionnelles aux étudiants et au développement de la main-d'œuvre. Le complexe comprend l'installation de simulation sismique/sismique à grande échelle la plus grande et la plus polyvalente aux États-Unis.

Le projet Soil Box a été soutenu par le programme de recherche et de développement sur la sûreté nucléaire du Bureau de l'environnement, de la santé, de la sûreté et de la sécurité du DOE et par la National Nuclear Security Administration. L'EQSIM est un projet de développement d'applications au sein du DOE Exascale Computing Project.

Remarque : Les auteurs de cette histoire sont Aliyah Kovner, écrivain scientifique et producteur de podcasts, Lawrence Berkeley National Laboratory, et Mike Wolterbeek, responsable des communications, Université du Nevada, Reno.

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