Com resolução sem precedentes, cientistas e engenheiros estão simulando precisamente como um terremoto de grande magnitude ao longo da Falha Hayward afetaria diferentes locais e edifícios na área da Baía de São Francisco.

Uma equipe do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e do Lawrence Livermore National Laboratory, ambos os laboratórios nacionais do Departamento de Energia dos EUA (DOE), está aproveitando supercomputadores poderosos para retratar o impacto do movimento do solo de alta frequência em milhares de edifícios representativos de diferentes tamanhos espalhados pela região da Califórnia.

Seu trabalho - parte do Projeto de Computação Exascale do DOE - é importante para mostrar como diferentes frequências de ondas sísmicas de movimento do solo afetam estruturas de vários tamanhos. O movimento do solo de baixa frequência é conhecido por afetar estruturas maiores e é mais fácil de replicar por simulação de computador. Estruturas pequenas como casas são mais vulneráveis ​​a tremores de alta frequência, que requer computação mais avançada para simular.

Os pesquisadores estão apresentando três artigos científicos que descrevem suas simulações recentes na Conferência Nacional dos EUA sobre Engenharia de Terremotos (NCEE), uma reunião realizada a cada quatro anos pelo Earthquake Engineering Research Institute. Uma simulação foi executada na semana passada usando o supercomputador Cori no Centro Científico de Pesquisa Energética Nacional do Berkeley Lab (NERSC) para simular tremores de solo de alta frequência (5 hertz).

David McCallen, um cientista sênior na Área de Ciências da Terra e Ambientais do Berkeley Lab, explica que suas simulações permitem aos cientistas obter uma imagem mais realista do impacto que um grande terremoto teria em uma região.

"Historicamente, especialistas sísmicos usaram evidências empíricas de terremotos anteriores para avaliar o perigo e o risco de terremotos em escala regional, "disse McCallen." Embora importante, dados sobre as características do movimento do solo e danos estruturais resultantes extrapolados de um terremoto que ocorreu na metade do mundo são úteis para melhorar nossa compreensão de quão bem nossa infraestrutura da Califórnia pode suportar o estresse sísmico. "

Na conferência NCEE que acontecerá em Los Angeles esta semana, a equipe descreverá os avanços recentes da simulação, indicando que a magnitude do evento e o deslocamento do solo estão positivamente correlacionados; que dois prédios com o mesmo número de andares a 2,4 milhas um do outro e eqüidistantes da falha geológica poderiam sofrer danos em graus muito diferentes; e que os edifícios de três andares são menos sensíveis do que os de 40 andares ao aumento significativo no movimento do solo de longo período (superior a 1 segundo) que acompanharia um terremoto de grande magnitude.

No Berkeley Lab, McCallen lidera um programa focado na integração de tecnologias avançadas e análise de dados para permitir o projeto sísmico informado sobre o risco de infraestrutura crítica, como pontes e a rede elétrica. Ele diz que a capacidade de produzir alta resolução, simulações baseadas na física, como a equipe fez no sistema Cori, representam uma era transformacional em andamento para avaliar o perigo de terremoto (movimento do solo) e o risco resultante (danos ao edifício) em escala regional.

Porque atravessa a East Bay, a sub-região mais populosa da Área da Baía de São Francisco, a falha de Hayward é considerada uma das falhas mais perigosas nos Estados Unidos. A falha não gerou um grande terremoto desde 1868, uma fonte de preocupação para especialistas que citam evidências que apóiam a ideia de que a falha de East Bay está atrasada para um grande terremoto.

Os pesquisadores do laboratório nacional alavancaram o poder de supercomputação de Cori para simular movimentos de solo em uma ampla faixa de frequências, que são então usados ​​em um segundo programa de computador para construir a resposta, quantificar o risco sísmico para estruturas de edifícios representativas em escala regional. Um total de 9, 600 simulações dinâmicas estruturais foram empregadas e analisadas para estudar a variação de risco em um domínio de 100 quilômetros por 50 quilômetros para dois eventos:um de magnitude 6,5, e outro de magnitude 7.

Um fator crítico que afeta os danos do terremoto a edifícios e estruturas é a frequência das ondas sísmicas, ou a taxa na qual uma onda de terremoto se repete a cada segundo. Por causa disso, pesquisadores incluindo o cientista computacional Anders Petersson do Livermore Lab e o sismólogo Arthur Rodgers têm trabalhado com Hans Johansen do Berkeley Lab para desenvolver o código SW4 existente. Este código foi originalmente desenvolvido por Petersson para simular a propagação de ondas sísmicas tridimensionais.

"Enquanto trabalhava em estreita colaboração com a equipe de operações do NERSC em uma simulação na semana passada, usamos essencialmente toda a máquina Cori - 8, 192 nós, e 524, 288 núcleos - para executar uma corrida de 5 hertz sem precedentes em toda a região da Baía de São Francisco para um terremoto de magnitude 7 de falha de Hayward. A corrida foi executada em 9 horas e 11 minutos do tempo de parede, "disse McCallen." Os desenvolvimentos de código necessários para esta execução estão nos movendo em direção ao nosso objetivo final de um aplicativo exascale completo. "

O fato de que os edifícios respondem de forma diferente a certas frequências de ondas sísmicas com base em seu tamanho foi evidenciado pelas simulações mais recentes de terremotos de alta magnitude ao longo da Falha de Hayward. Estes mostraram um aumento no potencial de danos para o edifício de 40 andares - mais do que para o edifício de três andares - conforme o terremoto aumentou em magnitude de 6,5 para 7 a 5 hertz devido ao aumento significativo no movimento do solo em períodos mais longos de vibração. Outros resultados indicam que o movimento do solo e o potencial de danos estruturais podem variar entre os locais relativamente próximos.

Suas simulações mostraram que dois edifícios com o mesmo número de andares eqüidistantes da linha de falha e apenas cerca de 3 milhas de distância podem ter um potencial de dano substancialmente diferente devido às diferenças nas quais as ondas sísmicas que emanam da falha se fundem. Edifícios próximos à zona de ruptura de falha e diretividade de ruptura de falha correm maior risco de danos por terremotos, e o deslocamento do solo permanente associado ao escorregamento da falha aumentou com a magnitude do evento.

Sem os recursos de computação NERSC tornando possível executar esses cenários de eventos sísmicos para tantos locais e estruturas em alta resolução tão rapidamente, não seria possível produzir tais representações específicas do local de risco estrutural. Os pesquisadores acreditam que essas representações precisas baseadas na física do potencial de danos acabarão por fornecer uma imagem mais precisa e completa da interação entre o movimento sísmico do solo e os danos estruturais.

"As simulações podem aumentar a compreensão e reduzir as incertezas sobre os processos muito complexos em jogo na ciência e na engenharia de terremotos, ", disse McCallen." Ficou claro que nossa capacidade de avaliar com precisão o perigo e o risco de terremotos em escala regional pode se beneficiar de simulações baseadas na física que nos permitem descrever o impacto da sismicidade no movimento do solo específico do local e nas estruturas nas áreas mais vulneráveis a esses eventos potencialmente devastadores. "

"É um momento emocionante para as comunidades de ciência e engenharia. Por meio do Projeto Exascale do DOE, estaremos desenvolvendo o ecossistema computacional e obtendo acesso a computadores grandes e rápidos o suficiente para executar esses tipos de cálculos intensivos em computação, " ele adicionou.