Para garantir que nossos edifícios e infraestrutura sejam à prova de terremotos, devemos entender como a atividade sísmica afeta diferentes estruturas. Modelos em miniatura e observações históricas são úteis, mas apenas arranham a superfície da compreensão e quantificação de um evento geológico tão poderoso e de longo alcance quanto um grande terremoto.
Dois grandes esforços de pesquisa buscam preencher as lacunas e fornecer recursos para pesquisadores e engenheiros estudarem terremotos em escalas, desde o início de ondas sísmicas no local da ruptura da falha no subsolo, até as interações entre o solo agitado e estruturas individuais na superfície.

O primeiro empreendimento é uma instalação experimental para estudos do mundo real sobre como o solo ao redor de uma estrutura influencia seu desempenho durante um terremoto. O solo abaixo de nós pode parecer sólido, mas as vibrações podem rapidamente torná-lo instável. Isso ocorre porque os solos são compostos de camadas complexas de rochas e partículas minerais em tamanhos variados com níveis variados de umidade, cada um respondendo de maneira diferente à atividade sísmica. Durante um terremoto, os movimentos dos edifícios são ditados por interações específicas do local entre essas camadas do solo e a direção e a força das vibrações. Agora quase concluído após mais de cinco anos de projeto e construção, o Sistema Laminar Soil Box de Grande Escala será a maior instalação nos EUA para estudar essas interações e comparável em tamanho à maior do mundo.

A instalação é uma colaboração entre a Universidade de Nevada, Reno (Universidade) e o Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Consiste em um recipiente de solo com capacidade de 350 toneladas montado em uma base hidráulica que pode replicar a agitação com até um milhão e meio de libras de força. A instalação será aberta com um evento de demonstração comemorativo na Universidade em 15 de setembro.

Estudos conduzidos com o Soil Box System fornecerão dados para o outro esforço, EQSIM:uma colaboração contínua entre cientistas do Berkeley Lab, Lawrence Livermore National Laboratory e a Universidade para desenvolver simulações de terremotos realistas e altamente detalhadas usando os supercomputadores do DOE.

"Esses projetos são sinérgicos. O Soil Box System está nos ajudando a entender e refinar como modelar a interação complexa entre o solo e uma estrutura. Nosso objetivo é fazer modelos realistas de interações específicas - por exemplo, o que acontece com um edifício de 20 andares construindo muito perto da falha Hayward, na Califórnia, durante um terremoto de grande magnitude? - e adicioná-los às nossas simulações em grande escala existentes", disse David McCallen, cientista sênior da Área de Ciências Ambientais e da Terra do Berkeley Lab e líder do EQSIM. “Queremos modelar todo o caminho desde a ruptura da falha através do solo até a estrutura para ver como os edifícios e outras infraestruturas em uma região inteira responderão”.

Um novo caminho para testes no mundo real

O projeto da caixa do solo foi lançado em 2015 devido à necessidade de proteger os edifícios do Departamento de Energia que possuem instrumentos científicos sensíveis contra qualquer cenário potencial de terremoto. "Foi impulsionado pelo pouco que sabíamos sobre a forma como o solo ao redor da fundação de um edifício afeta seu desempenho durante um terremoto", disse o pesquisador principal do Soil Box System, Ian Buckle, professor da Fundação no Departamento de Engenharia Civil e Ambiental da Universidade. "Para edifícios em fundações rasas, provavelmente não há muito efeito. Mas para aqueles com fundações mais profundas, como instalações nucleares e pontes de longo alcance, a resposta talvez seja um grande negócio."

A equipe de projeto, liderada por Buckle e colegas professores universitários Sherif Elfass e Patrick Laplace, concebeu e fabricou o sistema para ter o maior recipiente de solo possível, de modo que estruturas representativas pudessem ser colocadas no topo. Um comitê de gestão foi formado para ajudar a orientar a equipe nesse projeto desafiador. Além dos mencionados acima, o comitê também incluiu os professores universitários Ramin Motamed e Raj Siddharthan.

A caixa de 15 pés de altura e 21,5 pés de largura fica em uma plataforma de agitação quadrada de 24 pés controlada por 16 atuadores hidráulicos. O recipiente do solo tem 19 camadas, chamadas de laminados, cada uma apoiada em rolamentos elastoméricos (semelhantes à borracha) para que as camadas do solo possam se mover umas em relação às outras, como o solo faz durante terremotos reais. O sistema pode deslocar e acelerar 350 toneladas de solo - e a estrutura no topo - em duas direções horizontais simultaneamente com a mesma força de um forte terremoto, e é tão poderoso que os projetistas tiveram que construir salvaguardas para evitar que ele se destruísse durante experimentos. A hidráulica é controlada por software personalizado e a caixa é equipada com um conjunto de sensores para que os cientistas possam reunir conjuntos de dados detalhados para alimentar suas simulações de computador.

"Uma caixa de solo e uma mesa de agitação desse tamanho e complexidade não são algo que você encomenda em um catálogo on-line. Existem muito poucas organizações ou empresas com conhecimento e experiência para fazer isso, então decidimos fazê-lo nós mesmos com nossa própria experiência e recursos", disse Buckle. "Este projeto não só nos permite trabalhar com modelos estruturais de grande escala que podem ser colocados em cima do solo, mas também a grande escala permite que propriedades do solo mais realistas sejam modeladas."

Uma vez operacional, a instalação se tornará um recurso para pesquisadores do DOE focados em segurança sísmica, bem como cientistas da academia e da indústria. James McConnell, Administrador Adjunto Principal Adjunto da Administração Nacional de Segurança Nuclear do DOE, disse:"É importante que o DOE e a NNSA invistam neste trabalho para garantir que as instalações grandes, complicadas e únicas que construímos sejam projetadas para proteger as necessidades de pesquisa, defesa e geração de energia do país, mas as descobertas têm um benefício adicional de ajudar engenheiros e arquitetos da indústria e do setor privado a construir uma ampla gama de estruturas resistentes a terremotos".

Aproveitando uma nova geração de supercomputadores

Os modelos atuais de propriedades de terremotos dependem de aproximações e simplificações devido, em parte, à falta de dados do mundo real sobre a física fundamental envolvida, mas também porque muito poucos computadores no planeta são realmente capazes de executar simulações de terremotos com a fidelidade necessária para realizar avaliações de danos à infraestrutura. É por isso que McCallen e seus colegas do EQSIM têm usado o supercomputador Summit no Oak Ridge National Laboratory e o supercomputador Perlmutter no Berkeley Lab para desenvolver modelos muito grandes e detalhados – como suas simulações da área da baía de São Francisco para terremotos de falha M7 Hayward – que tem 391 bilhões de pontos de grade modelo.

Eles também começarão em breve a trabalhar em uma plataforma ainda mais capaz – o recém-lançado supercomputador Frontier, também em Oak Ridge. Frontier é o primeiro sistema de computador a quebrar a barreira exascale, o que significa que é capaz de calcular pelo menos um bilhão de bilhões (também conhecido como quintilhão, ou 10 ¹⁸ ) por segundo, e atualmente é classificado como o supercomputador mais poderoso do mundo.

Usando essas máquinas excepcionalmente rápidas, a equipe poderá adicionar novos insights e informações sobre a resposta do solo e a interação solo-estrutura obtidas com os experimentos do Soil Box em seus modelos de larga escala existentes. O objetivo de longa data da modelagem de ruptura para estrutura está se tornando uma realidade computacional. Suas simulações serão então disponibilizadas ao público através do banco de dados de simulações de acesso aberto do Pacific Earthquake Engineering Research (PEER). PEER é um centro de pesquisa multi-institucional focado em engenharia sísmica baseada em desempenho, liderado pela UC Berkeley.

"Parte do nosso plano é ser capaz de aprimorar os conjuntos de dados disponíveis de movimentos de terremotos medidos com nossos movimentos simulados muito densos e muito detalhados e tornar esses movimentos disponíveis para as comunidades de engenharia e ciência de terremotos", explicou McCallen, que também é o diretor da Universidade de Nevada, Centro de Reno para Pesquisa de Engenharia de Terremotos Civis. "E assim vamos colaborar com o PEER, que tem uma longa história e infraestrutura necessária para fornecer acesso aberto a movimentos de terra de terremotos registrados para que eles possam compartilhá-los livremente com toda a comunidade para o benefício de todos. Porque nem todo mundo tem um Frontier sentado na mesa deles." + Explorar mais

Simulações de terremoto de falha Hayward aumentam a fidelidade dos movimentos do solo