Neue Versuchsanlage testet die Wechselwirkung von Boden und Bauwerken bei Erdbeben

NevadaToday

Vertreter der Zusammenarbeit: Tom Hiltz, Nuklearingenieur, Energieministerium; James McConnell, stellvertretender Hauptverwalter der National Nuclear Security Administration; David McCallen, Projektleiter und Direktor des Center for Civil Earthquake Engineering Research der Universität; Brian Sandoval, Universitätspräsident; Peter Nico, Direktor der Abteilung Energiegeowissenschaften am Lawrence Berkeley National Lab; Erick Jones, Dekan des College of Engineering.

Um sicherzustellen, dass Gebäude und Infrastruktur zunehmend erdbebensicher sind, müssen Ingenieure verstehen, wie sich seismische Aktivitäten auf verschiedene Strukturen auswirken. Mit der Fertigstellung des riesigen, innovativen Large-Scale Laminar Soil Box Systems, Teil des weltberühmten Komplexes für Erdbebentechnik der University of Nevada in Reno, wird eine neue Ära in der Erdbebentechnik im großen Maßstab eingeläutet. Es bietet eine beispiellose und innovative experimentelle Möglichkeit zur Bewertung der komplexen Art und Weise, wie strukturelle Systeme wie Gebäude und Brücken während eines Erdbebens mit dem umgebenden Boden interagieren.

Das Soil-Box-System – das größte in den USA und in seiner Größe mit dem größten der Welt vergleichbar – ist eine Zusammenarbeit mit dem Lawrence Berkeley National Laboratory, und sein Entwurf und seine Konstruktion wurden vom US-Energieministerium unterstützt. Mit dem Soil Box System durchgeführte Studien werden Daten für ein weiteres Projekt liefern: EQSIM: eine fortlaufende Zusammenarbeit zwischen Wissenschaftlern des Berkeley Lab, des Lawrence Livermore National Laboratory und der University of Nevada, Reno, um realistische, hochdetaillierte Erdbebensimulationen mithilfe der Supercomputer des DOE zu entwickeln.

Die Mitarbeiter feierten am 15. September 2022 den Abschluss des Baus des Soil-Box-Systems mit einer Demonstration des 24 Fuß großen, 25 Fuß hohen integrierten Rütteltisches und des Soil-Box-Systems, das eine Kapazität von 350 Tonnen Erde hat. plus eine Struktur oben, wenn Experimente durchgeführt werden.

Das System wurde von Lehrkräften und Technikern des Center for Civil Engineering Earthquake Research der Universität mit Unterstützung von örtlichen Auftragnehmern und Herstellern entworfen, konstruiert und gebaut.

„Dieses Projekt ist ein wichtiger Schritt bei der Modellierung dessen, was von Erdbeben bei der Planung und dem Bau von Strukturen zu erwarten ist“, sagte David McCallen, Projektleiter und Direktor des Center for Civil Earthquake Engineering Research der Universität, Teil des College of Engineering, und leitender Wissenschaftler im Bereich Erd- und Umweltwissenschaften des Berkeley Lab. „Dies ist ein Beweis für die Führungsrolle des DOE in der Erdbebensicherheit und für seine Investitionen. Letztendlich werden diese Bemühungen ein genaueres und realistischeres Verständnis der Phänomene der Erdbeben-Boden-Struktur-Wechselwirkung entwickeln und eine bessere Quantifizierung der Sicherheitsmargen gegen erdbebenbedingte Ausfälle ermöglichen.“ kritische Einrichtungen.“

Die beiden vom DOE finanzierten Projekte zielen darauf ab, die Lücken zu schließen und Ressourcen für Forscher und Ingenieure bereitzustellen, um Erdbeben auf allen Skalen zu untersuchen, von der Auslösung seismischer Wellen, die sich von der Erdbebenverwerfung nach außen ausbreiten, bis hin zu den Wechselwirkungen zwischen erschüttertem Boden und einzelnen Gebäuden.

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„Diese Projekte sind synergetisch“, sagte McCallen. „Das Soil Box System hilft uns zu verstehen und zu verfeinern, wie wir die komplexe Wechselwirkung zwischen dem Boden und einer Struktur modellieren. Unser Ziel ist es, realistische Modelle spezifischer Wechselwirkungen zu erstellen – zum Beispiel, was mit einem 20-stöckigen Gebäude ganz in der Nähe des kalifornischen Hayward passiert.“ Verwerfung während eines Erdbebens großer Stärke? – und fügen Sie sie zu unseren bestehenden groß angelegten Simulationen hinzu. Wir wollen den gesamten Weg vom Verwerfungsdurchbruch durch den Boden bis zur Struktur modellieren, um zu sehen, wie Gebäude und andere Infrastruktur in einer gesamten Region reagieren ."

Das Soil-Box-System-Projekt wurde 2015 aus dem Bedürfnis heraus ins Leben gerufen, Gebäude des Energieministeriums, in denen empfindliche wissenschaftliche Instrumente untergebracht sind, vor möglichen Erdbebenszenarien zu schützen. „Der Grund dafür war, wie wenig wir darüber wussten, wie sich der Boden um das Fundament eines Gebäudes auf dessen Leistung während eines Erdbebens auswirkt“, sagte der leitende Forscher von Soil Box, Ian Buckle, Foundation-Professor am Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwesen der Universität.

„Bei Gebäuden auf flachen Fundamenten gibt es wahrscheinlich keine großen Auswirkungen. Aber bei Gebäuden mit tieferen Fundamenten, wie zum Beispiel Nuklearanlagen und Brücken mit großer Spannweite, ist die Antwort vielleicht sehr groß“, sagte Buckle.

Das Designteam unter der Leitung von Buckle und den Fakultätsmitgliedern Sherif Elfass und Patrick Laplace entwarf und fertigte das System so, dass es über einen möglichst großen Erdbehälter verfügt, sodass repräsentative Strukturen darauf platziert werden konnten. Weitere Teammitglieder bei diesem anspruchsvollen Projekt waren Professor Raj Siddharthan, außerordentlicher Professor Ramin Motamed und die Techniker Chad Lyttle und Todd Lyttle.

Der 15 Fuß hohe und 21,5 Fuß breite Kasten steht auf einer 24 Fuß großen quadratischen Schüttelplattform, die von acht hydraulischen Aktuatoren gesteuert wird, die horizontale Bewegungen erzeugen. Der Bodenbehälter besteht aus 19 Schichten, sogenannten Laminaten, die jeweils auf maßgeschneiderten Elastomerlagern (gummiartig) getragen werden, sodass sich die Bodenschichten relativ zueinander bewegen können, wie es der Boden bei echten Erdbeben tut. Das System kann mit der gleichen Kraft wie ein starkes Erdbeben 350 Tonnen Erde gleichzeitig in zwei Richtungen verschieben und beschleunigen und ist so stark, dass die Konstrukteure Schutzvorrichtungen einbauen mussten, um zu verhindern, dass es sich bei Experimenten selbst zerstört. Die Hydraulik wird durch kundenspezifische Software gesteuert und die Box ist mit einer Reihe von Sensoren ausgestattet, sodass die Wissenschaftler detaillierte Datensätze sammeln können, die sie in ihre Computersimulationen einfließen lassen können. Das Soil Box System befindet sich im Rogers-Weiner Large-Scale Structures Laboratory, einem 10.000 Quadratmeter großen Hochregallabor mit einer 35 Fuß hohen Decke.

„Eine Bodenbox und einen Schütteltisch dieser Größe und Komplexität kann man nicht in einem Online-Katalog bestellen. Es gibt nur sehr wenige Organisationen oder Unternehmen, die über das Wissen und die Erfahrung verfügen, dies zu tun, also haben wir beschlossen, es selbst mit unserem eigenen Fachwissen zu tun.“ Ressourcen", sagte Buckle. „Dieses Design ermöglicht es uns nicht nur, mit großmaßstäblichen Strukturmodellen zu arbeiten, die auf dem Boden platziert werden können, sondern der große Maßstab ermöglicht auch die Modellierung realistischerer Bodeneigenschaften.“

Sobald die Anlage in Betrieb ist, wird sie zu einer Ressource für DOE-Forscher, die sich auf seismische Sicherheit konzentrieren, sowie für Wissenschaftler aus Wissenschaft und Industrie. James McConnell, stellvertretender Hauptverwalter der National Nuclear Security Administration des DOE, sagte: „Für DOE und NNSA ist es wichtig, in diese Arbeit zu investieren, um sicherzustellen, dass die großen, komplizierten und einzigartigen Anlagen, die wir bauen, auf Schutz ausgelegt sind.“ Die Ergebnisse decken den Forschungs-, Verteidigungs- und Energieerzeugungsbedarf des Landes ab, aber die Ergebnisse haben auch den Vorteil, dass sie Ingenieuren und Architekten in der Industrie und im privaten Sektor dabei helfen, eine breite Palette erdbebensicherer Strukturen zu bauen.“

Aktuelle Modelle der Erdbebeneigenschaften basieren auf Näherungen und Vereinfachungen, was teilweise auf den Mangel an realen Daten über die grundlegende Physik zurückzuführen ist, aber auch darauf, dass nur sehr wenige Computer auf dem Planeten tatsächlich in der Lage sind, Erdbebensimulationen mit der erforderlichen Genauigkeit durchzuführen führen Schadensgutachten für die Infrastruktur durch.

McCallen und seine EQSIM-Kollegen haben den Summit-Supercomputer im Oak Ridge National Laboratory und den Perlmutter-Supercomputer im Berkeley Lab verwendet, um sehr große, detaillierte Modelle zu entwickeln – wie ihre Simulationen der San Francisco Bay Area für M7-Hayward-Verwerfungsbeben mit einer Stärke von 391 Milliarden Modellgitterpunkte. Sie werden auch bald mit der Arbeit an einer noch leistungsfähigeren Plattform beginnen – dem neu eingeführten Frontier-Supercomputer, ebenfalls in Oak Ridge. Frontier ist das erste Computersystem, das die Exascale-Grenze durchbricht, was bedeutet, dass es mindestens eine Milliarde Milliarden (auch bekannt als eine Quintillion oder 1018) Operationen pro Sekunde berechnen kann und derzeit als der leistungsstärkste Supercomputer der Welt gilt.

Mithilfe dieser außergewöhnlich schnellen Maschinen wird das Team in der Lage sein, neue Erkenntnisse und Informationen über die Bodenreaktion und die Wechselwirkung zwischen Boden und Struktur, die aus den Soil-Box-System-Experimenten gewonnen wurden, in ihre bestehenden großmaßstäblichen Modelle einzubringen. Das langjährige Ziel der Bruch-zu-Struktur-Modellierung wird nun rechnerische Realität. Ihre Simulationen werden dann über die Open-Access-Simulationsdatenbank des Pacific Earthquake Engineering Research (PEER) Center der Öffentlichkeit zugänglich gemacht. PEER ist ein multiinstitutionelles Forschungszentrum mit Schwerpunkt auf leistungsbasierter Erdbebentechnik unter der Leitung der UC Berkeley.

„Ein Teil unseres Plans besteht darin, die verfügbaren Datensätze der gemessenen Erdbebenbewegungen mit unseren sehr dichten, sehr detaillierten simulierten Bewegungen zu erweitern und diese Bewegungen der breiten Gemeinschaft der Erdbebenwissenschaft und -technik zur Verfügung zu stellen“, sagte McCallen. „Und deshalb werden wir mit PEER zusammenarbeiten, das über eine lange Geschichte und die notwendige Infrastruktur verfügt, um offenen Zugang zu aufgezeichneten Erdbeben-Bodenbewegungsaufzeichnungen zu ermöglichen, damit sie diese zum Nutzen aller frei mit der gesamten Gemeinschaft teilen können. Denn nicht jeder hat die Macht.“ eines Frontier-Supercomputers, der auf ihrem Schreibtisch sitzt.

„Mit dieser neuen Zusammenarbeit mit Berkeley Lab sind wir weiterhin führend im Bereich seismischer Untersuchungen sowie der Sicherheit und Widerstandsfähigkeit von Infrastrukturen“, sagte Erick Jones, Dekan des College of Engineering. „Gemeinsam wird unsere Arbeit die Interessen des DOE an der Anlagensicherheit beeinflussen, aber die Laminar Soil Box wird auch einem breiten Spektrum von Erdbebensicherheitsakteuren zur Verfügung stehen. Dies entspricht der Mission der Universität als Land-Grant-Universität, die Menschheit durch Bildung zu verbessern, Forschung und Öffentlichkeitsarbeit.

Der international bekannte Komplex für Erdbebentechnik der University of Nevada, Reno, führt Forschung, Tests und Analysen für neue Designs und Materialien für große Bauwerke durch und trägt letztendlich dazu bei, Gebäude, Brücken und Autobahnen sicherer zu machen. Dieses Soil-Box-System erweitert die Kapazität des Komplexes um vier große Schütteltische mit einer Fläche von 30.000 Quadratmetern für Experimente. Dieses College of Engineering-Programm hilft Agenturen und der Industrie, bei der Entwicklung ihrer Produkte und Infrastruktur erfolgreich zu sein, und bietet gleichzeitig außergewöhnliche Bildungschancen für Studenten und die Entwicklung von Arbeitskräften. Der Komplex umfasst die größte und vielseitigste Erdbeben-/seismische Simulationsanlage für Großstrukturen in den USA

Das Soil-Box-Projekt wurde vom Forschungs- und Entwicklungsprogramm für nukleare Sicherheit des Büros für Umwelt, Gesundheit, Sicherheit und Schutz des Energieministeriums und der National Nuclear Security Administration unterstützt. Das EQSIM ist ein Anwendungsentwicklungsprojekt im Rahmen des DOE Exascale Computing Project.

Hinweis: Autoren dieser Geschichte sind Aliyah Kovner, Wissenschaftsautorin und Podcast-Produzentin, Lawrence Berkeley National Laboratory, und Mike Wolterbeek, Kommunikationsbeauftragter, University of Nevada, Reno.

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