Новые симуляции детально оценивают потенциальное воздействие крупного землетрясения в зависимости от местоположения и размера зданий

Ученые и инженеры с беспрецедентным разрешением моделируют, как именно мощное землетрясение на разломе Хейворд повлияет на разные локации и здания в районе залива Сан-Франциско. Команда из Национальных лабораторий Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) и Ливермора, входящих в структуру Министерства энергетики США (DOE), использует суперкомпьютеры для оценки воздействия высокочастотных колебаний грунта на тысячи зданий разного размера, распределенных по региону.

Эта работа, являющаяся частью Экзафлопсного вычислительного проекта DOE, важна для понимания того, как сейсмические волны разной частоты влияют на конструкции различной величины. Известно, что низкочастотные колебания сильнее воздействуют на крупные сооружения, и их легче моделировать. Небольшие постройки, такие как дома, более уязвимы к высокочастотной тряске, для симуляции которой требуются более совершенные вычислительные мощности.

Исследователи представили три научные статьи с описанием своих симуляций на проходящей на этой неделе в Лос-Анджелесе Национальной конференции по сейсмостойкому строительству (NCEE). Одна из симуляций была выполнена на суперкомпьютере Cori в Национальном научно-исследовательском вычислительном центре энергетики (NERSC) в Berkeley Lab для моделирования высокочастотных (5 герц) колебаний грунта.

Ключевые результаты моделирования показывают, что магнитуда события и смещение грунта положительно коррелируют; два здания одинаковой этажности, расположенные в 3,8 км друг от друга и на равном расстоянии от линии разлома, могут получить повреждения разной степени; а трехэтажные здания менее чувствительны, чем 40-этажные, к значительному увеличению длиннопериодных колебаний грунта (превышающих 1 секунду), которые сопровождают мощное землетрясение.

Разлом Хейворд считается одним из самых опасных в США, поскольку проходит через Ист-Бэй — самую густонаселенную часть района залива Сан-Франциско. Последнее крупное землетрясение на нем произошло в 1868 году, что вызывает обеспокоенность экспертов, считающих, что разлом давно «просрочил» мощное событие. Исследователи использовали мощность Cori для моделирования колебаний грунта в широком диапазоне частот, а затем с помощью второй программы оценили реакцию зданий. Было выполнено и проанализировано 9600 структурно-динамических симуляций для изучения вариаций риска на области 100×50 км для событий магнитудой 6,5 и 7.

«Работая в тесном контакте с командой NERSC на прошлой неделе, мы использовали практически всю машину Cori — 8192 узла и 524 288 ядер — для беспрецедентного 5-герцового моделирования всего региона залива Сан-Франциско для землетрясения магнитудой 7 на разломе Хейворд. Расчет был выполнен за 9 часов 11 минут», — сказал старший научный сотрудник Berkeley Lab Дэвид Макколлен. Он отметил, что такие высокодетальные, основанные на физике симуляции знаменуют собой новую эру в оценке сейсмической опасности (колебания грунта) и последующего риска (повреждения зданий) в региональном масштабе.

Симуляции подтвердили, что здания по-разному реагируют на определенные частоты сейсмических волн в зависимости от их размера. Например, потенциал повреждений для 40-этажного здания при росте магнитуды с 6,5 до 7 на частоте 5 Гц увеличился больше, чем для трехэтажного, из-за значительного усиления колебаний грунта на более длинных периодах. Также выяснилось, что колебания грунта и потенциал структурных повреждений могут значительно различаться даже для близко расположенных объектов. Здания вблизи зоны разрыва и направленного излучения разлома подвержены большему риску повреждений.