新しい実験施設は地震時の土壌と構造物の相互作用をテストします

ネバダ今日

共同研究の代表者: トム・ヒルツ、エネルギー省原子力技術者。ジェームズ・マコネル氏、国家核安全保障局副首席副管理者。デビッド・マッカレン氏、プロジェクトリーダー兼大学土木地震工学研究センター所長。ブライアン・サンドヴァル、大学学長。ピーター・ニコ氏、ローレンス・バークレー国立研究所エネルギー地球科学部門ディレクター。エリック・ジョーンズ、工学部学部長。

建物やインフラの耐震性を高めるために、エンジニアは地震活動がさまざまな構造物にどのような影響を与えるかを理解する必要があります。リノの世界的に有名な地震工学複合施設であるネバダ大学の一部である、大規模で革新的な大規模層流土ボックスシステムの完成により、大規模地震工学試験の新時代が幕開けしました。これは、地震時に建物や橋などの構造システムが周囲の土壌とどのように相互作用するかの複雑な方法を評価するための前例のない革新的な実験施設を提供します。

米国最大で、世界最大のシステムに匹敵する規模のソイルボックスシステムは、ローレンスバークレー国立研究所との共同研究であり、その設計と建設は米国エネルギー省の支援を受けました。 Soil Box System で実施された研究は、別の取り組みである EQSIM にデータを提供します。EQSIM は、バークレー研究所、ローレンス・リバモア国立研究所、ネバダ大学リノ校の科学者間の継続的な共同作業で、DOE のスーパーコンピューターを使用して現実的で非常に詳細な地震シミュレーションを開発します。

協力者らは2022年9月15日、土壌ボックスシステムの建設完了を祝い、24フィート四方、高さ25フィートの一体型振動台と350トンの土壌を収容できる土壌ボックスのデモンストレーションを行った。実験が行われるときは、上部に構造物が追加されます。

このシステムは、地域の請負業者や製造業者の支援を受けて、大学土木工学地震研究センターの教員と技術者によって設計、設計、構築されました。

「このプロジェクトは、構造物を設計および建設する際に地震から何が予想されるかをモデル化する上で重要なステップです」と、工学部の一部である大学の土木地震工学研究センターのプロジェクトリーダー兼所長であり、上級研究員でもあるデイビッド・マッカレン氏は述べた。バークレー研究所の地球環境科学分野に所属。「これは、地震安全性におけるエネルギー省のリーダーシップとその投資の証しです。最終的には、この取り組みにより、地震の地盤と構造の相互作用現象のより正確かつ現実的な理解を発展させ、地震によって引き起こされる建物の破壊に対する安全マージンをより適切に定量化できるようになります。」重要な施設。」

DOE が資金提供する 2 つのプロジェクトは、地震断層から外側に伝播する地震波の発生から、揺れる土壌と個々の建物の間の相互作用に至るまで、ギャップを埋め、研究者や技術者がさまざまな規模の地震を研究するためのリソースを提供することを目的としています。

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「これらのプロジェクトは相乗効果をもたらします」とマッカレン氏は語った。「Soil Box System は、土壌と構造物の複雑な相互作用をモデル化する方法を理解し、改良するのに役立ちます。私たちの目的は、特定の相互作用の現実的なモデルを作成することです。たとえば、カリフォルニアのヘイワードのすぐ近くにある 20 階建ての建物に何が起こるかなどです。大規模地震の際の断層? – そしてそれらを既存の大規模シミュレーションに追加します。断層の破壊から地盤から構造物に至るまでをモデル化して、地域全体の建物やその他のインフラがどのように反応するかを確認したいと考えています。。」

ソイルボックスシステムプロジェクトは、機密性の高い科学機器を保管するエネルギー省の建物を潜在的な地震シナリオから守る必要性から 2015 年に開始されました。「建物の基礎を囲む土壌が地震時の性能にどのような影響を与えるかについて、私たちがほとんど知らないことが原因でした」と、ソイルボックスの主任研究員で同大学土木・環境工学部の財団教授イアン・バックル氏は述べた。

「浅い基礎の上にある建物の場合、おそらく大きな影響はありません。しかし、原子力施設や長大橋など、より深い基礎を持つ建物の場合、その答えはおそらく大きな影響を及ぼします」とバックル氏は述べた。

Buckle と教員の Sherif Elfass と Patrick Laplace が率いる設計チームは、代表的な構造物をその上に配置できるように、可能な限り最大の土壌容器を備えたシステムを考案し、製作しました。この挑戦的なプロジェクトに携わった他のチームメンバーは、ラージ・シッダールサン教授、ラミン・モタメド准教授、技術者のチャド・リトルとトッド・リトルでした。

高さ 15 フィート、幅 21.5 フィートのボックスは、水平運動を生成するために使用される 8 つの油圧アクチュエータによって制御される 24 フィート四方の振動台の上に設置されています。土壌コンテナにはラミネートと呼ばれる 19 層があり、それぞれが特注のエラストマー (ゴム状) ベアリングで支持されているため、実際の地震時に土壌が移動するのと同じように、土壌層が相互に移動できます。このシステムは、強い地震と同じ力で 350 トンの土壌を同時に 2 方向に移動させ、加速させることができます。その威力は非常に強力であるため、設計者は実験中にシステム自体が破壊されないように安全装置を組み込む必要がありました。油圧はカスタムソフトウェアによって制御され、ボックスには一連のセンサーが装備されているため、科学者は詳細なデータセットを収集してコンピューターシミュレーションにフィードすることができます。ソイルボックスシステムは、天井高 35 フィートの 10,000 平方フィートの高層実験室であるロジャースウェイナー大規模構造研究所にあります。

「このサイズと複雑さの土壌ボックスと振とう台は、オンラインカタログから注文するものではありません。これを行うための知識と専門知識を備えた組織や企業はほとんどありません。そのため、私たちは独自の専門知識と経験を活かして自分たちで行うことにしました。資源だ」とバックル氏は語った。「この設計により、土壌の上に配置できる大規模な構造モデルを扱うことができるだけでなく、大規模であるため、より現実的な土壌特性をモデル化することもできます。」

この施設が運用開始されれば、耐震安全性を重視するエネルギー省の研究者だけでなく、学界や産業界の科学者にとってもリソースとなるでしょう。 DOE国家核安全保障局の首席副長官であるジェームズ・マコーネル氏は、「DOEとNNSAがこの取り組みに投資して、私たちが建設する大規模で複雑な他に類を見ない施設が確実に保護されるように設計されていることが重要である」と述べた。この国の研究、防衛、エネルギー生成のニーズは大きいが、この研究結果には、産業界や民間部門のエンジニアや建築家が幅広い耐震構造を構築するのに役立つというさらなる利点もある。」

地震特性の現在のモデルは、近似と単純化に依存しています。その理由の 1 つは、関連する基礎物理学に関する現実世界のデータが欠如していることだけでなく、地球上で実際に必要な忠実度で地震シミュレーションを実行できるコンピューターが非常に少ないためでもあります。インフラストラクチャの損傷評価を実行します。

マッカレン氏と彼の EQSIM 同僚は、オークリッジ国立研究所のサミットスーパーコンピューターとバークレー研究所のパールマッタースーパーコンピューターを使用して、M7 ヘイワード断層地震に対するサンフランシスコベイエリアのシミュレーションなど、非常に大規模で詳細なモデルを開発しています。モデルのグリッド点。また、彼らは間もなく、さらに高性能なプラットフォーム、つまり同じくオークリッジに新しく立ち上げられたフロンティアスーパーコンピューターの開発に着手する予定です。 Frontier は、エクサスケールの壁を突破した最初のコンピューターシステムです。つまり、1 秒あたり少なくとも 10 億 (京、1018 とも呼ばれます) の演算を計算することができ、現在、世界で最も強力なスーパーコンピューターとしてランクされています。

これらの非常に高速なマシンを使用することで、チームは、ソイルボックスシステムの実験から得られた土壌の反応と土壌と構造の相互作用に関する新しい洞察と情報を既存の大規模モデルに追加できるようになります。破壊から構造までのモデリングという長年の目標は、現在、計算上現実になりつつあります。彼らのシミュレーションは、太平洋地震工学研究 (PEER) センターのシミュレーションのオープンアクセスデータベースを通じて一般に公開されます。 PEER は、カリフォルニア大学バークレー校が主導する、パフォーマンスベースの地震工学に焦点を当てた複数の機関による研究センターです。

「私たちの計画の一部は、非常に高密度で非常に詳細なシミュレートされた動きによって、測定された地震動の利用可能なデータセットを強化し、これらの動きを広範な地震科学および工学コミュニティに利用できるようにすることです」とマッカレン氏は述べた。「そこで私たちは、長い歴史と、記録された地震動記録へのオープンアクセスを提供するために必要なインフラストラクチャを備えたPEERと協力し、コミュニティ全体と自由に共有してすべての人の利益にできるようにします。なぜなら、誰もがその権限を持っているわけではないからです」机の上に置かれたFrontierスーパーコンピューターの。」

工学部のエリック・ジョーンズ学部長は、「バークレー研究所との新たな協力により、我々は地震調査とインフラの安全性と回復力の分野で引き続きリードしていく」と述べた。「私たちの取り組みは共に、施設の安全性に対するエネルギー省の関心を伝えることになりますが、層流土ボックスは幅広い地震安全関係者にも利用できるようになります。これは、教育を通じて人間性を向上させるという土地補助大学としての大学の使命に対応します。研究と普及活動です。」

ネバダ大学リノ校の国際的に有名な地震工学複合施設は、大型構造物の新しい設計と材料に関する研究、試験、分析を実施し、最終的には建物、橋、高速道路の安全化に貢献しています。このソイルボックスシステムにより、実験用の 30,000 平方フィートのスペースを備えた 4 つの大型振動台の複合施設の能力が追加されます。この工学部プログラムは、代理店や業界が製品やインフラストラクチャの開発を成功させるのに役立ち、同時に学生や労働力の育成に優れた教育の機会を提供します。この複合施設は、米国最大かつ最も多用途な大規模構造物の地震/地震シミュレーション施設で構成されています。

ソイルボックスプロジェクトは、エネルギー省環境・保健・安全・セキュリティ局の原子力安全研究開発プログラムと国家核安全保障局によって支援されている。 EQSIM は、DOE エクサスケールコンピューティングプロジェクト内のアプリケーション開発プロジェクトです。

注: この記事の執筆者は、ローレンスバークレー国立研究所のサイエンスライター兼ポッドキャストプロデューサーである Aliyah Kovner と、ネバダ大学リノ校のコミュニケーション担当官である Mike Wolterbeek です。

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