مقاله تحلیلی: ارزیابی خطرات زلزله

دانشمندان و مهندسان موفق شده‌اند به‌طور بی‌سابقه‌ای چگونگی رخداد یک زلزله بزرگ روی گسل ‌هایوارد را به همراه تأثیر آن بر مناطق و ساختمان‌های حوزه خلیج سانفرانسیسکو شبیه‌سازی کنند. یک تیم از آزمایشگاه ملی لارنس برکلی و آزمایشگاه ملی لارنس لیوِرمور مسئولیت این کار را بر عهده دارند. این دو مرکز که هر دو متعلق به وزارت انرژی آمریکا هستند، با استفاده از ابرکامپیوترهای قدرتمند تأثیر حرکت زمین با فرکانس بالا در هزاران ساختمان با اندازه‌های مختلف در منطقه کالیفرنیا به تصویر کشیدند.

اهمیت این شبیه‌سازی را که بخشی از پروژه محاسبات Exascale  وزارت انرژی است می‌توان در نشان دادن چگونگی تأثیر فرکانس‌های مختلف لرزه‌ای برسازه‌های مختلف با اندازه‌های متفاوت دانست. فرکانس پایین برسازه‌های بزرگ تأثیر می‌گذارد و شبیه‌سازی آن با کامپیوتر ساده‌تر تکرار می‌شود. سازه‌های کوچک مثل خانه‌ها در مقابل حرکت‌هایی با فرکانس بالا آسیب‌پذیرتر هستند و برای شبیه‌سازی نیاز به محاسبات پیشرفته‌تری دارند.

طبق نظر دیوید مک کالن، دانشمند حوزه زمین و علوم زیست‌محیطی آزمایشگاه برکلی، شبیه‌سازی آن‌ها به دانشمندان اجازه می‌دهد تصویر واقع‌گرایانه‌ای از تأثیرات یک زلزله بزرگ در یک منطقه داشته باشند. به گفته وی کارشناسان لرزه‌ای از شواهد تجربی زلزله‌های قبلی استفاده می‌کردند تا خطر زلزله و ریسک در سطح منطقه را ارزیابی کنند.

 رایانه‌های معمولی تنها قادر به تکرار حرکت زمین با فرکانس پایین هستند که بیشترین تأثیر را برسازه‌های بلند می‌گذارد. ساختمان‌های کوچک‌تر بیشتر به حرکت زمین با فرکانس بالا حساس هستند که تنها می‌توان با استفاده از ابررایانه‌ها شبیه‌سازی آن‌ها را انجام داد.

مک کالن در آزمایشگاه برکلی یک برنامه را با تمرکز بر یکپارچه‌سازی فن‌آوری‌های پیشرفته و تجزیه‌وتحلیل داده‌ها پیش می‌برد تا بتواند یک طرح لرزه‌ای با ریسک شناخته‌شده برای زیرساخت‌های حیاتی مانند پل‌ها و شبکه برق فراهم کند.

ازآنجایی‌که گسل‌ هایوارد از شرق خلیج سانفرانسیسکو که منطقه‌ای بسیار پرجمعیت است، می‌گذرد؛ یکی از خطرناک‌ترین گسل‌ها در ایالات‌متحده شناخته می‌شود. از سال 1868 هیچ زمین‌لرزه بزرگی در این گسل رخ نداده و همین امر منجر به نگرانی کارشناسان شده است.

محققان آزمایشگاه ملی از قدرت ابررایانه Cori برای شبیه‌سازی حرکات زمین در طیف وسیعی از فرکانس‌ها استفاده کردند. در این ابرکامپیوتر از یک زبان برنامه‌نویسی نسل دو برای به دست آوردن پاسخ ساختمان و تعیین ریسک لرزه‌ای برای سازه‌های موجود در مقیاس منطقه‌ای استفاده شد. در مجموع 9600 شبیه‌سازی دینامیکی انجام شد و تغییرات ریسک در یک مسافت 100 کیلومتری با دامنه‌ 50 کیلومتری برای دو رویداد مختلف به بزرگای 6.5 و 7 مورد بررسی قرار گرفت.

یک عامل مهم مؤثر بر خسارت زلزله به ساختمان‌ها و سازه، فرکانس موج لرزه‌ای یا میزان تکرار یک موج در هر ثانیه است.

از کل توان ابرکامپیوتر Cori با 8192 گره و 524،288 هسته برای شبیه‌سازی یک زلزله به بزرگی 7 و فرکانس 5 هرتز در منطقه خلیج سانفرانسیسکو و روی گسل‌ هایوارد استفاده شد. این شبیه‌سازی 9 ساعت و 11 دقيقه به طول انجامید.

با توجه به شبیه‌سازی‌های اخیر، زلزله‌هایی با شدت زیاد در طول گسل‌ هایوارد نشان‌دهنده این واقعیت است که ساختمان‌ها با توجه به‌اندازه آن‌ها و فرکانس لرزه‌ای رفتار متفاوتی دارند. این شبیه‌سازی‌ها نشان داد که ساختمان 40 طبقه بیشتر از ساختمان سه‌طبقه مستعد خسارت است. نتایج دیگر نشان می‌دهد که حرکت زمین و پتانسیل خسارت وارد بر سازه ممکن است بین منطقه‌های نزدیک به هم متفاوت باشد.

شبیه‌سازی‌ها نشان داد که دو ساختمان با تعداد طبقات یکسان که فاصله یکسان 3 مایلی از خط گسل دارند، ممکن است پتانسیل آسیب‌پذیری متفاوتی با توجه به متفاوت بودن امواج لرزه‌ای دریافتی از گسل داشته باشند. ساختمان‌هایی که در نزدیکی گسیختگی گسل و راستای آن قرار داشتند، بیشتر متحمل خسارت شدند.

مک کالن گفت: شبیه‌سازی‌ها می‌توانند باعث افزایش فهم و کاهش عدم اطمینان در مورد فرایندهای بسیار پیچیده در علم و مهندسی زلزله شود. او همچنین ادامه داد که برای ارزیابی دقیق خطر زلزله و ریسک در مقیاس منطقه‌ای می‌توان از شبیه‌سازی‌های مبتنی بر فیزیک بهره‌مند شد.

منبع

نوشته شده توسط تیم مترجمین موسسه 808

اگر دوست دارید به تیم مترجمین 808 بپیوندید، با ما تماس بگیرید.

دریافت فایل PDF مقاله برای اعضای VIP رایگان است. سایر کاربران با پرداخت ۵۰۰ تومان می توانند اقدام به دریافت این فایل کنند.