Реконструкция моста Golden Gate Bridge

Применение суперкомпьютеров для обеспечения сейсмической устойчивости мостов

Многие считают очевидной способность мостов противостоять сильным землетрясениям. Однако жители Северной Калифорнии были выведены из такого заблуждения землетрясением под названием Loma Prieta, произошедшим 17 октября 1989 года. Была разрушена секция моста Bay Bridge в Сан-Франциско, а также эстакада над улицей Cypress St. в Оукленде. Но более существенным оказалось то, что жители разрушенных районов потеряли уверенность в надежности этих конструкций.

До землетрясения Loma Prieta, с целью оценки устойчивости знаменитого моста Golden Gate Bridge в Сан-Франциско, компании Golden Gate Bridge Highway и Transportation District заключили контракт с инженерами из T.Y. Lin International. Было установлено, что мост неустойчив при землетрясении в 7 и более баллов при условии нахождения эпицентра землетрясения вблизи моста. При силе удаленного от моста землетрясения Loma Prieta равной 7.1 балла, мост не пострадал. Однако стало ясно, что мост нуждается в укреплении. По заказу городской администрации, фирмами T.Y. Lin International и Sverdrup Corp. было проведено исследование возможности реконструкции моста Golden Gate Bridge и других подобных конструкций для повышения их сейсмической устойчивости. К работе над проектом был привлечен суперкомпьютерный центр Сан-Диего (SDSC), совместно с которым компании осуществили самый детальный численный анализ, который когда-либо проводился для оценки структурной целостности мостов.

"Главной задачей этого проекта было проверить устойчивость существующих сооружений, построенных старыми строительными методами, используя при этом современные инженерные и компьютерные технологии" - сказал Chuck Charman, инженер из SDSC. "Как результат, значительно возросла заинтересованность в вычислительных технологиях для структурного анализа сооружений".

Аналитическая группа компании Imbsen под руководством W.David Liu сначала произвела оценку нижней части опоры башенных подпорок, на которых держится пролет моста. Они смоделировали землетрясение и проследили, как деформировались эти подпорки. На этом уровне детализации они смогли определить степень повреждений главной конструкции при землетрясениях в полтора раза сильнее, чем были прежде. "Этот дополнительный запас прочности очень важен, учитывая отсутствие информации о возможной силе грядущих землетрясений" - пояснил Liu.

Потом они сосредоточили внимание на меньшей части башни, чтобы проанализировать воздействие на прочность используемых внутри этой части конструкций, типичных для построек 30-ых годов. Поскольку способы конструирования с тех пор изменились, то им пришлось исследовать взаимодействие старых способов конструирования с современными схемами, используемыми при перестройке.

общая схема моста Golden Gate Bridge

Инженеры воссоздали небольшой фрагмент опоры башни, разбив ее на 67000 ячеек, включая все заклепки, диафрагмы и железные углы, придав ей 200000 степеней свободы. На этой многомерной модели они могли моделировать землетрясения и наблюдать, насколько и где изгибается и коробится материал. Степень деформаций и разрушения, которые происходят, когда опора башни поднимается или изгибается, критична для решения задачи о сохранности моста после землетрясения. В начале проекта инженеры ввели обе модели в суперкомпьютер Cray, установленный в SDSC. Charman провел несколько тестовых расчетов, чтобы оценить требуемое для моделирования процессорное время. Было определено, что более детальная модель, которую планировалось использовать сначала, оказалась слишком дорогой по затратам вычислительных ресурсов. Системы уравнений, используемые для вычислительного моделирования деформаций, имеют очень сложные взаимосвязи и их решение на компьютере в исходном виде было бы слишком дорогостоящим. Для реализации расчетов группа использовала итеративный подход. Они аппроксимировали нелинейный процесс, производя нагрузку на мост в виде 14 более простых линейных шагов, каждый из которых, в свою очередь, сопровождался пятью или шестью дополнительными шагами для балансировки. В результате, все 70 шагов заняли около 10 часов процессорного времени.

Для более крупной секции опоры группа использовала более 10 сценариев землетрясения, основываясь на различных вариантах землетрясения, чтобы наблюдать реакцию моста. Было проведено около 20 испытаний, каждое из которых потребовало от 6 до 8 часов непрерывного времени работы компьютера. Эти результаты помогли проверить инженерные спецификации по реконструкции, а также оценить стоимость материалов и работ по реконструкции.

северная часть моста Golden Gate Bridge

Компании T.Y. Lin and Imbsen отвечали за окончательный проект северной части и подвески моста, а компания Sverdrup отвечала за южный подъезд. Как заявил Charman из SDSC, "крупномасштабной перспективой данного проекта должно стать моделирование всего моста. Однако, из-за необходимости работы с высокоточными моделями в настоящее время мы можем моделировать только около 5% одной башенной подпорки поста. Компьютер пока (на 1998 год, прим.ред.) не в состоянии заменить экспертные оценки инженеров".

Читайте другие статьи серии Суперкомпьютерные технологии рядом с нами.

© Лаборатория Параллельных Информационных Технологий, НИВЦ МГУ