Команда исследователей из Чикагского университета, Сеульского национального университета и Калифорнийского технологического института провела серию сейсмических экспериментов с использованием 3D-печатных моделей осадочного бассейна Лос-Анджелеса, чтобы лучше понять опасность землетрясений.

Команда представила свои выводы на осеннем собрании Американского геофизического союза (AGU) 2021 года, показав, что сейсмические волны самой высокой частоты, которые являются наиболее разрушительными для зданий, были фактически ослаблены - или уменьшены по силе - в бассейне модели, что противоречит давно принятое на основе численного моделирования предположение о том, что сотрясение грунта усиливается в бассейнах.

 

 

Осадочные бассейны - это геологические структуры, которые возникли как впадины и со временем были заполнены материалом с более низкой плотностью, например, отложениями оползней и рек.

Города, подверженные землетрясениям, такие как Лос-Анджелес, Мехико и Сантьяго, расположены в естественных осадочных бассейнах, внутри которых традиционные методы численного моделирования предполагают, что сотрясение грунта усиливается.

Часто используемые для понимания движения грунта в осадочных бассейнах, методы численного моделирования часто ограничены в их пространственном разрешении и ограничены вводимыми уравнениями. Воспроизведение мелкомасштабных деталей осадочных бассейнов в числовой модели является сложной задачей из-за компромисса между пространственным разрешением модели и вычислительным временем, необходимым для её решения.

Чтобы устранить эти недостатки, сейсмолог Сунён Парк из Чикагского университета и ее коллеги обратились к 3D-печатным моделям, чтобы более тщательно изучить, как сейсмические волны проходят через осадочные бассейны.

Парк и её команда начали 3D-печать моделей бассейна Лос-Анджелеса после того, как поняли, что они могут воспроизводить относительно небольшие естественные вариации плотности внутри моделей, соответствующие размеру около 10 метров в реальной жизни. По словам исследователей, 3D-печатные модели обеспечивали примерно в 10 раз лучшее пространственное разрешение, чем могла бы достичь числовая модель того же ландшафта.

Команда экспериментировала с резиной и пластмассами, которые легли в основу своих моделей, и в конечном итоге остановилась на нержавеющей стали из-за ее жесткости и, как следствие, более широкого диапазона свойств материала. Они использовали процесс 3D-печати SLS, чтобы уложить последовательные слои порошковой нержавеющей стали, которые затем нагревали и спекали вместе с помощью лазера.

Команда изменила параметры печати, такие как скорость спекающего лазера и порошка, чтобы контролировать пористость модели и иметь возможность печатать модели с диапазоном плотности. Исследователи изготовили модели размером 20x4x1 см, которые воспроизводили ряд геологических структур в пределах 50-километрового бассейна Лос-Анджелеса в масштабе от 1 до 250 000.

После того, как структуры были напечатаны, команда приступила к проведению серии сейсмических экспериментов, чтобы понять, как сейсмические волны проходят через модельный бассейн. Исследователи генерировали крошечные землетрясения, бомбардируя 3D-печатные модели лазерным светом мегагерцовой частоты. Тепловая энергия лазерных импульсов нагревала модели и вызывала дифференциальные напряжения, которые переходили в движение.

Команда зафиксировала движение грунта в верхней части моделей с точностью до десятых долей нанометра и обнаружила, что более высокие частоты колебаний грунта в моделях, как правило, снижаются в пределах бассейнов. Фактически, сейсмические волны имели тенденцию выборочно отражаться обратно от края бассейна.

Полученные данные противоречат прогнозам численного моделирования о том, что осадочные бассейны являются усилителями движения грунта, что оставляет больше областей для исследования с использованием 3D-печатных моделей в будущем. Например, в ходе экспериментов ученые также обнаружили, что лазерные импульсы запускают воздушные волны, скользящие по верхним поверхностям моделей. Поскольку на воздушные волны сильно влияет местная топография, дополнительная работа может включать добавление таких объектов, как холмы и горы, на поверхности моделей и измерение того, как распространяются воздушные волны.

Дополнительную информацию об исследовании можно найти в статье под названием: «Отражение землетрясений в трёхмерных печатных моделях Лос-Анджелеса», опубликованной в Eos. Соавторами исследования являются С. Парк, К. Шин, Ю. Ким и Р. Клейтон.

 

 

Помимо этой последней разработки, в прошлом 3D-печать применялась в связи с землетрясениями. Еще в 2015 году местный житель Напы создал 3D-печатное визуальное представление информации о пиковой скорости земной поверхности (PGV) землетрясения магнитудой 6,0, которое произошло в Напе, недалеко от Сан-Франциско, 24 августа. В следующем году с помощью 3D-печати удалось увековечить итальянский город Аматриче в виде сложной модели после землетрясения, в результате которого погибло 297 человек.

Помимо землетрясений, модели, напечатанные на 3D-принтере, нашли применение во многих других областях. Наиболее известными из них являются анатомические модели для медицинского и стоматологического секторов, где 3D-печать обеспечивает полноцветный реализм и точность, позволяет планировать сложные операции и помогает пациентам лучше понять своё лечение.

В других местах 3D-печатные модели использовались для содействия исследованиям и разработкам перевязочных материалов, помощи в разработке методов лечения инфицированных ожогов и помощи сотрудникам правоохранительных органов в борьбе с торговлей дикими животными.

 

 

Источник: https://3dprintingindustry.com/news/researchers-leverage-3d-printing-to-better-understand-earthquake-hazards-201195/