Development of open models and tools for seismic risk assessment: application to Portugal

Abstract

The exponential growth of the world population has led to an increase of settlements often located in areas prone to natural disasters, including earthquakes. Consequently, despite the important advances in the field of natural catastrophes modelling and risk mitigation actions, the overall human losses have continued to increase and unprecedented economic losses have been registered. In the research work presented herein, various areas of earthquake engineering and seismology are thoroughly investigated, and a case study application for mainland Portugal is performed. Seismic risk assessment is a critical link in the reduction of casualties and damages due to earthquakes. Recognition of this relation has led to a rapid rise in demand for accurate, reliable and flexible numerical tools and software. In the present work, an open-source platform for seismic hazard and risk assessment is developed. This software is capable of computing the distribution of losses or damage for an earthquake scenario (deterministic event-based) or earthquake losses due to all the possible seismic events that might occur within a region for a given interval of time (probabilistic event-based). This effort has been developed following an open and transparent philosophy and therefore, it is available to any individual or institution. The estimation of the seismic risk depends mainly on three components: seismic hazard, exposure and vulnerability. The latter component assumes special importance, as by intervening with appropriate retrofitting solutions, it may be possible to decrease directly the seismic risk. The employment of analytical methodologies is fundamental in the assessment of structural vulnerability, particularly in regions where post-earthquake building damage might not be available. Several common methodologies are investigated, and conclusions are yielded regarding the method that can provide an optimal balance between accuracy and computational effort. In addition, a simplified approach based on the displacement-based earthquake loss assessment (DBELA) is proposed, which allows for the rapid estimation of fragility curves, considering a wide spectrum of uncertainties. A novel vulnerability model for the reinforced concrete building stock in Portugal is proposed in this work, using statistical information collected from hundreds of real buildings. An analytical approach based on nonlinear time history analysis is adopted and the impact of a set of key parameters investigated, including the damage state criteria and the chosen intensity measure type. A comprehensive review of previous studies that contributed to the understanding of the seismic hazard and risk for Portugal is presented. An existing seismic source model was employed with recently proposed attenuation models to calculate probabilistic seismic hazard throughout the territory. The latter results are combined with information from the 2011 Building Census and the aforementioned vulnerability model to estimate economic loss maps for a return period of 475 years. These losses are disaggregated across the different building typologies and conclusions are yielded regarding the type of construction more vulnerable to seismic activity.

O contínuo crescimento da população mundial tem levado a uma massificação dos centros urbanos, frequentemente localizados em áreas propensas a desastres naturais, de entre os quais os sismos. Consequentemente, e apesar dos avanços do conhecimento no domínio da modelação de catástrofes naturais e das ações de mitigação do risco, o número de fatalidades continua a aumentar e, recentemente, perdas económicas sem precedentes têm vindo a ser registadas. No presente trabalho, são investigados vários aspetos da engenharia sísmica e sismologia, e é desenvolvido como caso de estudo Portugal continental. A avaliação rigorosa do risco sísmico é um instrumento fundamental para a redução do número de vítimas e de danos como consequência dos eventos sísmicos. Este reconhecimento despoletou o desenvolvimento de ferramentas numéricas e de software para o cálculo do risco. No presente trabalho, uma plataforma open-source para o cálculo de perigosidade e risco sísmico foi desenvolvida, que permite calcular a distribuição das perdas e danos para um cenário específico da ação sísmica (evento determinístico), ou das perdas acumuladas devidas a todos os eventos sísmicos que podem ocorrer numa determinada região e num dado período de tempo. Como resultado deste trabalho foi desenvolvido um software, que é disponibilizado a qualquer indivíduo ou instituição. A determinação do risco sísmico depende principalmente de três componentes: perigosidade sísmica, exposição e vulnerabilidade. A última componente assume particular importância, na medida em que uma eventual intervenção ao nível do reforço estrutural pode ter influência direta na redução do risco sísmico associado. O recurso a metodologias analíticas é fundamental para a avaliação da vulnerabilidade estrutural, particularmente em regiões onde a informação sobre danos em edifícios após sismos é escassa ou inexistente. Neste trabalho foram analisadas várias metodologias conhecidas, discutindo-se a eficiência e rigor dos vários métodos, nomeadamente no respeitante à relação entre precisão e esforço computacional exigido. Complementarmente é proposta uma abordagem simplificada que permite o cálculo expedito de curvas de fragilidade. É ainda proposto um modelo de vulnerabilidade para edifícios de betão armado em Portugal, utilizando dados recolhidos na análise de centenas de projetos de edifícios existentes. Foi adotada uma abordagem analítica, baseada em análises não-lineares dinâmicas, que permitiu avaliar a influência de vários parâmetros, nomeadamente a influência dos critérios na definição do dano ou o tipo de medida de intensidade usada na representação da ação sísmica. É apresentada uma revisão abrangente dos estudos e contributos anteriores de outros autores que contribuíram para a compreensão da perigosidade e risco sísmico em Portugal. Neste estudo, para o cálculo da perigosidade sísmica em Portugal continental foi usado um modelo disponível de zonas sismogénicas, e modelos de atenuação recentemente propostos. Estes resultados foram combinados com dados provenientes do recente Recenseamento Geral, de 2011, e com o modelo de vulnerabilidade desenvolvido neste trabalho, obtendo-se mapas de perdas económicas para um período de retorno da ação de 475 anos. A desagregação para as diferentes tipologias construtivas estudadas permitiu aferir quais os tipos de construção poderão ter maior impacto nas perdas económicas totais num eventual evento sísmico.

La crescita esponenziale della popolazione mondiale ha portato a un aumento di insediamenti spesso localizzati in aree propense a disastri naturali, tra cui terremoti. Di conseguenza, nonostante gli importanti avanzamenti nel campo della modellazione delle catastrofi naturali e nelle azioni di mitigazione del rischio, le perdite umane complessive sono continuate a crescere e sono state registrate perdite economiche senza precedenti. Nel lavoro di ricerca presentato di seguito, varie aree dell’ingegneria sismica e della sismologia sono investigate a fondo e applicate come caso studio al Portogallo continentale. La definizione del rischio sismico è un punto critico nella riduzione di vittime e danni dovuti a eventi sismici. Il riconoscimento di tale importanza ha portato a una rapida crescita della richiesta di strumenti e software accurati, affidabili e flessibili. Nel presente lavoro è stata sviluppata una piattaforma open-source per la definizione della pericolosità e del rischio sismico. Questo software è capace di calcolare la distribuzione di perdite o danni per un determinato scenario sismico (evento deterministico) o le perdite dovute a tutti i possibili eventi sismici che potrebbero accadere in una regione in un dato intervallo di tempo. Questo risultato è stato perseguito seguendo una filosofia aperta e trasparente e quindi è disponibile a qualsiasi individuo o istituzione. La stima del rischio sismico dipende soprattutto da tre componenti: la pericolosità sismica, la esposizione e la vulnerabilità. L’ultima componente assume speciale importanza, poiché intervenendo con soluzioni appropriate di adeguamento, è possibile far diminuire direttamente il rischio sismico. L’utilizzo di metodologie analitiche nella definizione della vulnerabilità delle strutture è fondamentale particolarmente in regioni dove potrebbero non essere disponibili informazioni sul danno a edifici conseguente un terremoto. Numerose metodologie tra le più comuni sono state analizzate, e si è concluso su quale metodo può offrire un equilibrio ottimale tra accuratezza dei risultati e impegno computazionale. Inoltre si propone un approccio semplificato a partire dalla metodologia di determinazione delle perdite sismiche basata sugli spostamenti (DBELA), che permette di derivare velocemente curve di fragilità, considerando un ampio spettro di incertezze. Si propone un nuovo modello di vulnerabilità per edifici in cemento armato in Portogallo, usando informazioni statistiche raccolte da centinaia di edifici reali. Si è utilizzato un approccio analitico basato su analisi dinamiche non lineari e si è investigato sull’impatto di un gruppo di parametri chiave, tra cui i criteri di definizione dello stato di danno e il tipo di misura di intensità scelta. É presentata un’ampia revisione di studi precedenti che hanno contribuito alla comprensione della pericolosità sismica e del rischio per il Portogallo. Per calcolare la pericolosità sismica probabilistica sull’intero territorio si è fatto uso di un modello esistente di fonti sismiche con modelli di attenuazione proposti recentemente. Questi ultimi risultati sono stati combinati con informazioni dal Censimento degli Edifici del 2011 e il suddetto modello di vulnerabilità per stimare mappe di perdite economiche per un periodo di ritorno di 475 anni. Le perdite sono state disaggregate per le diverse tipologie di edifici e sono state riportate conclusioni sul tipo di costruzione più vulnerabile all’attività sismica.