Linea di ricerca n. 9

Monitoraggio e early warning di Monitoraggio e early warning di strutture e infrastrutture strategichestrutture e infrastrutture strategiche

Coordinatore: Paolo GaspariniDipartimento di Scienze Fisiche, Università Federico II Napoli

Assemblea II AnnoFirenze, 17-18 Gennaio 2008

LINEA 9LINEA 9Monitoraggio e early warning di strutture e infrastrutture Monitoraggio e early warning di strutture e infrastrutture strategichstrategich

UNITAUNITA’’ OPERATIVE PARTECIPANTIOPERATIVE PARTECIPANTI

RESPONSABILEENTEUO

Antonio OCCHIUZZIUniversità di Napoli ParthenopeDipartimento di Tecnologia

UNIPARTH

Carlo G.LAIBarbara BORZI

EUCENTREPavia

EUCENTRE

Giovanni IANNACCONEINGV - Osservatorio VesuvianoINGV – OV

Aldo ZOLLOUniversità di Napoli Federico II Dipartimento di Scienze Fisiche

UNINA DSF

Gerardo DE CANIOCentro Ricerche CasacciaENEA

Alessandro DE STEFANOPolitecnico di Torino Dipartimento di Ingegneria Strutturale

POLITO

Felice C. PONZOUniversità della Basilicata Dipartimento di Strutture, Geotecnica, Geologia applicataall’ingegneria

UNIBAS

Giovanni FABBROCINOUniversità del MoliseDipartimento SAVA

UNIMOL

Gerardo VERDERAMEUniversità di Napoli Federico IIDipartimento di Ingegneria Strutturale

UNINA-DIST

OBIETTIVO SINTETICOOBIETTIVO SINTETICOMIGLIORARE LA CAPACITA’ DI INTERVENTO IN TEMPO REALE PER LA

DIMINUZIONE DEL RISCHIO E LA GESTIONE DELL’EMERGENZA POST-EVENTO.

SETTORI DI ATTIVITA’

a) Monitoraggio di strutture ed infrastrutture strategiche;

b) Prototipi di sistemi di early warning per strutture, infrastrutture strategiche e beni culturali.

La presente relazione verterLa presente relazione verteràà su:su:

a)a) Progressi nellProgressi nell’’applicazione dellapplicazione dell’’EWS a scala globaleEWS a scala globale

a)a) Progressi nello sviluppo della Linea 9 del RELUISProgressi nello sviluppo della Linea 9 del RELUIS

Prototipi di sistemi di early warning per Prototipi di sistemi di early warning per strutture, infrastrutture strategiche e beni strutture, infrastrutture strategiche e beni culturaliculturali

Classificazione dei Sistemi di Early Warning

Sistemi regionali:A)A) rete sismica nell’area di sorgente del terremoto

• Taiwan• Istanbul• Regione Campania

Sistemi regionali:Sistemi regionali:B)B) rete sismica tra l’area sorgente del terremoto e l’obiettivo

• Bucarest• Mexico City• Giappone (UrEDAS)

Sistemi in-Situ:rete sismica o singoli sensori posizionati sull’obiettivo o nell’area intorno

• Giappone• Centrali nucleari• Monumenti

EEW con reti regionali Epicentre

✹Target

Seismic Network

Destructive Seismic wave 3.5 km/s

Information (velocity of light)

Early Warning~ 10 sec

Post - Event~ 10 min

TelemetryAnalysis

Event detection

TPfirst TStargetTime

T0

Sistemi di Gestione di Allerta Sismica: Concetti generali

10-20 secondi 1-2 centinaia di secondiTime

torigin

Early Warning

Stringhe di dati: localizzazione, magnitudo con errori relativi a X, DX, M, DM

Allarme Post-evento

Simulazione del movimento del terreno

Azioni di early warningAzioni di early warning

Azioni individuali:Misure protettive nelle abitazioni, a lavoro, nelle scuole, (es. ripararsi sotto i banchi o le strutture portanti);Allontanare immediatamente il personale da impianti chimici, strutture pericolose, infrastrutture instabili (in costruzione e/o in ristrutturazione).

Azioni automatiche:Attivazione di meccanismi per l’arresto dei sistemi di trasporto di materiale nelle aree industriali;Cancellazione degli atterraggi degli aeroplani;Interruzione del traffico in entrata sui ponti e sulle autostrade esposte;Disattivazione di processi pericolosi in industrie chimiche;Temporanea disattivazione degli impianti di distribuzione del gas e dell’energia;Attivazione di meccanismi di controllo semi-attivi in edifici strategici (in sperimentazione in Giappone e a Taiwan);Operazione di back-up dei dati e spegnimento di computer di particolare rilevanza.

Kanamori, 2005

Azioni post-eventoRilevazione in Rilevazione in realreal time di time di AA maxmaxed elaborazione scenari di dannoed elaborazione scenari di danno

Ottimizzazione delle operazioni soccorso

Riattivazione delle reti di telecomunicazione, di trasporto e di servizi nelle aree che non hanno subito danni

Sistemi di Early Warning nel mondo

WorkingWorking

Under developmentUnder development

GreeceGreece

JapanJapan

TaiwanTaiwan

MexicoMexico

TurkeyTurkey

RomaniaRomania

ItalyItaly

USAUSA

Seismometers distribution used for EEW

■ JMA 200

▲Hi-net(NIED) 800

0th issuance of EEW

1st issuance of EEW

2nd issuance of EEW

N th issuance of EEW

Conceptual Image of Seismic Wave Propagationand Earthquake Early Warning (EEW)

When EEW is issued to the general public, its timing and contents must be carefully designed

rapidityaccuracy

© Odakyu Electric Railway

© JEITA © KAJIMA CORPORATION

Furnish from Prof. Motosaka

Example of application

Train operation

control

School children’s immediate action

for safety

Home electronics

control

Immediate action/measures for avoidance of

danger

epicenter 76+6-5+5-4

JMASeismicIntensity

Niigata (5+): 7 sec.

hh:mm:ss17:56:00 Origin Time17:56:03 First Detection17:56:04 1st EEWOnsite warning(over 100cm/s/s)17:56:07 2nd EEWHypocenter,Magnitude,and Seismic Intensity

……………..17:57:03 Final EEW(8th)

17:58 Seismic Intensity Report

18:02 Earthquake Information

Time available for taking action (1)M6.8 earthquake

(Oct. 23, 2004 Mid Niigata Pref.)

epicenter 76+6-5+5-4

JMASeismicIntensity

Ishinomaki (5+):10 sec.

Sendai (5+):16 sec.

Kawasaki (6-):22 sec.

Tsunami advisory

hh:mm:ss11:46:26 Origin Time11:46:41 First Detection11:46:45 1st EEWHypocenter,Magnitude,and Seismic

Intensity11:46:45 2nd EEWupdated EEW……………..11:47:51 Final EEW(8th)

11:54 Earthquake Information12:12 13cm tsunami height

(at Ayukawa)13:15 Tsunami Cancellation

11:48 Seismic Intensity Report

11:50 Tsunami Advisory

Time available for taking action (2)M7.2 earthquake (Aug. 16, 2005 off Miyagi Pref.)

• In tre anni di sperimentazioni, sono stati diffusi 1773 early warnings per terremoti (EEWs).Diquesti, 30 si sono rivelati falsi allarmi (circa 1.7%).Tutti i falsi allarmi erano basati su registrazioni avvenute ad una sola stazione.

FALSI ALLARMI

Cause di falso allarme per intensitàsuperiori a 5-

Stima della massima intensità sismica(scala JMA) Totali

5- 5+ 6- 6+ 7

Strumento difettoso in origine e operazione errata 3 0 1 0 0 4

Strumento difettoso e rumoreeletrromagnetico hanno innescatol’EEW

3 0 0 0 0 3

Totali 7

Amended “Weather Service Law” came into force on the 1st of Dec. 2007.

Points

1) JMA MUST issue EEW in case it is necessary.

2) Designated organization MUST transmit EEW to the relevant organizations and public.

3) Those who start provision of “EEW” to individual house and building, need to satisfy Technical Standard determined by JMA.

SAFER SAFER PROJECTPROJECT’’S TEST SITESS TEST SITES

1. EARTHQUAKE ENGINERING. Strategic Research Agenda EAEE July 2007

2. TOWARDS BETTER PROTECTING CITIZENS AGAINST NATURAL DISASTER RISKS: STRENGTHENING EARLY WARNING SYSTEMS IN EUROPE Document of the EC for the European Parliament

3. EARTHQUAKE EARLY WARNING AS A TOOL FOR IMPROVING SOCIETY’S RESILIENCE AND CRISIS RESPONSE: An European vision towards a safer future Safer Project to EC AG

EUROPEAN UNION VISION PAPERS ON SEISMIC RISK

75.8975.895.25.27.187.3887.187.3882.972.971187.61187.62.242.24EUROPAEUROPA

345.94345.944.54.52.745.7572.745.75715.5815.5894.8694.860.760.76TURCHIATURCHIA

175.21175.212.272.271.288.2651.288.2653.983.98225.71225.710.520.52ITALIAITALIA

Vulnerabilitàrelativa (vittime /milione esposto)

Esposizione in percentuale alla popolazione (%)

Esposizione media per anno (persone/anno)

Numero medio di vittime per milione di abitanti

Numero di vittime per anno

Numero medio di eventi per anno (evento/anno)

Paese

9.129.1225.3925.3930.855.86230.855.8622.312.31281.29281.291.141.14GIAPPONEGIAPPONE

0.970.972.612.616.745.7996.745.7990.030.036.526.520.480.48USAUSA

VulnerabilitVulnerabilitàà Individuale per Terremoti con M Individuale per Terremoti con M ≥≥ 5.55.5

Da: Da: ReducingReducing DisasterDisaster RiskRisk, UNDP, , UNDP, StatisticalStatistical AnnexAnnex, page 143, page 143

1950

2015

The Urban Explosion

Source: National Geographic, Nov. 2002

1950 1970 1990 2015

347

418

71100

200

300

400

Number of people in cities

mill

ion

Industrialized countriesDeveloping countriesAll

From 8 Megacities in 1950 to 60 in 2015!It takes place in the developing world!

City Growth:Doubling

every 15 years!

Informal Settlements:Doubling

every 7 years!

In contrary to hazard,

risk is a highly dynamic quantity

We urgently needa

“Global Risk Monitoring Tool“!

Why is earthquake early warning needed in Europe?

• The relative earthquake risk (killed per million exposed) is about 10 times higher in Europe than in Japan, and around 100 times higher than in the US.• Europe’s high level of urbanisation, growing industrialization and networking of economies have increased its seismic vulnerability to an extent that seriously compromises its sustainable development.• EEW provides timely and reliable information for disaster response actions.• EEW minimizes earthquake-induced secondary effects (e.g. fires, industrial accidents) as well as the impact of aftershocks and triggered events (e.g. landslides and tsunamis).• EEW assists in allowing critical infrastructures to remain operational (e.g. hospitals, air traffic control).• EEW increases the safety of the population, particularly in schools and public places.• EEW contributes to the protection of transport systems and lifelines.• EEW helps to protect Europe’s cultural heritage.• EEW complements safety measures based on European building codes by activating adaptive mechanisms for the protective control of structures during the event.

ImprovementsExtensive cost-benefit analysis of each applicationLegal problemsEducation and trainingDetection and processing within 1 secondDevelopment of rapid active and semi-active controls with 1-2 second responseRapid impact assessment

New directions and goalsDiffusion of information, end-to-end EWSpecialized IT systems, decision making supportIntegration of sensors, communications and decision making, following European

and international standardsPeople-centred EEWMobile sensor networks for aftershock EWIntegration into programs of eco-sustainable developmentCreation of a European cross-border network of EEW systems (system of systems)Integration with other EW systems (all-hazard systems)

Prototipi di sistemi di early warning per strutture, Prototipi di sistemi di early warning per strutture, infrastrutture strategiche e beni culturaliinfrastrutture strategiche e beni culturali

UR: UNINA DAPS, UNINA DSF, INGV, ENEA, UNIP, EUCENTREUR: UNINA DAPS, UNINA DSF, INGV, ENEA, UNIP, EUCENTRE

OBIETTIVI:OBIETTIVI:

a) Definizione delle problematiche di interfacciamento delle tecnologie sismologiche di Early Warning con l’ingegneria sismica per l’incremento della affidabilità delle strutture e della sicurezza dei sistemi antropici. (Sviluppo della “ingegneria dei secondi”). Riduzione della fragilitàdelle strutture attraverso modelli di decisione che abbiano come input le stime di intensità del moto sismico attese al sito, elaborate grazie ai rilevamenti della rete multicomponente, e siano riferiti a strutture dotate di sistemi di controllo attivo o semi attivo per l’isolamento e lo smorzamento sismico.

b) Applicazione a un caso studio di due strutture di interesse strategico nel territorio campano in cui l’algoritmo del sistema di controllo e quindi la risposta dinamica della struttura siano dipendenti dalla predizione del sistema di SEW delle misure di intensità del moto al sito di interesse;

c) Definizione dell’affidabilità del sistema campano nei casi in esame basata sulla “consequencetheory”;

Prototipi di sistemi di early warning per strutture, Prototipi di sistemi di early warning per strutture, infrastrutture strategiche e beni culturaliinfrastrutture strategiche e beni culturali

UR: UNINA DAPS, UNINA DSF, INGV, ENEA, UNIP, EUCENTREUR: UNINA DAPS, UNINA DSF, INGV, ENEA, UNIP, EUCENTRE

OBIETTIVI:

d) Verifica di applicabilità specifica di un sistema di SEW tenendo conto del contesto sismotettonico italiano, della distanza delle sorgenti sismiche dai grossi centri abitati e/o dalle centrali di produzione dell’energia e ai corrispondenti tempi di pre-allerta;

e) Studio di fattibilità con verifica sperimentale, di un sistema innovativo di protezione sismica di statue o strutture monumentali a prevalente sviluppo verticale. L’attivitàprincipale del progetto è lo studio e la messa a punto di tecniche semi-attive di protezione sismica con dispositivi non invasivi dell'opera d'arte, azionati solo al momento opportuno da un SEW;

f) Studio di fattibilità dell’applicazione di SEW in Molise sia per strutture di interesse strategico che nell’ambito della protezione dell’industria di processo.

Three levels of data acquisition and transmission

> Stations (data loggers)> Local control centre (sub-network)> Network Control Centre (Naples))

Network architecture

LocalControlCenters

Sub-nets

stations

Left: optimal alarm threshold for the classroom as a function of its location in respect to the seismogenetic zone. Right: selected critical infrastructures in the campanian region.

Experimental setup for the characterization of an MR damper

Results of some dynamic testsdone for dampers MR1 and MR2

(Left) Directivity effect of the Orzinuovi seismic source, from simulations by Hisada and Bielak 2003 code. (Right) Comparison between blind zone amplitudes in case of Orzinuovi seismic source re-activation for Regional EEW configuration (in blue) and for Hybrid EEW configuration (in orange)

Linear regression between the dominant period of the first 4 seconds of the P_wave and the magnitudo of the earthquake for Italy. Earthquake time history from the European Strong Motion Data base www.isesd.cv.ac.uk

Possible nesting of SA_SEW modules within the AMRA SEW network sensors

Identificazione del patrimonio sensibile

Sorgenti sismiche, rete sismica, edifici strategici

(GIS)

Caratterizzazione locale del sottosuolo di Isernia

Identificazione e modellazione

≈ 1.71.29Prev. torsional3

≈ 1.30.98Prev. translational (short side)2

≈ 20.92Prev. translational (long side)1

Damping Ratio [%]

Frequency [Hz]TypeMode

number