Physics-based probabilistic seismic hazard and loss assessment in large urban areas

Besides being fundamental for defining seismic-design loads, probabilistic seismic hazard assessment (PSHA) is also preparatory to seismic risk and loss assessment. A key ingredient of any PSHA is the description of the ground motion attenuation. Empirical ground motion prediction models (GMMs), calibrated on the available strong motion records, are generally adopted for this purpose. However, the paucity of records in near-source conditions and the intrinsic limitations of the GMMs in fully accounting for the important physics effects that strongly affect ground motion in complex configurations, push towards other alternatives for those situations in which the GMMs are not well-constrained. As a matter of fact, physics-based numerical simulations (PBSs) of the strong ground motions have improved to the point of becoming an appealing complementary tool to GMMs. In the framework of a research cooperation between Munich RE (Germany) and Politecnico di Milano (Italy), this work has a twofold scope: investigate issues regarding a reliable characterization of earthquake ground shaking by means of PBSs and explore different approaches in order to inject PBSs into PSHA. With reference to the first aforementioned intent, part of the research activity was devoted to improve computational tools aimed at generating broadband synthetic waveforms from low-frequency physics-based simulations, the latter obtained with the high-performance spectral element code SPEED developed at Politecnico di Milano. More specifically, a broadband approach based on the use of artificial neural network (ANN) has been proved to preserve a full spatial correlation of ground motion at territorial scale and on a wide frequency range. The use of broadband PBSs in the perspective of a site-specific physics based PSHA allows a more realistic description of the specific features of fault geometry, local geology and morphology. Therefore, two alternative methodologies to directly incorporate PBSs into PSHA have been investigated. Starting from the work of Villani et al. (2014), a first approach, referred as GAF-based PSHA, consists of replacing the moments (i.e. mean and variance) of the lognormal distribution from the GMM with those obtained from lognormal distribution fitting the frequency histogram of PBSs at each site of interest. While a second method, denoted as fooprint-based PSHA, involves the direct integration of the frequency-histogram itself of occurrences in place of the probability distribution. The two physics-based PSHA approaches produce almost identical results in terms of hazard assessment and/or loss assessment at a single site, while, conversely, their estimates differ remarkably when the loss assessment at multiple sites is of concern. Indeed, while the footprint naturally incorporates the spatial correlation features of the ground motion, the GAF requires the definition of a proper correlation model. As main application to accomplish a comprehensive physics-based study (i.e. from the setup of the 3D numerical model up to a preliminary loss evaluation), the city of Istanbul (Turkey) has been selected among the large urban areas characterized by an high level of seismic risk worldwide. Thus, a set of 66 PBSs were carried out, considering earthquakes of magnitude ranging from 7 to 7.4 along the North Anatolian Fault portion, offshore of Istanbul. As main outcome we observed as, for increasing magnitude, PBSs estimate higher ground motion amplitudes with respect to the empirical site-generic prediction models mainly due to directive effects, consequence of the geometry of the North Anatolian Fault portion facing Istanbul.

Oltre ad essere fondamentale per la definizione delle azioni sismiche di progetto, la valutazione probabilistica della pericolosità sismica (PSHA) è propedeutica alla valutazione del rischio sismico e delle conseguenti perdite attese. Un ingrediente chiave del PSHA è la descrizione dell'attenuazione del movimento del suolo. Modelli empirici (GMM), calibrati sui dati registrati disponibili, sono generalmente adottati per questo scopo. Tuttavia, la scarsità di dati in condizioni di campo vicino alla sorgente e le intrinseche limitazioni dei modelli empirici nel tenere pienamente conto degli importanti effetti fisici che influenzano notevolmente lo scuotimento in configurazioni complesse, spingono verso altre alternative per le condizioni in cui i GMM non siano ben-vincolati. In quest’ottica, le simulazioni numeriche (PBS) basate sulla fisica del terremoto sono ormai ritenute un valido strumento complementare ai tradizionali modelli empirici. Nell'ambito di un progetto di ricerca tra la compagnia Munich RE (Germania) e il Politecnico di Milano (Italia), il presente lavoro si pone un duplice obiettivo: analizzare le problematiche relative ad una caratterizzazione affidabile dello scuotimento sismico mediante PBS ed esplorare diversi approcci al fine di utilizzare i PBS in ambito PSHA. Con riferimento al primo intento, parte dell'attività di ricerca è stata dedicata al miglioramento degli strumenti computazionali volti a generare forme d'onda sintetiche realistiche ad alta frequenza a partire dai segnali simulati (PBS) a bassa frequenza, questi ultimi ottenuti con il codice agli elementi spettrali SPEED sviluppato al Politecnico di Milano. Più specificamente, è stato dimostrato come un approccio basato sull'allenamento di reti neurali artificiali (ANN) consenta di preservare la correlazione spaziale dello scuotimento sismico su scala territoriale e su un ampio intervallo di frequenze. L'uso delle simulazioni così ottenute permette la formulazione di uno PSHA fisicamente-basato includendo una descrizione realistica della geometria della sorgente, della geologia locale e della morfologia. Pertanto, in questo lavoro sono state approfondite due metodologie alternative volte all’utilizzo diretto dei PBS in ambito PSHA. A partire dal lavoro di Villani et al. (2014), un primo approccio, denominato GAF, prevede di sostituire i momenti statistici (media e varianza) dei GMM con quelli ottenuti a partire dagli istogrammi di frequenza dei PBSs al sito. Un secondo metodo, denominato fooprint, prevede invece l'integrazione diretta dell'istogramma di frequenza stesso in sostituzione alla distribuzione di probabilità. I due approcci PSHA fisicamente-basati producono risultati pressocché identici in termini di pericolosità e/o di perdite attese al singolo sito, mentre, al contrario, le loro stime differiscono notevolmente quando l’obiettivo è quello di calcolare le perdite su molteplici siti spazialmente distribuiti. Mentre il footprint tiene naturalmente in conto le caratteristiche di correlazione spaziale dello scuotimento sismico, il GAF richiede la definizione esterna di un modello di correlazione adeguato. Come principale applicazione per realizzare uno studio completo fisicamente-basato (dalla definizione del modello numerico 3D fino ad una valutazione preliminare delle perdite attese), la città di Istanbul (Turchia) è stata selezionata tra le grandi aree urbane caratterizzate da uno dei più alti livelli di rischio sismico. Pertanto, sono stati generati 66 PBSs, considerando terremoti di magnitudo tra 7 e 7.4 nella porzione di faglia Nord Anatolica a sud di Istanbul. L’analisi dei risultati ha messo in luce come, all’aumentare della magnitudo, le simulazioni numeriche predicano ampiezze più elevate rispetto le stime dei modelli empirici, principalmente a causa dei fenomeni di direttività, conseguenza della geometria della porzione di faglia considerata.