Advancing seismic risk assessment in large urban areas by means of regional-scale 3d physics-based ground motion simulations

Seismic damage and loss scenarios in urbanized environments represent a key tool for Civil Protection to improve earthquake preparedness, to establish effective prevention policies for seismic risk mitigation and to support decision-making in emergency planning and management. In estimating the seismic risk at urban scale, encompassing spatially distributed building portfolios or lifeline systems, key challenges exist in all components of the risk chain (hazard, vulnerability, exposure) but particularly in the hazard model. An accurate estimation of ground motion footprints and their associated uncertainty is crucial for understanding the potential extent of earthquake-induced economic and social losses, especially for cities located close to seismically active faults. Empirical Ground Motion Models (GMMs) represent the reference tool of choice for earthquake ground motion predictions, but, in spite of their considerable evolution, they still suffer from the paucity of recordings, such as in the near-source region, for complex geological conditions and in spatially dense receivers configurations, which often prevents a well-constrained prediction of the ground motion and of its spatial variability in the variety of source-to-site conditions controlling the hazard at the site. These limitations can be overcome by relying on 3D physics-based numerical simulations (PBS) which, in recent years, have emerged as one of the most promising tools for providing earthquake ground motions reflecting the specificity of the seismogenic fault, of the propagation path and of the local site conditions. In line with the research efforts promoting the development and application of such PBS, the main aim of this work is to explore and test an innovative approach for assessing seismic risk in large urban areas, where ground shaking scenarios are provided by 3D PBS in realistic geological and seismotectonic contexts. The high-performance spectral element code SPEED (https://speed.mox.polimi.it), developed at Politecnico di Milano, is used for the PBS. As a preparatory study for the application of seismic risk methodologies at spatial scale, this research has tackled the issues related to the modeling of the spatial correlation of earthquake ground motion intensity measures. For this purpose, a large set of broadband ground motions simulated by the SPEED code, and enriched in the high-frequency range with an Artificial Neural Network (ANN) technique, is used to assess the spatial correlation by means of state-of-the-art geostatistical techniques. Outcomes of this analysis: (i) validate successfully the numerical approach in predicting the spatial correlation in a broad frequency range, by comparison with results derived from recordings; (ii) point out that spatial correlation of ground motion is region- and scenario-specific, as it is significantly affected by the local geology, magnitude, forward directivity effects, ground-motion directionality (fault normal versus fault parallel), and relative position from the causative fault. These features may make critical the use of isotropic and stationary models, especially in near-fault conditions, as typically assumed in empirically-based models. As main application to carry out a comprehensive physics-based study, from the construction of the 3D numerical model up to damage and loss scenarios, the city of Thessaloniki (Northern Greece) has been selected owing to the high level of seismic risk and the availability of detailed exposure and vulnerability data. After the setup, calibration and validation of the 3D numerical model, a set of 60 different fault rupture scenarios with moment magnitude in the range 6.5-7.0, originating from two major active faults in the surroundings of Thessaloniki (Gerakarou-Langadhas and Anthemountas fault systems), is simulated by SPEED. These simulations account for kinematic finite-fault source models and a 3D seismic velocity including the two main geological structures present in the area (Thessaloniki and Mygdonia basins). The ground shaking scenarios from these PBS are coupled with up-to-date exposure, fragility and vulnerability models for the residential building stock in Thessaloniki to generate seismic damage and loss scenarios using the OpenQuake platform (https://platform.openquake.org). After validation of the risk model on the damage observations available for the historical 1978 earthquake, the variability of damage and loss predictions as a function of the fault rupture realizations is explored to gain insights into the potential impact of physical factors, such as the causative fault and magnitude, on seismic risk in Thessaloniki. As main conclusion, PBS-based results point out a higher seismic risk posed by the earthquake scenarios rupturing the seismogenic sources located in the Mygdonian graben.

Gli scenari di danni e perdite sismiche in ambienti urbanizzati rappresentano uno strumento chiave per la Protezione Civile al fine di migliorare la preparazione al terremoto, stabilire politiche efficaci di prevenzione per la mitigazione del rischio sismico e sostenere la pianificazione e la gestione delle emergenze. Nel calcolare il rischio sismico a scala urbana, includendo portafogli di edifici distribuiti spazialmente o sistemi di servizi vitali, esistono sfide chiave in tutte le componenti della catena del rischio (pericolo, vulnerabilità, esposizione), ma particolarmente nel modello di pericolo. Una stima accurata delle impronte dei movimenti del suolo e della loro incertezza associata è cruciale per comprendere l'estensione potenziale delle perdite economiche e sociali indotte dai terremoti, specialmente per le città situate vicino a faglie attive dal punto di vista sismico. I modelli empirici di movimento del suolo (GMMs) rappresentano lo strumento di riferimento per le previsioni dei movimenti del suolo sismico, ma nonostante la loro considerevole evoluzione, soffrono ancora a causa della scarsità di registrazioni, ad esempio nella regione vicino alla sorgente, per le complesse condizioni geologiche e le configurazioni spazialmente dense dei ricevitori, il che spesso impedisce una previsione ben vincolata del movimento del suolo e della sua variabilità spaziale nella varietà di condizioni da sorgente al sito che controllano il pericolo nel sito. Queste limitazioni possono essere superate affidandosi a simulazioni numeriche basate sulla fisica 3D (PBS) che, negli ultimi anni, sono emerse come uno degli strumenti più promettenti per fornire i movimenti del suolo sismico riflettenti la specificità della faglia sismogenica, del percorso di propagazione e delle condizioni locali del sito. In linea con gli sforzi di ricerca che promuovono lo sviluppo e l'applicazione di tali PBS, l'obiettivo principale di questo lavoro è esplorare e testare un approccio innovativo per valutare il rischio sismico nelle grandi aree urbane, in cui gli scenari di scuotimento del suolo sono forniti da PBS 3D in contesti geologici e sismotettonici realistici. Il codice ad elementi spettrali ad alte prestazioni SPEED (https://speed.mox.polimi.it), sviluppato al Politecnico di Milano, viene utilizzato per il PBS. Come studio preparatorio per l'applicazione di metodologie di rischio sismico a scala spaziale, questa ricerca ha affrontato le questioni legate alla modellazione della correlazione spaziale delle misure dell'intensità del movimento del suolo sismico. A questo scopo, un ampio insieme di movimenti del suolo a banda larga simulati dal codice SPEED e arricchiti nel campo ad alta frequenza con una tecnica di rete neurale artificiale (ANN) viene utilizzato per valutare la correlazione spaziale mediante l'uso di tecniche geostatistiche all'avanguardia. I risultati di questa analisi: (i) convalidano con successo l'approccio numerico nella previsione della correlazione spaziale in un'ampia gamma di frequenze, in confronto con i risultati derivati dalle registrazioni; (ii) evidenziano che la correlazione spaziale del movimento del suolo è specifica della regione e dello scenario, poiché è significativamente influenzata dalla geologia locale, dalla magnitudine, dagli effetti di direzionalità diretta in avanti, dalla direzionalità del movimento del suolo (normale alla faglia rispetto a parallela alla faglia) e dalla posizione relativa rispetto alla faglia causativa. Queste caratteristiche possono rendere critico l'uso di modelli isotropi e stazionari, specialmente in condizioni vicino alla faglia, come comunemente previsto nei modelli basati empiricamente. Come principale applicazione per condurre uno studio completo basato sulla fisica, dalla costruzione del modello numerico 3D fino agli scenari di danni e perdite, è stata selezionata la città di Salonicco (Grecia settentrionale) a causa dell'alto livello di rischio sismico e della disponibilità di dati dettagliati sull'esposizione e sulla vulnerabilità. Dopo l'impostazione, la calibrazione e la convalida del modello numerico 3D, un insieme di 60 diversi scenari di rottura della faglia con magnitudo momento nell'intervallo 6,5-7,0, provenienti da due principali faglie attive nelle vicinanze di Salonicco (sistemi di faglie Gerakarou-Langadhas e Anthemountas), è simulato da SPEED. Queste simulazioni tengono conto dei modelli cinematici di rottura di faglia finita e di una velocità sismica 3D che include le due principali strutture geologiche presenti nell'area (bacini di Salonicco e Mygdonia). Gli scenari di scuotimento del suolo da questi PBS sono accoppiati con modelli aggiornati di esposizione, fragilità e vulnerabilità per il patrimonio edilizio residenziale di Salonicco per generare scenari di danni e perdite sismiche utilizzando la piattaforma OpenQuake (https://platform.openquake.org). Dopo la convalida del modello di rischio sulle osservazioni dei danni disponibili per il terremoto storico del 1978, viene esplorata la variabilità delle previsioni di danni e perdite in funzione delle realizzazioni della rottura della faglia per ottenere informazioni sull'impatto potenziale di fattori fisici, come la faglia causativa e la magnitudo, sul rischio sismico a Salonicco. Come principale conclusione, i risultati basati su PBS indicano un rischio sismico più elevato rappresentato dagli scenari di terremoto che rompono le fonti sismogeniche situate nella graben di Mygdonia.