seizmiČki rizik: definicija i procena

SEIZMIČKI RIZIK:DEFINICIJA I PROCENA

Jovana Borozan

Svetlana Brzev

SADRŽAJ

• Uvod: definicija seizmičkog rizika

• Model izloženosti

• Model seizmičkog hazarda

• Model povredljivosti

• Seizmički rizik: procena i vizuelizacija rezultata

DEFINICIJA SEIZMIČKOG RIZIKA

• Verovatnoća da se kao posledica izloženosti seizmičkom hazardu (opasnosti) ostvare gubici/šteta u

određenom vremenskom periodu

Vrsta gubitaka:•Materijalni (ekonomski i fizički)

•Socijalni (ljudske žrtve)

Nivoi na kojima se rade studije procene rizika:•Pojedinačni objekat

•Portfolio (skup objekata)

•Mreže

•nuklearne elektrane

•industrijski objekti

•esencijalna infrastruktura

Elementi izloženi riziku:•Ljudi

•Zgrade

•Infrastruktura

•Usevi i životinje

DEFINICIJA SEIZMIČKOG RIZIKA

IZLOŽENOSTSEIZMIČKI

HAZARDPOVREDLJIVOST

SEIZMIČKI RIZIK

x xProstorna raspoređenost

i karakteristike

stanovništva i objekata

Verovatnoća pojave štete ili

gubitaka vezanih za različite

nivoe jačine kretanja tla

Verovatnoća pojave različitih

nivoa jačine kretanja tla

(PGA, S(T))

Verovatnoća pojave fizičke

štete/oštećenja objekata,

ekonomskih gubitaka ili

gubitka života

=

IZLOŽENOST SEIZMIČKI HAZARD POVREDLJIVOST

SEIZMIČKI RIZIK

EXPOSURE

MODEL IZLOŽENOSTI

Source: V. Silva

MODEL IZLOŽENOSTI

Metod razvoja modela izloženosti stambenog fonda zgrada:

• Prikupljanje informacija iz različitih izvora:

• Cenzus

• Naučne publikacije

• Dostupni izveštaji

• Informacije prikupljene na radionicama

• Stručna mišljenja

• Kvalitativna (opisna) definicija različitih tipova konstrukcija

(sadrži bar jedan od 13 atributa iz GEM taksonomije)

• Povezivanje kvalitativnih podataka o tipu kosntrukcije sa kvantitativnim podacima o broju konstrukcija/stambenih jedinica sadržanih u Cenzusu

• Dodatni kriterijumi za klasifikaciju objekata:

• Administrativni nivo - cenzus

• Urbana/ruralna sredina – cenzus

• Broj spratova – cenzus

• Vrednost objekta (EUR/USD)

• Itd.Source: V. Silva

Tipologija zgrada u Srbiji: predložena klasifikacija

• Prof. Svetlana Brzev

• Pripremljeno na osnovu doprinosa radne grupe za seizmički rizik SUZI (2019. godine):

• Dr Marijana Hadzima-Nyarko

• Jovana Borozan

• Dr Željko Žugić

• Milica Petrović

• Mr Dejan Dragojević

• Dr Veljko Koković

Fond zgrada u Srbiji (stambeni fond)

• Napomena: ova studija se bavi samo stambenim zgradama

Taksonomija = pristup za klasifikaciju zgrada

• Postoje različite internacionalne taksonomije koje se koriste za potrebe studija seizmičkog rizika (npr. HAZUS, PAGER, Synergy, itd.)

• Mi smo usvojili taksonomiju razvijenu za potrebe Global Earthquake Model-a (GEM) - GEM Taksonomija (GEM Building Taxonomy V2.0) (Brzev i ost. 2013) - koja je korišćena i u projektu SERA

• Svaki objekat (zgrada) se može opisati sa najvise

• 13 atributa, a postoje i dodatni detalji (3 nivoa)

• Nova verzija GEM taksonomije objavljena je 2018. godine, pod imenom GED4ALL taksonomija (Silva et al. 2018); sadrži sve atribute GEM taksonomije, kao i dodatne atribute i detalje

• GEM publikacije:

• Brzev S., C. Scawthorn, A.W. Charleson, L. Allen, M. Greene, K. Jaiswal, and V. Silva (2013), GEM Building Taxonomy Version 2.0, GEM Technical Report 2013-02 V1.0.0, 188 pp., GEM Foundation, Pavia, Italy, doi: 10.13117/GEM.EXP-MOD.TR2013.02

• V. Silva, C. Yepes-Estrada, J. Dabbeek, L. Martins, S. Brzev (2018). GED4ALL - Global Exposure Database for Multi-Hazard Risk Analysis – Multi-Hazard Exposure Taxonomy. GEM Technical Report 2018-01, GEM Foundation, Pavia, Italy.

Atributi GEM taksnomije: materijal

Vrsta materijala

MURNearmirana zidarija

(unreinforced masonry)

MCFZidarija sa serklažima

(confined masonry)

CRArmirano betonske konstrukcije

(concrete reinforced)

CR+PCPrefabrikovane betonske konstrukcije

(concrete reinforced precast)

W

Drvene konstrukcije

(wood)

Klasifikacija zgrada u Republici Srbiji (1/2)

• Ukupno 9 tipologija zgrada u okviru 4 osnovna gradjevinska materijala: zidarija, drvo, armirani beton, i čelik

Materijal Oznaka Opis

Zidarija(MUR, MCF, EU)

M1

(MUR, EU)

Zgrade od nearmirane zidarije (kamene konstrukcije) i zgrade

od zemlje/nabojaM2

(MUR)

Zgrade od nearmirane zidarije sa fleksibilinim drvenim

tavanicama ili pruskim svodom M3

(MUR)

Zgrade od nearmirane zidarije sa krutim tavanicama (polu-

montažne ili livene na licu mesta, najčešće kombinacija AB i

zidanih elemenata)

M4

(MCF)

Zidarija sa horizontalnim i vertikalnim serklažima i krutim

tavanicama Drvo

(W)

W1 Tradicionalan nacin gradnje iz doba turske vladavine (od 16-og

do 19-og veka)

GEM taksonomija -

atributi

Klasifikacija zgrada u Republici Srbiji (2/2)

Materijal Oznaka Opis

Armirani

beton (AB)

(CR)

RC1

(CR)

AB ramovi sa zidanom ispunom

RC2

(CR)

AB zidovi (zidna platna) ili dualni AB sistem

(ramovi+zidovi) - liveni na licu mestaRC3

(CR+PC)

Prefabrikovane AB konstrukcije

Čelik

(S)

S1 Konstrukcije sa čelicnim ramovima (najčešće

industrijska postrojenja ili poslovne zgrade)

Nearmirane zidane zgrade (kamen/zemlja): tip M1

• Najčešće jednospratne ili dvospratne porodične

stambene zgrade, ali postoje i javni objekti ili

religijski objekti (crkve, manastiri) ovog tipa

• Karakteristične su fleksibilne drvene tavanice i kosi

drveni krovovi sa crepovima

• Objekti izgradjeni pre 1919 (kraj Prvog svetskog

rata)

Nearmirane zidane zgrade (opeka+fleksibilne tavanice): tip M2

• Zgrade niže spratnosti - najčešće višeporodične

stambene zgrade ili zgrade javne namene

• Zidani elementi od pune opeke i krečni ili produžni

malter

• Karakteristične su fleksibilne drvene tavanice ili

pruski svodovi

• Kosi drveni krovovi sa crepovima

• Period gradnje: 20-ti vek, pre 1945. godine

Nearmirane zidane zgrade (opeka+krute tavanice): tip M3

• Zgrade niže i srednje spratnosti - prodične (1-2

sprata) ili višeporodične stambene zgrade (3-5

spratova)

• Zidani elementi najčešće od opeke

• U većini slučajeva postoje horizontalni AB serklaži,

naročito u slučaju višeporodičnih stambenih zgrada

• Karakteristične su polu-prefabrikovane tavanice od

AB i zidanih elemenata


• Period gradnje: posle 1945. godine

Period gradnje: 1900-1945 Objekti sa nosećim zidovima od nearmirane zidarije i sa polumontažnim AB sitnorebrastim tavanicama

Zgrada Kolarčeve zadužbine (Kolarac), Beograd (1932)

Zidane konstrukcije sa serklazima: tip M4

• Zgrade niže i srednje spratnosti - porodicne (1-2

sprata) ili višeporodične stambene zgrade (3-5

spratova)

• Zidani elementi najčešće od modularnih blokova

• Prisustvo horizontalnih i vertikalnih AB serklaža

• Karakteristične su polu-prefabrikovane tavanice od AB

i zidanih elemenata


• Period gradnje: posle 1964. godine

Drvene konstrukcije: tip W1

• Drvena konstrukcija od horizontalnih, vertikalnih, i

dijagonalnih drvenih elemenata sa različitim

vrstama ispune:

• Bondruk - omalterisana ispuna od organskog

materijala

• Ćerpič - ispuna od opeke

• Čatmara - drvena konstrukcija sa zidovima od

čatme (preplet od pruća oblepljena blatom)

• Tradicionalan način gradnje - datira iz vremena

vladavine Otomanske imperije u Srbiji i region

• Uglavnom jednospratne zgrade (u selima), ali u

urbanim sredinama visina do 2 sprata


Armirano betonske (AB) tipologije : RC1 i RC2

• RC1: AB ramovi sa zidanom ispunom - liveni na licu mesta

• RC2: AB zidovi i dualni sistem (ramovi+zidovi) - liveni na licu mesta

• Način gradnje praktikovan posle Drugog svetskog rata

• Visina 5 - 10 spratova

Period gradnje: 1965.-1981. AB objekti projektovani za dejstvo zemljotresa prema tehničkom propisu iz 1964. godine – konstrukcijski sistem monolitne AB ramovske konstrukcije sa ili bez zidane ispune

Zgrada Filozofskog fakulteta Univerziteta u Beogradu (1970–77)

Armirano betonske (AB) tipologije : RC3

• RC3: Prefabrikovane AB konstrukcije

• Krupnopanelni ili ramovski sistemi gradnje

• Ovaj način gradnje praktikovan je posle Drugog svetskog rata

• Visina 5 -12 spratova (najčešće)

Ponašanje tipologija zgrada u Srbiji u prošlim zemljotresima:

Zidane zgrade (tipologije M) (1/3)

▪ Sve tipologije zidanih zgrada bile su izložene

zemljotresima, i uglavnom su pretrpele oštećenja u

zemljotresima magnitude iznad 5.0 po Rihterovoj

skali

▪ Zemljotres u Kraljevu od 2010. godine (ML 5.4)

pogodio je uglavnom stambene zidane zgrade u

gradu Kraljevu, kao i porodične kuće u okolnim

selima

▪ Zemljotres u Mionici od 1999. godine (ML 5.7), kao

i zemljotres na Kopaoniku od 1980. godine (M 5.8)

pogodili su uglavnom seoske kuće

Zidarija tipa M2:

Značajna konstruktivna oštećenja, zemljotres u Mionici

1999. godine (Loznica)



▪ Zemljotres u Kraljevu od 2010. godine (ML 5.4)

pogodio je stambene zgrade od zidarije u centru

Kraljeva

▪ Ovakve zgrade pretrpele su značajna konstruktivna

oštećenja i izvršene su popravke i ojačanja posle

zemljotresa

Zidarija tipa M3:Značajna konstruktivna oštećenja, zemljotres u Kraljevu

Referenca: Simplified Seismic Assessment of Unreinforced Masonry Residential

Buildings in the Balkans: The Case of Serbia

Predrag Blagojević; Svetlana Brzev; Radovan Cvetković

Buildings 2021, Volume 11, Issue 9, 392

Besplatan pristup

https://www.mdpi.com/2075-5309/11/9/392/htm

Neojačan a nadograđen zidani objekat u ulici Cara Lazara 78-82 u Kraljevu, sa oslabljenjem u nosećim zidovima u osnovi tj. naknadno napravljenim otvorima za potrebe lokala (B. Bulajic).

https://www.mdpi.com/2075-5309/11/9/392/htm



▪ Zidane zgrade sa horizontalnim i vertikalnim serklažima

nisu pretrpele značajna konstruktivna oštećenja u

prethodnim zemljotresima u Srbiji.

▪ Ovakve zgrade nisu pretrpele oštećenja ni u nedavnom

zemljotresu (29.12.2020) sa epicentrom u Petrinji,

Hrvatska (M 6.4).

Zidarija tipa M4:Zgrade nisu pretprele značajna oštećenja, zemljotres u Mionici od 1999. godine (ML 5.7) Levo: Ratkovac Desno: Nanomir

Zidarija tipa M4:Zgrade nisu pretprele značajna oštećenja, zemljotres u Kraljevu od 2010. godine (ML 5.4) - naselje Jarčujak u Kraljevu (M. Manić i B. Bulajić)

MODEL IZLOŽENOSTI : STAMBENI FOND SRBIJE

• 1964: low-code CDL (klasa C)

• 1981: moderate-code CDM (klasa B)

• 2020: high-code CDH (klasa A)

Vrednost seizmičkog koeficijenta izražen kao % težine

konstrukcije (Crowley et al., 2020: Exposure model for European

Seismic Risk Assessment)Source: V. Despotaki

Uticaj tehničkih propisa na model izloženosti:


Total replacement cost =

structural + non-structural + contents

30% 50% 20%

Total replacement cost =

Area per dwelling [m2] x Ndwellings x Cost [EUR/ m2]


Source:

V. Despotaki & H. Crowley (SERA project);

S. Brzev, J. Borozan (SUZI/SAEE)

MODEL IZLOŽENOSTI : REGION BALKANA (JUN 2019)

Source: V. Despotaki (SERA project: Seismology and Earthquake Engineering Research Infrastructure Alliance for Europe)

MODEL IZLOŽENOSTI : EVROPA (SEPTEMBAR 2019)

Source: V. Despotaki (SERA project: Seismology and Earthquake Engineering Research Infrastructure Alliance for Europe)

MODEL IZLOŽENOSTI

• Elektronski pristup interaktivnim mapa i ostalim informacijama vezanim za model izloženosti objekata u Evropi: https://eu-risk.eucentre.it

https://eu-risk.eucentre.it/

MODEL IZLOŽENOSTI

• Elektronski pristup interaktivnim mapa i ostalim informacijama vezanim za model izloženosti objekata u Evropi: https://maps.eu-risk.eucentre.it/map/european-exposure-gridded-data

https://maps.eu-risk.eucentre.it/map/european-exposure-gridded-data

HAZARD

MODEL SEIZMIČKOG HAZARDA

Source: V. Silva

DEFINICIJA SEIZMIČKOG HAZARDA

• Vertikalna (Y osa) hazard krive:

• Verovatnoća pojave (P) vezana za određeni vremenski period (t)

• Godišnja učestalost pojave (𝜆)

• Povratni period (T = 1/ 𝜆)

• 𝑃 𝑁 ≥ 1│𝑡 = 1 − 𝑒−𝜆∗𝑡 (Poasonov zakon)

• npr: verovatnoća prekoračenja (maksimalnog ubrzanja tla) od P=10% u t=50 godinaodgovara povratnom periodu od T=475 godina, odnosno prosečnoj godišnjoj učestalosti od 𝜆 =0.0021

• Poasonov zakon:

• Nasumična (random) pojava zemljotresa

• Budući zemljotresi nezavisni od lokacije, magnitude i vremena pojave prethodnih zemljotresa

Source: J. W. Baker (2008)


Model seizmičkih žarišta

(Seismic Source Model, SSM):

• Geografska/prostorna raspodela žarišnih zona

• Seizmo-tektonska regija kojoj žarište pripada

• Geometrijske karakteristike žarišta

• Opseg magnituda koje žarište može da generiše i godišnja

učestalost zemljotresa različitih magnituda

(rekurentna kriva, Gutenberg-Richter)

• Karakteristike raseda (normalni, reversni, transkurentni)

Model kretanja tla/atenuacione jednačine

(Ground Motion Model, GMM):

• Lista atenuacionih jednačina za svaku od seizmo-tektonskih regija

obuhvaćenih modelom seizmičkih žarišta

• Atenuacione jednačine: nivo jačine kretanja tla (PGA, PSA)

zavisno od žarišnog rastojanja, magnitude zemljotresa, kao i

drugih karakterstika žarišta (npr mehanizam raseda)

• Atenuacione jednačine treba da sadrže i informacije o

odstupanjima od očekivanih ubrzanja (st. devijacija)

Source: F. Cotton

ISC-GEM katalog (1904-2017)


spatial uncertainty temporal uncertainty

ground motion

uncertainty

hazard curve

Source: Reiter (1990)


Source: C. Beauval, ISTerre Grenoble


SSM: seismic source model; model seizmičkih žarišta

GMM: ground motion model; model kretanja tla (atenuacione jednačine)

UNCERTAINTY

(odstupanja; nepouzdanosti)

Aleatory

inherent uncertainty/

variability due to randomness

GMM

logic trees for GMM

(težinski koeficijenti

za različite

atenuacione

jednačine)

SSM

logic trees for SSM

(težinski koeficijenti

za različite modele

žarišta)

GMM

inter-event/

eq-to-eq/

temporal/

(source effects:

randomness of seismic

events generated by a

particular

seismic source)

intra-event/

station-to-station/

spatial/

(path & site effects:

randomness of a

particular

seismic event

at different sites)

Epistemic

consideration of uncertainty

in the choice of SSM and GMM

MODEL SEIZMIČKOG HAZARDA : SRBIJA

Source: Republički Seizmološki Zavod Srbije

VULNERABILITY

MODEL SEIZMIČKE POVREDLJIVOSTI

Source: V. Silva


IM : ground motion Intensity Measure (PGA, Sa(T)…)

EDP: Engineering Demand Parameter (interstory drift, base shear, plastic hinges…)

DM: Damage Measure (minor, moderate, extensive, complete…)

DV: Decision Variable (loss, monetary cost of repair, casualties, downtime losses…)

analiza gubitaka

(loss analysis)

inženjerska procena

(engineering evaluation)

analiza odgovora

konstrukcije

(response analysis)

procena seizmičkog

hazarda

(seismic hazard analysis)

PEER (Pacific Earthquake Engineering Research) probabilistička metoda:

VULNERABILITY

ANALYSIS

FRAGILITY

ANALYSIS

IDA

ANALYSIS SEISMIC HAZARD

ANALYSIS


Source: H. Crowley

Development of fragility & vulnerability functions:

Numerical

models estimate

response

and performance

of buildings under

increasing levels

of seismic action


Analytical methods for derivation of vulnerability curves depending on the nonlinear analysis type:

• Static pushover >> bilinear fitting of capacity curve >> IDA curve >> fragility >>consequence function >> vulnerability

• Time history >> cloud/stripe/IDA analysis >> fragility >> consequence function >>vulnerability

EDP

IM Fragility plotting from IDA analysis:

• Selection of records

• Scaling records to cover entire range of structural response

(elastic, yielding, post-yielding, collapse)

• Plotting IDA curve (EDP vs. IM)

• Definition of damage/limit states:

• Immediate Occupancy

• Life Safety

• Collapse prevention

• Regression and other statistical analysis; accounting for uncertainties

• Plotting Fragility curve

HAZUS

ASCE-41

FEMA P-58/ FEMA -356/ FEMA P-695


Source: V. Silva


Source: P. Bazzurro

Fragility function

(oštetljivost)

Consequence function

(posledice)

Vulnerability function

(povredljivost)


Fragility function (oštetljivost)


(posledice)

PoE (DSi) – probability of exceeding damage state i

IM – intensity measure

(PGA, Sa(T), MMI)

𝑃(𝐷𝑆𝑖) = 𝑃(𝐷𝑆 > 𝐷𝑆𝑖) − 𝑃(𝐷𝑆 > 𝐷𝑆𝑖+1)



(posledice)Damage ratio (DRi)

Damage State (Dsi)


Vulnerability function (povredljivost)

IM – intensity measure

(PGA, Sa(T), MMI)

𝐿𝑜𝑠𝑠 𝑅𝑎𝑡𝑖𝑜 𝐿𝑅 =

𝑎𝑙𝑙 𝐷𝑆𝑖

𝑃 𝐷𝑆𝑖 ∗ 𝐷𝑅𝑖

SEIZMIČKI RIZIK

OpenQuake seismic damage and risk calculators:

• Scenario Damage Calculator

• Scenario Risk Calculator

• Classical PSHA-based Damage Calculator

• Classical PSHA-based Risk Calculator

• Probabilistic Event-based Damage Calculator

• Probabilistic Event-based Risk Calculator

SEIZMIČKI RIZIK

Probabilistic Event-based Risk Calculator

SEIZMIČKI RIZIK

Loss Exceedance curve Probable Maximum Loss (PML)

SEIZMIČKI RIZIK: SRBIJA

SEIZMIČKI RIZIK: SRBIJA

Source: GEM, 2018

SEIZMIČKI RIZIK

SEIZMIČKI RIZIK

GEM Foundation

https://www.globalquakemodel.org/gem



SEIZMIČKI RIZIK

OpenQuake platform: https://platform.openquake.org

https://platform.openquake.org/

SEIZMIČKI RIZIK

Risk input preparation toolkit:-exposure

-fragility

-consequence

-vulnerability

-earthquake rupture

-configuration file

SEIZMIČKI RIZIK

The physical vulnerability suite:-fragility

-vulnerability

-damage-to-loss

-capacity curve

SEIZMIČKI RIZIK

• Značaj studija procene seizmičkog rizika:

• Podizanje svesti o izloženosti i seizmičkoj povredljivosti/oštetljivosti stanovništva i konstrukcija

• Prepoznavanje potreba za unapređenjem metoda izgradnje, (re)konstruisanja, urbanog planiranja

• Razrade planova za odgovor društva i države na prirodne katastrofe, spašavanje i rehabilitaciju/rekonstruisanje

• Razrada adekvatnih finansijskih mehanizama i planova za redukciju seizmičkog rizika

• Donošenje odluka o ceni polisa za osiguranje od zemljotresa

• Korisnici modela za procenu seizmičkog rizika:

• (re)osiguravajuća društva

• Investitori (hedž fondovi)

• Fondovi i organizacije za vanredne situacije i obnovu nakon katastrofa

• Kreditiranje za nekretnine, upravljanje nekretninama i investicijama

• Vladine organizacije (sektori za vanredne situacije i upravljanje rizikom)

• Akademija (unapređenje modela putem novih inženjerskih i naučnih postignuća)

ZA KRAJ. . .

“It is better to be roughly right than precisely wrong.”John Maynard Keynes

“ All models are wrong, many are useful, some are deadly.”Nassim Nicholas Taleb

seizmiČki rizik: definicija i procena

Documents