La mitigazione in tempo reale del rischio sismico Paolo Gasparini Presidente AMRA Scarl Dipartimento di Scienze Fisiche, Università di Napoli “Federico II” Draft Presentazione IdV

La crescente urbanizzazione 1950 1970 1990 2015 347 418 71 100 200 300 400 Numero di abitanti nelle città million Industrialized countries Developing countries All La mitigazione del rischio nelle grandi città ha bisogno della combinazione di: Azioni preventive a lungo termine b) Implementazione di sistemi di early warning che consentono una mitigazione in tempo reale Da 8 Megacities nel 1950 a 60 nel 2015! 2015 Il Rischio è una quantità altamente dinamica Le Mega-cities sono diventate attrattori di Rischio. 1950 Source: National Geographic, Nov. 2002

Un sistema rapido di risposta ai disastri idealmente consiste delle seguenti componenti Early Warning: azioni che vengono intraprese dopo che l’evento pericoloso è iniziato ma prima che esso colpisca l’obiettivo da proteggere (lead time o «tempo di attesa»). Predizione (Prediction): capacità di valutare deterministicamente tempo, ubicazione e dimensione di un prossimo evento disastroso. Attualmente non è fattibile per alcun tipo di evento naturale. Previsione (Forecasting): capacità di valutare probabilisticamente tempo, ubicazione e dimensione di un prossimo evento disastroso. Supporto rapido alle decisioni (Rapid Support System): informazione fornita minuti dopo che l’evento ha colpito l’obiettivo che consente di pianificare in tempo reale le azioni di risposta. Le informazioni generate dai sistemi di EW possono essere usate anche a questo scopo. Draft Presentazione IdV

AZIONI PIU’ SIGNIFICATIVE LEAD TIMES TIPICI AZIONI PIU’ SIGNIFICATIVE TERREMOTI: da secondi a decine di secondi TSUNAMI: da minuti a ore EVENTI METEOROLOGICI: da ore a giorni ALLUVIONI E FRANE: da ore a giorni ERUZIONI VULCANICHE: da ore a settimane AUTOMATICHE ALLERTA + INFORMAZIONE ALLERTA + INFORMAZIONE ALLERTA + INFORMAZIONE ALLERTA + INFORMAZIONE

Early Warning Sismico (EEW) Le onde contenenti gran parte dell’energia (S - Superficiali) sono più lente delle onde contenenti le informazioni (P) S Time (s) P 20 10 50 100 Distance (Km) Draft Presentazione IdV

Configurazioni dei sistemi di EEW REGIONALI: i sensori circondano la sorgente sismica e trasmettono i segnali all’obiettivo da proteggere Una rete per tutti gli obiettivi; tempi di attesa più lunghi; alto costo. A BARRIERA: i sensori sono ubicati tra la sorgente sismica e l’obiettivo da proteggere Una rete per diversi obiettivi; tempi di attesa ridotti; alto costo. ON SITE: i sensori sono intorno o sul sito Un sistema per ogni obiettivo; tempi di attesa molto brevi; basso costo, manutenzione semplice.

 Esempio di sistema di EEW Regionale ✹ I Sensori sismici rilevano le onde P di un terremoto in prossimità della sorgente. Un segnale di allerta viene trasmesso all’obiettivo da proteggere. L’obiettivo è allertato da secondi a minuti prima dell’arrivo delle onde distruttive.  Target site Earthquake ✹ Seismic sensor Wave Destructive S waves (3.5 km/s) Transmitted information of seismic wave arrival (no delay)

Tipico sistema di EEW a Barriera: il caso di Mexico City

La Centrale Nucleare di Ignalina Sistema di EEW On SITE La Centrale Nucleare di Ignalina 30km

Early Warning and Real-Time Engineering Propagation Detection Event Origin Real-Time Engineering for Risk Mitigation Actions

Scala dei Tempi dell’EEW minuti Mappe di GA, e di danno atteso Evacuazione di edifici Shut-down of sistemi critici Tempo Attivazione di sistemi di controllo strutturale STOP DEI TRENI secondi Azioni

RETI REGIONALI O A BARRIERA ESISTENTI ADATTE ALL’EEW Romania Japan USA Turkey Taiwan Italy Mexico

Il sistema di EEW più sperimentato per proteggere lo SHINKAZE (UrEDAS) Sismometri di allerta Installati lungo tutta la linea L’alimentazione elettrica viene disattivata quando l’accelerazione orizzontale supera un valore di soglia. Japan: Sits on top of the ?? subduction zone …significant eq hazard 1923 Kanto earthquake killed ~120,000 (Japanese population of 50 mill …equivalent to 600,000 deaths in the US) [Nakamura and Tucker, 1988] Japan is waiting for the Tokai earthquake, which the Tokyo municipal government estimates could kill 30,000 people. This estimate is viewed as conservative by many. [Nakamura and Tucker, 1988] Bullet trains Carry up to 1 mill passengers per day during peak days. 250 trains in operation during peak hours, each can carry 2000 people. Travel at ~150 mph, when power cut it takes 70 sec for train to stop during which time it travels 2.3 km. Alarm seismometers Started installing in 1965 would cut power when horizontal acceleration exceeds 0.04g (equiv MMI VI …causes light damage) Later deployed along the coast, gives 15 sec warning… In the late 1980s the Japanese started moving toward a more sophisticated system which attempts to determine event parameters from the P-arrival. This holds the potential of determining if hazardous ground motion is on the way BEFOR it arrives… …this is exactly what we want to do… Sismometri a barriera lungo la costa Tempo di attesa circa 15 secondi Draft Presentazione IdV

PERFORMANCE DEL SISTEMA 　・In 13 anni sono stati dati 1713 EEWs basati sull’informazione proveniente da una sola stazione. 30 EEWs (1.75%) si sono dimostrati falsi allarmi. 　　　→　 Solo 7 per M>4.5 Nessun caso di falso allarme quando i dati provenivano da almeno 2 stazioni Cause di errore M stimata Totale 5- 5+ 6- 6+ 7 Difetti alla sensoristica e operazioni erronee 3 1 4 EEW innescato da rumore Draft Presentazione IdV 14 14

La modifica del “Weather Service Law” relativa all’EEW è entrata in vigore il 1°Dicembre 2007 La Japan Meteorological Agency (JMA) DEVE emettere l’EEW in tutti i casi in cui lo ritenga necessario. L’organizzazione in carica DEVE trasmettere l’allarme alle organizzazioni preposte ed alla popolazione. Tutti coloro che forniscono EEW a singole case ed edifici, DEVONO farlo secondo gli standard tecnici determinati da JMA.

Rappresentazione grafica della Propagazione di un’Onda Sismica e Earthquake Early Warning (EEW) 0th issuance of EEW 1st　issuance of EEW 2nd　issuance of EEW N th　issuance of EEW rapidity This figure shows the basic concept of the Earthquake Early Warning (EEW). The information I explained before is issued after earthquake occur, but EEW is new information issued before strong motion reach. Generally, S wave amplitude is lager than P wave amplitude, and the earthquake disasters are caused by S wave. But S wave propagates in lower velocity than P wave. It will be possible to issue the earthquake information in several seconds before the arrival of S wave after the detection of P wave. (Tsunami Warning is made by using of difference of propagation velocity between seismic wave and Tsunami, this method made by using of difference of propagation velocity between P-wave and S-wave.) For example, 10 seconds later, seismic waves do not still arrive at this area. Hypocenter and magnitude are immediately determined by using the sites near hypocenter. And the earthquake information is issued before the arrival of the seismic waves. Using this method, time it takes for issue of tsunami Warning can be shortened in the case the epicenter situate near coast area. 緊急地震速報は、地震の波が来る前に、地震の波よりも早い電波を使って情報を伝え、大きな揺れに備えようというものです。 地震が発生すると、震源に近い観測点が揺れを検知し、だいたいの震源を割り出すことができます。 その段階で、気象庁に第一報が入り、気象庁はそれを情報として発表します。 もう少し時間が経つと、さらに遠くの観測点まで揺れを捉えるので、震源の精度は高くなります。そうなったところでまたひとつ、情報が出ます。 というように情報が出されるというもので、最初の情報から大きな揺れが来るまで、時間が稼げる、 そして地震の震源の位置やマグニチュードといったものの精度は、だんだん正確さを増したものが発表される、というものです。 この技術を活用して、津波予報を早く出せる場合がでてきました。昨年10月から開始しています。 accuracy Draft Presentazione IdV 16

L’Early Warning nella Riduzione del Rischio Sismico Pre-Evento – Ingegneria delle decine di secondi: Limitare l’esposizione; Azioni specifiche e Sistemi di Protezione; Aumentare la resilienzia; Ridurre la vulnerabilità. Post-Evento: Gestione dell’emergenza (mappe di scuotimento in tempo reale, mappe di danno atteso); Direttive di intervento strutturale.

False Alarm Probability Performances/ Consequences OBIETTIVI DI PROGETTO Lead Time Low Perception Impact (e.g. Elevetor) Medium Perception Impact (e.g.Trasportation Interruption High Perception Impact (e.g. Lifelines Interruption ) False Alarm Probability Performances/ Consequences

Requisiti di Ingegneria dell’EEWS Valutazione quantitativa del rischio sismico in tempo reale (perdite per applicazioni specifiche) Time dependent decision making (quantificazione del trade-off tra lead-time e i costi di allarmi mancati/falsi) Sistema strutturale automatico di decisione/controllo Consequence-based approach

Perdita Economica Attesa vs. Intensità di Scuotimento al Suolo Perdita Attesa [€] Intensità di Scuotimento al Suolo No alarm Alarm Soglia di Allarme Ottimale Iervolino et al., 2006, Expected loss-based alarm threshold set for Earthquake Early Warning Systems,EESD, (modificato) Draft Presentazione IdV

Vantaggi L’EEW è uno strumento utile per la prevenzione di eventi pericolosi a cascata derivanti dall’attività umana (incendi, incidenti industriali, fuga di sostanze tossiche, ecc.); L’EEW può essere usato per allertare zone a rischio da altri eventi naturali innescati dal terremoto (frane, tsunami, after-shocks…); L’EEW può permettere l’evacuazione di edifici notevolmente danneggiati prima del loro collasso; L’EEW può permettere di mantenere operativi edifici strategici.

Una efficace applicazione dei sistemi di EEW richiede: Uno studio dettagliato della diffusione della informazione a tutti i livelli; Un programma esteso di educazione della popolazione e di formazione di amministratori e operatori; Soluzione di problemi normativi e legali.

SAFER Seismic eArly warning For EuRope FP6-Global-4 STREP Project One of Safer Project objectives is the reduction of seismic risk in: Athens Bucharest Cairo Istanbul Naples FP6-Global-4 SAFER Seismic eArly warning For EuRope STREP Project Lead partners: GFZ – Postdam (Germany) AMRA Scarl (Italy) NOA – Athens (Greece) 23 Partners from 15 countries Supported by: Eureopean Commission Draft Presentazione IdV

Stazioni sismiche Rete sismica AMRA per applicazioni di allarme sismico preventivo nella Regione Campania Centri Controllo dati (LCC)

MAPPE DI LEAD TIME E AZIONI POSSIBILI

ERGO - EARLY WARNING DEMO E’ un visualizzatore grafico che illustra il funzionamento di un sistema di Early Warning Sismico. Il sistema visualizza, tramite mappe geografiche e semplici ed intuitive rappresentazioni grafiche, le informazioni rilevanti sulle caratteristiche dei terremoti che avvengono nell’area di interesse In modalità tempo quasi-reale si basa sui dati della rete sismica ISNet sviluppata per il monitoraggio dei terremoti ed applicazioni di Early Warning nella regione Campania. In modalità di play-back, consente di riprodurre l’analisi di terremoti del passato attraverso le sue registrazioni digitali. Il visualizzatore è stato realizzato da AMRA Scarl nell’ambito di un progetto pilota finanziato dal Settore di Protezione Civile della Regione Campania

ERGO - EARLY WARNING DEMO

ERGO - EARLY WARNING DEMO 1°Pannello - Monitoraggio in tempo reale ed identificazione dell’evento. Andamento temporale dell’accelerazione del moto del suolo. 2° Pannello - Stima in tempo reale dei parametri caratteristici dell’evento sismico Una volta identificato l’evento, viene mostrata l’evoluzione nel tempo della stima della localizzazione e della stima della magnitudo. 3° Pannello - Regional Early Warning (PGA and Lead Time Map) Il pannello mostra i tempi disponibili per l’allerta sismica preventiva (in sec) e le ampiezze di picco di accelerazione predetti a scala regionale. 4° Pannello - Visualizzazione del livello di allerta al sito di installazione (Target Specific Alert) Il quarto pannello mostra la valutazione della pericolosità in tempo reale al sito di installazione relativamente a terremoti con M>3. Le stime di localizzazione e magnitudo realizzate a partire dalla dichiarazione di un nuovo evento sismico vengono usate per stimare la probabilità che la massima accelerazione del suolo superi al sito un valore critico.