Earthquake early warning (EEW) represents one of the most recent tools for mitigation of risk from seismic hazard. EEW systems have the potential to provide warning prior to significant ground shaking at target sites, by analyzing real-time information about ongoing earthquakes. However, despite great innovations centered on seismological/hazard models, there are still many limitations of existing EEW methodologies. These include the lack of engineering-related metrics used to support decision- making for the triggering of alerts by various end-users. More specifically, thresholds for activating EEW alarms (e.g., magnitude, ground motion amplitude, macro-seismic intensity) are not defined according to a formal decision support system (DSS) that accounts for possible risk-based consequences of triggering/not triggering the alarm. This thesis explores the application of a new generation of EEW system that includes an engineering-driven DSS, which integrates tools for solving conflicting situations based on multi-criteria decision making methods coupled with receiver operating characteristics analysis. In particular, the DSS aims to quantify the consequences (e.g., direct repair cost, downtime, injuries) associated with issuing/not issuing an alarm, also accounting for the probability of a false alert. We examine the application of this type of EEW-DSS to the Southern Italian port of Gioia Tauro, one of the most important hubs for container traffic in the Mediterranean Sea, located within the region characterized by Italy’s highest seismic hazard. We conduct a seismic risk analysis for various earthquake scenarios, using a simulation-based approach that considers several layers of interdependencies among vulnerable elements to capture the multicomponent interconnected nature of the port’s performance. These analyses enable us to evaluate the effects of different events and to quantify the consequences of simple, automated EEW mitigation actions, (e.g., activating sirens to evacuate buildings or shutting down electricity systems to avoid damage/minimize disruption). We leverage the DSS to evaluate the optimal decision in each case. Results are used to define the port’s EEW warning threshold in terms of intensity measures that best correlate with the seismic response of the port system.
Sistema di supporto alle decisioni per allerta rapida di terremoti: applicazione a una infrastruttura portuaria critica in Italia. I sistemi di allerta rapida di terremoti (EEW) rappresentano uno dei più recenti strumenti per la mitigazione del rischio da pericolosità sismica. I sistemi EEW sono in grado di fornire allarmi prima di un significativo scuotimento del suolo nei siti target, analizzando le informazioni in tempo reale sui terremoti in corso. Tuttavia, nonostante le grandi innovazioni incentrate sui modelli sismologici e di pericolosità sismica, ci sono ancora molti limiti nelle metodologie EEW esistenti. Questi includono la mancanza di procedimenti ingegneristici utilizzati per supportare il processo decisionale per l'attivazione di avvisi da parte di vari utenti finali. Più specificamente, le soglie per l'attivazione degli allarmi EEW (ad esempio, magnitudo, ampiezza dello scuotimento del suolo, intensità macrosismica) non sono definite secondo un sistema di supporto alle decisioni formale (DSS) che tiene conto delle possibili conseguenze basate sul rischio dell'attivazione / non attivazione dell'allarme . Questa tesi esplora l'applicazione di una nuova generazione di sistema EEW che include un DSS ingegneristico, che integra strumenti per la risoluzione di situazioni di conflittuali basati su metodi decisionali multicriterio accoppiati con l'analisi delle caratteristiche operative del ricevitore. In particolare, il DSS mira a quantificare le conseguenze (es. costi di riparazione diretti, tempi di fermo, infortuni) associate all'emissione / non emissione di un allarme, tenendo conto anche della probabilità di un falso allarme. Esaminiamo l'applicazione di questo tipo di EEW-DSS per il porto di Gioia Tauro, nel Sud d’Italia, uno dei più importanti centri per il traffico di container nel Mar Mediterraneo, situato nella regione caratterizzata dalla più alta pericolosità sismica italiana. Conduciamo un'analisi del rischio sismico per vari scenari sismici, utilizzando un approccio basato sulla simulazione che considera diversi livelli di interdipendenze tra elementi vulnerabili per catturare le interconnessioni tra i diversi componenti del porto. Queste analisi ci consentono di valutare gli effetti di diversi eventi e di quantificare le conseguenze di azioni di mitigazione EEW semplici e automatizzate (ad es. attivazione di sirene per evacuare edifici o spegnimento di sistemi elettrici per evitare danni / ridurre al minimo i disagi). Sfruttiamo il DSS per valutare la decisione ottimale in ogni caso. I risultati vengono utilizzati per definire la soglia di avviso EEW del porto in termini di misure di intensità che si correlano al meglio con la risposta sismica del sistema portuale.
Decision support systems for earthquake early warning: application to a critical seaport infrastructure in Italy
PISTORIO, SILVIA
2019/2020
Abstract
Earthquake early warning (EEW) represents one of the most recent tools for mitigation of risk from seismic hazard. EEW systems have the potential to provide warning prior to significant ground shaking at target sites, by analyzing real-time information about ongoing earthquakes. However, despite great innovations centered on seismological/hazard models, there are still many limitations of existing EEW methodologies. These include the lack of engineering-related metrics used to support decision- making for the triggering of alerts by various end-users. More specifically, thresholds for activating EEW alarms (e.g., magnitude, ground motion amplitude, macro-seismic intensity) are not defined according to a formal decision support system (DSS) that accounts for possible risk-based consequences of triggering/not triggering the alarm. This thesis explores the application of a new generation of EEW system that includes an engineering-driven DSS, which integrates tools for solving conflicting situations based on multi-criteria decision making methods coupled with receiver operating characteristics analysis. In particular, the DSS aims to quantify the consequences (e.g., direct repair cost, downtime, injuries) associated with issuing/not issuing an alarm, also accounting for the probability of a false alert. We examine the application of this type of EEW-DSS to the Southern Italian port of Gioia Tauro, one of the most important hubs for container traffic in the Mediterranean Sea, located within the region characterized by Italy’s highest seismic hazard. We conduct a seismic risk analysis for various earthquake scenarios, using a simulation-based approach that considers several layers of interdependencies among vulnerable elements to capture the multicomponent interconnected nature of the port’s performance. These analyses enable us to evaluate the effects of different events and to quantify the consequences of simple, automated EEW mitigation actions, (e.g., activating sirens to evacuate buildings or shutting down electricity systems to avoid damage/minimize disruption). We leverage the DSS to evaluate the optimal decision in each case. Results are used to define the port’s EEW warning threshold in terms of intensity measures that best correlate with the seismic response of the port system.È consentito all'utente scaricare e condividere i documenti disponibili a testo pieno in UNITESI UNIPV nel rispetto della licenza Creative Commons del tipo CC BY NC ND.
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https://hdl.handle.net/20.500.14239/12106