Applicazioni dell'ew per la Protezione di Edifici Ospedalieri

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1 PROGETTO RELUIS-DPC ASSEMBLEA ANNUALE UDINE NOVEMBRE 2006 SVILUPPI DELL INGEGNERIA SISMICA A TRENT ANNI DAL TERREMOTO DEL FRIULI La Ricerca Applicata in Italia: Risultati del Primo Anno del Progetto RELUIS-DPC Linea 9: Monitoraggio e Early Warning di Strutture e Infrastrutture Strategiche Coordinatore: Paolo Gasparini Task 9.5 Contributo EUCENTRE Verifica di applicabilità specifica di un sistema Earthquake Early Warning (EEW) Relazione sulle Attività di Ricerca del I Anno Applicazioni dell'ew per la Protezione di Edifici Ospedalieri Responsabili scientifici: Carlo G. Lai e Barbara Borzi hanno collaborato: P. Traversa (MEEES), C. Strobbia (EUCENTRE) Udine, 23 Novembre 2006

2 OBIETTIVI Studio Fattibilità EW nella Regione Lombardia Individuazione campi di potenziale utilità (ospedali) di un sistema EW Analisi del contesto sismotettonico dell Italia settentrionale Definizione possibili scenari di terremoto critici per sistema EW Stima dei tempi di pre-allerta e dei livelli di scuotimento in corrispondenza degli obiettivi sensibili (ospedali) 2/30

3 Scopo di un Sistema Earthquake Early Warning (EW) Chiusura (shut( down) ) di linee elettriche, sistemi automatici di trasporto di persone e energia, apparecchiature e impianti sensibili, per evitare guasti a catena dagli effetti catastrofici; Nel caso degli ospedali evitare danni irreparabili ad apparecchiature ature biomediche e/o persone (per es. interventi chirurgici) grazie ad un preavviso di alcune decine di secondi. 3/30

4 Principi Base di un Sistema EW Le onde longitudinali (P) si propagano ad una velocità superiore rispetto a quelle trasversali (S), alle quali sono associati gli scuotimenti i più severi Localizzazione rapida e stima della magnitudo del terremoto in atto a grazie alle caratteristiche dei segnali associati alle prime onde P nella zona epicentrale Stima della separazione temporale fra l arrivo l delle onde P ed S Noto il modello crostale regionale in cui le onde si propagano, stima del tempo di arrivo della scossa in località definite 4/30

5 Stima della Magnitudo e Localizzazione Epicentro (da Allen, 2004) 5/30

6 Dispositivi Operativi EW nel Mondo ad Oggi 1868: : proposta per un sistema EW a San Francisco (Cooper( Cooper) 1985: : rete computerizzata di allerta nel sud della California (Heaton( Heaton) 1989: : prevenzione deragliamento linea alta velocità treno Shinkansen, Giappone (Nakamura( Nakamura) Anni 90-00:: attivati, o in via di attivazione, sistemi EW a Mexico City, Taiwan, Giappone, California, Romania, Grecia e Turchia. In Italia: : applicazione nella Regione Campania 6/30

7 Dati di Progetto di un Sistema EW Valutazione pre-allarme necessario per attivare misure di protezione Valore di soglia in termini di intensità oltre il quale inviare l allarmel Qualità sulla previsione dei parametri caratteristici del terremoto Tolleranza accettabile in termini di falsi allarmi e mancati allarmi armi 7/30

8 Dati di Progetto di un Sistema EW P fa = probabilità falsi allarmi P ma = probabilità mancati allarmi 8/30

9 Valutazione Applicazione Sistema EW negli Ospedali Distribuzione questionario alle direzioni sanitarie. Due obiettivi vi: Valutare utilità di un preallarme di qualche secondo sull arrivo della scossa più severa per ridurre gli effetti dell impatto su apparecchiature biomedicali sensibili; Individuare interventi di operatori sanitari (per es. chirurghi) ) che in caso di scuotimento sismico anche debole possono arrecare danni. 9/30

10 EUCENTRE Ubicazione Ospedali della Regione Lombardia 209 presidi ospedalieri 10/30

11 Risultati Sondaggio tra il Personale Sanitario Approvazione del progetto da parte di aziende ospedaliere (eccezione per i falsi allarmi) Shut-down di apparecchiature nell interesse del paziente: : laser chirurgici, gamma camera, acceleratori lineari, apparecchiature di radioterapia specialmente se stereo- tassica, colonna per laparoscopia, apparecchiature altamente invasive, elettrobisturi ect. Shut-down effettuato per proteggere l apparecchiatural stessa: macchinari per la TAC, la risonanza e apparecchiature radiologiche di laboratorio. Interruzione della corsa degli ascensori al piano più vicino e i dispositivi di erogazione di gas e vapore. 11/30

12 Risultati Sondaggio tra il Personale Sanitario Distribuzione delle risposte dei direttori sanitari alla domanda sull utilità di attivare una sirena Molto utile Poco utile Inutile Molto utile Poco utile Inutile Distribuzione delle risposte dei direttori sanitari sull utilità di attivare uno shut-down di dispositivi biomedicali 12/30

13 Contesto Sismotettonico Italia Settentrionale (da Montone et al., 1999) Massimo stress nelle Alpi orientali (unione con le Dinaridi), terremoti più forti; Strutture compressive, terremoti di tipo thrust faulting (faglie inverse); Meccanismo di spinta prevalente: direzione N-S; N Massima sismicità nella parte orientale, sporadica nella parte centrale dell arco alpino; Profondità ipocentrali: fra 12 e 25 km. 13/30

14 Contesto Sismotettonico Italia Settentrionale (da Montone et al., 1999) 14/30

15 Contesto Sismotettonico Italia Settentrionale Sezioni verticali E-W E W illustranti la sismicità nelle Alpi Occidentali (da Chiarabba et al., 2005) 15/30

16 Modello Crostale Utilizzato nelle Simulazioni Numeriche Struttura superficiale della Pianura Padana: serie di sabbie, marne, argille con intercalazioni di ghiaie per circa 700 m; Unità di marne e calcari, spessori di km (V P = km/s); Basamento cristallino. RIFERIMENTI: Pieri Groppi (1981) Di Stefano et al. (1999) Carta sottosuolo pianura Friulana 16/30

17 Pericolosità Sismica in Italia Settentrionale mappa di pericolosità INGV, 2004 zonazione sismogenetica (ZS9) Accelerazione massima con il 10% di probabilità di essere superata in 50 anni. Per suoli rigidi. (Vs > 800 m/s; cat. A, punto del 30 D.M ). Riferimento: Ordinanza PCM del 28 aprile 2006 n.3519, All.1b. (INGV, 2006). 17/30

18 Sorgenti Sismogenetiche nella Regione Lombardia Salò Reggio Emilia Database faglie sismogenetiche DISS /30

19 Evento di Scenario: Terremoto Reggio Emilia del 15/10/1996 Terremoto di Reggio Emilia del 15/10/1996, 1996, Mw 5.4 (ZS 913) Riferimenti in Selvaggi et al. (2001) Piano di faglia: strike 94,, dip 54,rake 132 Magnitudo Mw = 5.4 Meccanismo focale con assi P sub-orizzontali orientati in direzione NO-SE, parallelamente alla catena appenninica e ortogonali al fronte compressivo padano Dislocazione massima D = 0.53 m Coordinate dell ipocentro: N, E Profondità ipocentrale: 15 km Lunghezza della superficie di rottura: L = 9 km Ampiezza della superficie di rottura: W = 3 km Velocità di rottura: 2700 m/s 19/30

20 Evento di Scenario: Terremoto di Salò del 24/11/2004 Terremoto di Salò del 24/11/2004, Mw 5.0 (ZS 907) Riferimenti in Pessina et al. (2006) e Esposito et al. (2005) Magnitudo Mw = 5.0 Piano di faglia: strike 246, dip 24 rake 113 Dislocazione massima D = 0.41 m Coordinate dell ipocentro N E Profondità ipocentrale incerta (ipotizzata a 15 km) Lunghezza della superficie di rottura: L = 2,6 km Ampiezza della superficie di rottura: W = 2,5 km Velocità di rottura 2700 m/s 20/30

21 Valutazione del Tempo di Pre-Allerta Simulazione di sismogrammi sintetici generati dai terremoti di scenario s in corrispondenza di varie stazioni virtuali sul territorio lombardo; Identificazione dei primi arrivi delle onde P ed S; Individuazione della relazione fra la separazione temporale delle e due fasi e la distanza epicentrale del punto di simulazione; Stima del tempo di pre-allerta in corrispondenza dei maggiori centri urbani. 21/30

22 Simulazione Sismogrammi Sintetici Codice di Hisada e Bielak (2003): modello cinematico di sorgente in mezzo stratificato. Soluzione problema elastodinamico metodo coefficienti generalizzati di trasmissione e riflessione. Slip, mkk in Time, in s kk (da Spudich and Hartzell, 1985) Layer 1 h, ρ, V, V, D, D 1 1 P 1 S1 P 1 S1 Layer 2 h, ρ, V, V, D, D 2 2 P 2 S 2 P 2 S 2 Observation point kk M M M M M M M Ground motion at the observation point (Green s function) generated by an instantaneous slip at the point (A) on the fault kk (da Spudich & Hartzell, 1985) Layer n l h, ρ, V, V, D, D n n Pn Sn Pn Sn l l l l l l ipotesi di mezzo stratificato con modello costitutivo viscoelastico 22/30

23 Risultati Simulazione Numerica (Hisada & Bielak, 2003) Posizioni ricevitori virtuali 23/30

24 Risultati Simulazione Numerica (Hisada & Bielak, 2003) Ben riconoscibili e distinguibili le due fasi P ed S 24/30

25 Confronto Simulazioni con Dati Reali Buona corrispondenza nei livelli di scuotimento 25/30

26 Confronto Simulazioni con Dati Reali: leggi di Attenuazione 26/30

27 Risultati Simulazioni Numeriche: Tempi di Pre-Allerta REGGIO EMILIA Distanza epicentrale (km) Arrivo onde P (s) Delta T (s) Arrivo onde S (s) Pre-allerta (s) Cremona Pavia Bergamo Milano SALO Distanza epicentrale (km) Arrivo onde P (s) Delta T (s) Arrivo onde S (s) Pre-allerta (s) Brescia Bergamo Piacenza Milano Pavia /30

28 Risultati Simulazioni Numeriche: Livelli di Scuotimento Livelli di scuotimento pressoché insignificanti per tempi di preavviso rilevanti (< 1% g) 28/30

29 Considerazioni Conclusive EW potenzialmente in grado di funzionare con tempi di pre-allarme maggiori di 15 s per distanze epicentrali > 50 km circa; Livelli di scuotimento corrispondenti di entità modesta. Problema intrinseco per zone a bassa/moderata sismicità come Lombardia; Pre-all allarme corrispondente e a maggiori livelli di scuotimento variabile da pochi secondi fino a 15 secondi per D=50 km; Tempistiche compatibili per l attivazione l di operazioni di shut-down e/o messa in sicurezza di apparecchiature biomedicali sensibili e per l interruzione di terapie e/o trattamenti a rischio dei pazienti. 29/30

30 Principali Tematiche da Sviluppare in Futuro Valutazione degli effetti di amplificazione legati alla risposta sismica locale (effetti di sito). Studio di affidabilità del sistema EW. Sensitività al modello utilizzato, ai parametri del modello. Definizione delle variabili che influenzano maggiormente e la risposta del sistema. Valutazione soglie minime scuotimento che arrecano danni apparecchiature chiature biomediche. Studio riattivazione altre sorgenti. Verifica del sistema EW su tali ipotetici scenari futuri. Studio di fattibilità nella implementazione degli aspetti tecnologici dell EW. Test sulle capacità di elaborazione e funzionamento della rete di EW secondo ipotesi di rete. 30/30