Progetto RE.S.IS.: Ricerca e Sviluppo per la Sismologia e l Ingegneria Sismica

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1 5 Convegno Tecnico Scientifico Progetto RE.S.IS.: Ricerca e Sviluppo per la Sismologia e l Ingegneria Sismica Sistema VULSIN per la Protezione delle Lifeline dal Rischio Sismico Carlo Vardanega Andrea Raffetti Gian Paolo Vassallo Giulio Valfrè

2 Divisione Industria I1: Program Management and Logistic I2: Applied Research I3: Technology Transfer I4: System Integration and Telecommunications I5: System Engineering I6: Tempest Divisione Energia, Ambiente e Infrastrutture E1: Environmental Studies E2: Environmental Planning E3: Environmental Engineering E4: Health & Safety E5: Plant & Structural Engineering E6: Construction Management E7: Offshore Geotechnics & Siting Divisione Traspo T1: Transportation System Planning T2: Railway System T2: Information Technology for Transport T3: T4: Transportation Engineering T5: T6:

3 Struttura della Presentazione Le principali tematiche affrontata deurante la presentazione saranno le seguenti: il rischio relativo alle lifeline e la trattazione mediante tecniche GIS e di generazione/simulazione di scenari; la metodologia e lo strumento software sviluppato ed il processo di applicazione ai siti pilota; alcune considerazioni sull applicazione ai siti pilota e sull utilizzo della simulazione degli scenari per la valutazione e la mitigazione dei rischi relativi al territorio.

4 Le Lifelines L insieme delle lifeline è un sistema estremamente complesso costituito di norma da molti sub-sistemi interconnessi dal punto di vista fisico e/o funzionale, localizzati su una vasta area: sistema di alimentazione elettrica; sistema di adduzione delle acque bianche; sistema fognario; sistemi di comunicazione; ponti e strade, ferrovie, porti, aeroporti; sistemi di distribuzione del gas; sistemi di distribuzione di combustibili liquidi.

5 Effetti dei Sismi sulle Lifelines (1/4)

6 Effetti dei Sismi sulle Lifelines (2/4)

7 Effetti dei Sismi sulle Lifelines (3/4)

8 Effetti dei Sismi sulle Lifelines (4/4)

9 Argomenti Propedeutici Ingegneria sismica delle lifeline: l insieme delle lifeline è un sistema estremamente complesso costituito di norma da molti sub-sistemi interconnessi dal punto vista fisico e/o funzionale, localizzati su una vasta area Uso dello strumento GIS per l analisi di lifeline : rappresentare le informazioni di input ed output relative alle lifeline ed al sito e svolgere analisi spaziali sia sulle prime che sulle seconde mediante operazioni GIS. Modellazione dei Sistemi Territoriali: definizione del territorio, del sistema territoriale oggetto di studio e della vulnerabilità/criticità del sistema territoriale. Infrastructure Risk Analysis Model Metodologia basata su quattro fasi operative (Ezell et al., 2000) quali l identificazione il rischio per le infrastrutture, la modellazione il rischio per le infrastrutture, valutazione delle infrastrutture, gestione del rischio per le infrastrutture.

10 Progetto RESIS Il Progetto RESIS è stato sviluppato da INGV con il sussidio del Ministero dell Università della Ricerca Scientifica e Tecnologica nel contesto del Programma (o Piano) operativo di Ricerca per la sismologia e l ingegneria sismica (PRO.S.I.S.) Per le attività legate allo sviluppo del Sistema VULSIN, D Appolonia è stata subcontractor dell Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia

11 Contesto Metodologico Il Progetto RESIS è basato sulle seguenti attività: esame sistematico delle lifeline di due zone campione; definizione della vulnerabilità e dell importanza di ogni elemento di ogni singola lifeline; identificazione delle priorità di intervento; definizione degli interventi e dei costi; selezione/ottimizzazione degli interventi sottoposti a definiti vincoli.

12 Approccio Metodologico L approccio metodologico adottato per lo sviluppo del Sistema VULSIN è suddiviso in cinque differenti analisi, finalizzate alla valutazione dei seguenti aspetti: pericolosità di sito; vulnerabilità di elemento di rete; criticità e esposizione di elemento di rete; rischio degli elementi per le differenti categorie di danno; definizione e ottimizzazione degli interventi. Sistema RE.S.IS. La metodologia è basata su un approccio probabilistico del fenomeno sismico, della vulnerabilità degli elementi e della vulnerabilità dell intero sistema di lifeline. VULNERABILITA DEFINIZIONE RISCHIO ESPOSIZIONE CRITICITA' STRUMENTO GIS DATABASE OTTIMIZZAZIONE INTERVENTI DEFINIZIONE INTERVENTI

13 Pericolosità di Sito La pericolosità del sito determina i parametri legati all input sismico del sito in cui l elemento è collocato. La metodologia adottata si basa sulla rappresentazione del sisma mediante PGA, PGV e PGD con pari periodo di ritorno T (il valore di default posto è T pari a 475 anni). La pericolosità addizionale di sito è rappresentata a mezzo di un moltiplicatore dell input sismico che contiene aspetti legati a fattori quali topografia, geologia e geomorfologia, condizione del suolo locale, che non rientrano nella vulnerabilità di elemento. Il dato è calcolato in base agli attributi delle zone sul quale l oggetto insiste.

14 Vulnerabilità degli Elementi La vulnerabilità intrinseca di un manufatto rappresenta la propensione al danneggiamento della struttura, in questo caso del singolo elemento, sottoposto ad un azione sismica. La vulnerabilità è espressa per classi di danno (FEMA, 1999). La formulazione adottata per la vulnerabilità diretta è basata su curve di fragilità che esprimono, per ogni livello di danno, la probabilità di ottenere quel livello di danno dato un determinato input sismico. La vulnerabilità relativa alla presenza di altre reti consente di quantificare, per il singolo elemento, l interazione con le reti fisicamente o funzionalmente collegate. La vulnerabilità totale è assunta come la combinazione tra le due vulnerabilità (eventualmente amplificata dalla vulnerabilità del sito) Pk(D=dsi ST) PIPELINE (rete elettrica) 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 PGA (g) d d d d d

15 Esposizione e Rischio degli Elementi L esposizione è stata espressa per mezzo di classi di conseguenza caratterizzate mediante un rateo di conseguenze funzione delle classi di danno associate all elemento. L esposizione è stata definita in due modi differenti per danni economici e per danni alle persone. Nel primo caso si considerano le strutture e le funzioni legate alle lifeline mentre nel secondo caso si sono considerate le persone esposte alle conseguenze del danno analizzato. Per quanto riguarda il danno umano sono state considerate soltanto le perdite espresse in vite umane definendo un rateo di conseguenze in funzione delle perdite confrontate con il numero delle persone esposte.

16 Definizione ed Ottimizzazione degli Interventi E stata, quindi, definita una libreria di interventi possibili dei quali sono stati stabiliti: il campo di applicazione; i risultati in termini di riduzione del rischio; il costo unitario di realizzazione (investimento) e di esercizio considerando il rateo degli interessi. Sono stati implementati interventi di tipo preventivo caratterizzati dai parametri che influiscono sulle decisioni come: costo di investimento e di manutenzione; riduzione del rischio; tempo di realizzazione. L utente può definire limiti di budget e criteri di selezione degli interventi per poter configurare al meglio l analisi.

17 La Definizione degli Scenari (1/2) Gli scenari di analisi sono definiti mediante: un territorio di riferimento; un insieme di lifeline appartenenti al territorio; un sisma di input; un insieme di interventi per la mitigazione del rischio; un budget limitato I risultati sono i seguenti: il rischio relativo al sistema di lifeline dovuto a differenti sismi; gli impatti dei singoli interventi sul sistema delle lifeline valutando la diminuzione delle differenti tipologie di danno (in termini patrimoniali, di vite umane e funzionale); l influenza sul risultato complessivo della variazioni di parametri caratteristici della realtà comunale rappresentata.

18 La Definizione degli Scenari (2/2)

19 Dalla Realtà Virtuale alla Realtà Reale Nella seconda parte del progetto si è sviluppata un applicazione della metodologia e del software ai due comuni pilota di Sant angelo dei Lombardi e di Pomogliano d Arco. L applicazione ai siti pilota è stata sviluppata secondo il seguente schema operativo: sopralluogo ed acquisizione dei dati di input; applicazione del software e prime analisi dei risultati; valutazione dei risultati del software mediante ulteriori sopralluoghi e verifiche; tunning del software sulla base delle risultanze delle operazioni di verifica dei risultati ottenuti.

20 Sopralluogo ed Acquisizione Dati La base dati relativa all analisi ha riguardato i seguenti ambiti di informazioni: localizzazione e caratterizzazione delle lifeline; descrizione del territorio dal punto di vista sismico, morfologico e geologico; descrizione delle eventuali infrastrutture interagenti con le lifeline dal punto di vista sismico. I dati delle lifeline sono stati completati da informazioni relative agli aspetti socio-geografici necessari per la definizione delle esposizioni.

21 Applicazione del Software Sulla base dei dati di input reperiti si è utilizzato il Sistema VULSIN per analizzare la situazione delle lifeline dei due siti campione in termini di: vulnerabilitàsismica; esposizione funzionale e strutturale; criticità; rischio sismico. Sulla base di queste risultanze si sono identificati i principali interventi preventivi che sono stati valutati alla luce di differenti budget possibili al fine di identificarne gli insiemi più funzionali nei termini metodologici.

22 Valutazione dei Risultati del Software (1/2) Al fine di validare i risultati ottenuti mediante l analisi di rischio e i possibili interventi da attuare sugli elementi considerati maggiormente critici, sono stati compiuti ulteriori sopralluoghi in sito finalizzati a: verificare le criticità degli elementi ottenute dal software; identificare eventuali criticità non riscontrate dal software; identificare gli elementi passibili di interventi; definire il numero, la tipologia e la dimensione degli interventi necessari. Dai sopralluoghi in sito, sono emerse importanti indicazioni in merito ai seguenti aspetti: validazione dei risultati ottenuti dal Sistema VULSIN; determinazione degli aspetti del sistema che possono essere migliorati/affinati.

23 Valutazione dei Risultati del Software (2/2) Le osservazioni effettuate durante il sopralluogo in sito può essere riassunto nei punti elencati nel seguito: gli elementi che risultano classificati come maggiormente critici dal Sistema VULSIN sono in generale quelli che anche ad un esame visivo appaiono più vulnerabili (in termini comparativi); la schematizzazione attualmente adottata nell analisi dei comuni campione, che prevede archi lunghi con caratteristiche omogenee, non appare sufficientemente dettagliata; alcuni dei parametri caratterizzanti non sono rilevabili dal sopralluogo (p.e. utenze servite); i pesi relativi dei diversi criteri impiegati per valutare la vulnerabilità di un elemento possono portare a risultati che non sono immediatamente giustificabili sulla base delle osservazioni dirette.

24 Tunning del Software (1/3) Per la soluzione del problema dell esposizione si sono identificate due differenti strategie: la soluzione operativa si basa sulla possibilità di discretizzare le differenti reti ed i rami di ciascuna rete mantenendo costante il valore della lunghezza dei singoli archi; la soluzione metodologica si basa sulla definizione di esposizione riportata nella metodologia ragionando sull effettiva rappresentazione del fenomeno fisico considerato dato che in seguito ad un evento sismico è estremamente poco probabile che un intero arco della lifeline sia danneggiato o distrutto.

25 Tunning del Software (2/3) La prima soluzione è affetta dal problema di definire una dimensione di discretizzazione adeguata in rapporto alle opere puntuali. Si è implementata la seconda inserendo, per ogni arco, una lunghezza ridotta che è utilizzata per il calcolo dell esposizione. La lunghezza ridotta caratterizza, per aree omogenee dal punto di vista geo-morfologico, ogni singolo ramo al fine di dettagliare al meglio, anche da questo punto di vista, l analisi del sistema rappresentando la lunghezza massima di manufatto interessabile da parte di un dissessto. In caso di archi particolarmente lunghi su territori sfavorevoli sarà possibile o spezzare in due l arco o ampliare la lunghezza considerata (es. il fronte della frana) al fine dei supporre la possibilità del crearsi di due eventi franosi contemporanei sullo stesso arco.

26 Tunning del Software (3/3) I risultati delle analisi hanno evidenziato che per quanto riguarda la viabilità si osserva come la modifica della lunghezza metta in evidenza la maggiore componente di rischio dovuta alle opere d arte riducendo l incidenza delle strade secondarie che era dovuta principalmente alla loro maggiore lunghezza. Se si considerano, per esempio, tutti i ponti si nota che l incidenza sul rischio patrimoniale totale di queste opere passa dal 20% al 46% circa, mentre quello relativo alle gallerie/sottopassi passa dal 3% al 6% circa. La seconda caratterizzazione sembra rappresentare la realtà del territorio considerato in modo più realistico.

27 Conclusioni (1/4) Sebbene le tematiche di ingegneria sismica applicate alle reti infrastrutturali siano da sempre oggetto di studio nell ambito di progetti di ricerca sia nazionali che internazionali, il presente lavoro offre contenuti innovativi di estremo interesse, completando i lavori precedenti soprattutto in relazione ai seguenti temi: approccio probabilistico integrato al rischio sismico associato ad un sistema di lifeline; sviluppo e quantificazione degli aspetti di cross-correlation fra le differenti reti, sia di tipo fisico che funzionale; sviluppo e quantificazione delle conseguenze legate alla perdita di servizio delle reti per le utenze sensibili.

28 Conclusioni (2/4) La metodologia complessiva rappresenta un esempio di approccio unitario al problema del rischio sismico relativo alle lifeline. All interno di un unica cornice teorica ed applicativa sono stati affrontati i differenti aspetti del problema relativi a: la pericolosità sismica dei siti; gli aspetti della vulnerabilità strutturale e funzionale diretta ed indiretta, cioè dovuta a fenomeni di cross-correlazione; l esame della criticità in termini patrimoniali, di vite umane e di caduta di servizio; la definizione della criticità negli stessi termini; la possibilità di definire interventi codificati per la soluzione delle problematiche più frequenti relative all azione sismica sulle lifeline; la valutazione dei costi connessi a tali interventi; l ottimizzazione dell impiego di una disponibilità finanziaria limitata e non sufficiente per realizzare l intero insieme di interventi.

29 Conclusioni (3/4) L affidabilità del Sistema VULSIN in termini di valutazione del rischio, è stata sottoposta alla verifica di valutazioni sul campo. Le attività svolte hanno permesso le seguenti considerazioni: si è riscontrata una ragionevole corrispondenza tra i risultati del sistema e l esame in sito; è stato individuato il livello di dettaglio necessario nella schematizzazione delle lifeline e delle caratteristiche del territorio per ottenere un buon grado di corrispondenza. Tale livello di dettaglio è risultato maggiore di quello impiegato nel primo caso campione esaminato; il sistema presenta notevoli doti di flessibilità, la cui efficacia aumenta con l affinamento dei dati; la conoscenza dettagliata dell area oggetto di studio appare essere uno degli elementi più validi per un efficace utilizzo del sistema e per valutazioni preventive; pur in assenza di dati accurati, il sistema fornisce comunque indicazioni preziose per un primo screening del rischio sismico su base territoriale relativo alle lifelines.

30 Conclusioni (4/4) Se si considerano gli aspetti legati alla simulazione mediante l uso di scenari si osserva come il presente lavoro dimostra l utilità di questo tipo di analisi per: l analisi e la rappresentazione dei fenomeni territoriali espressi su base probabilistica; l assistenza alla decisione del pianificatore. La limitazione del budget necessita di numerosi confronti fra le differenti possibili soluzioni al problema della riduzione del rischio sismico legato alle lifeline. La rappresentazione di soluzioni differenti sia in termini di sisma di riferimento che di interventi consente, infatti, una esplorazione dettagliata delle varie possibilità concesse al pianificatore. Il confronto tra le simulazioni di differenti scenari arricchisce il processo decisionale ampliando la possibilità di analisi delle diverse possibilità di impiego delle risorse finanziarie. La metodologia utilizzata applica, nella sostanza, quanto prescritto per la realizzazione degli studi di fattibilità.

31 Grazie per l attenzione... domande?