TY  - THES
A1  - Gómez Zapata, Juan Camilo
T1  - Towards unifying approaches in exposure modelling for scenario-based multi-hazard risk assessments
N2  - This cumulative thesis presents a stepwise investigation of the exposure modelling process for risk assessment due to natural hazards while highlighting its, to date, not much-discussed importance and associated uncertainties. Although “exposure” refers to a very broad concept of everything (and everyone) that is susceptible to damage, in this thesis it is narrowed down to the modelling of large-area residential building stocks. Classical building exposure models for risk applications have been constructed fully relying on unverified expert elicitation over data sources (e.g., outdated census datasets), and hence have been implicitly assumed to be static in time and in space. Moreover, their spatial representation has also typically been simplified by geographically aggregating the inferred composition onto coarse administrative units whose boundaries do not always capture the spatial variability of the hazard intensities required for accurate risk assessments. These two shortcomings and the related epistemic uncertainties embedded within exposure models are tackled in the first three chapters of the thesis. The exposure composition of large-area residential building stocks is studied on the scope of scenario-based earthquake loss models. Then, the proposal of optimal spatial aggregation areas of exposure models for various hazard-related vulnerabilities is presented, focusing on ground-shaking and tsunami risks. Subsequently, once the experience is gained in the study of the composition and spatial aggregation of exposure for various hazards, this thesis moves towards a multi-hazard context while addressing cumulative damage and losses due to consecutive hazard scenarios. This is achieved by proposing a novel method to account for the pre-existing damage descriptions on building portfolios as a key input to account for scenario-based multi-risk assessment. Finally, this thesis shows how the integration of the aforementioned elements can be used in risk communication practices. This is done through a modular architecture based on the exploration of quantitative risk scenarios that are contrasted with social risk perceptions of the directly exposed communities to natural hazards.
In Chapter 1, a Bayesian approach is proposed to update the prior assumptions on such composition (i.e., proportions per building typology). This is achieved by integrating high-quality real observations and then capturing the intrinsic probabilistic nature of the exposure model. Such observations are accounted as real evidence from both: field inspections (Chapter 2) and freely available data sources to update existing (but outdated) exposure models (Chapter 3). In these two chapters, earthquake scenarios with parametrised ground motion fields were transversally used to investigate the role of such epistemic uncertainties related to the exposure composition through sensitivity analyses. Parametrised scenarios of seismic ground shaking were the hazard input utilised to study the physical vulnerability of building portfolios. The second issue that was investigated, which refers to the spatial aggregation of building exposure models, was investigated within two decoupled vulnerability contexts: due to seismic ground shaking through the integration of remote sensing techniques (Chapter 3); and within a multi-hazard context by integrating the occurrence of associated tsunamis (Chapter 4). Therein, a careful selection of the spatial aggregation entities while pursuing computational efficiency and accuracy in the risk estimates due to such independent hazard scenarios (i.e., earthquake and tsunami) are discussed. Therefore, in this thesis, the physical vulnerability of large-area building portfolios due to tsunamis is considered through two main frames: considering and disregarding the interaction at the vulnerability level, through consecutive and decoupled hazard scenarios respectively, which were then contrasted.
Contrary to Chapter 4, where no cumulative damages are addressed, in Chapter 5, data and approaches, which were already generated in former sections, are integrated with a novel modular method to ultimately study the likely interactions at the vulnerability level on building portfolios. This is tested by evaluating cumulative damages and losses after earthquakes with increasing magnitude followed by their respective tsunamis. Such a novel method is grounded on the possibility of re-using existing fragility models within a probabilistic framework. The same approach is followed in Chapter 6 to forecast the likely cumulative damages to be experienced by a building stock located in a volcanic multi-hazard setting (ash-fall and lahars). In that section, special focus was made on the manner the forecasted loss metrics are communicated to locally exposed communities. Co-existing quantitative scientific approaches (i.e., comprehensive exposure models; explorative risk scenarios involving single and multiple hazards) and semi-qualitative social risk perception (i.e., level of understanding that the exposed communities have about their own risk) were jointly considered. Such an integration ultimately allowed this thesis to also contribute to enhancing preparedness, science divulgation at the local level as well as technology transfer initiatives. 
Finally, a synthesis of this thesis along with some perspectives for improvement and future work are presented.
N2  - Diese kumulative Diplomarbeit stellt eine schrittweise Untersuchung des Expositionsmodellierungsprozesses für die Risikobewertung durch Naturgefahren dar und weist auf seine bisher wenig diskutierte Bedeutung und die damit verbundenen Unsicherheiten hin. Obwohl sich „Exposition“ auf einen sehr weiten Begriff von allem (und jedem) bezieht, der für Schäden anfällig ist, wird er in dieser Arbeit auf die Modellierung von großräumigen Wohngebäudebeständen eingeengt. Klassische Gebäudeexpositionsmodelle für Risikoanwendungen wurden vollständig auf der Grundlage unbestätigter Expertenerhebungen über Datenquellen (z. B. veraltete Volkszählungsdatensätze) erstellt und wurden daher implizit als zeitlich und räumlich statisch angenommen. Darüber hinaus wurde ihre räumliche Darstellung typischerweise auch vereinfacht, indem die abgeleitete Zusammensetzung geografisch auf grobe Verwaltungseinheiten aggregiert wurde, deren Grenzen nicht immer die räumliche Variabilität der Gefahrenintensitäten erfassen, die für genaue Risikobewertungen erforderlich sind. Diese beiden Mängel und die damit verbundenen epistemischen Unsicherheiten, die in Expositionsmodellen eingebettet sind, werden in den ersten drei Kapiteln der Dissertation verfolgt. Die Exposure-Zusammensetzung von großflächigen Wohngebäudebeständen wird im Rahmen szenariobasierter Erdbebenschadenmodelle untersucht. Anschließend wird der Vorschlag optimaler räumlicher Aggregationsbereiche von Expositionsmodellen für verschiedene gefahrenbezogene Anfälligkeiten präsentiert, wobei der Schwerpunkt auf Bodenerschütterungs- und Tsunami-Risiken liegt. Anschließend, sobald die Erfahrung in der Untersuchung der Zusammensetzung und räumlichen Aggregation der Exposition für verschiedene Gefahren gesammelt wurde, bewegt sich diese Arbeit in Richtung eines Kontextes mit mehreren Gefahren, während sie sich mit kumulativen Schäden und Verlusten aufgrund aufeinanderfolgender Gefahrenszenarien befasst. Dies wird erreicht, indem eine neuartige Methode vorgeschlagen wird, um die bereits bestehenden Schadensbeschreibungen an Gebäudeportfolios als Schlüsseleingabe für die Berücksichtigung einer szenariobasierten Multi-Risiko-Bewertung zu berücksichtigen. Abschließend zeigt diese Arbeit, wie die Integration der oben genannten Elemente in der Risikokommunikation genutzt werden kann. Dies erfolgt durch eine modulare Architektur, die auf der Untersuchung quantitativer Risikoszenarien basiert, die mit der sozialen Risikowahrnehmung der direkt von Naturgefahren betroffenen Gemeinschaften kontrastiert werden.
In Kapitel 1 wird ein bayesianischer Ansatz vorgeschlagen, um die früheren Annahmen zu einer solchen Zusammensetzung (d. h. Anteile pro Gebäudetypologie) zu aktualisieren. Dies wird erreicht, indem hochwertige reale Beobachtungen integriert und dann die intrinsische Wahrscheinlichkeitsnatur des Expositionsmodells erfasst wird. Solche Beobachtungen werden sowohl aus Feldbegehungen (Kapitel 2) als auch aus frei verfügbaren Datenquellen zur Aktualisierung bestehender (aber veralteter) Expositionsmodelle (Kapitel 3) als echte Beweise gewertet. In diesen beiden Kapiteln wurden Erdbebenszenarien mit parametrisierten Bodenbewegungsfeldern transversal verwendet, um die Rolle solcher epistemischen Unsicherheiten in Bezug auf die Expositionszusammensetzung durch Sensitivitätsanalysen zu untersuchen. Parametrisierte Szenarien seismischer Bodenerschütterungen waren der Gefahreneingang, der verwendet wurde, um die physische Anfälligkeit von Gebäudeportfolios zu untersuchen. Das zweite untersuchte Problem, das sich auf die räumliche Aggregation von Gebäudeexpositionsmodellen bezieht, wurde in zwei entkoppelten Vulnerabilitätskontexten untersucht: durch seismische Bodenerschütterungen durch die Integration von Fernerkundungstechniken (Kapitel 3); und innerhalb eines Multi-Hazard-Kontextes durch Einbeziehung des Auftretens assoziierter Tsunamis (Kapitel 4). Darin wird eine sorgfältige Auswahl der räumlichen Aggregationseinheiten bei gleichzeitigem Streben nach Recheneffizienz und Genauigkeit bei den Risikoschätzungen aufgrund solcher unabhängiger Gefahrenszenarien (d. h. Erdbeben und Tsunami) diskutiert. Daher wird in dieser Arbeit die physische Vulnerabilität von großen Gebäudeportfolios durch Tsunamis durch zwei Hauptrahmen betrachtet: Berücksichtigung und Nichtberücksichtigung der Wechselwirkung auf der Vulnerabilitätsebene, durch aufeinanderfolgende bzw. entkoppelte Gefahrenszenarien, die dann gegenübergestellt wurden.
Im Gegensatz zu Kapitel 4, wo keine kumulativen Schäden angesprochen werden, werden in Kapitel 5 Daten und Ansätze, die bereits in früheren Abschnitten generiert wurden, mit einer neuartigen modularen Methode integriert, um letztendlich die wahrscheinlichen Wechselwirkungen auf der Schwachstellenebene beim Aufbau von Portfolios zu untersuchen. Dies wird getestet, indem kumulative Schäden und Verluste nach Erdbeben mit zunehmender Magnitude gefolgt von den jeweiligen Tsunamis bewertet werden. Eine solche neuartige Methode basiert auf der Möglichkeit, bestehende Fragilitätsmodelle innerhalb eines probabilistischen Rahmens wiederzuverwenden. Derselbe Ansatz wird in Kapitel 6 verfolgt, um die wahrscheinlichen kumulativen Schäden zu prognostizieren, denen ein Gebäudebestand ausgesetzt sein wird, der sich in einer vulkanischen Umgebung mit mehreren Gefahren (Aschefall und Lahare) befindet. In diesem Abschnitt wurde besonderes Augenmerk auf die Art und Weise gelegt, wie die prognostizierten Verlustmetriken an lokal exponierte Gemeinden kommuniziert werden. Koexistierende quantitative wissenschaftliche Ansätze (d. h. umfassende Expositionsmodelle; explorative Risikoszenarien mit Einzel- und Mehrfachgefahren) und semiqualitative soziale Risikowahrnehmung (d. h. Grad des Verständnisses, das die exponierten Gemeinschaften über ihr eigenes Risiko haben) wurden gemeinsam berücksichtigt. Eine solche Integration ermöglichte es dieser Arbeit schließlich auch, zur Verbesserung der Bereitschaft, der wissenschaftlichen Verbreitung auf lokaler Ebene sowie zu Technologietransferinitiativen beizutragen.
Abschließend wird eine Zusammenfassung dieser These zusammen mit einigen Perspektiven für Verbesserungen und zukünftige Arbeiten präsentiert.
KW  - exposure
KW  - multi-hazard
KW  - risk analysis
KW  - risk communication
KW  - uncertainty analysis
KW  - tsunami risk
KW  - spatial aggregation
KW  - seismic risk
KW  - Expositionsmodellen
KW  - Multi-Hazard
KW  - Risikoanalyse
KW  - Risikokommunikation
KW  - seismisches Risiko
KW  - räumliche Aggregation
KW  - Tsunami-Risiko
KW  - Unsicherheitsanalyse
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-586140
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Weatherill, Graeme
A1  - Kotha, Sreeram Reddy
A1  - Cotton, Fabrice Pierre
T1  - Re-thinking site amplification in regional seismic risk assessment
JF  - Earthquake spectra : the professional journal of the Earthquake Engineering Research Institute
N2  - Probabilistic assessment of seismic hazard and risk over a geographical region presents the modeler with challenges in the characterization of the site amplification that are not present in site-specific assessment. Using site-to-site residuals from a ground motion model fit to observations from the Japanese KiK-net database, correlations between measured local amplifications and mappable proxies such as topographic slope and geology are explored. These are used subsequently to develop empirical models describing amplification as a direct function of slope, conditional upon geological period. These correlations also demonstrate the limitations of inferring 30-m shearwave velocity from slope and applying them directly into ground motion models. Instead, they illustrate the feasibility of deriving spectral acceleration amplification factors directly from sets of observed records, which are calibrated to parameters that can be mapped uniformly on a regional scale. The result is a geologically calibrated amplification model that can be incorporated into national and regional seismic hazard and risk assessment, ensuring that the corresponding total aleatory variability reflects the predictive capability of the mapped site proxy.
KW  - earthquake hazard analysis
KW  - ground motion
KW  - seismic risk
KW  - site effects
KW  - regional mapping
Y1  - 2020
U6  - https://doi.org/10.1177/8755293019899956
SN  - 8755-2930
SN  - 1944-8201
VL  - 36
IS  - 1_SUPPL
SP  - 274
EP  - 297
PB  - Sage Publishing
CY  - Thousand Oaks, CA
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kieling, Katrin
T1  - Quantification of ground motions by broadband simulations
T1  - Quantifizierung von Bodenbewegung durch Breitband-Simulationen
N2  - In many procedures of seismic risk mitigation, ground motion simulations are needed to test systems or improve their effectiveness. For example they may be used to estimate the level of ground shaking caused by future earthquakes. Good physical models for ground motion simulation are also thought to be important for hazard assessment, as they could close gaps in the existing datasets. Since the observed ground motion in nature shows a certain variability, part of which cannot be explained by macroscopic parameters such as magnitude or position of an earthquake, it would be desirable that a good physical model is not only able to produce one single seismogram, but also to reveal this natural variability.
In this thesis, I develop a method to model realistic ground motions in a way that is computationally simple to handle, permitting multiple scenario simulations. I focus on two aspects of ground motion modelling. First, I use deterministic wave propagation for the whole frequency range – from static deformation to approximately 10 Hz – but account for source variability by implementing self-similar slip distributions and rough fault interfaces. Second, I scale the source spectrum so that the modelled waveforms represent the correct radiated seismic energy. With this scaling I verify whether the energy magnitude is suitable as an explanatory variable, which characterises the amount of energy radiated at high frequencies – the advantage of the energy magnitude being that it can be deduced from observations, even in real-time.
Applications of the developed method for the 2008 Wenchuan (China) earthquake, the 2003 Tokachi-Oki (Japan) earthquake and the 1994 Northridge (California, USA) earthquake show that the fine source discretisations combined with the small scale source variability ensure that high frequencies are satisfactorily introduced, justifying the deterministic wave propagation approach even at high frequencies. I demonstrate that the energy magnitude can be used to calibrate the high-frequency content in ground motion simulations.
Because deterministic wave propagation is applied to the whole frequency range, the simulation method permits the quantification of the variability in ground motion due to parametric uncertainties in the source description. A large number of scenario simulations for an M=6 earthquake show that the roughness of the source as well as the distribution of fault dislocations have a minor effect on the simulated variability by diminishing directivity effects, while hypocenter location and rupture velocity more strongly influence the variability. The uncertainty in energy magnitude, however, leads to the largest differences of ground motion amplitude between different events, resulting in a variability which is larger than the one observed.
For the presented approach, this dissertation shows (i) the verification of the computational correctness of the code, (ii) the ability to reproduce observed ground motions and (iii) the validation of the simulated ground motion variability. Those three steps are essential to evaluate the suitability of the method for means of seismic risk mitigation.
N2  - In vielen Verfahren zur Minimierung seismischen Risikos braucht man Seismogramme, um die Effektivität von Systemen zu testen oder diese zu verbessern. So können realistische Bodenbewegungen genutzt werden, um das Ausmaß der Erschütterungen durch zukünftige Erdbeben abzuschätzen. Gute physikalische Bodenbewegungsmodelle haben auch das Potential, Lücken in den beobachteten Datensätzen zu schließen und somit Gefährdungsabschätzungen zu verbessern. Da die in der Natur beobachtete Bodenbewegung einer gewissen Variabilität unterliegt, von der ein Teil nicht durch makroskopische Parameter wie Magnitude oder Position des Erdbebens erklärt werden kann, ist es wünschenswert, dass ein gutes physikalisches Modell nicht nur ein einzelnes Seismogramm produziert, sondern auch die natürliche Variabilität widerspiegelt. 
In dieser Arbeit beschreibe ich eine Methode zur Modellierung von realistischen Bodenbewegungen, die – aufgrund ihrer einfachen Modellkonfiguration – mehrere Szenario-Simulationen ermöglicht. Dabei konzentriere ich mich auf zwei Aspekte: Einerseits nutze ich ein deterministisches Verfahren für die Wellenausbreitung für den gesamten Frequenzbereich, von der statischen Deformation bis etwa 10 Hz, unter Berücksichtigung der Variabilität der Quelle durch die Einbeziehung von selbstähnlichen Slipverteilungen und rauen Störungsflächen. Andererseits skaliere ich das Quellspektrum so, dass die modellierte Wellenform die abgestrahlte seismische Ener-gie wiedergibt. Damit überprüfe ich, ob die Energie-Magnitude als Stellgröße geeignet ist, die den Anteil der Energie beschreibt, der im Hochfrequenzbereich abgestrahlt wird. Der Vorteil der Energie- Magnitude ist, dass diese aus Beobachtungen, sogar in sehr kurzer Zeit, ermittelt werden kann. 
Anwendungen der entwickelten Methode für das Wenchuan (China) Erdbeben von 2008, das Tokachi-Oki (Japan) Erdbeben von 2003 und das Northridge (Kalifornien, USA) Erdbeben von 1994 demonstrieren, dass durch eine feine Diskretisierung und kleinskalige Variabilität in der Quelle hohe Frequenzen ausreichend in die Wellenform eingeführt werden, was den deterministischen Ansatz auch im Hochfrequenzbereich bestätigt. Ich zeige, dass die Energie-Magnitude verwendet werden kann um den Hochfrequenzanteil in Bodenbewegungssimulationen zu kalibrieren. 
Da die determistische Wellenausbreitung auf den gesamten Frequenzbereich angewandt wird, können die Variabilitäten, die durch parametrische Unsicherheiten in der Quellbeschreibung entstehen, beziffert werden. Zahlreiche Simulationen für ein M=6 Beben zeigen, dass die Rauigkeit der Quelle und die Slipverteilung durch Minderung der Direktivitätseffekte die simulierte Variabilität der Bodenbewegung geringfügig verringern. Dagegen haben die Bruchgeschwindigkeit und die Lage des Hypozentrums einen stärkeren Einfluss auf die Variabilität. Die Unsicherheit in der Energie-Magnitude dagegen führt zu großen Unterschieden zwischen verschiedenen Erdbebensimulationen, welche größer sind als die beobachtete Variabilität von Bodenbewegungen.
In Bezug auf die vorgestellte Methode zeigt diese Arbeit (i) den Nachweis der Richtigkeit des Computerprogramms, (ii) die Eignung zur Modellierung beobachteter Bodenbewegung und (iii) den Vergleich der simulierten Variabilität von Bodenbewegung mit der beobachteten. Dies sind die ersten drei Schritte auf dem Weg zur Nutzbarkeit von Bodenbewegungssimulationen in Maßnahmen zur Verminderung des seismischen Risikos.
KW  - ground motions
KW  - earthquake
KW  - simulation
KW  - seismic risk
KW  - ground motion variability
KW  - Bodenbewegung
KW  - Erdbeben
KW  - seismisches Risiko
KW  - Simulation
KW  - Variabilität von Bodenbewegung
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-85989
ER  -