Risk management of natural disasters : a fuzzy-probabilistic methodology and its application to seismic hazard

Karimi, Iman; Meskouris, Konstantin

doi:1379

Risk management of natural disasters : a fuzzy-probabilistic methodology and its application to seismic hazard = Risikomanagement von Naturkatastrophen : eine fuzzy-probabilistische Methologie und ihre Anwendungen für seismische Gefährdung

Karimi, Iman (Author)

2006

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Iman Karimi

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2006

UmfangXII, 150 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2006

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Meskouris, Konstantin (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2006-01-27

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-13798
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/60723/files/Karimi_Iman.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Bauingenieurwesen (300000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften (frei) ; Fuzzy-Wahrscheinlichkeit (frei) ; Risikoanalyse (frei) ; Risikomanagement (frei) ; Erdbebengefahr (frei) ; Gefährdung (frei) ; Möglichkeit-Wahrscheinlichkeit Verteilung (frei) ; PPD (frei) ; Possibility-Probability Distribution (frei) ; Risk Asssement (frei) ; Seismic Hazard (frei) ; Risk Management (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
ccs: I.2.3

Kurzfassung
Diese Arbeit stellt ein System zur Risikoeinschätzung von Naturkatastrophen und deren Management vor; insbesondere bei erhöhten unsicheren Randbedingungen, z.B. in den Situationen, in denen weder die statistischen Daten noch die physische Kenntnisse ausreichen sind, um eine reine wahrscheinlichkeitsbasierte Gefährdungsanalyse durchzuführen. Diese unzureichenden Informationen behaften die berechneten Risikowahrscheinlichkeiten mit Ungenauigkeiten, die falls sie ignorieren werden, zu einer Unterschätzung der Gefahr führen können. Diese Arbeit behandelt, die Erweiterung der Wahrscheinlichkeitstheorie um die zusätzliche Dimension der Unsicherheit. Damit erhält man die Möglichkeit das natürliche Gefährdungsrisiko durch Fuzzy-Wahrscheinlichkeiten zu charakterisieren. Die Fuzzy-Wahrscheinlichkeit wird durch Möglichkeit-Wahrscheinlichkeits Verteilungen (PPD) abgebildet, wofür eine neue Annäherung entwickelt worden ist. Es wird hier demonstriert, dass die entwickelte Modellierung die Mängel der herkömmlichen Wahrscheinlichkeitsannäherung beseitigen kann.Die neue Methodik wird anhand der Aufteilung des Risikobeurteilung-Verfahrens in seine Komponenten, nämlich Gefährdungseinschätzung und Vulnerabilitätsanalyse, beschrieben. Die wesentlichen Elemente jeder dieser Komponente werden für den seismischen Gefährdungsfall diskutiert. Die Anwendung des PPD Konzepts auf die seismische Gefährdungsanalyse, verallgemeinert die klassische „probabilistic seismic hazard analysis“ (PSHA) zur „fuzzy probabilistic seismic hazard analysis“ (FPSHA). Außerdem werden die Unsicherheiten zwischen den Parametern der Gefährdungsintensität und der Beschädigung (bzw. Verlustes), i.A. Vulnerabilitätsrelationen, mittels der Fuzzy-Relationen betrachtet. Es wird gezeigt, dass Fuzzy-Relationen die Unsicherheiten der Strukturvulnerabilität besser abbilden, insbesondere wenn Unsicherheiten in Materialeigenschaften betrachtet werden sollen. Zusätzlich, lässt die flexible Struktur des entwickelten Systems eine einfache Integration anderer alternativer Vulnerabilitäts-darstellungen zu. Die Anwendung der entwickelten Methodologie für die Risikobeurteilung erfordert es daher nicht unbedingt die Vulnerabilitätsanalyse der Strukturen komplett neu durchzuführen. Das Risiko der Beschädigung bzw. des Verlusts wird ausgewertet, indem man die Gefährdung PPD und die Fuzzy-Vulnerabilitätsrelation kombiniert. Das Ergebnis ist ein Fuzzy-Wahrscheinlichkeitsrisiko der Beschädigung bzw. des Verlustes.Diese Darstellung ist zuverlässiger, da die Unsicherheiten, welche in den herkömmlichen Annäherungen ignoriert werden, hier betrachtet werden. Außerdem, verhilft es den Entscheidungsträger zu einer besseren Veranschaulichung des Risikos. Um die Risikobeurteilung auf das Risikomanagement zu erweitern, ist ein entsprechendes Nutzen-Kosten Modell entwickelt worden.Die praktische Anwendbarkeit und die Durchführbarkeit der entwickelten Methodologie wird anhand von zwei „realistischen“ Fallstudien demonstriert. In der ersten Fallstudie wird gezeigt, dass der entwickelte Ansatz einige offensichtliche Defekte und Beeinträchtigungen der alternativen Methoden, welche zu implausiblen Ergebnissen führten, vermeidet. Es wird auch demonstriert, wie die Beschädigungs-PPD interpretiert werden kann, um eine realistischere und informativere Vorstellung der Gefahr zu gewinnen. Die zweite Fallstudie zeigt einen weiteren Vorteil dieses Systems auf, nämlich seine Flexibilität und Fähigkeit, andere Lösungsansätze zu integrieren.Die entwickelte Methodologie ist für die Implementierung in ein Web-basiertes Risikomanagementsystem besonders vorteilhaft, da die Hauptberechnungsaufgaben offline durchgeführt werden können und die Online-Berechnungen auf die Wahl und Kombination der passenden Fuzzy-Relationen beschränkt sind. Des Weiteren kann das System leicht aktualisiert und erweitert werden, sobald neue Informationen zur Verfügung stehen.

This study presents a system for assessing and managing the risk of natural disasters, particularly under highly uncertain conditions, i.e. where neither the statistical data nor the physical knowledge required for a purely probabilistic risk analysis are sufficient. This insufficient information will afflict the calculated risk probabilities with imprecision which ignoring it might lead to an underestimation of the risk. In this study is employed to complement the Probability Theory with an additional dimension of uncertainty. This would allow for expressing the likelihood of natural hazards by fuzzy probability. The fuzzy probability is characterized in terms of possibility-probability distributions (PPD), for which a new approach has been developed. It is demonstrated that the approach developed in this thesis can address the deficiencies in both conventional probabilistic approach and an alternative PPD method. The new methodology is described by breaking down the risk assessment procedure to its components, namely hazard assessment and vulnerability analysis. Essentials of each of these components are identified for the case of seismic hazard. Applying the concept of PPD to seismic hazard analysis generalizes the conventional probabilistic seismic hazard analysis (PSHA) to fuzzy-probabilistic seismic hazard analysis (FPSHA). It has been proven that whenever statistical data are adequate or the background knowledge is credible, the FPSHA results converge to those of PSHA.Furthermore, uncertainties about the correlation between the parameters of hazard intensity and damage (or loss), i.e. vulnerability relations, have been considered by means of fuzzy relations. It is shown that fuzzy relations are a more viable form of representing uncertainties of the structures, especially when material uncertainties are to be considered. It is also argued that at least in the context of vulnerability of structures, the Fuzzy Set Theory is a better means of representing uncertainty of seismic vulnerability from a subjective point of view. Besides, the flexible structure of the developed system allows for an easy incorporation of other alternative representations of vulnerability. Thus, applying the developed system for risk assessment does not require starting the vulnerability analysis of structures from scratch.The risk of damage and/or loss is then evaluated by combining the hazard PPD and the fuzzy vulnerability relation. The result is a fuzzy probabilistic risk (of damage or loss), which represented in a more realistic and comprehensive way by means of confidence levels and intervals. This representation is more reliable because of the consideration of uncertainties which are ignored in conventional approaches. Moreover, it provides the decision-maker with a better perception of risk. In order to extend the risk assessment to risk management, a corresponding benefit-cost model has been developed. In order to provide evidence for the applicability and practicability of the developed methodology, two “real-world” case studies have been analyzed and presented. In the first case study, it is shown that this approach avoids some obvious defects and drawbacks of alternative methods which led to implausible results, contrary to the results obtained from the proposed method. It is also demonstrated how the damage PPD can be interpreted in order to gain a more realistic and informative perception of risk. The second case study demonstrates the other advantage of this system, i.e. its flexibility and ability of incorporating other solutions. The developed methodology is particularly appropriate for implementation onto a web-based risk assessment/management system. The reason is that major computational tasks can be performed offline and online computations are restricted to selection and composition of appropriate fuzzy relations. Moreover, the system can be easily updated and expanded whenever new information is available.

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