probabilistic risk modelling: the case of bogota...

40
Probabilistic risk modelling: The case of Bogota District

Upload: others

Post on 15-Mar-2020

0 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Probabilistic risk modelling: The case of Bogota Districtsiteresources.worldbank.org/.../5848984-1237338325293/RiskModelingBogota_Francis.pdfBogota‘ s Model Hazard and risk visualization

Probabilistic risk modelling: The case of Bogota District

Page 2: Probabilistic risk modelling: The case of Bogota Districtsiteresources.worldbank.org/.../5848984-1237338325293/RiskModelingBogota_Francis.pdfBogota‘ s Model Hazard and risk visualization

Agenda 

§ Bogota District 

§ Probabilistic Risk Modeling 

§ Applications §  Visualization §  Infrastructure design §  Scenarios for emergency response §  Immediate damage estimation §  Indicators for risk management §  Land use planning §  Benefit‐cost ratios §  Financial exposure 

Luis E. Yamin Omar D. Cardona Mario G. Ordaz Francis Ghesquiere

Page 3: Probabilistic risk modelling: The case of Bogota Districtsiteresources.worldbank.org/.../5848984-1237338325293/RiskModelingBogota_Francis.pdfBogota‘ s Model Hazard and risk visualization

Bogotá District 

•  Colombia’s capital and main economic center 

•  750,000  residential buildings 

•  200 hospitals and health centers 

•  3,500 schools and Universities 

•  Population: Over 7,000,000  (High concentration of pop.) 

•  Exposed value US$40 Billion only building constructions + infrastructure

Page 4: Probabilistic risk modelling: The case of Bogota Districtsiteresources.worldbank.org/.../5848984-1237338325293/RiskModelingBogota_Francis.pdfBogota‘ s Model Hazard and risk visualization

Probabilistic Risk Modeling 

Hazard Module 

Exposure Module 

Vulnerability Module 

Risk module 

Hazard 

Risk 

Vulnerability 

=

Page 5: Probabilistic risk modelling: The case of Bogota Districtsiteresources.worldbank.org/.../5848984-1237338325293/RiskModelingBogota_Francis.pdfBogota‘ s Model Hazard and risk visualization

Natural Hazards 

EARTHQUAKE  HURRICANE  INTENSE RAINFALL  VOLCANIC ACTION 

TSUNAMI 

GROUND SHAKING  LANDSLIDES 

STRONG WINDS 

STORM SURGE 

HURRICANE RAINFALL 

FLOODS 

ASH FALLS 

BALLISTIC EJECTIONS 

PYROCLASTIC FLOWS 

LAVA FLOWS 

5

Page 6: Probabilistic risk modelling: The case of Bogota Districtsiteresources.worldbank.org/.../5848984-1237338325293/RiskModelingBogota_Francis.pdfBogota‘ s Model Hazard and risk visualization

0.1 

10 

100 

1000 

1  10  100  1000 

Aceleración [cm/s²] 

Per

iodo d

e Retorn

o [añ

os] 

0.001 

0.01 

0.1 

10 

Tas

a de ex

ceden

cia [1

/año] 

Hazard  Probabilities 

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 

120 

140 

160 

180 

200 

220 

240 

260 

280 

300 

320 

340 

360 

380 

400 

420 

440 

460 

480 

160 

200 

240 

280 

320 

360 

400 

440 

480 

520 

560 

600 

640 

T = 100 years 

T =500 years 

T = 1000 years 

p= 0.01 

p= 0.002 

p= 0.001 

Scenarios For each location

Page 7: Probabilistic risk modelling: The case of Bogota Districtsiteresources.worldbank.org/.../5848984-1237338325293/RiskModelingBogota_Francis.pdfBogota‘ s Model Hazard and risk visualization

Socio-economic strata Number of floors Cadastral value 

Exposure Characterization 

7

Page 8: Probabilistic risk modelling: The case of Bogota Districtsiteresources.worldbank.org/.../5848984-1237338325293/RiskModelingBogota_Francis.pdfBogota‘ s Model Hazard and risk visualization

0.2 

0.4 

0.6 

0.8 

0.0%  0.5%  1.0%  1.5%  2.0%  2.5%  3.0%  3.5%  4.0%  4.5%  5.0% DISTORSIÓN DE ENTREPISO ( γ i ) 

DAÑO ( β |

γ i)  Muros de carga de mampostería 

Marco de concreto Marcos y muros de concreto Marco de concreto contraventeado Columnas y losas planas de concreto Columnas y losas planas de concreto con muros Columnas y losas planas de concreto con contraventeo Muros y losas planas de concreto Marcos de acero Marcos de acero contraventeado Marcos de acero con muros de concreto Estructura prefabricada de concreto Muros de carga de mampostería simple INDUSTRIALES 

0.2 

0.4 

0.6 

0.8 

0.0%  0.5%  1.0%  1.5%  2.0%  2.5%  3.0%  3.5%  4.0%  4.5%  5.0% DISTORSIÓN DE ENTREPISO ( γ i ) 

DAÑO ( β |

γ i)  Muros de carga de mampostería 

Marco de concreto Marcos y muros de concreto Marco de concreto contraventeado Columnas y losas planas de concreto Columnas y losas planas de concreto con muros Columnas y losas planas de concreto con contraventeo Muros y losas planas de concreto Marcos de acero Marcos de acero contraventeado Marcos de acero con muros de concreto Estructura prefabricada de concreto Muros de carga de mampostería simple INDUSTRIALES 

Vulnerability Functions 

8

Page 9: Probabilistic risk modelling: The case of Bogota Districtsiteresources.worldbank.org/.../5848984-1237338325293/RiskModelingBogota_Francis.pdfBogota‘ s Model Hazard and risk visualization

Vulnerability Vulnerability 

PROBABILISTIC RISK MODELING 

Hazard Hazard  Exposure Exposure 

Disaster impact Analsyis ­ Scenario or Stochastic ­ 

Physical Damage 

INFRAESTRUCTURE  ECONOMIC  SOCIAL  ENVIRONMENTAL

Page 10: Probabilistic risk modelling: The case of Bogota Districtsiteresources.worldbank.org/.../5848984-1237338325293/RiskModelingBogota_Francis.pdfBogota‘ s Model Hazard and risk visualization

Applications  Derived From Bogota‘s Model 

Hazard and risk visualization 

Land use planning and zoning 

Hazard assessment for infrastructure 

design 

Benefit­Cost analysis for retrofitting 

Indicators for risk management 

Damage scenarios for emergency response 

Immediate damage estimation 

Analysis of financial exposure

Page 11: Probabilistic risk modelling: The case of Bogota Districtsiteresources.worldbank.org/.../5848984-1237338325293/RiskModelingBogota_Francis.pdfBogota‘ s Model Hazard and risk visualization

Applications  Derived From Bogota‘s Model 

Hazard and risk visualization 

Land use planning and zoning 

Hazard assessment for infrastructure 

design 

Benefit­Cost analysis for retrofitting 

Indicators for risk management 

Damage scenarios for emergency response 

Immediate damage estimation 

Analysis of financial exposure

Page 12: Probabilistic risk modelling: The case of Bogota Districtsiteresources.worldbank.org/.../5848984-1237338325293/RiskModelingBogota_Francis.pdfBogota‘ s Model Hazard and risk visualization

Hazard and  Risk Visualization System

Page 13: Probabilistic risk modelling: The case of Bogota Districtsiteresources.worldbank.org/.../5848984-1237338325293/RiskModelingBogota_Francis.pdfBogota‘ s Model Hazard and risk visualization

­74.2  ­74.15  ­74.1  ­74.05  ­74 

4.5 

4.55 

4.6 

4.65 

4.7 

4.75 

4.8 

0 cm/s² 20 cm/s² 40 cm/s² 60 cm/s² 80 cm/s² 100 cm/s² 120 cm/s² 140 cm/s² 160 cm/s² 180 cm/s² 200 cm/s² 220 cm/s² 240 cm/s² 260 cm/s² 280 cm/s² 300 cm/s² 320 cm/s² 340 cm/s² 360 cm/s² 380 cm/s² 400 cm/s² 

­74.2  ­74.15  ­74.1  ­74.05  ­74 

4.5 

4.55 

4.6 

4.65 

4.7 

4.75 

4.8 

0 cm/s 2 cm/s 4 cm/s 6 cm/s 8 cm/s 10 cm/s 12 cm/s 14 cm/s 16 cm/s 18 cm/s 20 cm/s 22 cm/s 24 cm/s 26 cm/s 28 cm/s 30 cm/s 32 cm/s 34 cm/s 36 cm/s 38 cm/s 40 cm/s 42 cm/s 44 cm/s 46 cm/s 48 cm/s 50 cm/s 

ACELERACIÓN [cm/s²] 

­74.2  ­74.15  ­74.1  ­74.05  ­74 

4.5 

4.55 

4.6 

4.65 

4.7 

4.75 

4.8 

0.0 cm 1.5 cm 3.0 cm 4.5 cm 6.0 cm 7.5 cm 9.0 cm 10.5 cm 12.0 cm 13.5 cm 15.0 cm 16.5 cm 18.0 cm 19.5 cm 21.0 cm 22.5 cm 24.0 cm 25.5 cm 27.0 cm 28.5 cm 30.0 cm 

DESPLAZAMIENTO [cm] VELOCIDAD [cm/s] 

Frontal Fault – Ms = 7.4 ­ Tr = 500 years 

Hazard Visualization – SCENARIO 1

Page 14: Probabilistic risk modelling: The case of Bogota Districtsiteresources.worldbank.org/.../5848984-1237338325293/RiskModelingBogota_Francis.pdfBogota‘ s Model Hazard and risk visualization

Flood Probabilities – Scenario 1 to 8

Page 15: Probabilistic risk modelling: The case of Bogota Districtsiteresources.worldbank.org/.../5848984-1237338325293/RiskModelingBogota_Francis.pdfBogota‘ s Model Hazard and risk visualization

Hazard Visualization – SCENARIOS

Page 16: Probabilistic risk modelling: The case of Bogota Districtsiteresources.worldbank.org/.../5848984-1237338325293/RiskModelingBogota_Francis.pdfBogota‘ s Model Hazard and risk visualization

Applications  Derived From Bogota‘s Model 

Hazard and risk visualization 

Land use planning and zoning 

Hazard assessment for infrastructure 

design 

Benefit­Cost analysis for retrofitting 

Indicators for risk management 

Damage scenarios for emergency response 

Immediate damage estimation 

Analysis of financial exposure

Page 17: Probabilistic risk modelling: The case of Bogota Districtsiteresources.worldbank.org/.../5848984-1237338325293/RiskModelingBogota_Francis.pdfBogota‘ s Model Hazard and risk visualization

Ind  Descripción  w F RF1  Área destruida  31 

F RF2  Muertos  10 

F RF3  Heridos  10 

F RF4  Roturas red de acueducto  19 

F RF5  Roturas red de gas  11  >>  R F  Riesgo Físico 

F RF6  Longitud de redes eléctricas caídas  11 

F RF7  Vulnerabilidad de centrales telefónicas  4 

F RF8  Vulnerabilidad subestaciones eléctricas  4 

Ind  Descripción  w  >>  R T = R F (1 + F) F FS1  Área de barrios marginales  18 

F FS2  Tasa de mortalidad  4 

F FS3  Tasa de delincuencia  4 

F FS4  Índice de disparidad social  18 

F FS5  Densidad de población  18 

F FR1  Camas hospitalarias  6  >>  F  Factor de Impacto 

F FR2  Recurso humano en salud  6 

F FR3  Espacio público  4 

F FR4  Personal de socorro  3 

F FR5  Nivel de desarrollo de la localidad  9 

F FR6  Operatividad en emergencias  9 

Total risk Indicator at urban level

Page 18: Probabilistic risk modelling: The case of Bogota Districtsiteresources.worldbank.org/.../5848984-1237338325293/RiskModelingBogota_Francis.pdfBogota‘ s Model Hazard and risk visualization

Indicators for Risk Management

Page 19: Probabilistic risk modelling: The case of Bogota Districtsiteresources.worldbank.org/.../5848984-1237338325293/RiskModelingBogota_Francis.pdfBogota‘ s Model Hazard and risk visualization

Applications  Derived From Bogota‘s Model 

Hazard and risk visualization 

Land use planning and zoning 

Hazard assessment for infrastructure 

design 

Benefit­Cost analysis for retrofitting 

Indicators for risk management 

Damage scenarios for emergency response 

Immediate damage estimation 

Analysis of financial exposure

Page 20: Probabilistic risk modelling: The case of Bogota Districtsiteresources.worldbank.org/.../5848984-1237338325293/RiskModelingBogota_Francis.pdfBogota‘ s Model Hazard and risk visualization

Design Specifications For Infrastructure Design

Page 21: Probabilistic risk modelling: The case of Bogota Districtsiteresources.worldbank.org/.../5848984-1237338325293/RiskModelingBogota_Francis.pdfBogota‘ s Model Hazard and risk visualization

Applications  Derived From Bogota‘s Model 

Hazard and risk visualization 

Land use planning and zoning 

Hazard assessment for infrastructure 

design 

Benefit­Cost analysis for retrofitting 

Indicators for risk management 

Damage scenarios for emergency response 

Immediate damage estimation 

Analysis of financial exposure

Page 22: Probabilistic risk modelling: The case of Bogota Districtsiteresources.worldbank.org/.../5848984-1237338325293/RiskModelingBogota_Francis.pdfBogota‘ s Model Hazard and risk visualization

DAY 

INJURED ­ SCENARIO 1 

NIGHT

Page 23: Probabilistic risk modelling: The case of Bogota Districtsiteresources.worldbank.org/.../5848984-1237338325293/RiskModelingBogota_Francis.pdfBogota‘ s Model Hazard and risk visualization

0% 

5% 

10% 

15% 

20% 

25% 

30% 

A fectado s  7.97%  5.44%  22.55%  19.84%  27.67%  24.97%  11.01%  7.07%  13.31%  19.96% 

P erso nas s in Trabajo  1.19%  11.49%  14.34%  3.86%  2.23% 

P erso nas s in Viv ienda  0.22%  3.70%  8.74%  0.22%  9.14% 

Herido s  0.30%  0.20%  1.13%  0.82%  1.49%  1.10%  0.45%  0.29%  0.44%  0.67% 

Vict im as  0.17%  0.11%  0.67%  0.36%  0.91%  0.48%  0.26%  0.16%  0.17%  0.15% 

Día  No che  Día  No che  D ía  Noche  Día  No che  Día  No che 

T = 250  T = 500  T  = 1000  T  = 500  T  = 500 

F ro ntal Co o rdillera Ocidental  B enio ff  Intermedia  Cajita 

Persons afected

Impact Analysis

Page 24: Probabilistic risk modelling: The case of Bogota Districtsiteresources.worldbank.org/.../5848984-1237338325293/RiskModelingBogota_Francis.pdfBogota‘ s Model Hazard and risk visualization

Use of Impact Scenario Analysis 

Contingency and Emergency plan •  Health services requirements •  Location of emergency units •  Security information •  Debris and construction materials •  Housing requirements •  Food requirements •  Services requirements (water, energy,etc) •  Functional vulnerability (roads, emergency routes,)

Page 25: Probabilistic risk modelling: The case of Bogota Districtsiteresources.worldbank.org/.../5848984-1237338325293/RiskModelingBogota_Francis.pdfBogota‘ s Model Hazard and risk visualization

Applications  Derived From Bogota‘s Model 

Hazard and risk visualization 

Land use planning and zoning 

Hazard assessment for infrastructure 

design 

Benefit­Cost analysis for retrofitting 

Indicators for risk management 

Damage scenarios for emergency response 

Immediate damage estimation 

Analysis of financial exposure

Page 26: Probabilistic risk modelling: The case of Bogota Districtsiteresources.worldbank.org/.../5848984-1237338325293/RiskModelingBogota_Francis.pdfBogota‘ s Model Hazard and risk visualization

Bogotá Accelerograph Network (RAB) Equipment and Net Coverage 

ETNA 

K2

Page 27: Probabilistic risk modelling: The case of Bogota Districtsiteresources.worldbank.org/.../5848984-1237338325293/RiskModelingBogota_Francis.pdfBogota‘ s Model Hazard and risk visualization

Immediate damage estimation 

Damage Distribution Calculation 

Surface Response Spatial Distribution 

Physical damage 

Human losses

Page 28: Probabilistic risk modelling: The case of Bogota Districtsiteresources.worldbank.org/.../5848984-1237338325293/RiskModelingBogota_Francis.pdfBogota‘ s Model Hazard and risk visualization

Applications  Derived From Bogota‘s Model 

Hazard and risk visualization 

Land use planning and zoning 

Hazard assessment for infrastructure 

design 

Benefit­Cost analysis for retrofitting 

Indicators for risk management 

Damage scenarios for emergency response 

Immediate damage estimation 

Analysis of financial exposure

Page 29: Probabilistic risk modelling: The case of Bogota Districtsiteresources.worldbank.org/.../5848984-1237338325293/RiskModelingBogota_Francis.pdfBogota‘ s Model Hazard and risk visualization

LAND USE PLANNING AND ZONING 

Seismic hazard map  Landslides hazard map  Flood hazard map 

Amax Identification of main hazards

Page 30: Probabilistic risk modelling: The case of Bogota Districtsiteresources.worldbank.org/.../5848984-1237338325293/RiskModelingBogota_Francis.pdfBogota‘ s Model Hazard and risk visualization

Applications  Derived From Bogota‘s Model 

Hazard and risk visualization 

Land use planning and zoning 

Hazard assessment for infrastructure 

design 

Benefit­Cost analysis for retrofitting 

Indicators for risk management 

Damage scenarios for emergency response 

Immediate damage estimation 

Analysis of financial exposure

Page 31: Probabilistic risk modelling: The case of Bogota Districtsiteresources.worldbank.org/.../5848984-1237338325293/RiskModelingBogota_Francis.pdfBogota‘ s Model Hazard and risk visualization

RETROFFITING EXAMPLES

Page 32: Probabilistic risk modelling: The case of Bogota Districtsiteresources.worldbank.org/.../5848984-1237338325293/RiskModelingBogota_Francis.pdfBogota‘ s Model Hazard and risk visualization

­50 

50 

100 

150 

200 

250 

Unretrofitted Retrofitted 

BENEFIT‐COST RELATION, Q 

R L L Q  R U −

= ∑ ∞

=

− = 1 i 

t i 

i e L γ β 

L U 

L R  β iR 

β iU 

t i R

Page 33: Probabilistic risk modelling: The case of Bogota Districtsiteresources.worldbank.org/.../5848984-1237338325293/RiskModelingBogota_Francis.pdfBogota‘ s Model Hazard and risk visualization

Pr(Q>1)=0.73 

0.000 

0.100 

0.200 

0.300 

0.400 

0.500 

0.600 

0.700 

0.800 

0.900 

1.000 

0.0  0.5  1.0  1.5  2.0 

Q=(L U ­L R )/R 

Pr(LU­L

R>R

Building+Contents+BI  Building+Contents  Building 

Benefit/Cost Analaysis Health Sector Infrastructure

Page 34: Probabilistic risk modelling: The case of Bogota Districtsiteresources.worldbank.org/.../5848984-1237338325293/RiskModelingBogota_Francis.pdfBogota‘ s Model Hazard and risk visualization

Salud 

10 

12 

14 

16 

18 

76.2 

76.3 

88.1 

80.4 

96.1 

80.1 

80.1 

80.3 

80.1 

80.9 

80.2 

100 

102 

80.1 

80.7 

80.1 

99.1 

199 

94.1 

80.6 

80.5 

80.8 

85.1 

76.1 

83.1 

87.1 

88.2 

78.1 

95.1 

84.2 

84.1 

104 

82.1 

77.1 

77.2 

77.3 

77.4 

79.1 

110 

90.2 

109 

100 

98.1 

90.1 

89.1 

108 

81.1 

75.1 

91.4 

101 

102 

79.2 

93.1 

97.1 

103 

107 

86.1 

92.1 

Administración 

10 

12 

14 

16 

18 

223.1 

200.1 

206.3 

217.1 

216.1 

193.1 

221.1 

198.2 

230.1 

211.1 

194.1 

235.3 

229.1 

214.1 

235.1 

229.2 

197.1 

212.2 

235.2 

196.2 

219.1 

206.1 

206.2 

205.1 

213.1 

212.1 

220.1 

218.1 

196.1 

215.1 

234.1 

198.1 

226.1 

189.1 

233.1 

222.1 

Health sector  buildings 

Administrative buildings

Page 35: Probabilistic risk modelling: The case of Bogota Districtsiteresources.worldbank.org/.../5848984-1237338325293/RiskModelingBogota_Francis.pdfBogota‘ s Model Hazard and risk visualization

Bogota DVRP – APL2 SchoolRetrofitting Program 

Schools Retrofitted 2004­2008 :   201 Total Budget: $200 Million 

BEFORE  AFTER

Page 36: Probabilistic risk modelling: The case of Bogota Districtsiteresources.worldbank.org/.../5848984-1237338325293/RiskModelingBogota_Francis.pdfBogota‘ s Model Hazard and risk visualization

Applications  Derived From Bogota‘s Model 

Hazard and risk visualization 

Land use planning and zoning 

Hazard assessment for infrastructure 

design 

Benefit­Cost analysis for retrofitting 

Indicators for risk management 

Damage scenarios for emergency response 

Immediate damage estimation 

Analysis of financial exposure

Page 37: Probabilistic risk modelling: The case of Bogota Districtsiteresources.worldbank.org/.../5848984-1237338325293/RiskModelingBogota_Francis.pdfBogota‘ s Model Hazard and risk visualization

∫ ∞

− = 0 

) / ( ) (  da a E da a d β ν β 

Technical premium 

(annual expected loss) 

Technical  Premium Technical  Premium 

$ 0 

$ 1,000 

$ 2,000 

$ 3,000 

$ 4,000 

$ 5,000 

$ 6,000 

$ 7,000 

$ 8,000 

$ 9,000 

Escala de Tiempo 

Valor d

e Pérdida

 [MDP]

Page 38: Probabilistic risk modelling: The case of Bogota Districtsiteresources.worldbank.org/.../5848984-1237338325293/RiskModelingBogota_Francis.pdfBogota‘ s Model Hazard and risk visualization

5% 

7% 

9% 

11% 

13% 

15% 

17% 

0  250  500  750  1000  1250  1500 

Periodo de Retorno [años] 

PML[%] 

Deducible 0% Deducible 3% Deducible 5% 

PROBABLE MAXIMUM  LOSS ­ PML PROBABLE MAXIMUM  LOSS ­ PML

Page 39: Probabilistic risk modelling: The case of Bogota Districtsiteresources.worldbank.org/.../5848984-1237338325293/RiskModelingBogota_Francis.pdfBogota‘ s Model Hazard and risk visualization

Other Possible Aplications 

‐ Risk feasibility of infrastructure projects ‐ Risk based design ‐ WEB applications ‐ Environmental risk analysis ‐ Climate change risk scenarios ‐ ….....

Page 40: Probabilistic risk modelling: The case of Bogota Districtsiteresources.worldbank.org/.../5848984-1237338325293/RiskModelingBogota_Francis.pdfBogota‘ s Model Hazard and risk visualization