Assessment of typhoon induced wind risk under - ETH E

DISS. ETH NO. 21451
Assessment of typhoon induced wind risk under climate change in
Japan
A dissertation submitted to
ETH ZURICH
for the degree of
Doctor of Sciences
presented by
Shuoyun Zhang
Master in Control Science and Engineering
National University of Defense Technology
born on 31.12.1983
citizen of
China
Accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Eleni Chatzi, examiner
Prof. Dr. Michael Havbro Faber, co-examiner
2013
Abstract
Continuous monitoring of the characteristics of global climate indicates that the global
climate has experienced significant change over the past decades. A large amount of
scientific work suggests that an irreversible change of climate may occur in the future.
In order to ease the pace of climate change, great efforts from various society levels
have been devoted in establishing political as well as non-political protocols on the
action plans necessary for mitigating the effects of climate change. However, it has
been concluded that a promising result is hard to achieve. In order to reduce the impact
of climate change, it seems that society has to take adaptation into consideration.
The adaptation under climate change can be regarded as a decision problem under a
large amount of uncertainties. The prerequisite for this decision problem is to
quantitatively assess the impact of climate change. Presently, this becomes possible for
various natural hazards affected by this phenomenon due to the large amount of efforts
that have been devoted worldwide to develop credible models for the projection of the
future climate. These models often indicate changes in the statistics of climate
characteristics which may have a significant influence on various risks associated with
natural hazards that are affected by climate change. Among others, the typhoon
induced wind risk is of major concern, since significant losses are caused by
typhoon/hurricane events worldwide.
Several research works reveal that climate change is likely to affect the transition of
typhoon events including their track, intensity and frequency. The frequency of
typhoon events is expected to decrease in the future, while the frequency of intense
typhoon events is estimated to increase. This statistical change increases the challenge
of a reliable estimation of future wind hazards from the probabilistic perspective. In
turn it plays a role on the credible estimation of typhoon induced wind risk.
Japan is a region frequently suffering from typhoon events causing among others
significant damages to buildings as a result of strong wind. One of the efforts in
reducing damage due to a typhoon event concentrates on appropriately upgrading the
design code, which may also be the adaptation option in the face of a changing future
climate. The building design code in Japan has been upgraded several times
historically. Presently it includes a number of requirements on the safety of relevant
non-structural elements as well as structural elements. Statistics from over the last halfcentury indicate a clear decrease in the number of damages inflected to buildings.
However, it is observed that a substantial number of buildings still suffer from minor
damages mostly pertaining to non-structural element failures.
Losses due to those non-structural element failures in a typhoon event are often
estimated by an empirical vulnerability model developed on the basis of statistical
analysis of data from post-disaster investigations. These models generally suffer from
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large scatter of data points implying large modeling uncertainty. A fundamental
drawback of this approach lies in the inability to assess the efficiency of a potential
adaptation of buildings to the climate change. A model with this capability is currently
not available for residential buildings in Japan.
Motivated by the above, this dissertation is directed towards developing a methodology
to quantitatively assess the impact of climate change and a tool for examining the
effectiveness of adaptation of civil infrastructure within the context of typhoon induced
wind risk. The purpose for developing such a methodology is to facilitate the selection
of adaptive actions for civil infrastructure. The aim is to demonstrate the availability
and effectiveness of a general methodology for carrying out such an impact
assessment. It also aims at clarifying missing information required for a more precise
and reliable impact assessment. The focus is directed towards typical residential
buildings in Japan.
More specifically two challenges of the impact assessment are being addressed, i.e. the
probabilistic modeling of typhoon transition in the future climate and the development
of reliability-based vulnerability modeling. Appropriate treatment of the former
challenge can result in a more credible estimation of future wind hazards facilitating at
the same time the credible estimation of typhoon induced wind risk. The latter
challenge concerns the development of a vulnerability model capable of examining the
efficiency of adaptive actions.
The present dissertation consists of six chapters. Chapter 1 introduces the background,
motivation, scope, hypothesis and overview of the dissertation. The core consists of
four chapters (chapter 2 to 5).
Chapter 2 describes the methodology including the modeling components employed in
this dissertation. It follows from (1) the output from a climate model for an assumed
climate scenario, (2) a probabilistic typhoon hazard model and (3) a reliability-based
vulnerability model. This is built upon the comprehensive review of the state of the art
of the current treatment of typhoon induced wind risk.
Chapter 3 describes the probabilistic modeling of typhoon transition in the future
climate. It consists of two parts. The first part considers the bias correction of the
projected future typhoon events. The second part explores the statistics-based
modeling of typhoon transition. The original contribution of the second part is that
extensive statistical analysis is employed in order to investigate the plausible modeling
of typhoon transition. Specifically, correlation structures of the typhoon transition are
estimated in terms of autocorrelation functions (ACF) and partial autocorrelation
functions (PACF). This facilitates the specification of a set of plausible models on the
basis of autoregressive (AR) models for further investigation. Based on the
investigation, it is found that (1) the choice of the functions is generally not sensitive in
the transition modeling, (2) the residual terms in the AR model do not follow the
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normal distribution and the modeling of the residual terms has significant impact on
the fluctuation of the simulated typhoon tracks, (3) the consideration of the spatial
inhomogeneity is in general important and (4) the consideration of the seasonality is
also important in case the typhoon transition in a specific season is of interest.
Chapter 4 presents an approach for developing a reliability-based vulnerability model
for the assessment of typhoon induced wind risk. Following the approach, a
provisional version of vulnerability models for typical residential buildings in Japan is
developed with available information. The model focuses on three non-structural
failures, which account for a large fraction of loss in the historical typhoon events.
Based on the developed model, the roof tile resistance and the correlation of
trajectories of flying debris seem to play a significant role on the vulnerability. The
original contribution of this chapter is: (1) presentation of a reliability-based
vulnerability modeling approach for residential buildings in Japan; (2) detailed
examinations of the performances of the individual models as well as the vulnerability
model, which facilitates to further elaborate the vulnerability model for the considered
type of buildings but also provides insights on vulnerability modeling for the other
types of structures.
Chapter 5 presents the results of the hazard and risk assessment conducted for 15
locations over the islands of Japan. The typhoon induced wind hazard is assessed based
on the probabilistic typhoon hazard model. By using the assessed hazards together with
the established vulnerability model, the typhoon induced wind risks under the current
and the future climate are calculated for individual locations. It is found that the
typhoon induced wind risks for residential buildings in Japan are unlikely to change
significantly in the future.
Chapter 6 concludes the work.
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Zusammenfassung
Beobachtungen des globalen Klimas über die letzten Jahrzehnen deuten auf eine
signifikante Veränderung hin. Eine grosses Volumen an wissenschaftlichen Arbeiten
zum Thema geht davon aus, dass es in Zukunft zu weitern irreversiblen
Veränderungen des globalen Klimas kommen wird. Um die Schnelligkeit der
Klimaveränderung zu reduzieren werden auf verschiedenen gesellschaftlichen Stufen
sowohl politische wie auch nicht-politische Protokolle und Aktionspläne erdacht um
der Klimawandel zu verlangsamen, bis heute aber mit geringem Erfolg. Deshalb ist es
von Vorteilen Adaptionsstrategien zu entwickeln, die helfen die Konsequenzen des
Klimawandels zu reduzieren.
Eine Strategie zur Klimawandelanpassung kann mit Hilfe Entscheidungsmodellen
entwickelt werde. Dabei handelt es sich um ein Entscheidungsproblem mit grossen
Unsicherheiten. Grundlage, um das Entscheidungsproblem anzugehen, ist eine
quantitative Ermittlung der Folgen der Klimaveränderung under anderem für die
Naturgefahren, die von der Klimaveränderung beeinflusst werden. Die Quantifizierung
der Folgen der Klimaveränderung wird durch die glaubwürdigen Klimamodellen
möglich, die weltweit entwickelt wurden. Diese erlauben es, eine Projektion des
zuckünftigen Klimas zu erstellen, das dann mit dem heutigen Klima verglichen werden
kann. Beim Vergleich wird offensichtlich, dass zwischen den statistischen Werten des
heutigen Klimas und des projizierten, zukünftigen Klimas unterschiede auftreten, die
auf den Klimawandel zurückzuführen sind. Diese Veränderung des Klimas könnte
einen grossen Einfluss auf das Auftreten von Naturgefahren haben, die mit dem
Klimawandel im Zusammenhang stehen. Darunter ist die von Taifuns ausgehende
Windgefährdung herauszustreichen, da Taifuns, und allgemeiner tropische
Wirbelstürme, weltweit grosse Schäden an Leib und Gut verursachen.
Mehrere Forschungsarbeiten deuten darauf hin, dass die Klimaveränderung einen
Einfluss auf Häufigkeit, Intensität und Entwicklung von Taifuns hat. Es wird erwartet
dass die Häufigkeit abnehmen wird, aber dass die Anzahl Taifuns mit hoher Intensität
zunehmen wird. Diese Verschiebung in der Verteilung der Taifun Intensitäten
erschwert die probabilistische Modellierung der Windstärken in der Zukunft
erheblich.
Japan ist ein Land das sehr oft von Taifuns heimgesucht wird, mit erheblichen Schaden
an Gebäude und Infrastruktur als Folgen. Eine Initiative, die in der Vergangenheit
immer wieder verwendet wurde, um die Schäden zu reduzieren ist die Anpassung von
Baunormen; diese Option könnte auch in Zukunft zur Klimaanpassung verwendet
werden. Zurzeit werden in den japanischen Baunormen Sicherheitsbestimmungen
sowohl für strukturelle wie auch nicht-strukturelle Bauteile angegeben. Statistiken über
die letzten 50 Jahren zeigen, dass die Anzahl Schäden an Gebäuden klar abgenommen
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haben. Es wird aber auch beobachtet, dass trotzdem eine grosse Anzahl Gebäude kleine
Schäden an nicht-strukturellen Bauteilen erfährt.
Schäden an nicht-strukturellen Bauteilen, werden oft mit empirischen
Verletzbarkeitskurven ermittelt, die anhand statistischer Beobachtungen von
Gebäudeschäden von vergangenen Taifuns erstellt wurden. Ein grosser Nachteil von
diesen Modellen ist, dass die Effizienz von Anpassungen an Gebäuden zur
Risikoreduzierung nicht beurteilt werden kann. Ein Model, mit dem man eine solche
Untersuchung machen könnte, steht für Japan zurzeit nicht zur Verfügung.
Aus diesem Grund, wird in dieser Dissertation ein Modell entwickelt, dass es erlaubt
die Folgen vom Klimawandel quantitativ abzuschätzen sowie die Effektivität von
Gebäude- und Infrastrukturanpassungen zur Risikoreduktion im Bezug auf das von
Taifun ausgehenden Windrisiko zu evaluieren. Ein solches Model erlaubt es,
Anpassungen zur Risikoreduktion zu vergleichen um somit die effektivste Strategie zur
Risikoreduktion zu identifizieren. Diese Dissertation setzt sich zum Ziel, die
Machbarkeit und die Effizienz einer allgemeinen Vorgehensweise für ein solches
Model zu zeigen. Dabei werden typische japanische Wohnhäuser als Beispiel
genommen.
Es werde zwei Aspekte der Risikoabschätzung weiterentwickelt: die probabilistische
Modellierung der Taifunentwickelung in der Zukunft und die Erstellung eines
Verletzbarkeitsmodelles das auf der Zuverlässlichkeitstheorie aufbaut. Ersteres
erlaubt eine glaubwürdige Abschätzung von Windgefährdung durch Taifuns in der
Zukunft, und zweiteres erlaubt Schadenmodellierung und die Ermittlung und der
Vergleich der Effizienz von Massnahmen zur Risikoreduktion.
Die Dissertation besteht aus sechs Kapiteln. Das erste Kapitel ist eine Einführung.
Darin werden die Übersicht, Motivation, Abgrenzungen und Hypothesen der
Dissertation beschrieben.
Das zweite Kapitel beschreibt die Modelle die im Rahmen des Doktorates entwickelt
wurden. Auf einer umfassenden Untersuchung der Literatur zur Behandlung von
Taifunrisiko aufbauend, wird die ganze Modellirungskette beschrieben. Diese umfasst
ein Klimamodell und Klimascenario als Input, ein probabilistisches Taifun
Gefährdungsmodell und das Zuverlässlichkeitstheorie basierte Verletzbarkeitsmodell.
Im dritten Kapitel wird das probabilistische Taifunmodell in zukünftigen Klima
beschrieben. Es besteht aus zwei Teilen. Im ersten Teil wird die systematische
Abweichung der zukünftigen Taifunereignisse korrigiert; im zweiten Teil werden die
Statistik basierten Modellierung der Taifunentwickelung beschrieben. Der
wissenschaftliche Beitrag des zweiten Teils liegt in der ausführlichen statistischen
Analyse die verwendet wurde um eine plausible Modellierung der Taifunentwickelung
zu erreichen. Insbesondere werden Korrelationstrukturen in der Taifunentwickelung
mit Autokorrelationsfunktionen und partiellen Autokorrelationsfunktion modelliert.
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Dies erlaubt die Ermittlung eines Satzes an plausiblen Modellen durch autoregressive
Modelle (AR). Diese Analysen haben unter anderem gezeigt, dass die Wahl der
funktionalen Form allgemein keinen Einfluss auf die Taifunentwickelung hat. Weiter
wurde festgestellt, dass der residual Term in den AR-Modellen nicht einer
Normalverteilung folgt und, dass der residual Term einen signifikanten Einfluss auf die
Fluktuationen in den simulierten Taifunzugbahnen hat. Räumliche Inhomogenität und
Saisonalität sind allgemein auch zu berücksichtigen.
In Kapitel 4 wird zuerst der Ansatz, der dem Verletzbarkeitsmodell zu Grunde liegt,
beschrieben. Danach wird mit dem Ansatz ein Verletzbarkeitsmodell für typische
japanische Wohnhäuser entwickelt. Das Verletzbarkeitsmodell berücksichtigt drei
nicht-strukturelle Schadentype, auf die einen grossen Teil der Schäden von
vergangenen Taifuns zurückzuführen sind. Der wissenschaftliche Inhalt dieses
Kapitel ist (1) das Verletzbarkeitsmodell für Wohngebäude in Japan, das auf der
Zuverlässlichkeitstheorie aufbaut; (2) eine Detaillierte Untersuchung der Leistung von
einzelnen Verletzbarkeitsmodellen und dem hier entwickelten Verletzbarkeitsmodell
das eine Weiterentwicklung des Verletzbarkeitsmodelles für japanische Wohnhäuser
und für andere Gebäude Typen erlaubt.
In Kapitel 5 werden Resultate präsentiert, die mit den entwickelten Modellen berechnet
wurden. Gefährdung- und Risikoabschätzungen für 15 Lokalitäten in Japan werden
vorgestellt. An jeder Lokalität werden die heutige und zukünftige Gefährdung und
Risiko bestimmt und verglichen. Dabei wird festgestellt, dass sich das von Taifuns
ausgehende Windrisiko für Wohngebäude in Japan nicht wesentlich verändert.
Kapitel 6 schliesst die arbeit ab.
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