GEM risk global datasets and OpenQuake risk modeling, GEM Reveal 2013, Helen Crowley

GEM risk global datasets and OpenQuake risk modelingthe GEM Risk team, the GEM IT Team and the community of scientists and engineers..

An international scientific community is developing risk datasets and tools:

USGSStanford Uni. ImageCat

ERN‐AL

CIESIN

BGSBCIT

Kyoto Uni. 

Geoscience Australia

GNS

UN‐HABITAT

UCL

NTUAKOERI

GFZ

SPA Risk

PUC

WAPMERRJRC

Uni. Pavia

CREDUni. CambridgeCAR

Uni. Colorado

EERI/WHE

Uni. Nottingham

Buildings vary around the world, but they have a common set of characteristics: taxonomy

TaxT v3.1,  by Vitor Silva

TaxT v3.1,  by Vitor Silva

TaxT v3.1,  by Vitor Silva

TaxT v3.1,  by Vitor Silva

TaxT v3.1,  by Vitor Silva

TaxT v3.1,  by Vitor Silva

TaxT v3.1,  by Vitor Silva

TaxT v3.1,  by Vitor Silva

TaxT v3.1,  by Vitor Silva

TaxT v3.1,  by Vitor Silva

TaxT v3.1,  by Vitor Silva

TaxT v3.1,  by Vitor Silva

A comprehensive online glossary helps users understand the meaning of each building taxonomy term

GEM Building Taxonomy Reports

217 reports from 49 countries..

Building taxonomy reports received through World HousingEncyclopedia / EERI outreach effort

GEM building taxonomy used to develop exposure models through paper forms and mobile/desktop “apps”

Android tool

Map interface

Android tool

Use integrated camera to take a picture of the building

Android tool

Building photograph

Android tool

Data collection form

Android tool

Standardised GEM data model format

Windows tool

Windows tool

Working with satellite data – footprint extraction tools

Thailand (Com/Ind)

Thailand (Res) Pakistan (Mixed)

Chile (Mixed)

Remote Sensing Tools

Sampling & FieldTools

Global Exposure Database 

Building‐by‐Building(Level 3)

Putting it all together to develop exposure data and models

Mapping SchemesTool

Remote Sensing Tools

Sampling & FieldTools

Putting it all together to develop exposure data and models

Global Exposure Database 

City/Region Models(Level 2)

A Global Exposure Database with varying levels of resolution, from country‐based to individual buildings..

Level 0 and 1 are country and sub‐country and use population as proxy for building density and spatial distribution

Population Density for the year 2000 (GRUMP)

Dwelling fractions (percentage of population in different building typologies) are produced at level 0 (country) and level 1 (sub‐country) level

Rural Non‐residential 

Urban Non‐residential 

Rural Residential 

Urban Residential 

Level 0 dwelling fractions –100% global coverage (source: PAGER, some countries have updated fractions based on UN‐HABITAT wall/roof census data)

Level 1 dwelling fractions – 35% global coverage 

Level 1 dwelling fractions – 35% global coverage 

Average number of people per dwelling

Average floor area per dwelling:

Average floor area per capita

Study Region facts (almost 100% coverage at Level 0)Floor area (m2)

Global layer of number of buildings, area of buildings, replacement cost of buildings, and fractions to distribute these parameters between different building typologies

Global coverage of Level 0 by end of 2013, Level 1 expected to grow with time..

How should we estimate the physical vulnerability of structures around the world?

Use the database of existing empirical, analytical and expert opinion fragility and vulnerability functions that is being developed

Use the guidelines for developing new fragility and vulnerability functions

Empirical methods

Analytical methodsEmpirical‐national methods

Expert elicitation methods

Empirical guidelines offer approaches for combining observed damage and loss data with observed ground motions..

Fractio

n of buildings > Dam

age State 3

Macroseismic Intensity (MMI)

Two expert elicitation workshops

Japan

Iran

India Italy

California

Greece

Light shaking Severe shaking

Fata

lity

Rat

e

Empirical‐national guidelines use regression analysis to relate observed macroseismic intensity with fatality and economic loss data from past events ..

Analytical guidelines offer different approaches to modelling structures..

and different approaches to analytically estimating response and damage.. 

A full spectrum of earthquake consequences from past earthquakes is being collected ‐ for deriving and/or validating vulnerability functions

64 events from 1970‐2011, plus 1923 Japan and 1967 Caracas

64 events from 1970‐2011, plus 1923 Japan and 1967 Caracas

64 events from 1970‐2011, plus 1923 Japan and 1967 Caracas

ShakeMap Atlas 2.0

Critical Buildings and Infrastructure

Critical Buildings and Infrastructure

Exposure Vulnerability Consequences

taxonomy taxonomy

A wide range of use cases

Exposure Consequences

1. Use tools to collect data in the field, develop models and contribute to databases

Vulnerability

guidelines

2. Use guidelines to develop new vulnerability functions, and contribute these to the vulnerability database

Vulnerability Consequences

taxonomy

guidelines

3. Use data from the consequences database to develop new vulnerability 

functions…

Vulnerability Consequences

taxonomy

4. Compare vulnerability functions with data from the consequences database

Exposure Vulnerability

taxonomy

OpenQuake Engine

5. Download exposure models and vulnerability models to run risk calculations 

with the OpenQuake Engine

OpenQuake Engine v1.0Scenario risk calculator, featuring ground motion residual and vulnerability uncertainty correlation

D5

D3

D1

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

RCLRPC RCMRPC RCHRPC RCLRC RCMRC RCHRC

OpenQuake Engine v1.0Scenario damage calculator, featuring the use of fragility functions to derive damage distributions

Calculations for Tunis city by an OpenQuake engine userLow 

probability of collapse

High probability of 

collapse

Calculations by Ahmed Ksentini, Tunisia

0.01

0.1

1

0.00E+00 4.00E+09 8.00E+09 1.20E+10

Probability

of exceedance in

50 years

Aggregated Economic Losses (EUR)

Type B

Type C

Type D

No correlation Correlation in the ground motion and vulnerability

Only correlation of the ground motion residuals

OpenQuake Engine v1.0Probabilistic event‐based risk calculator for portfolio loss exceedance probability calculations, featuring ground motion residual and vulnerability uncertainty correlation

OpenQuake Engine v1.0PSHA‐based risk calculator, for rapid asset‐specific loss exceedance probability calculations

Loss map for a 10% probability of exceedance in 50 years.

Loss map for a 1% probability of exceedance  in 50 years.

OpenQuake Engine v1.0Retrofitting benefit‐cost calculator, to guide decisions on where and when retrofitting makes sense

BenefitNo Benefit Benefit‐Cost Ratio

We plan to use the global uniform hazard map, global exposure database (level 0) and a set of global vulnerability functions to develop a global risk map

low medium high