[論文レビュー] Fragility curves for power transmission towers in Odisha, India, based on observed damage during 2019 Cyclone Fani

Surender V. Raj, Manish Kumar+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2021

Infrastructure Resilience and Vulnerability Analysis参考文献 18被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、インド・オディシャ州の高圧送電塔に対して、2019年のサイクロン・ファニの観察された被害データを用いて、地域特有の破壊曲線を開発した。偶然的不確実性と認識的不確実性（特に風速推定誤差）を組み込み、破壊および機能喪失の両方の曲線を強固に得ており、これらは世界的な類似曲線と良好に一致する。

ABSTRACT

Lifeline infrastructure systems such as a power transmission network in coastal regions are vulnerable to strong winds generated during tropical cyclones. Understanding the fragility of individual towers is helpful in improving the resilience of such systems. Fragility curves have been developed in the past for some regions, but without considering relevant epistemic uncertainties. Further, risk and resilience studies are best performed using the fragility curves specific to a region. Such studies become particularly important if the region is exposed to cyclones rather frequently. This paper presents the development of fragility curves for high-voltage power transmission towers in the state of Odisha, India, based on macro-level damage data from 2019 cyclone Fani, which was obtained through concerned government offices. Two types of damages were identified, namely, collapse and partial damage. Accordingly, fragility curves for collapse and functionality disruption damage states were developed considering relevant aleatory and epistemic uncertainties. The latter class of uncertainties included that associated with wind speed estimation at a location and the finite sample uncertainty. The most significant contribution in the epistemic uncertainty was due to the wind speed estimation at a location. The median and logarithmic standard deviation for the 50th percentile fragility curve associated with collapse was close to that for the functionality disruption damage state. These curves also compared reasonably well with those reported for similar structures in other parts of the world.

研究の動機と目的

• サイクロン・ファニの実世界の被害データを用いて、インド・オディシャ州の送電タワーの破壊曲線を開発すること。
• 特にタワー位置における風速推定誤差を含む認識的不確実性を同定・定量化し、破壊曲線モデリングに組み込むこと。
• 破壊状態と部分的損傷状態を区別することで、送電インフラの耐性を評価すること。
• 経験的根拠に基づく破壊曲線モデルを用いて、サイクロンにさらされる沿岸地域における地域特有のリスクおよび耐性評価を可能にすること。
• 開発された曲線を世界的なベンチマークと比較し、構造的類似性および信頼性を検証すること。

提案手法

• サイクロン・ファニ（2019年）の後、政府機関から入手したオディシャ州の送電タワーにおけるマクロレベルの被害データ（崩壊および部分的損傷）を収集した。
• 2つの損傷状態を定義した：(1) 構造的崩壊、(2) 部分的損傷による機能喪失。
• 風速を強度指標として用い、地震動ハザード解析（PSHA）風の手法を風誘発損傷に適応して適用した。
• ベイズ推論を用いて、タワー位置における風速推定誤差と有限サンプルの不確実性を認識的不確実性として組み込んだ。
• 強度指標にログ正規分布を仮定し、最尤推定法を用いて破壊曲線をキャリブレーションした。
• 不確実性伝播を考慮した上で、中央値耐久力および50パーセンタイル破壊曲線の対数標準偏差を定量化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 インド・オディシャ州の高圧送電タワーの破壊曲線は、サイクロン・ファニの観察された被害に基づいてどのように特定されるか？
• RQ2 認識的不確実性（特に風速推定）は、破壊曲線開発の信頼性にどのように影響を及えるか？
• RQ3 オディシャ州の送電タワーにおける、崩壊および機能喪失損傷状態の中央値耐久力とばらつきは、どのように比較されるか？
• RQ4 開発された破壊曲線は、他の世界的な地域で報告された類似構造物のものとどの程度一致するか？
• RQ5 異なる不確実性要因の相対的寄与度は、破壊曲線モデリングにおける全体的な認識的不確実性にどの程度寄与しているか？

主な発見

• 50パーセンタイル破壊曲線の中央値耐久力は、崩壊状態と機能喪失状態の両方で類似しており、故障発生のための風速閾値が同等であることを示唆している。
• 両損傷状態の対数標準偏差も類似しており、2つの状態における故障応答のばらつきが一貫していることを示している。
• 認識的不確実性の主な要因は、個々のタワー位置における風速推定誤差であり、正確な現場特有の風速データの重要性を強調している。
• オディシャ州向けに開発された破壊曲線は、世界の他の地域で報告された類似構造物のものと合理的に一致しており、地域的適用性を裏付けている。
• 偶然的不確実性と認識的不確実性の両方を組み込むことで、リスクおよび耐性評価における破壊曲線の信頼性と現実性が向上した。
• 本研究は、実際のサイクロン被害に基づく地域特有の破壊曲線が、サイクロンにさらされる地域におけるインフラ耐性評価を正確に行うために不可欠であることを示している。