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OSUG - Terre Univers Environnement

MA THESE

6 juin 2012 ( dernière mise à jour : 23 juillet 2014 )

Le pdf de la version définitive de ma thèse






DÉFINITIONS DES MOUVEMENTS SISMIQUES AU ROCHER

Ce travail de thèse est financé dans le cadre du projet CASHIMA, projet de recherche lancé par le CEA et l’ILL.

Directeur de thèse : Fabrice Cotton (ISTerre)
Co-encadrant de thèse : Luis-Fabian Bonilla (IFSTTAR)
Responsables CASHIMA : Fabrice Hollender (CEA Cadarache) et Véronique Caillot (ILL)
Autres collaborateurs : P-Y. Bard (ISTerre), M. Causse (ISTerre), S. Drouet, C. Beauval (ISTerre),...


PROBLEMATIQUE :

La nouvelle réglementation parasismique (Eurocode 8) impose que le dimensionnement des structures dîtes à risque spécial (installations nucléaires, barrages, ponts,...) soit réalisé à partir de traces temporelles du mouvement sismique. Ce signal temporel doit être défini dans les trois directions (2 horizontales et 1 verticale), sur une large bande de fréquences et doit reproduire la non stationnarité du phénomène. Une population de solutions est nécessaire pour prendre en compte la variabilité naturelle du mouvement sismique pour une même magnitude, une même distance et un même site (voir ex. Fig. 2). En France, les scénarios retenus dans le cadre de l’évaluation de l’aléa sismique sont caractérisés par des magnitudes modérées comprises entre 5 et 6.5 et des distances hypocentrales inférieures à 20km. Au sein des bases de données accélérométriques mondiales, très peu d’enregistrements naturels sont disponibles dans ces bornes. Le mouvement sismique doit donc être générer par des méthodes considérant à la fois les effets de la source, les effets de la propagation et les effets de site. Ces méthodes peuvent être classées en deux catégories principales : les méthodes empiriques et les méthodes numériques. Les méthodes empiriques présentent l’avantage d’être globales et larges bandes, néanmoins, elles sont développées à partir de données provenant de régions où la sismicité est active, ceci impliquant des ajustements entre la région hôte et la région visée. Dans le cas des méthodes numériques, celles-ci sont actuellement limitées en fréquence de part le manque de connaissance du milieu. De plus, la question de comment inclure la variabilité naturelle du mouvement sismique dans ces modèles se pose. Ces méthodes ont chacune leurs avantages et leurs inconvénients, c’est pourquoi des méthodes hybrides se développent. Une autre question clé pour les études d’aléa sismique est la question de la définition du rocher de référence. Une définition homogène et globale du rocher de référence est nécessaire pour comparer des études dans différentes régions (les propriétés des rochers sont différentes selon les régions). La réponse d’un site est de manière simple caractérisée par son profil de vitesse et ses caractéristiques d’amortissement. Néanmoins, la plupart des études considèrent seulement la vitesse des ondes de cisaillement sur les trente premiers mètres (VS30) pour caractériser le site.


Dans ce travail de recherche, les principales questions soulevées sont les suivantes :

  • Quelles sont les données disponibles au rocher en surface ? Les bases de données accélérométriques américaines (NGA) et européennes étudiées par d’autres groupes de recherche sont exploitées. Cependant, ces bases de données sont pauvres en enregistrements au rocher. Seul, le Japon offre la possibilité de construire une base de données accélérométriques riche d’enregistrements au rocher de surface. En effet, il est situé dans une zone sismique active et un réseau dense et uniforme (KiK-net et K-NET) le recouvre. De plus, la base japonaise présente l’avantage d’avoir des enregistrements de qualités ainsi que des métaparamètres définis de manière homogènes (ex : magnitude de moment, profondeur et mécanisme au foyer fournis par F-NET, informations homogènes concernant les sites (profils de vitesse)).
  • Quelles sont les propriétés du mouvement sismique au rocher ? Est-ce que l’on observe des effets régionaux ? À partir de la nouvelle base de données japonaises d’enregistrements accélérométriques au rocher, des modèles de prédictions empiriques sont développés afin de prédire les paramètres clés décrivant le mouvement sismique tels que le spectre de réponse en accélération (SA), la durée (DSR), l’énergie (IA), et le contenu fréquentiel d’un événement sismique (FC(t)).
  • Quels paramètres pour qualifier le mouvement sismique au rocher ? (Fig. 1) Comme c’est actuellement le cas dans la réglementation, seulement à partir de VS30 ? à partir du couple VS30 et fréquence de résonance du site (f0) (Cadet et al. 2010) ? à partir du couple VS30-kappa0 (kappa est un paramètre permettant de décrire l’atténuation des hautes fréquences du spectre de Fourier en accélération) (Van Houtte et al. 2011) ? La Figure 1 montre les rapports d’ajustements simulés entre deux rochers, un mou (VS30=550 m/s) et un dur (VS30=1100 m/s), en utilisant seulement VS30 (courbe grise, rapport anciennement utilisé) et en utilisant le couple VS30-kappa0 (courbe bleue, rapport actuellement utilisé au sein du projet SHARE). Avec notre étude, nous apportons une comparaison avec des données réelles de part l’analyse de la fonction de site du modèle empirique (points noirs). Ensuite, à quel rocher de référence ajuste-t-on les modèles empiriques et les enregistrements ? Quelles méthodes pour ajuster ? FIGURE 1 : FIGURE 1 : Rapports spectraux entre un rocher mou et un rocher dur (550/1100 m.s-1) pour une magnitude 6 à 50 km.
  • Quelles méthodes pour simuler le mouvement sismique au rocher ? La méthode semi-empirique stochastique non stationnaire développée antérieurement par Pousse et al. (2006) est mise à jour et utilisée pour générer des traces temporelles. Cette méthode présente l’avantage d’être simple, rapide d’exécution et elle considère les bases théoriques de la sismologie (source de Brune, une enveloppe temporelle réaliste, non stationnarité et variabilité du mouvement sismique). Cette méthode a été améliorée en intégrant nos nouveaux modèles empiriques et par une meilleure prise en compte de la variabilité liée au stress drop. Une comparaison entre accélérogrammes simulés et observés est montrée en Figure 2. Cette méthode est valide à haute fréquence, nous souhaiterions améliorer le contenu basse fréquence et prédire le mouvement dans les trois directions de l’espace plutôt que la moyenne géométrique des composantes horizontales.


FIGURE 2 : Comparaison d’un échantillon d’accélérogrammes simulés avec la méthode stochastique non stationnaire avec un échantillon d’accélérogrammes observés pour le scénario suivant : MW = 5 ; RRUP = 50 ± 1 km et VS30 = 550 ± 50 m/s.


REFERENCES :

  • Pousse, G., L. F. Bonilla, F. Cotton and L. Margerin, Nonstationary Stochastic Simulation of Strong Ground Motion Time Histories Including Natural Variability : Application to the K-Net Japanese Database, Bull. Seism. Soc. Am., 96, 2103-2117, 2006.
  • Rodriguez-Marek, A., G. Montalva, F. Cotton, and L-F. Bonilla (2011). Analysis of Single-Station Standard Deviation Using the KiK-net Data. Bull. Seism. Soc. Am., 101,1242.
  • Van Houtte, C., S. Drouet and F. Cotton (2011). Analysis of the origins of Kappa to compute hard rock to rock adjustment factors for GMPEs. Bull. Seism. Soc. Am., 101, 2926-2941.



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