Modèles d’analyse de la réponse sismique

APERÇU SUR LES METHODES D’ESTIMATIONS DES EFFETS LOCAUX DE SITE

Il est apparu au cours des années que la nature des terrains soumis aux séismes a une influence certaine sur le comportement de ces séismes. Ainsi Mac Murdo (B.F Olivier, 2000) notait déjà, en 1824, que lors d’un tremblement de terre : « les édifices situés sur la roche étaient beaucoup moins affectés par les secousses que ceux dont les fondations n’atteignaient pas la couche inférieure du sol ». L’effet de site est cette caractéristique qu’à chaque site géologique, selon sa composition physique et sa géométrie, de répondre différemment aux sollicitations produites par un séisme (accélération, déformations, contraintes…). Ce phénomène est capital dans la construction de bâtiments résistants aux tremblements de terre. De ce fait, beaucoup de méthodes basées sur des approches expérimentales, empiriques, numériques et neuronales sont présentées dans le présent chapitre et qui ont été développées pour estimer cet effet. En amont, un partiel historique des dates majeures qui ont contribué à la prise en compte des effets locaux de site est présenté

Rapport H/V « mouvement horizontal / mouvement vertical »

Le rapport spectral de la composante horizontale sur la composante verticale des enregistrements sismiques à la surface du même site peut être employé pour trouver la fréquence de résonance du site. Cette méthode appelée aussi HVSR: Horizontal Vertical Spectral Ratio est évidemment intéressante en raison de sa simplicité et son économie. Cette méthode a été appliquée aux ensembles de données de mouvement faibles et forts par Riepl et al (1998) et Bonilla et al (1997). Les études ont prouvé que la forme de HVRS montre une bonne stabilité expérimentale et que cette méthode peut être employée pour obtenir la fréquence fondamentale de résonance d’un site à laide de la formule développée par Theodulidis et al (1996), indiquée sur la (Figure II.10) où SEW, SNS et SUP sont les spectres de Fourier des accélérogrammes enregistrés à la surface de la terre de la composante est-ouest, nord-sud et Verticale respectivement.

De son coté, Nakamura (1989) a développé la technique de GAN (GROUND AMBIENT NOISE) qui se base sur les enregistrements des bruits ambiants générés par le trafic, l’interaction vent-structure et d’autres activités urbaines. Il a montré que le rapport spectral de la composante horizontale et verticale du bruit ambiant à la surface peut exprimer les effets de site car ce rapport est lié à la fréquence fondamentale du sol sous le site et par conséquent au facteur d’amplification.

Traitement du signal Lussou (2001) a effectué une étude comparative entre les trois accélérographes présentés sur la figure.II.11, le premier (séisme d’Hector Mine Californie, 16 octobre 1999, magnitude 7) a une allure « classique » alors que les deux autres sont fortement perturbés. Le second enregistrement a été obtenu à Port Island (séisme de Kobe, 17 janvier 1995, magnitude 7,2) sur un site où de la liquéfaction s’est produite. Le troisième accélérographe a été enregistré sur le site de Kushiro Port (séisme de Kushiro, 15 janvier 1993, magnitude 7,6). Dans ce cas il a montré que, c’est le phénomène de mobilité cyclique dû aux propriétés de dilatance des sables denses qui est responsable des pics observés à la fin de l’accélérographe. Cet exemple fait apparaître de manière spectaculaire que l’accélérographe enregistré en surface contient de l’information sur les milieux que l’onde a traversés. Pour rendre ces méthodes opérationnelles il est indispensable d’effectuer des tests sur un nombre significatif de données, or les données bien documentées sont rares. Il faudra donc patienter encore quelques années avant de voir émerger ces méthodes.

Observation post-séismique (Sans enregistrements)

Trifunac et Todorovska (1998) ont réalisé une étude sur le séisme de Northridge. Les auteurs analysent les cartes des dommages infligés aux pavillons et aux conduites d’eau dans la vallée de San Fernando (Figure.II.12). Sachant que les pavillons sont sensibles aux pics de vitesse et les conduites aux grandes déformations, ils établissent une corrélation entre les dégâts observés et le comportement du sol. Dans les zones où le sol s’est comporté linéairement, l’énergie des ondes sismiques a été transmise en majorité à la surface et a causé de gros dégâts aux pavillons. Dans les zones où la réponse est non linéaire, l’énergie est absorbée par la déformation du sol et les dégâts sont alors reportés sur les conduites enterrées. Cette méthode apporte un éclairage très intéressant sur l’effet de site linéaire et non linéaire mais il paraît difficile de quantifier le potentiel de non-linéarité d’un site donné avec une telle méthode.

Dans ce contexte, Marzorati et al (2003) ont évalué les effets locaux de site en comparant les dommages réels (causés par le séisme de Ombrie Marche du 4 septembre 1997) détectés par des photos aériennes prises peu de jours après les événements principaux sur les bâtiments des 60 villages italiens gravement touchés et les dommages théoriques estimés par les courbes empiriques, obtenues à partir de l’analyse des séismes italiens récents, les résultats son mentionnés sur la figure.II.13. Cette approche peut être utiliser pour calibrer les résultats de l’étude du micro-zonage et pour s’approprier quand une évaluation immédiate des dommages est exigée, pour estimer les zones d’amplification. Néanmoins, la quantification du potentiel des effets locaux d’un site reste aussi difficile avec cette méthode.

Générations d’un accélérogramme (surface libre/substratum rocheux) Hurtado et al (2001) ont utilisé la méthode des réseaux de neurones artificiels (RNA) pour estimer l’histoire de l’accélération sismique à la surface libre de la terre d’un profil de sol à partir de l’histoire de l’accélération sismique au niveau du substratum rocheux calculée par simulation numérique basée sur la méthode de Shinozuka (Shinozuka. M, et al, 1987). Le programme SHAKE a été employé pour obtenir les enregistrements à la surface libre d’un profil unidimensionnel composé de cinq couches de sable, de gravier et d’argile. Les paramètres du RNA sont déterminés par un procédé de formation, se composant réduisant au minimum l’erreur existant entre les résultats réels (les histoires des accélérations générées par le SHAKE) et les évaluations données par le réseau. Après que cette erreur avait été réduite à un niveau acceptable, le réseau peut être employé comme dispositif d’extrapolation pour des données d’entrée non présentées auparavant.

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Table des matières

Chapitre I : Introduction générale
I.1.Introduction
I.2. Organisation
Chapitre II : Aperçu sur les Méthodes d’estimations des effets locaux de site
II.1. Introduction
II.2. Faits marquants dans l’histoire de la prise en compte de l’effet de site
II.3. Méthodes d’estimation des effets locaux de site
II.3.1. Approches expérimentales –Mesures in situ et observations sur site
II.3.1.1. Réseau en puits
II.3.1.2. Rapport site sur référence «mouvement sur sol sédimentaire / mouvement sur sol rigide»
II.3.1.3. Rapport H/V « mouvement horizontal / mouvement vertical »
II.3.1.4. Traitement du signal
II.3.1.5. Observation post-séismique (Sans enregistrements)
II.3.1.6. Utilisation des stations multiples et des Séismes
II.3.2. Approche numérique
II.3.3. Approches empiriques
II.3.3.1. Paramètres géotechniques/amplification
II.3.4. Approche neuronale
II.3.4.1. générations d’un accélérogramme (surface libre/substratum rocheux)
II.3.4.2. générations d’un spectre de réponse en accélération (surface libre/site de référence
II.3.4.3 Estimation du risque (rapport d’amplification spectral « site/référence »)
II.4. Description des travaux
II.5. Conclusion
Chapitre III : Modèles d’analyse de la réponse sismique
III.1. Introduction
III.2. Analyse de la réponse sismique d’un profil de sol stratifié horizontalement
III.2.1 Modélisation du sol en milieu continu.
III.2.2. Différentes étapes de calcul de la réponse du sol
III.2.2.1.Solution pour un problème Mono-couche
III.2.2.2. Solution pour un problème bicouche et multicouche
III.3. Modèle linéaire-équivalant pour un profil de sol
III.4. Étude comparative et analyse des résultats
III.4.1. Test sur le site de Oita-Ken
III.4.1.1. Présentation du site
III.4.1.2. Calcul effectué
III.4.1.3. Analyse des résultats
III.4.2. Test sur le site de Shimane
III.4.2.1. Présentation du site
III.4.2.2. Calcul effectué
III.4.2.3. Analyse des résultats
III.5. Conclusion
Chapitre IV : paramètres de la classification des sites
IV.1. Introduction
IV.2. Définition des deux paramètres Vs30 et F0
IV.3. Classification de site suivant Vs30
IV.4. Étude critique et analyse des résultats
IV.5. Conclusions
Chapitre V : Estimation du risque lié à l’effet de site et génération d’un spectre de réponse
V.1. Introduction
V.2. Classification des sites
V.3. Génération de l’accélération à la surface libre
V.4. Influence des deux paramètres Vs30 et F0 sur l’accélération horizontale maximale
V.5. Choix d’un critère de classification pour le mouvement sismique en surface
V.6. Réseau de neurones artificiel(RNA)
V.6.1. Définitions
V.6.1.2. Réseau Perceptron multicouches (PMC) à rétropropagation du gradient
V.6.1.3. Apprentissage du PMC
V.6.2. Type et l’architecture du réseau de neurones utilisé
V.6.3. Test et analyse des résultats
V.7. Génération d’un spectre de réponse à la surface libre
V.7.1. Description de la Base de données utilisées
V.7.2. Type et architecture du réseau de neurones
V.7.3. Phase test
V.7.3.1. Tests sous d’autres enregistrements
V.8. Conclusions
Chapitre VI : Validation, exploitation des modèles etanalyse des résultats
VI.1. Introduction
VI.2. Validations des deux modèles neuronaux et analyse des résultats
VI.2.1. Site de HYOGO (Japon)
VI.2.1.1. Présentation du site
VI.2.1.2. Estimation du niveau de risque par SRISQ
VI.2.1.3. Génération des accélérations spectrales et estimation du risque par SKRISQ
VI.2.2. Site de OKAYAMA-TOTTORI
VI.2.2.1. Présentation du site
VI.2.2.2. Estimation du risque et génération des spectres
VI.2.2.2.1. Analyse des résultats
VI.3. Exploitation des deux modèles neuronaux
VI.3.1. Séisme de Chenoua 1989
VI.3.2. Séisme de Boumerdès 2003
VI.4. Conclusion
Chapitre VII : Conclusion générale
Références bibliographiques
Annexes
1 Annexe 1 : Notions générales sur les réseaux de neurones artificiels
2 Annexe 2 : Description générale de EERA
3 Annexe 3 : Denses réseaux d’accélérographes
4 Annexe 4 : Présentation de quelques classifications de sites
5 Annexe 5 : Aperçu sur les deux codes de calcul SRISQ et SKRISQ