Comparaison des estimations d'aléa sismique probabiliste avec les observations (accélérations et intensités)

par Hilal Oksuz

Thèse de doctorat en Sciences de la Terre, de l'Univers et de l'Environnement

Soutenue le 23-06-2014

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale terre, univers, environnement (Grenoble) , en partenariat avec Institut des Sciences de la Terre (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Pierre-Yves Bard.

Le jury était composé de Agnes Helmstetter, Pierre-Yves Bard, Sinan Akkar, Gloria Contreras-Senfaute.

Les rapporteurs étaient Danijel Schorlemmer, Laura Peruzza.


  • Résumé

    L'estimation probabiliste de l'aléa sismique est basée sur plusieurs modèles et hypothèses à chaque étape, tels que la caractérisation des sources sismiques, les récurrences en magnitude, et le choix d'équations de prédiction du mouvement du sol. Le résultat final de ces études est la courbe d'aléa qui donne les taux annuels de dépassement pour différentes valeurs d'accélération. Chaque étape du calcul comporte des incertitudes. Comprendre l'impact de ces incertitudes sur le résultat final est délicat. Jusqu'à récemment, peu d'études se sont intéressées à tester le résultat final des calculs d'aléa sismique. Des données accélérométriques ou d'intensités macrosismiques, partiellement dépendantes des calculs d'aléa sismique, peuvent être utilisées, comme l'ont proposé quelques articles récents (Stirling & Gerstenberger 2006, Stirling & Gestenberger 2010, Albarello & D'Amico 2008). Cette étude vise à tester les estimations probabilistes de l'aléa sismique en France (MEDD2002, AFPS2006 et SIGMA2012) et aussi en Turquie (SHARE), en développant une méthode quantitative pour comparer les nombres prédits et observés de sites avec dépassement pendant la durée d'observation. La méthode développée s'appuie sur les travaux de Stirling & Gerstenberger (2010) et Albarello & D'Amico (2008). Les modèles sont évalués pour une large zone géographique en sélectionnant tous les sites et en sommant les durées d'observation à chaque site. L'objectif est de comprendre les possibilités et les limites de cette approche, car les durées d'observations sont courtes par rapport aux périodes de retour pertinentes en génie parasismique. Les résultats montrent que le modèle AFPS2006 est cohérent avec les observations du Réseau Accélérométrique Permanent (RAP) pour les accélérations entre 40 et 100 cm/s2 (temps de retour entre 50 et 200 ans). Le modèle MEDD2002 surestime l'aléa sismique pour un temps de retour de 100 ans. Ces résultats ne peuvent pas être extrapolés aux niveaux d'accélérations plus élevés. Pour des temps de retour plus longs (475 et 975 ans), il n'y a pas d'observation au dessus du seuil d'accélération. A l'heure actuelle en France, il n'est pas possible de tester les estimations probabilistes pour des niveaux d'accélérations utiles au génie parasismique. La méthode proposée a aussi été appliquée en Turquie. Les modèles d'aléa sismique peuvent être testés sur des durées d'observation plus longues et pour des niveaux d'accélération plus élevés qu'en France. Le modèle est testé pour différentes sélections de stations accélérométriques, différentes valeurs de la distance minimum entre stations, et différentes durées totales d'observations. Pour des accélérations entre 0.1 et 0.4 g, le modèle SHARE est cohérent avec les observations pour tous les tests. Pour des seuils plus bas, les résultats varient en fonction des décisions prises. Enfin, les modèles probabilistes d'aléa sismique en France ont été évalués à partir des intensités de la base de données SISFRANCE. Les périodes d'observations complètes sont estimées par une analyse statistique des données (I≥5, MSK). Nous avons sélectionné 25 sites avec des durées d'observations pour I≥5 variant entre 66 et 207 ans, localisés dans les zones les plus actives de France. Pour un temps de retour de 100 ans, le modèle MEDD2002 prédit un nombre de sites avec dépassement plus élevé que le nombre observé. Pour des temps de retour de 475 ans et plus longs, les modèles MEDD2002 et AFPS2006 ne peuvent pas être distingués car ils sont tous les deux compatibles avec les observations. Ces résultats basés sur les données d'intensité doivent être considérés de façon très prudente considérant les incertitudes sur la sélection des sites, sur la détermination des durées d'observations et la complétude, et sur l'équation utilisée pour convertir les intensités en accélérations.

  • Titre traduit

    Comparison of probabilistic seismic hazard estimations with observations (accelerations and intensities)


  • Résumé

    PSHA calculations rely on several models and assumptions in its components, such as the characterization of seismic sources, the establishment of recurrence laws in magnitude, and the choice of ground-motion prediction equations. The final output of a PSHA study is the hazard curve that gives annual rates of exceedances of different acceleration levels. All steps of the PSHA calculation bear uncertainties. Understanding the impact of these uncertainties on the final output of the PSHA is not straightforward. Until recently, little attention has been paid to testing the final output of PSHA models against observations. Acceleration datasets and intensity databases, partially independent from the PSHA calculations, can be used, as proposed in a handful of recent papers (Stirling & Gerstenberger 2006, Stirling & Gestenberger 2010, Albarello & D'Amico 2008). This study is aimed at testing PSH models in France (MEDD2002, AFPS2006 and SIGMA2012) and also in Turkey (SHARE), developing a quantitative method for comparing predicted and observed number of sites with exceedance over the lifetime of the network. This method builds on the studies of Stirling & Gerstenberger (2010) and Albarello & D'Amico (2008). All sites are sampled, observation time windows are stacked, and the PSHA is evaluated over a large geographical area at once. The objective is to understand the possibilities and limits of this approach, as observation time windows are short with respect to the return periods of interest in earthquake engineering. Results show that the AFPS2006 PSH model is consistent with the observations of the RAP accelerometric network over the acceleration range 40-100 cm/s2 (or 50-200 years of return periods). The MEDD2002 PSH model over-predicts the observed hazard for the return period of 100 years. For longer return periods (475 and 975 years), the test is not conclusive due to the lack of observations for large accelerations. No conclusion can be drawn for acceleration levels of interest in earthquake engineering. The proposed method is applied to Turkey. The PSH model can be tested using longer observation periods and higher accelerations levels than in France. The PSH model is tested for different selections of accelerometric sites, minimum inter-site distance and total observation period. For accelerations between 0.1 and 0.4g, the model is consistent with the observations for all tests. At lower acceleration levels, the agreement between the model and the observations varies depending on the decisions taken. Finally, the PSHA models in France are evaluated using the macroseismic intensity database (SISFrance). Completeness time windows are estimated from statistics on the intensity data (I≥5, MSK). Twenty-five sites are selected, with completeness time periods for I≥5 extending between 66 and 207 years, located in the highest active zones in France. At 100 years return period, MEDD2002 models predicts more sites with exceedances than the observed number of sites. At return periods higher than or equal to 475 years, both models AFPS2006 cannot be discriminated as both are consistent with observations. Considering the uncertainties on the selection of sites, on the determination of completeness time periods, and on the equation selected for converting intensities into accelerations, the results based on macroseismic intensities should be considered very carefully.


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