variabilité spatiale des mouvements sismiques : barrages voûtes

par Eleni Koufoudi

Thèse de doctorat en Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie

Sous la direction de Frédéric Dufour.

Le président du jury était Françoise Courboulex.

Le jury était composé de Emmanuel Chaljub, Nicolas Humbert, Fabrice Cotton, Pierre-Yves Bard.

Les rapporteurs étaient Catherine Berge-Thierry, Pierre Léger.


  • Résumé

    Le terme variabilité spatiale des mouvements sismiques (SVGM en anglais pour Spatial Variability of Ground Motion) désigne les différences entre deux mesures du mouvement du sol effectuées à différents endroits, généralement en surface. La modélisation de SVGM ainsi que son effet sur la réponse dynamique des barrages est nécessaire pour l'intégration du phénomène dans les codes parasismiques. L'étude actuelle présente une mesure et une enquête approfondie sur SVGM à l'interface barrage voûte - fondation rocher. Des mesures in situ sont utilisées pour sa quantification et des simulations numériques pour la compréhension plus approfondie des phénomènes physiques qui contribuent à SVGM notamment à l'interface, c-à-d la topographie de la voûte et l'interaction sol-structure. Les données in situ provient d'une campagne sismologique qui a eu lieu sur et autour le barrage voûte du Saint Guérin pendant six mois. Le sous-ensemble d'événements consiste des événements de faible à moyenne magnitude, locaux et régionaux. Ainsi, des analyses linéaires sont permises. Tout d'abord, l'analyse dynamique du barrage voûte est réalisée; les fréquences de vibration, le coefficient d'amortissement et l'amplification de crête sont estimées profitant des mesures continues de bruit ambiant et des enregistrements sismiques. Ensuite, le SVGM est quantifiée au moyen de la phase et de la variabilité d'amplitude en utilisant des estimations de cohérence et de l'écart type de la différence des amplitudes des spectres de Fourier respectivement. Forte variabilité est observée à la fois en phase et en amplitude à l'interface de barrage-fondation rocher. Une fois que les estimateurs de la variabilité sont obtenus à partir des données, les modèles paramétriques existants sont comparés avec eux. Accentuation est mis sur deux observations: 1) les mouvements sismiques au champ libre semblent être légèrement moins variable par rapport aux mouvements à l'interface barrage-fondation rocher et 2) à l'interface barrage-fondation rocher, il y a une variabilité plus forte autour des fréquences de vibration du barrage. Ces observations suggèrent que la présence de la structure ainsi que la topographie du canyon augmentent SVGM. Cette hausse semble cependant être faible étant donné que les observations sont montés par des modèles paramétriques satisfaisants basés sur des données provenant de réseaux sismiques plates (sans topographie et structure). Des simulations numériques dans le code SPECFEM3D, basé sur les éléments spectraux, sont utilisées pour étudier plus profondément les observations in situ par le découplage des différentes causes de SVGM et évaluer l'impact de chacune. Une étude paramétrique en utilisant une topographie du canyon simplifié tente d'identifier l'effet de la topographie du canyon local sur SVGM tandis qu'un modèle géométrique précis du barrage voûte à Saint Guérin et sa topographie du canyon nous donne une idée plus précise sur l'impact de l'interaction barrage-fondation rocher sur SVGM. Les résultats de cette recherche devraient contribuer à l'amélioration de notre compréhension de SVGM à l'interface barrage-fondation rocher et de proposer des modèles de variabilité utilisés dans la conception de barrages voûtes.

  • Titre traduit

    spacial variability of seismic ground motions : arch dams


  • Résumé

    Spatial variability of seismic ground motions (SVGM) denotes the differences between two time histories of the ground motion recorded at different locations, generally at the ground surface. The modeling of SVGM and the understanding of its influence on the dam's response are necessary so as design codes start to incorporate its effects in their provisions. This study presents a measure and a profound investigation of SVGM at the dam-foundation rock interface of an arch dam. In-situ measurements are used to quantify SVGM and numerical simulations to deeper understand the particular physical phenomena that contribute to SVGM at the interface, i.e. local canyon topography and rock-structure interaction. The in-situ data comes from a seismological experimental campaign that has taken place on and around Saint Guérin arch dam over the period of six months. The campaign was held in the framework of the present thesis. The subset of events consists of low to moderate magnitude local and regional earthquakes. Thus, analysis is allowed in the linear range. Firstly, dynamic analysis of the arch dam is conducted; the frequencies of vibration, the damping coefficient and the crest amplification are estimated based on ambient noise and seismic records. Then, SVGM is quantified by means of phase and amplitude variability using coherency estimates and standard deviation of difference of Fourier amplitudes respectively. High variability is observed both in phase and amplitude at the dam-foundation rock interface. Once the estimators of variability are obtained from the data, parametric models are fitted to them. Focus is given on two observations : 1) the ground motions in the free field appear to be slightly less variable with respect to the motions at the dam-foundation rock interface and 2) at the dam-foundation rock interface, there is higher variability around the frequencies of vibration of the dam. These observations suggest that the presence of the structure along with the canyon topography increase SVGM. This increase though seems to be small given that the observations are satisfactory fitted by parametric models based on data coming from flat seismic arrays. Numerical simulations in the SPECFEM3D code, based on the spectral element method are used to deeper investigate the in-situ observations by decoupling the various causes of SVGM and evaluating the impact of each one. A parametric study using a simplified canyon topography attempts to identify the effect of local canyon topography on SVGM while a geometrically accurate model of the Saint Guérin arch dam and its canyon topography gives us a better insight on the dam-foundation rock interaction impact on SVGM. Although both features are found to increase SVGM, their impact remains secondary. The findings of the present research are expected to contribute in enhancing our understanding of SVGM at the dam-foundation rock interface and proposing variability models used in arch dams' design.


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