Prédiction des mouvements sismiques forts : apport de l’analyse du comportement non-linéaire des sols et de l’approche des fonctions de Green empiriques

par David Alejandro Castro Cruz

Thèse de doctorat en Sciences de la terre

Sous la direction de Étienne Bertrand et de Françoise Courboulex.

Soutenue le 12-12-2018

à Côte d'Azur , dans le cadre de École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice) , en partenariat avec Université de Nice (établissement de préparation) , Laboratoire Géoazur (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes) (laboratoire) et de Géoazur (laboratoire) .

Le président du jury était Luis Fabián Bonilla.

Le jury était composé de Luis Fabián Bonilla, Fabrice Cotton, Cécile Cornou, Fernando Lopez-Caballero, Julie Regnier.

Les rapporteurs étaient Fabrice Cotton, Cécile Cornou.


  • Résumé

    L'évaluation de l’aléa sismique doit tenir compte des différents aspects qui interviennent dans le processus sismique et qui affectent le mouvement du sol en surface. Ces aspects peuvent être classés en trois grandes catégories : 1) les effets de source liés au processus de rupture et à la libération d'énergie sur la faille. 2) les effets liés à la propagation de l'énergie sismique à l'intérieur de la Terre. 3) l'influence des caractéristiques géotechniques des couches peu profondes ; appelé effet de site. Les effets de site sont pris en compte dans la mitigation des risques par l'évaluation de la réponse sismique du sol. Lors de sollicitations cycliques, le sol présente un comportement non-linéaire, ce qui signifie que la réponse dépendra non seulement des paramètres du sol mais aussi des caractéristiques du mouvement sismique (amplitude, contenu en fréquence, durée, etc.). Pour estimer la réponse non-linéaire du site, la pratique habituelle consiste à utiliser des simulations numériques avec une analyse linéaire équivalente ou une approche non-linéaire complète. Dans ce document, nous étudions l'influence du comportement non-linéaire du sol sur la réponse du site sismique en analysant les enregistrements sismiques des configurations des réseaux de forages. Nous utilisons les données du réseau Kiban Kyoshin (KiK-Net). Les 688 sites sont tous équipés de deux accéléromètres à trois composantes, l'un situé à la surface et l'autre en profondeur. À partir de ces données, nous calculons les amplifications du mouvement du sol depuis la surface jusqu'aux enregistrements en fond de puit à l'aide des rapports spectraux de Fourier. Une comparaison entre le rapport spectral pour le faible et le fort mouvement du sol est alors réalisée. Le principal effet du comportement non-linéaire du sol sur la fonction de transfert du site est un déplacement de l'amplification vers les basses fréquences. Nous proposons une nouvelle méthodologie et un nouveau paramètre appelé fsp pour quantifier ces changements et étudier les effets non-linéaires. Ces travaux permettent d'établir une relation site-dépendante entre le paramètre fsp et le paramètre d'intensité du mouvement du sol. La méthode est testée sur les données accélérométriques du séisme de Kumamoto (Mw 7.1, 2016). Nous proposons ensuite d’utiliser des corrélations entre moment seismic et la duration de la faille (Courboulex et al., 2016), obtenues à partir d’une base de données globale de fonctions source et une méthode basée sur l’approche des fonctions de Green empiriques (EGF) stochastiques pour simuler les mouvements forts du sol dus à un futur séisme. Cette méthodologie est appliquée à la simulation d’un séisme de subduction en Équateur et comparée aux données réelles du séisme de Pedernales (Mw 7.8, 16 avril 2016) dans la ville de Quito. Nous proposons enfin de combiner la méthode de simulation de mouvements forts par EGF et la prise en compte des effets non-linéaires proposée dans les premiers chapitres. La méthode est testée sur les données accélérométriques d’une réplique du séisme de Tohoku (Mw 7.9).

  • Titre traduit

    Empirical prediction of seismic strong ground motion : contributions to the nonlinear soil behavior analysis and the Empirical Green's function approach


  • Résumé

    Seismic hazard assessments must consider different aspects that are involved in an earthquake process and affect the surface ground motion. Those aspects can be classified into three main kinds. 1) the source effects are related to the rupture process and the release of energy. 2) the path effects related to the propagation of energy inside Earth. 3) the influence of the shallow layers geotechnical characteristics; the so-called site-effects. The site effects are considered in risk mitigation through the evaluation of the seismic soil response. Under cyclic solicitations the soil shows a non-linear behavior, meaning that the response will not only depend on soil parameters but also on seismic motion input characteristics (amplitude, frequency content, duration, …). To estimate the non-linear site response, the usual practice is to use numerical simulations with equivalent linear analysis or truly non-linear time domain approach. In this document, we study the influence of the nonlinear soil behavior on the seismic site response by analyzing the earthquake recordings from borehole array configurations. We use the Kiban Kyoshin network (KiK-Net) data. All 688 sites are instrumented with two 3-components accelerometers, one located at the surface and the another at depth. From these data, we compute the ground motion amplifications from the surface to downhole recordings by the computing Fourier spectral ratios for the aim to compare between the spectral ratio for weak and strong ground motion. The main effect of the non-linear behavior of the soil on the site transfer function is a shift of the amplification towards lower frequencies. We propose a new methodology to quantify those changes and study the nonlinear effects. This work results in a site-dependent relationship between the changes in the site response and the intensity parameter of the ground motion. The method is tested analyzing the records of the earthquake of Kumamoto (Mw 7.1, 2016). Posteriorly, we propose to integrate a correlation between seismic moment and the duration of the fault (Courboulex et al., 2016) in the empirical Green’s function method. This methodology was applied to simulate one seduction event in Equator, and we compare the results with the records of the Pedernales earthquake (Mw 7.8, 2016) in the city of Quito. We attempt to take in account the nonlinear effects in the empirical Green’s function method. We use the methodologies of the first part of this document based on the frequency shift parameter. The procedure could be implemented in other methodologies that can predict an earthquake at a rock reference site, such as the stochastic methods. We test the procedure using the accelerometric records for one of the aftershocks o the Tôhoku earthquake (Mw 7.9).


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