Qualification des mouvements sismiques 2D et 3D vis-à-vis de différentes typologies de bâtiments/Définition d'une démarche multidisciplinaire pour la caractérisation de la source sismique et de l'endommagement du bâti : une approche sismologique, archéologique et mécanique

par Arnaud Montabert

Projet de thèse en Sciences de la Terre et de l'environnement

Sous la direction de Hélène Lyon-caen et de Maria Lancieri.

Thèses en préparation à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de Sciences de la Terre et de l'environnement et physique de l'Univers Paris , en partenariat avec Laboratoire de Géologie de l'Ecole Normale Supérieure (laboratoire) et de Ecole normale supérieure (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2017 .


  • Résumé

    Les tremblements de terres ont de tout temps suscité terreur et questionnement. Comme le démontre la diversité des structures sur de nombreux vestiges archéologiques, les civilisations ont toujours cherché à adapter leurs techniques de construction face aux catastrophes naturelles. L'évolution de ces techniques explique, en partie, l'observation d'une résistance hétérogène des bâtiments au séisme. A titre d'exemple, les observations archéologiques à Pompéi montrent l'inégale répartition des destructions et des réparations sur l'ensemble de la villa romaine suite aux séismes de 63 puis de 70 ap. J.-C. Récemment, le séisme du centre de l'Italie du mois d'août 2016 a provoqué à Norcia la destruction inégale de nombreux bâtiments, comme le démontre l'effondrement de l'église Sant'Agostino et la résistance à ce séisme particulier de la Basilique San Benedetto. Cette inégalité dans la répartition des dégâts est également liée aux caractéristiques du mouvement du sol induit par le séisme, signal complexe caractérisé par une forte variabilité. L'accélération du sol (mouvement sismique) produite en un lieu par un séisme dépend des caractéristiques de la rupture sismique sur le plan de faille, de la propagation des ondes dans le milieu crustal et des effets liés aux propriétés des couches superficielles sous le site d'enregistrement (conditions de site). Cependant pour un même scénario sismique décrit par la magnitude et la distance entre la source et le site d'enregistrement, les accélérations peuvent différer significativement en matière d'amplitude, ainsi que de contenu énergétique et spectral. Le lien qui lie la source sismique à l'endommagement de la structure est complexe. Cette thèse se concentre sur la dernière partie du trajet des ondes sismiques émises lors d'un séisme en se focalisant sur l'étude des caractéristiques de la structure et du mouvement sismique qui, conjointement, conduisent à des niveaux d'endommagement différents. Ceci constitue une première étape fondamentale pour remonter aux caractéristiques de la source dans de prochains projets de recherche. Ceci nécessite l'élaboration d'une démarche interdisciplinaire impliquant la sismologie, l'archéologie, et le génie civil. Les observations et méthodes qui constituent le socle du projet se déclinent ainsi: - l'observation des effets des séismes sur des structures du bassin méditerranéen tenant compte de leur évolution constructive depuis l'antiquité jusqu'au XXIème siècle ; - la disponibilité d'enregistrements des mouvements sismiques induits par des séismes qui se sont produits dans cette région ; - la capacité de concevoir des modèles numériques de ces structures et de les affiner sur la base des observations archéosismologiques . La sollicitation de ces structures permet d'étudier la corrélation entre indicateurs d'endommagement et mouvement sismique. Si le projet de thèse s'inscrit dans la continuité des derniers travaux en archéosismologie quantitative (HINZEN et al., 2005, 2010, 2017 ; MISTLER et al, 2006 ; KORJENKOV et al, 1999),elle propose d'aller au-delà en adoptant une démarche fondée sur l'étroite interaction entre ces trois parties (Sismologie, archéologie et mécanique). La première étape du travail de thèse, consistera à établir une collection des techniques de construction à partir des observations archéologiques réalisées sur les sites sélectionnés. Cette collection sera numériquement transcrite sous forme de modèles numériques simplifiés qui seront soumis, à la sollicitation d'un ensemble de mouvements sismiques permettant ainsi de caractériser un grand nombre de typologies vis à vis du mouvement sismique. La confrontation entre les résultats de la modélisation et les données macrosismiques issues des observations archéosismologiques, permettra d'affiner les modèles mécaniques. Après avoir défini les modèles mécaniques correspondant à des techniques de construction différentes, nous étudierons dans une deuxième étape les corrélations entre les paramètres décrivant le mouvement sismique et les critères d'endommagement de la structure. Ces études statistiques, permettront de répondre à deux questions : - Pour un niveau du mouvement du sol donné, quelles sont les techniques de construction les plus résistantes au séisme ? La pertinence des choix faits par les constructeurs du passé sera ainsi évaluée. - Pour une technique de construction donnée quelles sont les caractéristiques du mouvement du sol qui déterminent son comportement. La réponse à cette question, représente un premier pas nécessaire pour remonter aux caractéristiques des sources sismiques ayant généré les séismes du passé. Chacun des volets scientifiques (sismologie, archéologie, et génie civil) est novateur et comporte des défis. Pour la sismologie, il s'agit de caractériser le mouvement sismique 3D (actuellement seuls des caractérisations 1D sont utilisées). Les mécaniciens cherchent à affiner la définition de la typologie structurale qui reflète les différentes techniques de construction. Enfin les archéologues de la construction cherchent à valider ou invalider le caractère parasismique d'une structure.

  • Titre traduit

    To categorize 2D and 3D seismic motion with respect to different types of buildings : Definition of a multidisciplinary approach for the characterization of the seismic source and the damage of the structure: a seismological, archaeological and mecha


  • Résumé

    The link between the seismic source and the damage to the structure is complex. This thesis focuses on the last part of the path of seismic waves emitted during an earthquake focusing on the study of the characteristics of the structure and the seismic movement which together lead to different levels of damage. This is a fundamental first step to go back to the characteristics of the source in future research projects. The successful completion of the thesis project requires the development of an interdisciplinary approach involving seismology, archeology, and civil engineering. The observations and methods that form the basis of the project are as follows: -the observation of the effects of earthquakes on structures in the Mediterranean area taking into account their constructive evolution from antiquity to the 21st century -the availability of records of seismic movements induced by earthquakes producted in this region -the ability to design digital models of these structures and refine them on the basis of archaeological observations. The sollicitation of these structures makes it possible to study the correlation between indicators of damage and seismic movement. The role of the archeology of construction is the establishment of a representative collection of construction techniques from antiquity to the contemporary period. The accelerogram qualification studies use several indicators describing the amplitude peak, the spectral properties and the energy content. The limit of these indicators is to consider the acceleration of the ground as unidirectional. Indeed, the acceleration of the solver recorded during earthquakes, is on three orthogonal components. Consideration of 3D motion is therefore a challenge at the center of the thesis. In this project, the characterization of the 3D seismic movement will be independent of the assumptions related to a particular structure. Thus, the structural models will be designed from different structures grouped by "typology". The typology is defined as a set of existing structures in large quantities and identified by their design, (having the same shapes, the same materials, the same constructive dispositions) .