Characterizing ground motion of historical earthquakes. Study of Sant'Agata del Mugello combining building archaeology, earthquake engineering and seismology.

par Arnaud Montabert

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

Sous la direction de Hélène Lyon-caen.

Thèses en préparation à l'Université Paris sciences et lettres , dans le cadre de École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers , en partenariat avec Laboratoire de Géologie de l'Ecole Normale Supérieure (laboratoire) et de Ecole normale supérieure (établissement opérateur d'inscription) depuis le 01-09-2017 .


  • Résumé

    La déformation accumulée pendant plusieurs centaines (milliers) d'années dans les zones de failles est brusquement relâchée en seulement quelques secondes lorsqu'un séisme se produit. L'étude des séismes anciens à travers différentes échelles de temps est d'une importance capitale pour améliorer l'évaluation de l'aléa sismique. Au cours des dernières décennies des approches alternatives, telles que la sismologie historique, l'archéosismologie et la paléosismologie ont été développées pour chercher des sources d'informations. Parmi elles, les bâtiments historiques, tels des "sismomètres de pierre" peuvent être utilisés pour témoigner de cette sismicité passée qu'ils ont enregistrée dans leurs murs sous forme de dégâts ou de réparations. Je propose une méthodologie innovante reliant l'archéologie de la construction, la sismologie et le génie sismique afin de démontrer que la caractérisation archéologique des réparations post-sismiques sur les bâtiments historiques peut permettre de déduire les principales caractéristiques du mouvement sismique. Cette méthodologie est développée autour du cas de l'église médiévale de Sant'Agata del Mugello, un site exceptionnel dont les dommages et les réparations induits par les séismes sont décrits par de nombreuses sources historiques. Le site est situé dans le bassin du Mugello (Apennin central, Italie, Toscane), caractérisé par une sismicité modérée. Les plus grands événements connus se sont produits en 1542 (Mw ~ 6) et 1919 (Mw ~ 6.3). Nous commençons par retracer l'histoire sismique de l'église en combinant une analyse stratigraphique du bâtiment avec une étude approfondie des textes historiques. Un modèle de CAO est conçu à partir d'un relevé géométrique issu d'une campagne de scanner laser. Un modèle de CAO de l'église avant et après chaque séisme historique est ensuite extrapolé à partir du modèle de l'église actuelle et de son histoire constructive. Un code de maillage ad hoc a été développé pour générer un maillage aux éléments finis à partir du modèle de CAO. Deux campagnes de vibrations ambiantes ont été menées dans l'église de Sant'Agata. 8 modes de vibration (fréquence propre, déformée modale et amortissement) sont estimés. Un processus d'optimisation des paramètres modaux, permet de calibrer le modèle numérique de l'église dans sa partie linéaire. Un modèle d'endommagement continu est utilisé pour identifier la limite du modèle linéaire de l'église. Je me concentre ensuite sur l'étude du séisme historique de 1919 qui n'a pas causé de dommages. Une collection de mouvements sismiques compatibles avec le contexte sismotectonique est sélectionnée, corrigée et est utilisée pour simuler le modèle numérique linéaire calibré de l'église. Je présente des résultats préliminaires pour discuter des caractéristiques du mouvement sismique associé au séisme historique de 1919.

  • Titre traduit

    De la caractérisation du mouvement sismique associé à des séismes historiques. Etude de Sant'Agata del Mugello en associant archéologie de la construction, génie sismique et sismologie


  • Résumé

    A fault is charged during (hundred-) thousand years, then the accumulated elastic energy is released in few seconds when an earthquake occurs. To correctly assess seismic hazard it is of capital importance to study the seismic history. Over the last decades alternative approaches such as historical seismology, archaeoseismology and paleoseismology have been developped chasing alternative sources of information. Among them, historical buildings witnessed ancient earthquakes as “stone seismometers” recorded in their walls as structural disorders and repairs. I develop an innovative methodology connecting building archaeology, seismology and earthquake engineering. I aim to show that archaeological characterization of post-seismic repairs on historical buildings can successfully infer key ground motion characteristics of historical earthquakes. The test case is the medieval church of Sant'Agata del Mugello, an exceptional site with many historical sources describing the damages induced by past earthquakes, and their renovation. The site is located in the Mugello basin (Central Apennines, Italy, Tuscany), characterized by a moderate seismicity. The largest known events occurred in 1542 (Mw~6) and 1919 (Mw~6.3). I first trace the seismic history of the church by combing a stratigraphic analysis of the buidling with an in-depth study of historical texts. A CAD-based model of the current church is designed from a laser scanner survey. A CAD-model of the church before and after each historical earthquake is then extrapolated from the current church and its deduced constructive history. I have developed an textit{ad hoc} meshing code to generate a finite element mesh from the CAD-based model. We perform two ambient vibration testing surveys in the church. 8 modes of vibration (natural frequency, modal shapes and damping ratio) are estimated. A Vibration-Based model updating based on the identified experimental parameters and the constructive history of the church allows to calibrate the numerical model of the church in its linear part. A continuum damage model is used to identify the limit of the linear model of the church. I then focus on the study of the 1919 non damaging earthquake. A collection of waveforms compatible with the seismotectonic context is selected, corrected, and used to simulate the updated linear digital model of the church. I show preliminary results to discuss the ground motion characteristics of the 1919 earthquake.