Modélisation des mouvements du sol à longues périodes et étude de leurs effets sur les grands ouvrages et infrastructures – MODULATE

La première partie consistera en la construction d’une base de données de mouvements sismiques enregistrés dans des bassins afin d’étudier et caractériser la génération des ondes de surfaces. Un point important ici est la possibilité d’identifier et d’extraire des enregistrements sismiques la contributiondes ondes de surface. Pour cela, une nouvelle technique appelée « Produit scalaire normalisé » (NIP) sera utilisée. Des techniques récentes en sismologie numérique seront appliquées pour étudier le problème de la propagation des ondes de surface dans des bassins avec des géométries 3D et des modèles géologiques réalistes.

Par la suite, une description stochastique du mouvement fort en fonction de sa fonction de densité spectrale de puissance (PSD) sera développée afin de faciliter l'évaluation de la réponse stochastique des structures. Comme les ondes de surface sont dispersives, il nécessaire d’utiliser une densité de spectre de puissance évolutive (EPSD). Avec l’aide de la base de données sismique, il est possible d’estimer la fonction EPSD des ondes de surface extraites des séismes enregistrés.

Finalement, concernant l'analyse structurelle, en plus de modèles 3D complets, nous développerons des modèles numériques simplifiés pour la réponse sismique non linéaire de structures à longue période. Ces modèles seront capables de prédire les dommages induits, en tenant compte de l'interaction fluide / sol-structure, de l'excitation multi-supports et également des différentes caractéristiques des mouvements du sol (longue période, longue durée, mouvements de rotation, dispersion ou non stationnarité). Il sera alors possible d'évaluer des probabilités que les systèmes dépassent les niveaux critiques lorsqu'ils sont soumis à des mouvements sismiques du sol de caractéristiques spécifiées. La capacité à générer des mouvements de sol avec et sans ondes de surface permettra d’évaluer les effets des ondes de surface sur la vulnérabilité structurelle.

Les résultats attendus pendant ce projet sont principalement :

Une base de données de séismes à 3 composantes des phases séparées (ondes de volume et de surface) ainsi que des métadonnées de la structure du bassin et des paramètres sismiques associés.

Un modèle stochastique pour les ondes de surface en termes d'EPSD.

Une base de signaux temporels synthétiques à 3 composantes du mouvement du sol contenant des ondes de surface induites par le bassin.

Des modèles de substitution (méta-modèles) de structures typiques à longue période pour estimer efficacement les demandes et la capacité sismiques.

Identification des paramètres clés à partir du mouvement du système et des entrées qui contrôlent la réponse structurelle des structures étudiées.

Des modèles 3D détaillés de structure du sol pour simuler les effets des ondes de surface sur la réponse des structures à longue période.

De nouvelles méthodologies pour la construction de courbes de fragilité tenant compte des caractéristiques de dispersion des ondes de surface.

Évaluation et comparaison des méthodes et des normes sismiques actuelles pour l'analyse de la fiabilité et de la vulnérabilité des structures à grande échelle.

Recommandations pour des modifications aux méthodologies de conception actuelles pour les bâtiments, les réservoirs et les ponts afin d'inclure les effets des ondes de surface.

La principale contribution théorique de ce projet consiste à démontrer qu’avec un modèle stochastique évolutif, on peut fournir une description complète et pertinente des mouvements sismiques forts dans les bassins sédimentaires. En outre, la description stochastique du mouvement sismique (sous la forme d’un spectre de puissance évolutif) permet une estimation pratique réaliste de la fiabilité de grandes infrastructures critiques.

Les résultats du projet contribueront à la sécurité des grandes infrastructures et ainsi à la prévention d’importantes pertes financières pour les collectivités gestionnaires. Plusieurs séismes récents (e.g., le séisme de 2017 à Puebla au Mexico, le séisme de 2016 à Amatrice en Italie) ont démontré que la construction d’infrastructures présentant une performance sismique adéquate constitue le principal facteur limitant les pertes économiques et les conséquences à long terme pour les collectivités.

Le modèle stochastique de mouvement sismique développé durant ce projet pourra être intégré dans les études d’aléa sismique local et régional. De plus, des modèles simplifiés de structures peuvent faciliter l’estimation rapide pour un large parc de bâtiments. Les pouvoirs publics devraient être fortement intéressés par les résultats du projet pour optimiser la gestion des infrastructures de grandes dimensions. En outre, les résultats du projet devraient permettre d’une part de contribuer à l’évolution des normes techniques internationales, d’autre part de mettre à disposition des ingénieurs praticiens des outils performants pour la conception parasismique.

Production scientifique attendue :

Une base de données compilée et paramétrée de mouvements sismiques longue période enregistrés et simulés.

Un guide décrivant la méthodologie d’estimation de la vulnérabilité et du risque sismiques pour les grandes infrastructures.

Publication d’articles dans des revues scientifiques de premier plan (telles que Bulletin of the Seismological Society of America et Earthquake Engineering and Structural Dynamics).

Communications dans des conférences internationales de renom à l’échelon européen ou mondial.

Sessions spéciales sur la performance sismique des grandes infrastructures dans les colloques nationaux de génie parasismique organisés par l’AFPS.

Le projet porte sur l’analyse et la modélisation des mouvements sismiques à longues périodes et de leurs effets sur les infrastructures de grandes dimensions (bâtiments de grande hauteur, réservoirs de stockage, ponts à grande portée...). Les mouvements riches en longues périodes sont principalement composés d'ondes de surface créées lors de la propagation des ondes sismiques à travers des formations sédimentaires. L'objectif principal du projet est le développement d'une méthodologie, basée sur la physique des ondes de surface, pour décrire l'évolution d'une excitation sismique se propageant à travers un bassin sédimentaire. Des modèles numériques 3D, intégrant le sol et les structures étudiées, sont développés pour l'étude de leur réponse à des mouvements longues périodes. L'objectif ultime du projet est le développement d'outils et de recommandations à destination de la profession, et permettant de maximiser la sûreté des infrastructures de grandes dimensions.