SISMOLOGIE APPLIQUEE 2 partie La secousse sismique, caractérisation des ondes La propagation des ondes sismiques

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1 SISMOLOGIE APPLIQUEE 2 partie La secousse sismique, caractérisation des ondes La propagation des ondes sismiques Introduction à la sismologie appliquée - à la construction - à la politique de construction et d urbanisme - à la politique de réduction du risque sismique Patricia BALANDIER pour DDE Martinique SECQUIP

2 LES DONNEES DE SISMOLOGIE POUR L ARCHITECTE ET L INGENIEUR (2) Introduction, avertissement Le phénomène sismique Caractérisation des phénomènes tectoniques La secousse sismique, caractérisation des ondes La propagation des ondes sismiques Les moyens d identification de l aléa régional L aléa sismique régional L aléa sismique local Les notions d aléa, vulnérabilité et risque La traduction réglementaire : arbitrages politiques

3 4 - LE MOUVEMENT SISMIQUE Les types d ondes Représentation dans le temps du mouvement sismique enregistré en un site Déplacement Vitesse du déplacement Accélération de la vitesse Représentation du mouvement enregistré en un site par son signal fréquentiel : le «spectre de réponse»

4 LES ONDES SISMIQUES Libérées par la rupture sur la faille, des ondes élastiques se propagent dans toutes les directions. Plusieurs types d ondes aux effets différents sont générés par le séisme. Les ondes de volume Les ondes de surface

5 LES TYPES D ONDES - Ondes de volume se propagent dans la masse terrestre, sont réfléchies et/ou réfractées par les limites de couches de densité différentes et par la surface. - ondes P - ondes S (ne progressent pas en milieu liquide) - Ondes de surface sont générées par l arrivée des ondes de volume à la surface du globe. Plus le séisme est profond, moins elles sont puissantes. - ondes L - ondes de Rayleigh

6 ONDES P ET ONDES S

7 Les ondes P progressent en animant les sols traversés en compression/dilatation Les ondes P sont des ondes de compression se propagent dans tous les états de la matière (gazeux, liquide et solide en créant successivement des zones de dilatation et des zones de compression. Les particules se déplacent selon un mouvement avantarrière dans la direction de la propagation de l'onde. Vitesse : de l ordre de 4 à 6 km/s (beaucoup moins selon la nature des roches tendres et des sols traversés près de la surface) Période: de l ordre de la seconde (de la fraction de seconde à quelques secondes) Longueur d onde: de l ordre de 4 à 6 km

8 Les ondes S progressent en cisaillant de sol perpendiculairement à leur sens de cheminement (ne progressent pas en milieu liquide) Les ondes S sont des ondes de cisaillement qui ne se propagent que dans les solides. Les particules oscillent dans un plan perpendiculaire à la direction de propagation de l'onde. Vitesse : 60% de celle des ondes P Période: de l ordre de la seconde (de la fraction de seconde à quelques secondes) Longueur d onde: de l ordre de 4 à 6 km

9 ONDES DE LOVE ET RALEYGH

10 Ondes L et ondes R Les ondes de Love ou ondes L sont des ondes de cisaillement, comme les ondes S, mais qui oscillent dans un plan horizontal. Elles impriment au sol un mouvement de vibration latéral. Les ondes de Rayleigh ou ondes R sont assimilables à une vague; les particules du sol se déplacent selon une ellipse rétrograde, créant une véritable vague qui affecte le sol lors des grands tremblements de terre.

11 PERIODE ET AMPLITUDE La période et l amplitude caractérisent les phénomènes ondulatoires Il peut s agir de déplacement, de vitesse et d accélération. La fréquence (F en Hz) est l inverse de la période (T en s).

12 SIGNAL SISMIQUE Un signal sismique est complexe et aléatoire. Il peut être représenté comme la superposition d ondes (des différents types) de fréquences variées dont l amplitude est plus ou moins importante. Un certain nombre de paramètres, dépendant de la source et des sols traversés conditionnent la nature du signal sismique. = + +

13 Nécessité d identifier le signal possible d un site avant le séisme La concordance entre: les périodes de grande amplitude d oscillations présentes dans un sol donné sous l effet d un séisme donné et les périodes propres d oscillation d une construction créent des phénomènes de résonance qui peuvent multiplier les accélérations que subit la structure par 2 ou plus. C est un des principaux facteurs de ruine s il n est pas pris en considération par le concepteur et le bureau d études.

14 Un des objets de la sismologie appliquée est d associer à chaque site un «outil de travail», appelé «spectre de réponse», qui permet à l architecte et à l ingénieur d évaluer la possible amplification des ondes arrivant sur le site par le bâtiment, en raison d une mise en résonance de la structure. La première étape est d enregistrer les séismes pour en décomposer le signal.

15 ENREGISTREMENT DES SEISMES OBJECTIFS: Localisation épicentre Étude structure interne du globe Étude de la source sismique Mesure des effets d un séisme PARAMETRES FONDAMENTAUX: Temps d arrivée des différents trains d ondes Caractéristiques temporelles Caractéristiques spectrales

16 SISMOGRAPHES PRINCIPE Enregistrer les mouvements dans les trois directions: Verticale Est-Ouest Nord-sud 3 types de capteurs: sismomètres (D), vélocimètres (V), accéléromètres (A) On utilise plus communément les accélérogrammes à partir desquels on peut retrouver la vitesse et le déplacement par calcul intégral.

17 SISMOMETRES SCHEMAS

18 SISMOGRAPHE DE ROCARD (Horizontal)

19 SISMOGRAPHE DE ROCARD (Vertical)

20 Accélérogramme (Exemple) Exemple d accélérogramme (en cm/s 2 ) En abscisse, le temps en secondes, et en ordonnée, la vitesse en m/s 2. Sur cet enregistrement une accélération maximale du sol (ou pic) de 4,6 m/s 2 ((0,46g) est repérée à 6 secondes.

21 Vélocigramme (Exemple) Exemple de vélocigramme vertical En abscisse le temps en secondes, en ordonnée la vitesse en m/s. Sur cet enregistrement on observe plusieurs pics de vitesse supérieurs à 3m/s

22 Sismogramme et marégraphe du séisme ligure de 1887 Sismogramme Est-Ouest du séisme ligure de Les premiers sismomètres enregistraient des déplacements. Les oscillations mécaniques du bras autour d'un axe vertical donnaient une "ordonnée courbe". Visiblement l appareil s est déréglé vers l Est pendant le séisme.

23 Sismogramme et marégraphe du séisme ligure de 1887

24 REPRESENTATION DU MOUVEMENT ENREGISTRE EN UN SITE PAR SON SIGNAL FREQUENTIEL Le spectre de réponse d un site est un outil pour la conception et le calcul des structures, qui se présente sous la forme d une «courbe» mais qui pourrait se présenter sous la forme d un tableau de résultats, qui indique pour la «période propre d oscillation» d un oscillateur simple quel est son «facteur d amplification» de la secousse qu il reçoit du sol. Nous détaillerons ce qu est un spectre de réponse lorsque nous étudierons le comportement des structures. En attendant, faisons-nous une première idée

25 Accélérogramme El Centro 1940 Le premier a avoir fait l objet d une interprétation fréquentielle sous forme d un spectre de réponse

26 SISMOGRAMME et SPECTRE DE REPONSE Exemple: séisme d El Centro Le spectre de réponse d un séisme donné sur un site donné est établi à partir de l analyse du contenu fréquentiel du signal.

27 SEISME DE TAIWAN Accélération (m/s 2 ou % de g, g = 9,81m/s 2 ) Vitesse (m/s) Spectre de réponse en accélération

28 PERIODE PROPRE D UN SITE, D UNE STRUCTURE Chaque système a une période propre d oscillations: celle de ses oscillations libres suite à un déplacement de sa position d origine. Les structures rigides ont des périodes plus courtes que les structures flexibles. A l image des structures, les sols, en raison de leur nature ou de leur topographie ont une période propre. Par exemple un sol alluvionnaire épais a une période propre plus longue qu un sol rocheux. Les ondes sismiques arrivant sur un site ont également des périodes caractéristiques dépendant de la source et du trajet parcouru.

29 SPECTRE DE REPONSE D UN SITE Lorsqu un système est mis en mouvement par une action dynamique répétée, si la période de cette action correspond à la période propre du système, le mouvement du système est amplifié par mise en résonance. Ainsi chaque site, en fonction de ses caractéristiques physiques, va amplifier (ou atténuer) certaines composantes du mouvement sismique qui lui parvient. Le spectre de réponse d un site identifie les périodes pour lesquelles ce site va amplifier (ou atténuer) les mouvements du sol définis pour un sol rocheux horizontal (mouvement de référence). Les constructions dont la période propre correspond à celle(s) qui est (sont) amplifiée(s) par le site vont entrer en résonance avec le mouvement du sol, et leur mouvement propre peut être multiplié par 3 et plus par rapport au mouvement de référence. C est un des principaux facteurs de ruine totale en cas de séisme.

30 Spectres en accélération du séisme d El Centro (1940) sur un site donné

31 SPECTRES «lissés» D EL CENTRO

32 SPECTRES SOLS DIFFERENTS

33 SPECTRES DE REPONSE ELASTIQUE REGLEMENTAIRE

34 SPECTRES DE DIMENSIONNEMENT HORIZONTAUX

35 5 - LA PROPAGATION DES ONDES SISMIQUES Utilisation des caractéristiques de propagation des ondes sismiques Vitesses de propagation, détermination de l épicentre Lois d atténuation Modification des ondes par le milieu traversé Réflexion, réfraction Modification des ondes par le site Les conditions de modification locale du mouvement fort L intensité locale

36 UTILISATION DES CARACTERISTIQUES DE PROPAGATION DES ONDES SISMIQUES Les différentes ondes sismiques ne se propagent pas de la même manière, ni à la même vitesse dans tous les milieux traversés. Cette propriété est utilisée entre autres pour comprendre la nature physique du globe et déterminer les épicentres des séismes

37 COURBES DISTANCE PARCOURUE/TEMPS D ARRIVEE DES ONDES P ET DES ONDES S

38 DETERMINATION DE L EPICENTRE D UN SEISME

39 LOIS D ATTENUATION Les lois d atténuation du mouvement sismique par les sols traversés établissent la perte d énergie des ondes en relation avec la distance parcourue depuis la source. En termes d accélérations En termes de spectres de réponse (certaines périodes s amortissent davantage sur la distance). Les lois d atténuation sont dépendantes du type de séisme (ex: subduction, décrochement ) Elles prennent en considération l atténuation radiale et l amortissement : la propagation des trains d ondes est sphérique autour de la source et la surface des sphère augmente avec la distance une partie de l énergie ondulatoire est transformée en chaleur dans les sols traversés.

40 COUPE SUR FOYER - EPICENTRE

41 LOI D ATTENUATION (exemple enregistré) On lit : la distance épicentrale en abscisse les pics d accélération maximum en ordonnée

42 MODIFICATION DES ONDES PAR LES MILIEUX TRAVERSES Par réflexion, réfraction

43 MODIFICATION DES ONDES PAR LE SITE Plus on s éloigne de l épicentre, plus l arrivée des ondes est tardive. Malgré l atténuation du signal «au rocher horizontal» par la distance, ce sont les conditions de site qui vont modifier le signal. Ce phénomène est appelé «effet de site»

44 MODIFICATION LOCALE DU MOUVEMENT FORT (1) Non linéarité Le comportement des sols meubles est qualifié de «non linéaire». Les sols meubles filtrent les hautes fréquences et amortissent davantage les mouvements forts que les mouvements faibles. Ces phénomènes sont encore trop mal identifiés pour être pris en considération par les règles de construction PS-92. La recherche a établi que la non-linéarité commence sur les sols sableux pour des accélérations supérieures à 0,1 0,2g, et sur les autres sols meubles pour des accélérations supérieures à 0,3 0,4g.

45 MODIFICATION LOCALE DU MOUVEMENT FORT (2) Effets de site La topographie et la nature des couches de sol superficiel conditionnent fortement le mouvement sismique local (amplitude et domaine fréquentiel). Ce phénomène est pris en considération de façon forfaitaire par les règles de construction PS-92. La compréhension et la maîtrise des phénomènes au delà de la stricte application des règles fait partie des objectifs de la conception parasismique qui vise à en minimiser les effets.

46 INTENSITE LOCALE (MACROSISMIQUE) Définition: Mesure en un lieu des effets du séisme, en termes de perception par la population (II à VI), désordres sur les constructions (VI à X), bouleversements sur l environnement (X à XII). Plusieurs échelles discrètes fermées (par exemple Mercali, MSK, EMS ) En général un degré de plus sur une échelle correspond au doublement des paramètres de déplacement de sol. UNE SEULE MAGNITUDE PAR SEISME, UNE INTENSITE POUR CHAQUE SITE

47 INTENSITE LOCALE, Échelle MSK

48 SEISME DE TAIWAN EPICENTRE ET FAILLE La localisation et la géométrie de la source sont des facteurs déterminants des isoséistes. Mais ce ne sont pas les seuls.

49 ISOSEISTES SEISME DE TAIWAN Pour un séisme donné, les courbes isoséistes (égale intensité locale) montrent que l atténuation de l énergie sismique ne dépend pas que de la distance, mais aussi de la source et des terrains traversés (topographie et nature des sols).

50 Influence de la profondeur de la source sur les isoséistes En raison de la propagation radiale des ondes la profondeur du séisme est un des paramètres de l espacement des isoséistes, donc de l étendue du territoire concerné par le séisme.

51 Isoséistes 1564 Alpes- Maritimes

52 Isoséistes Ligurie 1887

53 DE L ETUDE DES ONDES A LA DEFINITION DES DEFORMATIONS DE LA STRUCTURE Nous verrons plus loin comment la définition de tous les paramètres locaux permettra d évaluer in fine les composantes du mouvement du sol, et ainsi la «réponse» de la structure étudiée. Evaluation sur laquelle repose l essentiel des mesures de prévention réglementaire. Fin de la 2 partie