Introduction à la Sismologie

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1 Génie Parasismique semestre d été 22 M. Badoux & P. Lestuzzi 1. Introduction à la Sismologie Littérature: Géologie Pour Ingénieurs, Prof. Parriaux, EPFL, chapitre 4.1 Les Tremblements de Terre, Bruce A. Bolt, Bibliothèque Pour La Science Sciences de la Terre et de l Univers, A. Brahic et al., éd. Vuibert Causes des séismes: Tectonique des plaques Volcans Effondrements de cavités souterraines Barrages Explosions nucléaires souterraines Drainage de l eau souterraine (tunnels, puits profonds) Effets des séismes: Ebranlements Liquéfaction des sols Eboulements de rochers Glissements de terrains Tsunamis (raz-de-marée) Incendies Détournement de cours d eau Tectonique des plaques: Les principales plaques tectoniques et leur liaison avec les séismes récents (petits points) ainsi que les volcans (gros points).

2 Génie Parasismique semestre d été 22 M. Badoux & P. Lestuzzi 2. Ondes sismiques Mécanisme de rupture: Matériel élastique A B C Types d ondes: ondes de surface ondes de volume Schéma montrant la forme des mouvements du sol près de la surface pour quatre types d ondes sismiques.

3 Génie Parasismique semestre d été 22 M. Badoux & P. Lestuzzi 3. Ondes sismiques Propagation des ondes: Lors de leur propagation les ondes de volume P et S sont réfléchies et réfractées (comme la lumière) à l interface des différentes couches géologiques formant la croûte terrestre. De plus, les deux types d ondes se mélangent car les ondes P, par exemple, engendrent également des ondes réfractées et réfléchies de type S. Les ondes S ne peuvent cependant pas se propager dans les liquides. Le foyer du séisme est également nommé hypocentre et sa projection verticale à la surface est l épicentre. Schéma des trajets des ondes sismiques P et S. Réflexion et réfraction des ondes sismiques P à l interface de deux couches géologiques. Vitesse des ondes: La vitesse de propagation des ondes transversales S varie fortement avec la profondeur, révélant la constitution des enveloppes terrestres. Elle présente une discontinuité (de Mohorovicic) à la base de la croûte terrestre (env. 1 km sous les océans et 7 km sous les Alpes). Ensuite, dans le manteau, elle augmente généralement avec la profondeur. La zone de transition vers 7 km de profondeur constitue la limite au-delà de laquelle on observe plus de foyers sismiques. Variation des vitesses des ondes sismiques S dans la croûte et le manteau terrestre.

4 Génie Parasismique semestre d été 22 M. Badoux & P. Lestuzzi 4. Observation et mesure des séismes Séismes anciens: Temps historiques: documents de diverses sources (fiabilité?) Temps préhistoriques: traces géologiques (décalage des couches géologiques ou des sédiments lacustres, éboulements de rochers, rupture de spéléothèmes -stalagmites et stalagtites- dans les grottes) Enregistrement: Sismographe Seulement pour les séismes récents, depuis env En Suisse, le Service Sismologique Suisse gère le réseau de sismographes. ( Quantification: deux échelles Magnitude: échelle de Richter, liée à l énergie dégagée au foyer. Intensité: diverses échelles (EMS, MSK, Mercalli, Rossi-Forel, etc...), liée aux effets ressentis et aux dégâts constatés. Magnitude, échelle de Richter: Définie par Richter en 193 à partir du logarithme décimal de l amplitude maximale de l onde (en microns) d un sismographe normalisé situé à 1 km de l épicentre. Différentes Magnitudes correspondent aux différentes ondes sismiques: M L : local magnitude M S : surface wave magnitude M b : body wave magnitude Relation avec l énergie: M = 2/3 log E[erg] = 2/3 log E[Joule] -4.8

5 Génie Parasismique semestre d été 22 M. Badoux & P. Lestuzzi. Observation et mesure des séismes Intensité, échelle EMS98: European Macroseismic Scale 1998, Echelle Macrosismique Européenne 1998 Forme abrégée, conçue pour donner une vision très simplifiée pour être utilisée à des fins éducatives. Ne convient pas pour les estimations d intensité.

6 Génie Parasismique semestre d été 22 M. Badoux & P. Lestuzzi 6. Observation et mesure des séismes Détermination de l épicentre d un séisme: La distance de chaque station à l épicentre est liée à l intervalle de temps séparant l arrivée des ondes P et des ondes S. Trois stations sont nécessaires pour localiser l épicentre. Réseau de sismographes en Suisse:

7 Génie Parasismique semestre d été 22 M. Badoux & P. Lestuzzi 7. Observation et mesure des séismes Sismicité historique en Suisse: Séismes dans le temps: Date Région Nombre de morts Magnitude Bâle, Suisse Lisbonne, Portugal Chen Si, Chine Calcutta, Inde Lisbonne, Portugal Messine, Italie Gansu, Chine Kwanto, Japon Pérou Guatemala Frioul, Italie Tangshan, Chine Monténégro, Yougoslavie El Asnam, Algérie Mexico, Méxique Izmit, Turquie Buhdj, Inde 2 7.7

8 Génie Parasismique semestre d été 22 M. Badoux & P. Lestuzzi 8. Si les séismes historiques se répétaient aujourd hui? Séisme de Bâle 136, estimation des dégâts: Magnitude 6.-7, période de retour > 1 ans dégâts aux bâtiments 3% 13% 4% 1% dégâts totaux CH 1-1 milliards FrS 3 budget fédéral

9 Génie Parasismique semestre d été 22 M. Badoux & P. Lestuzzi 9. Outil de l ingénieur Spectre de réponse: élastique (coefficient d'amortissement fixé: ζ) accélération [m/s 2 ] 1 S =2.31 m/s 2 a accélération [m/s 2 ] 1 - S =7. m/s 2 a Sa [m/s2] 1 spectre de réponse de l'accélération ζ=% accélération [m/s 2 ] 1 - S =11.33 m/s 2-1 a fréquence [Hz] accélération [m/s 2 ] séisme: accélérogramme a =3.66 m/s 2 max a = m/s 2 min temps [s]

10 Génie Parasismique semestre d été 22 M. Badoux & P. Lestuzzi 1. Outil de l ingénieur Définitions des spectres de réponse: S d (ω,ζ) = max u(t) ω 1 t ü g(τ) e t S v (ω,ζ) max u(t) = ü g(τ) e ζω(t-τ) sin ω(t-τ) dτ S a (ω,ζ) = max ü+ü g ω ü g(τ) e sin ω(t-τ) dτ ω 2 S d t ζω(t-τ) ζω(t-τ) cos ω(t-τ) dτ t 1 ü ζω(t-τ) S pv (ω,ζ) = g(τ) e sin ω(t-τ) dτ ω S a ω S d max Cette dernière relation permet de réunir trois spectres (S d, S pv, S a ) en une seule courbe dans une double échelle logarithmique (pas pratique). max max max Ne pas confondre avec le spectre de Fourier: accélération [m/s 2 ] a =3.66 m/s 2 max a = m/s 2 min temps [s] 2 Spectre de Fourier Spectre de Réponse amplitude [m/s 2 /Hz] fréquence [Hz] Sa [m/s2] fréquence [Hz] ζ=%

11 Génie Parasismique semestre d été 22 M. Badoux & P. Lestuzzi 11. Outil de l ingénieur Différentes représentations des spectres de réponse: Sa [m/s2] 1 ζ=%.1 1 fréquence [Hz] 1 1 Sa [m/s2] 1 ζ=%.1.1 période [s] 1 1 capacity spectrum 1 4Hz 3Hz 2Hz ζ=% Sa [m/s2] 1Hz..2.4 S d [m].6.8.1

12 Génie Parasismique semestre d été 22 M. Badoux & P. Lestuzzi 12. Outil de l ingénieur Spectre de dimensionnement: Par exemple pour la Suisse, SIA 16, édition Zones de risque sismique:

13 Génie Parasismique semestre d été 22 M. Badoux & P. Lestuzzi 13. Fréquence propre des bâtiments Détermination: formule empirique en fonction du nombre d étages n: f = n 1 [Hz] formules semi-empiriques tenant compte du sol et du système de raidissement : cadres: f = Quotient de Rayleigh Programmes d éléments finis 12 C S [Hz] refends: f n = C S : coefficient du sol:- sol compact: C S =.9 à sol semi-compact: C S =.7 à.9 13 C S l: dimension du bâtiment en m dans la direction de l oscillation h: hauteur du bâtiment en m par rapport au niveau d encastrement n: nombre d étages au-dessus du niveau d encastrement l h [Hz] Quotient de Rayleigh d j f = 2ϖ 1 n j=1 n j=1 F j d j m j d j 2 F 3 =3f F 2 =2f F 1 =f h h h H m j : masse de l étage j d j : déplacement de l étage j F j : force de remplacement agissant à l étage j d = Fa2 (3L-a) 6EI Calcul pratique avec la matrice de flexibilité: d = ^ f F si les hauteurs et les masses d étages sont constants: F a L f ^ h 3 i,j = 6EI i 2 (3j-i), j i

14 Génie Parasismique semestre d été 22 M. Badoux & P. Lestuzzi 14. Fréquence propre des bâtiments Rigidité effective: Pour le béton armé, seule une portion de la rigidité de l état non fissuré doit être adoptée. Mesures sur une paroi testée avec la table vibrante de l EPFZ: fréquence propre [Hz] Hz 2.3 Hz 2.29 Hz 1. 2% 1.81 Hz 1.64 Hz 1.39 Hz 2. 4% 3. 7% calculé pour l'état non fissuré (E=3 GPa) mesuré Rupture 4. 1% 1.2 Hz 1.23 Hz 1.21 Hz. 1% 6. % 7. 1% 8. 1% 9. 12% 1. 2% 11. 1% 1% % 1% Rigidité: état fissurée/état non fissurée [%] Test: intensité du séisme [%]