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).
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.
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.
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. 1966. En Suisse, le Service Sismologique Suisse gère le réseau de sismographes. (http://seismo.ethz.ch) 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] -11.8 = 2/3 log E[Joule] -4.8
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.
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:
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 18.1.136 Bâle, Suisse 1-2 26.1.131 Lisbonne, Portugal 3 23.1.16 Chen Si, Chine 83 11.1.1737 Calcutta, Inde 3 1.11.17 Lisbonne, Portugal 7 28.12.198 Messine, Italie 12 7. 6.12.192 Gansu, Chine 18 8. 1.9.1923 Kwanto, Japon 143 8.2 31..197 Pérou 66 7.8 4.2.1976 Guatemala 22 7.9 6..1976 Frioul, Italie 1 2 6. 27.6.1976 Tangshan, Chine 6 7.6 1.4.1979 Monténégro, Yougoslavie 16 7. 1.1.198 El Asnam, Algérie 3 7.2 198 Mexico, Méxique 2 8.1 17.8.1999 Izmit, Turquie 17 7.4 26.1.21 Buhdj, Inde 2 7.7
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
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 - -1 1 1 2 accélération [m/s 2 ] 1 - S =7. m/s 2 a -1 1 1 2 Sa [m/s2] 1 spectre de réponse de l'accélération ζ=% accélération [m/s 2 ] 1 - S =11.33 m/s 2-1 a 1 1 2.1 1 1 1 fréquence [Hz] accélération [m/s 2 ] séisme: accélérogramme 4 3 2 a =3.66 m/s 2 max 1-1 -2 a = -2.62 m/s 2 min -3 1 1 2 temps [s]
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 ] 4 3 2 1-1 -2 a =3.66 m/s 2 max a = -2.62 m/s 2 min -3 1 1 temps [s] 2 Spectre de Fourier Spectre de Réponse amplitude [m/s 2 /Hz] 1.1 1 1 fréquence [Hz] Sa [m/s2] 1.1 1 1 fréquence [Hz] ζ=%
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
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 1989. Zones de risque sismique:
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 1.1 - 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
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] 4 3 2 1 4.24 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 [%]