(Microsoft PowerPoint - SISMOLOGIE APPLIQUEE ... - Le Plan Séisme

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 –

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

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 »

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

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

ONDES P ET ONDES S

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

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

ONDES DE LOVE ET RALEYGH

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.

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).

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.
=
+ +

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.

• 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.

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

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.

SISMOMETRES SCHEMAS

SISMOGRAPHE DE ROCARD (Horizontal)

SISMOGRAPHE DE ROCARD (Vertical)

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.

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

Sismogramme et marégraphe
du séisme ligure de 1887
• Sismogramme Est-Ouest du séisme ligure de 1887.
• 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.

Sismogramme et marégraphe
du séisme ligure de 1887

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…

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

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.

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

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.

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.

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

SPECTRES « lissés » D’EL CENTRO

SPECTRES SOLS DIFFERENTS

SPECTRES DE REPONSE
ELASTIQUE REGLEMENTAIRE

SPECTRES DE DIMENSIONNEMENT
HORIZONTAUX

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

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

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

DETERMINATION
DE L’EPICENTRE
D’UN SEISME

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.

COUPE SUR FOYER - EPICENTRE

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

MODIFICATION DES ONDES PAR LES
MILIEUX TRAVERSES
• Par réflexion, réfraction…

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 »

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.

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.

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

INTENSITE LOCALE, Échelle MSK

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.

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).

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.

Isoséistes
1564
Alpes-
Maritimes

Isoséistes
Ligurie
1887

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…