Integration of site effects into Probabilistic Seismic Hazard Assessment (PSHA)

Claudia Aristizábal, ISTerre, Oct. 2014 – Oct. 2017

Doctorant : Claudia Aristizábal, ISTerre, Oct. 2014 – Oct. 2017
Direction : Pierre-Yves Bard (IFSTTAR) et Céline Beauval (IRD).
Financement : 50% LabEx, 50% STREST (EU)
Ecole Doctorale : Terre-Univers-Environnement

Sujet de Thèse

Plusieurs évènements dramatiques récents ont mis en évidence le besoin de réévaluer l’aléa sismique lié aux évènements très rares à forte conséquence. La tendance actuelle dans le monde entier est de plus en plus d’estimer l’aléa sismique au moyen de méthodes probabilistes, et de déterminer les probabilités de dépassement annuels de différents mouvements du sol (en allant jusqu’à des probabilités très faibles). La recherche sur l’aléa sismique probabiliste a essentiellement porté sur les sites aux rochers, alors beaucoup des zones urbanisées sont situées sur des sols sédimentaires « mous » qui peuvent fortement amplifier le mouvement du sol en cas de séisme. Dans la quasi totalité des études probabilistes de l’aléa, l’amplification des couches superficielles du sol est pris en compte de façon très approximative. Soit l’équation de prédiction du mouvement du sol est appliquée avec un coefficient de site (un proxy de l’effet de site), soit des coefficients déterministes sont appliqués directement sur les résultats de l’analyse probabiliste menée pour un site au rocher. Les estimations de l’aléa peuvent alors être sous-estimées (en ignorant les effets de résonances) ou sur-estimés (en ignorant les effets des non-linéarités). Les infrastructures dites « critiques », dimensionnées sans prise en compte correcte des effets de site, peuvent avoir des marges de sûreté inconnues, et potentiellement sous-estimées.
Depuis une dizaine d’années, quelques auteurs ont proposé des méthodes pour intégrer les effets des conditions de site dans le calcul probabiliste de l’aléa sismique [1,2,3], cependant de nombreux points restent à éclaircir. La thèse s’appuiera sur ces travaux et portera sur :
(1) la caractérisation multiple de l’amplification des mouvements du sol, amplification qui corrèle le mouvement au rocher et le mouvement en surface (on cherchera à exploiter les analyses numériques de réponses de sol – équivalent linéaire ou non linéaire – qui modélisent la réponse dynamique des sols soumis à un fort mouvement incident – et à les combiner avec des estimations instrumentales basées sur des enregistrements au site – souvent linéaires – pour proposer une fonction d’amplification au site), et leur combinaison sous forme d’arbre logique adhoc de façon à obtenir une description correctement des incertitudes épistémiques.
(2) le développement d’une méthode robuste pour combiner en termes probabilistes la courbe d’aléa au rocher avec la distribution de probabilité de la fonction d’amplification. L’objectif est de calculer l’aléa sismique probabiliste en prenant en compte les caractéristiques connues du site et les incertitudes sur la réponse du sol. Une attention particulière sera portée d’une part sur la variabilité aléatoire du mouvement du sol et sa subdivision en composantes rocher et site, et d’autre part sur les ajustements nécessaires des équations de prédiction classiques (GMPEs) pour des conditions de rocher très dur (situation très souvent rencontrée dans la pratique).
(3) Evaluer le biais associé aux études probabilistes classiques, et le gain obtenu en tenant en compte de façon précise de la réponse de site.
L’accent sera donc mis en particulier sur les réponses non-linéaire de site en cas de mouvement incident très fort, correspondant à la prédiction en surface de mouvement du sol aux probabilités annuelles de dépassement très faibles (très longues périodes de retour, usqu’à plusieurs dizaines de milliers d’années). Cette thèse permettra de fournir des recommandations solides sur l’intégration des effets de sites dans les méthodes d’estimation probabiliste de l’aléa sismique.

Bibliographie

1. Bazzurro P., Cornell C.A. (2004). Nonlinear soil-site effects in probabilistic seismic hazard analysis, BSSA, 94:2110-23.
2. Stewart, J.P., Goulet, C., Bazzurro, P., and Claassen, R. (2006). “Implementation of 1D ground response analysis in probabilistic assessments of ground shaking potential,” in GeoCongress 2006, Feb. 26 – March 6p.
3. Papastiliou M., S. Kontoe, and J.J. Bommer (2012). An exploration of incorporating site response in to PSHA – part II : Sensitivity of hazard estimates to site response approaches, SDEE, 42, 316-330.
4. Rathje E.M., M. Asce, A.R. Kottke, & W. L. Trent (2010). Influence of input motion and site property variabilities on seismic site response analysis, JGGE, 607-619.
5. Renault, P. (2013). Approach and challenges for the seismic hazard assessment of nuclear power plants : the Swiss experience. Boletina de Geofisica Teorica ed Aplicata, http://www2.ogs.trieste.it/bgta/pdf/bgta0089_RENAULT.pdf. DOI : 10.4430/bgta0089.

Déroulement prévisionnel

 - Oct 2014-Oct 2015
• Formation et mise en œuvre du logiciels Openquake, utilisé pour calculer la probabilité de risque sismique pour une région ou un lieu particulier.
• Application du modèle SHARE dans Openquake (modèle probabiliste d’évaluation des risques sismiques pour la région euro-méditerranéenne).
• Études de sensibilité des différents paramètres affectant l’étude probabiliste de l’aléa sismique.
• Calcul du risque sismique dans la roche à différents endroits d’intérêt.
• Calcul de la désagrégation du risque sismique pour chacun des emplacements sélectionnés.
• Mise en œuvre des nouvelles équations de prédiction des mouvements du sol.
• Participation au congrès des doctorants d’ISTerre (4 et 5 Juin 2015).

 - Oct 2015-Oct 2016
• Une correction sur les courbes de risque peut être nécessaire, en raison de différences dans les profils de sol entre l’hôte et les régions cibles. (Host-to-target adjustments).
• Basé sur l’état de l’art, le risque sismique dans le sol sera calculée avec des méthodologies différentes et par rapport à l’autre, afin de définir l’incertitude épistémique fondée sur la méthodologies choisie pour inclure les effets de site.
• Développement d’une méthode robuste pour combiner en termes probabilistes la courbe d’aléa au rocher avec la distribution de probabilité de la fonction d’amplification.
• Participation à une conférence scientifique internationale.

 - Oct 2016-Oct 2017
• Evaluer le biais associé aux études probabilistes classiques, et le gain obtenu en tenant en compte de façon précise de la réponse de site.
• Rédaction du manuscrit de thèse .
• Soutenance de thèse.