Simulation numérique de propagation des ondes dans modèles de bassin et leurs effets sur la réponse des structures non linéaires

Numerical simulation of wave propagation in 3D basin models and their effects on nonlinear structures response

• Auteur / Autrice : Valeria Paz Soto Moncada
• Direction : Fernando Lopez-Caballero
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 23/06/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2022-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l’ingénierie et des systèmes (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Étienne Bertrand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Panagiotis Kotronis, Cécile Cornou, Irmela Zentner, Esteban Saez Robert, Cédric Giry
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Panagiotis Kotronis, Cécile Cornou

Mots clés

Mots clés contrôlés

Génie parasismique

Simulation par ordinateur

Sol, Mouvements du

Effets des séismes

Ondes sismiques

Ondes de surface

Séismes

Mots clés libres

Effect de bassin

Facteurs d'aggravation

Ondes des surface

Interaction sol-structure

Modelisation SEM-FEM

Basin effects

Aggravation factors

Surface waves

Soil-Structure interaction

SEM-FEM modelling

Résumé

Les matériaux contenus dans les bassins sédimentaires modifient les caractéristiques du mouvement du sol (EGM) en cas de séisme par le piégeage d'énergie, la résonance et la génération des ondes de surface en bord du bassin. En général, ces effets sont définis comme des effets de site et sont pris en compte par des proxys associés à la structure unidimensionnelle (1D) sous-jacente. Pour l'évaluation des risques dans le cadre de la méthodologie PBEE (Performance-Based Earthquake Engineering), les effets sont considérés en termes d'une mesure d'intensité (IM). La présence du bassin, i.e., la géométrie tridimensionnelle (3D), peut être approximée par des facteurs d'aggravation ou d'ajustement (AGF). Ce facteur est généralement défini comme le rapport entre les cas 3D et 1D de l'IM calculé avec les composantes horizontales des signaux à partir d'une approche d'incidence d'ondes planes. Cependant, la composante particulière des ondes de surface, décrite par un mouvement du sol plus complexe, est rarement mesurée de manière explicite. Cette complexité provient spécifiquement du fait que les ondes de surface ont un contenu à basse fréquence et incluent à la fois des composantes verticales et rotationnelles.Ce travail évalue l'impact des effets de bassin, avec un intérêt pour la génération des ondes de surface, sur les dommages sismiques des structures non linéaires. Des simulations numériques sont nécessaires pour introduire le champ d'ondes complexe dans la structure. La méthode de réduction de domaine (DRM) est utilisée ici dans une approche couplée SEM-FEM 3D. Cela permet d'étudier la propagation des ondes en temps réel depuis la faille jusqu'à la structure. Par conséquent, en suivant la méthodologie PBEE, ce modèle est capable de quantifier et de contraster les effets de bassin couplés simultanément sur l'aléa sismique et la demande structurelle.Afin de quantifier correctement les ondes de surface générées, une caractérisation basée sur le produit intérieur normalisé (PIN) est validée par rapport à d'autres procédures d'identification. Ensuite, l'évaluation de l'aléa sismique est définie en termes de caractérisation des ondes de surface et des AGF. L'étude est réalisée à partir de modèles sismiques paramétriques, avec des géométries de bassin simplifiées et des propriétés de matériaux homogènes. Deux types de sources sismiques sont simulées : des ondes planes sous incidence verticale et des sources ponctuelles, profondes et superficielles, de type double-couple. L'effet du contraste d'impédance à l'interface sédiments-roche est également évalué.Des simulations de bassin des sites d'Argostoli (île de Céphalonie, Grèce) et de Cadarache (France) sont également étudiées afin de s'approcher de scénarios réalistes. Finalement, l'étape suivante de la méthodologie PBEE, concernant la réponse de la structure, est réalisée avec une structure non-linéaire et un bassin simplifié. La variabilité spatiale est étudiée en plaçant la structure dans différentes positions, ce qui modifie le champ des ondes arrivant à la fondation de la structure. Les résultats sont ensuite comparés à ceux obtenus par les méthodologies traditionnelles afin de vérifier si le modèle entièrement couplé de la faille à la structure augmente la demande structurelle sismique.

Sedimentary materials enclosed in basins modify the earthquake ground motion (EGM) characteristics by energy trapping, resonance and surface wave generation at the basin edge. Usually, these are defined as site effects and are considered by proxies associated with the one-dimensional (1D) structure beneath. In the context of hazard assessment with the Performance-Based Earthquake Engineering (PBEE) methodology, they are considered to modify the EGM in terms of an intensity measure (IM). The effects of the basin presence, i.e., the three-dimensional (3D) geometry, can be further approximated by aggravation or adjustment factors (AGF). This factor is traditionally defined as the ratio between the 3D and 1D cases of the IM computed with the horizontal components of motions using a plane wave approach. However, the particular surface wave part of the ground motion, described with a more complex shaking, is never explicitly measured. This complexity comes specifically from the fact that surface waves are defined by low-frequency content and include both vertical and rotational components.With this regard, the current work assesses the impact of basin effects, with interest in surface wave generation, on the seismic damage of nonlinear structures. In order to introduce the complex input wavefield into the structure, numerical simulations are needed. In this case, a coupled 3D SEM-FEM approach is used, employing the Domain Reduction Method (DRM). As a result, a complete-time wave propagation analysis from the earthquake source to the structure can be investigated. Therefore, following the PBEE methodology, this model is able to quantify and contrast the coupled basin effects simultaneously on the seismic hazard and structural demand analyses.As an initial step, in order to quantify the generated surface waves correctly, a characterization based on the normalized inner product (NIP) is validated against other surface-wave-identification procedures.Then, the seismic hazard evaluation here is defined in terms of surface wave characterization and the AGFs. The study is carried out with parametric seismic scenarios, with simplified basin geometries and homogeneous material properties. Two types of seismic sources are simulated: plane waves with vertical incidence and deep and shallow double-couple point sources. In addition, the effect of the impedance contrast at the sediment-bedrock interface is also assessed.Moreover, to approach realistic scenarios, basin simulations of the Argostoli (Kefalonia island, Greece) and Cadarache (France) sites are investigated. Furthermore, the subsequent step of the PBEE methodology, regarding the structural and damage analyses, is performed using a nonlinear structure and the basin simplified case. The spatial variability is investigated by placing the structure in different positions, hence modifying the ground motion wave field arriving at the structure's foundation. The results are further contrasted with those obtained from traditional methodologies to check if the fully coupled model from the source to the structure increases the seismic structural demand.