Une approche intégrée du risque avalanche : quantification de la vulnérabilité physique et humaine et optimisation des structures de protection

An avalanche integrated risk approach : quantification of structural and human vulnerability and otpimisation of protection countermeasures

• Auteur / Autrice : Philomène Favier
• Direction : Mohamed Naaim
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'univers, et de l'environnement
• Date : Soutenance le 13/10/2014
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture (France). Centre de Grenoble (2012-2019)
• Jury : Président / Présidente : Éric Parent
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mohamed Naaim, David Bertrand, Nicolas Eckert, Alberto Pasanisi, Clémentine Prieur
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bruno Sudret, Thierry Verdel

Mots clés

Mots clés libres

Vulnérabilité

Risque

Avalanche de neige

Fiabilité

,propagation d'incertitudes

Modélisation stochastique

Vulnerability

Risk

Snow avalanches

Résumé

La quantification du risque avalanche à long terme dans un but de zonage et d'optimisation des moyens de protection est fait dans la plupart des pays sur la base de la connaissance des événements de forte intensité. Ces approches fondées sur les périodes de retours, centrées uniquement sur l'aléa, ne considèrent pas explicitement les éléments à risque étudiés (bâtiments, personnes à l'intérieur, etc.) et négligent les possibles contraintes budgétaires. Afin de palier à ces limitations, les méthodes de zonage basés sur le risque et les analyses coût-bénéfice ont récemment émergées. Elles combinent la distribution de l'aléa avec les relations de vulnérabilité des éléments étudiés. Ainsi, l'évaluation systématisée de la vulnérabilité des bâtiments permet de mieux quantifier le risque dans un couloir d'avalanche donné. Cependant, en pratique, les relations de vulnérabilité disponibles restent principalement limitées à de rares estimations empiriques déduites de l'analyse de quelques catastrophes survenues. De plus, les méthodes existantes basées sur le risque font face à des calculs encore lourds, et les hypothèses sur la modélisation de l'aléa sont discutables (choix de quelques scénarios, faible considération des valeurs extrêmes, etc.). Dans cette thèse, ces problèmes sont abordés en construisant grâce à une approche fiabiliste des relations de fragilité de différents configurations de bâtiments en béton armé (BA) sollicités par des avalanches de neige et également des relations de fragilité pour les personnes potentiellement à l'intérieur de ces bâtiments. Ces relations sont ensuite utilisées dans un cadre de quantification du risque et de recherche de structure de défense optimale. L'apport de cette thèse est donc l'enrichissement de la caractérisation de la vulnérabilité et du risque face aux avalanches par des approches de complexités variables utilisables en fonction de la spécificité du cas et du temps imparti pour conduire l'étude. La thèse est composée de quatre volets. D'abord, les courbes de fragilité associées à différents états limites de murs en BA soumis au chargement uniforme d'une avalanche sont obtenues à partir d'approches classiques de dimensionnement du BA. Ensuite, l'approche est étendue à des modèles numériques de bâtis plus riches (modèle masse-ressort) permettant de décrire en particulier l'évolution temporelle de la réponse du système. A partir de ces relations de fragilité, de nouvelles relations pour les personnes à l'intérieur de ces bâtiments sont proposées. Ces relations pour les bâtiments et les personnes sont utilisées dans une analyse complète de sensibilité du risque. Enfin, une formule analytique du risque basée sur la statistique des valeurs extrêmes est proposée pour efficacement quantifier le risque et obtenir une caractéristique optimale de digue paravalanche.

Long term avalanche risk quantification for mapping and the design of defense structures is done in mostcountries on the basis of high magnitude events. Such return period/level approaches, purely hazardoriented,do not consider elements at risk (buildings, people inside, etc.) explicitly, and neglect possiblebudgetary constraints. To overcome these limitations, risk based zoning methods and cost-benefit analyseshave emerged recently. They combine the hazard distribution and vulnerability relations for the elementsat risk. Hence, the systematic vulnerability assessment of buildings can lead to better quantify the riskin avalanche paths. However, in practice, available vulnerability relations remain mostly limited to scarceempirical estimates derived from the analysis of a few catastrophic events. Besides, existing risk-basedmethods remain computationally intensive, and based on discussable assumptions regarding hazard modelling(choice of few scenarios, little consideration of extreme values, etc.). In this thesis, we tackle theseproblems by building reliability-based fragility relations to snow avalanches for several building types andpeople inside them, and incorporating these relations in a risk quantification and defense structure optimaldesign framework. So, we enrich the avalanche vulnerability and risk toolboxes with approaches of variouscomplexity, usable in practice in different conditions, depending on the case study and on the time availableto conduct the study. The developments made are detailed in four papers/chapters.In paper one, we derive fragility curves associated to different limit states for various reinforced concrete(RC) buildings loaded by an avalanche-like uniform pressure. Numerical methods to describe the RCbehaviour consist in civil engineering abacus and a yield line theory model, to make the computations asfast as possible. Different uncertainty propagation techniques enable to quantify fragility relations linkingpressure to failure probabilities, study the weight of the different parameters and the different assumptionsregarding the probabilistic modelling of the joint input distribution. In paper two, the approach is extendedto more complex numerical building models, namely a mass-spring and a finite elements one. Hence, muchmore realistic descriptions of RC walls are obtained, which are useful for complex case studies for whichdetailed investigations are required. However, the idea is still to derive fragility curves with the simpler,faster to run, but well validated mass-spring model, in a “physically-based meta-modelling” spirit. Inpaper three, we have various fragility relations for RC buildings at hand, thus we propose new relationsrelating death probability of people inside them to avalanche load. Second, these two sets of fragilitycurves for buildings and human are exploited in a comprehensive risk sensitivity analysis. By this way,we highlight the gap that can exist between return period based zoning methods and acceptable riskthresholds. We also show the higher robustness to vulnerability relations of optimal design approaches ona typical dam design case. In paper four, we propose simplified analytical risk formulas based on extremevalue statistics to quantify risk and perform the optimal design of an avalanche dam in an efficient way. Asensitivity study is conducted to assess the influence of the chosen statistical distributions and flow-obstacleinteraction law, highlighting the need for precise risk evaluations to well characterise the tail behaviour ofextreme runouts and the predominant patterns in avalanche - structure interactions.