Vers des métamatériaux sismiques : des forêts aux parcs éoliens en passant par les villes

Towards Seismic Metamaterials : From Forests to Wind Farms to Cities

• Auteur / Autrice : Shoaib Ayjaz Mohammed
• Direction : Philippe Roux, Stefano Parolai
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'univers, et de l'environnement
• Date : Soutenance le 26/09/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la Terre (Grenoble, Isère, France ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Coutant
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marco Pilz, Eleni Chatzi, Malgorzata Chmiel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Julien de Rosny, Agnès Maurel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Villes

Géophysique

Ondes sismiques

Métamatériaux

Mots clés libres

Zones urbaines

Simulations numériques

Données géophysiques

Métamatériaux

Traitement d'antenne

Ondes sismiques

Geophysical Data

Numerical Simulation

Seismic Waves

Metamaterials

Urban Areas

Array Processing

Résumé

Il est bien établi que la présence d'un agglomérat urbain modifie considérablement le mouvement du sol en champ libre à l'échelle de la ville. Chaque bâtiment peut se comporter comme un résonateur, piégeant une petite fraction des ondes sismiques qui est réémise dans le sol. Mais lorsque les grands bâtiments sont densément regroupés, comme c'est le cas dans une ville, peut-on s'attendre à ce que les ondes de surface interagissent avec eux de manière inhabituelle ? Peut-être que oui. Il est prouvé que le couplage par résonance entre des structures vibrantes telles que les arbres peut entraîner une dispersion anormale des ondes de surface, les rendant évanescentes dans certaines bandes de fréquence. Ces milieux sont appelés ''méta-matériaux sismiques à résonance locale'', et le comportement collectif lorsque plusieurs structures sont présentes à l'intérieur d'une longueur d'onde sismique correspond à la physique observée à l'échelle du laboratoire pour les ondes élastiques dans une plaque sur laquelle est fixée un ensemble de tiges.Cette thèse de doctorat se concentre sur la physique des méta-matériaux à l'échelle géophysique (quelques mètres à quelques kilomètres) dans le contexte de la sismologie urbaine. En partant d'un problème relativement bien compris de diffusion d'ondes élastiques due à des obstacles de surface peu profonds, nous expliquons comment des colonnes enterrées peuvent résonner lorsqu'elles sont fixées à un demi-espace plus rigide. Nous excitons sélectivement le mode fondamental dominant de l'onde de Rayleigh en utilisant le retournement temporel et le réseau de sources en phase. Cela nous permet de quantifier la diffusion due à une colonne bridée, qui présente des pics de résonance dans le régime de Mie.Nous analysons les enregistrements de bruit ambiant à l'intérieur d'une forêt dense et à l'intérieur de parcs éoliens, qui servent de substituts à une ville avec de hauts bâtiments. Tout d'abord, nous revisitons l'ensemble des données acquises à partir de réseaux denses déployés dans la forêt des Landes, caractérisée par une configuration dense de pins. Nous observons un champ évanescent rayonné par les résonances longitudinales des arbres, comme prévu dans une méta-surface élastique. En revanche, les résonances de flexion des arbres dans le régime 1-10 Hz semblent faiblement couplées. L'analyse par beamforming d'un enregistrement de bruit ambiant sur 9 jours révèle une forte anisotropie azimutale des ondes de Rayleigh (> 10 %) dans la forêt. Cependant, l'identification de la source précise de l'anisotropie avec les données de terrain disponibles s'avère difficile et des simulations numériques semblent nécessaires.Nous étendons ensuite l'hypothèse des résonateurs couplés à une forêt d'éoliennes. Nous avons d'abord acquis des données à partir d'un réseau relativement peu dense qui traverse le parc éolien de San Gorgonio Pass en Californie. Cependant, l'analyse du rapport spectral et la corrélation du bruit des paires de géophones ne suggèrent aucun effet de méta-matériaux, ce qui pourrait être dû à la configuration spatiale des éoliennes. Nous réalisons une expérience sur le terrain dans le parc éolien de Nauen, dans le Brandebourg, qui abrite des turbines beaucoup plus grandes. L'échantillonnage spatial dense des capteurs à fibre optique DAS nous donne des indications intéressantes sur le rayonnement en champ proche des turbines. Le champ de surface s'atténue fortement dans des bandes de fréquences distinctes, ce qui suggère un effet de type méta-matériaux à l'intérieur du parc éolien.Les études expérimentales et numériques de cette thèse contribuent directement à la compréhension de la manière dont les ondes sismiques de surface interagissent avec les caractéristiques spécifiques du paysage urbain, dans la perspective nouvelle de la physique des méta-matériaux. Les résultats pourraient avoir des implications pour les risques sismiques dans les zones urbaines.

It is well established that the presence of the urban agglomerate significantly modifies the free-field ground motion at the city scale. Each building can behave as a resonator, trapping a small fraction of seismic surface waves that is reradiated into the ground. But when tall buildings are densely clustered, like in a city, can we anticipate surface waves to interact with them in unusual ways? Perhaps yes. Evidence suggests resonance coupling between vibrating structures, like trees, can lead to anomalous dispersion of surface waves causing them to become evanescent in certain frequency bands. Such media are called `locally-resonant' seismic metamaterials, and the collective behavior when several structures are present inside one seismic wavelength corresponds to the physics observed at the lab-scale for elastic waves in a plate with a set of rods attached to it.This doctoral thesis focuses on metamaterial physics at the geophysics scale (a few meters to a few kilometers) in the urban seismology context. Starting with a relatively well understood problem of elastic wave scattering due to buried inclusions, we explain how buried columns called `piles' can resonate when clamped to a stiffer half-space. We demonstrate with 2D simulations a methodology to preferentially excite the dominant fundamental Rayleigh wave mode using time-reversal and a phased source array. This allows us to numerically quantify the scattering due to a clamped pile, which shows resonance peaks in the Mie regime.We then analyze ambient noise recordings from (a) a forest of pine trees and (b) wind farms, which act as proxies for a city with tall buildings. First, we revisit the dataset acquired from dense arrays deployed in the Landes forest characterized by a dense pine tree configuration. We observe an evanescent field radiated by the longitudinal resonances of trees, as expected in an elastic metasurface. On the contrary, flexural resonances of trees in the 1-10 Hz regime, appear to be weakly coupled. Plane-wave beamforming analysis of a 9-day ambient noise recording reveals a strong cos 2θ Rayleigh wave azimuthal anisotropy (>10%) in the forest. However, identifying the precise source of the anisotropy with the available field data proves challenging and numerical simulations seem necessary.We then extend the hypothesis of coupled resonators to a forest of wind turbines. We initially acquire data from a relatively sparse array cutting across the San Gorgonio Pass wind farm in California. However, the spectral ratio analysis and noise correlation of geophone pairs do not suggest any metamaterial effect, which could be due to the spatial configuration of the turbines. We perform a field experiment in the Nauen wind farm in Brandenburg, which hosts much larger turbines. The dense spatial sampling from the DAS fiber-optic sensors gives us interesting insights into the near-field radiation of the turbines. The surface field strongly attenuates in distinct frequency bands, suggesting a metamaterial-like effect inside the wind farm.Finally, we conduct a field experiment that aims to understand the interaction between the ground and a simple resonator. Both active and passive data is acquired by designing three suitable array configurations for the different phases of the experiment, which we use to evaluate the dynamic response of the structure and the soil. Through this effort, we generate a quality dataset in a controlled environment for future investigation of soil-structure interaction.The experimental and numerical studies in this thesis directly contribute to the understanding of how seismic surface waves interact with specific features of an urban-like landscape from the novel perspective of metamaterial physics. The results might have important implications for seismic hazard in urban areas.