Approche numérique des effets de site dans des vallées 2D : impacts sur l'endommagement de différent types de bâtiment

Mitigation of seismic risk components related to the building damages in sedimentary valleys needs an accurate estimation of buildings response accounting for seismic ground motion amplification in near-surface geological deposits. Current building seismic codes and seismic hazard analysis are mainly using proxies to account for 1D soil response (1D site effects) in seismic design spectra. In 2D sedimentary valleys, the finite lateral confinement of surface geological deposits leads to valley edge generated diffracted surface waves that are horizontally trapped within the valley in addition to body waves reverberation (1D site effects), leading to an increase of ground motion amplification and duration lengthening compared to 1D site effects. These 2D dimensional site effects are not yet accounted in seismic hazard assessment nor seismic design. This PhD thesis focus on better understanding and quantifying building damages in 2D valleys, especially the difference of damages caused by 1D and 2D site effects. For vertically incident SH plane waves, 1D and 2D impulse time responses at several receivers at free surface for an extensive suite of different 2D valleys in terms of geometrical and elastic properties have been computed within the EU NERA project. These impulse time responses have been convolved with input synthetic earthquakes spanning a wide range of magnitude and epicenter distances. Maximum top displacement at various buildings (reinforced concrete, steels…) from RISK-EU and HAZUS typologies have then been computed and, hence, damage states on outcropping rock, 1D sites and 2D valleys. Several other indicators related to the seismic ground motion at outcropping rock and sediments, geometrical and elastic properties of valleys, have been extracted along with computation of damage states.From the resulting huge database, we show that, while the input ground motion intensities (PGA, Arias Intensity) and the coincidence of frequencies between building and soil are the key factors to explain differences of damages between rock and soil, for 1D and 2D valleys, the spatial distribution of over-damage between 2D and 1D soil structures is mainly controlled by the velocity contrast between sediment and rock, the narrowness of the valley and the angle of the valley slope. Maximum over-damage occurs near the valley edges and in the center of the valley (especially for the narrowest valleys) while under-damage is observed on the steepest valley slopes. These over-damages occur for ratios between 1D fundamental soil and building fundamental frequencies greater than 1, as a direct consequence of 2D site effects that amplify ground motion over a wide frequency range beyond the 1D resonance frequency. This mechanism is as strong as the valley is narrow and the velocity contrast is large. We highlight the control of surface waves diffracted on the valley edges and trapped inside the valley on the over-damage and the body waves wedge effects occurring on the edges on the lower-damage. The over- or under-damage effects are not found to be sensitive to building typologies, which opens the perspective to develop “damage aggravation factor” to account for the 2D site effects in building damages distribution compared to 1D site effects, whatever the building type.This study's last objective is to extract, from in situ measurements, the resonance frequencies of the 2 main building typologies (RC and steel) in Tehran city (Iran), which is located on a 3D deep sedimentary basin. The results are compared to the Iranian seismic code and worldwide empirical relationships, leading us to include the Iranian buildings' horizontal sizes in the empirical relationships.La réduction de la composante du risque sismique liée aux dommages causés aux bâtiments dans les vallées sédimentaires nécessite une estimation précise de la réponse des bâtiments tenant compte de l'amplification des mouvements sismiques dans les dépôts géologiques de surface. Les codes parasismiques actuels et les études d'aléa sismique utilisent principalement des proxys pour tenir compte de la réponse sismique 1D (effets de site 1D) dans les spectres réponse. Dans les vallées sédimentaires 2D, le confinement latéral des dépôts géologiques conduit à la génération d’ondes de surface diffractées sur les bords de vallée qui sont piégées dans la vallée, ce qui, en plus de de la réverbération des ondes de volume (effets de site 1D), entraîne une amplification et un allongement de la durée du mouvement sismique par rapport aux effets de site 1D. Ces effets de site 2D ne sont pas encore pris en compte dans l'évaluation de l’aléa sismique et la conception parasismique. Cette thèse propose de mieux comprendre et quantifier les dommages aux bâtiments dans les vallées 2D, en particulier la différence entre les dommages causés par les effets de site 1D et 2D. Dans le cadre du projet européen NERA, des réponses impulsionnelles temporelles 1D et 2D ont été calculées sur plusieurs récepteurs à la surface libre pour un grand nombre de vallées 2D différentes en termes de propriétés géométriques et élastiques. Ces réponses impulsionnelles ont été convoluées avec des séismes synthétiques couvrant une large gamme de magnitude et de distances épicentrales. Le déplacement maximal au sommet de bâtiments (béton armé, aciers...) issus des typologies RISK-UE et HAZUS est ensuite calculé ainsi que les dommages au rocher, dans les structures 1D et les vallées 2D. Outre le calcul des dommages, plusieurs autres indicateurs liés au mouvement du sol au rocher et aux sediments et aux propriétés géométriques et élastiques des vallées ont été extraits.À partir de la base de données ainsi construite, nous montrons que, si l’intensité de mouvement du sol et la coïncidence des fréquences entre le bâtiment et le sol sont les facteurs clés expliquant les différences de dommages entre les sédiments et le rocher pour les vallées 1D et 2D, la distribution spatiale des sur-endommagements entre les vallées 2D et 1D est principalement contrôlée par le contraste de vitesse entre les sédiments et le rocher, l'étroitesse de la vallée et la pente des bords de la vallée. Les sur-endommagements maximaux se produisent près des bords de vallées et à leur centre (en particulier pour les vallées les plus étroites) tandis que les sous-endommagements sont observés sur les pentes les plus fortes. Ces sur-endommagements se produisent principalement pour des rapports entre fréquences des sols 1D et des bâtiments supérieures à 1, conséquence des effets de site 2D qui amplifient le mouvement du sol sur une large gamme de fréquences au-delà de la fréquence de résonance 1D. Ce mécanisme est d'autant plus fort que la vallée est étroite et que le contraste de vitesse est important. Nous montrons le contrôle des ondes de surface diffractées sur les bords de la vallée sur les sur-endommagements ainsi que les effets de bord de vallée sur les sous-endommagements. Les effets de sur- ou de sous-endommagement ne dependent pas des typologies de bâtiments, ouvrant la perspective de développement de "facteur d'aggravation de dommages" visant à inclure les effets de site 2D dans la distribution des dommages , quel que soit le type de bâtiment. Le dernier objectif de cette thèse vise à extraire, à partir de mesures in situ, les fréquences de résonance des 2 principales typologies de bâtiments (RC et acier) dans la ville de Téhéran (Iran) située sur un bassin sédimentaire 3D profond. Les résultats, comparés au code parasismique iranien et aux relations empiriques existantes dans le monde, montrent la nécessité d’inclure les dimensions horizontales des bâtiments iraniens dans les relations empirique

Impact of site effects in 2D valleys on building damages distribution : a numerical approach

La réduction de la composante du risque sismique liée aux dommages causés aux bâtiments dans les vallées sédimentaires nécessite une estimation précise de la réponse des bâtiments tenant compte de l'amplification des mouvements sismiques dans les dépôts géologiques de surface. Les codes parasismiques actuels et les études d'aléa sismique utilisent principalement des proxys pour tenir compte de la réponse sismique 1D (effets de site 1D) dans les spectres réponse. Dans les vallées sédimentaires 2D, le confinement latéral des dépôts géologiques conduit à la génération d’ondes de surface diffractées sur les bords de vallée qui sont piégées dans la vallée, ce qui, en plus de de la réverbération des ondes de volume (effets de site 1D), entraîne une amplification et un allongement de la durée du mouvement sismique par rapport aux effets de site 1D. Ces effets de site 2D ne sont pas encore pris en compte dans l'évaluation de l’aléa sismique et la conception parasismique. Cette thèse propose de mieux comprendre et quantifier les dommages aux bâtiments dans les vallées 2D, en particulier la différence entre les dommages causés par les effets de site 1D et 2D. Dans le cadre du projet européen NERA, des réponses impulsionnelles temporelles 1D et 2D ont été calculées sur plusieurs récepteurs à la surface libre pour un grand nombre de vallées 2D différentes en termes de propriétés géométriques et élastiques. Ces réponses impulsionnelles ont été convoluées avec des séismes synthétiques couvrant une large gamme de magnitude et de distances épicentrales. Le déplacement maximal au sommet de bâtiments (béton armé, aciers...) issus des typologies RISK-UE et HAZUS est ensuite calculé ainsi que les dommages au rocher, dans les structures 1D et les vallées 2D. Outre le calcul des dommages, plusieurs autres indicateurs liés au mouvement du sol au rocher et aux sediments et aux propriétés géométriques et élastiques des vallées ont été extraits.À partir de la base de données ainsi construite, nous montrons que, si l’intensité de mouvement du sol et la coïncidence des fréquences entre le bâtiment et le sol sont les facteurs clés expliquant les différences de dommages entre les sédiments et le rocher pour les vallées 1D et 2D, la distribution spatiale des sur-endommagements entre les vallées 2D et 1D est principalement contrôlée par le contraste de vitesse entre les sédiments et le rocher, l'étroitesse de la vallée et la pente des bords de la vallée. Les sur-endommagements maximaux se produisent près des bords de vallées et à leur centre (en particulier pour les vallées les plus étroites) tandis que les sous-endommagements sont observés sur les pentes les plus fortes. Ces sur-endommagements se produisent principalement pour des rapports entre fréquences des sols 1D et des bâtiments supérieures à 1, conséquence des effets de site 2D qui amplifient le mouvement du sol sur une large gamme de fréquences au-delà de la fréquence de résonance 1D. Ce mécanisme est d'autant plus fort que la vallée est étroite et que le contraste de vitesse est important. Nous montrons le contrôle des ondes de surface diffractées sur les bords de la vallée sur les sur-endommagements ainsi que les effets de bord de vallée sur les sous-endommagements. Les effets de sur- ou de sous-endommagement ne dependent pas des typologies de bâtiments, ouvrant la perspective de développement de "facteur d'aggravation de dommages" visant à inclure les effets de site 2D dans la distribution des dommages , quel que soit le type de bâtiment. Le dernier objectif de cette thèse vise à extraire, à partir de mesures in situ, les fréquences de résonance des 2 principales typologies de bâtiments (RC et acier) dans la ville de Téhéran (Iran) située sur un bassin sédimentaire 3D profond. Les résultats, comparés au code parasismique iranien et aux relations empiriques existantes dans le monde, montrent la nécessité d’inclure les dimensions horizontales des bâtiments iraniens dans les relations empiriquesMitigation of seismic risk components related to the building damages in sedimentary valleys needs an accurate estimation of buildings response accounting for seismic ground motion amplification in near-surface geological deposits. Current building seismic codes and seismic hazard analysis are mainly using proxies to account for 1D soil response (1D site effects) in seismic design spectra. In 2D sedimentary valleys, the finite lateral confinement of surface geological deposits leads to valley edge generated diffracted surface waves that are horizontally trapped within the valley in addition to body waves reverberation (1D site effects), leading to an increase of ground motion amplification and duration lengthening compared to 1D site effects. These 2D dimensional site effects are not yet accounted in seismic hazard assessment nor seismic design. This PhD thesis focus on better understanding and quantifying building damages in 2D valleys, especially the difference of damages caused by 1D and 2D site effects. For vertically incident SH plane waves, 1D and 2D impulse time responses at several receivers at free surface for an extensive suite of different 2D valleys in terms of geometrical and elastic properties have been computed within the EU NERA project. These impulse time responses have been convolved with input synthetic earthquakes spanning a wide range of magnitude and epicenter distances. Maximum top displacement at various buildings (reinforced concrete, steels…) from RISK-EU and HAZUS typologies have then been computed and, hence, damage states on outcropping rock, 1D sites and 2D valleys. Several other indicators related to the seismic ground motion at outcropping rock and sediments, geometrical and elastic properties of valleys, have been extracted along with computation of damage states.From the resulting huge database, we show that, while the input ground motion intensities (PGA, Arias Intensity) and the coincidence of frequencies between building and soil are the key factors to explain differences of damages between rock and soil, for 1D and 2D valleys, the spatial distribution of over-damage between 2D and 1D soil structures is mainly controlled by the velocity contrast between sediment and rock, the narrowness of the valley and the angle of the valley slope. Maximum over-damage occurs near the valley edges and in the center of the valley (especially for the narrowest valleys) while under-damage is observed on the steepest valley slopes. These over-damages occur for ratios between 1D fundamental soil and building fundamental frequencies greater than 1, as a direct consequence of 2D site effects that amplify ground motion over a wide frequency range beyond the 1D resonance frequency. This mechanism is as strong as the valley is narrow and the velocity contrast is large. We highlight the control of surface waves diffracted on the valley edges and trapped inside the valley on the over-damage and the body waves wedge effects occurring on the edges on the lower-damage. The over- or under-damage effects are not found to be sensitive to building typologies, which opens the perspective to develop “damage aggravation factor” to account for the 2D site effects in building damages distribution compared to 1D site effects, whatever the building type.This study's last objective is to extract, from in situ measurements, the resonance frequencies of the 2 main building typologies (RC and steel) in Tehran city (Iran), which is located on a 3D deep sedimentary basin. The results are compared to the Iranian seismic code and worldwide empirical relationships, leading us to include the Iranian buildings' horizontal sizes in the empirical relationships

Characterization of site conditions (soil class, VS30, velocity profiles) for 33 stations from the French permanent accelerometric network (RAP) using surface-wave methods

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