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Enhancing Nuclear Safety


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3D modelling of the propagation of seismic waves in linear and non-linear environments

Elif Oral has defended her thesis on 1st December 2016 at Paris-Est Marne-la-Vallée University.​

Document type > *Mémoire/HDR/Thesis

Keywords >

Research Unit > IRSN/PRP-DGE/SCAN/BERSSIN

Authors > ORAL Elif

Publication Date > 01/12/2016

Summary

L’aléa sismique est l’un des plus importants désastres naturels qui affectent une grande population partout dans le monde. Pour cette raison, la prédiction du mouvement sismique revêt une grande importance dans l’évaluation de l’aléa sismique dans les zones à forte densité de population, qui pourraient se localiser où les conditions de site suscitent la susceptibilité à l’amplification sismique. Ce dernier fait partie des facteurs les plus importants en ce qui concerne le mouvement sismique conséquent. Lorsque le champ d’onde incident est suffisamment fort et la résistance du sol est relativement faible, le comportement non-linéaire introduit des changements considérables tels que l’endommagement du sol et pour les sols saturés granulaires la mobilité cyclique et la liquéfaction.

Dans ce travail, j’étudie la modélisation numérique de la propagation des ondes sismiques dans des milieux complexes en 1D/2D en prenant en compte le comportement non-linéaire du sol et en me basant sur la méthode des éléments spectraux (SEM). De plus, sous les sollicitations sismiques très fortes, le paramètre de pression interstitielle, qui pourrait emmener le sol aux phénomènes de liquéfaction, devient très important pour les sols saturés. Dans cette étude, dans un premier temps, la propagation des ondes sismiques est modélisée sur une composante (1C) dans les milieux linéaires et non-linéaires en utilisant la méthode numérique des éléments spectraux. Les rhéologies viscoélastiques et non-linéaires sont implémentées par la méthode de technique des variables de mémoire et le modèle élastoplastique d’Iwan, respectivement. Ensuite, le modèle 1D - trois composantes (3C) est développé et une comparaison préalable sur l’effet de la considération des approches 1C et 3C est faite. L’effet de pression interstitielle est implémenté dans le code 1D-3C et le site américain Wildlife Refuge Liquefaction Array (WRLA), qui a été frappé par le séisme de Superstition Hills en 1987 a été étudié. Le changement de la réponse du sol sous les différentes hypothèses de rhéologie du sol et de mouvement d’entrée est étudié. Le mouvement calculé est noté d’être amplifié pour les basses fréquences et atténué pour les hautes fréquences en raison de l’excès de pression interstitielle dans les sols liquéfiables. Par ailleurs, il a été conclu que le sol est plus non-linéaire sous le chargement triaxial dans l’approche 3C et plus dilatant dû à la non-linéarité élevée. En dépit de la similitude entre les accélérations et les vitesses en surface des approches 1C et 3C, une importante différence dans le déplacement en surface entre les deux approches est notée. Les analyses sont répétées pour deux sites japonais Kushiro Port et Onahama Port, qui ont été influencés par le séisme de Kushiro-Oki en 1993 et le séisme de la côte Pacifique de Tohoku en 2011, respectivement.

Il a été montré que les changements apportés par la non-linéarité ne sont pas identiques dans toute la gamme de fréquence concernée et l’influence du comportement des sols non-cohésives sur la propagation des ondes sismiques dépend fortement des propriétés du modèle et des conditions de chargement. Dernièrement, le code SEM est avancé en 2D en considérant les mêmes modèles implémentés en 1D-3C pour la non-linéarité du sol et les effets de pression interstitielle. Le code SEM 2D est mis en application dans un modèle de bassin sédimentaire dont la géométrie est asymétrique et le profil du sol est composé des couches possédant différentes propriétés non-linéaires. La propagation des ondes de P-SV et SH a été analysée sur le modèle en considérant des conditions de sol sec (analyse de contrainte totale) et saturé (analyse de contrainte effective). La différentiation du mouvement calculé en surface est très dépendante de conditions de chargement. L’analyse de contrainte effective résulte en plus de déformations dans les couches superficielles par rapport à l’analyse totale. De plus, la non-linéarité des matériaux est traduite par la diminution de la vitesse sismique qui prolongerait la durée de propagation des ondes à l’intérieur du bassin et les réflexions aux frontières de bassin-rocher entraînent plus de non-linéarité dans les coins du bassin.

Cette thèse révèle la possibilité de la modélisation du comportement non-linéaire du sol en prenant en compte l’effet de pression interstitielle dans les études de la propagation des ondes sismiques en couplant les modèles différents avec la méthode des éléments spectraux. Ces analyses contribuent à l’identification et la compréhension des phénomènes majeures qui se déroulent dans les couches superficielles en respectant les conditions locales et les mouvements d’entrées, ce qui rend ce travail très important pour les études spécifiques de sites.

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