L'objectif de cette thèse vise à améliorer la définition des vibrations (« mouvement sismique ») sur des sites « durs » (sédiments raides ou rochers) liés à des scénarios (séismes de magnitude entre 5 et 6.5, distances inférieures à 50 kilomètres) représentatifs du contexte métropolitain français. Afin de contraindre ces mouvements sismiques sur sites « durs », une base de données accélérométriques a été construite, à partir des enregistrements accélérométriques japonais K-NET et KiK-net qui ont l'avantage d'être publiques, nombreux et de grande qualité. Un modèle de prédiction des mouvements sismiques (spectre de réponse en accélération) a été conçu à partir de cette nouvelle base. La comparaison entre modèles théoriques et observations montre la dépendance des vibrations sur sites rocheux à la fois aux caractéristiques de vitesse du site (paramètre classique décrivant la vitesse des ondes S dans les 30 derniers mètres) et aux mécanismes d'atténuation hautes fréquences (un phénomène très peu étudié jusque-là). Ces résultats confirment une corrélation entre ces deux mécanismes (les sites rocheux les plus mous atténuent plus le mouvement sismique à hautes fréquences) et nous proposons un modèle de prédiction du mouvement sismique prenant en compte l'ensemble des propriétés du site (atténuation et vitesse). Les méthodes nouvelles de dimensionnement dynamiques non linéaires (à la fois géotechniques et structurelles) ne se satisfont pas des spectres de réponse mais requièrent des traces temporelles. Dans le but de générer de telles traces temporelles, la méthode stochastique non stationnaire développée antérieurement par Pousse et al. 2006 a été revisitée. Cette méthode semi-empirique nécessite de définir au préalable les distributions des indicateurs clés du mouvement sismique. Nous avons ainsi développé des modèles de prédiction empiriques pour la durée de phase forte, l'intensité d'Arias et la fréquence centrale, paramètre décrivant la variation du contenu fréquentiel au cours du temps. Les nouveaux développements de la méthode stochastique permettent de reproduire des traces temporelles sur une large bande de fréquences (0.1-50 Hz), de reproduire la non stationnarité en temps et en fréquence et la variabilité naturelle des vibrations sismiques. Cette méthode présente l'avantage d'être simple, rapide d'exécution et de considérer les bases théoriques de la sismologie (source de Brune, une enveloppe temporelle réaliste, non stationnarité et variabilité du mouvement sismique). Dans les études de génie parasismique, un nombre réduit de traces temporelles est sélectionné, et nous analysons dans une dernière partie l'impact de cette sélection sur la conservation de la variabilité naturelle des mouvements sismiques. / The aim of this thesis is to improve the definition of vibrations ("seismic motion") on "hard" sites (hard soils or rocks) related to scenarios (earthquakes of magnitude between 5 and 6.5, distances less than 50 km) representative of the French metropolitan context.In order to constrain the seismic motions on "hard" sites, an accelerometric database was built, from the K-NET and KiK-net Japanese recordings which have the benefit of being public, numerous and high quality. A ground motion prediction equation for the acceleration response spectra was developed from this new database. The comparison between theoretical models and observations shows the dependence of vibration on rock sites in both the velocity characteristics of the site (classical parameter describing the S-wave velocity in the last 30 meters) and the high frequency attenuation mechanisms (a phenomenon little studied up to now). These results confirm a correlation between these two mechanisms (the high frequency seismic motion is more attenuated in the case of softer rock sites) and we propose a ground motion prediction equation taking into account all the properties of the site (attenuation and velocity).New methods of nonlinear dynamic analysis (both geotechnical and structural) are not satisfied with the response spectra but require time histories. To generate such time histories, the non-stationary stochastic method previously developed by Pousse et al. (2006) has been revisited. This semi-empirical method requires first to define the distributions of key indicators of seismic motion. We have developed empirical models for predicting the duration, the Arias intensity and the central frequency, parameter describing the frequency content variation over time. New developments of the stochastic method allow to reproduce time histories over a wide frequency band (0.1-50 Hz), to reproduce the non-stationarity in time and frequency and to reproduce the natural variability of seismic vibrations. This method has the advantage of being simple, fast and taking into account basic concepts of seismology (Brune's source, a realistic envelope function, non-stationarity and variability of seismic motion). In earthquake engineering studies, a small number of time histories is selected, and we analyze in the last part the impact of this selection on the conservation of the ground motion natural variability.

L'objectif de cette thèse vise à améliorer la définition des vibrations (" mouvement sismique ") sur des sites " durs " (sédiments raides ou rochers) liés à des scénarios (séismes de magnitude entre 5 et 6.5, distances inférieures à 50 kilomètres) représentatifs du contexte métropolitain français. Afin de contraindre ces mouvements sismiques sur sites " durs ", une base de données accélérométriques a été construite, à partir des enregistrements accélérométriques japonais K-NET et KiK-net qui ont l'avantage d'être publiques, nombreux et de grande qualité. Un modèle de prédiction des mouvements sismiques (spectre de réponse en accélération) a été conçu à partir de cette nouvelle base. La comparaison entre modèles théoriques et observations montre la dépendance des vibrations sur sites rocheux à la fois aux caractéristiques de vitesse du site (paramètre classique décrivant la vitesse des ondes S dans les 30 derniers mètres) et aux mécanismes d'atténuation hautes fréquences (un phénomène très peu étudié jusque-là). Ces résultats confirment une corrélation entre ces deux mécanismes (les sites rocheux les plus mous atténuent plus le mouvement sismique à hautes fréquences) et nous proposons un modèle de prédiction du mouvement sismique prenant en compte l'ensemble des propriétés du site (atténuation et vitesse). Les méthodes nouvelles de dimensionnement dynamiques non linéaires (à la fois géotechniques et structurelles) ne se satisfont pas des spectres de réponse mais requièrent des traces temporelles. Dans le but de générer de telles traces temporelles, la méthode stochastique non stationnaire développée antérieurement par Pousse et al. 2006 a été revisitée. Cette méthode semi-empirique nécessite de définir au préalable les distributions des indicateurs clés du mouvement sismique. Nous avons ainsi développé des modèles de prédiction empiriques pour la durée de phase forte, l'intensité d'Arias et la fréquence centrale, paramètre décrivant la variation du contenu fréquentiel au cours du temps. Les nouveaux développements de la méthode stochastique permettent de reproduire des traces temporelles sur une large bande de fréquences (0.1-50 Hz), de reproduire la non stationnarité en temps et en fréquence et la variabilité naturelle des vibrations sismiques. Cette méthode présente l'avantage d'être simple, rapide d'exécution et de considérer les bases théoriques de la sismologie (source de Brune, une enveloppe temporelle réaliste, non stationnarité et variabilité du mouvement sismique). Dans les études de génie parasismique, un nombre réduit de traces temporelles est sélectionné, et nous analysons dans une dernière partie l'impact de cette sélection sur la conservation de la variabilité naturelle des mouvements sismiques.

Ce projet de recherche contribue à la caractérisation du mouvement sismique. Le travail s'appuie sur deux réseaux japonais, où les événements retenus ont une profondeur inférieure à 25 km et une magnitude comprise entre 4,0 et 7,3. L'analyse de K-net permet de calculer une relation prédictive d'accélération spectrale afin de tester les formes spectrales forfaitaires de l'Eurocode 8. Nous mettons en évidence le contenu haute fréquence des signaux japonais et le rôle des sols dans l'amplification spectrale à basse fréquence. De plus, nous développons une méthode empirique de génération stochastique d'accélérogrammes synthétiques non-stationnaires qui permet d'obtenir pour une magnitude, une distance et un type de sol, plusieurs enregistrements susceptibles d'être générés au site considéré. Par ailleurs, l'exploitation des enregistrements de profondeur de Kik-net permet d'explorer la question du domaine de validité des modèles prédictifs et de préciser le cas où on extrapole les prédictions. Enfin, nous étudions le comportement non-linéaire des sols.

Deux approches sont mises en oeuvre pour calculer le mouvement sismique associé à un séisme de référence en considérant les conditions locales du site étudié : " loi empirique " et " site spécifique". Dans la première partie de la thèse (approche " loi empirique"), de nouvelles lois d'atténuation sont déterminées à l'aide des données du réseau japonais K-NET. La classification de site se fait à l'aide de VS 30 (célérité moyenne des ondes de cisaillement sur 30 mètres de profondeur) mesuré in situ et/ou de Fo (fréquence prédominante du site déterminée à l'aide d'enregistrements de séismes). A l'aide de ces deux paramètres, de nouveaux systèmes de classification de site sont proposés et appliqués au spectre de réponse en accélération, ainsi qu'à d'autres paramètres de description du mouvement sismique (durée, intensité, etc). Dans la deuxième partie de la thèse le site étudié est décrit par un milieu stratifié horizontal composé de couches homogènes dont le comportement est modélisé par simulation numérique. Trois codes de calcul sont utilisés pour évaluer l'effet de site non linéaire : SHAKE (linéaire équivalent), NOAH et CYBEROUAKE (non linéaires). Les tests réalisés dans cette partie ont mis en évidence les faiblesses du modèle linéaire-équivalent par rapport aux modèles non linéaires pour les fréquences supérieures à 5 Hz. Par ailleurs, des calculs effectués à partir d'enregistrements obtenus à Port Island et Kushiro Port (Japon) ont montré l'intérêt d'utiliser des enregistrements obtenus en profondeur pour réaliser des calculs non linéaires. A la suite de ces tests, le site du Synchrotron (Grenoble) est étudié afin d'évaluer l'influence du comportement mécanique des couches superficielles de sol sur le mouvement sismique. Il ressort de cette étude que le mouvement sismique prévisible sur le site étudié dépend davantage de l'effet de site global dû à la géométrie tri-dimensionnelle de la cuvette grenobloise que de l'effet de site local (sols superficiels).