Earthquake is undoubtedly one of the greatest natural disasters that can induce serious structural damage and huge losses of properties and lives. The resulting destructive consequences not only have made structural seismic analysis and design much more important but have impelled the necessity of more realistic representation of ground motions, such as inclusion of ground motion spatial variations in earthquake modelling and seismic analysis and design of structures. Recorded seismic ground motions exhibit spatial variations in their amplitudes and phases, and the spatial variabilities have an important effect on the responses of structures extended in space, such as long span bridges. Because of the multi-parametric nature and the complexity of the problems, the development of specific design provisions on spatial variabilities of ground motions in modern seismic codes has been impeded. Eurocode 8 is currently the only seismic standard worldwide that gives a set of detailed guidelines to explicitly tackle spatial variabilities of ground motions in bridge design, providing both a simplified design scheme and an analytical approach. However, there is gap between the code-specified provisions in Eurocode 8 and the realistic representation of spatially varying ground motions (SVGM) and the corresponding stochastic vibration analysis (SVA) approaches. This study is devoted to bridge this gap on modelling of SVGM and development of SVA approaches for structures extended in space under SVGM. A complete and realistic SVGM representation approach is developed by accounting for the incoherence effect, wave-passage effect, site-response effect, ground motion nonstationarity, tridirectionality, and spectra-compatibility. This effort brings together various aspects regarding rational seismic scenarios determination, comprehensive methods of accounting for varying site effects, conditional modelling of SVGM nonstationarity, and code-specified ground motion spectra-compatibility. A comprehensive, systematic, and efficient SVA methodology is derived for long span structures under tridirectional nonstationary SVGM. An absolute-response-oriented scheme of pseudo-excitation method and an improved high precision direct integration method are proposed to reduce the enormous computational effort of conventional nonstationary SVA. A scheme accounting for tridirectional varying site-response effect is incorporated in the nonstationary SVA scheme systematically. The proposed highly efficient and accurate SVA approach is implemented and verified in a general finite element analysis platform to make it readily applicable in SVA of complex structures. Based on the proposed SVA approach, parametric studies of two practical long span bridges under SVGM are conducted. To account for spatial randomness and variability of soil properties in soil-structure interaction analysis of structures under SVGM, a meshfree-Galerkin approach is proposed within the Karhunen-Loeve expansion scheme for representation of spatial soil properties modelled as a random field. The meshfree shape functions are proposed as a set of basis functions in the Galerkin scheme to solve integral equation of Karhunen-Loeve expansion, with a proposed optimization scheme in treating the compatibility between the target and analytical covariance models. The accuracy and validity of the meshfree-Galerkin scheme are assessed and demonstrated by representation of covariance models for various homogeneous and nonhomogeneous spatial fields. The developed modelling approaches of SVGM and the derived analytical SVA approaches can be applied to provide more refined solutions for quantitatively assessing code-specified design provisions and developing new design provisions. The proposed meshfree-Galerkin approach can be used to account for spatial randomness and variability of soil properties in soil-structure interaction analysis.

Les effets de site peuvent augmenter fortement la durée et l’amplitude des sollicitations sismiques imposées aux structures. Les effets de site 2D-3D induisent des amplifications sur une large bande de fréquence qui ne peuvent pas être simulées numériquement jusqu’à haute fréquence (>2-4 Hz) du fait de la limite de résolution des connaissances géologiques, géophysiques et/ou géotechniques du sous-sol. Les évaluations empiriques des effets de site sont donc indispensables pour pouvoir observer ce phénomène complexe de façon fiable jusqu’à haute fréquence. De telles évaluations nécessitent l'enregistrement de bonne qualité de nombreux séismes ce qui rend leur obtention rapide difficile dans les régions faiblement actives.Ce travail présente une analyse comparative de ces évaluations empiriques sur deux sites très différents, l’un en contexte sismique modéré (Provence, France) et l’autre en contexte très actif (Céphalonie, Grèce). Sur le site provençal, 500 séismes ont pu être enregistrés en l’espace de 2½ ans grâce à l’utilisation de vélocimètres. Une mesure du paramètre d’atténuation de site k_0 a ainsi pu être réalisée via l’analyse des spectres en accélération (k_(0_AS)) et en déplacement (k_(0_DS)). La mesure de k_0 n’est relativement fiable que sur les sites au rocher du fait des amplifications de site au sédiment. La méthode des rapports spectraux sismique (SSR) permet l’évaluation des effets de site relatif à partir des nombreux enregistrements de mouvement faible. Les résultats montrent une forte variabilité épistémique attribuable à l’éclairage induit par la position de la source sismique vis-à-vis du bassin. Ainsi, une estimation fiable de la réponse des sites est possible à partir de quelques évènements seulement dans le cas 1D, mais nécessite un nombre beaucoup plus important de séismes répartis de façon homogène autour du site dans les cas 2D-3D. Les résultats SSR moyens sont ensuite comparés à ceux issus des méthodes utilisant le bruit ambiant. Conformément aux attentes, la méthode des rapports spectraux H/V (HVSR) ne permet que de caractériser la fréquence fondamentale pour certains sites. À l’inverse, la méthode SSR appliquée au bruit ambiant (SSRn) montre des résultats très comparables à ceux de la méthode SSR jusqu’à haute fréquence à la condition que le site de référence soit pris dans le bassin sédimentaire. Les approches par corrélation de bruit (cohérence et ANIRF) révèlent qu’une estimation de la fonction de transfert relative à un site de référence au rocher est possible au moins jusqu’à basse fréquence (<4 Hz). L’utilisation du bruit ambiant permet ainsi d’envisager l’évaluation rapide de la réponse des sites et de sa variabilité spatiale (microzonage), même lorsque la sismicité est faible. Partout, les méthodes empiriques d’évaluation des effets de site apportent un complément essentiel aux approches numériques qui reste indispensables.Ces résultats permettent de proposer une méthodologie d’évaluation de l’aléa sismique site-spécifique qui se décompose en trois étapes principales : (i) ajustement des équations de prédictions de mouvement du sol (GMPEs) sur le site de référence au rocher au moyen, entre autres, de k_(0_DS) ; (ii) évaluation empirique fiable de la réponse d’au moins un site dans le bassin relativement au site de référence (pour lequel les GMPEs ont été ajustées) par la méthode SSR; (iii) réalisation de cette évaluation à partir de l’ANIRF dans les régions les moins actives sismiquement et/ou extension à toute la zone d’étude à partir du SSRn. Cette méthodologie permet d’envisager une bien meilleure prise en compte des effets de site (en particulier 2D-3D) et une réduction importante des incertitudes dans les évaluations de l’aléa sismique spécifique à un site. Elle nécessite simplement l’enregistrement simultané de séismes sur au moins deux sites équipé de vélocimètres sensibles, et la réalisation de campagnes de mesure temporaire du bruit ambiant, si nécessaire. / Site effects can greatly increase both the duration and the amplitude of the seismic solicitation imposed on structures. 2D-3D site effects induce broadband amplifications that cannot be simulated up to high frequency (>2-4 Hz) due to the limited resolution of the geological, geophysical and/or geotechnical information. Empirical site effect assessment is therefore essential for reliable observations of this complex phenomenon up to high frequency. However, such assessments often require good quality records from many earthquakes that cannot be rapidly obtained in low seismicity areas.This work presents a comparative analysis of these empirical evaluations on two very different sites, the first in a moderate seismicity context (Provence, France) and the second in a very active context (Kefalonia, Greece). For the Provençal site, nearly 500 earthquakes were recorded in only 2½ years thanks to the use of velocimeters. The site attenuation parameter κ_0 could thus be measured both on the acceleration (κ_(0_AS)) and displacement (κ_(0_DS)) spectra. Our results show that the measurement of κ_0 is relatively reliable on rock sites only, mainly due to the too great disturbance by the amplification for sedimentary sites, even for those that are quite stiff. The standard spectral ratio (SSR) approach provides the relative site effects from the numerous weak motion recordings available at sites located in Provence and Kefalonia. The results show a strong epistemic variability due to the lighting induced by the position of the seismic source with respect to the basin. Thus, while a reliable site response estimation is possible from only a few events for 1D geometries, it requires much more earthquakes evenly distributed around the site when the geometry is 2D-3D. The mean SSR results are then compared with those obtained from methods using the ambient noise. As expected, the H/V spectral ratio approach (HVSR) provides only the fundamental frequency for some sites. Conversely, SSR applied to ambient noise (SSRn) shows very similar results to the SSR method up to high frequency, provided that the reference site is taken in the sedimentary basin. Approaches using the noise correlation (coherence and ANIRF) reveal that the transfer function relative to a rock reference site can be estimated at least up to low frequency (<4 Hz). Methods using ambient noise are promising for a rapid evaluation of the site response and its spatial variability (microzoning), even when seismicity is low. Empirical site effects methods are therefore applicable everywhere. They provide an essential complement to numerical approaches, which remain inevitable when the coverage of available earthquakes is not homogeneous or when soils are likely to present non-linear behaviors.These results led us to propose a methodology for the evaluation of the site-specific seismic hazard, which consists of three main stages: (i) adjustment to the rock reference site of the ground motion prediction equations (GMPEs) using, among others, κ_(0_DS); (ii) Reliable evaluation of the SSR transfer function between at least one site in the basin and the reference site (for which the GMPEs were adjusted); (iii) carrying out this assessment from the ANIRF in the less seismically active regions and/or extension to the entire study area with the SSRn. This methodology allows a much better consideration of the site effects (especially 2D-3D) and a significant reduction of the uncertainties in the evaluations of the site-specific seismic hazard. It only required, simultaneous recording of earthquakes on at least two sites equipped with sensible velocimeters, and to carrying out temporary campaign of ambient noise measurements, if necessary.

Les signaux accélérométriques enregistrés lors de l’occurrence d’un événement sismique est très large présentent une forte variabilité, par conséquent ils ne sont pas utilisé dans les analyse dynamiques de tenue sismique des structures. En effet, l’utilisation des accélérogrammes réels, pour les analyses dynamiques non linéaires, s’avère couteuse en termes de temps de calcul. La pratique courante prévoit la minimisation (voir suppression) de telle variabilité, mais les conséquences d’une telle opération sur la réponse des structures ne sont pas clairement indiquées. L’étude ci-présente a pour scope la quantification de l’impact des méthodes de sélection qui gardent la variabilité du signal sur les résultats de l’analyse de la réponse des structures (exprimée en termes d’engineering demand parameters EDPs). En particulier les questions suivantes seront investiguées :Quel est le niveau de variabilité des accélérogrammes réels et comment ce niveau est modifié par les techniques couramment utilisées ?Quelle est l’impact de la variabilité sur la réponse de plusieurs types de structures ?Pour un scénario sismique donné, un spectre cible est défini à partir de plusieurs équation de prédiction du mouvement sismique, sélection parmi celles disponibles en littérature. Les accélérogrammes sont sélectionnés à partir de quatre familles d’accélérogrammes, chacune relative à une méthode de modification : réels (enregistrés); mise à l’échelle (multiplication, par un facteur) ; calés aux spectres cibles avec large tolérance ; calés aux spectres cibles dans une plage de tolérance étroite.Chaque jeu de signaux est composé de cinq accélérogrammes et la sélection des signaux est faite en tenant compte de deux sources de variabilité : la variabilité au sein de chaque jeu de données (intraset), et la variabilité entre les différents jeux de données (interset) tous compatibles avec le même spectre cible. Les tests sur les EDPs menés sur les signaux accélérométriques réels mènent à la quantification de la variabilité naturelle (pour le scénario considéré). Les analyses basées sur les signaux réels sont utilisés comme benchmark afin d’évaluer non seulement de combien la distribution des EDPs (en termes de valeur moyenne et variabilité) est réduite par les différentes méthodes testées, mais aussi d’évaluer l’impact des choix de l’équation de prédiction du mouvement, des plages de tolérance, du nombre d’accélérogrammes constituant chaque jeu, du nombre de jeux, de le scope de l’analyse structurale et le modèle de structure.Ce travaille nous conduit à conclure que un seul jeu d’accélérogramme, tel qu’utilisé dans la pratique courante, est insuffisant pour assurer le niveau d’EDPs indépendamment de la méthode de modification utilisés, cela est lié à la variabilité des signaux et entre les jeux d’accélérogrammes. Les signaux réels, compatibles avec le spectre définis pour le scénario sismique, are l’option plus réaliste pour l’analyse dynamique non-linéaire ; si une méthode de modification du signal est nécessaire, la plus adaptées dépend du scope de l’analyse spectrale et du modèle. Le choix de l’équation de prédiction du mouvement sismique utilisée pour définir le spectre cible impacte significativement les caractéristiques des mouvements sismiques et des EDPs. Cette observation ne dépend pas de la stratégie de de modification du signal. / The observed variability is very large among natural earthquake records, which are not consolidated in the engineering applications due to the cost and the duration. In the current practice with the nonlinear dynamic analysis, the input variability is minimized, yet without clear indications of its consequences on the output seismic behavior of structures. The study, herein, aims at quantifying the impact of ground motion selection with large variability on the distribution of engineering demand parameters (EDPs) by investigating the following questions:What is the level of variability in natural and modified ground motions?What is the impact of input variability on the EDPs of various structural types?For a given earthquake scenario, target spectra are defined by ground motion prediction equations (GMPEs). Four ground motion modification and selection methods such as (1) the unscaled earthquake records, (2) the linearly scaled real records, (3) the loosely matched spectrum waveforms, and (4) the tightly matched waveforms are utilized. The tests on the EDPs are performed on a record basis to quantify the natural variability in unscaled earthquake records and the relative changes triggered by the ground motion modifications.Each dataset is composed by five accelerograms; the response spectrum compatible selection is then performed by considering the impact of set variability. The intraset variability relates to the spectral amplitude dispersion in a given set, and the interset variability relates to the existence of multiple sets compatible with the target.The tests on the EDPs are performed on a record basis to quantify the natural variability in unscaled earthquake records and the relative changes triggered by the ground motion modifications. The distributions of EDPs obtained by the modified ground motions are compared to the observed distribution by the unscaled earthquake records as a function of ground motion prediction equations, objective of structural analysis, and structural models.This thesis demonstrates that a single ground motion set, commonly used in the practice, is not sufficient to obtain an assuring level of the EDPs regardless of the GMSM methods, which is due to the record and set variability. The unscaled real records compatible with the scenario are discussed to be the most realistic option to use in the nonlinear dynamic analyses, and the ‘best’ ground motion modification method is demonstrated to be based on the EDP, the objective of the seismic analysis, and the structural model. It is pointed out that the choice of a GMPE can provoke significant differences in the ground motion characteristics and the EDPs, and it can overshadow the differences in the EDPs obtained by the GMSM methods.

L'évaluation des risques naturels et du risque sismique en particulier a pris une importance croissante pour les autorités publiques ces dernières années, entraînant une adaptation importante des outils utilisés jusqu'à présent dans l'étude de la vulnérabilité du bâti. Il est nécessaire de mieux évaluer ces risques afin de mieux y faire face. De nouvelles approches doivent être proposées pour répondre à ces objectifs dont les approches numériques font partie. Parmi les méthodes numériques développées pour tenir compte de la spécificité du bâti maçonné figurent les approches par éléments discrets comme la méthode NSCD (« Non Smooth Contact Dynamics »). Les travaux présentés dans cette thèse visent à mieux appréhender le comportement mécanique et dynamique des ouvrages maçonnés en utilisant ce type de méthode implémenté dans le code calcul LMGC90, afin d'affiner la compréhension et la caractérisation de la vulnérabilité sismique des édifices en maçonnerie. La méthodologie que nous cherchons à mettre en place vise à traiter la vulnérabilité sismique de bâtiments spécifiques ou au contraire d'ensembles de bâtiments de même typologie. / The perception and the evaluation of natural risks and more particularly of the seismic hazard have never been so important and highlighted by the authorities. This phenomenon leads to a deep adjustment of tools used up to now in the assessment of the vulnerability of buildings. New approaches as numerical approaches have to be proposed so as to best estimate the risk. Among all the numeriacl methods developed to take into account specificities of masonry buildings, approaches by discrete elements methods as the NSCD method (“Non Smooth Contact Dynamics”) seem to be particularly well adapted. This PhD thesis aims to best understand the mechanical behaviour of masonry structures by using this discrete method implemented in the software LMGC90 so as to give an accurate estmation of the seismic vulnerability of buildings. The very purpose of this work is to develop a calculation tool able to deal with the vulnerabilityof both specific and common masonry buildings.

L'estimation probabiliste de l'aléa sismique est basée sur plusieurs modèles et hypothèses à chaque étape, tels que la caractérisation des sources sismiques, les récurrences en magnitude, et le choix d'équations de prédiction du mouvement du sol. Le résultat final de ces études est la courbe d'aléa qui donne les taux annuels de dépassement pour différentes valeurs d'accélération. Chaque étape du calcul comporte des incertitudes. Comprendre l'impact de ces incertitudes sur le résultat final est délicat. Jusqu'à récemment, peu d'études se sont intéressées à tester le résultat final des calculs d'aléa sismique. Des données accélérométriques ou d'intensités macrosismiques, partiellement dépendantes des calculs d'aléa sismique, peuvent être utilisées, comme l'ont proposé quelques articles récents (Stirling & Gerstenberger 2006, Stirling & Gestenberger 2010, Albarello & D'Amico 2008). Cette étude vise à tester les estimations probabilistes de l'aléa sismique en France (MEDD2002, AFPS2006 et SIGMA2012) et aussi en Turquie (SHARE), en développant une méthode quantitative pour comparer les nombres prédits et observés de sites avec dépassement pendant la durée d'observation. La méthode développée s'appuie sur les travaux de Stirling & Gerstenberger (2010) et Albarello & D'Amico (2008). Les modèles sont évalués pour une large zone géographique en sélectionnant tous les sites et en sommant les durées d'observation à chaque site. L'objectif est de comprendre les possibilités et les limites de cette approche, car les durées d'observations sont courtes par rapport aux périodes de retour pertinentes en génie parasismique. Les résultats montrent que le modèle AFPS2006 est cohérent avec les observations du Réseau Accélérométrique Permanent (RAP) pour les accélérations entre 40 et 100 cm/s2 (temps de retour entre 50 et 200 ans). Le modèle MEDD2002 surestime l'aléa sismique pour un temps de retour de 100 ans. Ces résultats ne peuvent pas être extrapolés aux niveaux d'accélérations plus élevés. Pour des temps de retour plus longs (475 et 975 ans), il n'y a pas d'observation au dessus du seuil d'accélération. A l'heure actuelle en France, il n'est pas possible de tester les estimations probabilistes pour des niveaux d'accélérations utiles au génie parasismique. La méthode proposée a aussi été appliquée en Turquie. Les modèles d'aléa sismique peuvent être testés sur des durées d'observation plus longues et pour des niveaux d'accélération plus élevés qu'en France. Le modèle est testé pour différentes sélections de stations accélérométriques, différentes valeurs de la distance minimum entre stations, et différentes durées totales d'observations. Pour des accélérations entre 0.1 et 0.4 g, le modèle SHARE est cohérent avec les observations pour tous les tests. Pour des seuils plus bas, les résultats varient en fonction des décisions prises. Enfin, les modèles probabilistes d'aléa sismique en France ont été évalués à partir des intensités de la base de données SISFRANCE. Les périodes d'observations complètes sont estimées par une analyse statistique des données (I≥5, MSK). Nous avons sélectionné 25 sites avec des durées d'observations pour I≥5 variant entre 66 et 207 ans, localisés dans les zones les plus actives de France. Pour un temps de retour de 100 ans, le modèle MEDD2002 prédit un nombre de sites avec dépassement plus élevé que le nombre observé. Pour des temps de retour de 475 ans et plus longs, les modèles MEDD2002 et AFPS2006 ne peuvent pas être distingués car ils sont tous les deux compatibles avec les observations. Ces résultats basés sur les données d'intensité doivent être considérés de façon très prudente considérant les incertitudes sur la sélection des sites, sur la détermination des durées d'observations et la complétude, et sur l'équation utilisée pour convertir les intensités en accélérations. / PSHA calculations rely on several models and assumptions in its components, such as the characterization of seismic sources, the establishment of recurrence laws in magnitude, and the choice of ground-motion prediction equations. The final output of a PSHA study is the hazard curve that gives annual rates of exceedances of different acceleration levels. All steps of the PSHA calculation bear uncertainties. Understanding the impact of these uncertainties on the final output of the PSHA is not straightforward. Until recently, little attention has been paid to testing the final output of PSHA models against observations. Acceleration datasets and intensity databases, partially independent from the PSHA calculations, can be used, as proposed in a handful of recent papers (Stirling & Gerstenberger 2006, Stirling & Gestenberger 2010, Albarello & D'Amico 2008). This study is aimed at testing PSH models in France (MEDD2002, AFPS2006 and SIGMA2012) and also in Turkey (SHARE), developing a quantitative method for comparing predicted and observed number of sites with exceedance over the lifetime of the network. This method builds on the studies of Stirling & Gerstenberger (2010) and Albarello & D'Amico (2008). All sites are sampled, observation time windows are stacked, and the PSHA is evaluated over a large geographical area at once. The objective is to understand the possibilities and limits of this approach, as observation time windows are short with respect to the return periods of interest in earthquake engineering. Results show that the AFPS2006 PSH model is consistent with the observations of the RAP accelerometric network over the acceleration range 40-100 cm/s2 (or 50-200 years of return periods). The MEDD2002 PSH model over-predicts the observed hazard for the return period of 100 years. For longer return periods (475 and 975 years), the test is not conclusive due to the lack of observations for large accelerations. No conclusion can be drawn for acceleration levels of interest in earthquake engineering. The proposed method is applied to Turkey. The PSH model can be tested using longer observation periods and higher accelerations levels than in France. The PSH model is tested for different selections of accelerometric sites, minimum inter-site distance and total observation period. For accelerations between 0.1 and 0.4g, the model is consistent with the observations for all tests. At lower acceleration levels, the agreement between the model and the observations varies depending on the decisions taken. Finally, the PSHA models in France are evaluated using the macroseismic intensity database (SISFrance). Completeness time windows are estimated from statistics on the intensity data (I≥5, MSK). Twenty-five sites are selected, with completeness time periods for I≥5 extending between 66 and 207 years, located in the highest active zones in France. At 100 years return period, MEDD2002 models predicts more sites with exceedances than the observed number of sites. At return periods higher than or equal to 475 years, both models AFPS2006 cannot be discriminated as both are consistent with observations. Considering the uncertainties on the selection of sites, on the determination of completeness time periods, and on the equation selected for converting intensities into accelerations, the results based on macroseismic intensities should be considered very carefully.

Made available in DSpace on 2014-12-17T15:26:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 RaimundoNCSpdf.pdf: 571294 bytes, checksum: e7a16fe2d495057f30a58acfdd36fce6 (MD5) Previous issue date: 2008-12-05 / The work is to make a brief discussion of methods to estimate the parameters of the Generalized Pareto distribution (GPD). Being addressed the following techniques: Moments (moments), Maximum Likelihood (MLE), Biased Probability Weighted Moments (PWMB), Unbiased Probability Weighted Moments (PWMU), Mean Power Density Divergence (MDPD), Median (MED), Pickands (PICKANDS), Maximum Penalized Likelihood (MPLE), Maximum Goodness-of-fit (MGF) and the Maximum Entropy (POME) technique, the focus of this manuscript. By way of illustration adjustments were made for the Generalized Pareto distribution, for a sequence of earthquakes intraplacas which occurred in the city of Jo?o C?mara in the northeastern region of Brazil, which was monitored continuously for two years (1987 and 1988). It was found that the MLE and POME were the most efficient methods, giving them basically mean squared errors. Based on the threshold of 1.5 degrees was estimated the seismic risk for the city, and estimated the level of return to earthquakes of intensity 1.5?, 2.0?, 2.5?, 3.0? and the most intense earthquake never registered in the city, which occurred in November 1986 with magnitude of about 5.2? / O objetivo desse trabalho ? fazer uma breve discuss?o dos m?todos de estima??o dos par?metros da distribui??o generalizada de Pareto (GPD). Sendo abordadas as seguintes t?cnicas: m?xima verossimilhan?a (MLE), m?xima verossimilhan?a penalizada (MPLE), m?todos dos momentos (moments), Pickands (Pickands), momentos ponderados pela probabilidade: viesado e n?o-viesado (PWMB, PWMU), diverg?ncia m?dia da densidade (MDPD), melhor qualidade do ajuste (MGF), mediana (MED) e o m?todo da m?xima entropia (POME), t?cnica que neste trabalho receber? uma maior aten??o. A t?tulo de ilustra??o foram feitos ajustes para a distribui??o generalizada de Pareto, para uma seq??ncia de sismos intraplacas, ocorridos no munic?pio de Jo?o C?mara, NE Brasil que foi monitorado continuamente durante dois anos (1987 e 1988). Verificou-se que o MLE e o POME foram os m?todos mais eficientes, dando basicamente os mesmos erros m?dios quadr?ticos. Com base no limiar de 1,5? foi estimado o risco s?smico para o munic?pio, sendo estimado o n?vel de retorno para os sismos de intensidade 1,5?, 2,0?, 2,5?, 3,0? e para o sismo mais intenso j? registrado no munic?pio, ocorrido em novembro de 1986 que teve a magnitude de 5,2?

On observe depuis 2005 une sismicité intense à 10 km d'Oulan Bator ce qui a permis d'identifier une faille active, Emeelt, sur le terrain. Après le calcule d'un modèle de vitesse 3D, j'ai appliqué la tomographie double différence pour obtenir une localisation précise des séismes. Ils marquent au moins trois branches parallèles orientées N147° comme la faille vue en surface. L'activité sur la faille principale d'Emeelt (MEF) s’étend sur 15 km, les branches Ouest et Est, moins actives, sur 10 km. La profondeur de l'activité s'étend entre 4 et 15 km. L'activité sismique semble concentrée à l'intersection avec des failles Mésozoïques et les contrastes Vs/Vs suggèrent la présence de fluides. Les 10 essaims identifiés montrent une activité croissante et une migration spatiale avec le temps. Le calcul de 2 scénarios possibles, un M ~ 6.4 et un M ~ 7, indique un important impact sur la ville d'Oulan Bator, avec une intensité minimum de VIII et localement IX pour M=6.4 et X pour M=7. / We observe since 2005 a high seismic activity at 10 km from Ulaanbaatar that allowed us to identify a new active fault, Emeelt, in the field. After computing a 3D velocity model, I applied Double-Difference tomography to obtain a precise localization of earthquakes. They trace at least three parallel branches oriented N147° like the fault seen at surface. The seismic activity on the Main Emeelt Fault (MEF) is along at least 15 km, on the West and East branches, less active, along 10 km. The depth of the seismicity extends between 4 and 15 km. The activity seems concentrated at the intersection with Mesozoic faults and Vp/Vs contrast suggests the presence of fluids. The 10 swarms identified show an increasing activity and a spatial migration with time. The calculation of 2 possible scenarios, one M ~ 6.4 and one M ~ 7, shows an important impact on Ulaanbaatar, with a minimum intensity of VIII and IX for M=6.4 and X for M=7.

L’objectif principal de cette thèse est de tirer de données LiDAR de télédétection à très haute résolution afin d’extraire une partie du traces tectono-géomorphiques imprimées dans la morphologie de grands tremblements de terre préhistoriques. Les informations consultées dans ces traces constituent l'historique des glissements cumulés de grands tremblements paléoséismique successifs le long d'une faille donnée. L'historique des glissements permet de déterminer le nombre d'événements et les glissements les plus importants produits par ces événements. La connaissance des plus grandes glissades produites par des grands séismes historiques et préhistoriques permettra de déduire l'ampleur potentielle des événements futurs. La caractérisation de la distribution du glissement superficiel fournit des informations importantes sur la mécanique des failles, les contrôles de la propagation de la rupture et la répétabilité de la rupture à certains points le long de la faille. Cependant, la caractérisation et la mesure correctes de la distribution des glissements à partir de formes de relief géomorphologiques déplacées par tectonisme sont accompagnées d'incertitudes considérables, résultant principalement de processus d'érosion et de dépôt. Ces incertitudes pourraient entraîner à la fois une sous-estimation et une surestimation du glissement, ainsi que des résultats contradictoires issus d'enquêtes différentes sur le même défaut. Par conséquent, nous avons développé une nouvelle technique basée sur MATLAB, 3D_Fault_Offsets, pour caractériser mathématiquement, et donc automatiquement, la géométrie 3D de marqueurs géomorphiques décalés (définie par 9 entités géométriques situées de part et d'autre de la faille), puis calculer composants latéraux et verticaux du glissement. Nous estimons que les incertitudes générées par cette technique définissent mieux la gamme des "véritables" compensations potentielles par rapport aux incertitudes plus libérales proposées dans d’autres études, pourtant ils se révèlent assez volumineux. Après vérification de l'efficacité du code en mesurant à nouveau 3 ensembles de données paléosismiques, nous avons l’appliqué à une faille de décrochement qui était historiquement capable d'un séisme de chute de contrainte importante (MW ~ 8,2 en 1855), la faille de Wairarapa. Nous avons identifié et analysé un total d'environ 700 marqueurs géomorphiques déplacés le long d'une zone de données LiDAR de 70 km, ce qui en fait l'un des ensembles de données paléosismiques les plus vastes et les plus denses. Les décalages latéraux mesurés vont de quelques mètres à environ 800 m, mais la majorité d'entre eux sont inférieurs à 80 m, ce qui permet d'examiner les plus récents glissements de faille latéraux. Les décalages verticaux varient entre 0 et ~ 30 m et suggèrent des rapports de glissement vertical / latéral généralement compris entre 10 et 20%. Nous avons effectué les analyses statistiques de la collection dense de décalages mesurés séparément le long des principaux segments successifs qui constituent l'étendue de la faille étudiée. Dans la plupart des segments, cette analyse a révélé la présence de 6 à 7 amas décalés dans la plage allant de 0 à 80 m, suggérant la rupture de la faille de Wairarapa lors de 6 à 7 grands séismes précédents. Les plus grandes glissades que nous déduisons pour ces tremblements de terre passés sont importantes, la plupart dans la plage 7-15 m. Chaque glissement sismique semble varier le long de la faille et généralement plus grand dans sa partie sud. La faille de Wairarapa a ainsi provoqué à plusieurs reprises d'importants séismes dus à la chute de contraintes au cours de la période préhistorique, ce qui souligne le risque sismique élevé qu'elle pose dans le sud de la Nouvelle-Zélande. Par conséquent, l'utilisation de notre nouveau code 3D_Fault_Offsets avec des données topographiques à haute résolution telles que LIDAR peut permettre de mieux évaluer le comportement futur des failles sismogènes. / The main scope of this PhD thesis is to utilize very high-resolution remote sensing LiDAR data to extract some of the tectono-geomorphic traces imprinted in the morphology from large prehistoric earthquakes. The information that is accessed in these traces is the cumulative slip history of successive large paleoearthquakes along a given fault. The slip history allows the determination of the number of events and the largest slips produced by those respective events. The knowledge of the largest slips produced by historic and prehistoric large earthquakes will enable some inference into the potential magnitude of future events. Characterizing the distribution of surface slip provides important insights into fault mechanics, controls on rupture propagation, and repeatability of rupture at certain points along the fault. However, properly characterizing and measuring the slip distribution from tectonically-displaced geomorphic landforms comes with considerable uncertainties mostly resulting from erosion and depositional processes. These uncertainties could lead to both underestimation and overestimation of the slip, and to conflicting results from different surveys of the same fault. Therefore, we have developed a new MATLAB-based technique, 3D_Fault_Offsets, to mathematically, and hence automatically, characterize the 3D geometry of offset geomorphic markers (defined by 9 geometric features either side of the fault), and then calculate the lateral and vertical components of slip. We believe that the uncertainties obtained from this technique better define the range of potential ‘true’ offsets compared to more liberal uncertainties offered in other studies, yet they reveal to be fairly large. Upon verification of the code efficacy by successfully re-measuring 3 paleoseismic datasets, we applied it to a strike-slip fault in New Zealand that was historically capable of a large stress drop earthquake (MW~8.2 in 1855), the Wairarapa fault. We identified and analyzed a total of ~700 displaced geomorphic markers along a 70-km stretch of LiDAR data, making this one of the largest and densest paleoseismic datasets. Measured lateral offsets range from a few meters to about 800 m, but the majority are lower than 80 m, providing the means to examine the most recent lateral fault slips. The vertical offsets range between 0 and ~30 m, and suggest vertical to lateral slip ratios commonly in the range 10-20%. We conducted the statistical analyses of the dense collection of measured offsets separately along the successive major segments that form the investigated fault stretch. In most segments, this analysis revealed 6-7 offset clusters in the range 0-80 m, suggesting the Wairarapa fault ruptured in 6-7 previous large earthquakes. The largest slips we infer for these past earthquakes are large, most in the range 7-15 m. Each earthquake slip seems to vary along the fault length, and be generally greater in its southern part. The Wairarapa fault has thus repeatedly produced large stress drop earthquakes in prehistoric time, which emphasizes the elevated seismic hazard it poses in Southern New Zealand. Therefore, the use of our new code 3D_Fault_Offsets with high resolution topographic data such as LIDAR can lead to better assessments of future behavior of seismogenic faults.

Le premier chapitre présente les axes principaux de recherche ainsi que les problèmes traités dans cette thèse. Plus précisément, il expose une synthèse sur le sujet, en y donnant les propriétés essentielles pour la bonne compréhension de cette étude, accompagnée des références bibliographiques les plus importantes. Il présente également les motivations de ce travail en précisant les contributions originales dans ce domaine. Le deuxième chapitre est composé d’une recherche originale sur l’estimation du risque sismique, dans la zone du nord de la mer Egée (Grèce), en faisant usage de la théorie des processus semi-markoviens à temps continue. Il propose des estimateurs des mesures importantes qui caractérisent les processus semi-markoviens, et fournit une modélisation dela prévision de l’instant de réalisation d’un séisme fort ainsi que la probabilité et la grandeur qui lui sont associées. Les chapitres 3 et 4 comprennent une première tentative de modélisation du processus de génération des séismes au moyen de l’application d’un temps discret des modèles cachés markoviens et semi-markoviens, respectivement. Une méthode d’estimation non paramétrique est appliquée, qui permet de révéler des caractéristiques fondamentales du processus de génération des séismes, difficiles à détecter autrement. Des quantités importantes concernant les niveaux des tensions sont estimées au moyen des modèles proposés. Le chapitre 5 décrit les résultats originaux du présent travail à la théorie des processus stochastiques, c’est- à-dire l’étude et l’estimation du « Intensité du temps d’entrée en temps discret (DTIHT) » pour la première fois dans des chaînes semi-markoviennes et des chaînes de renouvellement markoviennes cachées. Une relation est proposée pour le calcul du DTIHT et un nouvel estimateur est présenté dans chacun de ces cas. De plus, les propriétés asymptotiques des estimateurs proposés sont obtenues, à savoir, la convergence et la normalité asymptotique. Le chapitre 6 procède ensuite à une étude de comparaison entre le modèle markovien caché et le modèle semi-markovien caché dans un milieu markovien et semi-markovien en vue de rechercher d’éventuelles différences dans leur comportement stochastique, déterminé à partir de la matrice de transition de la chaîne de Markov (modèle markovien caché) et de la matrice de transition de la chaîne de Markov immergée (modèle semi-markovien caché). Les résultats originaux concernent le cas général où les distributions sont considérées comme distributions des temps de séjour ainsi que le cas particulier des modèles qui sont applique´s dans les chapitres précédents où les temps de séjour sont estimés de manière non-paramétrique. L’importance de ces différences est spécifiée à l’aide du calcul de la valeur moyenne et de la variance du nombre de sauts de la chaîne de Markov (modèle markovien caché) ou de la chaîne de Markov immergée (modèle semi-markovien caché) pour arriver dans un état donné, pour la première fois. Enfin, le chapitre 7 donne des conclusions générales en soulignant les points les plus marquants et des perspectives pour développements futurs. / The first chapter describes the definition of the subject under study, the current state of science in this area and the objectives. In the second chapter, continuous-time semi-Markov models are studied and applied in order to contribute to seismic hazard assessment in Northern Aegean Sea (Greece). Expressions for different important indicators of the semi- Markov process are obtained, providing forecasting results about the time, the space and the magnitude of the ensuing strong earthquake. Chapters 3 and 4 describe a first attempt to model earthquake occurrence by means of discrete-time hidden Markov models (HMMs) and hidden semi-Markov models (HSMMs), respectively. A nonparametric estimation method is followed by means of which, insights into features of the earthquake process are provided which are hard to detect otherwise. Important indicators concerning the levels of the stress field are estimated by means of the suggested HMM and HSMM. Chapter 5 includes our main contribution to the theory of stochastic processes, the investigation and the estimation of the discrete-time intensity of the hitting time (DTIHT) for the first time referring to semi-Markov chains (SMCs) and hidden Markov renewal chains (HMRCs). A simple formula is presented for the evaluation of the DTIHT along with its statistical estimator for both SMCs and HMRCs. In addition, the asymptotic properties of the estimators are proved, including strong consistency and asymptotic normality. In chapter 6, a comparison between HMMs and HSMMs in a Markov and a semi-Markov framework is given in order to highlight possible differences in their stochastic behavior partially governed by their transition probability matrices. Basic results are presented in the general case where specific distributions are assumed for sojourn times as well as in the special case concerning the models applied in the previous chapters, where the sojourn time distributions are estimated non-parametrically. The impact of the differences is observed through the calculation of the mean value and the variance of the number of steps that the Markov chain (HMM case) and the EMC (HSMM case) need to make for visiting for the first time a particular state. Finally, Chapter 7 presents concluding remarks, perspectives and future work.

L’une des problématique scientifique majeure en sismologie est de pouvoir estimer les mouvements du sol attendus en un site pour un futur séisme. L’objectif de cette thèse est de tester et de valider deux méthodes de simulation des mouvements du sol basées sur l’approche des fonctions de Green empiriques et d’apporter des éléments pouvant aider au développement d’une méthodologie de simulation en aveugle. Dans une première partie, une méthode de simulation basée sur une approche stochastique en point-source est validée sur les données réelles de séismes récents bien instrumentés : le séisme des Saintes Mw6.4 et le séisme de L’Aquila Mw6.3. Nous avons développé une approche de simulation en aveugle en prenant en compte une incertitude sur le paramètre de rapport des chutes de contrainte C. Cette approche permet de générer un ensemble d’accélérogrammes synthétiques d’un séisme cible suffisamment variés pour être représentatifs d’un grand nombre de scénarios de sources possibles et prenant en compte dans un sens statistique de potentiels effets de directivité. Cette approche a également été appliquée à la simulation d’un séisme historique pyrénéen Mw6.1. Dans une seconde partie, nous nous appuyons sur un modèle de source étendue plus complexe, combinant des modèles cinématiques de sources composites fractales avec l’approche des FGEs. Le potentiel de la méthode est testé sur une application au séisme de L’Aquila. Cela a permis de produire des résultats très satisfaisants sur l’ensemble des paramètres des mouvements du sol analysés. Cette méthode de simulation apparaît comme étant très prometteuse pour la mise en œuvre d’une méthodologie de simulation en aveugle, même si la principale difficulté réside dans la nécessité de définir la variabilité de nombreux paramètres d’entrée mal connus dans le cadre de la simulation d’un futur séisme. / One of the major scientific problems in seismology is to estimate the ground motions expected at a given site from a future earthquake. The aim of this thesis is to test and validate two different methods of ground motions simulation based on the empirical Green’s function approach and to provide elements that can help to develop a blind simulation methodology. In a first part, a simulation method based on a stochastic point source approach is validated on the real data of recent earthquakes well instrumented : the Les Saintes earthquake Mw6.4 and the L’Aquila earthquake Mw6.3. We have developed a blind simulation approach by taking into account an uncertainty on the parameter of stress drop ratio C. This approach allows to generate a set of synthetic accelerograms of a target earthquake varied enough to be representative of a large number of possible source scenario and taking into account in a statistical sense potential directivity effects. This approach is also applied to the simulation of an historical Pyrenean earthquake Mw6.1. In a second part, we use a more complex extended source model, combining kinematic models of fractal composite sources with EGF approach. The potential of the method is tested on an application to L’Aquila earthquake. This has produced very satisfying results on all ground motion parameters analyzed. This simulation method appears to be very promising for the implementation of a blind simulation methodology, even if the main difficulty lies in the need to define the variability of many poorly known input parameters in the simulation of a future earthquake.