Les séismes sont le résultat de glissements rapides le long de failles actives chargées en contraintes par le mouvement des plaques tectoniques. Il est aujourd'hui établi, au moins pour les grands séismes, que la distribution de ce glissement rapide le long des failles pendant les séismes est hétérogène. Imager la complexité de ces distributions de glissement constitue un enjeu majeur de la sismologie en raison des implications potentielles dans la compréhension de la genèse des séismes et la possibilité associée de mieux anticiper le risque sismique et les tsunamis. Pour améliorer l'imagerie de ces distributions de glissement co-sismique, trois axes peuvent être suivis: augmenter les contraintes sur les modèles en incluant plus d'observations dans les inversions, améliorer la modélisation physique du problème direct et progresser dans le formalisme de résolution du problème inverse. Dans ce travail de thèse, nous explorons ces trois axes à travers l'étude de deux séismes majeurs: les séisme de Tohoku-Oki (Mw 9.0) et de Sumatra-Andaman (Mw 9.1-9.3) survenus en 2011 et 2004, respectivement. / Earthquakes are the results of rapid slip on active faults loaded in stress by the tectonic plates motion. It is now establish - at least for large earthquakes - that the distribution of this rapid slip along the rupturing faults is heterogeneous. Imaging the complexity of such slip distributions is one the main challenges in seismology because of the potential implications on understanding earthquake genesis and the associated possibility to better anticipate devastating shaking and tsunami. To improve the imaging of such co-seismic slip distributions, three axes may be followed: increase the constraints on the source models by including more observations into the inversions, improve the physical modeling of the forward problem and improve the formalism to solve the inverse problem. In this PhD thesis, we explore these three axes by studying two recent major earthquakes: the Tohoku-Oki (Mw 9.0) and Sumatra-Andaman (Mw 9.1-9.3) earthquakes, which occured in 2011 and 2004 respectively.

Pour mieux comprendre les résultats géophysiques en termes de géologie, il est important d’utiliser différents types de données acquises par plusieurs méthodes. Une seule méthode géophysique n’a pas nécessairement la résolution suffisante pour expliquer la géologie. Avec une seule méthode, il peut être difficile de donner un sens géologique aux anomalies observées dans les modèles. L’inversion coopérative, en revanche, est une approche permettant de combiner des données de différentes natures. L’inversion conjointe peut être réalisée de deux façons : structurale ou petrophysique. On peut subdiviser les inversions conjointes en deux groupes : l’inversion conjointe de méthodes sensibles au même paramètre physique, et l’inversion coopérative de méthodes sensibles aux paramètres de natures différentes, comme l’électrique et la sismique. Dans ce travail de thèse, on propose de combiner une inversion coopérative par zonation et une méthode Gauss-Newton de minimisation de la fonction coût. L’inversion coopérative par zonation consiste à utiliser séquentiellement une approche de classification non-hiérarchique fuzzy c-means (FCM) et un algorithme d’inversion séparée. Dans un processus itératif, l’algorithme de classification non-hiérarchique est appliqué sur les résultats obtenus par inversion séparée pour générer des modèles composés de plusieurs zones homogènes représentant chacune une certaine lithologie du milieu investigué. Les modèles ainsi construits sont ensuite utilisés comme modèles a priori dans l’expression du terme de covariance a priori sur l’espace des modèles dans une nouvelle étape d’inversion séparée. La solution obtenue par une telle approche peut être biaisé vers le modèle a priori qui est fonction du nombre de classes dans l’algorithme de classification non-hiérarchique. Pour résoudre ce problème, nous proposons l’utilisation d’un paramètre de régularisation choisi par une méthode dérivée de la méthode L-curve qui permet de pondérer l’impact du modèle a priori sur la solution dans le cas où la géologie ne se prête pas à une segmentation des modèles et de réduire l’effet du biais que pourrait introduire un mauvais a priori. Le choix du nombre de classes pour la construction du modèle a priori est ainsi également rendu moins crucial. La méthodologie développée durant cette thèse est testée et validée sur deux modèles synthétiques. Une application est réalisée sur des données réelles acquises dans le cadre d’un projet de recherche de l’agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs (Andra) pour la caractérisation d’un site d’intérêt. Au vu des résultats de cette application, l’utilisation d’une approche coopérative pour l’inversion des données électrique et sismique permet l’obtention d’un modèle géologique (structure et propriétés) plus robuste et cohérent avec toutes les données. Les variations de paramètres en profondeur sont définies de manière plus précise avec cette approche. / Understanding geology from geophysical investigation is better when information is obtained from different kinds of data. A single method may not have sufficient resolution to provide the expected information. Joint inversion is a step forward to quantitatively combine data of different nature. Joint inversion may be considered in two different ways, petrophysical or structural. We may subdivide a joint inversion into two categories, joint inversion of data function of the same physical parameter, and cooperative inversion of data of different nature such as electrical and seismic data. In this work, we propose to combine a zonal cooperative inversion scheme with a Gauss-Newton method for minimizing the cost function. The basic idea of zonal cooperative inversion is to use cooperatively fuzzy c-means (FCM) classe analysis and separate inversion algorithm. For each iteration classe analysis of separate inversion results is used to construct models composed by several classes that contain the parameter characteristics of dominant subsurface structures. These constructed models are then used in the expression of the model space a priori covariance term in a new stage of separate inversion. The resulting models are then possibly biased to a priori models which depend on the number of classes. To overcome this problem, we formulate the inverse problem using a regularization parameter selected by an adapted L-curve method to weigh the impact of the a priori model on the solution when geology cannot be described by segmented models. The advantage of such a formulation is to avoid undesirable bias towards the starting model and leads to significantly improved spatial resolution for consistent prior information. Hence, the choice of the number of classe to create the a priori model is although less important. The developed methodology is tested and validated on two synthetic models. An experimental application is performed on real data acquired as part of a research survey of the National Agency for Radioactive Waste Management (Andra) for the characterization of a site of interest. Given the results of this application, the use of a cooperative approach for the inversion of electrical and seismic data allows the reconstruction of a more robust geological model, consistent with all the data. The variations of the parameters with depth are more precisely described using this approach.

Actuellement, le principe de dimensionnement à la capacité est fortement utilisé dans le domaine du génie parasismique. De manière simplifiée, cette méthode de dimensionnement consiste à dissiper l'énergie injectée à une structure lors d'une secousse sismique par la déformation inélastique d'un élément structural sacrificiel. Cette méthode de dimensionnement permet d'obtenir des structures économiques, car cette dissipation d'énergie permet de réduire substantiellement les efforts qui se retrouvent à l'intérieur de la structure. Or, la conséquence de ce dimensionnement est la présence de dégâts importants à la structure qui suivent à la secousse sismique. Ces dégâts peuvent engendrer des coûts supérieurs aux coûts d'érection de la structure. Bien entendu, sachant que les secousses sismiques d'importance sont des phénomènes rares, l'ingénieur est prêt à accepter ce risque afin de diminuer les coûts initiaux de construction. Malgré que cette méthode ait permis d'obtenir des constructions économiques et sécuritaires, il serait intéressant de développer un système qui permettrait d'obtenir des performances de contrôle des efforts sismiques comparables à un système dimensionné selon un principe de dimensionnement à la capacité sans les conséquences négatives de ces systèmes. En utilisant les principes d'isolation à la base, il a été possible de développer un système de reprise des forces sismiques (SRFS) qui permet d'obtenir un contrôle des efforts sismiques concurrentiels tout en gardant une structure complètement élastique. Ce système consiste à insérer un matériel élastomère entre l'assemblage de la poutre et des contreventements à l'intérieur d'un cadre contreventé conventionnel. Cette insertion permet de diminuer substantiellement la rigidité latérale du bâtiment, ce qui a pour conséquence d'augmenter la valeur de la période fondamentale du bâtiment dans lequel ces cadres sont insérés. Ce phénomène est appelé le saut de période. Ce saut de période permet de réduire grandement l'amplification dynamique essuyée lors d'un séisme dû au contenu fréquentiel particulier des secousses sismiques. Toutefois, la réduction de la rigidité globale a pour conséquence d'augmenter grandement les déplacements de fonctionnement de la structure, ce phénomène étant mitigé par les propriétés amortissantes de l'élastomère utilisé. Le SRFS proposé a été étudié dans le cadre de la présente maîtrise. Les objectifs de l'étude consistent à démontrer l'efficacité et la faisabilité du système proposé ainsi que de développer une méthode de dimensionnement efficace et sécuritaire pour ce genre de système. Afin de faciliter l'obtention des objectifs, l'approche qui a été utilisée est l'étude comparative d'un même bâtiment dimensionné selon deux principes. Le premier est le dimensionnement à la capacité. Le second est un dimensionnement employant le système proposé. La présente étude a été scindée en quatre parties distinctes. La première est l'étude du matériel élastomère afin de déterminer les propriétés utiles lors d'un dimensionnement. La seconde est le dimensionnement et l'étude en laboratoire du comportement d'un cadre contreventé selon un principe de dimensionnement à la capacité. La troisième partie est le dimensionnement et l'étude en laboratoire du comportement d'un cadre contreventé intégrant des amortisseurs élastomères. La quatrième et dernière partie est l'étude comparative des performances sismiques d'un bâtiment qui emploie des cadres amortis avec des amortisseurs élastomères avec les performances d'un bâtiment qui emploie un SRFS par contreventements classiques. À la suite des différentes analyses, il a été possible de conclure sur les performances du système proposé employant des amortisseurs élastomères. Le système possède un excellent comportement quant aux sollicitations sismiques. Le contrôle des efforts sismiques est du même ordre qu'un SRFS par contreventements de ductilité modérée (réduction des efforts élastiques par un facteur de 3). Bien que la demande en déplacement soit plus grande pour le système proposé que pour un système contreventé traditionnel, la demande en déplacement est adéquatement contrôlée. Finalement, il a été possible de confirmer que le système proposé répond élastiquement aux sollicitations sismiques et son comportement après une sollicitation violente est adéquat. Toutefois, les connaissances limitées du matériel élastomère employé causent l'obtention de dimensionnement moins performant qu'attendu. L'ensemble de l'étude a permis de mettre en relief les caractéristiques et les avantages indéniables du SRFS proposé. Toutefois, certains points nécessitant davantage d'études ont également été soulevés lors de cette recherche : le comportement de l'élastomère utilisé pour un plus vaste domaine de situations que celle considérée dans cette étude (par exemple, l'impact de la température sur le caoutchouc et le comportement en fatigue de ce dernier) ainsi que le comportement du système étudié pour un domaine plus vaste d'applicabilité (par exemple, l'applicabilité du système à des bâtiments multiétagés).

This study develops an innovative configuration of seismic natural rubber dampers for multistory low- and medium-rise steel braced frames. The dampers are directly integrated in an horizontal position in the seismic force resisting system of the structure. They are connected in a series with typical chevron brace systems.This control system provides not only additional structural damping to the structure but also a period shift, acting in the same way as a base isolation system. First, the fiber reinforced natural rubber used in the application was tested. It exhibited strong non linear dependance of its equivalent viscoelastic properties related to the shear strain. Then, a 1/3-scale 3-story chevron braced steel frame with and without dampers was considered. The structure was build and placed on the shaking table of the University of Sherbrooke Structures Laboratory. Numerical studies show that the efficiency of the control system reduces strongly the seismic induced forces of the undamped structure without any amplification of displacement or drift. Obtained seismic response reduction levels represent significant safety and economical benefits for the proposed application. Finally, the control system viability is experimentally demonstrated by shaking table tests at different reduced seismic intensities. Non linear behavior of the structure due to non linear behavior of the damping material is highlighted, and the dependance of seismic control performances is shown to be related to seismic intensities. Results allow an extrapolation of the experimental control peformances tending to the numerical results at higher intensities.

The province of Quebec, in Canada, is located in a stable region of the North American tectonic plate. But some zones are seismically active. Moreover, Montreal City has the second highest urban seismic risk in Canada. Although it is now recognized that unreinforced masonry (URM) is vulnerable to earthquakes, many URM buildings are critical infrastructures built before provisions were made for seismic loading. A research project has been undertaken to improve understanding of unreinforced masonry seismic behaviour. It is part of the Canadian Seismic Research Network (CSRN) for the seismic evaluation and rehabilitation of critical infrastructures. This research project, consisting of three main parts, is a reference document to be used in future research work. The first part consists of a review of literature on the seismic behavior of unreinforced masonry, specifically on masonry, the effects of time, and various types of masonry works. Next, special attention is devoted to the description of failure modes. Finally, a review of factors influencing the seismic performance of masonry walls is carried out by using the following four specific properties: stiffness, strength, deformation capacity and energy dissipation capacity.The in-plane and out-of-plane loadings of masonry walls with and without frames are discussed separately. There are some behaviour similarities between a wall without a frame and an infill wall. The second part consists of the experimental evaluation of the in-plane cyclic behavior of a steel frame infilled with structural clay tile masonry wall that is representative of a first floor external back wall of a typical school built in Quebec in the 1950's. Its development is based on structural inventories for vulnerability assessment. Results are analyzed according to stiffness, strength, deformation capacity and energy dissipation capacity of the experimental specimen. Some characterization testing has been done to determine properties of masonry such as compressive strength, modulus of elasticity and Poisson's ratio. Unlike the characterization results, the experimental wall has shown a reserve capacity after masonry cracking. The third part aims to validate the capacity of the SeismoStruct's masonry model to predict the experimental response of infill walls specimens. This model, developed by Crisafulli, is based on the equivalent strut concept often used for infill wall modelisation. Experimental data obtained in this project and a similar project are used to verify whether this model could be used in practice with rational settings for the seismic evaluation of a building.The methodology used did not yield satisfactory predictions.

Les barrages-poids en béton sont des structures essentielles afin de régulariser les apports en eau potable, la gestion des bassins hydrologiques et la génération d'électricité. Par contre, la plupart des barrages-poids, au Québec, ont été conçus et construits au cours du dernier siècle avec des méthodes d'analyse et des forces sismiques qui sont jugées inadéquates aujourd'hui. En effet, au cours des dernières décennies, les connaissances en sismologie, en dynamique des structures et en génie parasismique ont grandement évolué, rendant nécessaire la réévaluation des barrages existants afin d'assurer la sécurité du public. Actuellement, des méthodes déterministes, utilisant des facteurs de sécurité, sont utilisées pour évaluer la sécurité des barrages. Cependant, étant donné le caractère aléatoire des sollicitations sismiques et des incertitudes sur les matériaux et propriétés d'un barrage, les méthodes probabilistes se révèlent plus adaptées et deviennent de plus en plus populaires. L'une de ces méthodes est l'utilisation de courbes de fragilité. Ces courbes sont des fonctions permettant de représenter la probabilité d'endommagement ou de rupture d'une structure pour toute une gamme de chargement. Ce projet de recherche présente donc le développement de courbes de fragilité pour évaluer la vulnérabilité sismique de barrage-poids en béton. La méthodologie est appliquée à un barrage spécifique, le barrage-poids aux Outardes-3, le plus grand barrage-poids en béton au Québec. La méthode des éléments finis est utilisée pour modéliser ce barrage et prendre en compte les différentes interactions entre le barrage, le réservoir et la fondation. De plus, des résultats d'essais dynamiques in situ sont utilisés pour calibrer le modèle numérique. Les courbes de fragilité sont ensuite générées à l'aide d'analyses dynamiques temporelles non linéaires afin d'évaluer deux états limites d'endommagement : le glissement à la base du barrage et le glissement aux joints de reprise dans le barrage. Les incertitudes associées aux paramètres de modélisation et à la sollicitation sismique sont incluses dans l'analyse de fragilité et ces sources d'incertitudes sont propagées à l'aide d'une méthode d'échantillonnage. Une étude de sensibilité est également réalisée afin de déterminer les paramètres de modélisation ayant une influence significative sur la réponse sismique du système. L'incertitude associée à la variation spatiale des propriétés du barrage est également prise en compte et est modélisée à l'aide de champs aléatoires ; cette source d'incertitude peut s'avérer importante pour des ouvrages de grandes dimensions comme les barrages. Les résultats montrent que la variation spatiale des propriétés du barrage a un impact minime sur la fragilité du barrage aux Outardes-3 et qu'elle pourrait être négligée. Malgré tout, la méthodologie mise en place pour développer des courbes de fragilité applicables aux barrages-poids est efficace, pratique et donne d'excellents résultats. Par surcroît, un des grands avantages des courbes de fragilité est qu'elles permettent d'obtenir des informations quantitatives sur la vulnérabilité d'un barrage au contraire des méthodes déterministes actuelles.

Au Québec, les écoles sont situées dans une région où l’aléa sismique est considéré modéré à élevé. La majorité de ces écoles ont été construites avant les années 70 et comportent de la maçonnerie non armée (MNA) qui est un matériau à ductilité faible. Au cours des séismes passés notamment celui du Saguenay en 1988, il semble que les structures comportant de la MNA constituent le type de structure le plus dangereux vis-à-vis du séisme. La performance sismique de ces écoles est alors mise en question d’autant plus que la plupart ont été construites avant l’introduction des normes parasismiques. Ce projet de recherche traite de la vulnérabilité sismique des écoles comportant de la MNA et s’inscrit à la suite d’un projet d’élaboration d’une procédure de classification des écoles dans l’Est du Canada. Il découle d’une initiative du Réseau Canadien pour la Recherche Parasismique (RCRP) qui vise des procédures d’analyse de ces bâtiments en vue d’un programme de réhabilitation d’écoles, lancé par le Ministère de l’Éducation, des Loisirs et du Sport (MELS). Une procédure à trois niveaux pour l’évaluation de la vulnérabilité sismique des bâtiments dans l’Est du Canada a été élaborée par différents chercheurs de l’Université de Sherbrooke, de l’École de Technologie Supérieure et de l’Université McGill [Nollet et al., 2012]. Partant des conclusions de cette étude et d’une revue de littérature, les efforts de la recherche développeront un niveau d’évaluation sismique complète des écoles types au Québec comportant de la MNA comme murs de remplissage. Les objectifs seront donc de proposer un modèle adéquat du comportement sismique de la MNA issue de la littérature, étudier l’influence de la non linéarité de la MNA sur la réponse dynamique de ces écoles ainsi que l’influence de l’irrégularité en plan sur la réponse dynamique de ces écoles. La démarche comprend le développement des modèles Opensees [Mazzoni et al., 2004] et la modélisation des écoles génériques sur le logiciel OpenSees (l’un des défi majeur du projet), la validation des modèles à partir de valeurs empirique et expérimentale et enfin les analyses modales et temporelles.

Depuis 10 ans, l'imagerie de la croûte par corrélations de bruit a été utilisée dans différentes régions. Ces études sélectionnent les corrélations sur la base du rapport signal sur bruit des signaux utilisés. Selon la théorie, les corrélations convergent vers les fonctions de Green en temps positif et négatif si la distribution des sources est homogène. Seule la vérification de la parité des corrélations permet d'évaluer la qualité de la convergence. Un écart à la parité fournit des informations sur la synchronisation des horloges des stations et la distribution des sources de bruit. Ainsi, l'analyse des variations des temps de propagation des parties causale et acausale nous a permis d'identifier des erreurs d'horloge pour des stations du jeu de données SIMBAAD. Une analyse de polarisation et l'utilisation de la formation de voie sur les corrélations ont permis de localiser des sources de bruit d'ondes P en océan profond. Dans la région Egée-Anatolie, à 15 s de période la distribution des sources de bruit est homogène et elle devient hétérogène à plus longues périodes. Nous utilisons la propriété de symétrie pour sélectionner les temps de propagation des ondes de surface (Love et Rayleigh) les plus représentatifs des fonctions de Green. L'inversion de ces temps de propagation permet de reconstruire les variations latérales des vitesses de groupe à toutes les fréquences. Les courbes de dispersions locales obtenues sont inversées pour construire un modèle en 3D de la vitesse des ondes S de la croûte pour la région Egée-Anatolie. Les variations latérales de la vitesse et de l'épaisseur de la croûte sont cohérentes avec la structure géologique connue, avec les résultats d'autres études géophysiques et avec la déformation récente.

Dans le cadre de l'analyse et de la gestion intégrée des risques sismiques, deux approches sont proposées. La première, une méthode pseudo - adaptative de réponse modale (PSA), qui estime la réponse sismique des bâtiments à portiques, avec une précision acceptable et un temps de calcul et d'analyse réduit. En effet, dans le cadre de l'analyse de pushover multimodale (MPA), la courbe de capacité se construit sur la base d'une approche énergétique et le changement des propriétés modales après plastification est évalué à partir des vecteurs de déplacement pendant l'analyse de pushover. L'estimation des réponses en termes de déplacements absolus et relatifs, forces de cisaillement et rotations est satisfaisante comparativement aux résultats d'analyses non linéaires complètes. La seconde approche porte sur l'évaluation post-sismique des dommages structuraux à partir de dommages locaux observés. Elle est fondée sur une relation postulée entre le dommage et la probabilité résiduelle de ruine, à deux niveaux : l'étage et le bâtiment complet. Quatre portiques sont analysés et les résultats sont comparés à une approche mécanique qui estime l'endommagement du système à partir de la perte de raideur de la courbe de capacité. Les résultats obtenus montrent de bonnes estimations du niveau de dommage global. Ainsi, cette approche pourrait bien faire partie d'un outil d'aide à la décision dans le cadre des programmes d'évaluation urbaine des dommages qui requièrent des estimations simultanément rapides et précises / Within the overall framework of seismic risk analysis and management two approaches are presented. First, the Pseudo-Adaptive Uncoupled Modal Response Analysis (PSA) aims to provide improved estimates of seismic response for framed buildings, with an acceptable accuracy and a reduced calculation time duration. It relies on an energy-based equivalent displacement to develop the capacity curve and a pseudo-adaptive feature that considers changes in modal shapes after yielding, within the framework of the widely used Modal Pushover Analysis. According to the results, PSA is able to provide good estimates of structural responses such as displacements, storey drifts, shear forces and rotations, in comparison to a complete Nonlinear Time History Analysis. Second, a strategy for post-seismic evaluation of structural global damage is proposed on the basis of observed local damages and the postulation of adequate relationships between damage and residual probability of failure at two levels: a storey level prior to a building level. Three factors are proposed to reflect the influence of components damage at each of those levels. The obtained results appear as good predictions of the global damage. Accordingly, this strategy has the potential for being a first step within the implementation framework of a decision-making tool for rapid and accurate estimates of structural damages

Détection d’hétérogénéités linéaires dans les textures directionnelles – application à la détection de failles en sismique de réflexion: les méthodes développées concernent la classe particulière de textures directionnelles. Dans un premier chapitre, nous rappelons la notion de texture, le concept de contour et le contexte applicatif concernant l’imagerie sismique. Le deuxième chapitre a pour objet l’analyse des différentes contributions que l’on peut trouver dans la littérature concernant la détection de contours dans le contexte des images texturées: les approches qui relèvent du domaine de la géophysique et les méthodes proposées par la communauté des traiteurs d’image pour la détection de contours. Le troisième chapitre regroupe nos propositions: une approche basée sur une un critère géométrique, une variante récursive robuste et une extension alliant mesure 2D et diffusion 3D. Ces propositions sont validées par une analyse quantitative par rapport aux méthodes existantes. / Linear disparity detection in directional textures – application to fault detection in seismic images: the developed approaches deal with the particular family of directional textures. In the first chapter the notion of texture and the concept of contour are introduced. Also, a detailed presentation of the application concerning seismic imagery is presented in the first chapter. The object of the second chapter is the analysis of the different contributions concerning edge and contour detection in textured images found in the literature: the approaches used in the field of geophysics and the approaches proposed by the image processing community. The third chapter regroups our contributions: a geometric criterion based approach, a recursive robust extension of the geometric approach and a 3D recursive robust extension combining a 2D measure and a 3D diffusion technique. Apart the qualitative comparisons, these contributions are validated by a quantitative analysis in comparison with the existing methods.