L'objectif de cette thèse est d'analyser et de caractériser le lien entre les mouvements du sol et la réponse des bâtiments. En particulier, on s'intéresse à réduire les incertitudes qui entrent en jeu dans les méthodes de vulnérabilité, afin d'estimer plus précisément la vulnérabilité des structures au risque sismique. Pour ce faire, cette thèse est basée sur l'utilisation de données enregistrées au sein de bâtiments. Les enregistrements de vibrations ambiantes et de séismes de faibles amplitudes au sein de bâtiments permettent de caractériser le comportement élastique de ces structures. Des modèles peuvent ensuite être définis afin d'étudier les différentes composantes de la variabilité présente au sein des courbes de fragilité. On s'intéresse dans un premier temps au premier niveau de dommage, au-delà duquel les caractéristiques élastiques des bâtiments sont modifiées et les modèles définis ne sont plus valables. Des enregistrements de séismes ayant eu lieu depuis le début des années 1970 dans des bâtiments californiens sont ensuite utilisés. A partir de ces données, on a pu mettre en évidence des relations entre le déplacement au sein des structures et des paramètres décrivant la nocivité des signaux sismiques. Suivant l'indicateur utilisé pour représenter la nocivité des séismes, la réponse des bâtiments peut être estimée plus ou moins précisément. Notamment, les indicateurs faisant intervenir les paramètres dynamiques des bâtiments sont davantage liés avec la réponse des structures, représentée par son déplacement inter-étage moyen. La variabilité de la réponse des bâtiments peut être améliorée en regroupant les bâtiments par typologies (définies suivant leur matériau principal de construction et leur hauteur). En apportant davantage d'informations sur les structures, on peut ainsi diminuer la composante épistémique de la variabilité. De plus, en combinant des indicateurs de nocivité, on peut améliorer la précision pour la prédiction de la réponse de la structure. Une forme fonctionnelle est ainsi proposée afin d'estimer le déplacement inter-étage moyen au sein des structures, pour plusieurs typologies de bâtiments, à partir de quatre indicateurs de nocivité. Cette forme fonctionnelle est utilisée pour établir des courbes de fragilité et peut également être utilisée afin de donner une première estimation des dommages à la suite d'un séisme, en comparant les valeurs de déformations inter-étages avec des valeurs de référence (FEMA, 2003). Enfin, une méthode hybride est proposée pour la construction de courbes de fragilité, faisant intervenir un modèle de comportement non linéaire. Les paramètres de ce modèle sont définis de telle sorte que la réponse du modèle s'ajuste aux enregistrements de séismes effectués dans les bâtiments. Ce modèle est ensuite utilisé pour évaluer les composantes d'incertitudes et pour construire des courbes de fragilité pour tous les niveaux de dommages.

L'objectif de cette thèse est d'analyser et de caractériser le lien entre les mouvements du sol et la réponse des bâtiments. En particulier, on s'intéresse à réduire les incertitudes qui entrent en jeu dans les méthodes de vulnérabilité, afin d'estimer plus précisément la vulnérabilité des structures au risque sismique. Pour ce faire, cette thèse est basée sur l'utilisation de données enregistrées au sein de bâtiments. Les enregistrements de vibrations ambiantes et de séismes de faibles amplitudes au sein de bâtiments permettent de caractériser le comportement élastique de ces structures. Des modèles peuvent ensuite être définis afin d'étudier les différentes composantes de la variabilité présente au sein des courbes de fragilité. On s'intéresse dans un premier temps au premier niveau de dommage, au-delà duquel les caractéristiques élastiques des bâtiments sont modifiées et les modèles définis ne sont plus valables. Des enregistrements de séismes ayant eu lieu depuis le début des années 1970 dans des bâtiments californiens sont ensuite utilisés. A partir de ces données, on a pu mettre en évidence des relations entre le déplacement au sein des structures et des paramètres décrivant la nocivité des signaux sismiques. Suivant l'indicateur utilisé pour représenter la nocivité des séismes, la réponse des bâtiments peut être estimée plus ou moins précisément. Notamment, les indicateurs faisant intervenir les paramètres dynamiques des bâtiments sont davantage liés avec la réponse des structures, représentée par son déplacement inter-étage moyen. La variabilité de la réponse des bâtiments peut être améliorée en regroupant les bâtiments par typologies (définies suivant leur matériau principal de construction et leur hauteur). En apportant davantage d'informations sur les structures, on peut ainsi diminuer la composante épistémique de la variabilité. De plus, en combinant des indicateurs de nocivité, on peut améliorer la précision pour la prédiction de la réponse de la structure. Une forme fonctionnelle est ainsi proposée afin d'estimer le déplacement inter-étage moyen au sein des structures, pour plusieurs typologies de bâtiments, à partir de quatre indicateurs de nocivité. Cette forme fonctionnelle est utilisée pour établir des courbes de fragilité et peut également être utilisée afin de donner une première estimation des dommages à la suite d'un séisme, en comparant les valeurs de déformations inter-étages avec des valeurs de référence (FEMA, 2003). Enfin, une méthode hybride est proposée pour la construction de courbes de fragilité, faisant intervenir un modèle de comportement non linéaire. Les paramètres de ce modèle sont définis de telle sorte que la réponse du modèle s'ajuste aux enregistrements de séismes effectués dans les bâtiments. Ce modèle est ensuite utilisé pour évaluer les composantes d'incertitudes et pour construire des courbes de fragilité pour tous les niveaux de dommages. / This PhD thesis is focused on the correlation between ground motion and the buildings response. In particular, we interested in reducing the uncertainties that occur in vulnerability methods in order to assess more precisely the seismic vulnerability of existing structures. In order to do this, this thesis is based on the use of data recorded within buildings. Records of ambient vibrations and low amplitude earthquakes within buildings are used to characterize the elastic behaviour of these structures. Linear models can then be defined in order to study the various components of the variability of the fragility curves, for the first damage level. Earthquake that have occurred since the 1970s have been recorded within Californian buildings. From these data, we focused on the relationship between the building response and parameters describing the noxiousness of ground motion. Depending on the indicator used to represent the noxiousness of earthquakes, the building response can be estimated more or less accurately. In particular, indicators involving the dynamic parameters of the buildings are more related with the response of structures, which is represented by its averaged inter-story drift. Grouping buildings by typologies (defined according to their main material of construction and their height) can improve the variability in the response of buildings. Indeed, by providing more information on the structure, we can reduce the epistemic component of variability. In addition, by combining noxiousness parameters, the accuracy in the prediction of the building response can be improved. A functional form is thus proposed to estimate the averaged inter-story drift within the structures, for several typologies of buildings. This functional form is then used to assess fragility curves and can also be used to get an estimate of damage after an earthquake, by comparing the values of inter-story drift from given by the functional form with reference values (FEMA, 2003). Finally, a hybrid method is proposed for the construction of fragility curves, involving a nonlinear model. The parameters of this model are defined so that the response of the model fits the earthquake recordings, which were made within buildings. This model is then used to evaluate the components of variability and to build fragility curves for all damage levels.

Coburn et Spence (2002) rappellent qu'au cours du dernier siècle, le coût des séismes ramené à la valeur de l'année 2000 est de l'ordre de mille milliard de dollars. Rapporté par an, ils constatent que cette valeur augmente au cours du XXème siècle, essentiellement à cause de l'augmentation et de la concentration des populations dans les grands centres urbains exposés à un aléa sismique fort. Des agglomérations de plus en plus grandes, exposées aux séismes et constituées d'un habitat hétérogène et de qualité très variable, sont donc les ingrédients qui positionnent le milieu urbain à l'étape la plus critique de l'évaluation du risque sismique. Cette position est renforcée du fait que de nombreuses villes gigantesques (mega-cities) exposées se trouvent, pour des raisons historiques et sociologiques, sur des remplissages sédimentaires majeurs, facteur aggravant de l'aléa sismique local. Le bâti existant va également présenter une hétérogénéité forte, conséquence de l'évolution de ses caractéristiques structurales au cours du temps, renforçant l'idée d'une ville vulnérable et fragile. Enfin, tandis que le risque sismique consiste bien souvent à aborder séparément l'aléa de la vulnérabilité, il n'est pas surprenant que l'urbain puisse modifier, perturber, voir même contaminer le mouvement sismique incident, en particulier lorsque l'habitat est dense et massif, ce qui à l'aube du 21ème siècle semble être l'évolution majeure des grandes concentrations urbaines. Au cours de cet exposé, nous aborderons la sismologie urbaine en essayant de comprendre sur des résultats expérimentaux récents la façon de réagir d'un milieu urbain à une sollicitation sismique. Deux échelles d'espace seront discutées: la réponse de la ville en montrant comment celle-ci peut à la fois subir le séisme (vulnérabilité sismique) et contribuer de façon significative au mouvement du sol (interaction site-ville); et la réponse d'une structure simple en évaluant sa capacité à se déformer sous une sollicitation sismique (analyse modale opérationnelle) et à prédire son intégrité à la fin de la secousse (courbes de fragilité et structural health monitoring).

L'analyse de vulnérabilité sismique du bâti existant nécessite le relevé de paramètres déterminant le comportement dynamique des structures. Dans les méthodes existantes comme HAZUS ou RiskUE, ces informations sont collectées par expertise visuelle ou choisies parmi des valeurs forfaitaires. Même dans le cas d'un diagnostic plus complet, les experts doivent se passer des plans de la structure, estimer la qualité des matériaux utilisés, leur vieillissement voire leur endommagement. Or, les vibrations ambiantes des bâtiments et les paramètres modaux (fréquences propres, amortissements et déformées modales) qui peuvent en être extraits incluent naturellement tous ces paramètres dans leur domaine de fonctionnement linéaire élastique. L'objectif de ce travail est d'utiliser au mieux ces paramètres modaux pour aider au diagnostic de vulnérabilité sismique. <br /><br />Un modèle modal dynamique linéaire fondé sur les paramètres modaux expérimentaux est proposé. La limite en déformation du premier endommagement a été fixée pour différents types de bâtiments. Ce modèle est notamment validé à l'aide d'enregistrements de séismes à l'Hôtel de Ville de Grenoble, une structure instrumentée par le Réseau Accélérométrique Permanent (RAP). Par ailleurs, la courbe de fragilité correspondant à l'état de dommage "Léger" est développée en utilisant de nombreux mouvements du sol simulés.<br /><br />Cette méthodologie a été appliquée à la ville de Grenoble où des tests sous vibrations ambiantes ont été menés sur 61 bâtiments. L'analyse modale a été réalisée grâce à la Frequency Domain Decomposition, une méthode qui permet de décomposer les modes, même s'ils sont proches. Une étude structurale de chaque type de bâtiment a été menée à l'aide des paramètres modaux expérimentaux et les courbes de fragilité ont été développées suivant la méthodologie proposée. Le risque sismique de la ville a également été étudié à l'aide de scénarios de séismes, dont les résultats ont été comparés à ceux d'une méthode d'analyse de vulnérabilité empirique.

La France Métropolitaine est composée de régions à sismicité modérée mais néanmoins vulnérables aux tremblements de terre. En effet, 85% des bâtiments existants ont été construits avant l’apparition des règles de construction parasismique. Pour évaluer la vulnérabilité sismique de ces structures, il existe différentes méthodes à grande échelle telles que Hazus ou Risk-UE, non adaptées à l’échelle d’un bâtiment. Deux typologies de structures ont été étudiées dans ce travail : les structures récentes en béton armé représentatives des grands bâtiments stratégiques, et les structures en maçonnerie non renforcée, représentatives des centres villes historiques. Compte-tenu de la sismicité modérée, les structures récentes en béton armé ont un comportement linéaire élastique. Dans ce cadre, l’instrumentation d’un bâtiment, tel que la Tour de l’Ophite, est essentielle car elle permet de déterminer les vibrations ambiantes d’une structure et d’en extraire les paramètres modaux (fréquences propres, amortissements et déformées modales) qui incluent naturellement des informations sur la qualité des matériaux utilisés, leur vieillissement, leur endommagement, etc. De plus, un outil, basé sur la méthode stochastique par sous-espaces à l’aide des matrices de covariance (SSI-COV), a été développé afin de détecter au mieux les modes propres très proches (modes doubles), lors du traitement des données issues de l’instrumentation de la Tour de l’Ophite. Un modèle numérique par Eléments Finis est également proposé afin de prédire, dans le domaine linéaire, les déplacements de la Tour de l’Ophite soumise à un séisme identique à celui des Abruzzes en Italie en 2009. Pour les structures en maçonnerie non renforcée, un modèle de comportement non-linéaire des matériaux, avec une approche de type endommagement fragile, a été développé et utilisé pour la simulation numérique du comportement ductile des panneaux, remplaçant ainsi la mise en œuvre d’essais expérimentaux lourds et coûteux. A partir des travaux précédents, une méthodologie analytique d’évaluation de la vulnérabilité sismique des bâtiments existants, validée par comparaison avec le code numérique TreMuRi, est proposée et appliquée à un bâtiment. Par exemple, la généricité de notre méthodologie a permis de mener une investigation sur un matériau local, les murs en galets. / France is a country composed of moderate seismic hazard regions however vulnerable to earthquakes. 85% of existing buildings have been built before the application of paraseismic codes. Several current large-scale seismic vulnerability assessment methods are used, such as Hazus or Risk-UE, but they are inappropriate for specific building analysis. Two structure types have been evaluated in this thesis; the recent reinforced concrete structures for high strategic buildings, and the unreinforced masonry structures, for historical city centres. In view of the moderate seismic risk, recent reinforced concrete structures have an elastic behaviour. In this context, the instrumentation of a building, such as the Ophite Tower, is essential as it determines the ambient vibrations of a structure and extracts modal parameters (natural frequencies, modal shapes and damping), which naturally include information such as quality of materials, ageing, damage, etc. Moreover, as a tool based on the Covariance driven Stochastic Subspace Identification method (SSI-COV), it was developed in order to improve the detection of very close natural modes (double modes), during data processing from the instrumentation of Ophite Tower. A Finite Element numerical model (linear) was also proposed to predict the displacements of Ophite Tower under a seismic motion similar to Abruzzes earthquake (Italy, 2009). For unreinforced masonry structures, a model for nonlinear behaviour of materials with a brittle cracking approach has been developed. This is used for the numerical simulation of the ductile behaviour of panels and replaces the expensive experimental tests. From previous works, an analytical seismic vulnerability assessment method of existing buildings, validated par comparison with TreMuRi code, was proposed and applied to a building. For example, the genericity of this methodology has led to an investigation of a local material (pier walls).

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’objectif de ce travail est de proposer une méthode d’analyse de vulnérabilité sismique adaptée à l’étude d’un patrimoine historique complet très étendu, indépendamment de la renommée de chaque bâtiment. En effet la grande vulnérabilité sismique du patrimoine ancien, très souvent en maçonnerie, impose, afin d’éviter tout dommage irréparable, de se donner les moyens d’intervenir en amont. Notre démarche doit donc répondre à trois impératifs principaux: développer des outils de choix à grande échelle afin de hiérarchiser les besoins, offrir une analyse pertinente du comportement sous séisme d'une structure historique maçonnée même en première approche, et trouver des méthodes pour gérer le nombre important d’incertitudes qui caractérise le diagnostic des édifices anciens. Pour ce faire, nous étudions les églises et chapelles baroques des hautes vallées de la Savoie française, témoignages d'une période particulièrement prospère dans l'histoire de la Savoie et d'un mouvement artistique unique dans un environnement hostile. Dans ce contexte nous avons donc développé ou adapté différents outils afin de pouvoir traiter les particularités des édifices anciens et utiliser pour des édifices anciens en maçonnerie rustique les potentialités des techniques proposées pour les édifices modernes : modélisations numériques non-linéaires dynamiques temporelles, mesures vibratoires in-situ, analyse multi modale non-linéaire. / The aim of this thesis is to propose a seismic vulnerability assessment method well suited to the study of a complete historical heritage, regardless of the prestige of each building. Indeed the great seismic vulnerability of the historical heritage, often in masonry, requires to act preventively in order to avoid irreparable damage. Our approach must tackle three main requirements: to develop large-scale tools of choice to prioritize the needs, to provide relevant analysis of seismic behavior on the structural scale even in the first study, and to manage the large number of uncertainties characterizing the old buildings structural assessment. To this aim, we study the baroque churches and chapels in the high valleys of the French Savoie. They witness to a particularly prosperous period in the history of Savoy and a unique artistic movement adapted to a harsh environment. In this context we have therefore developed or adapted different tools in order to handle the peculiarities of the old buildings. This way we can use the today proposed techniques for modern buildings to study these ancient buildings in rustic masonry: non-linear temporal dynamics numerical modeling, vibratory in situ measurements, non-linear multi modal analysis.

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 de 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.