Prédire les mouvements du sol "en aveugle", c'est-à-dire générés par un séisme futur, est essentiel pour anticiper les dommages causés aux bâtiments. Cette thèse propose deux nouvelles approches, fondées sur la technique des fonctions de Green empiriques (FGE), pour calculer le mouvement sismique dans un milieu complexe, sur une large gamme de fréquences, et à partir d'un processus de rupture sur la faille réaliste. La première méthode utilise une représentation simple de la source (modèle de "crack"). Dans la seconde, la rupture est décrite par un modèle cinématique complexe en "k-2". De plus, afin de calculer le mouvement sismique basse fréquence, les FGE bruitées en dessous de 1 Hz sont remplacées par des simulations numériques par éléments spectraux 3D.<br />La difficulté principale pour simuler "en aveugle" est le choix des paramètres de la source (chute de contrainte, point de nucléation,...), mal contraints, et qu'il faudra pourtant estimer a priori. Ce choix contrôle le niveau médian et la variabilité du mouvement sismique. La première solution testée consiste à déterminer directement les lois de distribution de ces paramètres à partir des résultats issus de l'inversion cinématique. Afin de garantir que les niveaux simulés sont réalistes, nous proposons dans un second temps de calibrer les simulations par FGE en un site de référence au rocher en utilisant un modèle de prédiction empirique.<br />Les différentes méthodes sont appliquées pour simuler dans le bassin grenoblois un séisme de magnitude 5.5 à 15 km. La comparaison aux normes EC8 montre que les spectres réglementaires sont dépassés en certains points du bassin sédimentaire, à 0.3 Hz et autour de 0.2 Hz.

linéarités de comportement des sols Cette thèse traite de la réponse locale de bassins sédimentaires à des mouvements sismiques faible et fort en utilisant la modélisation numérique (SEM et FEM). A faible niveau de distorsion, des configurations théoriques 3D et 2D sont prises en compte pour l'étude des effets de site linéaires: dans le cas de bassins 3D à symétrie de révolution, on identifie les conditions d'existence de la «résonance 3D» en fonction des paramètres géométriques et rhéologiques. Dans le cas 2D, la réponse sismique de deux vallées alpines est modélisée: les résultats sont cohérents avec les phénomènes observés dans la réalité. A fort niveau de distorsion, la formulation théorique 3D d'un modèle viscoélastique non linéaire (VNL) est proposée. Son implémentation par la méthode des éléments finis dans le cas 1 D permet de l'appliquer à un cas réel (Kushiro, 1993). Les résultats obtenus sont comparés à ceux d'autres modèles (linéaire équivalent et élastoplastique) et à l'enregistrement réel de surface.

Ce travail est consacré à l'étude des données accélérométriques de la france métropolitaine, issues du Réseau Accélérométrique Permanent (RAP), en cours d'installation depuis 1996, pour caractériser l'aléa sismique. Il existe de nombreux modèles empiriques de prédiction des mouvements forts valables pour les régions sismiquement très actives (USA, Japon...), mais leur utilisation dans le contexte français nécessite la ré-évaluation de paramètres tels que les magnitudes et les conditions de site.<br /><br />Dans un premier temps, l'analyse des données de séismes modérés a permis d'établir une échelle homogène de magnitudes issues du moment sismique. Par ailleurs, les réponses de site des stations du réseau RAP ont été calculées pour les Pyrénées, les Alpes et le fossé Rhénan. Enfin, les phénomènes d'atténuation au niveau de la France semblent présenter des variations régionales. En se basant sur les résultats précédents, l'applicabilité de certains modèles empiriques de mouvements forts a été démontrée, à partir des séismes les plus importants enregistés par le RAP

Les couches de sol présentent fréquemment des hétérogénéités spatiales qui proviennent des processus d’érosion, de sédimentation et de l’effet de l’activité humaine. A ces hétérogénéités géologiques de premier ordre viennent s’ajouter des hétérogénéités de petite échelle au sein d’une même couche géologique. Sous sollicitation sismique faible ou forte, ces hétérogénéités spatiales des propriétés du sous-sol sont susceptibles de conduire à une variabilité spatiale importante des propriétés du mouvement sismique en surface (amplitude, durée, contenu fréquentiel, …). Dans cette thèse, une analyse probabiliste est réalisée pour évaluer l’effet de la variabilité spatiale de la vitesse des ondes de cisaillement (V_s) sur la variabilité du mouvement sismique en surface. Pour simplifier, une simple structure de sol 2D (une couche sédimentaire sur un demi-espace) est considérée. La structure 2D de V_s est modélisé comme un champ aléatoire en utilisant la méthode EOLE (Expansion Optimal Linear Estimation) et 9 modèles probabilistes sont considérés en faisant varier les trois paramètres de fluctuation du sol: le coefficient de variation (COV) sur V_s, les distances d'autocorrélation horizontale (θ_x) et verticale (θ_z). Les mouvements sismiques du sol en surface sont simulés à l’aide du logiciel de différences finies FLAC2D pour une excitation d'onde plane avec une polarisation SV.Une première partie porte sur l’étude de la variabilité en surface de différents indicateurs du mouvement sismique (fréquence de résonance, amplification, Intensité d’Arias, durée, corrélation spatiale). Nos simulations purement linéaires soulignent l’importance des ondes de surface diffractées localement au niveau des hétérogénéités du sol sur ces différents indicateurs et le contrôle de COV sur leur variabilité. Elles mettent également en évidence que, bien que les approches probabilistes 1D reproduisent correctement en moyenne les fréquences de résonance fondamentales et les amplifications associées, elles sous-estiment l’amplification à haute fréquence, l’Intensité d’Arias et la durée du mouvement sismique ainsi que leur variabilité. La deuxième partie porte sur la cohérence spatiale, calculée sur la phase forte et sur la coda des vitesses simulées en surface. Les résultats montrent que la perte de cohérence avec la fréquence ou la distance est principalement contrôlée par COV. A cette perte de cohérence globale s’ajoute la présence de fortes cohérences dans certaines bandes de fréquences étroites causées par les caractéristiques de propagation d’ondes de volume et de surface (résonance des ondes SV, phases d’Airy des ondes de Rayleigh). Ces observations sont cohérentes avec les observations sur les données réelles du site d’Argostoli en Grèce. La troisième partie s’intéresse à la prise en compte du comportement non-linéaire des sols. Le comportement non-linéaire du sol est basé sur des tests triaxiaux effectués sur la plaine alluviale de Nahr Beyrouth. L’effet du comportement non-linéaire et de sa variabilité est étudié pour les différents indicateurs du mouvement sismique (Intensité d’Arias, durée, corrélation spatiale, cohérence décalée). / Soil layers frequently exhibit spatial heterogeneities that arise from the erosion, sedimentation processes and from the effects of human activity. To these first order geological heterogeneities are added small-scale heterogeneities within the same geological layer. Under weak or strong seismic loading, these spatial heterogeneities of the subsurface properties are likely to lead to a significant variability in the ground motion properties within short distance on surface (amplitude, duration, frequency content, ...). In this thesis, a probabilistic analysis is carried out to evaluate the effect of the spatial variability of shear wave velocity (V_s) on the variability of surface seismic response. For sake of simplicity, a simple 2D soil structure (a sedimentary layer over a half-space) is considered. The 2D structure of V_s is modeled as a random field using the EOLE (Expansion Optimal Linear Estimation) method and nine probabilistic models are considered by varying the three soil fluctuation parameters: the coefficient of variation (COV) on V_s, the horizontal and vertical autocorrelation distances (θ_x and θ_z, respectively). The surface ground seismic motion is simulated using the FLAC2D finite difference code using a SV plane-wave plane excitation.The first part deals with the study of the surface variability of different ground motion indicators (resonance frequency, amplification, Arias intensity, duration, spatial correlation). Our purely linear simulations emphasize the importance of the locally diffracted surface waves due to soil heterogeneities on these different indicators and the control of COV on their variability. They also show that, although 1D probabilistic approaches correctly estimate the average of the fundamental resonant frequencies and the associated amplifications, they underestimate the high frequency amplification, the Arias intensity and the duration of the ground motion on surface, as well as their variability. The second part deals with another estimator the ground motion spatial variability: the coherency and it is calculated on the strong phase and on the coda of simulated seismograms on surface. The results show that the variation of the coherency as a function of frequency or distance is mainly controlled by COV. To this overall behavior of the average coherency on surface is superimposed the presence of strong loss or increase of coherency in certain narrow frequency bands caused by the propagation characteristics of body and surface waves (resonance of SV waves, Airy phases of Rayleigh waves). These observations are consistent with the observations on real data from the Argostoli site in Greece. The third part focuses on taking into account the non-linear behavior of soils. The definition of non-linear properties of the soil is based on triaxial tests carried out on the alluvial plain of Nahr Beirut. The effect of non-linear behavior and its variability is studied for the different ground motion indicators, mainly in the time domain (Arias intensity, duration, spatial correlation, Lagged coherency).

Ce travail a pour objet d'analyser la capacité des réseaux de neurones artificiels (RNA) à prédire les mouvements sismiques avec des performances statistiques similaires aux techniques de régression par moindres carrés conduisant aux "équations de prédiction du mouvement du sol" (EPMS), utilisées classiquement depuis plusieurs décennies. Les principaux avantages de cette nouvelle approche RNA vis-à-vis des EPMS sont d'une part l'absence d'a priori sur les formes fonctionnelles régissant la dépendance aux différents paramètres, celle-ci devant "automatiquement" émerger des données, ainsi qu'une quantification simple de l'importance relative des variables indépendantes qui affectent le mouvement sismique du sol. Le présent travail s'appuie sur un sous-ensemble de la base de données sismique KiKNet, où les événements retenus ont une profondeur inferieure à 25 km, une magnitude comprise entre 3.5 et 7.3 et une distance épicentrale allant de 1 à 343 km. L'effet de site est pris en considération dans cette étude avec l'utilisation conjointe de la vitesse des ondes de cisaillement moyenne sur trente mètres de profondeur et la fréquence de résonance du site. L'analyse des données KiK-Net enregistrées en surface et en profondeur permet de calculer, par un RNA, les rapports d'amplification spectrale surface/profondeur afin d'estimer l'effet de site. La même approche est utilisée pour la prédiction des indicateurs de nocivité les plus communément utilisés en ingénierie parasismique, ainsi que pour la génération des pseudo-accélérations spectrales largement utilisées dans l'analyse dynamique des structures. Les résultats obtenus montrent que les modèles neuronaux élaborés sont relativement robustes et ne dépendent que faiblement de la base de données initiale. Ce résultat est intéressant pour les régions où les données sismiques sont rares. Les écarts-types obtenus pour ces modèles sont légèrement inferieurs à ceux des équations classiques de prédiction du mouvement sismique. Les modèles neuronaux établis ne nécessitent aucun a priori sur la nature de la forme fonctionnelle de la relation d'atténuation. L'atténuation du mouvement sismique avec la distance, l'effet d'échelle de la magnitude et l'effet de site non linéaire sont ainsi pris en considération "naturellement" par les RNA à partir du moment où ils existent dans le jeu de données initial. Les résultats obtenus indiquent également une influence significative de la profondeur focale et de la fréquence de résonance sur le mouvement sismique à la surface libre. La possibilité de mettre ces modèles en oeuvre à l'aide d'un tableur Excel ou autre est démontrée, ouvrant ainsi un très vaste champ d'utilisation.

La topographie de la surface peut générer une amplification du mouvement du sol sous sollicitation sismique. La prédiction du coefficient d'amplification topographique par stratégie numérique donne de bons résultats qualitatifs mais les coefficients simulés sous-estiment les coefficients observés. Cette thèse propose une méthodologie pour caractériser objectivement l'effet de site topographique. Nous identifions plusieurs facteurs à l'origine de la disparité entre coefficients simulés et observés. (1) Les hypothèses des méthodes employées pour estimer le coefficient d'amplification sont difficilement vérifiables en milieu montagneux notamment la notion de site de référence. Nous proposons d'utiliser une approche statistique des rapports spectraux dont les hypothèses sont vérifiées lorsqu'elle est appliquée sur des reliefs. (2) L'usage de la 3D permet de représenter la complexité tridimensionnelle du relief. Les amplifications calculées sur ces modèles 3D sont ponctuellement plus élevées que sur les modèles 2D. (3) La distribution spatiale et fréquentielle de l'amplification topographique dépend de la configuration de la source par rapport au massif. Il est nécessaire de modéliser toutes les sources potentielles au site étudié pour définir la probabilité d'occurrence de l'effet de site topographique. (4) La structure interne du massif peut aggraver l'amplification sommitale. Nous abordons l'imagerie du massif par une expérience in-situ et proposons un protocole adapté aux dimensions du site étudié. Les outils géophysiques doivent permettre d'élaborer des modèles à une résolution suffisamment élevée pour simuler les effets indissociables de la géologie et de la topographie.