While site effects are accounted for in most modern U.S. seismic design codes for building structures, there exist no standardized procedures for the computationally efficient integration of nonlinear ground response analyses in broadband ground motion simulations. In turn, the lack of a unified methodology affects the prediction accuracy of site-specific ground motion intensity measures, the evaluation of site amplification factors when broadband simulations are used for the development of hybrid attenuation relations and the estimation of inelastic structural performance when strong motion records are used as input in aseismic structural design procedures. In this study, a set of criteria is established, which quantifies how strong nonlinear effects are anticipated to manifest at a site by investigating the empirical relation between nonlinear soil response, soil properties, and ground motion characteristics. More specifically, the modeling variability and parametric uncertainty of nonlinear soil response predictions are studied, along with the uncertainty propagation of site response analyses to the estimation of inelastic structural performance. Due to the scarcity of design level ground motion recording, the geotechnical information at 24 downhole arrays is used and the profiles are subjected to broadband ground motion synthetics. For the modeling variability study, the site response models are validated against available downhole array observations. The site and ground motion parameters that govern the intensity of nonlinear effects are next identified, and an empirical relationship is established, which may be used to estimate to a first approximation the error introduced in ground motion predictions if nonlinear effects are not accounted for. The soil parameter uncertainty in site response predictions is next evaluated as a function of the same measures of soil properties and ground motion characteristics. It is shown that the effects of nonlinear soil property uncertainties on the ground-motion variability strongly depend on the seismic motion intensity, and this dependency is more pronounced for soft soil profiles. By contrast, the effects of velocity profile uncertainties are less intensity dependent and more sensitive to the velocity impedance in the near surface that governs the maximum site amplification. Finally, a series of bilinear single degree of freedom oscillators are subjected to the synthetic ground motions computed using the alternative soil models, and evaluate the consequent variability in structural response. Results show high bias and uncertainty of the inelastic structural displacement ratio predicted using the linear site response model for periods close to the fundamental period of the soil profile. The amount of bias and the period range where the structural performance uncertainty manifests are shown to be a function of both input motion and site parameters.

Temporal changes of seismic velocity and anisotropy in the shallow crust are quantified using local earthquakes recorded at a 200-m-deep borehole station CHY in Taiwan. This station is located directly above the hypocenter of the 10/22/1999, M6.4 Chia-Yi earthquake. Three-component seismograms recorded at this station show clear direct (up-going) and surface-reflected (down-going) P- and S-waves, and S-wave splitting signals. The two-way travel times in the top 200 m is obtained by measuring the time delays between the up-going and down-going waves in the auto-correlation function. The S-wave travel times measured in two horizontal components increase by ~1-2% at the time of Chia-Yi main shock, and followed by a logarithmic recovery, while the temporal changes of S-wave splitting and P-wave are less than 1% and are not statistically significant. We obtain similar results by grouping earthquakes into clusters according to their locations and waveform similarities. This suggests that the observed temporal changes are not very sensitive to the seismic ray path below CHY, but are mostly controlled by the variation of material property in the top 200 m of the crust. We propose that strong ground motions of the Chia-Yi main shock cause transient openings of fluid-filled microcracks and increases the porosity in the near-surface layers, followed by a relatively long healing process. Because we observe no clear changes in the shear wave anisotropy, we infer that the co-seismic damages do not have a preferred orientation. Our results also show a gradual increase of time delays for both the fast and slow S-waves in the previous 7 years before the Chia-Yi main shock. Such changes might be caused by variations of water table, sediment packing or other surficial processes.

L'aléa sismique d'un site donné peut être largement influencé par des effets de site. Afin d'évaluer ces effets, la structure locale du sous-sol ainsi que les propriétés du champ d'onde doivent être étudiées. Les ondes de surface (ondes de Love et de Rayleigh) s'avèrent utiles, leurs propriétés (courbes de dispersion, ellipticité des ondes de Rayleigh) étant directement liées à la structure du sous-sol. Le paramètre clé pour l'identification du type d'onde est la polarisation. Dans la première partie de la thèse, de nouvelles méthodes pour l'estimation de paramètres de polarisation d'ondes de surface sont développées. Deux méthodes, DELFI et RayDec, estiment l'ellipticité des ondes de Rayleigh à partir d'enregistrements d'un seul capteur sismique. La troisième méthode, MUSIQUE, est basée sur la méthode MUSIC et utilise les enregistrements multi-composantes de réseaux sismiques afin de distinguer ondes de Love et ondes de Rayleigh et d'estimer leurs propriétés. Dans la deuxième partie de la thèse, une étude théorique de l'inversion de courbes d'ellipticité montre quelles parties de ces courbes véhiculent les informations importantes sur la structure du sol et comment l'inversion peut être améliorée. Le schéma d'inversion résultant est alors testé en l'appliquant à des données réelles mesurées pour 14 sites européens. Finalement, 22 séismes enregistrés par un réseau de capteurs dans la vallée de Santa Clara en Californie sont analysés par MUSIQUE. La répartition azimutale, les courbes de dispersion, la courbe d'ellipticité et les énergies des différents types d'ondes sont analysées et soulignent l'importance des ondes de surface diffractées dans le champ d'ondes enregistré. / The seismic hazard of a given site can be largely influenced by site effects. In order to estimate these effects, the local soil structure and the wave field properties have to be investigated. This can be done using surface waves (Love and Rayleigh waves) since their properties (dispersion curves, Rayleigh wave ellipticity) are closely linked to the soil structure. The key parameter for the correct wave type identification is the polarization. In a first part of this thesis, three new methods to estimate the polarization parameters of surface waves have been developed. Two methods, DELFI and RayDec, estimate the Rayleigh wave ellipticity using the recordings of a single seismic station. The third method, MUSIQUE, is a further developed version of the MUSIC algorithm, and uses seismic array recordings to discriminate between Love and Rayleigh waves and estimate their respective properties. In the second part of the thesis, a theoretical investigation of the inversion of ellipticity curves shows which parts of an ellipticity curve carry the important information on the soil structure and by which means the inversion can be disambiguated. The developed inversion scheme is then tested on real data measurements obtained at 14 different European sites. Finally, the seismological wave field in the Californian Santa Clara valley is investigated applying MUSIQUE to seismic array recordings for 22 earthquakes. The azimuthal energy repartition between the different wave types is investigated and the respective dispersion curves as well as the Rayleigh wave ellipticity curve are estimated. This study outlines the importance of diffracted surface waves in the recorded wave field. STAR

Les glissements de terrain constituent un risque naturel majeur à l’origine de dégâts matériels et humains considérables. Les séismes sont l’une des principales causes de leur déclenchement dans les orogènes actifs. Dans la zone épicentrale, le passage des ondes sismiques perturbe le champs de contraintes local ce qui peut provoquer le dépassement du seuil de stabilité des versants. La probabilité de déclenchement d’un glissement de terrain sismo-induit sur une pente donnée est donc fonction de facteurs liés au mouvement du sol et aux caractéristiques géologiques et topographiques de celle-ci. Très peu de données sismiques sont disponibles sur les versants et les modèles d’interpolation sont peu précis. Or le mouvement sismique peut s’avérer très variable à l’échelle d’un bassin du fait de la présence d’effets de site. L’étude de la réponse sismique d’un relief taïwanais nous permet de documenter ces effets et de prendre connaissance de la complexité du mouvement enregistré sur ce relief à la suite du passage de l’onde. Un réseau de six stations larges-bandes a été déployé, au travers de ce relief large d’environ 3km. Entre mars 2015 et juin 2016, ce réseau a permis d’enregistrer la réponse des sites à plus de 2200 séismes régionaux (magnitude Ml>3, distance hypocentrale<200km). Bien que distants de quelques centaines de mètres, les sites présentent tous une réponse qui leur est caractéristique résultant d’une combinaison complexe entre la topographie et la géologie du site. A fréquences modérées, correspondant à des longueurs d’ondes du mouvement pouvant contribuer au déclenchement de glissements de terrain, l’amplification du mouvement sismique est principalement due à la géologie locale et non à la topographie, comme montré par les indicateurs classiques (SSR, PGA, PGV et Arias) extraits des réponses des stations aux séismes. La topographie semble néanmoins jouer un rôle dans la durée du mouvement sismique fort aux stations situées sur les crêtes et en bordure de bassin sédimentaire, par effet de résonance et génération d’ondes de surface. La contribution prédominante de la géologie dans le déclenchement des glissements de terrain sismo-induits est également montrée par l’analyse de leur position sur les versants pour les glissements associés aux séismes de Northridge (Mw 6.7, 1994, Etats-Unis), de Chi-Chi (Mw 7.6, 1999, Taiwan), et de Wenchuan (Mw 7.9, 2008, Chine). En effet, bien que les glissements sismo-induits se localisent statistiquement plus haut sur les versants que les glissements d’origine climatique, on note que cette tendance est fortement modulée par la géologie des bassins. En fonction des « attracteurs », tels que des failles ou forts contrastes lithologiques, présents dans les bassins, les glissements tendent à se déclencher plus ou moins haut sur les versants, là où le potentiel de rupture est plus fort. Les propriétés mécaniques des pentes sont peu contraintes dans les zones montagneuses. Souvent leurs paramètres géotechniques sont estimés à partir des cartes géologiques régionales, or ils peuvent varier fortement pour une même lithologie d’un bassin à un autre. En considérant un modèle frictionnel simple de stabilité des pentes, on propose d’inverser des paramètres de type Coulomb à partir de la distribution des pentes des glissements de terrain sismo-induits à l’échelle des bassins dans les zones épicentrales des séismes de Northridge, Chi-Chi et Wenchuan. La variation spatiale de ces paramètres semble cohérente avec celle de la lithologie et la profondeur des sols. / Landslides are a major natural hazard that cause significant damages and casualties to people. Earthquakes are one of their main triggers in active mountain belts. In epicentral area, the passage of seismic-waves that disrupt the stress-field, leads the slope stability threshold to be exceeded. Co-seismic slope failure probability thus depends on complex interactions between the ground-motion and the slope geology and geometry. A few seismic data are available on mountain slopes and the resolution of ground-motion models is generally low. Yet strong variation of ground-motion from one ridge to another can be felt due to site effects. We document site effects across topography and show the complexity of slope responses to earthquakes using a seismic network set across a Taiwanese ridge. Six broadband seismometers were set along the profile of this 3km wide ridge. From March 2015 to June 2016, more than 2200 earthquakes (magnitude Ml>3 and hypocentral distance<200km) were recorded. Although the sites are within a distance of hundreds of meters they all show different characteristic responses that are related to a complex combination of the geology and topography of the sites. At medium frequency corresponding to groundmotion wavelength that could affect slope stability, the ground-motion amplification is mostly related to the local geology and the topographic effect seems relatively negligible as attested by current indicators measured at the stations (PGA, PGV, Arias, SSR). However the duration of strong ground-motion at the ridge crests and slope toe seems to be related to possible resonance effects and surface wave generation due to the geometry of the topography. The strong contribution of the geology to co-seismic landslide trigger is demonstrated by the analysis of their position along hillslopes for the co-seismic landslides triggered by the Northridge earthquake (Mw 6.7, 1994, USA), the Chi-Chi earthquake (Mw 7.6, 1999, Taiwan), and the Wenchuan earthquake (Mw 7.9, 2008, China). Indeed, although co-seismic landslides are statistically located higher on hillslopes than the rainfall-induced landslides, we show that this tendency is strongly modulated by the geology. According to the “potential landslides attractiveness” of geological structures, such as faults or lithological contrasts, present in the watershed, the slope failure would occur more or less upslope, where the failure probability is the highest.Slope mechanical properties are not well constrained in mountain area. Their geotechnical parameters are usually estimated using information provided by geological maps, but even for the same lithology they can strongly differ for one basin to another. Considering one simple friction model for seismic slope stability, we propose to invert Coulomb related parameters using the slope distributions of the landslides triggered by the Northridge, Chi-Chi and Wenchuan earthquakes. The spatial variation of these parameters seems to be in agreement with the lithology and soil depth at the first order.

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.

Le Liban n'a pas souffert de grands tremblements de terre destructeurs depuis près de deux siècles. Il est toutefois traversé par la faille transformante majeure du Levant, séparant sur1000 km de longueur la plaque Arabique à l’est de la plaque Africaine à l’ouest. Ses principales branches au Liban sont la faille de Yammouneh qui traverse le pays du sud au nord, les failles de Serghaya et Rachaya dans sa partie Est, la faille de Roum et les failles inverses du Mont Liban dans la partie Ouest. Ces failles ont généré des séismes destructeurs dans la longue histoire connue de la région, parmi lesquels les plus importants sont ceux deJuillet 551 sur la faille du Mont-Liban, de mai 1202 sur la faille de Yammouneh, d’Octobre1759 sur la faille de Rachaya et de Novembre 1759 sur la faille de Serghaya. L'évaluation del'aléa et du risque sismique local est donc de première importance pour l'ensemble du pays.L'objectif du travail effectué dans cette thèse est d'appliquer au Liban les avancées réalisées ces dernières années dans le développement de nouveaux outils à la fois fiables et économiquement abordables pour l’évaluation de l’aléa sismique, en commençant par les grandes villes et en particulier la capitale Beyrouth. L'objectif est de mieux appréhender et comprendre le risque sismique sur le territoire libanais, pour pouvoir ensuite commencer à élaborer des politiques de prévention et des codes parasismiques qui puissent le réduire à terme.Un réseau sismologique temporaire composé de 10 stations a été installé dans Beyrouth etune partie de sa banlieue sur des sites représentatifs des principales unités géologiques présentes. Plusieurs dizaines de séismes locaux et régionaux ont pu y être enregistrés, et leur réponse sismique a été évaluée par la méthode du rapport spectral site sur référence (SSR),comparé au rapport spectral de la composante horizontale sur la composante verticale (H/V)calculé sur les tremblements de terre et sur le bruit ambiant. Les mêmes enregistrements ont également été utilisés pour prédire, par la technique des Fonctions de Green empiriques(FGE), le mouvement sismique correspondant à un événement majeur (Mw7.5) sur la faille de Yammouneh. Cet exercice de prédiction a toutefois été réalisé en deux étapes en raison des limitations dans l'application de la technique FGE en champ proche, avec deux techniques complémentaires: l'enregistrement d’un petit événement a été d'abord utilisé pour simuler un séisme de Mw6.5 sur la faille de Yammouneh, en parallèle à l'utilisation de plusieurs équations de prédiction de mouvement du sol (GMPE), soigneusement sélectionnées, pour effectuer une prédiction similaire. La comparaison FGE/GMPE a alors permis de calibrer la prédiction du mouvement du sol par GMPE à différents sites de Beyrouth pour l'événement cible de Mw7.5. Ces résultats ponctuels ont ensuite été étendus à l'ensemble de la municipalité de Beyrouth et de sa banlieue proche, en vue de mieux cerner les contours d'une future carte de microzonage, au travers d'une vaste campagne de mesures de bruit ambiant sur615 sites. Leur traitement H/V a permis d’obtenir une carte de la fréquence de résonance pour l'ensemble de la zone, carte dont la robustesse a été testée et prouvée. Des mesures sismiques actives et passives ont en outre été menées sur les principales unités géologiques à proximité des 10 sites préalablement sélectionnés et instrumentés, permettant ainsi d'obtenir les premières estimations directes de la vitesse des ondes de cisaillement (via les courbes de dispersion des ondes de Rayleigh). La comparaison de ces mesures avec les estimations -très dispersées - issues de la compilation des paramètres géologiques/géotechniques disponibles et des équations de corrélation existantes avec les valeurs N des SPT, montre tout l'intérêt de ces mesures simples et fiables. / Lebanon is one of the countries that have not suffered from large destructive earthquakes foralmost two centuries. It is however lying on the 1000 km long, left lateral Levant fault thatseparates the Arabic plate in the east from the African plate in the west. Its main branches inLebanon are the Yammouneh fault that crosses the country from south to north, the Serghayaand Rachaya faults in its Eastern part, the Roum and Mount Lebanon Thrust faults in itsWestern part. These faults have generated destructive earthquakes in the long known historyof the area. The largest events are: The July 551 earthquake on the Mount Lebanon Thrustfault, the May 1202 earthquake on the Yammouneh fault, the October 1759 on the Rachayafault and the November 1759 on the Serghaya fault. From all above, one can conclude thatLebanon is exposed to a significant seismic hazard. Assessing the local seismic hazard andrisk is therefore of primary importance for the whole country.The objective of the work undergone in this PhD is to take advantage of the latest advancesachieved worldwide to promote rather inexpensive, though reliable, seismic hazardassessment tools, to try to apply them in Lebanon starting with the big cities and specificallythe capital Beirut. These studies will help to understand the Lebanese seismic risk andsubsequently to start to elaborate seismic policies and codes that may help reducing this risk.A temporary seismological network consisting of 10 stations has been installed in Beirut anda part of its suburbs. Several tens of local and regional earthquakes could be recorded, andallowed to estimate the site response at selected sites in Beirut through the standard site toreference spectral ratio method ("SSR") on earthquakes, compared to the horizontal tovertical ratio ("H/V") calculated on earthquakes and on ambient noise. The same recordingscould also be used via the empirical Green Function’s technique ("EGF") to predict theseismic ground motion corresponding to a Mw7.5 on the Yammouneh fault. However, due tolimitations in near-field applications of the EGF technique, this prediction exercise wasperformed in two steps and with two complementary techniques: a weak event recording wasfirst used to simulate a Mw6.5 earthquake on the Yammouneh fault, while several, carefullyselected ground motion prediction equations (GMPE) were used to perform a comparativeprediction for the same earthquake. This EGF/GMPE comparison then allowed tuning theGMPE prediction of ground motion at various sites within Beirut for the target Mw7.5 event.The results were then extended in view of proposing a framework for a future microzonationviimap. A comprehensive campaign of ambient noise measurements was achieved for 615 sitesof Beirut municipality and close suburbs, the H/V processing of which allowed to derive arobust map of resonance frequency for the whole area. In addition, active and passive seismicmeasurements were conducted on different geological units near the 10 formerlyinstrumented sites, which provided quantitative estimates of the shallow S-wave velocitythrough the Rayleigh wave dispersion curves. These geophysical measurements permitted toprovide direct estimates of the shear waves velocity, which prove much more reliable thanthe highly scattered estimates derived from the compilation of the availablegeological/geotechnical parameters and the use of existing correlations equations betweenSPT N-value and S-wave velocity Vs.

Les travaux de cette thèse s'inscrivent dans l'objectif général de fournir des recommandations sur la façon d'intégrer les effets du site dans l'évaluation probabiliste des risques sismiques, mieux connue sous le nom de PSHA, une méthodologie connue et utilisée à l'échelle mondiale pour estimer l'aléa et le risque sismiques à l'échelle régionale et locale. Nous passons donc en revue les méthodes disponibles dans la littérature pour obtenir la courbe d'aléa sismique en surface d'un site non-rocheux, en commençant par les méthodes les plus simples et plus génériques (partiellement probabiliste), jusqu'aux méthodes site-spécifiques (partiellement et entièrement probabilistes) qui nécessitent une caractérisation du site de plus en plus poussée, rarement disponible sauf cas exceptionnel comme par exemple le site test d'Euroseistest. C'est justement sur l'exemple de ce site que sont donc comparées un certain nombre de ces méthodes, ainsi qu'une nouvelle.La spécificité et la difficulté de ces études PSHA "site-spécifiques" vient du caractère non-linéaire de la réponse des sites peu rigides, ainsi que du fait que le rocher de référence contrôlant cette réponse est souvent très rigide. Les aspects "ajustement rocher dur" et "convolution" de l'aléa sismique au rocher avec la fonction d'amplification ou la fonction transfert (empirique ou numérique) d’un site font donc l'objet d'une attention particulière dans ces études comparatives. Un cadre général est présenté sur la façon de prendre en compte simultanément les caractéristiques spécifiques au site, la variabilité aléatoire complète ou réduite ("single station sigma"), les ajustements hôte-cible et le comportement linéaire / non linéaire d'un site, où nous expliquons toutes les étapes, corrections, avantages et difficultés que nous avons trouvés dans le processus et les différentes façons de les mettre en oeuvre.Cette étude comparative est divisée en deux parties: la première porte sur les méthodes non site-spécifiques et les méthodes hybrides site-spécifique (évaluation probabiliste de l'aléa au rocher et déterministe de la réponse de site), la seconde porte sur deux approches prenant en compte la convolution aléa rocher / réponse de site de façon probabiliste. Un des résultats majeurs de la première est l'augmentation de l'incertitude épistémique sur l'aléa en site meuble comparé à l'aléa au rocher, en raison du cumul des incertitudes associées à chaque étape. Un autre résultat majeur commun aux deux études est l'impact très important de la non-linéarité du sol dans les sites souples, ainsi que de la façon de les prendre en compte: la variabilité liée à l'utilisation de différents codes de simulation NL apparaît plus importante que la variabilité liée à différentes méthodes de convolution 100% probabilistes. Nous soulignons l'importance d'améliorer la manier d’inclure les effets du site dans les méthodes de l’estimation de l’aléa sismique probabiliste ou PSHA, et nous soulignons aussi l'importance d'instrumenter des sites actifs avec des sédiments meubles, comme l'Euroseistest, afin de tester et valider les modèles numériques.Finalement, on présente un résumé des résultats, des conclusions générales, de la discussion sur les principaux problèmes méthodologiques et des perspectives d'amélioration et de travail futur.Mots-clés: Effets du site, incertitude épistémique, PSHA, single station sigma, ajustements hôte-cible, effets linéaires et non linéaires, réponse de site / The overall goal of this research work is of provide recommendations on how to integrate site effects into Probabilistic Seismic Hazard Assessment, better known as PSHA, a well-known and widely used methodology. Globally used to estimate seismic hazard and risk at regional and local scales. We therefore review the methods available in the literature to obtain the seismic hazard curve at the surface of a soft soil site, starting with the simplest and most generic methods (partially probabilistic), up to the full site-specific methods (partially and fully probabilistic), requiring an excellent site-specific characterization, rarely available except exceptional cases such as the case of Euroseistest site. It is precisely on the example of this site that are compared a number of these methods, as well as a new one. And it is precisely at the Euroseistest that we performed an example of application of the different methods as well as a new one that we propose as a result of this work.The specificity and difficulty of these "site-specific" PSHA studies comes from the non-linear nature of the response of the soft sites, as well as from the fact that the reference rock controlling this response is often very rigid. The "rock to hard rock adjustment" and "convolution" aspects of the rock seismic hazard, together with the amplification function or the transfer function (empirical or numerical) of a site are therefore the subject of particular attention in these studies. comparative studies. A general framework is presented on how to simultaneously take into account the site-specific characteristics, such as the complete or reduced random variability ("single station sigma"), host-to -target adjustments and the linear / nonlinear behavior of a site, where we explain all the followed steps, the different corrections performed, the benefits and difficulties that we found in the process and the ways we sort them and discussing them when the answer was not straight forward.This comparative study is divided into two parts: the first deals with non-site-specific methods and site-specific hybrid methods (probabilistic evaluation of rock hazard and deterministic of the site response). The second deals with two approaches taking into account the convolution of rock hazard and the site response in a probabilistically way. One of the major results of the first is the increase of the epistemic uncertainty on the soft site hazard compared to the rock hazard, due to acumulation of uncertainties associated to each step. Another major common result to both studies is the very important impact of non-linearity on soft sites, as well as the complexity on how to account for them: the variability associated with the use of different non-linear simulation codes appears to be greater than the method-to-method variability associated with the two different full convolution probabilistic methods. We emphasize on the importance of improving the way in which the site effects are included into probabilistic seismic hazard methods, PSHA. And we also emphasize on the importance of instrumenting active sites with soft sediments, such as the Euroseistest, to test and validate numerical models.Finally, a summary of the results, the general conclusions, discussion of key methodological issues, and perspectives for improvement and future work are presented.Keywords: Site Effects, Epistemic Uncertainty, PSHA, single station sigma, host to target adjustments, linear and nonlinear site effects, soil site response.

L'évaluation de l’aléa sismique doit tenir compte des différents aspects qui interviennent dans le processus sismique et qui affectent le mouvement du sol en surface. Ces aspects peuvent être classés en trois grandes catégories : 1) les effets de source liés au processus de rupture et à la libération d'énergie sur la faille. 2) les effets liés à la propagation de l'énergie sismique à l'intérieur de la Terre. 3) l'influence des caractéristiques géotechniques des couches peu profondes ; appelé effet de site. Les effets de site sont pris en compte dans la mitigation des risques par l'évaluation de la réponse sismique du sol. Lors de sollicitations cycliques, le sol présente un comportement non-linéaire, ce qui signifie que la réponse dépendra non seulement des paramètres du sol mais aussi des caractéristiques du mouvement sismique (amplitude, contenu en fréquence, durée, etc.). Pour estimer la réponse non-linéaire du site, la pratique habituelle consiste à utiliser des simulations numériques avec une analyse linéaire équivalente ou une approche non-linéaire complète. Dans ce document, nous étudions l'influence du comportement non-linéaire du sol sur la réponse du site sismique en analysant les enregistrements sismiques des configurations des réseaux de forages. Nous utilisons les données du réseau Kiban Kyoshin (KiK-Net). Les 688 sites sont tous équipés de deux accéléromètres à trois composantes, l'un situé à la surface et l'autre en profondeur. À partir de ces données, nous calculons les amplifications du mouvement du sol depuis la surface jusqu'aux enregistrements en fond de puit à l'aide des rapports spectraux de Fourier. Une comparaison entre le rapport spectral pour le faible et le fort mouvement du sol est alors réalisée. Le principal effet du comportement non-linéaire du sol sur la fonction de transfert du site est un déplacement de l'amplification vers les basses fréquences. Nous proposons une nouvelle méthodologie et un nouveau paramètre appelé fsp pour quantifier ces changements et étudier les effets non-linéaires. Ces travaux permettent d'établir une relation site-dépendante entre le paramètre fsp et le paramètre d'intensité du mouvement du sol. La méthode est testée sur les données accélérométriques du séisme de Kumamoto (Mw 7.1, 2016). Nous proposons ensuite d’utiliser des corrélations entre moment seismic et la duration de la faille (Courboulex et al., 2016), obtenues à partir d’une base de données globale de fonctions source et une méthode basée sur l’approche des fonctions de Green empiriques (EGF) stochastiques pour simuler les mouvements forts du sol dus à un futur séisme. Cette méthodologie est appliquée à la simulation d’un séisme de subduction en Équateur et comparée aux données réelles du séisme de Pedernales (Mw 7.8, 16 avril 2016) dans la ville de Quito. Nous proposons enfin de combiner la méthode de simulation de mouvements forts par EGF et la prise en compte des effets non-linéaires proposée dans les premiers chapitres. La méthode est testée sur les données accélérométriques d’une réplique du séisme de Tohoku (Mw 7.9). / Seismic hazard assessments must consider different aspects that are involved in an earthquake process and affect the surface ground motion. Those aspects can be classified into three main kinds. 1) the source effects are related to the rupture process and the release of energy. 2) the path effects related to the propagation of energy inside Earth. 3) the influence of the shallow layers geotechnical characteristics; the so-called site-effects. The site effects are considered in risk mitigation through the evaluation of the seismic soil response. Under cyclic solicitations the soil shows a non-linear behavior, meaning that the response will not only depend on soil parameters but also on seismic motion input characteristics (amplitude, frequency content, duration, …). To estimate the non-linear site response, the usual practice is to use numerical simulations with equivalent linear analysis or truly non-linear time domain approach. In this document, we study the influence of the nonlinear soil behavior on the seismic site response by analyzing the earthquake recordings from borehole array configurations. We use the Kiban Kyoshin network (KiK-Net) data. All 688 sites are instrumented with two 3-components accelerometers, one located at the surface and the another at depth. From these data, we compute the ground motion amplifications from the surface to downhole recordings by the computing Fourier spectral ratios for the aim to compare between the spectral ratio for weak and strong ground motion. The main effect of the non-linear behavior of the soil on the site transfer function is a shift of the amplification towards lower frequencies. We propose a new methodology to quantify those changes and study the nonlinear effects. This work results in a site-dependent relationship between the changes in the site response and the intensity parameter of the ground motion. The method is tested analyzing the records of the earthquake of Kumamoto (Mw 7.1, 2016). Posteriorly, we propose to integrate a correlation between seismic moment and the duration of the fault (Courboulex et al., 2016) in the empirical Green’s function method. This methodology was applied to simulate one seduction event in Equator, and we compare the results with the records of the Pedernales earthquake (Mw 7.8, 2016) in the city of Quito. We attempt to take in account the nonlinear effects in the empirical Green’s function method. We use the methodologies of the first part of this document based on the frequency shift parameter. The procedure could be implemented in other methodologies that can predict an earthquake at a rock reference site, such as the stochastic methods. We test the procedure using the accelerometric records for one of the aftershocks o the Tôhoku earthquake (Mw 7.9).

Ce travail de recherche se situe dans le cadre du développement de la méthode des éléments de frontière (BEM) pour les milieux poreux multiphasiques. À l'heure actuelle, l'application de la BEM aux pr oblèmes des milieux poreux non-saturés est encore limitée, car l'expression analytique exacte de la solution fondamentale n'a pas été obtenue, ni dans le domaine transformé ni dans le domaine réel. Ceci provient de la complexité du système d'équations régissant le comportement des milieux poreux non-saturés. Les développements de la BEM pour les sols non-saturés effectués au cours de cette thèse sont basés sur les modèles thermo-hydro-mécanique (THHM) et hydro-mécanique (HHM) présentés dans la première partie de ce mémoire. Ces modèles phénoménologiques basés sur la théorie de la poromécanique et les acquis expérimentaux sont obtenus dans le cadre du modèle mathématique présenté par Gatmiri (1997) et Gatmiri et al. (1998). Après avoir présenté les modèles THHM et HHM, on établit pour la première fois les équations intégrales de frontière et les solutions fondamentales associées pour un milieu poreux non-saturé sous chargement quasi-statique pour les deux cas isotherme (2D dans le domaine de Laplace) et non-isotherme (2D et 3D dans les domaines de Laplace et temporel). Aussi, les équations intégrales de frontière ainsi que les solutions fondamentales 2D et 3D (dans le domaine de Laplace) pour le modèle dynamique couplé des sols non-saturés sont obtenues. Ensuite, les formulations d'éléments de frontière (BEM) basées sur la méthode quadrature de convolution (MQC) concernant les milieux poreux saturé et non-saturé sous chargement quasi-statique isotherme et dynamique sont implémentées dans le code de calcul « HYBRID ». Ayant intégrées les formulations de BEM pour les problèmes de propagation d'ondes ainsi que pour les problèmes de consolidation dans les milieux poreux saturés et non-saturés, il semble que nous ayons fourni à l'heure actuelle le premier code de calcul aux éléments de frontière (BEM) qui modélise les différents problèmes dans les sols secs, saturés et non-saturés. Une fois le code vérifié et validé, des études paramétriques portant sur des effets de site sismiques sont effectuées. Le but recherché est d'aboutir à un critère simple, directement exploitable par les ingénieurs, combinant les caractéristiques géométriques et les caractéristiques du sol, permettant de prédire l'amplification du spectre de réponse en accélération dans des vallées sédimentaires aussi bien que vides / The purpose of this dissertation is to develop a boundary element method (BEM) for multiphase porous media. Nowadays, the application of the BEM for solving problems of unsaturated porous media is still limited, because no fundamental solution exists in the published literature, neither in the frequency nor time domain. This fact rises from the complexity of the coupled partial differential equations governing the behaviour of such media. The developments of the BEM for the unsaturated soils carried out during this thesis are based on the thermo-hydro-mechanical (THHM) and hydro-mechanical (HHM) models presented in the first part of this dissertation. These phenomenological models are presented based on the experimental observations and with respect to the poromechanics theory within the framework of the suction-based mathematical model presented by Gatmiri (1997) and Gatmiri et al. (1998). After having presented the THHM and HHM models, for the first time, one establishes the boundary integral equations (BIE) and the associated fundamental solutions for the unsaturated porous media subjected to quasi-static loading for both isothermal (2D in the Laplace transform domain) and non-isothermal (2D and 3D in Laplace transform and time domains) cases. Also, the boundary integral equations as well as the fundamental solutions (2D and 3D in the Laplace transform domain) are obtained for the fully coupled dynamic model of unsaturated soils.In the next step, the boundary element formulations (BEM) based on the convolution quadrature method (CQM) regarding the saturated and unsaturated porous media subjected to isothermal quasi-static and dynamic loadings are implemented via the computer code HYBRID. Having integrated the BEM formulations for the wave propagation, as well as the consolidation problems in the saturated and unsaturated porous media, it seems that now the first boundary element code is obtained that can model the various problems in dry, saturated and unsaturated soils. Once the code is verified and validated, parametric studies on seismic site effects are carried out. The aim is to achieve a simple criterion directly usable by engineers, combining the topographical and geological characteristics of the soil, to predict the amplification of acceleration response spectra in sedimentary as well as hollow valleys

Η περιοχή του ανατολικού τμήματος της τάφρου της Κορίνθου αποτελεί μια ταχύτατα αναπτυσσόμενη περιοχή φιλοξενώντας σημαντικότατες υποδομές. Η ανάπτυξη αυτής της περιοχής είναι απειλούμενη από την εξίσου σημαντική σεισμική δραστηριότητα που εμφανίζει και είχε ως αποτέλεσμα, σε προηγούμενους ιστορικούς χρόνους εκτεταμένες καταρρεύσεις κτηρίων, θανάτους ή και την πλήρη καταστροφή πόλεων. Σήμερα, νέες επιστημονικές μέθοδοι επικεντρώνονται στα εντυπωσιακά ρηξιγενή πρανή που τη διατρέχουν, η δράση των οποίων θεωρείται υπεύθυνη για τα ισχυρά σεισμικά επεισόδια που συμβαίνουν στην περιοχή. Η εκτίμηση των γεωμετρικών χαρακτηριστικών των ενεργών ρηγμάτων που εντοπίζονται στο θαλάσσιο και στο χερσαίο νότιο τμήμα της τάφρου οδήγησε σε μορφοκλασματικές κατανομές των δύο πληθυσμών από όπου προέκυψε ότι η κυρίαρχη διαδικασία ανάπτυξης των ρηγμάτων στον Κορινθιακό κόλπο είναι η συνένωση μικρότερων ρηγμάτων. Η διαδικασία αυτή φαίνεται να βρίσκεται σε ένα πιο πρώιμο στάδιο στον θαλάσσιο πληθυσμό, ενώ αντίθετα ο χερσαίος πληθυσμός έχει εισαχθεί σε ένα στάδιο ωριμότητας της παραμόρφωσης. Επιπλέον, διαπιστώθηκε ότι ο διαχωρισμός σε μήκη ρηγμάτων μικρότερα και μεγαλύτερα από 5km αναπαριστά ένα ανώτερο όριο στο οποίο πραγματοποιείται η αλλαγή στον τρόπο ανάπτυξης των ρηγμάτων αλλά μπορεί να συσχετιστεί και με την υποκείμενη μηχανική στρωμάτωση. Από αυτές τις κατανομές επιλέχθηκε μια ομάδα δεκατεσσάρων ρηγμάτων που αποτελούν σαφώς προσδιορισμένες σεισμικές πηγές και κυριαρχούν σε περιοχές με υψηλή σεισμικότητα. Ιδιαίτερα μελετήθηκε το ρήγμα των Κεγχρεών το οποίο είναι παρακείμενο σημαντικών υποδομών και στο οποίο πραγματοποιήθηκε γεωμορφολογική ανάλυση που απέδειξε ότι όλο το ρήγμα είναι ενεργό, αλλά και παλαιοσεισμολογική εκσκαφή στην οποία αναγνωρίστηκαν τρία τουλάχιστον σεισμικά γεγονότα μεγέθους 6.3 με κυμαινόμενη περίοδο επανάληψης. Τέλος, για αυτή την ομάδα ρηγμάτων κατασκευάστηκαν δενδροδιαγράμματα εκτίμησης της σεισμικής επικινδυνότητας από τα οποία υπολογίστηκε η ένταση Arias με τη χρήση διαφορετικής βαρύτητας εμπειρικών σχέσεων. Συνεκτιμώντας τη γωνία κλίσης του πρανούς, την επικρατούσα λιθολογία στην επικεντρική περιοχή καθώς και τα όρια της έντασης Arias εντοπίστηκαν θέσεις που εμφανίζονται επιδεκτικές σε διάφορους τύπους δευτερογενών φαινομένων, όπως ρευστοποιήσεις, ολισθήσεις και πτώσεις βράχων. Οι παράκτιες περιοχές των πόλεων του Κιάτου της Κορίνθου, του Λουτρακίου και οι βόρειες ακτές της χερσονήσου της Περαχώρας φαίνεται να επηρεάζονται σε σημαντικότερο βαθμό από την ενεργοποίηση τέτοιων φαινομένων. / The area of the eastern part of the Gulf of Corinth constitutes a rapid developing region hosting significant infrastructures. The significant seismic activity put a threat on this development as it has been noticed during historical time, triggering extensive collapses, human casualties and total disaster of cities. Today new scientific methods are implemented on the spectacular fault arrays that dissect the graben and whose activity is related to the important seismic events, occurred in the area. The scaling properties estimation of the active faults along the Gulf, both onshore and offshore, defines the fractal distributions of both populations. These fractal distributions show that the main fault growth process is the linkage and interaction between smaller fault segments. The offshore population is characterized by an earlier stage of this process, whereas the onshore population indicates a more mature stage of deformation. Additionally, the subdivision of fault length above and beyond 5km represents a maximum bound, where the change in the growth process takes place, but it can also be associated with the underlying crustal mechanical layering. These fractal distributions determine a selection of a group of fourteen active faults that represent unambiguous seismic sources located on highly seismic areas. From this group, the Kencreai fault was especially studied due to its proximity to essential infrastructure. The geomorphology and palaeoseimological analysis of this fault reveal that the fault is active all along its trace, hosting at least three major seismic events with maximum magnitude 6.3 and fluctuant recurrence interval. Finally, for this fault group, seismic hazard assessment logic trees are produced, that calculate the Arias intensity considering the uncertainty of different attenuation relationships. By evaluating the slope gradient, the lithology conditions in the epicentral area and the upper bounds of the Arias intensity, areas highly susceptible to future site effects such as liquefactions, landslides and rock falls are located. The coastal areas of the Kiato, Corinthos and Loutraki cities and the north coast of the Perachora peninsula as well seem more influenced by site effects induced by major earthquakes.