SÉISMES ET SISMOLOGIE Le génie parasismique

Effets de site et effets induits

Lors des grands séismes historiques, l'analyse de la variabilité géographique des intensités a amené les scientifiques à attribuer au sol des effets sur la distribution des dommages. C'est ce que l'on appelle les effets de site.

Quelques observations réalisées en France (séisme de Lambesc en 1909) et à l'étranger (séisme de San Fernando en 1971, de Whittier Narrows en 1987 ou de Northridge en 1994, tous en Californie) ont montré que le mouvement sismique du sol était perturbé par la présence d'une topographie marquée. Les raisons physiques avancées pour expliquer ce phénomène sont liées aux interférences entre la pente du relief, l'angle d'incidence des ondes incidentes et diffractées dans la topographie, ou de la focalisation des ondes le long de la surface topographique. Même s'il ne fait aucun doute que de tels effets existent, la faible quantité de sites instrumentés ne permet pas de conclure à des observations statistiquement fiables, d'autant que certaines géométries a priori favorables n'ont pas montré d'amplifications spectaculaires. Cependant, ces effets existent et il est recommandé de les prendre en compte pour le dimensionnement lors d'un projet de construction en zone sismique.

Effet de site sismique - crédits : Encyclopædia Universalis France — Effet de site sismique
Encyclopædia Universalis France

Les effets de site de nature géologique ont quant à eux bénéficié d'un grand nombre de retours d'expériences et d'observations systématiques. Des terrains rocheux à des sols meubles, les dommages aux constructions les plus faibles peuvent être augmentés de 30 p. 100, ce qui se traduit par une augmentation considérable des victimes (fig. 3). Le risque sismique des villes de plus faible importance, ou exposées à des niveaux d'aléa modéré, s'en trouve aussi considérablement modifié. En France, certaines villes présentent des effets de site majeurs (par exemple, Grenoble, Nice, Annecy, Lourdes...), objets d'une surveillance initiée en 1995 par le Réseau accélérométrique permanent (R.A.P.).

Les régions caractérisées par un effet de site majeur sont souvent constituées d'un remplissage de formations meubles (des sédiments) sur un horizon géologique plus raide (le substratum). Par meuble, on entend des formations dans lesquelles la propagation des ondes de cisaillement, c'est-à-dire βs, est relativement faible. Dans le cas d'une formation sédimentaire stratifiée plane (le cas du modèle à une dimension, soit 1D), l'onde sismique pénètre la couche sédimentaire au niveau de l'interface substratum-sédiment. Elle atteint la surface libre où elle se réfléchit vers le bas. En arrivant au niveau de l'interface sédiment-substratum, plus le contraste de propagation des ondes S (ondes de cisaillement) entre les sédiments et le substratum, soit βs/βr, est important, plus l'énergie sera concentrée et piégée dans la couche de surface. Une des conséquences directes est de créer un phénomène de résonance de la couche, qui se met à vibrer à sa fréquence naturelle. Cette fréquence, dite fréquence fondamentale f₀, ne dépend que des propriétés mécaniques de la couche superficielle, c'est-à-dire son épaisseur Hs et βs. Elle vaut : f₀ = βs /4H pour le mode fondamental, f_n = (2n+1)f₀ pour les n modes supérieurs.

L'amplification spectrale A du mouvement du sol sera essentiellement contrainte par le rapport des propriétés de l'interface sédiments-substratum selon la relation : A = Z/(1 + 0,5 πζC), avec Z=ρβρ/ρsβs le rapport des produits de la masse volumique ρ par la vitesse β des ondes S, modulé par l'amortissement ζs des ondes dans les sédiments. La conséquence directe est donc une focalisation de l'énergie sismique arrivant sur le site dans une bande de fréquence étroite. À Mexico (lors du séisme de 1985 (environ 10 000 morts), ce phénomène particulièrement[...]

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Écrit par

Philippe GUÉGUEN : docteur en géophysique, Institut des sciences de la Terre, Grenoble

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