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QSHA - WP3

QSHA - WP3. Echelle des phénomènes sismiques. Une série de phénomènes en milieu continu. « STRUCTURE ». Effet spécifique du site local associé au mouvement fort. Locale : m, 20-40 sec. Surface libre. « SITE ». Locale : dizaines m, 20-40 sec. Radiation des ondes sismiques.

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  1. QSHA - WP3

  2. Echelle des phénomènes sismiques Une série de phénomènes en milieu continu « STRUCTURE » Effet spécifique du site local associé au mouvement fort Locale : m, 20-40 sec Surface libre « SITE » Locale : dizaines m, 20-40 sec Radiation des ondes sismiques « PROPAGATION » Faille (séisme) Regionale : 10 km, 20-40 sec Nationale : 100 km, > 1 min Globale : la Terre, > heures « SOURCE » M6 : ~ 10 km, < 10 sec M7 : ~ 30 km, 20-30 sec

  3. Outils numériques au brgm Site = FEM GEFDYN (École Centrale Paris – BRGM) Réponse sismique non linéaire Couplage FDM-FEM : Injection/absorption des ondes sur frontières Propagation = FDM Onde3D Grilles décalées (4ème ordre en espace) Milieu élastique Source = BIEM Géométrie de faille non planaire

  4. Nos outils - Ondes3D • FDM (méthode de différences finies) • Milieu élastique hétérogène (avec un coefficient d’atténuation) • Grilles décalées structurelles (4ème ordre en espace) • « PML absorbing condition » pour frontières • Écrit en langage C • Code parallélisé (MPI)

  5. Nos outils - GEFDYN • FEM (méthode de éléments finis) • Géométries complexes (2D/3D) • Milieux hétérogènes multiphasiques (fluide-solide ou air-fluide-solide) • Différentes lois de comportement possibles pour étudier la réponse non linéaire des géomatériaux (séismes, mouvements de terrains, phénomènes de liquéfaction, etc.) : EP, VP… • Différents types d’éléments (linéaires/quadratiques) : • Éléments « volumiques » fluides/solides (1/2/3D) • Éléments de structure (poutres, barres, plaques,…) • Éléments de contacts, discontinuités (joints avec lois non linéaires, split node) • Éléments rigides (chocs, impact de blocs) • Éléments de frontière (CL) : • Frontière absorbante (approximation paraxiale d’ordres 0, 1) • Chargements hydrauliques (suintement) / mécaniques (linéiques, surfaciques) • Différents types d’analyses (statique/dynamique, excavation/construction par couches, THM, etc.) • Écrit en langage Fortran • Code parallélisé (MPI)

  6. Couplage FDM – FEM • Simulation grande échelle en partant de la source • FDM : propagation sans tenir compte de la complexité locale • Impédance spectrale (vitesse + vecteur contrainte) + condition absorbante imposées sur frontière S • Simulation locale (échelle site) • FEM : simulation incluant les configurations complexes (matériaux, topographie, etc.)

  7. Couplage FDM – FEM :validation 2D Problème 2D P-SV (point source) Impédance spectrale (vitesse + vecteur contrainte)+ condition absorbante surS Zone modèle FEM Simulation échelle site Simulation grande échelle 110 éléments paraxiaux à la base Mêmes pas entre FDM/FEM (espace, temps) Milieu homogène linéaire élastique Vs = 1500 m/s, Vp = 3200 m/s, ρ = 2280 kg/m3

  8. Couplage FDM – FEM :validation 2D Couplage OK ! Multiples réflexions d’ondes... De Martin et al. (2006)

  9. Vitesse (m/s) Onde sismique

  10. nx 599 ny 718 nz 140 x0 988025 y0 145075 z0 -4975 dx 50 dy 50 dz 50 nodata_value out SA SA SA SA SA …. …. Bertrand & Deschamps (2001) etc. BRGM/CDG 3 0. 3600. 2500. 2500. 100. -3. 6840. 4000. 2950. 300. -17. 8000. 4500. 3350. 300. Delouis (Géosiences Azur, pers. comm.) Simulation grande échelle – Nice ( collaboration brgm – Géosciences Azur) • Sédiment (3D-BRGM) + Bedrock (presque 1D) • Bedrock (1D) A améliorer dans QSHA!

  11. Alluvions Pliocène Surface d’érosion Messinienne 1km Mésozoïque Calculs FEM Simulations FEM 3D - Nice (échelle site) • Centre historique de Nice • Taille physique : 2km x 2km x 180m • Milieu continu avec prise en compte de la topographie et différentiation des formations géologiques de surface : 1 rocher + 5 alluvions (sables, argiles)

  12. Simulations FEM 3D - Nice (échelle site) • La taille des éléments par couche dépend : • des vitesses des ondes (dispersion numérique) => pour Nice, [3-24] m • de la fréquence maximale attendue pour le séisme (entre 0-15Hz) => Ici : 0-9Hz (limitations essentiellement hardware et CPU…)

  13. Simulations FEM 3D - Nice (échelle site) • Modèles homogènes (validation, faisabilité) : • Séisme en mer fév. 2001 (Mw=4.1) • Plage : 0-5Hz (9500 pas de temps) • Calculs drainés + élasticité + condition rocher rigide : ~223 000 éléments hexaédriques linéaires (~20m) => ~626 000 ddls ~280 000éléments tétraédriques linéaires (~25m) => ~1.2M ddls ~1.3 Millionséléments tétraédriques quadratiques (3m~24m) => ~5M ddls • Temps : • Hexaèdres: 38h(cluster brgm 12 processeurs), 8h(cluster Inria 32 processeurs) • Tétraèdres: Lin. 10h(cluster brgm 8 processeurs), Quad. 50h(cluster Inria 80 processeurs) • Sorties : • vecteurs a/v/u aux nœuds : 500 Mo/vecteur • tenseurs contraintes / déformations aux points de Gauss : plusieurs Go/tenseur • Mémoire totale requise/calcul : environ 22 Go (lin), 120Go (quad)

  14. Perspectives QSHA • Couplage FDM-FEM : • Améliorer la condition d’absorption • pour éliminer les ondes parasites : paraxiaux d’ordre supérieur ? • Passer à une formulation implicite (stabilité, non linéaire) • Validations 2D avec topographie et 3D • Aléa Nice : • Modèle « réel » : • couplage avec FDM pour input motion (condition rocher déformable) => séisme Mw=6.5 (modifié par FGE) • loi non linéaire pour alluvions (elast. nlin. + MC cyclique) • Aléa Grenoble

  15. Benchmark ESG 2006 (Grenoble) • Bedrock (1D layer) + forme de bassin (3D) + sédiment (1D) Vue en plan du bassin grenoblois Vue 3D Modèle standard : 30 km x 30 km x 10 km, Ds = 100m, Dt = 0.005s, soit 11M grilles x 2800 étapes = 2h sur 8 CPUs brgm Modèle fin : 30 km x 30 km x 6 km, Ds = 50m, Dt = 0.003s, soit 50 M mailles x 10000 étapes = 18h sur 16 CPUs brgm 2 sources ponctuel (M2.8, M2.9) 2 sources étendues (M6)

  16. Perspectives QSHA Estimation « empirique » et « simulation numérique » sur le mouvement fort Amplification importante par rapport au loi empirique • Anomalies dans le bassin dues à la « structure » • Anomalies au rocher due à la « source »

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