Présentation
Le projet PRENOLIN a pour but d’évaluer les incertitudes
associées à l’estimation de la réponse sismique des sites,
caractérisés par des sols ayant un comportement non-linéaire (NL)
et une configuration de site unidimensionnelle (1-D). Un banc
d’essai international a été organisé afin de tester de nombreux
codes de calculs implémentant des modèles constitutifs des sols
variés.
21 équipes de recherche et 23 codes font participent à ce banc
d’essais. Les principaux résultats attendus sont les suivants
(1) Vérification et validation des codes NL dans des conditions
simples :
a. 1-D, sans liquéfaction (pas d’effet de la pression
interstitielle il s’agit donc de calculs en contrainte totale) et
des analyses du comportement des sols sujets à des contraintes de
cisaillement uniquement (propagation des ondes de cisaillement
SH).
b. Sur des cas réels et des cas canoniques
(2) Evaluation des incertitudes épistémiques (associées
principalement au modèle de sol)
(3) Elaboration d’un guide méthodologique sur l’utilisation de
ces méthodes numériques.
PRENOLIN a été réalisé à l’aide de financements issus de deux
projets : SINAPS@, qui est un projet de L’Agence Nationale
pour la Recherche (ANR) et SIGMA financé par un consortium
d’opérateurs nucléaires (EDF, CEA, AREVA, ENEL).
Une première phase de vérification (comparaison des codes
numériques entre eux) a été réalisée sur des cas tests canoniques
impliquant plusieurs itérations de calcul. Elle a été suivie d’une
seconde phase de validation qui compare les résultats des codes de
calculs à des observations réelles en deux sites de réseaux
accélérométriques japonais.
Le diagramme ci-dessous illustre les calculs réalisés durant le
banc d’essai. Ceux-ci on été réalisés en utilisant des hypothèses
de calculs reflétant des comportements de sols différents
(élastique, visco-élastique et non-linéaire), en utilisant
différents accélérogrammes d’entrées (réels et synthétiques ayant
des contenus fréquentiels et des accélérations maximales variées)
et différentes conditions aux limites entre la couche de sol et le
substratum sismique (Substratum élastique ou rigide). Plusieurs
itérations de calcul ont été réalisées pour chacun de ces cas test,
cette base de données ne contient uniquement que la dernière
itération de calcul.
Pour chaque calcul, les participants devaient fournir:
· Des accélérations en fonction du temps (AC) à la surface et à
des diverses profondeurs dans la colonne de sol.
· Les contraintes de cisaillement et les déformations de
cisaillement (SS) en fonction du temps prés de la surface et à
différentes profondeurs de la colonne de sol.
Ce sont ces résultats qui sont disponibles dans la base de
données.
Documentation
Dans l’onglet Documentation, tous les comptes rendus des 6
séminaires de travail (sur deux jours) sont disponibles :
· debriefing_WS1_WS2
· debriefing_WS3
· debriefing_WS4
· debriefing_WS5
· debriefing_WS6
Ainsi que les données de bases nécessaires à la réalisation des
calculs :
· De vérification (PRENOLIN_material_verif_it_2.zip)
· De validation : sur le site de KSRH10
(PRENOLIN_Material_val_it2_KSRH10.zip) et sur le site de Sendai
(PRENOLIN_material_val_it3_sendai.zip).
Ce travail a été présenté à plusieurs conférences
internationales et les articles associés sont également disponibles
:
· 2014_ECEE
· 2014_SSA
· Phase de vérification
· Sélection des sites pour la phase e validation.
· 2015_BRGM
· 2015_ICEGE
· Phase de vérification
· Phase de validation
· 2015_SSA
· 2015-AFPS
Ce travail a été soumis à des publications dans le Bulletin de
« Seismological Society of America » (BSSA)
· International benchmark on numerical simulations for 1D,
non-linear site response (PRENOLIN): verification phase based on
canonical cases. Régnier et al, BSSA accepted in June 2016
· International benchmark on numerical simulations for 1D,
non-linear site response (PRENOLIN): Validation phase on two real
sites. Régnier et al, to come
Qui a participé, qui a animé ?
Equipe organisatrice
Julie REGNIER, CEREMA, Nice, [email protected],
Luis-Fabian BONILLA, IFSTTAR, Marne-la-Vallée,
[email protected],
Pierre-Yves BARD, IFSTTAR-ISTERRE, Grenoble ,
[email protected],
Etienne BERTRAND, CEREMA, Nice, [email protected],
Fabrice HOLLENDER, CEA, Cadarache, [email protected],
Hiroshi KAWASE, DPRI, Kyoto,
[email protected],
Deborah SICILIA , EDF, Aix-en-Provence,
[email protected]
Equipes participantes et codes associés
Team Name
Affiliation
Team Index
Code Name
Code Reference
D. Asimaki & J. Shi
Caltech, Pasadena, California
A
0
SeismoSoil
(Li and Assimaki, 2010; Matasovic and vucetic, 1993; Shi and
Asimaki, 2017)
S. Iai
DPRI, Kyoto University, Kyoto,
Japan
B
0
FLIP
(Iai, 1990)
S. Kramer
University of Washington, Seattle,
Washington
C
0
PSNL
(In development)
E. Foerster
CEA, France
D
0
CYBERQUAKE
(Modaressi and Foerster, 2000)
C. Gelis
IRSN, France
E
0
NOAH-2D
(Iai, 1990)
A. Giannakou
Fugro, Nanterre Cedex, France
F
0
DEEPSOIL 5.1
(Hashash et al., 2012)
G. Gazetas, E. Garini & N. Gerolymos
NTUA, Greece
G
0
NL-DYAS
(Gerolymos and Gazetas, 2006, 2005)5)
J. Gingery & A. Elgamal
UCSD, La Jolla, California
H
0
OPENSEES-UCSD-SOIL-MODEL
See Data and Resources
Y. Hashash & J. Harmon
Univ, Illinois,US
J
0
DEEPSOIL-NL 5.1
(Hashash et al., 2012)
J
1
DEEPSOIL-EL 5.1
(Hashash et al., 2012)
P. Moczo, J. Kristek & A. Richterova
CUB, Comenius University, Bratislava, Slovakia
K
0
1DFD-NL-IM
S. Foti & S. Kontoe
Politecnico di Torino, Torino, Italy
and Imperial College, United
Kingdom
L
1
ICFEP
(Kontoe, 2006; Potts and Zdravkovic, 1999; Taborda et al.,
2010)
L
2
DEEPSOIL-NL 5.1
(Hashash et al., 2012)
G. Lanzo, S. Suwal, A. Pagliaroli & L. Verrucci
University of Rome La Sapienza and
University of Chieti-Pescara, Italy
M
0
FLAC_7,00
(ITASCA, 2011)
M
1
DMOD2000
(Matasović and Ordóñez, 2007)
M
2
DEEPSOIL 5.1
(Hashash et al., 2012)
F. Lopez-Caballero & S. Montoya-Noguera
CentraleSupélec, Paris-Saclay
University, Châtenay-Malabry,
France
N
0
GEFDyn
(Aubry and Modaressi, 1996)
F. De-Martin
BRGM, France
Q
0
EPISPEC1D
(Iai, 1990)
See Data and Resources
B .Jeremić , F. Pisanò & K. Watanabe
UCD, LBLN, TU Delft & Shimizu Corp
R
0
real ESSI Simulator
See Data and Resources
A. Nieto-Ferro, D. Vandeputte
EDF, Paris & Aixen-Provence, France
S
0
ASTER
See Data and Resources
A. Chiaradonna, F. Silvestri & G. Tropeano
UNICA and University of Naples,
Naples, Italy
T
0
SCOSSA_1,2
(Tropeano et al., 2016)
T
1
STRATA
M.P. Santisi d'Avila
University of Nice Sophia Antipolis,
Nice, France
U
0
SWAP_3C
(Santisi d’Avila et al., 2012, 2013; Santisi d’Avila and
Semblat, 2014)
D. Mercerat and N. Glinsky
CEREMA, France
Y
0
DGNL
(Mercerat and Glinsky, 2015)
D. Boldini, A. Amorosi, A. di Lernia & G. Falcone
Unversity of Bologna, Sapienza
University of Rome, and
Politecnico di Bari, Italy
Z
0
EERA
(Bardet et al., 2000)
Z
1
PLAXIS
(Benz, 2006; Benz et al., 2009)
M. Taiebat & P. Arduino
UBC, British Columbia, Canada and
University of Washington, Seattle,
Washington
W
0
Opensees
See Data and Resources
Aubry, D., Modaressi, A., 1996. GEFDYN, Manuel scientifique. Éc.
Cent. Paris LMSS-Mat.
Bardet, J.P., Ichii, K., Lin, C.H., 2000. EERA: a computer
program for equivalent-linear earthquake site response analyses of
layered soil deposits. University of Southern California,
Department of Civil Engineering.
Benz, T., 2006. Small strain stiffness of soils and its
consequences. Dr. Thesis IGS Univ. Stuttg.
Benz, T., Vermeer, P.A., Schwab, R., 2009. A small‐strain
overlay model. Int. J. Numer. Anal. Methods Geomech. 33, 25–44.
Gerolymos, N., Gazetas, G., 2006. Winkler model for lateral
response of rigid caisson foundations in linear soil. Soil Dyn.
Earthq. Eng. 26, 347–361.
Gerolymos, N., Gazetas, G., 2005. Constitutive model for 1-D
cyclic soil behaviour applied to seismic analysis of layered
deposits. Soils Found. 45, 147–159.
Hashash, Y.M.A., Groholski, D.R., Phillips, C.A., Park, D.,
Musgrove, M., 2012. DEEPSOIL 5.1. User Man. Tutor. 107.
ITASCA, F., 2011. 7.0: User Manual. Licence Number
213-039-0127-18973. Sapienza—Univ Rome Earth Sci. Dep.
Kontoe, S., 2006. Development of time integration schemes and
advanced boundary conditions for dynamic geotechnical analysis.
Imperial College London (University of London).
Li, W., Assimaki, D., 2010. Site-and motion-dependent parametric
uncertainty of site-response analyses in earthquake simulations.
Bull. Seismol. Soc. Am. 100, 954–968.
Matasović, N., Ordóñez, G., 2007. D-MOD2000. GeoMotions, LLC,
Computer Software.
Matasovic, N., vucetic, M., 1993. Analysis of seismic records
obtained on november 24, 1987 at the Wildlife liquefaction array.
University of California, Los Angeles.
Mercerat, E.D., Glinsky, N., 2015. A nodal discontinuous
Galerkin method for non-linear soil dynamics. 6th Int. Conf.
Earthq. Geotech. Eng.
Modaressi, H., Foerster, E., 2000. CyberQuake. User’s Man. BRGM
Fr.
Potts, D.M., Zdravkovic, L., 1999. Finite element analysis in
geotechnical engineering: theory. Imperial College of Science,
Technology and Medicine. Thomas Telford Publishing, Thomas Telford
Ltd, ISBN 0-7277-2783-4.
Santisi d’Avila, M.P., Lenti, L., Semblat, J.-F., 2012.
Modelling strong seismic ground motion: three-dimensional loading
path versus wavefield polarization. Geophys. J. Int. 190,
1607–1624.
Santisi d’Avila, M.P., Semblat, J.-F., 2014. Nonlinear seismic
response for the 2011 Tohoku earthquake: borehole records versus
one-directional three-component propagation models. Geophys. J.
Int. 197, 566–580.
Santisi d’Avila, M.P., Semblat, J.-F., Lenti, L., 2013. Strong
Ground Motion in the 2011 Tohoku Earthquake: A One-Directional
Three-Component Modeling. Bull. Seismol. Soc. Am. 103,
1394–1410.
Shi, J., Asimaki, D., 2017. From Stiffness to Strength:
Formulation and Validation of a Hybrid Hyperbolic Nonlinear Soil
Model for Site‐Response Analyses. Bull. Seismol. Soc. Am.
Susumu Iai, T.K., Yoasuo Matsunaga, 1990. Strain space
plasticity model for cyclic mobility (No. 4). port and harbour
reasearch insitute.
Taborda, D.M.., Zdravkovic, L., Kontoe, L., Potts, D.M., 2010.
Alternative formulations for cyclic nonlinear models: parametric
study and comparative analyses. Numer. Methods Geotech. Eng. NUMGE
2010 Benz Nord. Eds CRC Press, 423–428.
Tropeano, G., Chiaradonna, A., d’onofrio, A., Silvestri, F.,
2016. An innovative computer code for 1D seismic response analysis
including shear strength of soils. 101680geotSIP 15-P-017.
VéRIFICATION
Calculs réalisés
Colonnes de sol (P1, P2 et P3) et propriétés des couches de
sols:
Profile
LINEAR
NL[endnoteRef:1] [1: Describe the G/Gmax and damping curves used
for each soil layer]
Z[endnoteRef:2] [2: Depth of the soil layer]
[m]
Vs[endnoteRef:3] [m/s] [3: Shear wave velocity]
Vp[endnoteRef:4] [m/s] [4: Compressional wave velocity]
ρ [endnoteRef:5][kg/m3] [5: Density]
Q[endnoteRef:6] [6: Quality factor]
Elastic
ξmin[endnoteRef:7] Elastic [7: Elastic damping]
Q Visco-Elastic
ξmin Visco-Elastic
f0[endnoteRef:8] LinearElastic [Hz] [8: Fundamental resonance
frequency of the soil]
P1
0-20
300
700
2000
5000
10-4
30
0.0166
3.75
N°1-P1
-
1000
1900
2500
200
0.0025
-
P2
Mono-layer + Vgradient
0-20
150-500
360-1220
2000
34
0.01547
1.16
N°1-P2
20-40
40
0.0250
N°2-P2
40-60
44
0.0113
N°3-P2
60-80
47
0.0106
N°4-P2
80-100
49
0.0102
N°5-P2
-
2000
3700
2500
200
0.0025
-
P3
Bi-layer
0-20
300
700
2000
30
0.0166
1.48
N°1-P3
20-50
600
1500
2000
60
0.0083
N°2-P3
-
2000
3700
2500
200
0.0025
-
Vitesse des ondes de cisaillement (Vs) et paramètres
non-linéaire (courbes de dégradation du module de cisaillement et
d’augmentation de l’amortissement avec la déformation de
cisaillement - G/Gmax and ξ(ϒ))
Accélérations d’entrée
Accélération normalisées: Pulse (Ondelette de type Ricker),
mouvements sismiques réels: Haute et basse fréquences (graphiques
a) et les transformées de Fourier associées (graphique b)
Accélérations du mouvement sismique de type sinusoïdal avec une
période centrale de 1s.
Métadonnées des deux enregistrements de séismes.
Event Freq. Content
Event
ID
Mw[footnoteRef:1] [1: Magnitde de moment]
Z[footnoteRef:2] [km] [2: Profondeur de l’épicentre]
Epi. Dist. [km]
Station
ID
Station Geology
Seismo. Comp.
Vs30 [footnoteRef:3][m/s] [3: Moyenne harmonique des ondes de
cisaillement sur les 30 premiers mètres de sol.]
HF
IWTH-170112022202
6.4
122
39
IWTH17
(Kik-net, Japan)
Rock
EW
>1200
LF
06756.
20000617
6.6
15
5
Flagbjarnarholt (Iceland)
A
H1
Unknown
VALIDATION
Localisations des sites sélectionnés pour la phase de validation
et localisation des épicentres des séismes sélectionnés.
La sélection des sites de validation a été réalisée sur des
bases de données accélérométriques constituées de réseaux
verticaux, c’est à dire avec en chaque site des capteurs en
profondeur et en surface. Cette configuration de capteurs permet de
calculer la fonction de transfert entre les deux capteurs (en
réalisant le rapport des spectres de Fourier des enregistrements)
que l’on peut comparer directement aux résulats des calculs
numériques. Les sites ont été sélectionnés de sorte à respecter les
critères suivants :
(1)Disponibilité d’enregistrements de séismes faibles et
forts
(2)Configuration lithologique et topographique du site au plus
proche d’une configuration unidimensionnelle (variabilité spatiale
des horizons des couches de sol faible et pendage des couches de
sol quasi nulle). Un accord est recherché entre les fonctions de
transfert empirique (pour des mouvements sismiques faibles) et la
fonction de transfert numérique 1-D linéaire.
(3)Le capteur en profondeur ne doit pas être situé à plus de 250
m.
Deux sites ont été retenus, KSRH10 faisant parti du réseau
accélérométrique japonais KiK-net et Sendai du réseau PARI (Port
and Airport Research Insitute). Parmi les données sismologiques
disponibles nous avons opéré une sélection de 10 et 9
enregistrements de séismes pour KSRH10 et Sendai dont les
épicentres, magnitude de moment et accélération maximale du sol en
surface sont illustrés dans la figure ci-dessous.
Paramètres des colonnes de sol pour Sendai (SC1 and SC2) et pour
KSRH10 (SC1, SC2 and SC3)
Les mesures In-situ réalisées consistent en (1) un sondage
permettant de définir la géologie et de faire des prélèvements
d’échantillons. Le diamètre du tube de forage est de 116 mm puis 86
mm avec triple tube (2) Prélèvements d’échantillons non remaniés
(80cm de longueur) à l’aide d’échantillonneur en paroi fine pour
les sols argileux et un tube triple pour les sols sableux et les
sols argileux plus raide. (3) une mesure SPT (Standard Penetration
Test), (4) une mesure de la vitesse de propagation des ondes
sismiques de cisaillement et de compression (PS logging by
suspension method pour KSRH10 and down-hole method pour Sendai). Et
(4) de nombreuses mesures de MASW (mesures des ondes de surfaces)
autour des sites d’études pour caractériser la variabilité
spatiale.
Les tests de laboratoire one été réalisés sur :
· Des échantillons remaniés permettant d’obtenir : la
teneur en eau, la densité, la granulométrie, les limites élastique
et plastique.
· Des échantillons non remaniés pour obtenir la densité et
réalisés des essais cyclique tri-axiaux en compression (drainés et
non-drainés), des essais de consolidation.
Les méthodes utilisées pour réaliser les testes de laboratoires
sont issues de spécifications normatives japonaises.
Le nombre de prélèvements par colonne de sol a été défini de
façon à garantir au moins un échantillon de sol par couche
géologique homogène. Le nombre et la profondeur des échantillons
est décrits dans le tableau ci-dessous.
Caractéristiques géologique des deux sites sélectionnés et
localisation des l échantillons de sol non-remaniés traités en
laboratoire.
Site
Profondeur du capteur en fond de puits (m)
Profondeur du contraste d’impédance maximal (m)
Type de sol
Nombre et profondeur des essais tri-axiaux cycliques
Sendai
10.4
7
Sable
2 (3.3 & 5.4 m)
KSRH10
250
44
Sable/argile
6 (3.5, 7.5, 14.5, 22.5, 29,7 & 34 m)
A partir de ces mesures, plusieurs colonnes de sol ont été
définies pour chacun des sites, reflétant ainsi l’incertitude
associée à l’interprétation des données disponibles.
KSRH10 : Propriétés du sol.
Z
(m)
Vs
(m/s)
Vp
(m/s)
Ρ
(kg/m3)
Qs
xi
NL
(1 to 6 nombre du fichier contenant les courbes G/Gmax et
atténuation. Le sol est considéré linéaire à partir de 39 m)
6
140
1520
1800
25
0.02
SC1-1,SC2-1,SC3-1
11
180
1650
1800
25
0.02
SC1-2,SC2-2,SC3-2
15
230
1650
1500
25
0.02
SC1-3,SC2-3,SC3-3
20
300
1650
1500
25
0.02
SC1-4,SC2-3,SC3-3
24
250
1650
1600
25
0.02
SC1-5,SC2-4,SC3-4
28
370
1650
1600
25
0.02
SC1-6,SC2-5,SC3-5
35
270
1650
1800
35
0.0142
SC1-7,SC2-5,SC3-5
39
460
1650
1800
25
0.02
SC1-8,SC2-6,SC3-6
44
750
1800
2500
75
0.0066
Linear
84
1400
3400
2500
140
0.0035
Linear
255
2400
5900
2500
240
0.0020
Linear
Sendai: Propriétés du sol
Z
(m)
Vs
(m/s)
Vp
(m/s)
Ρ
(kg/m3)
Qs
xi
NL
(1 to 7 correspond to the number of set of GGmax and damping
curves)
1
120
610
1850
25
0.02
SC1-1, SC2-1
2
170
870
1850
25
0.02
SC1-2, SC2-1
3
200
1040
1850
7.14
0.07
SC1-3, SC2-1
4
230
1180
1890
7.14
0.07
SC1-4, SC2-2
5
260
1300
1890
7.14
0.07
SC1-5, SC2-2
6
280
1420
1890
7.14
0.07
SC1-6, SC2-2
7
300
1530
1890
7.14
0.07
SC1-7, SC2-2
10.4
550
2800
2480
50
0.01
Linear
Sendai: Vs, attenuation profiles and non-linear soil
parameters
KSRH10: Vs, attenuation profiles and non-linear soil
parameters
Localisation des capteurs virtuels
KSRH10 SENDAI
Phase
* Toutes les phases
Verification: Comparison entre les codes sur des sites
canoniques.
Validation: Comparaison avec des données de séismes réels
Type de résullats
* Tous
AC : Accélération en fonction du temps
SS: Contrainte et déformation de cisaillement en fonction du
temps
Team
* Tous
Lettre alphabétique de chaque équipe (voir le tableau des
équipes participantes).
Numéro de code
* Tous
Certaines équipes ont testé plusieirs codes différents, dans ce
cas nous avons numérotés les codes utilisés (voir le tableau des
équipes participantes).
Soil profile
* All soil profiles
In the verification phase three soil profile were used: P1, P2
and P3 (see table and figure)
In the validation phase two sites were selected: KSRH10 and
Sendai (see location)
Soil column
* tous et phase de vérification
Dans la phase de validation, plusieirs colonnes de sol ont été
définis pour chacun des sites :
Sendai : SC1 and SC2
KSRH10: SC1, SC2 and SC3
Accélérations d’entrée
* Toutes
Phase de vérification: accélérogrammes réels avec deux contenus
fréquentiel différents (HF Haute fréquence et LF basse fréquence)
et des mouvements sismiques synthétiques de type: Ricker et
sinusoïdal.
Calcul linéaire (élastique/visco-élastique):
· Real_HF,
· real_LF,
· Pulse
Calculs Non-Lineaire:
· Real_HF normalisés à différentes valeur d’accélérations
maximales (500, 100, 50cm/s2) : Real_HF_1, Real_HF_2,
Real_HF_3
· Real_LF normalisés à différentes valeur d’accélérations
maximales (500, 100, 50cm/s2): Real_LF_1, Real_LF_2,
Real_LF_3
· Sinus_1 and Sinus_2
Phase de validation : Accélérogrammes réels enregistrés à
Sendai (TS-1 à TS-9) et à KSRH10 (TS-0 à TS-9)
Composantes
* toutes
EW : Est-ouest composante du mouvement
NS: Nord-Sud composante du mouvement
ROT: Composante horizontale pivoté de façon a maximiser
l’accélération horizontale en fond de puits à la fréquence de
résonance fondamentale du site.
Profondeur
* toutes
Profondeur à laquelle les participants ont donné leurs
résultats:
Phase de vérification: 10 capteurs virtuels ont été sélectionnés
pour chaque profil de sol avec un intervalle de profondeur égal à
1/10ème de la profondeur totale: tous les 2 m pour P1, tous les 10m
pour P2 et tous les 5 m pour P3. Les résultats d’accélérations sont
donnés en surface et à différentes profondeurs et les résultats des
contraintes et déformation de cisaillement sont intercalés
entre.
Phase de validation : 11 et 8 capteurs virtuels ont été
sélectionnés pour KSRH10 et Sendai avec un profondeur d’intervalle
correspondant à l’interface entre les principales couches de sol
pour l’accélération et intercalées pour les résultats des
contraintes et déformation de cisaillement.
Substratum
* tous
Dans la phase de vrification seuleument, deux conditions de
substratum ont été considérées : E pour élastique et R pour
rigide.
PRENOLIN
Verification
P1
P2
Validation
KSRH10
P3
Sendai
Elastic
Visco-elastic
Non-linear
Real_HF_1,2,3
Real_LF_1,2,3
Sinus_1,2
Real_HF
Real_LF
Pulse
Real_HF
Real_LF
Pulse
Elastic substratum
Rigid Substratum
SC1
Input TS-0
SC1
Input TS-1
EW
NS
ROT
Input TS-9
…
...
Input TS-9
SC2
SC2
SC3
Elastic substratum
Rigid Substratum
Elastic substratum
Rigid Substratum
