U R B A S I S

URBASIS: SISmologie URBAine : évaluation de la vulnérabilité et des dommages sismiques par méthodes

innovantes

URBAn SeISmology: seismic vulnerability and damage assessment using innovative methods

ANR-09-RISK-009

Figure 4: Image SPOT (5m) et analyse de l'échelle locale caractéristique sur des blocs 64x64 (d’après Luo et al., 2009).

Figure 2. Analyse d’images VHR sur Grenoble et identification des zones ayant un tissu urbain homogènes, pour l‘évaluation de la vulnérabilité. Les couleurs correspondent à la hauteur du bâti.

Démarrage: janvier 2010Fin: décembre 2013Durée: 48 moisBudget: 563 320 euros

1/7

Objectifs du Projet URBASIS

Les objectifs scientifiques et techniques du projet concernent l’évaluation de la vulnérabilité et des dommages sismiques d’une ville ou d’un bâtiment par des approches globales ou locales, par observations in-situ ou à distance. Cette évaluation se place à la fois en période normale, avant la crise où la recherche d’informations peut être à des échelles de temps longues, en co-sismique (pendant la sollicitation) afin de comprendre l’origine physique des variations modales des structures, et en période post-sismique, où la recherche des dommages s’effectue à des échelles de temps courtes. Les objectifs scientifiques et techniques sont :

a. Période Inter-sismiqueSouvent basées sur des observations passées et sur des retours d’expériences post-sismiques,

les méthodes d’évaluation de la vulnérabilité consistent généralement à rechercher les caractéristiques principales des constructions qui selon leur nature influence l’état de la structure à la fin de la secousse sismique. La difficulté consiste alors à identifier sur une surface importante la répartition des constructions classées par types. Ces dernières peuvent se regrouper par zones homogènes dans lesquelles un échantillon de constructions est tiré au hasard et dont les caractéristiques moyennes sont représentatives de la vulnérabilité de la zone. L’utilisation des images satellites ou aériennes pouvant être couplées à des modèles numériques d’élévation (MNE) permet la recherche de formes urbaines particulières ainsi que certains éléments structuraux participants à la vulnérabilité de la structure. Nous proposons ainsi d’utiliser ce type de données pour évaluer à grande échelle la vulnérabilité sismique d’une ville par interprétation et recherche des paramètres urbains les plus représentatifs en terme de vulnérabilité sismique. Par ailleurs, cette approche sera complétée par le développement d’un outil de collecte in-situ de données structurales pour l’évaluation de la vulnérabilité sismique (indice de vulnérabilité) en lien avec une base de données urbaine enrichie en temps réel. Enfin, la caractérisation de la vulnérabilité d’une structure et son intégrité à la fin d’un séisme doit passer par l’évaluation de ses paramètres modaux (Boutin et al., 2005; Michel, 2007). L’application des lidars cohérents au diagnostic sismique à longue distance sans utiliser de rétroréflecteurs est un challenge car les gammes de vibration à mesurer en termes de vitesse et de fréquence sont à la limite de la capacité de mesure de ces systèmes. L’amélioration de la sensibilité du lidar par un dimensionnement spécifique du système est nécessaire pour mesurer à distance les vibrations de tout type de bâti, quelle que soit sa hauteur. Le développement d’algorithmes de démodulation innovants permettra d’augmenter la résolution spectrale de la mesure tout en diminuant la durée des échantillons nécessaires. Dans le cadre du projet, nous souhaitons démontrer que les lidars, outre la capacité de mesure des fréquences modales d’un bâtiment, permettent d’avoir accès à d’autres paramètres modaux, Le développement de ce nouveau système de mesure de vibration à distance a des applications en pré et post sismique. A terme, un tel système pourrait être utiliser pour scanner une ville avant et après un séisme pour évaluer les dommages subis grâce à la mesure du décalage des paramètres modaux du bâti. Cette technique sera appliquée à des bâtiments tests pour lesquels de nombreuses analyses ont déjà été réalisées, par vibrations ambiantes ou par modélisations numériques (Michel et al., 2009a; Michel et al., 2006).

b. Période co-sismiqueMême si la variation de la fréquence de résonance au cours de la sollicitation sismique est

connue (Celebi, 1996, 1998; Dunand et al., 2004), celle des paramètres modaux (amortissement et déformées modales) est peu étudiée pour des bâtiments courants. Pourtant, cette variation doit théoriquement traduire l’intégrité de la structure. Au cours de la sollicitation, les variations observées sont brusques (Michel and Guéguen, 2009) et des développements algorithmiques doivent permettre leur évaluation instantanée. Nous proposons de développer des algorithmes de traitement du signal, afin de comprendre l’origine physique de ces variations. Pour cela, des données de séismes enregistrés dans des bâtiments instrumentés seront utilisées et nous constituerons une base de données de mouvements modérés et forts en structure. La collecte de ces données a déjà commencé (Californie, France, Taiwan, Japon). La base de données sera complétée par une description exhaustive des constructions et des dommages observés afin de relier la variation co-sismique (pendant la sollicitation) et résiduelle (après la sollicitation) aux niveaux de dommages de l’échelle européenne (EMS98). Des indicateurs dits de nocivité, calculés pour quantifier le pouvoir destructeur d’une secousse sismique (durée, intensités, spectres en

2/7

vitesse, CAV etc...) seront associés aux dommages observés et aux variations des paramètres modaux afin d’identifier la nocivité de la sollicitation.

c. Période post-sismiqueL’évaluation des dommages en période post-sismique est une information indispensable à la

gestion de la crise, à l’échelle globale pour organiser la réaction des autorités et à l’échelle locale pour connaître l’intégrité des structures. L’utilisation des images satellitaires (optique VHR, SAR etc) ont montré lors du séisme de Bam (Iran 2003) l’efficacité de ces données pour l’évaluation des dommages à l’échelle de la ville (Earthquake Spectra, 2005). Nous proposons d’améliorer les méthodes de détection de changements avant/après séisme pour identifier les zones endommagées, en analysant les paramètres de changement les plus représentatifs du dommages observés in-situ. Cette approche sera validée sur des zones urbaines ayant été touchées par des séismes forts et pour lesquelles les images sont disponibles ainsi que les évaluations de terrain (séismes de Bam, de Boumerdes...). Par ailleurs, la variation des paramètres modaux obtenues sera utilisée afin de la quantifier vis-à-vis des dommages observés (Dunand et al., 2004). Pour cela, nous proposons de développer des modèles numériques de comportement de structures afin de connaître la sensibilité des paramètres modaux au niveau de dommage. La précision des mesures par vibrations ambiantes classiques et par technologie Lidar terrestre nous permettra ainsi d’évaluer la qualité possible de cette mesure, la deuxième technique nous permettant une mesure à distance sans pénétrer dans les structures pouvant subir des dommages dus aux répliques.

d. Aide à la décisionLa collecte des informations en milieu urbain en période normale (image, fome urbaine, modes

propres) doit permettre une analyse des dommages en cas de séisme et participer à la gestion de la crise. L’objectif est de proposer une plate-forme générique assurant la collecte, l’intégration et la gestion des données nécessaires à l’évaluation de la vulnérabilité et de l’endommagement liés au risque sismique. Pour cela, l’ensemble des informations collectées sur site sera organisé en base de données. Cette base permettra d’intégrer les données provenant des images satellites et des enquêtes in-situ relevées à l’aide d’un outil développé dans ce projet pour la recherche des indices de vulnérabilité. Les paramètres modaux seront également collectés et structurés de façon à organiser l’analyse des changements. Cette base de données et sa représentation sous forme de Système d’Information Géographique (SIG) seront structurées de façon à optimiser l’alimentation en nouvelle données, de nature diverse, et de façon à évaluer les dommages par analyse avant/après séisme à l’échelle globale et à l’échelle locale.

3/7

Partenaires du Projet URBASIS

Partenaire 1: Institut des Sciences de la Terre (ISTerre). Coordinateur du projet: P: Guéguen. ISTerre - BP 53 - 38041 Grenoble Cedex 9 http://www.isterre.frISTerre (ex LGIT) est une UMR commune à différentes tutelles (UJF – CNRS – IFSTTAR – IRD – Université de Savoie). Il regroupe une centaine de personnes (60 chercheurs permanents, 23 ITA, 7 post-doc / ATER et 54 doctorants). Ses activités, organisées en huit équipes, concernent le noyau terrrestre, l'imagerie de la Terre à partir des ondes sismiques, l'étude des fluides et des transfert dans la croûte, la géochimie des sols, le cycle sismique, les mouvements de terrain, les volcans et le risque sismique. ISTerre a une compétence reconnue de longue date en sismologie, recouvrant à la fois les aspects théorique, numérique et expérimental, avec notamment une forte activité d'observation avec des réseaux permanents (Sismalp, RAP) ou temporaires (réseaux nationaux Lithoscope, RAM, IHR). En particulier, le ISTerre a joué un rôle majeur dans la constitution d'un réseau permanent de mesure des mouvements sismiques forts sur le territoire français.

Partenaire 2: Grenoble Image Parole Signal Automatique (GIPSA-Lab) Coordinatrice: Nadine Martin GIPSA-Lab - BP 53 - 38041 Grenoble Cedex 9 http://www.gipsa-lab.inpg.fr/Des laboratoires et une équipe se sont regroupés pour former Gipsa-lab au 1er janvier 2007: Laboratoire d'automatique de Grenoble (LAG, UMR CNRS-INPG-Université Joseph Fourier), Institut de la communication parlée (ICP, UMR CNRS-INPG-Université Stendhal), Laboratoire des images et des signaux (LIS, UMR CNRS-INPG-UJF), Equipe de biomécanique (UJF). Gipsa-lab développe des applications dans les secteurs de l'interaction multimodale, des télécommunications, de l'énergie, de l'environnement, des systèmes embarqués, de la mécatronique-robotique, de la santé, des transports, etc. Sa démarche scientifique s'appuie sur le développement de méthodes avancées en automatique, traitement de la parole, signal et images. Le souci est toujours présente de parfaire la chaîne de l'observation jusqu'à la conduite du processus, à l'interprétation ou à l'enrichissement de l'information multi-composante, multi-modale, multi-observation pour un diagnostic fiable et robuste. Le Gipsa-lab est composé de 137 permanents, dont 70 enseignants-chercheurs, 33 chercheurs et 41 ingénieurs et administratifs. Le laboratoire accueille des chercheurs invités, post-doctorants et ATER, soit une vingtaine de personnes.

Partenaire 3: Office National d’Etudes et Recherches Aérospatiales (ONERA) Coordinatrice: Véronique Jolivet ONERA - DOTA - Chemin de la Hunières - 91761 Palaiseau cedex http://www.onera.fr/ONERA, Office National d'Etudes et de Recherches Aérospatiales, est un EPIC sous la tutelle du ministère de la défense. Au sein du Département Optique Théorique et Appliquée, qui regroupe plus de 120 chercheurs en optronique, l’unité SLS (Sources Laser et systèmes Lidars Cohérents) est spécialisée dans l’étude théorique, la simulation, la conception, la réalisation et la démonstration terrain de systèmes lidar Doppler à détection cohérente hétérodyne innovants. Les premiers développements lidar utilisaient des lasers CO2 à 10µm pour l’analyse de la turbulence atmosphérique et l’analyse des tourbillons de sillage d’avions. Grâce aux progrès récents dans le domaine des lasers à fibre, la technologie lidar a maintenant un potentiel important pour offrir des moyens de mesures à distance, compacts et fiables.

Partenaire 4: BRGM Coordinatrice: Caterina Negulescu BRGM - 3 avenue C. Guillemin - BP 36009 - 45060 Orléans Cedex 2 http://www.brgm.frLe BRGM est un établissement public à caractère industriel et commercial, qui exerce notamment les fonctions de service géologique national. Il est implanté dans les 22 régions administratives métropolitaines, les 4 DOM et possède 3 antennes dans les TOM. Son objectif prioritaire est de fournir à la collectivité la connaissance relative aux caractéristiques géologiques du territoire et aux processus qui s’y déroulent. Cette connaissance de base a de nombreuses implications dans la définition de politiques de gestion durable des ressources naturelles et de l’espace souterrain, ainsi que dans l’élaboration et la mise en œuvre des réglementations qui permettent l’application de cette politique. Parmi les domaines de compétences de BRGM les risques naturels occupent une place importante. Dans ce cadre, le BRGM fait des recherches pour l’amélioration de la connaissance phénoménologique des aléas naturels et mise au point de méthodologies pour l’élaboration de scénarios de risques, études d'évaluation des risques, expertise et conseils en situations de crise, suivi des phénomènes d'érosion et d'affaissement de cavités souterraines, évaluation et définition de travaux de confortement.

4/7

Partenaire 5: Laboratoire d’Informatique de Grenoble (LIG) Coordinatrice : Paule-Annick Davoine LIG - BP 53 - 38041 Grenoble Cedex 9 http://liglab.imag.fr/Le LIG (Laboratoire d’Informatique de Grenoble) est une unité mixte de recherche (UMR 5217) dont les tutelles sont l'Université Joseph Fourier (Grenoble1), Grenoble Institut National Polytechnique, le CNRS, et l’Université Pierre Mendès France (Grenoble 2). Créé le 1er janvier 2007, le LIG rassemble 165 chercheurs et enseignants chercheurs, 240 doctorants et post-doctorants, et 65 ITA/IATOS. L’activité de recherche est structurée en 24 équipes autonomes et visibles au plan international. L’activité scientifique du LIG se décline en 4 grandes thématiques : Infrastructures (des réseaux aux données), Logiciels (fondements, modèles de conception), Interaction (perception, action, dialogue), Connaissances (ontologies, agents, apprentissage). L'équipe STEAMER (Spatio-TEmporal information,Adaptability, Multimedia and knowledgE Representation) créée en même temps que le LIG, s’intéresse plus particulièrement aux thèmes de recherche « Infrastructures » et « connaissances ». Les travaux de l’équipe portent sur les systèmes d’information sur le Web et plus particulièrement sur le traitement et la diffusion d’informations spatio-temporelles et multimédia. L’objectif de ces recherches est de proposer des formalismes, des méthodes et des outils permettant de progresser dans la conception, la mise en œuvre et l’utilisation de systèmes d’information spatio- temporelle. Il s’agit de proposer des solutions novatrices pour les applications qui requièrent à la fois la manipulation de données imprécises, incomplètes voire multimédias et qui nécessitent d’utiliser de manière intensive la sémantique (métadonnées, ontologies spatiales, règles, modèles) pour représenter les connaissances sous différentes formes, optimiser les traitements et proposer une information adaptée au contexte (dispositif d’accès utilisé, profil utilisateur, etc.).

5/7

Programme Scientifique

Tâche 1: Analyse à l’échelle de la ville. L’objectif de cette tâche est d’évaluer les capacités de l’imagerie aérienne et satellite pour l’évaluation de la vulnérabilité globale, basée sur l’analyse du tissu urbain. Cette tâche est complétée par une approche in-situ de collecte de données utiles à l’évaluation de la vulnérabilité. Cette tâche est en relation étroite avec la tâche 3 (Détection de dommage basée sur l’analyse du tissu urbain) et la tâche 4 (Sites pilotes) pour validation.

Tâche 2: Instrumentation et développement algorithmique. Cette tâche est focalisée sur la mesure et l’étude des paramètres modaux d’une structure, marqueurs de son intégrité. Elle comporte un développement technologique pour la mesure de ces paramètres et des développement algorithmiques pour les évaluer et étudier leur variation sous mouvements forts, marqueurs de l’intégrité de la structure. Elle est en lien directe avec la tâche 3 (Sensibilité des paramètres physiques à l’endommagement) et la tâche 4 (Sites pilotes).

Tâche 3: Détection des dommages et sensibilité des paramètres physiques vis-à-vis des dommages. Cette tâche relie l’analyse urbaine et l’analyse locale (la structure) à une estimation des dommages. Elle portera sur l’évaluation d’indicateurs globaux pour évaluer le dommage post-sismique à l’échelle d’une ville et pour estimer le lien entre variations des paramètres modaux mesurés et niveau d’endommagement de la structure. Cette tâche sera en étroite relation avec les tâches 1, 2 et 4, en particulier pour l’estimation du dommage de bâtiments existants ou de villes ayant été frappées par un séisme.

Tâche 4: Sites pilotes. Cette tâche proposera des sites urbains et des bâtiments suffisamment connus et décrits pour y tester les algorithmes et les méthodes des tâches précédentes. Cette tâche est en relation étroite avec les tâches 1, 2 et 3 ainsi qu’avec la tâche finale 5.

Tâche 5: Infrastructure de données spatio-temporelles pour l’évaluation du risque sismique. L’objectif est de proposer une plate-forme générique assurant la collecte, l’intégration et la gestion des données nécessaires à l’évaluation de la vulnérabilité et de l’endommagement liés au risque sismique (Tâche 1 et 2) et des enquêtes in-situ (Tâche 1), ainsi que les informations liées à une structure seule (Tâche 3) qui seront utiles à l’estimation et la représentation de la vulnérabilité et des dommages post-sismiques. Elle s’appuiera sur les sites pilotes de la tâche 4.

6/7

Avancées ScientifiquesLes avancées scientifiques porteront essentiellement sur la compréhension physique des variations des paramètres modaux en relation avec les dommages, sur la qualité de l’évaluation de ces paramètres à l’aide des vibrations ambiantes pour estimer l’intégrité des structures en post-sismique et sur la pertinence des paramètres globaux obtenus par images satellites pour évaluer la vulnérabilité et les dommages post-sismiques. Enfin, l’originalité du projet consistera à croiser ces informations de nature diverse (spatiales et in-situ) dans une base de données permettant la gestion des données urbaines et l’évaluation des dommages post-sismiques, pouvant bénéficier à l’évaluation du risque et à la gestion de crise.

Verrous scientifiques et techniques. Nous proposons dans ce projet de lever les verrous scientifiques et techniques suivants: 1) quels paramètres globaux à l’échelle de la ville peuvent donner une idée des vulnérabilités? 2) quels paramètres rechercher pour une meilleure caractérisation des endommagements globaux, en liaison avec les estimations in-situ? 3) quelle est la représentativité des paramètres modaux obtenus sous vibrations ambiantes pour évaluer le comportement sismique des bâtiments et leur endommagement? 4) quelle est l’origine des variations sous séismes des paramètres modaux? 5) comment mesurer à distance les paramètres modaux des structures endommagées sans pénétrer dans les structures et en grand nombre? 6) comment structurer l’ensemble des informations dans un système homogène pour caractériser l’urbain et son évolution sous séisme, utile à la gestion de crise?

Productions scientifiques. Outre la production d’articles scientifiques, le but ultime du projet URBASIS est de proposer des outils permettant l’évaluation de la vulnérabilité et des dommages sismiques d’une ville ou d’un bâtiment. Pour cela, des algorithmes de traitement du signal seront proposés, les paramètres urbains les plus significatifs seront identifiés, une base de données des mouvements forts en bâtiments sera établie, et un système de gestion et de représentation des informations sera développé, en intégrant en particulier les données collectées sur site en temps réel.

La qualité des résultats obtenus sera possible grâce aux sites tests (villes ou bâtiments) pour lesquelles des analyses croisées de vulnérabilité et de dommages seront menées. En particulier, l’évaluation par les nouvelles méthodes de télédétection (satellite ou Lidar terrestre) seront comparées aux évaluations in-situ faites pour caractériser la vulnérabilité à l’échelle d’une ville (par exemple la ville de Grenoble) et aux relevés de dommages suite aux grands tremblements de terre (Bam, Boumerdes...). L’évaluation des paramètres modaux et leur évolution en fonction des dommages seront menées sur des bâtiments ayant déjà été endommagés et les techniques Laser terrestre seront appliquées à des bâtiments parfaitement décrits, pour lesquels de nombreuses informations sont disponibles, dont leurs paramètres modaux (par exemple, l’Hôtel de Ville de Grenoble).

Articulation entre les partenaires. Les partenaires du projet ont des spécialités et des compétences propres qui seront mises au service du risque sismique. LGIT: imagerie satellitaire, dynamique des structures, vulnérabilité grande échelle, traitement du signal et acquisition de données. GIPSA-Lab: Traitement du signal et imagerie satellite. ONERA: Traitement du signal et acquisition de données Lidar. BRGM: Dynamique des structures, vulnérabilité et modélisation numérique. LIG: Acquisition de données grande échelle et représentation et gestion de données géographiques.

7/7