QSHA - WP3 23 novembre 2006

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 23 novembre 2006

Couplage FDM-FEM : Injection/absorption des ondes sur frontières 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 23 novembre 2006

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) 23 novembre 2006

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) 23 novembre 2006

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.) 23 novembre 2006

Couplage FDM – FEM : validation 2D Problème 2D P-SV (point source) Impédance spectrale (vitesse + vecteur contrainte) + condition absorbante sur S Zone modèle FEM Simulation grande échelle Simulation échelle site 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 23 novembre 2006

Couplage FDM – FEM : validation 2D Couplage OK ! Multiples réflexions d’ondes... De Martin et al. (2006) 23 novembre 2006

Vitesse (m/s) Onde sismique 23 novembre 2006

Simulation grande échelle – Nice ( collaboration brgm – Géosciences Azur) Sédiment (3D-BRGM) + Bedrock (presque 1D) Bedrock (1D) 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 …. …. BRGM/CDG Bertrand & Deschamps (2001) etc. A améliorer dans QSHA! 3 0. 3600. 2500. 2500. 100. -3. 6840. 4000. 2950. 300. -17. 8000. 4500. 3350. 300. Delouis (Géosiences Azur, pers. comm.) 23 novembre 2006

Simulations FEM 3D - Nice (échelle site) Mésozoïque Pliocène Alluvions 1km Surface d’érosion Messinienne Calculs FEM 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) 23 novembre 2006

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…) 23 novembre 2006

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 ~280 000 éléments tétraédriques linéaires (~25m) => ~1.2M ddls ~1.3 Millions éléments 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) 23 novembre 2006

Perspectives QSHA Couplage FDM-FEM : Aléa Nice : Aléa Grenoble 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 23 novembre 2006

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) 23 novembre 2006

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 » 23 novembre 2006