Méthodologies d`évaluation de la vulnérabilité sismique de

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MEMBRESDUJURY:
Institut National Polytechnique de Toulouse (INP Toulouse)
Mécanique, Energétique, Génie civil et Procédés (MEGeP)
Méthodologies d'évaluation de la vulnérabilité sismique de bâtiments
existants à partir d'une instrumentation in situ
mardi 20 novembre 2012
Fabien DUCO
Génie Mécanique, Mécanique des Matériaux
M. PETIT Christophe
M. BARD Pierre-Yves
M. CAPERAA Serge
Laboratoire Génie de Production, ENI de Tarbes
M. PETIT Christophe, Professeur des Universités, IUT Limousin Egletons
M. BARD Pierre-Yves, Enseignant-Chercheur, ISTerre Grenoble
M. GUEGUEN Philippe, Directeur de recherche, ISTerre Grenoble
M. HAURINE Pascal, Chef de Bureau Risques-Environnement, DDT des Hautes-Pyrénées
M. CAPERAA Serge, Professeur des Universités, ENIT
M. FAYE Jean-Pierre, Maître de Conférences, ENIT

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Je dédie ce travail à mes parents,
à mon frère Gilles et à mes neveux Dorian et Oriane,
à toi ma belle,
à ma famille et à mes amis,
à la mémoire de mon meilleur ami Benoît.

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Remerciements
Je tiens tout d’abord à remercier Serge CAPERAA, mon directeur de thèse, pour
m’avoir proposé ce projet de recherche et pour m’avoir transmis sa passion lors d’échanges si
fructueux à mes yeux. Je le remercie aussi pour sa confiance et son soutien au quotidien et
j’exprime ici ma plus grande fierté d’avoir été son dernier thésard sur un sujet qui lui tenait
tellement à cœur et qui concrétise son action dans le génie civil à l’Ecole Nationale
d’Ingénieurs de Tarbes.
Je remercie également l’ensemble des membres du jury pour l’attention qu’ils ont
portée à mes travaux, notamment Pierre-Yves Bard (Docteur d’Etat, Institut des Sciences de la
Terre, Grenoble) et Christophe Petit (Professeur des Universités, IUT Limousin, Egletons) qui
ont accepté d’être les rapporteurs de mon mémoire de thèse.
Un grand merci à Jean-Pierre FAYE, encadrant ENIT, pour sa grande disponibilité, son
écoute, sa confiance et la sympathie qu’il m’a témoignée pendant ces trois années de thèse.
Après cinq années d’études à l’Ecole Nationale d’Ingénieurs de Tarbes et 3 années de
thèse au sein du Laboratoire Génie de Production (LGP-ENIT), je souhaiterais remercier tous
les personnels administratifs, techniques, scientifiques et d’enseignement de l’ENIT qui m’ont
accompagné dans ma formation d’ingénieur et qui m’ont ensuite soutenu de près ou de loin
dans mon travail de thèse. Un clin d’œil personnel à Aurélie et Cathy (concours), Eliane et
Cécile (recherche), Antoine (maintenance), Fabienne et Pascal (informatique) pour tous vos
« coups de main » et à Pascale et Marc (DFVE) et Hélène (IBTP) pour vos conseils précieux.
Je n’oublie pas de remercier les doctorants du LGP (Cristina, Vincent, Christian,
Benjamin, Eric, Julie, Malik, Laurence, Adrien et tous les autres) pour nos matches de foot, nos
repas et bien sûr Elodie ma « binôme préférée » durant les études et Romain pour ces blagues
si « fines ». Je souhaite également beaucoup de réussite aux « nouveaux » (Stéphanie, Florent,
Paula, Damien, Julien, et tous les autres) avec qui je n’ai pas eu le temps de faire connaissance
en cette dernière année.
Une grande reconnaissance à ma famille et en particulier à mes parents et à mon frère
pour leur soutien permanent durant toutes mes études.
Enfin, une pensée particulière à la grande famille du tennis qui m’a permis de
« changer d’air » et de vivre de grands moments de bonheur et d’accomplissement personnel
à travers mes engagements associatifs. Un clin d’œil à tous mes fidèles coéquipiers (Patrice,
Christophe, Mika, Coach, Sébastien et Jeannot) pour toutes nos parties acharnées et pour
tous nos moments de convivialité.

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Table des matières
Introduction .......................................................................................................................14
1 Méthodologie d’évaluation de la vulnérabilité sismique des bâtiments existants .........19
1.1 L’aléa : les évènements sismiques ........................................................................... 20
1.1.1 La magnitude..................................................................................................... 20
1.1.2 L’intensité .......................................................................................................... 21
1.1.3 Relation entre magnitude, intensité et spectres de réponse au rocher .......... 23
1.2 Le concept de vulnérabilité ...................................................................................... 24
1.2.1 Méthodologie d’évaluation de la vulnérabilité d’un bâtiment ........................ 25
1.2.1.1 La courbe de capacité .................................................................................... 26
1.2.1.2 La demande sismique .................................................................................... 27
1.2.1.3 La courbe de vulnérabilité ............................................................................. 28
1.2.2 Classes de vulnérabilité ..................................................................................... 29
1.3 Evaluation de la vulnérabilité à l’échelle de la ville ................................................. 30
1.3.1 Les méthodes empiriques d’analyse de la vulnérabilité ................................... 30
1.3.1.1 Les typologies de bâtiments .......................................................................... 30
1.3.1.2 Répartition des bâtiments en classes ............................................................ 31
1.3.2 Application : microzonage sismique de la ville de Lourdes .............................. 34
1.4 Conclusion : problématiques à l’origine de ce travail .............................................. 37
1.4.1 Analyse des bâtiments peu vulnérables par instrumentation .......................... 37
1.4.2 Vulnérabilité des bâtiments en maçonnerie .................................................... 37
Bibliographie du chapitre 1 ................................................................................................39
2 Identification du comportement linéaire des bâtiments par analyse modale
opérationnelle ...................................................................................................................44
2.1 Extraction des modes propres d’une structure par voie expérimentale ................. 44
2.1.1 Instrumentation et acquisition de données ..................................................... 44
2.1.1.1 Les groupes de recherche et leurs missions ................................................. 44
2.1.1.2 Instrumentation ............................................................................................ 45
2.1.1.3 La Tour de l’Ophite ........................................................................................ 46
2.1.1.3.1 Description du bâtiment ........................................................................... 46

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2.1.1.3.2 Le réseau d’enregistrement permanent ................................................... 46
2.1.2 Méthodologie d’extraction des modes propres ............................................... 48
2.1.2.1 Les principales méthodes d’analyse modale opérationnelle ........................ 48
2.1.2.1.1 Les méthodes du domaine temporel ........................................................ 48
2.1.2.1.2 Le domaine fréquentiel............................................................................. 49
2.1.2.2 Méthode stochastique par sous-espaces avec réalisation équilibrée .......... 50
2.1.2.3 Méthode stochastique par sous-espaces avec les matrices de covariance .. 54
2.2 Evaluation des modes propres d’une structure par modélisation numérique ........ 55
2.2.1 Modèle discret 1D ............................................................................................. 56
2.2.2 Modèle éléments finis 3D ................................................................................. 57
2.2.3 Modèle discret 3D ............................................................................................. 58
2.2.4 Choix d’un modèle ............................................................................................ 59
2.3 Application à la Tour de l’Ophite à Lourdes ............................................................. 60
2.3.1 Méthodologie expérimentale d’évaluation des modes propres ...................... 60
2.3.1.1 Application de la méthode SSI-BR ................................................................. 60
2.3.1.2 Application de la méthode SSI-COV .............................................................. 64
2.3.1.3 Comparaison des résultats ............................................................................ 65
2.3.2 Etude de l’influence des paramètres numériques sur l’analyse modale ......... 66
2.3.2.1 La plateforme Pilote ...................................................................................... 66
2.3.2.2 Etude de sensibilité ....................................................................................... 67
2.3.2.3 Etude paramétrique ...................................................................................... 68
2.3.3 Prédiction de la réponse sismique de la Tour de l’Ophite ................................ 69
2.3.3.1 Validation du modèle numérique avec un évènement survenu à Lourdes .. 69
2.3.3.2 Prédiction de la réponse sismique : Application au séisme des Abruzzes .... 71
Bibliographie du chapitre 2 ................................................................................................74
3 Comportement mécanique non-linéaire du matériau maçonnerie ...............................80
3.1 Les constituants de la maçonnerie ........................................................................... 80
3.1.1 Les blocs de maçonnerie ................................................................................... 81
3.1.2 Le mortier .......................................................................................................... 82
3.1.3 L’interface entre blocs et mortier ..................................................................... 84
3.1.4 Les principes d’empilage ................................................................................... 85
3.2 Comportement expérimental du matériau maçonnerie sous sollicitation uniaxiale ..
.................................................................................................................................. 85