QSHA - WP3

23 novembre 2006

QSHA - WP3

23 novembre 2006 > 2

Echelle des phénomènes sismiques

Surface libre

Faille (séisme)

« SOURCE »

« PROPAGATION »

Radiation des ondes sismiques

« SITE »

M6 : ~ 10 km, < 10 secM7 : ~ 30 km, 20-30 sec

Regionale : 10 km, 20-40 secNationale : 100 km, > 1 minGlobale : la Terre, > heures

Locale : dizaines m, 20-40 sec

« STRUCTURE »Locale : m, 20-40 secEffet spécifique du site local

associé au mouvement fort

Une série de phénomènes en milieu continu


Source = BIEM

Propagation = FDM

Site = FEM

Onde3DGrilles décalées (4ème ordre en espace)Milieu élastique

Géométrie de faille non planaire

GEFDYN (École Centrale Paris – BRGM)Réponse sismique non linéaire

Outils numériques au brgm

Couplage FDM-FEM : Injection/absorption des

ondes sur frontières


Nos outils - Ondes3DNos 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)


Nos outils - GEFDYNNos 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)

u

u

u

u

u

R

uu

R

R


> 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

> Simulation locale (échelle site)• FEM : simulation incluant les configurations complexes

(matériaux, topographie, etc.)

Couplage FDM – FEMCouplage FDM – FEM


Problème 2D P-SV (point source)

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

Zone modèle FEM

Couplage FDM – FEM :Couplage FDM – FEM : validation 2D alidation 2D

Impédance spectrale (vitesse + vecteur

contrainte) + condition absorbante sur


Multiples réflexions d’ondes...

De Martin et al. (2006)

Couplage OK !

Couplage FDM – FEM :Couplage FDM – FEM : validation 2D alidation 2D


Vitesse (m/s)

Onde sismique

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> Sédiment (3D-BRGM) + Bedrock (presque 1D)

> Bedrock (1D)

nx 599ny 718nz 140x0 988025y0 145075z0 -4975dx 50dy 50dz 50nodata_value outSA SA SA SA SA ….….

BRGM/CDG

Bertrand & Deschamps (2001) etc.

30. 3600. 2500. 2500. 100.-3. 6840. 4000. 2950. 300.-17. 8000. 4500. 3350. 300.

Delouis (Géosiences Azur, pers. comm.)

A améliorer dans QSHA!

Simulation grande échelle – Nice Simulation grande échelle – Nice ( collaboration brgm – Géosciences Azur)( collaboration brgm – Géosciences Azur)

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> 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)

Mésozoïque

Pliocène

Alluvions

1km

Surface d’érosion Messinienne

Calculs FEM

Simulations FEM 3D - Nice (échelle site)Simulations FEM 3D - Nice (échelle site)

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> La taille des éléments par couche dépend :• des vitesses des ondes (dispersion numérique) => pour Nice, [3-24] m

Code Description des formations

VS

(m/s) VP

0.3

(m/s)

XY max 10 points, 7Hz

(m)

Z max 10 points, 7Hz

(m)

saturé (kg/m3)

h

(m)

A12 Sables, graviers et remblais 200 370 3 5 1800 10

A3 Limons et argile 200 375 3 5.5 1700 30

A456 Sables et graviers 250 460 4 6.5 2000 20

A7 Argiles et limons 260 490 4 7 1800 15

A8 Sables et graviers 300 560 4.5 8 2000 25

Rocher Rocher ( -100m) 1050 1700 15 24 2100 > 20

• de la fréquence maximale attendue pour le séisme (entre 0-15Hz)

=> Ici : 0-9Hz (limitations essentiellement hardware et CPU…)


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> 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)


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> 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

Perspectives QSHAPerspectives QSHA

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Benchmark ESG 2006 (Grenoble) Benchmark ESG 2006 (Grenoble)

Vue 3D

Vue en plan du bassin grenoblois

2 sources ponctuel (M2.8, M2.9)2 sources étendues (M6)

Modèle standard : 30 km x 30 km x 10 km, s = 100m,t = 0.005s, soit 11M grilles x 2800 étapes = 2h sur 8 CPUs brgm

Modèle fin : 30 km x 30 km x 6 km, s = 50m, t = 0.003s, soit 50 M mailles x 10000 étapes = 18h sur 16 CPUs brgm

>Bedrock (1D layer) + forme de bassin (3D) + sédiment (1D)

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Estimation « empirique » et « simulation numérique » sur le mouvement fort

• Anomalies dans le bassin dues à la « structure »• Anomalies au rocher due à la « source »

Amplification importante par rapport au loi empirique

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Documents

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