Conditions Geotechnique et Alea Sismique Local a Teheran

President: M. Campillo; Membres de jury: M. Boulon, B. Gatmiri. M. Cara, D. HatzfeldTehran, capital of Iran, the economical and political centre of the country and one of the biggest and most populated cities in the world, is under the threat of large magnitude (above 7) earthquakes located on very near faults. This high seismic hazard and risk resulted in a French-Iranian cooperation program on the tectonics of central Alborz and the seismic hazard in Tehran. Within this framework, the present thesis is focused on the analysis of geotechnical conditions and their influences on seismic ground motion within the Tehran urban area. In this goal a seismological survey was conducted from February to June 2002,involving the installation of 13 temporary seismological stations on geotechnically representative sites: two on the rock in northern an south-eastern parts, a few on consolidated coarse grained deposits in the northern part, and the most in the southern part with fine grained deposits. The main objective was the experimental estimation of the amplification effect of the soils. In addition the ambient noise was recorded at more than 60 locations within the city. These noise data plus the data of more than 130 other sites recorded during previous microzonation projects by IIEES were processed to help in the interpolation of experimental transfer functions obtained for the 13 seismological stations. The main part of this thesis consists in the analysis of these data in relation with the geotechnical conditions. Various experimental techniques were used to quantify amplification and prolongation of ground motion: standard site/reference spectral ratio, receiver function, H/V spectral ratio on noise, group delay method and at last sonogram. The results reveal a large site effect affecting both the amplitude and duration of ground motion on the majority of the studied sites: in particularly, the south-western part of the city experiences an amplification level reaching 7-8, contrasting with the moderate values (factor 2 to 3) predicted in previous studies with a 1D approach. In addition, this amplification occurs on a very broad frequency band, starting at very low frequency (0.3-0.4 Hz). The thesis also includes a systematic comparison of the information deduced from ambient noise and earthquake recordings, on the basis of a comprehensive data set coming from more than 150 European sites. While the H/V technique does predict the fundamental frequency for approximately 80% of the sites, it sometimes fails, especially for low frequency, continental, stiff sites such as Tehran, where H/V curves remain flat for the majority of the sites. The last part of the present work consists in the simulation of the strong motions with the empirical Green's function technique. Four different scenarios, corresponding to the occurrence of strong earthquakes (Mw from 7.1 to 7.6) on Mosha, North-Alborz and Garmsar faults, were considered. The resulting simulations indicate large peak acceleration values and the predicted response spectra sometimes exceed the design response spectra specified in the present Iranian Building Code.Téhéran, capitale de l'Iran et ville en pleine expansion démographique comptant déjà environ 8 millions d'habitants, est sous la menace de séismes de magnitude supérieure à 7 sur des failles très proches. L'alea et le risque sismiques y sont donc très élevés et préoccupants, et ont conduits à 'une action de collaboration franco-iranienne sur la tectonique de l'Alborz Central et l'aléa sismique à Téhéran. Dans ce cadre, la présente thèse se focalise sur l'analyse des conditions géotechniques dans l'agglomération de Téhéran, et de leurs conséquences sur les caractéristiques des mouvements sismiques. Dans ce but, une campagne d'enregistrements sismologiques dans l'agglomération a été conduite de février à juin 2002. L'objectif en était la mesure expérimentale des effets d'amplification ou de déamplification du proche sous-sol, dans la perspective, à moyen terme, d'un microzonage sismique à mettre en œuvre par les autorités locales. 13 stations sismologiques ont été installées sur différents sites, choisis en fonction de leur représentativité géotechnique: rocher au nord et à l'Est, sédiments raides dans la partie nord et sédiments plus mous dans la partie sud. En outre, plus de 60 mesures ponctuelles de bruit de fond ont été effectuées pour guider l'interpolation des fonctions de transfert expérimentales obtenues sur les 13 sites. Une premier volet de ce travail a consisté à analyser ces enregistrements en relation avec les caractéristiques géotechniques, au moyen de différentes techniques de traitement visant à l'estimation des effets de site en amplitude et en durée: rapport spectral site/référence; fonction récepteur ou rapport H/V séismes; rapport spectral horizontal/vertical sur le bruit de fond; délai de groupe et sonogramme. Ces traitements ont mis en évidence un effet d'amplification important tant en amplitude qu'en durée sur la plupart des sites considérés et particulièrement au sud-ouest de la ville où le niveau d'amplification atteint jusqu'à 7-8 contrastant aussi avec les valeurs modérées (facteur 2 à 3) prédites dans les études précédentes avec une approche 1D. De plus cette amplification se produit sur une gamme de fréquence très large, démarrant à très basse fréquence (0.3-0.4 Hz). Cette thèse comporte également une comparaison systématique des informations déduites du bruit de fond à celles déduites des enregistrements de séismes, intégrant d'autres données en provenance de plus de 150 sites européens. Cette comparaison montre que malgré la capacité de la méthode H/V à prédire la fréquence fondamentale dans environ 80% des cas, il y a des échecs, notamment dans le cas de Téhéran où les courbes H/V restent plates pour la plupart des sites. Elle met aussi en évidence les fortes différences entre l'amplitude du pic H/V et l'amplification réelle: si la première est quasi-systématiquement inférieure à la seconde, il semble aussi que ces différences soient d'autant plus importantes que l'on s'éloigne d'une stratification horizontale (effets "de vallée"). Enfin le dernier aspect a concerné à la simulation des mouvements forts par la méthode de fonction de Green empirique. Quatre scénarios différents, correspondant à l'occurrence de séismes forts sur les failles de Mosha, Nord-Alborz et Garmsar ont été simulés. Pour ces trois failles un séisme de magnitude Mw = 7.1 est considéré comme le séisme cible; pour la dernière un séisme de magnitude Mw = 7.6 a été aussi envisagé. Les résultats montrent les valeurs d'accélérations maximales assez significatives et des spectres de réponse dépassant parfois le spectre réglementaire actuellement en vigueur, principalement à cause des effets d'amplification