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Mid-size rockfalls (103-105 m3) represent a substantial hazard in mountainous areas, because of relative high rate of occurrence and destructive power. Consequently, few protection means can be applied, emphasizing the need for monitoring techniques and early warning prior to the collapse. After the rupture, quantitative information on the rockfall propagation phase is scarce, owing to their suddenness and location in steep and rugged slopes. In this thesis work, an experimental approach is proposed to derive valuable information from seismic records during rockfall pre-rupture and post-rupture phases. The first part of this work aims at testing the applicability of the ambient vibration technique to monitor unstable rock compartments dynamic response in the pre-rupture phase. This technique (commonly employed in civil engineering for structural health monitoring) reveals the resonant frequencies of a structure, a decrease in frequency revealing potential damage. A previous case study of an unstable limestone compartment brought to light a #30% decrease in fundamental resonant frequency (f1) two weeks before the collapse. Following this innovative work, we selected and instrumented four prone-to-fall medium-size rock compartments located in the Occidental Alps, showing various geological contexts (limestones, argillite and shale-sandstone series), deformation patterns and failure mechnisms. Ambient vibrations recorded on-site revealed caracteristic seismic noise features. Spectral peaks were observed and attributed to resonant frequencies of the rock compartments, the fundamental resonant frequency (f1) showing clear polarization parallel to the line of maximum slope gradient, and perpendicular to the main bounding fracture observed at most of the sites. Similar findings were made for an unstable rock compartment located in a volcanic caldera, characterized by rapid morphological changes and intense rockfall activity. The dynamic response of the rear fracture network was explored, showing that spectral content of seismic noise is controlled by the caldera structure in the 0.5-5 Hz range. The direction of vibration is polarized perpendicularly to the fractures, while vibration amplitudes are linked to compartment uncoupling from the rock massif. In this case, the physical origin of seismic noise amplification may be due to complex 2D or 3D resonance effects. For the four alpine sites, the fundamental frequency f1 was monitored over more than one year, showing fluctuations clearly correlated with temperature oscillations. The thermal control over f1 is highly complex, showing both positive and negative correlations, depending on site morphology and destructuration, as well as on the studied oscillations periods (daily or seasonal). No change in fundamental frequency resulting from damage was observed over this time span. One site, characterized by intense rock fracturing and a deep-open rear fracture, showed high f1 sensitivity to temperature changes. Thermo-mechanical numerical simulations revealed that both material contraction-dilation and thermal dependancy of the elastic modulus control f1 fluctuations. In addition, high amplitude seasonal f1 oscillations were explained by ice formation in the rear fracture. A criterion was developped to separate thermal-induced f1 fluctuations from damage effects, under the hypothesis that thermal sensitivity of a rock compartment increases towards failure. The second part of this work relates to the post-rupture phase of rockfalls. The seismic records generated by two mid-size rockfalls {one natural, one provoked{ that occured in the same place were analyzed, showing complex enveloppe and spectrogram features. Both events showed close magnitude, duration and spectral content. The seismic signals of the provoked event were calibrated using video shots, allowing estimation of fallen material velocity during the successive propagation phases., Les éboulements rocheux de volume intermédiaire (103-105 m3) posent un problème sérieux dans les régions montagneuses en raison de leur fréquence d'occurrence relativement élevée et de leur fort pouvoir destructeur. En conséquence, il est difficile de mener des travaux de protection pour réduire l'aléa, ce qui souligne le besoin de techniques de suivi et d'alerte précoce avant la rupture. Après l'éboulement, peu d'informations quantitatives sont disponibles sur la phase de propagation en raison de la soudaineté du phénomène et de sa localisation dans des pentes raides et difficiles d'accès. Dans ce travail de thèse, une approche expérimentale est proposée pour extraire des informations à partir d'enregistrements de signaux sismiques durant les phases pré- et post-rupture d'éboulements.La première partie de ce travail vise à tester la pertinence des vibrations ambiantes pour le suivi temporel de la réponse dynamique de compartiments rocheux lors de la phase pré-rupture. Cette technique (couramment employée en génie civil pour le suivi de l'intégrité des structures) permet d'extraire les fréquences de résonance d'une structure, dont la décroissance peut traduire l'endommagement. Une étude antérieure menée sur une colonne calcaire instable a montré une décroissance d'environ 30% de la fréquence fondamentale de résonance (f1) environ deux semaines avant la rupture, interprétée comme une diminution de la rigidité du contact avec le massif stable adjacent.

Mid-size rockfalls (10^3-10^5 m^3) represent a substantial hazard in mountainous areas, because of relative high rate of occurrence and destructive power. Consequently, few protection means can be applied, emphasizing the need for monitoring techniques and early warning prior to the collapse. After the rupture, quantitative information on therockfall propagation phase is scarce, owing to their suddenness and location in steep and rugged slopes. In this thesis work, an experimental approach is proposed to derive valuable information from seismic records during rockfall pre-rupture and post-rupture phases.The first part of this work aims at testing the applicability of the ambient vibration technique to monitor unstable rock compartments dynamic response during the pre-rupture phase. This technique {commonly employed in civil engineering for structural health monitoring{ reveals the resonant frequencies of a structure, a decrease in frequencyrevealing potential damage. A previous case study of an unstable limestone compartment brought to light a ~30% decrease in fundamental resonant frequency (f1) two weeks before the collapse, interpreted as a loss in contact stiffness with the adjacent rock mass.Following this innovative work, we selected and instrumented five prone-to-fall medium size rock compartments located in the Occidental Alps, showing various geological contexts (limestones, argillite and shale-sandstone series), deformation patterns and failure mechanisms. Ambient vibrations recorded on-site revealed characteristic seismic noise features. Spectral peaks were observed and attributed to resonant frequencies of the rock compartments, the fundamental resonant frequency (f1) showing clear polarization parallel to the line of maximum slope gradient and perpendicular to the main bounding fracture observed at most of the sites. Similar findings were made for an unstable rock compartment located in a volcanic caldera characterized by rapid morphological changes and intense rockfall activity. The dynamic response of the rear fracture network was explored, showing that spectralcontent of seismic noise is controlled by the caldera structure in the 0.5-5 Hz range. The direction of vibration is polarized perpendicularly to the fractures, while vibration amplitudes appear linked to compartment uncoupling from the rock massif. In this case, the physical origin of seismic noise amplification may be due to complex 2D or 3D resonance effects.For four alpine sites, the fundamental frequency f1 was monitored over more than one year and showed fluctuations clearly correlated with temperature oscillations. The thermal control over f1 is highly complex, showing both positive and negative correlations depending on site morphology and destructuration as well as on the studied oscillations periods (daily or seasonal). No change in fundamental frequency resulting from damage was observed over this time span. One site, characterized by intense rock fracturing and a deep-open rear fracture, showed high f1 sensitivity to temperature changes. Thermomechanical numerical simulations revealed that both material contraction-dilation and thermal dependency of the elastic modulus control f1 fluctuations. In addition, high amplitude seasonal f1 oscillations were explained by ice formation in the rear fracture. A criterion was developed to separate thermal-induced f1 fluctuations from damage effects, under the hypothesis that thermal sensitivity of a rock compartment increases towards failure.The second part of this work relates to the post-rupture phase of rockfalls. The seismic records generated by two mid-size rockfalls (one natural, one provoked) that occurred in the same place were analyzed, showing complex envelope and spectrogram features. Both events showed close magnitude, duration and spectral content. The seismic signals of the provoked event were calibrated using video shots, allowing estimation of fallen material velocity during the successive propagation phases. The seismic signal appeared mainly controlled by the propagation phase, two dominant seismic pulses being related to (1) the ground impact of fallen material after free-fall, and (2) the kinematics of one individual _10 m3 rock block. These two pulses are characterized by similar low frequency content but very different particle motions. The discrete element technique was tested to simulate the provoked rockfall propagation. The initial velocity field, the resolution of the topography model and contact laws parameterization were found of critical importance for matching the observed propagation characteristics., Les éboulements rocheux de volume intermédiaire (103-105 m3) posent un problème sérieux dans les régions montagneuses en raison de leur fréquence d'occurrence relativement élevée et de leur fort pouvoir destructeur. En conséquence, il est difficile de mener des travaux de protection pour réduire l'aléa, ce qui souligne le besoin de techniques de suivi et d'alerte précoce avant la rupture. Après l'éboulement, peu d'informations quantitatives sont disponibles sur la phase de propagation en raison de la soudaineté du phénomène et de sa localisation dans des pentes raides et difficiles d'accès. Dans ce travail de thèse, une approche expérimentale est proposée pour extraire des informations à partir d'enregistrements de signaux sismiques durant les phases pré- et post-rupture d'éboulements. La première partie de ce travail vise à tester la pertinence des vibrations ambiantes pour le suivi temporel de la réponse dynamique de compartiments rocheux lors de la phase pré-rupture. Cette technique -couramment employée en génie civil pour le suivi de l'intégrité des structures- permet d'extraire les fréquences de résonance d'une structure, dont la décroissance peut traduire l'endommagement. Une étude antérieure menée sur une colonne calcaire instable a montré une décroissance d'environ 30% de la fréquence fondamentale de résonance (f1) environ deux semaines avant la rupture, interprétée comme une diminution de la rigidité du contact avec le massif stable adjacent. Afin d'évaluer l'applicabilité de cette méthode dans d'autres contextes, cinq compartiments rocheux instables de volume intermédiaire ont été sélectionnés et instrumentés dans les Alpes occidentales dans des géologies variées (calcaires, pélites, alternance grès-schistes), pour différents mécanismes de déformation et de rupture (glissement en pied, basculement, glissement composé). Les vibrations ambiantes enregistrées sur les compartiments instables montrent des pics spectraux, contrairement aux massifs adjacents. Ces pics sont attribués aux fréquences de résonance des compartiments, dont la fréquence fondamentale (f1) montre une polarisation préférentielle perpendiculaire à la fracture arrière présente sur la plupart des sites.La réponse dynamique d'un compartiment instable situé sur le rebord d'une caldera volcanique (cratère Bory, Piton de la Fournaise, La Réunion) et relié à un réseau de fracturation arrière étendu a été investiguée. Sur le compartiment instable, les caractéristiques du bruit de fond (fréquence de résonance, polarisation) sont comparables avec celles observées sur les sites alpins. A l'intérieur du cratère, la structure et la fracturation contrôlent le contenu spectral du bruit de fond, dans la gamme de fréquences 0,5-5 Hz. La direction de vibration préférentielle est orientée perpendiculairement aux fractures et les amplitudes semblent liées au degré de découplage avec le massif rocheux. Dans ce cas d'étude, l'origine physique de la résonance observée au sein du cratère pourrait être due à des effets de résonance 2D ou 3D.Pour quatre sites d'étude, la fréquence fondamentale (f1) a été suivie sur une période supérieure à un an et montre des fluctuations corrélées avec les variations de température. Le contrôle de f1 par la température est complexe, des corrélations positives ou négatives pouvant être observées selon la morphologie du site, la déstructuration et la période d'étude (journalière ou saisonnière). En revanche, il n'a pas été observé de changement de fréquence fondamentale du à de l'endommagement. La plus forte sensibilité de f1 aux variations de température a été observée sur un compartiment caractérisé par une fracturation intense et séparé du massif par une fracture arrière subverticale largement ouverte. Dans ce cas, les simulations thermo-mécaniques montrent que la contraction-dilatation du matériau et la dépendance de son module élastique à la température permettent d'expliquer les fluctuations de f1. Lors des périodes hivernales, la très forte augmentation de f1 est due à la formation de glace dans la fracture arrière. Par la suite, un critère a été développé en vue discriminer les fluctuations de f1 d'origine thermique et celles induites par de l'endommagement, en faisant l'hypothèse que la sensibilité thermique d'un compartiment instable augmente vers la rupture.La seconde partie de ce travail a pour objectif d'étudier le lien entre la phase post-rupture des éboulements et les signaux sismiques générés. Pour cela, les enregistrements de deux éboulements de volume intermédiaire {un naturel, l'autre provoqué{ survenus au même lieu et à quelques mois d'intervalle ont été analysés. L'enveloppe des signauxsismiques montre une forme complexe avec des signaux émergents et des pulses d'énergie, tandis que le spectrogramme présente une forme triangulaire caractéristique de sources en mouvement et/ou de processus d'entraînement de matériau. Les éboulements naturel et provoqué ont une magnitude, une durée et un contenu spectral comparables. Les signaux sismiques de l'éboulement provoqué ont été calibrés à l'aide de vidéos, permettantd'estimer la vitesse de propagation. Le signal sismique apparait contrôlé principalement par la phase de propagation, les deux pulses dominant le signal étant liés à (1) l'impact de la masse sur le sol après la phase de chute libre et (2) la cinématique d'un bloc isolé de volume ~10 m3. Ces deux pulses sont caractérisés par des contenus spectraux similaires à basse fréquence, mais des polarisations du mouvement très différentes. La méthode des éléments discrets a été testée pour simuler la propagation de l'éboulement déclenché, montrant que le champ initial de vitesses, la résolution du modèle topographique et les paramètres des lois de contact sont les paramètres clés contrôlant le modèle de propagation.

The detection of damage and changes in elastic properties of structures, using the variation of dynamic parameters, has been the subject of special attention for several years in the fields of mechanical and civil engineering. The general principle is based on the fact that the variation of physical properties (e.g. stiffness, mass, Young's modulus, boundary conditions) leads to a change in the dynamic characteristics of structures (e.g. resonance frequencies, modal damping and mode shapes). The presence of damage causes a decrease in the rigidity of structures, which give rise to an increase in flexibility and damping, which can be seen in mode shapes and frequency values. Using the change of this information between a healthy and damaged condition, several non-destructive methods have been proposed in the literature in order to identify and locate the damage. These practices and activities are of considerable importance. They allow us to anticipate and avoid breaks in structures, which are always catastrophic, and more generally, they allow us to establish the plans of a predictive maintenance, along with monitoring of the long-term of integrity (Structural Health monitoring). These monitoring methods are equally us popular because of the low cost of instrumentation, related to the appearance of new equipment at low cost, having the satisfactory performance. The objective of this work is to test different solutions, allow for detection, localization and quantification of changes in simple structures. Several methods have been tested and a new approach is proposed based on the use of the perturbation method. Three approaches are followed: finite element modeling (modal analysis), finite element numerical simulation (temporal analysis), and finally, experimental analysis of a Plexiglas beam in the laboratory. These three scopes of work have allowed us to test the sensitivity of global and local non-destructive methods (NDE) for detection and localization of damage. Changes associated with a local variation of Young's modulus (E) are tested numerically in modal and temporal analysis, and shown experimentally in local heating on the sections of beam. In all cases, we are in real life situations, where we identify modal characteristics by operational methods (Operative Modal Analysis) such as the random decrement technique and the method of decomposition in the frequency domain (Frequency Domain Decomposition). The results show a very good correlation between the numerical and experimental values obtained: resonant frequencies and mode shapes. For identifying damage, localization methods based on the curvature of mode shape, flexibility matrix, curvature of flexibility, and finally on the method of inversion of modes are employed. According to the results, the method of inversion proves effective in the case where modal variation is low and transient, whereas, the curvature of flexibility (ULS method) usually gives good results and appears robust when the changes are more pronounced.; La détection d'endommagements et de changements des propriétés élastiques dans des structures, utilisant les variations des paramètres dynamiques, fait l'objet d'une attention particulière depuis plusieurs années dans les domaines du génie mécanique et du génie civil. Le principe général repose sur le fait que la variation des propriétés physiques (e.g. rigidité, masse, module d'Young, conditions aux limites) entraîne une variation des caractéristiques dynamiques de la structure (e.g. fréquences de résonance, amortissements modaux et déformées modales). La présence d'endommagement provoque ainsi une diminution de la rigidité de la structure, c'est-à-dire une augmentation de sa flexibilité et de son amortissement que l'on retrouve dans la forme des modes et les valeurs des fréquences. Utilisant le changement de ces informations entre un état sain et un état endommagé, plusieurs méthodes non-destructives ont été proposées dans la littérature afin d'identifier et de localiser ces endommagements. Ces pratiques et ces activités sont d'une importance considérable puisqu'elles permettent en premier lieu d'anticiper et donc d'éviter des ruptures dans les structures, toujours catastrophiques, et plus généralement de mettre en place des plans de maintenance prédictives, en lien avec le suivi sur le long terme de leur intégrité (Structural Health Monitoring). Ces méthodes de surveillance se popularisent également du fait de la réduction des coûts des instrumentations, liés à l'apparition de nouveaux équipements à bas coût, ayant des performances satisfaisantes. L'objectif de ce travail est de tester les différentes solutions permettant la détection, la localisation et la quantification des changements dans des structures simples. Plusieurs méthodes ont été testées et une approche nouvelle a été proposée basée sur l'utilisation de la méthode des perturbations. Trois approches ont été suivies: une modélisation par éléments finis (analyse modale), une simulation numériques par éléments finis (analyse temporelle) et enfin des analyses expérimentales sur des poutres en Plexiglas au laboratoire, les trois volets de ce travail ayant permis de tester la sensibilité des méthodes non-destructives (NDE) globales et locales pour la détection et la localisation. Les changements ont été associés à une variation locale du module de Young (E), numériquement pour les solutions numériques et par chauffage local sur des sections de la poutre dans le volet expérimental. Dans tous les cas, nous sommes en situations réelles afin de proposer l'identification des caractéristiques modales par des méthodes opérationnelles (Operative Modal Analysis) telles que la méthode du décrément aléatoire et la méthode de décomposition dans le domaine fréquentiel (Frequency Domain Decomposition). Les résultats d'identification ont montré une très bonne corrélation entre les valeurs numériques et les valeurs expérimentales obtenues : fréquences de résonance et déformés modale. Pour identifier l'endommagement, les méthodes de localisation basées sur la courbure des déformées propres, la matrice de flexibilité, la courbure de flexibilité et enfin sur la méthode d'inversion des modes ont été employées. D'après les résultats obtenus, la méthode d'inversion se montre efficace dans le cas de variations modales faibles et transitoires, alors que la méthode de la courbure de flexibilité donne généralement de bons résultats et apparait robuste lorsque les variations sont plus prononcées.

This PhD thesis is focused on the correlation between ground motion and the buildings response. In particular, we interested in reducing the uncertainties that occur in vulnerability methods in order to assess more precisely the seismic vulnerability of existing structures. In order to do this, this thesis is based on the use of data recorded within buildings. Records of ambient vibrations and low amplitude earthquakes within buildings are used to characterize the elastic behaviour of these structures. Linear models can then be defined in order to study the various components of the variability of the fragility curves, for the first damage level. Earthquake that have occurred since the 1970s have been recorded within Californian buildings. From these data, we focused on the relationship between the building response and parameters describing the noxiousness of ground motion. Depending on the indicator used to represent the noxiousness of earthquakes, the building response can be estimated more or less accurately. In particular, indicators involving the dynamic parameters of the buildings are more related with the response of structures, which is represented by its averaged inter-story drift. Grouping buildings by typologies (defined according to their main material of construction and their height) can improve the variability in the response of buildings. Indeed, by providing more information on the structure, we can reduce the epistemic component of variability. In addition, by combining noxiousness parameters, the accuracy in the prediction of the building response can be improved. A functional form is thus proposed to estimate the averaged inter-story drift within the structures, for several typologies of buildings. This functional form is then used to assess fragility curves and can also be used to get an estimate of damage after an earthquake, by comparing the values of inter-story drift from given by the functional form with reference values (FEMA, 2003). Finally, a hybrid method is proposed for the construction of fragility curves, involving a nonlinear model. The parameters of this model are defined so that the response of the model fits the earthquake recordings, which were made within buildings. This model is then used to evaluate the components of variability and to build fragility curves for all damage levels.; L'objectif de cette thèse est d'analyser et de caractériser le lien entre les mouvements du sol et la réponse des bâtiments. En particulier, on s'intéresse à réduire les incertitudes qui entrent en jeu dans les méthodes de vulnérabilité, afin d'estimer plus précisément la vulnérabilité des structures au risque sismique. Pour ce faire, cette thèse est basée sur l'utilisation de données enregistrées au sein de bâtiments. Les enregistrements de vibrations ambiantes et de séismes de faibles amplitudes au sein de bâtiments permettent de caractériser le comportement élastique de ces structures. Des modèles peuvent ensuite être définis afin d'étudier les différentes composantes de la variabilité présente au sein des courbes de fragilité. On s'intéresse dans un premier temps au premier niveau de dommage, au-delà duquel les caractéristiques élastiques des bâtiments sont modifiées et les modèles définis ne sont plus valables. Des enregistrements de séismes ayant eu lieu depuis le début des années 1970 dans des bâtiments californiens sont ensuite utilisés. A partir de ces données, on a pu mettre en évidence des relations entre le déplacement au sein des structures et des paramètres décrivant la nocivité des signaux sismiques. Suivant l'indicateur utilisé pour représenter la nocivité des séismes, la réponse des bâtiments peut être estimée plus ou moins précisément. Notamment, les indicateurs faisant intervenir les paramètres dynamiques des bâtiments sont davantage liés avec la réponse des structures, représentée par son déplacement inter-étage moyen. La variabilité de la réponse des bâtiments peut être améliorée en regroupant les bâtiments par typologies (définies suivant leur matériau principal de construction et leur hauteur). En apportant davantage d'informations sur les structures, on peut ainsi diminuer la composante épistémique de la variabilité. De plus, en combinant des indicateurs de nocivité, on peut améliorer la précision pour la prédiction de la réponse de la structure. Une forme fonctionnelle est ainsi proposée afin d'estimer le déplacement inter-étage moyen au sein des structures, pour plusieurs typologies de bâtiments, à partir de quatre indicateurs de nocivité. Cette forme fonctionnelle est utilisée pour établir des courbes de fragilité et peut également être utilisée afin de donner une première estimation des dommages à la suite d'un séisme, en comparant les valeurs de déformations inter-étages avec des valeurs de référence (FEMA, 2003). Enfin, une méthode hybride est proposée pour la construction de courbes de fragilité, faisant intervenir un modèle de comportement non linéaire. Les paramètres de ce modèle sont définis de telle sorte que la réponse du modèle s'ajuste aux enregistrements de séismes effectués dans les bâtiments. Ce modèle est ensuite utilisé pour évaluer les composantes d'incertitudes et pour construire des courbes de fragilité pour tous les niveaux de dommages.

The detection of damage and changes in elastic properties of structures, using the variation of dynamic parameters, has been the subject of special attention for several years in the fields of mechanical and civil engineering. The general principle is based on the fact that the variation of physical properties (e.g. stiffness, mass, Young's modulus, boundary conditions) leads to a change in the dynamic characteristics of structures (e.g. resonance frequencies, modal damping and mode shapes). The presence of damage causes a decrease in the rigidity of structures, which give rise to an increase in flexibility and damping, which can be seen in mode shapes and frequency values. Using the change of this information between a healthy and damaged condition, several non-destructive methods have been proposed in the literature in order to identify and locate the damage. These practices and activities are of considerable importance. They allow us to anticipate and avoid breaks in structures, which are always catastrophic, and more generally, they allow us to establish the plans of a predictive maintenance, along with monitoring of the long-term of integrity (Structural Health monitoring). These monitoring methods are equally us popular because of the low cost of instrumentation, related to the appearance of new equipment at low cost, having the satisfactory performance. The objective of this work is to test different solutions, allow for detection, localization and quantification of changes in simple structures. Several methods have been tested and a new approach is proposed based on the use of the perturbation method. Three approaches are followed: finite element modeling (modal analysis), finite element numerical simulation (temporal analysis), and finally, experimental analysis of a Plexiglas beam in the laboratory. These three scopes of work have allowed us to test the sensitivity of global and local non-destructive methods (NDE) for detection and localization of damage. Changes associated with a local variation of Young's modulus (E) are tested numerically in modal and temporal analysis, and shown experimentally in local heating on the sections of beam. In all cases, we are in real life situations, where we identify modal characteristics by operational methods (Operative Modal Analysis) such as the random decrement technique and the method of decomposition in the frequency domain (Frequency Domain Decomposition). The results show a very good correlation between the numerical and experimental values obtained: resonant frequencies and mode shapes. For identifying damage, localization methods based on the curvature of mode shape, flexibility matrix, curvature of flexibility, and finally on the method of inversion of modes are employed. According to the results, the method of inversion proves effective in the case where modal variation is low and transient, whereas, the curvature of flexibility (ULS method) usually gives good results and appears robust when the changes are more pronounced., La détection d'endommagements et de changements des propriétés élastiques dans des structures, utilisant les variations des paramètres dynamiques, fait l'objet d'une attention particulière depuis plusieurs années dans les domaines du génie mécanique et du génie civil. Le principe général repose sur le fait que la variation des propriétés physiques (e.g. rigidité, masse, module d'Young, conditions aux limites) entraîne une variation des caractéristiques dynamiques de la structure (e.g. fréquences de résonance, amortissements modaux et déformées modales). La présence d'endommagement provoque ainsi une diminution de la rigidité de la structure, c'est-à-dire une augmentation de sa flexibilité et de son amortissement que l'on retrouve dans la forme des modes et les valeurs des fréquences. Utilisant le changement de ces informations entre un état sain et un état endommagé, plusieurs méthodes non-destructives ont été proposées dans la littérature afin d'identifier et de localiser ces endommagements. Ces pratiques et ces activités sont d'une importance considérable puisqu'elles permettent en premier lieu d'anticiper et donc d'éviter des ruptures dans les structures, toujours catastrophiques, et plus généralement de mettre en place des plans de maintenance prédictives, en lien avec le suivi sur le long terme de leur intégrité (Structural Health Monitoring). Ces méthodes de surveillance se popularisent également du fait de la réduction des coûts des instrumentations, liés à l'apparition de nouveaux équipements à bas coût, ayant des performances satisfaisantes. L'objectif de ce travail est de tester les différentes solutions permettant la détection, la localisation et la quantification des changements dans des structures simples. Plusieurs méthodes ont été testées et une approche nouvelle a été proposée basée sur l'utilisation de la méthode des perturbations. Trois approches ont été suivies: une modélisation par éléments finis (analyse modale), une simulation numériques par éléments finis (analyse temporelle) et enfin des analyses expérimentales sur des poutres en Plexiglas au laboratoire, les trois volets de ce travail ayant permis de tester la sensibilité des méthodes non-destructives (NDE) globales et locales pour la détection et la localisation. Les changements ont été associés à une variation locale du module de Young (E), numériquement pour les solutions numériques et par chauffage local sur des sections de la poutre dans le volet expérimental. Dans tous les cas, nous sommes en situations réelles afin de proposer l'identification des caractéristiques modales par des méthodes opérationnelles (Operative Modal Analysis) telles que la méthode du décrément aléatoire et la méthode de décomposition dans le domaine fréquentiel (Frequency Domain Decomposition). Les résultats d'identification ont montré une très bonne corrélation entre les valeurs numériques et les valeurs expérimentales obtenues : fréquences de résonance et déformés modale. Pour identifier l'endommagement, les méthodes de localisation basées sur la courbure des déformées propres, la matrice de flexibilité, la courbure de flexibilité et enfin sur la méthode d'inversion des modes ont été employées. D'après les résultats obtenus, la méthode d'inversion se montre efficace dans le cas de variations modales faibles et transitoires, alors que la méthode de la courbure de flexibilité donne généralement de bons résultats et apparait robuste lorsque les variations sont plus prononcées.

This PhD thesis is focused on the correlation between ground motion and the buildings response. In particular, we interested in reducing the uncertainties that occur in vulnerability methods in order to assess more precisely the seismic vulnerability of existing structures. In order to do this, this thesis is based on the use of data recorded within buildings. Records of ambient vibrations and low amplitude earthquakes within buildings are used to characterize the elastic behaviour of these structures. Linear models can then be defined in order to study the various components of the variability of the fragility curves, for the first damage level. Earthquake that have occurred since the 1970s have been recorded within Californian buildings. From these data, we focused on the relationship between the building response and parameters describing the noxiousness of ground motion. Depending on the indicator used to represent the noxiousness of earthquakes, the building response can be estimated more or less accurately. In particular, indicators involving the dynamic parameters of the buildings are more related with the response of structures, which is represented by its averaged inter-story drift. Grouping buildings by typologies (defined according to their main material of construction and their height) can improve the variability in the response of buildings. Indeed, by providing more information on the structure, we can reduce the epistemic component of variability. In addition, by combining noxiousness parameters, the accuracy in the prediction of the building response can be improved. A functional form is thus proposed to estimate the averaged inter-story drift within the structures, for several typologies of buildings. This functional form is then used to assess fragility curves and can also be used to get an estimate of damage after an earthquake, by comparing the values of inter-story drift from given by the functional form with reference values (FEMA, 2003). Finally, a hybrid method is proposed for the construction of fragility curves, involving a nonlinear model. The parameters of this model are defined so that the response of the model fits the earthquake recordings, which were made within buildings. This model is then used to evaluate the components of variability and to build fragility curves for all damage levels., L'objectif de cette thèse est d'analyser et de caractériser le lien entre les mouvements du sol et la réponse des bâtiments. En particulier, on s'intéresse à réduire les incertitudes qui entrent en jeu dans les méthodes de vulnérabilité, afin d'estimer plus précisément la vulnérabilité des structures au risque sismique. Pour ce faire, cette thèse est basée sur l'utilisation de données enregistrées au sein de bâtiments. Les enregistrements de vibrations ambiantes et de séismes de faibles amplitudes au sein de bâtiments permettent de caractériser le comportement élastique de ces structures. Des modèles peuvent ensuite être définis afin d'étudier les différentes composantes de la variabilité présente au sein des courbes de fragilité. On s'intéresse dans un premier temps au premier niveau de dommage, au-delà duquel les caractéristiques élastiques des bâtiments sont modifiées et les modèles définis ne sont plus valables. Des enregistrements de séismes ayant eu lieu depuis le début des années 1970 dans des bâtiments californiens sont ensuite utilisés. A partir de ces données, on a pu mettre en évidence des relations entre le déplacement au sein des structures et des paramètres décrivant la nocivité des signaux sismiques. Suivant l'indicateur utilisé pour représenter la nocivité des séismes, la réponse des bâtiments peut être estimée plus ou moins précisément. Notamment, les indicateurs faisant intervenir les paramètres dynamiques des bâtiments sont davantage liés avec la réponse des structures, représentée par son déplacement inter-étage moyen. La variabilité de la réponse des bâtiments peut être améliorée en regroupant les bâtiments par typologies (définies suivant leur matériau principal de construction et leur hauteur). En apportant davantage d'informations sur les structures, on peut ainsi diminuer la composante épistémique de la variabilité. De plus, en combinant des indicateurs de nocivité, on peut améliorer la précision pour la prédiction de la réponse de la structure. Une forme fonctionnelle est ainsi proposée afin d'estimer le déplacement inter-étage moyen au sein des structures, pour plusieurs typologies de bâtiments, à partir de quatre indicateurs de nocivité. Cette forme fonctionnelle est utilisée pour établir des courbes de fragilité et peut également être utilisée afin de donner une première estimation des dommages à la suite d'un séisme, en comparant les valeurs de déformations inter-étages avec des valeurs de référence (FEMA, 2003). Enfin, une méthode hybride est proposée pour la construction de courbes de fragilité, faisant intervenir un modèle de comportement non linéaire. Les paramètres de ce modèle sont définis de telle sorte que la réponse du modèle s'ajuste aux enregistrements de séismes effectués dans les bâtiments. Ce modèle est ensuite utilisé pour évaluer les composantes d'incertitudes et pour construire des courbes de fragilité pour tous les niveaux de dommages.

The knowledge and characterization of existing buildings is an issue that attracts the interest of many activities in recent years. The use of ambient vibrations allows an easy identification of the dynamic parameters of elastic structure, such as vibration frequencies, damping and mode shapes. The vibration frequency is easily observable through Fourier Transform of a recording at the top of the structure. As for the damping, it remains the least known and its physical origin remains unclear. In this study, we try to measure the frequency and damping over several buildings, to assess the stability and accuracy of measurements, especially in order to know precisely how far one can relate changes in modal parameters to changes in physical properties. We analyze the variations observed on studied buildings for periods varying from 1 month up to more than 1 year. These ongoing studies on at least one month will highlight the reversible changes of dynamic parameters of the structure, and put them in relation to external forcing. We observe diurnal variations on the frequency and damping in all the studied buildings. The relationship between these variations and other variations of a longer term, with the temperature differs from one building to another. The relationship between frequency and damping and the effect of Soil-Structure Interaction were studied., La connaissance et la caractérisation du bâti existant est une problématique attirant l'intérêt de nombreuses activités depuis quelques années. L'utilisation des vibrations ambiantes permet de connaître facilement les paramètres dynamiques élastiques de la structure, que sont les fréquences de vibration, les amortissements et les modes de déformations. La fréquence de vibration étant facilement observable par le calcul de la transformée de Fourier d'un enregistrement au sommet de la structure, l'amortissement quant à lui reste un des paramètres les moins bien connus et son origine physique reste imprécise. Dans cette étude, nous essayerons de mesurer la fréquence et l'amortissement sur plusieurs bâtiments, d'évaluer la stabilité et la précision des mesures effectuées, en particulier afin de connaître jusqu'à quelle précision on peut relier des variations des paramètres modaux à des variations des propriétés physiques. Nous analyserons les variations observées pour des périodes variant de 1 mois à plus de 1 an. Ces études continues sur au moins un mois permettront de mettre en évidence les variations réversibles des paramètres dynamiques de la structure, et de les mettre en relation avec des forçages externes. On observe des variations journalières sur la fréquence et l'amortissement dans tous les bâtiments étudiés. La relation entre ces variations, et d'autres variations observées à plus long terme, avec la température diffère d'un bâtiment à l'autre. La relation entre fréquence et amortissement et l'effet de l'Interaction Sol-Structure ont été étudiés.

Seismic vulnerability analysis of existing buildings requires basic information on their structural behaviour. In the current methods such as HAZUS or Risk-UE, these parameters are collected by visual screening or estimated among generic values of physical parameters. Even for more complete diagnosis, the experts have to deal with the lack of structural plans, the unknown quality of material, ageing and damaging of the structure. The ambient vibrations of buildings and the modal parameters (frequencies, damping ration and modal shapes) that can be extracted from them naturally include all these parameters in the linear elastic part of their behaviour. The aim of this work is to use this modal information to help the vulnerability assessment.A linear dynamic modal model based on experimental modal parameters is proposed. A damage threshold for the damage state “Slight” is chosen for each class of building. This model is validated using recordings of earthquakes in a structure with permanent monitoring installed by the French Accelerometric Network. Moreover, the fragility curve corresponding to the damage state “Slight” is build using numerous ground motions.This methodology is applied to the Grenoble City where ambient vibrations have been recorded in 61 buildings of various types at one point per floor at least. The modal analysis has been performed using the Frequency Domain Decomposition technique that allows to separate close modes. A structural study of each class of building regarding their modal properties is performed and the fragility curves developed using the aforementioned methodology. The seismic risk of the city is finally discussed by performing seismic scenarios., L'analyse de vulnérabilité sismique du bâti existant nécessite le relevé de paramètres déterminant le comportement dynamique des structures. Dans les méthodes existantes comme HAZUS ou RiskUE, ces informations sont collectées par expertise visuelle ou choisies parmi des valeurs forfaitaires. Même dans le cas d'un diagnostic plus complet, les experts doivent se passer des plans de la structure, estimer la qualité des matériaux utilisés, leur vieillissement voire leur endommagement. Or, les vibrations ambiantes des bâtiments et les paramètres modaux (fréquences propres, amortissements et déformées modales) qui peuvent en être extraits incluent naturellement tous ces paramètres dans leur domaine de fonctionnement linéaire élastique. L'objectif de ce travail est d'utiliser au mieux ces paramètres modaux pour aider au diagnostic de vulnérabilité sismique. Un modèle modal dynamique linéaire fondé sur les paramètres modaux expérimentaux est proposé. La limite en déformation du premier endommagement a été fixée pour différents types de bâtiments. Ce modèle est notamment validé à l'aide d'enregistrements de séismes à l'Hôtel de Ville de Grenoble, une structure instrumentée par le Réseau Accélérométrique Permanent (RAP). Par ailleurs, la courbe de fragilité correspondant à l'état de dommage "Léger" est développée en utilisant de nombreux mouvements du sol simulés.Cette méthodologie a été appliquée à la ville de Grenoble où des tests sous vibrations ambiantes ont été menés sur 61 bâtiments. L'analyse modale a été réalisée grâce à la Frequency Domain Decomposition, une méthode qui permet de décomposer les modes, même s'ils sont proches. Une étude structurale de chaque type de bâtiment a été menée à l'aide des paramètres modaux expérimentaux et les courbes de fragilité ont été développées suivant la méthodologie proposée. Le risque sismique de la ville a également été étudié à l'aide de scénarios de séismes, dont les résultats ont été comparés à ceux d'une méthode d'analyse de vulnérabilité empirique.

Seismic vulnerability analysis of existing buildings requires basic information on their structural behaviour. In the current methods such as HAZUS or Risk-UE, these parameters are collected by visual screening or estimated among generic values of physical parameters. Even for more complete diagnosis, the experts have to deal with the lack of structural plans, the unknown quality of material, ageing and damaging of the structure. The ambient vibrations of buildings and the modal parameters (frequencies, damping ration and modal shapes) that can be extracted from them naturally include all these parameters in the linear elastic part of their behaviour. The aim of this work is to use this modal information to help the vulnerability assessment.A linear dynamic modal model based on experimental modal parameters is proposed. A damage threshold for the damage state “Slight” is chosen for each class of building. This model is validated using recordings of earthquakes in a structure with permanent monitoring installed by the French Accelerometric Network. Moreover, the fragility curve corresponding to the damage state “Slight” is build using numerous ground motions.This methodology is applied to the Grenoble City where ambient vibrations have been recorded in 61 buildings of various types at one point per floor at least. The modal analysis has been performed using the Frequency Domain Decomposition technique that allows to separate close modes. A structural study of each class of building regarding their modal properties is performed and the fragility curves developed using the aforementioned methodology. The seismic risk of the city is finally discussed by performing seismic scenarios.; L'analyse de vulnérabilité sismique du bâti existant nécessite le relevé de paramètres déterminant le comportement dynamique des structures. Dans les méthodes existantes comme HAZUS ou RiskUE, ces informations sont collectées par expertise visuelle ou choisies parmi des valeurs forfaitaires. Même dans le cas d'un diagnostic plus complet, les experts doivent se passer des plans de la structure, estimer la qualité des matériaux utilisés, leur vieillissement voire leur endommagement. Or, les vibrations ambiantes des bâtiments et les paramètres modaux (fréquences propres, amortissements et déformées modales) qui peuvent en être extraits incluent naturellement tous ces paramètres dans leur domaine de fonctionnement linéaire élastique. L'objectif de ce travail est d'utiliser au mieux ces paramètres modaux pour aider au diagnostic de vulnérabilité sismique. Un modèle modal dynamique linéaire fondé sur les paramètres modaux expérimentaux est proposé. La limite en déformation du premier endommagement a été fixée pour différents types de bâtiments. Ce modèle est notamment validé à l'aide d'enregistrements de séismes à l'Hôtel de Ville de Grenoble, une structure instrumentée par le Réseau Accélérométrique Permanent (RAP). Par ailleurs, la courbe de fragilité correspondant à l'état de dommage "Léger" est développée en utilisant de nombreux mouvements du sol simulés.Cette méthodologie a été appliquée à la ville de Grenoble où des tests sous vibrations ambiantes ont été menés sur 61 bâtiments. L'analyse modale a été réalisée grâce à la Frequency Domain Decomposition, une méthode qui permet de décomposer les modes, même s'ils sont proches. Une étude structurale de chaque type de bâtiment a été menée à l'aide des paramètres modaux expérimentaux et les courbes de fragilité ont été développées suivant la méthodologie proposée. Le risque sismique de la ville a également été étudié à l'aide de scénarios de séismes, dont les résultats ont été comparés à ceux d'une méthode d'analyse de vulnérabilité empirique.

National audience; Large-scale seismic vulnerability assessment methods use simplified formulas and curves, often without providing uncertainties. They are seldom compared to experimental data. Therefore, we recorded ambient vibrations and estimated modal parameters (resonance frequencies, modal shapes and damping) of 60 buildings in Grenoble (France) of various types (masonry and reinforced concrete). The knowledge of resonance frequencies in the linear domain is essential in the seismic design. Hence, we compared resonance frequency formulas given in the design code with this experimental data. The variability is underestimated and only two parameters (type and height of the building) seem to be statistically significant. Moreover, we compared the linear part of capacity curves used in European Risk-UE method to the measured frequencies. The variability is still very large and these curve are often not relevant for the French buildings. As a result, ambient vibration recordings may become an interesting tool in order to calibrate the linear part of capacity curves.

Ambient vibrations are mechanical low amplitude vibrations generated by human and natural activities. By forcing into vibration engineering structures, these vibrations can be used to estimate the structural dynamic characteristics.The goal of this study is to compare building dynamic characteristics derived from ambient vibrations to those derived from more energetic solicitations (e.g. earthquake). This study validates the efficiency of this method and shows that ambient vibrations results can be extrapolated to seismic behavior. Afterwards, this method has been used as a building damage estimate method after seismic events. First we applied this method in laboratory on structural elements (columns and beams) suffering damages. Then, we applied it on real scale buildings which suffered damages after the Boumerdes seismic event (Algeria 21/05/2003, Mw 6.8).Finally, a set of buildings located in Grenoble and Nice was tested. The correlation of the two main dynamic parameters (frequency and damping) gives us informations on the in-situ measured damping origin.These results show that the ambient vibrations method is efficiency for buildings dynamic characteristics estimate and seismic evaluation., Le bruit de fond est une vibration mécanique de faible amplitude générée par l'activité naturelle et humaine. Cette vibration, en sollicitant les structures de génie civil, permet d'étudier leur comportement dynamique.L'objectif de ce travail de thèse a été de comparer les caractéristiques dynamiques issues de mesures de bruit de fond à des caractéristiques issues de sollicitations de plus fortes amplitudes (e.g. séismes). Cette étude nous a permis de valider la pertinence de cette méthode. Nous avons montré en particulier que les résultats sous bruit de fond peuvent être extrapolés aux résultats sous séismes.Cette méthode a ensuite été appliquée pour tenter d'identifier l'endommagement de structures ayant subi des séismes. Après une première application en laboratoire sur des éléments de structure (poteaux, poutres) subissant un endommagement contrôlé, nous l'avons appliquée à des bâtiments endommagés par le séisme de Boumerdes en Algérie (21/05/2003, Mw 6.8).Enfin, des bâtiments grenoblois et niçois ont été testés par cette méthode. La corrélation de deux paramètres dynamiques essentiels (fréquence et amortissement) a été étudiée pour connaître l'origine de l'amortissement mesuré par cette méthode.Ces résultats montrent que cette méthode est efficace et applicable aux structures de génie civil pour la caractérisation dynamique et l'aide au diagnostic sismique.