Deux évènements sismiques majeurs, ponctués de nombreuses répliques, ont secoué le Japon entre le 14 et le 16 avril 2016. Tous ont été générés par des ruptures de la même faille, sur l’île de Kyushu. La magnitude du dernier a été estimée à 7.3. Une ancienne étudiante japonaise m’ayant transmis un lien vers une page du site de l’université de Tokyo (régulièrement alimentée depuis le 14 avril) qui y est consacrée, il m’a semblé intéressant de proposer quelques éléments de décryptage de quelques unes des illustrations qu’on y trouve et qui sont reproduites ci-après.

Propagations des ondes sismiques

La vidéo qui suit illustre la propagation des onde sismiques depuis l’épicentre (point situé à l’aplomb de l’amorce de rupture  de la faille) vers l’ensemble du territoire japonais. En moins de 4 minutes 30, les ondes se sont propagées jusqu’à la baie de Tokyo où elles ont »stagné » pendant plus de 2 minutes.

Cette stagnation correspond probablement à un piégeage des ondes dans la zone sédimentaire sur laquelle s’étend l’agglomération de Tokyo. On observe d’ailleurs des phénomènes analogues dans d’autres zones sédimentaires (en gris) sur lesquelles se développent d’autres très grandes agglomérations : Nagoya, Osaka, Kobe…

Principe de piégeage des ondes sismiques dans une zone sédimentaire (ici prisme d'accrétion au droit d'une zone de subduction) - Ill. AdlF.

Principe de piégeage des ondes sismiques dans une zone sédimentaire (ici prisme d’accrétion au droit d’une zone de subduction à l’est du Japon) – Ill. AdlF.

Il s’agit d’un « effet de site » qui, dans ce cas, en plus d’allonger la durée des secousses, amplifie probablement leur amplitude et augmente donc localement la dangerosité des séismes. Une autre conséquence possible de cet effet de site pourrait être d’augmenter la sensibilité des bâtiments de grandes périodes propres. Dans ce cas, le strict respect des principes de conception parasismique consisterait à privilégier des bâtiments de petites périodes propres : bâtiments de faible hauteur par exemple.

Accélérations et déplacements maximaux

Les deux cartes ci-dessus représentent les valeurs maximales d’accélérations (PGA : Peak Ground Accelerations) et de déplacements (Peak Ground Displacements) mesurées au niveau du sol sur l’ensemble du territoire japonais.

Accélérations et déplacements maximaux sur le territoire japonais suite au séisme du 16 avril 2016

Accélérations et déplacements maximaux du sol (séisme de Kyushu du 16 avril 2016).

Comme souvent, les valeurs maximales(environ 500 cm/s² d’accélération et 50 cm de déplacement) sont observées à proximité de l’épicentre (étoile). Les valeurs ont tendance à décroitre à mesure que l’on s’en éloigne (dispersion et dissipation de l’énergie sismique). A quelques anomalies près : les valeurs de déplacements observées à Tokyo sont sans doute à mettre en parallèle avec l’effet de site mentionné plus haut. Anomalie qu’on ne retrouve pas au niveau des accélération, ce qui tend à confirmer le caractère basse fréquence des secousses, des déplacements lents ne causant généralement pas de grandes accélérations (sauf en cas de très très grands déplacements).

Signaux temporels

Les courbes ci-dessous représentent l’évolution des signaux de vitesse et d’accélération en deux points situés à proximité de l’épicentre. Attention, il y a une coquille : les courbes (a) représentent les accélérations, les courbes (b) les vitesses.

 

Signaux_vitesse_accélération_séisme_Japon_16avril2016

Signaux de vitesse et d’accélération du sol près de l’épicentre (séisme du 16 avril 2016).

En chacun des points de mesure, les signaux d’accélérations et de vitesses représentent deux des trois manières possibles (avec les déplacements) de représenter un même phénomène sismique (accélérations, vitesses et déplacements pouvant être déduits des autres par dérivation ou intégration). Pourquoi ces deux signaux ? Probablement parce qu’ils sont directement issus des mesure effectuées à l’aide d’accéléromètres et vélocimètres, deux principaux types de capteurs employés pour caractériser les oscillations des sols et bâtiments.

Les informations essentielles contenues dans ces signaux sont la durée et l’amplitude des secousses aux lieux où ils sont mesurés. Si le signal d’accélération parle plutôt de capacité à déstabiliser des objets ou personnes en équilibre précaire, le signal de vitesse parle plutôt d’énergie véhiculée par le sol et, potentiellement, de capacité destructrice.

Accessoirement, sont également indiqués les deux principaux trains d’ondes constitutifs des signaux. Les ondes P (primae undae) correspondent aux ondes longitudinales ; elles compriment et dilatent successivement le milieu parcouru et, comme leur nom l’indique, arrivent toujours en premier. Les ondes S (secundae undae) correspondent aux ondes de cisaillement ; elles déforment le milieu parcouru perpendiculairement à leurs trajectoires. Ce sont elles qui provoquent les plus grosses secousses.

Spectres de réponse en vitesse

Les courbes qui suivent sont appelées spectres de réponse en vitesse. Il existe les mêmes en accélération et déplacement, très utilisées par les ingénieurs pour le dimensionnement des structures en zones sismiques et fondement de la plupart des codes de construction parasismique modernes.

Spectres en vitesse près de l’épicentre (séismes des 14 et 16 avril 2016).

Ces spectres traduisent, pour un évènement sismique donné, la réponses de n’importe quel bâtiment en fonction de sa période propre (durée d’un aller-retour en oscillations « libres », c’est à dire en l’absence de sollicitations sismiques). Les bâtiments contreventés par voiles ou croix de saint-André ont des périodes propres plus faibles que des bâtiments équivalents contreventés par simples portiques. À systèmes de contreventement équivalents, les bâtiments de grande hauteur ont des périodes propres plus élevées que des bâtiments bas.  Ainsi, près de la station KMMH16 le 16 avril, les bâtiments ayant subi les vitesses les plus élevées avaient des périodes propres de l’ordre de 0,9 secondes (bâtiments d’une vingtaine de niveaux contreventés par voiles ou bâtiments d’une dizaine de niveaux contreventés par portiques).

Le document qui suit montre quelques spectres de réponse en vitesse et les signaux dont ils sont tirés.

Signaux temporels et spectres de réponse en vitesse sur l’ensemble du territoire japonais.

Signaux temporels et spectres de réponse en vitesse sur l’ensemble du territoire japonais.

On voit ici l’atténuation du signal sismique à mesure que l’on s’éloigne de l’épicentre : signaux rouge et vert proches de l’épicentre, signal bleu indigo à Osaka (500 km), signal bleu magenta à Tokyo (900 km). L’intensité des vitesses à Tokyo, comme celle des accélérations, est relativement peu marquée. On constate ici, ce qui est souvent le cas, que les spectres se décalent vers les grandes périodes propres lorsqu’augmente la distance à l’épicentre. Ainsi, les séismes lointains affectent généralement plus les bâtiments hauts que les bâtiments bas.